AT411615B - Abgasturbolader für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Description

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   Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbren- nung gemäss dem Oberbegriff 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 es nicht einfach ist, einen solchen Abgasturbolader so auszulegen, dass es in allen Betriebsbereichen zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden. Um diesen Nachteil zu beheben, sind Turbolader mit variabler Turbinengeometrie vorgeschlagen worden, bei denen der Anströmquerschnitt des Turbinenlaufrades verändert werden kann. Obgleich damit eine wesentli- che Verbesserung erreicht werden kann, ist die Wirkung solcher Turbolader besonders im Teillast- bereich (geringer Massendurchsatz bei niedriger Motordrehzahl) nach wie vor unbefriedigend.

   Ein Grund dafür ist, dass durch die verstellbaren Leitschaufeln zwangsläufig ein Kompromiss hinsicht- lich der Abgasenergieformung (Druckgeschwindigkeit) beim Durchströmen der engen Leitschaufel- spalte bis zum Turbinenrad eingegangen werden muss. Das axiale Spiel der Leitschaufeln im Turbinengehäuse ergibt zusätzliche Verluste. Weiters ist die Standzeit solcher Turbolader be- schränkt, 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 auf- weist. Durch eine Klappe ist eine Flut abschaltbar. Beide Fluten münden jedoch in einen gemein- samen Anströmquerschnitt, der sich über den gesamten Umfang des Laufrades erstreckt. Dadurch treten insbesondere im Teillastbereich erhebliche Verluste auf, die durch eine vorzeitige Entspan- nung des Abgasstroms bedingt sind. 



   Die EP 0 196 183 B zeigt einen Turbolader, bei dem der Anströmquerschnitt ebenfalls verän- dert werden kann. Neben den obenbeschriebenen Nachteilen kommt hier noch die in Umfangsrich- tung ungleichmässige Beaufschlagung des Laufrades hinzu, die eine einseitige mechanische Bela- stung 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. 



   Die CH 254 459 A zeigt einen Abgasturbolader mit einem Laufrad, um das Leitschaufeln ange- ordnet sind. Jede zweite dieser Leitschaufeln ist dabei schwenkbar ausgebildet, so dass der Strö- mungsquerschnitt verringert werden kann. Dabei wird jedoch die Geometrie der Anströmung des Laufrades wesentlich verschlechtert, was gerade im Bereich geringer Massenströme einen schwer- wiegenden Nachteil darstellt. Ferner ist die AT 23 905 E zu erwähnen, die eine Turbomaschine betrifft, jedoch nicht einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung. 



   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. 



   Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben durch die Merkmale von Patentspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemässe Lösung zeichnet sich gegenüber bekannten Turboladern mit variabler Turbinen- geometrie dadurch aus, dass auch bei kleinem Gasdurchsatz optimale Anströmbedingungen für das Laufrad gegeben sind, da die Düsen hinsichtlich des Abstands zum Laufrad, des Anströmwin- kels und hinsichtlich der Querschnittsfläche optimiert sind. Dadurch können auch bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine hohe Turbinendrehzahlen und damit hohe Ladedrücke er- reicht werden. Bei höherem Gasdurchsatz werden die Leitschaufeln geöffnet, um grössere Strö- mungsquerschnitte zu erreichen.

   Eine besonders gleichmässige Beaufschlagung des Laufrades und damit ein geringer Verschleiss an den Lagern wird dadurch erreicht, dass die feststehenden Düsen in gleichmässigen Winkelabständen um das Laufrad angeordnet sind. 



   Eine optimale Anströmung des Laufrades im untersten Bereich des Gasdurchsatzes kann er- reicht werden, wenn die schwenkbare Leitschaufeln in eine Stellung bringbar sind, in der sie an- einander und/oder an den feststehenden Düsen dichtend anliegen. Die Anströmung erfolgt dann ausschliesslich durch die Düsen. 

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   Ein optimaler Wirkungsgrad ist gegeben, wenn die Breite der feststehenden Düsen in Axialrich- tung der des Laufrades an seinem Umfang entspricht. Auf diese Weise findet die Entspannung des Abgases praktisch ausschliesslich als thermodynamischer Prozess im Laufrad statt, da keine Quer- schnittssprünge auftreten. 



   Optimale Strömungsverhältnisse im Bereich mittlerer und höherer Drehzahlen der Brennkraft- maschine werden erreicht, wenn zwischen jeweils zwei feststehenden Düsen mindestens eine, vorzugsweise drei schwenkbare Leitschaufeln vorgesehen sind. 



   Weiters sind Ausführungsvarianten der Erfindung denkbar, bei welchen die schwenkbaren Leit- schaufeln gleichzeitig oder in einer vorgebbaren zeitlichen Abfolge betätigbar sind. Beispielsweise können die jeweils im Uhrzeigersinn einer feststehenden Düse benachbarten Leitschaufeln zuerst öffnen, wonach die anderen Leitschaufeln derselben Gruppe folgen. 



   In der Folge wird die Erfindung anhand der in der Figur dargestellten Ausführungsvariante näher erläutert. Die Figur stellt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Turbolader dar. 



   Der Abgasturbolader besitzt allgemein eine Turbine 1, die über eine Welle 2 mit einem nicht dargestellten Verdichter verbunden ist und diesen antreibt. In der Turbine 1 ist ein Laufrad 4 vorge- sehen, das über eine Leitvorrichtung 5, die aus schwenkbaren Leitschaufeln 6 besteht, mit dem Abgas einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine beaufschlagt wird. Beim dargestellten Ausfüh- rungsbeispiel sind insgesamt zwölf Leitschaufeln 6 vorgesehen, die in Gruppen zu jeweils drei Schaufeln um das Laufrad 4 angeordnet sind. Zwischen den einzelnen Gruppen von Leitschaufeln 6 sind Düsen 11angeordnet, die aus feststehenden Leitschaufeln 6a gebildet sind. 



   In der mit durchgezogenen Linien gezeichneten Stellung der schwenkbaren Leitschaufeln 6 steht das Spiralgehäuse 8 nur über die Düsen 11mit dem Laufrad 4 in Verbindung, da die Leit- schaufeln dichtend aneinander und an den Düsen 11anliegen. Das Laufrad 4 wird daher nur über die Düsen 11angeströmt, wobei der radiale Spalt s und der Anströmwinkel optimiert sind. Bei höherem Gasdurchsatz werden die schwenkbaren Leitschaufeln 6 gleichzeitig oder auch nach einander geöffnet, wie dies teilweise mit unterbrochenen Linien dargestellt ist, um einen entspre- chenden Anströmquerschnitt zur Verfügung zu stellen. 



   Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, auch bei kleiner Motordrehzahl und damit einem ge- ringen Abgasstrom eine hohe Turbinendrehzahl und damit ein gutes Ansprechverhalten und eine optimale Aufladung zu erreichen. 



   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, sowie mit mehreren schwenkbaren Leitschau- fein (6), die rund um das Laufrad (4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die 
Leitvorrichtung (5) in gleichmässigen Umfangsabständen mehrere feststehende Düsen (11) aufweist, die unmittelbar auf den äusseren Umfang des Laufrades (4) gerichtet sind, und dass die schwenkbaren Leitschaufeln (6) in eine Stellung bringbar sind, in der das Spiral- gehäuse (8) nahezu ausschliesslich durch die feststehenden Düsen mit dem Laufrad (4) in 
Strömungsverbindung steht,

   und dass vorzugsweise im Teillastbereich bei geringen Mas- sendurchsätzen eine elektromotorische Unterstützung der Turbine (1) vorgesehen ist.

Claims (1)

1. 2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schwenkbare Leit- schaufeln (6) in eine Stellung bringbar sind, in der sie aneinander und/oder an den festste- henden Düsen (11 ) dichtend anliegen.

   3. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der feststehenden Düsen (11) in Axialrichtung der des Laufrades (4) an seinem Um- fang entspricht.

   4. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zwei feststehenden Düsen (11) mindestens eine, vorzugsweise drei schwenkbare Leitschaufeln (6) vorgesehen sind.

   5. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die schwenkbaren Leitschaufeln (6) gleichzeitig oder in einer vorgebbaren zeitlichen Abfolge <Desc/Clms Page number 3> betätigbar sind.

   HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN