DE10121390A1 - Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine umfasst eine im Abgasstrang angeordnete Abgasturbine und einen im Ansaugtrakt angeordneten Verdichter, der über eine Welle mit der Abgasturbine verbunden ist. DOLLAR A Die Turbine weist einen die Turbinenschaufeln radial umgreifenden Deckring auf, wobei zwischen benachbarten Turbinenschaufeln ein tunnelartiger Strömungsweg gebildet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In der Druckschrift DE 197 27 140 C1 wird ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine beschrieben, dessen Verdichter im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine von einem Abgasturbolader im Abgasstrang angetrieben wird. Die Abgasenergie wird in eine Ro­ tationsbewegung des Laders umgesetzt, woraufhin ein erhöhter Ladedruck erzeugt wird, unter dem die Verbrennungsluft dem Ein­ lass der Brennkraftmaschine zugeführt wird.

Die Abgasturbine ist mit einer variablen Turbinengeometrie aus­ gestattet, die es erlaubt, den wirksamen Strömungsquerschnitt in der Abgasturbine zwischen einer minimalen Staustellung und einer maximalen Öffnungsstellung zu verstellen. Die variable Turbinengeometrie kann insbesondere vorteilhaft im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine eingesetzt werden, indem die Turbinenge­ ometrie in ihre Staustellung überführt wird, woraufhin im Ab­ gasstrang stromauf der Abgasturbine ein erhöhter Abgasge­ gendruck erzeugt wird, der dem Zylinderausschub entgegensteht. Zugleich strömt Abgas mit hoher Geschwindigkeit durch den verbleibenden Strömungsquerschnitt in die Abgasturbine und be­ schleunigt das Turbinenrad, dessen Bewegung auf den Verdichter übertragen wird, so dass auch im Bremsbetrieb auf Verdichter­ seite ein hoher Ladedruck erzeugt werden kann und die Luftlie­ ferung in den Motor erheblich verstärkt wird. Hierdurch können hohe Bremsleistungen generiert werden.

Zugleich ist aber darauf zu achten, dass die mechanischen und thermischen Belastungen insbesondere der Turbinenschaufeln des Turbinenrades ein zulässiges Maß nicht überschreiten.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Abgasturbolader zu schaffen, welcher in der Lage ist, auch über einen längeren Betriebszeitraum hohe Leistungen, insbesondere sowohl in der befeuerten Antriebsbetriebsweise als auch im Motorbremsbetrieb, zu erzeugen.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 gelöst. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Weiterbildungen.

Die Turbine des Abgasturboladers weist einen die Turbinenschau­ feln radial umgreifenden Deckring auf, wobei zwischen benach­ barten Turbinenschaufeln ein tunnelartiger Strömungsweg im Be­ reich zwischen Radeintritt und Radaustritt des Turbinenrades gebildet ist. Der Deckring erhöht die Steifigkeit und die Fes­ tigkeit des Turbinenrades in einem signifikanten Maße, wodurch höhere Leistungen ohne Schädigung des Rades aufgenommen werden können. Insbesondere die radial außen liegenden Kanten der Tur­ binenradschaufeln, die im Stand der Technik besonders schadens­ anfällig sind, sind nunmehr praktisch vor Schädigungen ge­ schützt, da die Schaufelkanten unmittelbar an der Deckringin­ nenseite anliegen bzw. - gemäß einer vorteilhaften Weiterbil­ dung, bei der der Deckring einteilig mit dem Turbinenrad ausge­ bildet ist - direkt in den Deckring übergehen.

Ein zusätzlicher Vorteil wird durch die thermische Entlastung erzielt, die durch die größere Oberfläche und dadurch verbes­ serte Wärmeverteilung und Wärmeabstrahlung über den Deckring zustande kommt. Die dünnwandigen Schaufeln werden hierdurch insbesondere in ihrem radial außen liegenden Bereich thermisch entlastet.

Um das Massenträgheitsmoment des gesamten Turbinenrades ein­ schließlich Deckring gering zu halten, kann es vorteilhaft sein, die Wandstärke der Turbinenschaufeln zu reduzieren, um zumindest eine teilweise Kompensation der Zunahme des Massen­ trägheitsmomentes durch den Deckring zu erzielen. Die Verringe­ rung der Schaufeldicke kann auf Grund der verbesserten Steifig­ keit des Turbinenrads, bedingt durch den umgreifenden Deckring, ohne die Gefahr von Bauteilschädigungen durchgeführt werden.

Der Deckring erstreckt sich vorteilhaft axial über die gesamte Länge des Turbinenrades zwischen Radeintritt und Radaustritt, wodurch über die maximal mögliche, axiale Länge des Turbinenra­ des eine Verstärkung und Versteifung gegeben ist.

Um Fehlluftströme zwischen Radeintritt und Radaustritt im Be­ reich zwischen der äußeren Mantelfläche des Deckringes und ei­ ner den Deckring radial umgreifenden Gehäusewandung des Laders zu reduzieren, ist in die äußere Mantelfläche des Deckringes vorteilhaft eine Labyrinthdichtung eingebracht, die insbesonde­ re aus einer Mehrzahl von in Achsrichtung und in Umfangsrich­ tung verlaufender Nuten besteht, die einen axialen Gasdurch­ tritt erschweren.

Die den Deckring umgreifende Gehäusewandung des Laders kann im Bereich der Deckring-Stirnseite am Radaustritt des Turbinenra­ des eine radial einragende, den Deckring hintergreifende Dicht­ stufe aufweisen, die ebenfalls der Gefahr von Fehlluftströmun­ gen entgegenwirkt.

Die Turbine kann mit variabler Turbinengeometrie zur veränder­ lichen Einstellung des freien Strömungsquerschnitts im Abgasweg zur Turbine ausgestattet sein, wodurch insbesondere im Bremsbe­ trieb hohe Bremsleistungen durch eine Reduzierung des freien Strömungsquerschnittes zu erreichen sind. Die variable Turbi­ nengeometrie kann hierbei als Leitgitter realisiert sein, das zweckmäßig in einem radialen Radeintritt zum Turbinenrad ange­ ordnet ist und entweder axial in den Strömungsquerschnitt im Radeintritt einschiebbar oder mit verstellbaren Leitschaufeln ausgestattet sein kann.

Eine derartige, mit variabler Turbinengeometrie ausgestattete Abgasturbine weist in einem optimierten Brennkraftmaschinen- Turboladersystem vorteilhaft ein bestimmtes Größenverhältnis zum Hubvolumen der Brennkraftmaschine auf, wobei ein Turbo­ bremsfaktor, der sich aus einer Multiplikation des freien Strö­ mungsquerschnitts, gemessen bei einer Stellung der variablen Turbinengeometrie bei maximaler Bremsleistung im Motorbremsbe­ trieb, mit dem Eintrittsdurchmesser des Turbinenrades und Divi­ sion mit dem Hubvolumen der Brennkraftmaschine errechnet, ins­ besondere kleiner ist als 0,006, gegebenenfalls sogar kleiner ist als 0,003. Bei diesem optimierten Wert des Turbobremsfak­ tors ist sichergestellt, dass bei maximal erreichbarer Motor­ bremsleistung die thermische Belastung der Brennkraftmaschine und des Abgasturboladers vergleichsweise gering ist. Die bei diesen Turbobremsfaktoren auftretenden hohen Motorbremsleistun­ gen und damit einhergehenden thermischen und mechanischen Be­ lastungen können von dem mit dem Deckring ausgestatteten Turbi­ nenrad bei vergleichsweise geringem Massenträgheitsmoment auf­ genommen werden.

Als weitere, das Turbinenrad stabilisierende Maßnahme kann bei Radialturbinen vorgesehen sein, dass die Rückwand des Turbinen­ rades, die insbesondere einteilig mit der Nabe des Turbinenra­ des ausgebildet ist, sich radial bis zum Radeintritt des Turbi­ nenrades erstreckt. Gegebenenfalls kann es aber auch ausreichend sein, einen radialen Bereich auszusparen, um auch einen axialen oder zumindest halbaxialen Gaseintritt zu erlauben. So­ wohl in der Ausführung mit radial bis zum radialen Radeintritt hochgezogener Rückwand als auch in der Ausführung mit axialen Zuströmungen wird eine Verstärkung und Versteifung des Turbi­ nenrades erzielt.

Um einer schlagähnlichen Beanspruchung des Turbinenrades im Be­ reich des Radeintrittes entgegen zu wirken, kann es zweckmäßig sein, die Turbinenschaufeln im Bereich der dem Radeintritt be­ nachbarten Rückwand in der Weise gekrümmt anzuordnen, dass die Schaufeln mit der Ebene der Rückwand einen Winkel einschließen, der nicht größer ist als 50°. Insbesondere bei einem radialen Radeintritt und dort vorgesehenem Leitgitter kann durch diese Maßnahme eine erhebliche Herabsetzung der Schlagbeanspruchung der Turbinenradschaufeln erreicht werden.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu ent­ nehmen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Abgasturbine eines Abgastur­ boladers für eine Brennkraftmaschine,

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung eine Turbinenschaufel in einer Abgasturbine,

Fig. 3 eine Teilansicht auf die Stirnseite des Turbinenrades einer Abgasturbine,

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt des Turbinenra­ des.

In den folgenden Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die in Fig. 1 dargestellte Abgasturbine 1 ist Teil eines Abgas­ turboladers für eine Brennkraftmaschine. Die Abgasturbine 1 weist in einem Turbinengehäuse einen Spiralkanal 2 auf, der das Turbinenrad radial umgreift und über den Abgas aus dem Abgas­ auslass der Brennkraftmaschine dem Turbinenrad zuzuführen ist. Über eine Welle 4 ist das Turbinenrad 3 mit einem Verdichter im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine gekoppelt, der vom Turbinen­ rad 3 angetrieben wird und angesaugte Verbrennungsluft auf ei­ nen erhöhten Ladedruck verdichtet, unter dem die Verbrennungs­ luft dem Zylindereinlass der Brennkraftmaschine zugeführt wird.

Das Turbinenrad 3 besteht aus einer Nabe 5 und etwa radial von der Nabe 5 abstehenden Turbinenschaufeln 6, die gleichmäßig ü­ ber den Umfang der Nabe angeordnet sind. Das Turbinenrad 3 ist von einem Deckring 7 umgriffen, welcher zweckmäßig einteilig mit den Turbinenschaufeln 6 ausgebildet ist und diese an ihrer Außenkante radial umgreift. Mit dem umgreifenden Deckring 7 ist ein tunnelartiger Strömungsweg für das Abgas in Pfeilrichtung 8 gebildet. Der Deckring 7 erstreckt sich axial zwischen einem radialen Radeintritt 9 der vorteilhaft als Radialturbine ausge­ führten Abgasturbine, über den das Abgas dem Turbinenrad 3 zu­ geführt wird, und einem axialen Radaustritt 10, über den das Abgas abgeleitet wird.

Gegebenenfalls kann es aber auch zweckmäßig sein, den Deckring nur über eine Teillänge des Turbinenrades zwischen Radeintritt und Radaustritt auszubilden.

Der Deckring 7 ist über die axiale Länge des Turbinenrades 3 gesehen an die Kontur der Turbinenschaufeln 6 angepasst und verjüngt sich dementsprechend radial vom Radeintritt 9 in Rich­ tung Radaustritt 10. Im Bereich des Radaustrittes 10 weist der Deckring 7 eine radial nach außen aufragende Dichtnase 11 auf, die eine komplementär ausgeführte Dichtstufe 12 einer das Tur­ binenrad 3 radial umgreifenden Gehäusewandung 13 ausgebildet ist.

Auf der axial dem Radaustritt 10 gegenüberliegenden Rückseite weist das Turbinenrad 3 auf der der Welle 4 zugewandten Seite eine Rückwand 14 auf, welche insbesondere einteilig mit der Na­ be 5 ausgeführt ist und die sich vorteilhaft radial bis zum Radeintritt 9 erstreckt. Die Rückwand 14 trägt ebenso wie der Deckring 7 maßgeblich zur Erhöhung der Stabilität des Turbinen­ rades 3 bei. Gegebenenfalls kann es aber zweckmäßig sein, die Rückwand 14 nur über einen radialen Teilbereich zwischen Nabe 5 und radialem Eintritt 9 auszubilden.

Die Abgasturbine 1 umfasst eine variabel einstellbare Turbinen­ geometrie 15, welche im Ausführungsbeispiel als ein axial in einen Strömungseintritt 16 einschiebbares Leitgitter ausgeführt ist, wobei der Strömungseintritt 16 dem radialen Radeintritt 9 zum Turbinenrad 3 unmittelbar vorgelagert ist und diesen radial umgreift und den freien Strömungsquerschnitt im Übergang von Spiralkanal 2 zum Turbinenrad 3 definiert. Der freie Strömungs­ querschnitt ist durch Verstellen der variablen Turbinengeomet­ rie 15 zwischen einer reduzierten Staustellung - Leitgitter in den Strömungseintritt 16 eingeschoben - und einer maximalen Of­ fenstellung - Leitgitter aus dem Strömungseintritt 16 herausge­ zogen - zu verstellen.

Zur Verstärkung der Motorbremswirkung wird die variable Turbi­ nengeometrie 15 in die Staustellung überführt, wodurch im Ab­ gasstrang stromauf der Abgasturbine 1 ein erhöhter Abgasge­ gendruck aufgebaut wird, der dem Zylinderausschub entgegen­ wirkt. Zugleich strömt das Abgas durch die verbleibenden Strö­ mungskanäle in der variablen Turbinengeometrie und trifft mit hoher Geschwindigkeit auf das Turbinenrad 3, dessen Drehbewe­ gung auf das Verdichterrad übertragen wird, woraufhin ein er­ höhter Ladedruck aufgebaut wird, mit dem die Zylinder befüllt werden.

Anstelle oder zusätzlich zu dem gezeigten, axial einschiebbaren Leitgitter kann es auch vorteilhaft sein, variable Turbinengeo­ metrien in weiteren Ausführungen vorzusehen, beispielsweise als Leitgitterring mit verstellbaren Leitschaufeln ausgeführte Tur­ binengeometrien.

In Fig. 2 ist eine Dichtstufe 18 in der das Turbinenrad 3 radi­ al umgreifenden Gehäusewandung 13 zu entnehmen. Die Dichtstufe 18 ragt radial ein und hintergreift den Deckring 7 im Bereich des Radaustrittes 10 quasi-formschlüssig. Auf Grund des Form­ schlusses mit einem gewissen Funktionsspalt ist das Turbinenrad axial unverlierbar im Gehäuse der Abgasturbine gehalten. Außer­ dem bewirkt der näherungswäise vorliegende Formschluss eine Strömungssperrung für Fehlluftströme zwischen der äußeren Man­ telfläche des Deckringes 7 und der umgreifenden Gehäusewandung 13.

Zusätzlich sind zur Reduzierung von Fehlluftströmen in der äu­ ßeren Mantelfläche des Deckringes 7 Nuten eingebracht, die eine Labyrinthdichtung 17 bilden.

Die variable Turbinengeometrie 15 ist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 als Leitgitter mit verstellbaren Leitschaufeln aus­ geführt.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt des Turbinenrades 3 im Bereich des Radaustrittes mit Blick auf die Stirnseite des Turbinenra­ des. In dem gezeigten Ausschnitt sind zwei Turbinenschaufeln 6 dargestellt, die sich radial zwischen der Nabe 5 und dem Deckring 7 erstrecken, wobei zwischen benachbarten Turbinenschau­ feln 6 ein tunnelartiger Strömungsweg 19 gebildet ist. Zweckmä­ ßig sind Nabe 5, Turbinenschaufeln 6 und der umgreifende Deck­ ring 7 als ein einteiliges Bauteil ausgeführt, insbesondere als ein gemeinsames Gussteil.

Es kann aber auch zweckmäßig sein, den Deckring 7 als separat ausgeführtes Bauteil auszubilden, welches axial auf das Turbi­ nenrad 3 aufgeschoben wird und anschließend drehfest und strö­ mungsdicht mit den Schaufeln 6 verbunden wird.

Der Draufsicht gemäß Fig. 4 auf das Turbinenrad 3 ist zu ent­ nehmen, dass die axiale Länge 1 des Deckringes 7 geringer ist als die axiale Länge der Turbinenschaufeln 6, da im Bereich des radialen Radeintritts 9 eine Strecke b frei bleiben muss, um die radiale Abgaszuführung zum Turbinenrad zu ermöglichen.

Um eine schlagähnliche Strömungsbeanspruchung der Turbinen­ schaufeln 6 zu reduzieren, die insbesondere bei einer paralle­ len Ausrichtung von Schaufelkante der Turbinenschaufeln und den Leitschaufeln der variablen Turbinengeometrie entstehen kann, ist vorgesehen, dass die Turbinenschaufeln 6 im Bereich der Rückwand 14 in der Weise ausgerichtet sind, dass eine Tangente an die Turbinenschaufeln mit der Ebene der Rückwand 14 einen Winkel γ einschließt, welcher vorteilhaft kleiner als 50° ist. Dieser Winkel γ wird als Rakewinkel bezeichnet und korrespon­ diert mit dem in Fig. 3 dargestellten Winkel ϕ, der in axialer Richtung gesehen die Winkelbreite jeder Turbinenschaufel im Be­ reich des Radeintritts angibt. Der Winkel ϕ berechnet sich hierbei gemäß dem Zusammenhang

ϕ = x.cos(γ)/r,

wobei mit r der in Fig. 3 dargestellte Radius des Turbinenrades 3 einschließlich des umgreifenden Deckrings 7 und mit x nähe­ rungsweise die tatsächliche Länge des Radeintritts 9 (siehe Fig. 4) bezeichnet ist.

Um sicherzustellen, dass die Turbinenradbelastung, insbesondere die thermische Belastung, im Motorbremsbetrieb bei Verwendung von Abgasturbinen mit variabler Turbinengeometrie ein zulässi­ ges Maß nicht überschreitet, kann eine Dimensionierungsregel zur Auslegung des freien Strömungsquerschnitts A_T im Abgasweg zur Turbine und des Eintrittsdurchmessers D_T des Turbinenrades in Abhängigkeit des Hubvolumens V_H der Brennkraftmaschine - Summe der Differenzvolumina zwischen kleinstem und größtem Vo­ lumen der Brennräume der Brennkraftmaschine, insbesondere einer Hubkolben-Brennkraftmaschine - berücksichtigt werden. Entspre­ chend dieser Dimensionierungsregel wird im Bremsbetrieb bei ma­ ximaler Bremsleistung der Brennkraftmaschine ein Turbobremsfak­ tor TBF gemäß der Beziehung

ermittelt, der zur Erreichung hoher Bremsleistungen bei gleich­ zeitiger Einhaltung zulässiger Belastungsgrenzen kleiner als 0,006 (6‰), insbesondere kleiner als 0,003 (3‰) ist.

Claims (11)

1. Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einer im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten Abgasturbine (1) und einem im Ansaugtrakt angeordneten Verdichter, der über eine (4) Welle mit der Abgasturbine (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (3) der Abgasturbine (1) einen die Turbi­ nenschaufeln (6) radial umgreifenden Deckring (7) aufweist und zwischen benachbarten Turbinenschaufeln (6) ein tunnelartiger Strömungsweg (19) gebildet ist.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckring (7) sich axial zwischen dem Radeintritt (9) und dem Radaustritt (10) des Turbinenrades (3) erstreckt.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckring (7) einteilig mit dem Turbinenrad (3) ausge­ bildet ist.

4. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die äußere Mantelfläche des Deckringes (7) eine Laby­ rinthdichtung (17) eingebracht ist.

5. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Turbinenrad (3) radial umgreifende Gehäusewandung (13) am Radaustritt (10) des Turbinenrades (3) eine radial ein­ ragende, die Stirnseite des Deckringes (7) hintergreifende Dichtstufe (18) aufweist.

6. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (1) eine variable Turbinengeometrie (15) zur veränderlichen Einstellung des freien Strömungsquerschnitts im Abgasweg zum Turbinenrad (3) aufweist, wobei die Turbinenge­ ometrie (15) im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine in eine den Strömungsquerschnitt verringernde Staustellung überführbar ist.

7. Abgasturbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Bremsbetrieb bei maximaler Bremsleistung der Brenn­ kraftmaschine
der freie Strömungsquerschnitt A_T im Abgasweg zum Turbinen­ rad (3)
der Eintrittsdurchmesser D_T des Turbinenrades (3) und
das Hubvolumen V_H der Brennkraftmaschine in folgender Bezie­ hung zueinander stehen:
wobei TBF als Turbobremsfaktor kleiner als 0,006 (6‰) ist.

8. Abgasturbolader nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbobremsfaktor TBF kleiner als 0,003 (3‰) ist.

9. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (1) als Radialturbine und die variable Turbinengeometrie (15) als verstellbares Leitgitter im Radein­ tritt (9) zum Turbinenrad (3) ausgebildet ist.

10. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückwand (14) des Turbinenrades (3) sich radial bis zum Radeintritt (9) des Turbinenrades (3) erstreckt.

11. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufeln (6) im Bereich der dem Radeintritt (9) benachbarten Rückwand (14) mit der Ebene der Rückwand (14) einen Winkel (Rakewinkel γ) einschließen, der kleiner als 50° ist.