WO2010069301A2

WO2010069301A2 - Vollvarioturbinen für abgasturbolader

Info

Publication number: WO2010069301A2
Application number: PCT/DE2009/001818
Authority: WO
Inventors: Siegfried Sumser; Markus Mueller; Peter Fledersbacher
Original assignee: Tti Turbo Technik Innovation Gmbh
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2010-06-24
Also published as: DE102008063656A1; WO2010069301A4; WO2010069301A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (118) für eine Verbrennungskraftmaschine (112) mit einem Turbinenrad (22), bei welchem in einem Turbinenradaustrittsbereich (30) eine erste Verstellvorrichtung (28), insbesondere ein Konusschieber (28), zur variablen Einstellung einer Turbinenradaustrittsströmungsfläche angeordnet ist, wobei in einem Turbinenradeintrittsbereich (26) eine zweite Verstellvorrichtung (24) zur variablen Einstellung einer Turbinenradeintrittsströmungsfläche angeordnet ist, sowie ein Verfahren für einen Abgasturbolader (118) für eine Verbrennungskraftmaschine (112) mit einem Turbinenrad (22), bei welchem mittels einer ersten, in einem Turbinenradaustrittsbereich (30) angeordneten Verstellvorrichtung (28) eine Turbinenradaustrittsströmungsfläche in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Abgasturboladers (118) variabel eingestellt wird, wobei mittels einer zweiten, in einem Turbinenradeintrittsbereich (26) angeordneten Verstellvorrichtung (24) eine Turbinenradeintrittsströmungsfläche in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Abgasturboladers (118) variabel eingestellt wird. Aufgrund der weiter steigenden Anforderungen an die Reduktion der Verbrauchs- und Emissionswerte der aufgeladenen Fahrzeug-Motoren werden die zukünftigen Entwicklungsaktivitäten verstärkt auf eine Vollvariabilität der Abgasturboladerturbinen hinauslaufen.

Description

Vollvarioturbinen für Abgasturbolader

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 , sowie ein Verfahren für einen Abgasturbolader nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 10. Die Erfindung betrifft zudem eine Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 14.

Bereits bekannt sind Abgasturbolader, die in einem Turbinenradeintrittsbereich variable Verstellvorrichtungen zur Einstellung von Strömungsparametern aufweisen.

Eine derartige Verstellvorrichtung ist beispielsweise in Form eines Drehschauflers bekannt. Dabei ist ein drehbarer Verstellring vorgesehen, mittels welchem über eine Drehbewegung desselbigen ein engster Leitgitterquerschnitt und ein Schaufelwinkel des Leitgitters variable einstellbar ist. Diese Verstellvorrichtung findet beispielsweise bei Abgasturboladern eines Diesel-PKW Verwendung.

Weiterhin ist ein so genannter Axialschieber bekannt, der eine weitere Form eines Leitgitters darstellt. Dabei führt das Leitgitter oder eine Matrize eine axiale Längsbewegung durch. Außerdem ist damit die effektive Schaufelhöhe des Turbinenrades variabel einstellbar. Eine derartige Verstellvorrichtung findet insbesondere bei aufgeladenen Ottomotoren Verwendung.

Bei Nutzfahrzeug-Motoren kommt häufig eine Axialschieber-Turbine zum Einsatz im Rahmen von Abgasrückführungs-Randbedingungen.

Darüber hinaus sind so genannte Zungenschieber zu einer Spiralenquerschnittsversteliung bekannt. Dabei führen Zungen für Mehrsegment- Turbinen eine Drehbewegung durch. Besonders in Zusammenhang mit einem Einzelrohr-Stoßaufladebetrieb kommen derartige Turbinen beziehungsweise Verstellvorrichtungen zum Einsatz.

Auch im Bereich eines Turbinenradaustritts sind Verstellvorrichtungen zur variablen Einstellung von Strömungsparametern bekannt. Konusschieber zur Öffnung des Turbinenradaustritts führen dabei eine axiale Haupt-Bewegung durch.

Nachteil der genannten Lösungen ist, dass das volle Potential für eine optimale thermodynamische Anpassung einer Turbine eines Abgasturboladers an einen Betriebspunkt nicht vollständig ausgeschöpft wird. Wünschenswert ist sowohl eine Verstellvorrichtung zur variablen Anpassung von Strömungsparametern vor einem Turbinenrad in einem Turbinenradeintrittsbereich wie auch in einem Turbinenradaustrittsbereich nach dem Turbinenrad.

Mit variablen Verstellvorrichtungen im Turbinenradeintritts- und Turbinenradaustrittsbereich ergeben sich Einwirkungsmöglichkeiten auf einen Reaktionsgrad einer Turbine des Abgasturboladers, welcher eine Hauptgröße für einen wirkungsoptimalen Betrieb der Turbine darstellt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Abgasturbolader der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass voll variable Verstellvorrichtungen einer Turbine eines Abgasturboladers realisiert werden, mit denen breite Turbinenbetriebsbereiche mit hohen Wirkungsgraden abdeckbar sind. Weiterhin stehen ebenfalls eine hohe mechanische Zuverlässigkeit und eine kostengünstige Umsetzung im Mittelpunkt.

Diese Aufgaben werden durch einen Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Zur Erfindung gehören auch ein Verfahren für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 und eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Bei einem solchen Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Turbinenrad, bei welchem in einem Turbinenradaustrittsbereich eine erste Verstellvorrichtung, insbesondere ein Konusschieber, zur variablen Einstellung einer Turbinenradaustrittsströmungsfläche angeordnet ist, ist erfindungsgemäß in einem Turbinenradeintrittsbereich eine zweite Verstellvorrichtung zur variablen Einstellung einer Turbinenradeintrittsströmungsfläche angeordnet.

Durch diese Verknüpfung von zwei Verstellvorrichtungen sowohl in dem Turbinenradeintrittsbereich als auch in dem Turbinenradaustrittsbereich können Strömungsparameter für das Turbinenrad des Abgasturboladers entsprechend einem thermodynamischen Bedarf derart eingestellt werden, dass sich ein wirkungsgradoptimaler Betrieb des Abgasturboladers einstellt. Weiterhin ist durch den Einsatz der beiden Verstellvorrichtungen dieser wirkungsgradoptimale Bereich über ein breites Spektrum an Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine möglich, da die beiden Verstellvorrichtungen eine große Bandbreite an Verstellmöglichkeiten bieten.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die erste Verstellvorrichtung eine axiale Hauptbewegung auf. Durch diese relativ einfache Bewegungsart wird einer mechanischen Zuverlässigkeit Rechnung getragen, und zwar derart, dass aufwendige Bewegungsarten und zur Realisierung dieser aufwendigen Kinematik vermieden werden.

Durch diese Vermeidung werden auch die Kosten für eine derartige Umsetzung gering gehalten.

Diese Vorteile ergeben sich auch aus einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung, bei dem die zweite Verstellvorrichtung als ein Leitgitter, insbesondere als ein Drehschaufler, ausgebildet ist, bei welchem ein drehbarer Verstellring vorgesehen ist, und ein Leitgitterquerschnitt und ein Schaufelwinkel variabel einstellbar sind. Dieser Aspekt bietet ein hohes Maß an Flexibilität bezüglich der Einstellung der Turbinenradeintrittsströmungsfläche im Turbinenradeintrittsbereich bei gleichzeitiger Vermeidung von unnötig aufwendigen Verstellrichtungen beziehungsweise Bewegungsarten.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Verstellvorrichtung als Leitgitter, insbesondere als ein Axialschieber, ausgebildet. Bei dieser Verstellvorrichtung ist ein Leitgitter oder eine Matrize in axialer Längsrichtung des Abgasturboladers bewegbar und/oder eine Schaufelhöhe variabel einstellbar.

Auch durch diesen Aspekt der Erfindung sind mannigfaltige Verstellmöglichkeiten sowohl für den Turbinenradeintrittsbereich als auch für den Turbinenradaustrittsbereich realisiert bei gleichzeitiger Berücksichtigung der hohen mechanischen Zuverlässigkeit und der kostengünstigen Umsetzung der Lösung.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Verstellvorrichtungen gekoppelt und mit einer gemeinsamen Stellbewegung verstellbar sind. Dies birgt den Vorteil, dass eine Anzahl an Komponenten zur Verstellung der beiden Verstellvorrichtungen gering gehalten wird, was einerseits Kosten einspart und andererseits mögliche Fehlerquellen für einen Defekt eines derartigen Abgasturboladers reduziert.

Dies spart Kosten sowohl bei einer Montage des Abgasturboladers ein, da nur eine geringe Anzahl an Teilen montiert werden muss, als auch bei einem Einkauf der Teile und bei einer etwaigen Reparatur. Durch die so erreichte Reduzierung einer Ausfallwahrscheinlichkeit des Abgasturboladers werden gleichzeitig Wartungsintervalle des Abgasturboladers verlängert, was einen Zuwachs an Komfort und eine Reduzierung von Kosten für einen Fahrer eines Kraftwagens, in den ein derartiger Abgasturbolader eingebaut ist, mit sich bringt.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Verstellvorrichtungen elektrisch miteinander gekoppelt. Die elektrische Koppelung spart Bauraum. Des weiteren wird bei einer elektrischen Koppelung ein Verschleiß minimiert oder gar ganz vermieden, was die Ausfallwahrscheinlichkeit des Abgasturboladers weiter senkt.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die Verstellvorrichtungen pneumatisch miteinander gekoppelt. Eine pneumatische Kopplung hat den Vorteil inne, dass ein Gesamtgewicht des Abgasturboladers gering gehalten werden kann. Auch sind hierbei kleine, das heißt gering im Querschnitt, und jedwede Formen von Ansteuerungs- beziehungsweise Kopplungskanälen möglich. Ein weiterer vorteilbehafteter Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Verstellvorrichtungen hydraulisch gekoppelt sind. Eine hydraulische Kopplung erlaubt eine Übertragung von großen Kräften besonders im Falle einer Verwendung eines inkompressiblen Fluids. Auch ist dabei eine Wartungsintensität gegenüber einer pneumatischen Kopplung herabgesetzt.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Verstellvorrichtungen mechanisch miteinander gekoppelt. Dies hat die Vorteile inne, dass eine mechanische Kopplung am kostengünstigsten zu realisieren ist. Auch im Hinblick auf die mechanische Zuverlässigkeit bietet die mechanische Kopplung das größte Potential, da somit eine robuste Kopplung mit einer hohen Lebensdauer realisierbar ist.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass bezüglich der Verstellvorrichtung für den Turbinenradeintrittsbereich und bezüglich der Verstellvorrichtung für den Turbinenradaustrittsbereich konkrete Verstellvorrichtungen genannt wurden. Dabei ist es vorstellbar, dass jedwede andere Formen von Verstellvorrichtungen für den Turbinenradeintrittsbereich und für den Turbinenradaustrittsbereich einsetzbar sind. Auch mit anderen Verstellvorrichtungen als den genannten lassen sich die beschriebenen Vorteile realisieren, auch und besonders im Zusammenhang mit der Kopplung der beiden Verstellvorrichtungen.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren für einen Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Turbinenrad, bei welchem mittels einer ersten, in einem Turbinenaustrittsbereich angeordneten Verstellvorrichtung eine Turbinenradaustrittsströmungsfläche in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Abgasturboladers variabel eingestellt wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mittels einer zweiten, in einem Turbinenradeintrittsbereich angeordneten Verstellvorrichtung eine Turbinenradeintrittströmungsfläche in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Abgasturboladers variabel eingestellt wird.

Dieses Verfahren ist besonders in vorteilhafter Weise in Verbindung mit einem zuvor genannten Abgasturbolader einzusetzen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein Wirkungsgrad optimaler Betrieb des Abgasturboladers in einem breiten Turbinenbetriebsbereich des Abgasturboladers und in einem breiten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden.

Werden bei dem Verfahren die Verstellvorrichtungen mit einer gemeinsamen Verstellbewegung eingestellt, so kann ein Programmier- und Regelaufwand gering gehalten werden, wodurch Kosten, insbesondere Entwicklungskosten, eingespart werden können.

Besonders stark zum Tragen kommt eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers zum Tragen, wenn sie in einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden. Durch den beschriebenen wirkungsgradoptimalen Betrieb in einem breiten Spektrum an Betriebspunkten kann ein Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine und damit CO₂-Emissionen derselbigen reduziert werden, was einerseits der Umwelt und andererseits dem Fahrer des Kraftwagens, in den einer derartige Verbrennungskraftmaschine eingebaut ist, zugute kommt.

Diese Aspekte werden durch die Berücksichtigung der mechanischen Zuverlässigkeit der Komponenten und einer kostengünstigen Umsetzung wie beschrieben weiter verstärkt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine ist eine Recheneinheit vorgesehen, mittels derer ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Eine derartige Recheneinheit ermöglicht es, die Verstellvorrichtungen schnellst möglich an den Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine für einen wirkungsgradoptimalen Betrieb des Abgasturboladers anzupassen. Eine besonders schnelle Anpassung der Verstellvorrichtungen an den Betriebspunkt ist daher wünschenswert und birgt den Vorteil, als dass das Ansprechverhalten des Abgasturboladers dadurch deutlich verbessert und damit ein Turboloch reduziert beziehungsweise vermieden wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen mehrerer Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegeben Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Die Figuren zeigen in:

Fig. 1 ein Verlauf eines Durchsatzparameters eines Abgasturboladers über einem Turbinendruckverhältnis, mit einer oberen und einer unteren durch Anschlagspositionen einer Verstellvorrichtung in einem Turbinenradeintrittsbereich vorgegebenen Grenze,

Fig. 2 abschnittsweise einen Längsschnitt durch eine Turbine eines Abgasturboladers mit einer Verstellvorrichtung in einem Turbinenradeintrittsbereich und mit einer Verstellvorrichtung in einem Turbinenradaustrittsbereich,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Turbine eines Abgasturboladers mit einer von Fig. 2 verschiedenen Verstellvorrichtung in einem Turbinenradeintrittsbereich und einer Verstellvorrichtung in einem Turbinenradaustrittsbereich, wie in Fig. 2,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein Turbinenrad und einen Außenkonturschieber eines Abgasturboladers,

Fig. 5 zwei Verläufe von Strömungsflächen über einer Verstellvorrichtungs- Bewegung zweier unterschiedlicher Verstellvorrichtungen in einem Turbinenradeintrittsbereich und

Fig. 6 ein Schaltbild eines Aufladesystems mit einem Abgasturbolader, der sowohl in einem Turbinenradeintrittsbereich als auch in einem Turbinenradaustrittsbereich jeweils eine Verstellvorrichtung aufweist.

Während Fig. 1 ein Durchsatzdiagramm zeigt, welches hinsichtlich einer Verstellung einer Verstellvorrichtung sowohl in einem Turbinenradeintrittsbereich als auch einem Turbinenradaustrittsbereich zentrale Bedeutung hat, sind in Fig. 2 und in Fig. 3 zwei Ausführungsformen für eine Verstellvorrichtung in eben dem Turbinenradeintrittsbereich und dem Turbinenradaustrittsbereich dargestellt, wobei die Verstellvorrichtung im Turbinenradaustrittsbereich in Fig. 2 und in Fig. 3 gleich ist. Der Unterschied zwischen Fig. 2 und Fig. 3 besteht in der Verstellvorrichtung im Turbinenradeintrittsbereich. Fig. 4 zeigt eine weitere Möglichkeit zu einer Wirkungsgradbegünstigung eines Abgasturboladers auf, in dem eine Schaufelauslegung eines Turbinenrads angepasst wird. Der Fig. 5 ist der Zusammenhang zwischen einer freigegebenen Strömungsfläche und einer Bewegung einer Verstellvorrichtung im Turbinenradeintrittsbereich und einer Verstellvorrichtung im Turbinenradaustrittsbereich zu entnehmen, wobei jeweils die Verstellvorrichtungen aus Fig. 2 und Fig. 3 abgehandelt werden. Fig. 6 zeigt eine Zusammenschau eines Abgasturboladers, der je eine Verstellvorrichtung im Turbinenradeintrittsbereich und im Turbinenradaustrittsbereich aufweist, mit weiteren Komponenten eines Aufladesystems einer Verbrennungskraftmaschine.

Ein in Fig. 1 durch einen unteren Anschlag 10 und einen oberen Anschlag 12 einer Verstellvorrichtung abgegrenzter Durchsatzbereich 14 einer Turbine eines Abgasturboladers, der einen Verstellbereich der Verstellvorrichtung darstellt, ist herkömmlicher Weise nur durch eine Verstellvorrichtung in einem Turbinenradeintrittsbereich, also kurz gesagt durch eine Radeintrittsvariabilität, realisiert.

Am unteren Anschlag 10 ist hier ein effektiver Strömungsquerschnitt vor einem Turbinenrad sehr stark verengt, wodurch sich Reaktionsgrade im Bereich von 0 oder sogar mit negativen Werten einstellen.

Ein bei diesem Ausgangspunkt zunächst noch unveränderbare engster Strömungsquerschnitt nach dem Turbinenrad, also ein

Turbinenradaustrittsquerschnitt, ist für diesen engsten Strömungsquerschnitt vor dem Turbinenrad, also an einem Turbinenradeintrittsquerschnitt, um ein Vielfaches zu groß. Damit einher gehen gegenüber einer Auslegungsposition (zum Beispiel in Mittelposition) der Verstellvorrichtung starke Wirkungsgradabschläge, die bei Abgasturbolader-Turbinen für eine PKW- oder eine NFZ-Anwendung 20- bis über 30%-Punkte betragen können.

Durch eine Verkopplung der Verstellvorrichtung an einem Turbinenradeintritt mit einer Verstellvorrichtung an einem Turbinenradaustritt, also kurz gesagt durch eine Verkopplung einer Eintrittsvariabilität mit einer Austrittsvariabilität der Turbine des Abgasturboladers, wird ein engster Austrittsströmungsquerschnitt des Turbinenrades auf einen kleinen Wert eingestellt, wobei ein Eintrittsströmungsquerschnitt des Turbinenrades bei gleicher Durchsatzlinie (unterer Anschlag) auf größere Werte zugeordnet wird, was zu wirkungsgradgünstigeren Reaktionsgraden der Turbine mit Werten über 0 gegebenenfalls je nach Auslegung auch über einen Wert von 0,3 führt.

Für eine maximale Durchsatzfähigkeit wird bei einer Standardturbine die Eintrittsvariabilität auf einen maximalen Strömungsquerschnittswert eingestellt. Der unveränderbare Strömungsquerschnitt am Turbinenradaustritt ist in vielen Fällen auf einen mittleren Durchsatzbetriebspunkt ausgelegt.

Somit ist ein engster Strömungsquerschnitt am Turbinenradaustritt gegenüber einem engsten Strömungsquerschnitt am Turbinenradeintritt üblicher Weise zu klein.

Eine Folge sind Reaktionsgradwerte, die meist weit über einem Wert von 0,6 oder sogar über einem Wert von 0,8 liegen. Große Wirkungsgradabschläge werden in diesem Betriebsbereich durch sehr hohe Verluste am Turbinenradaustritt dominiert.

Die Turbine mit einer Verstellvorrichtung im Turbinenradeintrittsbereich und einer Verstellvorrichtung im Turbinenradaustrittsbereich wird in einem oberen Durchsatzbereich (oberer Anschlag) einen engsten

Turbinenradströmungsquerschnitt durch Öffnen vergrößern, um Reaktionsgrade mit den Werten im Bereich von unter 0,7 oder bei Optimalauslegung auf einen Wert von 0,5 zu drücken.

Eine Drehzahlabhängigkeit des Durchsatzdiagramms beziehungsweise einer Durchsatzkennlinie wird sich dadurch reduzieren und aufgrund der verbesserten Reaktionsgradwerte der Turbine ein erhöhtes Wirkungsgradniveau bei abgesenkten Turbinenradaustrittsverlusten am oberen Anschlag einstellen.

Fig. 2 und 3 zeigen in einem Längsschnitt je eine Turbine mit je einer Verstellvorrichtung in einem Turbinenradeintrittsbereich und einem Turbinenradaustrittsbereich, wobei die Verstellvorrichtungen mechanisch miteinander gekoppelt sind und betreffende Strömungsquerschnitte beeinflussen können. Die Fig. 2 zeigt eine Turbine 20 mit einer Verstellvorrichtung in Form eines variablen Leitgitters 24 in einem Turbinenradeintrittsbereich 26 eines Turbinenrades 22.

Bei der Verstellvorrichtung handelt es sich um einen so genannten Drehschaufler. Das variable Leitgitter 24 des Drehschauflers weist drehbare Schaufeln auf und ist mit einem axial verschiebbaren Konusschieber 28 verbunden. Dieser Konusschieber 28 beeinflusst einen engsten Strömungsquerschnitt eines Turbinenradaustrittsbereichs 30. Beide Verstellvorrichtungen, also das Leitgitter 24 und der Konusschieber 28, lassen sich simultan über einen einzigen Steller bewegen, der an einem Anschlussteil 32 befestigbar ist.

Die Verbindung und Führung der beiden Verstellvorrichtungen erfolgt über eine Hülse 34, die in Fig. 2 in einer Verstellphase eine Drehbewegung um eine Drehachse 36 des Turbinenrades 22 ausführt und für das Leitgitter 24 stirnseitig Hebel 38 von drehbaren Leitschaufeln um eine Achse 40 mit einer gering tolerierten Aussparung 42 umfasst.

Eine Kraftübertragung erfolgt also zwischen der Aussparung 42 und einer Berührstelle 44 des hier dargestellten Hebels 38.

Im Turbinenradaustrittsbereich 30 ist eine variable Einstellung des Strömungsquerschnittes mittels des Konusschiebers 28 realisiert. Der Konusschieber 28 wird von einem Gehäusekonturstück 46 in axialer Richtung geführt und durch seine Kulissenstifte 48 (zum Beispiel 3 über seinem Umfang) über eine Kulissennut 50 der Hülse 34 axial positioniert.

Bei einem maximalen Strömungsquerschnitt im Turbinenradaustrittsbereich 30 befindet sich eine Kontur 52 des Konusschiebers 28 mit einem geringen Funktionsspalt über einer Turbinenradaußenkontur 54, wobei eine Austrittsströmung im Turbinenradaustrittsbereich 30 gezwungen wird, weitgehend über eine Austrittskante 56 abzuströmen.

Eine Übersetzung beziehungsweise eine Kinematik zwischen einem Element 58 und dem Anschlussteil 40 wird in Fig. 2 nicht näher aufgezeigt. Eine derartige Anordnung wäre auch mit geringen Modifikationen für eine Zungenschieberturbine brauchbar, die für einen Stoßbetrieb mit Einzelabgasrohren Verwendung findet. Auch Fig. 3 zeigt wie Fig. 2 eine Turbine 60 mit einer Verstellvorrichtung in dem Turbinenradeintrittsbereich 26 und einer Verstellvorrichtung in dem Turbinenradaustrittsbereich 30 des Turbinenrades 22.

Die Verstellvorrichtung im Turbinenradaustrittsbereich 30 des Turbinenrades 22 ist dabei der bekannte Konusschieber 28 aus Fig. 1. Bei der Verstellvorrichtung im Turbinenradeintrittsbereich 26 handelt es sich um einen Axialschieber. Ein effektiver Strömungsquerschnitt eines starren Leitgitters 24' ist in diesem Fall mittels einer Matrize 62, in deren Schaufelprofilöffnungen Leitschaufeln des Leitgitters 24'eintauchen, von einer axial eingestellten Schaufelhöhe her bestimmt. Die Matrize 62 ist mit einer Hülse 64 fest verbunden, die über ihrem Umfang mehrere größere Aussparungen 66 aufweist. In den Aussparungen 66 verlaufen gehäuseseitige Streben 68 für eine Abstützung unter anderem einer Außenkontur 68.

Da in Fig. 3 beide Verstellvorrichtungen eine gleiche axiale Wegstrecke durchlaufen, wird der Konusschieber 28 mit der Hülse 64 mittels Verschraubungen 70 fixiert.

Aufgrund einer Einfachheit wird hier akzeptiert, dass die Matrize 62 in ihrer Endposition wenig optimal den Turbineneintrittsbereich 26 als größere Öffnung freigibt. Da diese Positionen nur in wenigen Betriebspunkten relevant ist, ist ein negativer Einfluss auf ein Gesamtbetriebsverhalten nur gering spürbar.

Für unterschiedliche axiale Wegstrecken der Verstellvorrichtung im Turbinenradeintrittsbereich 26 und der Verstellvorrichtung im Turbinenradaustrittsbereich 30 sind beispielsweise getrennte Hülsen mit Kulissennuten oder Kurvenformen an Hülsenstirnseiten denkbar.

Eine axiale Verstellung erfolgt über eine Mechanikvorrichtung zwischen dem Element 58' und dem Anschlussteil 32', die hier beide nicht näher gezeigt werden.

Fig. 4 zeigt eine Konturhülse 80, die eine Außenkontur herkömmlicher Auslegungen freigibt. Um einer derartige Öffnung im Turbinenradaustrittsbereich 30 des Turbinenrades 22 realisieren zu können, wird man sich bei einer Gestaltung des Turbinenradaustrittsbereichs 30 von einer streng radialen Schaufelauslegung entfernen und eine Rückwärtskrümmung eines zu öffnenden Schaufelbereichs anstreben.

Fig. 5 zeigt für die in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigten Turbinen 20 und 60 prinzipiell maßgebende zu beeinflussende engste Strömungsquerschnitte in Abhängigkeit eines Verstellwegsλ-winkels der Verstellvorrichtungen im Turbinenradeintrittsbereich und im Turbinenradaustrittsbereich. Das Diagramm 100 repräsentiert dabei die Turbine 20 aus Fig. 2 mit dem Drehschaufler im Turbinenradeintrittsbereich und dem Konusschieber im

Turbinenradaustrittsbereich. Dementsprechend repräsentiert das Diagramm 100' die Turbine 60 aus Fig. 3 mit dem Axialschieber im Turbinenradeintrittsbereich und dem Konusschieber im Turbinenradaustrittsbereich.

Für die betrachteten Turbinen wird bei Zugrundelegung von Wirkungsgrad- Optimalbedingungen angestrebt, ein Verhältnis der Strömungsquerschnitte zwischen den beiden Vorrichtungen so zu realisieren dass sich Reaktionsgrade nahe dem Wert von 0,5 einstellen. Da bei einer Auslegung von Turbinen mit Verstellvorrichtungen zur Beeinflussung von Strömungsparametern im Turbinenradeintrittsbereich und/oder im Turbinenradaustrittsbereich für Abgasturbolader eine Vielzahl von Randbedingungen zu erfüllen sind, erhält man einen auf einen gesamten Betriebsbereich bezogene wirkungsgradgünstige Turbine, wenn es ermöglicht wird, Reaktionsgrade innerhalb eines Wertebereichs von 0,3 bis 0,7 bei großen geforderten Durchsatzspreizungen zu halten.

Der jeweils obere Verlauf der Diagramme 100 und 100' repräsentiert einen engsten Strömungsquerschnitt im Turbinenradaustrittsbereich, bei dem in beiden Fällen der Diagramme 100 und 100' als Verstellvorrichtung der Konusschieber angeordnet ist.

Der jeweils untere Verlauf repräsentiert den engsten Strömungsquerschnitt im Turbinenradeintrittsbereich. Dabei ist wie erwähnt im Diagramm 100 als Verstellvorrichtung im Turbinenradeintrittsbereich ein Drehschaufler angeordnet und bei Diagramm 100' ein Axialschieber.

In Fig. 6 ist ein Schaltbild eines Aufladesystems 110 dargestellt. Bei diesem Aufladesystem 110 ist auf einer Luftseite 114 eines Abgasturboladers 118 und damit einer Verbrennungskraftmaschine 112 ein Verdichter 120 angeordnet, der angesaugte und durch einen Luftfilter 122 gefilterte Luft verdichtet zur Darstellung eines gewissen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in der Verbrennungskraftmaschine, um ein gewisses Leistungsniveau zu erreichen.

Des Weiteren ist auf der Luftseite 114 ein Ladeluftkühler 124 zur Kühlung der verdichteten Luft vorgesehen.

Zu einer Denoxierung eines Abgases der Verbrennungskraftmaschine 112, also zur Reduzierung von Rohemissionen der Verbrennungskraftmaschine 112, wird ein Abgas von einer Abgasseite 116 des Abgasturboladers 118 und damit der Verbrennungskraftmaschine 112 noch vor einer Turbine 128 des Abgasturboladers 118 abgezapft und über ein Abgasrückführungsventil 126 und einen Abgasrückführungskühler 130 auf die Luftseite 114 des Abgasturboladers 118 und damit der Verbrennungskraftmaschine 112 zurückgeführt. Dadurch ist eine Hochdruck-AGR-Option realisiert.

Nicht zurückgeführtes Abgas strömt durch die Turbine 128 des Abgasturboladers 118, wodurch über eine Welle 136 der Verdichter 120 auf der Luftseite 114 angetrieben wird.

Nach Verlassen der Turbine 128 strömt das Abgas weiter durch eine Abgasnachbehandlungsanlage 132, wo es gereinigt wird und in die Umgebung strömt.

Als Besonderheit dieses Aufladesystems 110 kommt als Turbine 128 des Abgasturboladers 118 eine Turbine mit jeweils einer Verstellvorrichtung in einem Turbinenradeintrittsbereich und in einem Turbinenradaustrittsbereich zum Einsatz. Dabei kann es sich beispielsweise um die in Fig. 2 oder in Fig. 3 dargestellte Turbine handeln. Das Bezugszeichen 140 kennzeichnet dabei die Verstellvorrichtung im Turbinenradeintrittsbereich, während das Bezugszeichen 138 die Verstellvorrichtung im Turbinenradaustrittsbereich bezeichnet.

Wie im Zusammenhang mit Fig. 2 und 3 beschrieben, kann dabei die Verstellvorrichtung 140 im Turbinenradeintrittsbereich eine axiale Bewegung und/oder eine Drehbewegung vollführen, was durch die Richtungspfeile angedeutet ist.

Die Verstellvorrichtung 138 im Turbinenradaustrittsbereich kann gemäß des in Fig. 2 und 3 gezeigten Konusschiebers in axialer Richtung verstellt werden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass auch eine Drehbewegung bei der Verstellvorrichtung im Turbinenradaustrittsbereich und insbesondere bei dem Konusschieber denkbar ist, da aufgrund einer Rotationssymmetrie desselbigen kein Einfluss auf Strömungsparameter im Turbinenradaustrittsbereich vorhanden ist. Die beiden Verstellvorrichtungen 140 und 138 in Fig. 6 sind dabei über eine Koppelung 141 , egal nach welchem Prinzip, gekoppelt und laufen auf ein einziges Stellelement 142 zu.

Dieses Stelleelement 142 sowie die Abgasrückführung werden von einer Regelungseinrichtung 134 in Abhängigkeit eines Betriebspunktes der Verbrennungskraftmaschine 112 entsprechend Anforderungen der Verbrennungskraftmaschine 112 geregelt, wodurch Strömungsparameter im Turbinenradeintrittsbereich und im Turbinenradaustrittsbereich wirkungsgradoptimal eingestellt werden. Auch die Verbrennungskraftmaschine 112 selbst beziehungsweise ihre Komponenten wie beispielsweise eine Nockenwellenverstellung und/oder eine Einspritzmenge et cetera werden von der Regelungseinrichtung 134 geregelt.

Dadurch steigt ein Gesamtwirkungsgrad des Aufladesystems 110, wodurch ein Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine 112 und damit CO₂- Emissionen reduziert werden.

Claims

Patentansprüche

1. Abgasturbolader (118) für eine Verbrennungskraftmaschine (112) mit einem Turbinenrad (22), bei welchem in einem Turbinenradaustrittsbereich (30) eine erste Verstellvorrichtung (28), insbesondere ein Konusschieber (28), zur variablen Einstellung einer Turbinenradaustrittsströmungsfläche angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Turbinenradeintrittsbereich (26) eine zweite Verstellvorrichtung (24) zur variablen Einstellung einer Turbinenradeintrittsströmungsfläche angeordnet ist.

2. Abgasturbolader (118) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verstellvorrichtung (28) eine axiale Hauptbewegung aufweist.

3. Abgasturbolader (118) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verstellvorrichtung (24) als ein Leitgitter (24), insbesondere ein Drehschaufler (24), ausgebildet ist, bei welchem ein drehbarer Verstellring vorgesehen ist, und ein Leitgitterquerschnitt und ein Schaufelwinkel variabel einstellbar sind.

4. Abgasturbolader (118) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verstellvorrichtung (24) als ein Leitgitter (24'), insbesondere ein Axialschieber (24'), ausgebildet ist, bei welchem ein Leitgitter (24') oder eine Matrize (62) in axialer Längsrichtung des Abgasturboladers (118) bewegbar und/oder eine Schaufelhöhe variabel einstellbar ist bzw. sind.

5. Abgasturbolader (118) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtungen (24, 28) gekoppelt und mit einer gemeinsamen Stellbewegung verstellbar sind.

6. Abgasturbolader (118) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtungen (24, 28) elektrisch gekoppelt sind.

7. Abgasturbolader (118) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtungen (24, 28) pneumatisch gekoppelt sind.

8. Abgasturbolader (118) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtungen (24, 28) hydraulisch gekoppelt sind.

9. Abgasturbolader (118) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtungen(24, 28) mechanisch gekoppelt sind.

10. Verfahren für einen Abgasturbolader (118) für eine Verbrennungskraftmaschine (112) mit einem Turbinenrad (22), bei welchem mittels einer ersten, in einem Turbinenradaustrittsbereich (30) angeordneten Verstellvorrichtung (28) eine Turbinenradaustrittsströmungsfläche in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Abgasturboladers (118) variabel eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer zweiten, in einem Turbinenradeintrittsbereich (26 angeordneten Verstellvorrichtung (24) eine Turbinenradeintrittsströmungsfläche in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Abgasturboladers (118) variabel eingestellt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenradaustrittsströmungsfläche mittels einer Verstellvorrichtung (28) mit einer axialen Hauptbewegung variabel eingestellt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtungen (24, 28) mit einer gemeinsamen Stellbewegung eingestellt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Stellbewegung mittels einer elektrischen und/oder einer pneumatischen und/oder einer hydraulischen und/oder einer mechanischen Verkopplung der Verstellvorrichtungen (24, 28) ausgeführt wird.

14. Verbrennungskraftmaschine (112) mit einem Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 9.

15. Verbrennungskraftmaschine (112) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Recheneinheit (134) vorgesehen ist, mittels derer ein Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13 durchführbar ist.