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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (im folgenden Text auch als ATL bezeichnet) einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Schutzanspruchs 1.
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Abgasturbolader zur Erhöhung der Leistung von Verbrennungsmotoren sind seit langem bekannt. Eine frühe Bauform eines Abgasturboladers geht z.B. aus der Patentschrift
DE 204 630 hervor. Die Grundfunktionen und Bauteile eines ATL haben sich seit seiner Erfindung nicht stark verändert. Neben den verschiedenen Varianten hat sich vor allem die mit Ladedruckregelung gegenüber den ungeregelten Bauformen durchgesetzt. Durch die druckabhängige Regelung an der Frischluftseite wurde das System inzwischen weitgehend störungsfrei, aber offenbar herrscht im Hinblick auf Downsizing noch immer ein Innovationsbedarf. Leider werden keine Diskussionen über Möglichkeiten geführt, die rotglühenden Abgasturbinen durch hohe Temperaturen zu verhindern.
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Bekannte Turbolader umfassen eine Turbine und einen Verdichter, die über eine gemeinsame Welle gekoppelt sind. Der Abgasstrom aus den Brennkammern des Verbrennungsmotors treibt das Turbinenrad an, das wiederum den Verdichter antreibt. Mit dessen Hilfe wird die Ansaugluft verdichtet und unter Überdruck gebracht. Die erhöhte Luftmenge ermöglicht die Zuführung von mehr Kraftstoff, woraus insgesamt eine Erhöhung des je Verbrennungstakt in den Brennkammern verbrannten Brenngases und daraus eine Erhöhung des Verbrennungsdrucks resultieren. Dieser erhöhte Verbrennungsdruck macht sich letztlich in einer Steigerung des Mitteldrucks des Verbrennungsmotors und des auf die Kurbelwelle wirkenden und von dieser auf den Antriebsstrang weitergegebenen Drehmoments bemerkbar; die Leistungsabgabe wird erhöht.
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Die Grundfunktionen und Bauteile eines Abgasturboladers haben sich im Laufe der Entwicklung nicht wesentlich verändert. Inzwischen hat sich vor allem die Ladedruckregelung gegenüber den ungeregelten Bauformen durchgesetzt. Durch die druckabhängige Regelung an der Frischluftseite wurde das System inzwischen weitgehend störungsfrei. Allerdings verursachen die hohen Drehzahlen und die großen thermischen und mechanischen Belastungen der im Abgasstrom befindlichen Turbine oftmals Probleme.
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Es ist für jeden interessierten Techniker selbstverständlich, eine wie auch immer geformte Turbine axial, also vom Zentrum aus anzutreiben. Nur für spezielle Anwendungen und bei der Pelton-Turbine wird vom Schraubenprinzip abgewichen, weil bei diesen Anwendungen das Antriebsmedium schon ausreichend Druck oder Geschwindigkeit hat um eine Turbine tangential anzutreiben. Um mit den weniger schnellen Abgasen von Diesel- und Ottomotor mit einer schraubenförmigen Turbine die für den Turbolader notwendigen Drehzahlen trotzdem zu erreichen, wird sie ähnlich wie bei der Peltonturbine, quasi tangential und gegen die Fliehkraft von außen nach innen angesteuert. Die dabei entstehenden hohen Temperaturen sind bekannt, und alle Gegenmaßnahmen erfordern einen höheren konstruktiven Aufwand und vergrößern Verbrauch und Fahrzeuggewicht.
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Die bisherigen Gegebenheiten von zwei auf einer Welle angebrachten Schraubenturbinen, die vom Prinzip her einen axialen Durchstrom benötigen würden, sind infolge des vorhandenen Raumes nur unbefriedigend zu lösen. Dagegen lösen Turbinen nach dem Coriolisprinzip genau diese Nachteile auf, weil sie ausschließlich mit einem axialen Zustrom und einem dazu rechtwinkeligen Abstrom in die Kreisebene arbeiten und somit den Raum, wo sich Welle mit Lagerung und Ölversorgung befinden, nicht benötigen.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Abgasturboladers, der die genannten Nachteile vermeidet.
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Dieses Ziel wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs erreicht.
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Die Turbinen nach dem Coriolisprinzip weisen im Gegensatz zu den Schraubenturbinen für den aktiven (
3) sowie für den passiven Betrieb (
2) jeweils eine spezielle Bauform auf. In beiden Turbinen fließt das Medium in das Zentrum, dann radial nach außen. Von außen betrachtet, beschreibt es während der Drehung ungefähr eine Corioliskurve. Dazu wird für das Turbinenrad auf der Abgasseite des Turboladers das Turbinenrad nach
EP 2 546 513 A2 (
2) und für das Verdichterrad das Vektor-Rad nach
DE 31 09745 A1 (
3) verwendet.
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So schlägt die Erfindung zur Erreichung des genannten Ziels einen ATL mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs vor, dessen Besonderheit gegenüber den bekannten ATL darin besteht, dass das Turbinenrad axial vom Abgasstrom angeströmt wird, der sich darin radial und zylindrisch ausbreitet und dabei auf die, die Corioliskurven vorgebenden Gleitflächen trifft, die eine damit bestimmte Drehung verursachen. Durch die über der genannten Kurve angeordnete konvexe zweite Kurve, bekommt die Gleitfläche ein Profil, welches einen Auftrieb ähnlich dem Flugzeugflügel verursacht, der die Drehung zusätzlich erhöht. Mit der Verwendung des in
EP 2 546513 A2 (dort
2) beschriebenen Turbinenrades können diese Anforderungen erfüllt werden. Anhand
1 ist ersichtlich, dass die Abgase vollständig durch die Turbine strömen müssen ohne einem Turbinenelement ausweichen zu können und somit ihre kinetische Energie auf die Turbine übertragen, woraus eine hohe Anlaufempfindlichkeit resultiert. Die Anpassung der Gehäuseform an die nunmehr axiale Zuleitung der Abgase stellt das äußere Merkmal an der Verbesserung des ATL dar. Die Zuleitung wird dabei derart gestaltet, dass sie am kleinsten möglichen Abstand zum Turbinenrad den gleichen Durchmesser aufweist wie die Turbinenöffnung und zugleich eine ringförmige Abdeckung der Stirnseiten der Gleitflächen bildet.
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Die Drehzahl der Turbine lässt sich konstruktiv durch die Anzahl, die Neigung und Länge der Gleitflächen, sowie durch das Verhältnis von Abgaseintritt und der Summe von Abgasaustritt gezielt auf die gewünschte Drehzahl zu gestalten. Auch der Rückstau in die Zylinder wird dadurch konstruktiv gestaltungsfähig, sodass eventuell eine Turboladergeometrie überflüssig wird.
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Weiter schlägt die Erfindung vor, auch das allseits bekannte und gebräuchliche Vedichterrad des bekannten ATL durch das Vektorrad nach
DE 3109745 A1 (dort
3), nach entsprechender Anpassung der Gehäuseform, zu ersetzen. Das Vektorrad ist in einer Drehebene oder in mehreren dazu parallelen Drehebenen mit einer unbestimmten Anzahl auf die Drehachse zentrierten Radialrohren bestückt, welche in eine rechtwinkelig zur Drehebene angebrachte Ansaugöffnung münden. Durch die vom Turbinenrad vorgegebene Drehung bekommt die Luft in den Radialrohren eine Fliehkraft und wird durch die zur Düse geformte Verengung in das Verdichtergehäuse getrieben. Bei diesem Vorgang wird die Luft sowohl tangential, wie auch radial beschleunigt.
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In der gedachten Abbildung des Bewegungsablaufs eines Teilchens durch die Radialrohre würde das eine Corioliskurve ergeben, die sich nach dem Austritt aus dem Radialrohr vektoral addiert und zwar, je nach Drehzahl, zwischen strahlförmig und tangential. Die Form der Corioliskurve ergibt sich aus dem Durchmesser und aus der Winkelgeschwindigkeit der Vektorrades.
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Die Längswände eines Radialrohres sind zum Radius des Vektorrades parallel. Wenn keine optimierten Effekte erzielt werden sollen, entspricht der Querschnitt der Ansaugöffnung der Summe der Querschnittsflächen der Radialrohre. Die durch die Anordnung der Radialrohre auf einer Kreisfläche frei bleibenden Sektoren müssen für die geförderte Luft unzugänglich sein, um die bei Drehung entstehende Fliehkraft optimal auf die angesaugte Luft zu übertragen. Dieser Effekt berechtigt auch zu der Aussage, dass es sich dabei um eine Zwangsbeschleunigung handelt, weil die Luft keine Auseichmöglichkeit hat. Um einen kontinuierlichen Luftstrom innerhalb der Radialrohre zu gewährleisten, wird das periphere Ende der Radialrohre zur Düse verengt. Im Zuge einer weiteren Optimierung oder bei Bedarf eines größeren Volumens von Luft wird die Beschleunigungszone durch weitere Radialrohre (4) in mehreren Drehebenen erweitert und adäquat dazu die Turbinenöffnung und das Abgasrohr. Wenn bei geringem Luftvolumen ein höherer Druck erforderlich ist, dann wird einfach der Durchmesser des Verdichterrades vergrößert.
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Das Verdichtergehäuse wird entsprechend dem in der Drehrichtung zunehmenden Luftvolumen schneckenförmig bis zur Größe von Ansaugkrümmer oder Diffusor erweitert.
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Weitere Varianten und Abwandlungen des Gegenstandes der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend beschrieben. So schlägt die Erfindung zur Erreichung des oben genannten Ziels einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs vor, dessen Besonderheit gegenüber bekannten Abgasturboladern darin besteht, dass das Turbinenrad im Wesentlichen axial vom Abgasstrom angeströmt ist, wobei die Turbinenschaufeln des Turbinenrades den Abgasstrom in ungefähr radialer Richtung passieren lassen. Die Turbine kann insbesondere nach dem sog. Coriolisprinzip arbeiten, so wie dies in den weiteren Ansprüchen definiert ist. Dadurch wird ein modifizierter Abgasturboladers mit einer Turbine nach dem Coriolisprinzip zur Verfügung gestellt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Abgase in einem Rohr nunmehr axial in das Drehzentrum des Turbinenrades geführt werden, dort sich kreisförmig, rechtwinkelig verteilen und radial einer durch die Gleitflächen vorgegebenen Corioliskurve folgen und dabei eine Drehung erzeugen.
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Wahlweise kann das bisherige schraubenförmige Turbinenrad auch durch ein Turbinenrad nach
EP 2 546 513 A2 (dort
2) ersetzt werden, wobei die Abgaszuführung nunmehr axial in das Drehzentrum des Turbinenrades geführt wird. Weiterhin kann in einer Variante auch das bisherige schraubenförmige Verdichterrad durch ein Turbinenrad nach
DE 3109745 A1 (dort
3) ersetzt werden, wobei das Gehäuse dazu schneckenartig geformt wird.
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Wahlweise kann bei einer weiteren Variante des Abgasturboladers zur vergrößerten Luftzufuhr die Beschleunigungszone doppelt oder mehrfach ausgebaut sein, wie dies insbesondere in 4 gezeigt ist.
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Die Erfindung schlägt einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine vor, der im Auslasstrakt der über wenigstens eine Brennkammer verfügenden Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist und dessen durch den Abgasstrom in Rotation versetztes Turbinenrad über eine Wellenverbindung mit einem Verdichterrad gekoppelt ist, das im Einlasstrakt der wenigstens einen Brennkammer angeordnet ist und die dieser Brennkammer zugeführte Verbrennungsluft verdichtet. Der erfinderische Abgasturbolader ist gekennzeichnet durch ein im Wesentlichen axial vom Abgasstrom angeströmtes Turbinenrad, dessen Turbinenschaufeln den Abgasstrom in ungefähr radialer Richtung passieren lassen.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass der Abgasstrom im Turbinenrad von axialer Anströmung in radiale Abströmung umgelenkt ist. Gemäß einer bevorzugten Variante weist das Turbinenrad einen rotierenden scheibenförmigen Träger mit einer strömungslenkenden Strukturierung in Form von schräg und/oder gekrümmt verlaufenden Stegen und/oder Kanälen auf. Hierbei können die Stege und/oder Kanäle des Turbinenrads über ihren Längsverlauf variable und/oder sich verändernde Querschnitte aufweisen.
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Eine weitere Variante des Abgasturboladers kann vorsehen, dass das Turbinenrad eine Mehrzahl von annähernd gleichmäßig über den äußeren Bereich der stirnseitigen Oberfläche verteilten Stegen aufweist, deren Oberflächen jeweils einen gekrümmten Verlauf aufweisen. Die Krümmungen der Stege können insbesondere dem vorgegebenen Kurvenverlauf einer Corioliskurve bzw. einer Coriolisbeschleunigung folgen bzw. entsprechen.
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Auch kann vorgesehen sein, dass das Turbinenrad des erfindungsgemäßen Abgasturboladers eine Mehrzahl von annähernd gleichmäßig über den äußeren Bereich der stirnseitigen Oberfläche verteilten Stegen aufweist, deren Querschnitt jeweils eine Profilierung aufweist, wobei die Oberflächen jeweils einen gekrümmten Verlauf mit unterschiedlicher Krümmung aufweisen. Jeder Steg kann bspw. an seiner konvexen Außenseite eine stärkere Krümmung aufweisen als an seiner konkaven Innenseite, so dass sich eine zu den seitlichen Enden jedes Steges jeweils gegenüber dem Mittelbereich abnehmende Dicke ergibt.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Stege des Turbinenrades jeweils hypoidförmige Verläufe aufweisen. Die Stege können auch an ihren dem scheibenförmigen Träger abgewandten Stirnseiten einen oder mehrere Abweiser in Gestalt einer ringförmigen Scheibe, einzelner repellerartiger Abweiser, strömungsleitender Scheiben o. dgl. aufweist.
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Eine weitere Variante des Abgasturbolader kann vorsehen, dass der Frischgas- oder Verbrennungsluftstrom im Verdichterrad von axialer Anströmung in radiale, zur wenigstens einen Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine geführte Abströmung umgelenkt ist. Das Verdichterrad kann bspw. einen rotierenden scheibenförmigen Träger mit einer strömungslenkenden Strukturierung in Form von schräg und/oder gekrümmt verlaufenden Stegen und/oder Kanälen aufweisen.
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Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind.
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1 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau einer Variante des erfindungsgemäßen Abgasturboladers, der Teil einer Verbrennungskraftmaschine ist.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Turbinenrades des Abgasturboladers gemäß 1.
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3 zeigt den Aufbau einer Ausführungsvariante des Verdichterrades des Abgasturboladers gemäß 1.
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4 zeigt eine Detailansicht des Verdichterrades gemäß 3.
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Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar, wie der erfindungsgemäße Abgasturbolader ausgestaltet sein kann und stellen keine abschließende Begrenzung dar.
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So zeigen die
1 bis
4 verschiedene Varianten und Details eines erfindungsgemäßen ATL, der die Merkmale des unabhängigen Anspruchs aufweisen kann und dessen Besonderheit gegenüber den bekannten ATL darin besteht, dass das Turbinenrad
2 axial vom Abgasstrom
4 angeströmt wird, der sich darin radial und zylindrisch ausbreitet und dabei auf die, die Corioliskurven
13 vorgebenden Gleitflächen
14 trifft, die eine damit bestimmte Drehung
12 verursachen. Durch die über der genannten Kurve
13 angeordnete konvexe zweite Kurve, bekommt die Gleitfläche
14 ein Profil
13, welches einen Auftrieb ähnlich dem Flugzeugflügel verursacht, der die Drehung zusätzlich erhöht. Mit der Verwendung des in
EP 2 546513 A2 (dort
2) beschriebenen Turbinenrades können diese Anforderungen erfüllt werden. Anhand
1 ist ersichtlich, dass die Abgase vollständig durch die Turbine strömen müssen ohne einem Turbinenelement ausweichen zu können und somit ihre kinetische Energie auf die Turbine übertragen, woraus eine hohe Anlaufempfindlichkeit resultiert. Die Anpassung der Gehäuseform an die nunmehr axiale Zuleitung
17 der Abgase
4 stellt das äußere Merkmal an der Verbesserung des ATL dar. Die Zuleitung
17 wird dabei derart gestaltet, dass sie am kleinsten möglichen Abstand
22 zum Turbinenrad
2 den gleichen Durchmesser aufweist wie die Turbinenöffnung
11 und zugleich eine ringförmige Abdeckung
9 der Stirnseiten der Gleitflächen
14 bildet.
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Die Drehzahl der Turbine 2 lässt sich konstruktiv durch die Anzahl, die Neigung und Länge der Gleitflächen 14, sowie durch das Verhältnis von Abgaseintritt 4 und der Summe von Abgasaustritt 5 gezielt auf die gewünschte Drehzahl zu gestalten. Auch der Rückstau in die Zylinder wird dadurch konstruktiv gestaltungsfähig, sodass eventuell eine Turboladergeometrie überflüssig wird.
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Weiter schlägt die Erfindung vor, auch das allseits bekannte und gebräuchliche Vedichterrad des bekannten ATL durch das Vektorrad nach
DE 3109745 A1 (dort
3), nach entsprechender Anpassung der Gehäuseform
21, zu ersetzen. Das Vektorrad
3 ist in einer Drehebene oder in mehreren dazu parallelen Drehebenen mit einer unbestimmten Anzahl auf die Drehachse
10 zentrierten Radialrohren
15 bestückt, welche in eine rechtwinkelig zur Drehebene angebrachte Ansaugöffnung
19 münden. Durch die vom Turbinenrad
2 vorgegebene Drehung
12 bekommt die Luft
7 in den Radialrohren
15 eine Fliehkraft und wird durch die zur Düse geformte Verengung
20 in das Verdichtergehäuse
21 getrieben. Bei diesem Vorgang wird die Luft
7 sowohl tangential, wie auch radial beschleunigt.
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In der gedachten Abbildung des Bewegungsablaufs eines Teilchens durch die Radialrohre würde das eine Corioliskurve ergeben, die sich nach dem Austritt aus dem Radialrohr 20 vektoral addiert und zwar, je nach Drehzahl, zwischen strahlförmig und tangential. Die Form der Corioliskurve 13 ergibt sich aus dem Durchmesser 8 und aus der Winkelgeschwindigkeit der Vektorrades 3.
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Die Längswände eines Radialrohres 15 sind zum Radius des Vektorrades 3 parallel. Wenn keine optimierten Effekte erzielt werden sollen, entspricht der Querschnitt der Ansaugöffnung 19 der Summe der Querschnittsflächen der Radialrohre 15. Die durch die Anordnung der Radialrohre 15 auf einer Kreisfläche frei bleibenden Sektoren 16 müssen für die geförderte Luft unzugänglich sein, um die bei Drehung entstehende Fliehkraft optimal auf die angesaugte Luft zu übertragen. Dieser Effekt berechtigt auch zu der Aussage, dass es sich dabei um eine Zwangsbeschleunigung handelt, weil die Luft keine Auseichmöglichkeit hat. Um einen kontinuierlichen Luftstrom innerhalb der Radialrohre 15 zu gewährleisten wird das periphere Ende der Radialrohre 15 zur Düse 20 verengt. Im Zuge einer weiteren Optimierung oder bei Bedarf eines größeren Volumens von Luft wird die Beschleunigungszone 15 durch weitere Radialrohre (4) in mehreren Drehebenen erweitert und adäquat dazu die Turbinenöffnung 11 und das Abgasrohr 17. Wenn bei geringem Luftvolumen ein höherer Druck erforderlich ist, dann wird einfach der Durchmesser 8 des Verdichterrades 3 vergrößert.
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Das Verdichtergehäuse 21 wird entsprechend dem in der Drehrichtung 12 zunehmenden Luftvolumen 7 schneckenförmig bis zur Größe von Ansaugkrümmer oder Diffusor erweitert.
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Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch für einen Fachmann vorstellbar, dass Abwandlungen oder Änderungen der Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgasturbolader, ATL (Abkürzung im Text)
- 2
- Turbinenrad
- 3
- Verdichterrad, Vektorrad
- 4
- Abgasstrom
- 5
- Gemeinsame Welle
- 6
- Lufteintritt
- 7
- Luftbewegung
- 8
- Durchmesser Vektorrad
- 9
- Ringförmige Abdeckung
- 10
- Drehachse
- 11
- Turbinenöffnung
- 12
- Drehrichtung
- 13
- Corioliskurve, Profil
- 14
- Gleitfläche
- 15
- Radialrohr, Beschleunigungszone
- 16
- Sektor
- 17
- Abgasrohr
- 18
- Radialrohrdurchmesser
- 19
- Ansaugöffnung
- 20
- Verengung zur Düse
- 21
- Verdichtergehäuse
- 22
- Abstand von 14 zu 9 vergrößert dargestellt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 204630 [0002]
- EP 2546513 A2 [0009, 0010, 0017, 0031]
- DE 3109745 A1 [0009, 0012, 0017, 0033]
