DE4315474C1 - Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraft­ maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der FR 2 524 065, Ausführung nach Fig. 4, ist bereits ein Ab­ gasturbolader für eine Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art bekannt, der eine Turbine mit einem Gehäuse und ein Laufrad um­ faßt, wobei das Gehäuse einen Spiralkanal mit einem an das Lauf­ rad mündenden Ringspalt und eine Zunge mit einem Zungenende be­ sitzt, die Anfang und Ende des Spiralkanales dicht über dem Lauf­ rad trennt, wobei der Ringspalt in einem veränderbaren, jeweils an dem Zungenende beginnenden Sektor mit in dem Ringspalt ange­ ordneten Verstellmitteln für die Zuströmung von Abgas auf das Laufrad teilweise absperrbar ist, wobei als Verstellmittel gemäß Ausführung nach Fig. 9 beispielsweise ein flexibles Band verwen­ det wird.

Ferner zeigt die EP 0 160 460 A2 einen Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse, in dessen Spiralkanal im ringförmigen Zuström­ querschnitt zum Turbinenrad eine Vielzahl verdrehbarer Leitschau­ feln angeordnet sind, wobei jede der Leitschaufeln mit einem La­ gerzapfen fest verbunden ist, der in einem Lager gelagert ist und wobei die Lagerzapfen der Leitschaufeln durch einen Kulissenring verdrehbar sind.

Des weiteren ist in der DE-AS 10 11 671 eine Radialturbomaschine mit einem Gehäuse, einem Laufrad und einem Leitapparat darge­ stellt, der eine parallel zur Laufradlängsachse verschiebliche Hülse mit mehreren Leitgittern umfaßt und der im Ringkanal des Gehäuses, der an das Laufrad mündet, angeordnet ist.

Zum allgemeinen Hintergrund wird noch auf die Druckschriften GB 1 440 313 A, GB 2 105 789 A und US-PS 3 236 500 verwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Abgasturbolader baulich kompakt so auszubilden, daß besonders bei niederen Drehzahlen dem Abgas eine wesentlich höhere Energie als ohne Regelung entnommen und im Laufrad mit einem hohen Wirkungs­ grad zum Antrieb des Laders nutzbar ist.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches gegebenen Merkmale gelöst.

Der Erfindungsgedanke geht davon aus, den Ringspalt des Turbinen­ gehäuses, durch den das Gas dem Laufrad zuströmt, in einem wähl­ baren Umfangssektor, der jeweils am Anfang der Spirale beginnt, über Verstellmittel möglichst dicht über dem Laufrad zu versper­ ren.

Damit werden nicht mehr alle Kanäle des Laufrades vom Abgas be­ füllt und so der für die Gasströmung im Laufrad verfügbare Kanal­ querschnitt indirekt verkleinert, womit die für die Energieumset­ zung wichtige Strömungsgeschwindigkeit, mit dem das Abgas die Laufradkanäle verläßt, erhöht wird. Außerdem wird damit die Strö­ mungsgeschwindigkeit beim Eintritt in das Laufrad optimal erhöht, da hiermit die zum Laufrad tangentiale und radiale Gasgeschwin­ digkeit in gleichem Maße erhöht wird. Damit werden auch für klei­ ne Abgasmengen optimale Strömungsgeschwindigkeiten sowohl in das Laufrad, als auch aus dem Laufrad erzielt, die auch bei niedrigen Motordrehzahlen einen hohen Wirkungsgrad des Abgasturboladers zur Folge haben. Dies ist besonders bei niederen Vollast-Motordreh­ zahlen wichtig, bei denen der Motor meist zu wenig Ladeluft er­ hält.

Im Teillast-Betrieb ergibt sich ein weiterer Vorteil der Erfin­ dung darin, daß auch hierbei die Laderdrehzahl relativ hoch ge­ halten werden kann, so daß der Lader beim Übergang zur Vollast schon reichlich Luft liefert und nicht mehr stark beschleunigt werden muß.

Ferner ergibt sich durch den erfindungsgemäßen Abgasturbolader ein besonders schnelles Ansprechverhalten im Beschleunigungsbe­ trieb, da der Strömungsquerschnitt vor und in dem Turbinenlaufrad mit dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader wirkungsvoll verklei­ nert werden kann und somit das mit hoher Geschwindigkeit aus den Laufradkanälen strömende Abgas einen großen Drehimpuls auf das Laufrad ausübt.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist darin zu sehen, daß im Motorbremsbetrieb die Bremsleistung von für den Bremsbetrieb mit Dekompressionsventilen ausgestatteten Motoren durch hohe Aufladung wirkungsvoll erhöht werden kann, et­ wa bis zur Stärke der Vollastleistung mit der bei Motornennlei­ stung vorhandenen Aufladung. Durch eine eventuell mögliche Ein­ sparung eines Retarders ist eine erhebliche Kosten-und Gewichts­ einsparung erzielbar. Um diese hohe Aufladung im Motorbremsbe­ trieb zu erreichen, muß das hohe Druckgefälle des gegenüber Vollast relativ kühlen Abgases mit einem hohen Wirkungsgrad in der Turbine genutzt werden, was mit dem erfindungsgemäßen Ab­ gasturbolader weitgehend möglich ist.

Verstellmittel in Form von in dem Ringspalt umfangsmäßig angeord­ neten verdrehbaren Schaufeln gemäß Anspruch 2 sind an sich bekannt. Jedoch erfolgt die Drehung der Schaufeln nicht gemeinsam, sondern nacheinander, so daß damit die Absperrung des am Zungenende beginnenden, veränderbaren Sektors erreicht wird.

Durch die Ausführung nach Anspruch 3 ist die erfindungsgemäße Ab­ sperreinrichtung auch bei teilweise axial angeströmten Laufrädern anwendbar.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung hervor.

In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand zweier Ausführungs­ beispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel einen Meridian­ schnitt einer einflutigen Turbine, die ein Gehäuse mit einem Spiralkanal, ein Laufrad und eine konzen­ trisch zur Laufradperipherie angeordnete Hülse mit vier parallel zur Laufradlängsachse hintereinander angeordneten Hülsenabschnitten mit jeweils unter­ schiedlichen Ausschnitten von der Breite eines an das Laufrad mündenden Ringspaltes des Spiralkanales umfaßt,

Fig. 2 einen Radialschnitt II-II von Fig. 1,

Fig. 3 einen Radialschnitt III-III der Hülse von Fig. 1,

Fig. 4 einen Radialschnitt IV-IV der Hülse von Fig. 1,

Fig. 5 einen Radialschnitt V-V der Hülse von Fig. 1,

Fig. 6 einen Radialschnitt VI-VI der Hülse von Fig. 1,

Fig. 7 in einem zweiten Ausführungsbeispiel einen Meri­ dianschnitt der Turbine mit einem flexiblen Band, das in den Zungenbereich des Gehäuses einmündet und in Führungen verschieblich geführt ist und

Fig. 8 einen Radialschnitt VIII-VIII von Fig. 7.

In den Fig. 1 bis 6 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer er­ findungsgemäßen Turbine dargestellt. Für gleiche Bauteile werden gleiche Bezugszeichen verwendet.

Die Turbine umfaßt ein einflutiges Gehäuse 1 mit einem Spiralka­ nal 2 und ein Laufrad 3. Das Gehäuse 1 besitzt eine Zunge 4 mit einem Zungenende 4a, die Anfang 5 und Ende 6 des Spiralkanales 2 trennt. Der Spiralkanal 2 mündet in einem Ringspalt 7 an eine Laufradperipherie 8 des Laufrades 3.

Zwischen Spiralkanal 2 und Laufrad 3 befindet sich in dem Ring­ spalt 7 eine Absperreinrichtung 9 in Form einer konzentrisch um das Laufrad 3 angeordneten, in einer Führung 10 in Richtung der Laufradlängsachse 11 verschieblichen Hülse 12 zur Beeinflussung von Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit.

Gemäß Fig. 1 umfaßt die Hülse 12 vier Hülsenabschnitte 13, 14, 15 und 16 (Schnitte III-III - VI-VI gemäß Fig. 3 bis 6) mit ringbo­ genförmigen Ausschnitten 17, 18, 19 und 20, Absperr-Sektoren 21, 22 und 23 und Ringwänden 24 bis 28.

Die ringbogenförmigen Ausschnitte 17, 18, 19 und 20 besitzen im wesentlichen die Breite b des Ringspaltes 7 und weisen bei Be­ trachtung der Hülse 12 von links nach rechts eine kleiner werden­ de umfangsmäßige Erstreckung auf. In den Ausschnitten 17, 18 und 19 sind Leitschaufeln 29 angeordnet, die der Versteifung der Hülse 12 und auch der Strömungsführung dienen.

Die Absperr-Sektoren 21, 22 und 23 sind jeweils für unterschied­ liche Abgas-Massenströme ausgelegt und erstrecken sich umfangsmä­ ßig, an der Zunge 4 gemäß Fig. 2 beginnend, um Umfangswinkel der Hülse 12 von etwa 90° 160° und 270°.

Die Ringwände 24, 25, 26, 27 und 28 schließen in der Führung 10 in radialer Richtung bis auf Spaltströme dicht ab. Die Ringwände 25 und 26 des zwischen Ringspalt 7 und Laufradperipherie 8 ge­ schobenen Hülsenabschnittes 14 bilden eine bezüglich der Laufrad­ längsachse 10 radial verlaufende, seitliche Begrenzung des Ring­ spaltes 7.

In den Fig. 7 und 8 ist in einem zweiten Ausführungsbeispiel eine zweiflutige Turbine dargestellt, deren diagonale Flut 54 ein Laufrad 33 an dessen wellenseitiger Stirnseite in etwa zur Hälfte umschließt.

Ein konzentrisch zur Laufradperipherie 38 verlaufendes und in Um­ fangsrichtung des Laufrades 33 verschiebliches flexibles Band 55 in Form einer Plattenkette 56 mit Kettengliedern 57 mündet im Be­ reich einer Zunge 34 des Gehäuses 30 tangential in den Ringspalt 37 ein.

Die Kettenglieder 57 sind mit Gelenkstiften 58 gelenkig verbun­ den, die über beide Seiten der Kettenglieder 57 hinausragen und somit seitliche Vorsprünge bilden, die in am Umfang von Führungs­ ringen 59 und 60 angeordneten Vertiefungen 61 eingreifen. Der Führungsring 59 ist in einer Ringnut 62 drehbar gelagert, die von einem Haltering 63 und einem Anschlagring 64 gebildet ist. Der Anschlagring 64 ist im Haltering 63 und dieser in einer Seiten­ wand 65 des Ringspaltes 37 des Gehäuses 30 eingeschrumpft. Der Führungsring 60 ist in einer Seitenwand 71 des Ringspaltes 37 in analoger Weise gelagert.

Die Verstellung des flexiblen Bandes 55 erfolgt über die Füh­ rungsringe 59 und 60, wobei mindestens einer der Führungsringe 59, 60 durch einen nicht dargestellten Verstellmechanismus dreh­ bar ist. Dieser ist beispielsweise ein am Führungsring 59 und/oder 60 angeordneter Mitnehmerzapfen nebst zugehörigem Stell­ glied oder ein den Führungsring 59 und/oder 60 umschlingendes Band bzw. Seil.

Ferner ist mit einer Verzahnung einer der Führungsringe 59 bzw. 60 auch ein Zahnradantrieb für den Verstellmechanismus realisier­ bar. Des weiteren kann die Verstellung des flexiblen Bandes auch über einen hydraulisch oder pneumatisch beaufschlagten Drehkolben erfolgen.

An die stirnseitige Laufradperipherie 66 mündet der Spiralkanal 67 der diagonalen Flut 54 in einen Halbringkanal 68, wobei zwi­ schen Laufradperipherie 66 und Gehäuse 30 eine verdrehbare Halb­ ringscheibe 69 angeordnet ist, mit der ein unterschiedlicher Ringsektor des Halbringkanales 68 abriegelbar ist. Der Halbring­ kanal 68 ist mit der Halbringscheibe 69 bis auf Spaltströme auch vollständig versperrbar.

Der Antrieb der Halbringscheibe 69 erfolgt beispielsweise über einen in einem Ringkanal 70 beweglichen, hydraulisch oder pneuma­ tisch beaufschlagbaren Kolben, der nicht näher dargestellt ist.

In einer in den Zeichnungen nicht dargestellten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Absperreinrichtung besitzt diese eine zur Laufradperipherie 8 konzentrisch und parallel zur Laufrad­ längsachse 11 verschiebliche Buchse mit geschlossenem Mantel, die an ihrem einen Ende eine Kante mit teilweise schraubenlinienför­ migen Verlauf besitzt. Mit diesem Ende ist die Buchse mittels ei­ ner Verstelleinrichtung in den Ringspalt 7 des Spiralkanales 2 schiebbar, so daß durch das axiale Verschieben der Buchse in den Ringspalt 7 die Laufradperipherie 8 in einem variabel großen Um­ fangsbereich von der Buchse überdeckt ist.

Die Kante des Endes der Buchse muß selbstverständlich nicht exakt schraubenlinienförmig verlaufen. Es genügt eine beliebige Ab­ schrägung des Endes derart, daß beim axialen Verschieben der Buchse in den Ringspalt 7 ein umfangsmäßig kontinuierlich größer werdender Teil der Laufradperipherie 8 überdeckt wird.

Die oben beschriebene umfangsmäßige Erstreckung der Absperr-Sek­ toren kann auch in Abhängigkeit vom gewünschten Betriebsverhalten des Abgasturboladers über andere als die oben genannten Umfangs­ winkel der Hülse erfolgen.

In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann die diagonale Flut die wellenseitige Stirnseite des Laufrades selbstverständ­ lich auch vollständig umschließen.

Bei Abgasturboladern mit in dem Ringspalt umfangsmäßig angeordne­ ten und drehbar gelagerten Leitschaufeln ist es möglich, diese nacheinander derart in ihre Schließstellung zu drehen, daß beim größten Strömungsquerschnitt des Spiralkanales beginnend, ein un­ terschiedlich großer Teil des Ringspaltes versperrbar ist. Trotz des Problems des in Schließstellung der Leitschaufeln unerwünscht großen Radialabstandes der Leitschaufeln zur Laufradperipherie ist durch diese Ausführung der Grundgedanke der Erfindung auch bei bereits gebauten Abgasturboladern mit über einen Kulissenring gesteuerten, synchron verdrehbaren Leitschaufeln prinzipiell ad­ aptierbar. Hierbei müßte lediglich der Kulissenring derart umge­ staltet werden, daß die Leitschaufeln erfindungsgemäß nacheinan­ der, beim größten Strömungsquerschnitt des Spiralkanales begin­ nend, in ihre Schließstellung drehbar sind.

Claims (3)

1. Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, der eine Turbine mit einem Gehäuse und ein Laufrad umfaßt, wobei das Gehäuse min­ destens einen Spiralkanal mit einem an das Laufrad mündenden Ringspalt und eine Zunge mit einem Zungenende besitzt, die Anfang und Ende des Spiralkanales möglichst dicht über dem Laufrad trennt, wobei der Ringspalt in einem veränderbaren, jeweils an dem Zungenende beginnenden Sektor mit in dem Ringspalt angeordne­ ten Verstellmitteln für die Zuströmung von Abgas auf das Laufrad mindestens teilweise absperrbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verstellmitteln in Form einer konzentrisch zur Laufradpe­ ripherie (8) angeordneten und parallel zur Laufradlängsachse (11) verschieblichen Hülse (12), die besagte Hülse (12) hintereinander angeordnete und durch Ringwände (24-28) getrennte ringförmige Hülsenabschnitte (13-16) mit Ausschnittssektoren (17-20) und Ab­ sperrsektoren (21-23) von der Breite (b) des Ringspaltes (7) auf­ weist, wobei sich der jeweils in den Ringspalt (7) geschobene Ab­ sperrsektor (21-23) ausgehend von der Zunge (4) in Abgashaupt­ strömungsrichtung über die Laufradperipherie (8) erstreckt.

2. Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, der eine Turbine mit einem Gehäuse und ein Laufrad umfaßt, wobei das Gehäuse min­ destens einen Spiralkanal mit einem an das Laufrad mündenden Ringspalt und eine Zunge mit einem Zungenende besitzt, die Anfang und Ende des Spiralkanales möglichst dicht über dem Laufrad trennt, wobei der Ringspalt in einem veränderbaren, jeweils an dem Zungenende beginnenden Sektor mit in dem Ringspalt angeordne­ ten Verstellmitteln für die Zuströmung von Abgas auf das Laufrad mindestens teilweise absperrbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verstellmitteln in Form von in dem Ringspalt (7) umfangs­ mäßig angeordneten und drehbar gelagerten Leitschaufeln, durch deren Drehung der Zuströmquerschnitt der Abgasströmung zum Lauf­ rad (3, 33) veränderbar ist, wobei die Leitschaufeln durch eine Betätigungseinrichtung verdrehbar sind, die besagte Betätigungs­ einrichtung derart ausgebildet ist, daß die Leitschaufeln begin­ nend an der Zunge (4) nacheinander in eine den Zuströmquerschnitt sektorweise versperrende Schließstellung drehbar sind, so daß durch die in Schließstellung befindlichen Leitschaufeln, ausge­ hend von der Zunge (4), ein begrenzter Sektor des Ringspaltes (7) bis auf Spaltströme vollständig versperrbar ist.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem an die stirnseitige Laufradperipherie (66) des Laufrades (33) mündenden Kanal (68) einer Flut (54) ein an deren größten Strömungsquerschnitt beginnender, veränderbarer Sektor der Laufradperipherie (66) durch einen verstellbaren Scheibensek­ tor (69) vollständig versperrbar ist.