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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine gemäss dem Ober- begriff von Patentanspruch 1.
Es ist bekannt, dass die Leistung, die Verbrauchs- und Abgaswerte von Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung mit Abgasturboladern verbessert werden können. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass nicht einfach ist, einen solchen Abgasturbolader so auszulegen, dass in allen
Betriebsbereichen zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden. Um diesen Nachteil zu beheben, sind Turbolader mit variabler Turbinengeometrie vorgeschlagen worden, bei denen der Anströmquerschnitt vor dem Turbinenlaufrad verändert werden kann. Obgleich damit eine wesentliche Verbesserung erreicht werden kann, ist die Wirkung solcher Turbolader besonders im Teillastbereich (geringer Massendurchsatz bei niedriger Motordrehzahl) nach wie vor unbefriedigend.
Ein Grund dafür ist, dass durch die verstellbaren Leitschaufeln zwangsläufig ein Kompromiss hinsichtlich der Abgasenergieformung (Druck/Geschwindigkeit) beim Durchströmen der engen Leitschaufelspalte bis zum Turbinenrad eingegangen werden muss. Das axiale Spiel der Leitschaufeln im Turbinengehäuse ergibt zusätzliche Verluste. Weiters ist die Standzeit solcher Turbolader beschränkt, da insbesondere bei enggestellter Leitvorrichtung eine grosse Belastung durch Gaskräfte gegeben ist.
Aus der DE 39 07 504 A ist eine Abgasturbine bekannt, die ein zweiflutiges Spiralgehäuse aufweist. Durch eine Klappe ist eine Flut abschaltbar. Beide Fluten münden jedoch in einen gemeinsamen Anströmquerschnitt, der sich über den gesamten Umfang des Laufrades erstreckt.
Dadurch treten insbesondere im Teillastbereich erhebliche Verluste auf, die durch eine vorzeitige Entspannung des Abgasstroms bedingt sind.
Die DE 42 42 494 zeigt einen verstellbaren Strömungsleitapparat für das Laufrad eines Abgasturboladers, das über verschiedene Fluten, die schaltbar ausgebildet sein können, anströmbar ist.
Damit kann erreicht werden, dass der Abgasturbolader in weiten Bereichen des Motorkennfelds optimal betrieben wird. Wenn jedoch einzelne Fluten abgesperrt werden, wird das Laufrad unsymmetrisch angeströmt, was zu einer verstärkten Lagerbelastung und zu einem Effizienzverlust führt.
Die EP 0 196 183 B zeigt einen Turbolader, bei dem der Anströmquerschnitt ebenfalls verändert werden kann. Neben den obenbeschriebenen Nachteilen kommt hier noch die in Umfangsrichtung ungleichmässige Beaufschlagung des Laufrades hinzu, die eine einseitige mechanische Belastung der Lagerung bewirkt. Ähnliches gilt auch für eine Lösung, wie sie in der US 4, 512, 714 A offenbart ist.
Weiters beschreibt die DE 197 17 559 A einen Turbolader mit zwei Fluten, die wechselweise mit Abgas beaufschlagbar sind, wobei eine Flut die andere umgibt und über Öffnungen mit dieser verbunden ist. Ein solcher Turbolader hat aufgrund der Strömungsverluste und der vorzeitigen Entspannung des Abgases einen nicht zufriedenstellenden Wirkungsgrad. Weiters ist ein Abblaseventil vorgesehen, das sich bei Überschreiten eines vorbestimmten Drucks öffnet.
Die DE 39 41 715 A zeigt einen Turbolader, bei dem ein Abblaseventil gemeinsam mit den Leitschaufeln verstellt wird.
Ferner zeigt die DE 195 43 190 C eine Motorbremse für eine aufgeladene Brennkraftmaschine, bei der zur Herstellung eines Staudrucks im Abgassystem Sperrkörper zwischen die Leitschaufeln der Abgasturbine eingeschoben werden. Da die Leitschaufeln verstellbar ausgeführt sind, müssen bei einer solchen Bauweise Kompromisse hinsichtlich der Geometrie der Bauteile und des Bewegungsspielraums der Leitschaufeln eingegangen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einen Abgasturbolader zu schaffen, der in einem weiten Bereich von Betriebszuständen einen guten Wirkungsgrad hat. Insbesondere soll im Bereich kleiner Drehzahlen der Brennkraftmaschine eine möglichst grosse Leistung an der Turbine erreicht werden, um ein schnelles Ansprechverhalten und einen günstigen Drehmomentverlauf zu erreichen. Weiters soll mit einer möglichst kleinen Turbine das Auslangen gefunden werden und ferner soll die Möglichkeit eröffnet werden eine wirkungsvolle Motorbremse anzubieten.
Erfindungsgemäss wird dies durch eine Ausbildung gemäss den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Patentanspruch 1 erreicht. Durch die erfindungsgemässe Lösung wird insbesondere erreicht, dass der Anströmquerschnitt optimal an den jeweiligen Abgasstrom angepasst werden kann, wobei jedoch stets die strömungstechnisch optimalen Anströmbedingungen bis hin zum Turbinenradeintritt gegeben sind. Insbesondere weisen alle Düsen stets den optimalen, d. h. im
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Allgemeinen minimalen Abstand zum Laufrad auf. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Leitvorrichtung keine beweglichen Teile aufweist und somit kostengünstig herstellbar und robust ist, so dass auch eine Anwendung im Nutzfahrzeugbereich problemlos möglich ist.
Aufgrund der Tatsache, dass ein Abblaseventil vorgesehen ist, wird zusätzlich zu den möglichen Leistungsstufen der Turbine, die durch Umschalten der einzelnen Fluten gegeben sind, eine zusätzliche Stufe für höchste Abgasströme geschaffen, bei der das Abblaseventil, das sogenannte Waste-Gate, geöffnet ist. Daher ist es nicht erforderlich, die Turbine auf den höchst möglichen Abgasstrom auszulegen, so dass mit einer etwas kleineren Turbine das Auslangen gefunden werden kann. Dies ermöglicht eine zusätzliche Verbesserung des Ansprechverhaltens und die Möglichkeit einer feineren Abstufung der Turbinenleistung. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass nur ein Teilstrom des Abgases durch das Waste-Gate beeinflusst wird.
Durch die strikte Trennung der Abgasströme der einzelnen Fluten bis zu den zugeordneten Düsen, die jeweils entsprechende Sektoren des Laufrades beaufschlagen, kann z. B. bei Kick-Down eine Situation erreicht werden, dass die Flut mit Waste-Gate durch die Schalteinrichtung nicht beaufschlagt ist, und in der anderen Flut bzw. den anderen Fluten ein höherer Abgasstaudruck erreicht werden kann, als der Öffnungsdruck des Waste-Gate vorgibt.
Vorzugsweise sind die Düsen durch feststehende Leitschaufeln gebildet. Dadurch wird ein besonders einfacher, strömungstechnisch vorteilhafter Aufbau erreicht.
Eine besonders gleichmässige Beaufschlagung des Laufrades und damit ein geringer Verschleiss an den Lagern wird dadurch erreicht, dass die Düsen jeweils einer Gruppe in gleichmässigen Winkelabständen um das Laufrad angeordnet sind.
Ein optimaler Wirkungsgrad ist gegeben, wenn die Breite der Düsen in Axialrichtung der des Laufrades an seinem Umfang entspricht. Auf diese Weise findet die Entspannung des Abgases praktisch ausschliesslich als thermodynamischer Prozess im Laufrad statt, so dass keine Querschnittssprünge auftreten.
Eine besonders gute Anpassung des Turboladers an den jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine kann dadurch erreicht werden, dass die erste Gruppe von Düsen, die zweite Gruppe und allfällige weitere Gruppen eine unterschiedliche Anzahl von Düsen aufweisen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch vorgesehen sein, dass die Düsen der ersten Gruppe, die Düsen der zweiten Gruppe und die Düsen allfälliger weiterer Gruppen eine unterschiedliche Breite in Umfangsrichtung aufweisen.
Eine konstruktiv besonders einfach Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung durch eine motorisch betätigbare Klappe gebildet ist.
Es hat sich ferner als günstig herausgestellt, wenn die Breite der Düsen in Umfangsrichtung mindestens dem Umfangsabstand der Schaufeln des Laufrades entspricht.
Weiters ist es von Vorteil, wenn im Teillastbereich bei geringen Massendurchsätzen eine elektromotorische Unterstützung der Turbine vorgesehen ist. Beispielsweise kann ein Elektromotor direkt in die Verbindung zwischen Laufrad und Turbine integriert sein.
Es ist bekannt, dass es in Abhängigkeit der Zylinderanzahl der Brennkraftmaschine aus gasdynamischen Gründen günstig sein kann, die Abgase von Gruppen von Zylindern getrennt voneinander zum Turbolader zu führen. So können bei Sechszylindermaschinen Gruppen von jeweils drei Zylindern mit gleichen Zündabständen zusammengefasst werden, oder bei Fünfzylindermaschinen können zwei Gruppen jeweils zwei Zylinder und eine weitere Gruppe aus einem Zylinder bestehen. Somit ist es bevorzugt, wenn die Schalteinrichtung in mindestens einer Stellung jede der Fluten mit einer Gruppe von Zylindern der Brennkraftmaschine verbindet. Auf diese Weise werden die Gasströme nicht nur bis zum Turbolader sondern letztlich bis unmittelbar vor dem Laufradeintritt voneinander getrennt.
Bei niedrigem Gasdurchsatz werden jedoch die Abgasströme aller Zylinder in eine Flut zusammengefasst, da hier die Erreichung einer möglichst hohen Turbinendrehzahl im Vordergrund steht.
Eine konstruktiv besonders begünstigte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass das Abblaseventil mit einem Abgasrohr in Verbindung steht, das stromabwärts der Turbine angeordnet ist.
Eine optimale Beaufschlagung der Turbine wird dadurch erreicht, dass vorzugsweise die Schalteinrichtung eine vorbestimmte Stellung aufweist, in der bei hohem Gasdurchsatz der Druck in beiden Fluten etwa gleich gross ist. Eine solche Stellung der Schalteinrichtung kann durch eine
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Raste oder eine vorprogrammierte Einstellung vorgegeben sein. Bei geschlossener Abblaseein- richtung wird sich die Schalteinrichtung bei hohem Gasdurchsatz in einer Mittelstellung befinden, um beide Fluten gleichmässig zu beaufschlagen. Sobald die Abblaseeinrichtung, d. h. das Waste-
Gate öffnet, ist es vorteilhaft, die Gasströme etwas zugunsten der Flut umzulenken, in der sich das Waste-Gate befindet. Auf diese Weise kann auch bei geöffnetem Waste-Gate eine gleichmässige
Beaufschlagung der Turbine gewährleistet werden.
Der erfindungsgemässe Abgasturbolader ist für Brennkraftmaschinen besonders geeignet, die in Nutzfahrzeugen Verwendung finden. Bei solchen Brennkraftmaschinen wird in vielen Fällen eine wirksame Motorbremse verlangt. Für diese Fälle hat es sich in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung als besonders günstig herausgestellt, wenn weiters eine Motorbremseinrichtung vorgesehen ist, die Sperrkörper aufweist, die in eine Gruppe von Düsen einschiebbar sind. Da die
Leitschaufeln unbeweglich sind, ist die Ausführung einer solchen Motorbremseinrichtung konstruktiv unkritisch. Besonders vorteilhaft in diesem Zusammenhang ist es, wenn die Sperrkörper als Leitschaufeln ausgebildet sind, die in Axialrichtung in die Düsen einschiebbar sind.
Eine besonders begünstigte Ausführungsvariante der Erfindung sieht eine zweistufige Aufladung vor, wobei ein weiterer Abgasturbolader als Niederdruckstufe nachgeschaltet ist oder als Hochdruckstufe vorgeschaltet ist. An sich ist es bekannt, zwei Turbolader hintereinanderzuschai- ten, wobei einer als Niederdruckstufe und der andere als Hochdruckstufe eingesetzt wird. Solche Aufladekonzepte sind vom Platzbedarf begrenzt, da es der vorhandene Einbauraum zumeist nicht ermöglicht, die Ladeluft zwischen den beiden Stufen zu kühlen. Zusätzlich dazu gibt es je nach Auslegung relativ grosse Bereich im Kennfeld, in denen eine ungünstige Aufteilung der Druckverhältnisse vorliegt, was den Wirkungsgrad weiter verschlechtert. So trägt beispielsweise bei höheren Drehzahlen die Hochdruckstufe fast nichts mehr zum Druckaufbau bei.
Durch die erfindungsgemässe Lösung kann die Beaufschlagung der beiden Stufen so verändert werden, dass der Wirkungsgrad und das Gesamtdruckverhältnis verbessert werden können. Dabei kann der erfindungsgemässe Turbolader entweder in der Niederdruckstufe oder in der Hochdruckstufe oder gegebenenfalls in beiden Stufen eingesetzt werden. Wesentlich ist, dass auf diese Weise der Auslegungspielraum erhöht wird und das Auftreten von Bereichen mit unbefriedigender Aufladung im Kennfeld vermieden werden können.
In der Folge wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsvariante näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen Abgasturbolader und die Fig. 2 schematisch einen Schnitt nach Linie))-)) in Fig. 1, Fig. 3 bis 5 zeigen Details von erfindungsgemässen Abgasturboladern und Fig. 6 zeigt eine Ausführungsvariante der Erfindung in einem Schnitt entsprechend der Fig. 2.
Der Abgasturbolader besitzt allgemein eine Turbine 1, die über eine Welle 2 mit einem Verdichter 3 verbunden ist und diesen antreibt. In der Turbine 1 ist ein Laufrad 4 vorgesehen, das über eine Leitvorrichtung 5, die aus Leitschaufeln 6 besteht, mit dem Abgas einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine beaufschlagt wird. Nach dem Durchströmen des Laufrades 4 strömt das Abgas in einer axialen Öffnung 7 ab. Das Abgas wird über ein Spiralgehäuse 8 zur Leitvorrichtung 5 geführt, in dem zwei Fluten 9,10 in Axialrichtung nebeneinander angeordnet sind, die durch eine Trennwand 14 voneinander getrennt sind. Der Turbine 1 vorgeschaltet ist ein Adapter 21, der neben der Klappe 13 ein Abblaseventil 20 aufnimmt.
Dieses Abblaseventil 20 ist als Klappenventil dargestellt, das als mechanisch betätigtes oder als von der Motorsteuerung betätigtes elektromagnetisches Ventil ausgeführt sein kann. Es ist auch möglich in an sich bekannter Weise eine mechanische Steuerung über den Ladedruck vorzusehen, oder einfach ein Überdruckventil einzusetzen.
Der Gasstrom aus dem Abblaseventil 20 mündet in ein Abgasrohr 22 stromabwärts der Turbine 1.
Aus der Fig. 2 ist ersichtlich, dass insgesamt neun feststehende Leitschaufeln 6 in gleichmässigen Winkelabständen um das Laufrad 4 angeordnet sind, so dass zwischen diesen Leitschaufeln 6 Düsen 11,12 ausgebildet sind, die auf das Laufrad 4 gerichtet sind. Die Düsen 11 der ersten Gruppe stehen mit der ersten Flut 9 in Strömungsverbindung. Zwischen den Düsen 11 sind jeweils zwei Düsen. 12 einer weiteren Gruppe angeordnet, die mit der zweiten Flut 10 in Strömungsverbindung stehen. Auf diese Weise kann das Laufrad 4 je nach dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine über drei Düsen 11 der ersten Gruppe, über sechs Düsen 12 der zweiten Gruppe oder über alle neun Düsen 11,12 beaufschlagt werden.
Damit kann auch bei einem geringen Abgasstrom eine hohe Drehzahl des Laufrades 4 und damit ein günstiger Ladedruck und ein
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schnelles Ansprechverhalten erreicht werden. Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass das Regelungsverhältnis 1 : 2 : 3 nach Bedarf beispielsweise dadurch abgeändert werden kann, dass zwischen den Düsen 11 der ersten Gruppe beispielsweise drei Düsen 12 der zweiten Gruppe angeordnet werden. Weiters kann die Breite der einzelnen Düsen in Umfangsrichtung unterschiedlich ausgeführt werden. Wesentlich ist, dass sämtliche Leitschaufeln 6 eine optimale Spaltbreite s zum äusseren Umfang des Laufrades 4 aufweisen.
Aus der Fig. 3 ist schematisch eine motorisch angetriebene Klappe 13 ersichtlich, mit der der Abgasstrom in die erste Flut 9 oder in die zweite Flut 10 oder in der Mittelstellung in beide Fluten 9, 10 gelenkt werden kann. In der Fig. 3 ist mit durchgezogenen Linien eine Stellung der Klappe 13 gezeigt, in der der Abgasstrom in die erste Flut 9 zur Beaufschlagung der ersten Gruppe von Düsen 11 eingestellt ist. Mit unterbrochenen Linien ist eine weitere Stellung gezeigt, in der der Abgasstrom in die zweite Flut 10 zur Beaufschlagung der zweiten Gruppe von Düsen 12 gelenkt wird. Die Klappe 13 kann direkt im Gehäuse der Turbine 1 angeordnet sein, auch in einem speziellen Adaptergehäuse vorgesehen sein, das an den erfindungsgemässen Abgasturbolader angeflansch ist oder im Abgassammelkrümmer des Verbrennungsmotors.
Bei der Variante von Fig. 4 ist die stromaufwärtige Seite der Klappe 13 in zwei Kanäle 15,16 unterteilt, die zu unterschiedlichen Gruppen von nicht dargestellten Zylindern der Brennkraftmaschine führen. In der dargestellten Stellung der Klappe 13 werden die beiden Kanäle 15,16 in die erste Flut 9 zusammengefasst. Bei hohem Gasdurchsatz werden die Kanäle 15,16 getrennt voneinander mit den Fluten 9,10 verbunden, wodurch zusätzlich ein gasdynamischer Effekt bei zweiflutigen Turbinengehäusen genützt werden kann.
Die Fig. 5 entspricht im Wesentlichen der Fig. 3, wobei jedoch die Klappe 13 in einer Stellung gezeigt ist, in der sie sich bei höchstem Abgasdurchsatz und geöffnetem Abblaseventil befindet. Dabei wird der Abgasstrom zur ersten Flut 9 etwas gedrosselt und ein zusätzlicher Abgasstrom zur zweiten Flut 10 umgelenkt. Stromabwärts des in der Fig. 5 nicht dargestellten Waste-Gates ergibt sich daher näherungsweise ein gleichmässiges Druckniveau in beiden Fluten 9,10.
In der Fig. 6 ist eine Ausführung gezeigt, bei der Sperrkörper 30 in Axialrichtung in die ersten Düsen 11 einschiebbar sind, um diese grösstenteils zu verschliessen. Die Stärke der Motorbremswirkung kann auch stufenlos dadurch eingestellt werden, dass die Sperrkörper 30 unterschiedlich tief in die Düsen 11 eintauchen. Eine optimale Motorbremswirkung wird dann erreicht, wenn die Schalteinrichtung 13 den gesamten Abgasstrom auf die ersten Düsen 11 lenkt und somit die Düsen 12 der zweiten Gruppe wegschaltet. Auf diese Weise wird auch das Abblaseventil20 deaktiviert.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, mit einer Turbine (1), die ein Laufrad (4), ein Spiralgehäuse (8) und eine Leitvorrichtung (5) aufweist, um den
Abgasstrom auf das Laufrad (4) zu lenken, die aus mindestens zwei Gruppen von Düsen (11,12) besteht, die unmittelbar auf den äusseren Umfang des Laufrades (4) gerichtet sind, und die vorzugsweise durch feststehende Leitschaufeln (6) gebildet sind, wobei das Spi- raigehäuse (8) in mindestens zwei Fluten (9,10) unterteilt ist, von denen jede mit jeweils einer Gruppe von Düsen (11,12) in Strömungsverbindung steht, und wobei weiters eine
Schalteinrichtung (13) vorgesehen ist, um einzelne oder alle Fluten (9,10) des Spiralge- häuses (8) mit der Brennkraftmaschine abgasseitig zu verbinden, dadurch gekennzeich- net,
dass die Düsen (11,12) jeweils einer Gruppe in gleichmässigen Winkelabständen um das Laufrad (4) angeordnet sind, wobei ihre Breite in Axialrichtung vorzugsweise der des
Laufrades (4) an seinem Umfang entspricht, und dass stromabwärts der Schalteinrichtung (13) im Bereich einer Flut (9) ein Abblasventil (20) vorgesehen ist, das bei Überschreiten eines vorbestimmten Drucks in der Flut (9) öffnet.