DE10127916A1 - Abgasturbolader - Google Patents

Abstract

Ein Abgasturbolader mit einem Verdichter und einer den Verdichter antreibenden Abgasturbine umfasst in einem Turbinengehäuse eine mehrteilige Abgasflut und ein Turbinenrad, dem über die Abgasflut unter Druck stehendes Abgas zuführbar ist, wobei der Querschnitt der Abgasflut über mindestens eine einstellbare Sperrklappe zwischen einer Sperrstellung und einer Öffnungsstellung verstellbar ist. DOLLAR A Die Abgasflut ist mehrteilig ausgebildet und weist mindestens drei Strömungskanäle auf, wobei aus der Gesamtheit aller Strömungskanäle nur eine Unteranzahl über jeweils eine Sperrklappe verschließbar und mindestens ein Strömungskanal klappenfrei ausgebildet ist. Die Sperrklappen sind unabhängig voneinander einzustellen.

Description

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

In der Druckschrift US 18 16 787 wird eine mehrzylindrige Kol­ benbrennkraftmaschine beschrieben, die mit einem Abgasturbola­ der ausgestattet ist, welcher im Ansaugtrakt der Brennkraftma­ schine einen Verdichter und im Abgasstrang eine Abgasturbine umfasst. Die Abgasturbine wird von den unter Überdruck stehen­ den Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben, wobei die Tur­ binenbewegung über eine gemeinsame Welle auf den Verdichter übertragen wird, der Verbrennungsluft ansaugt und auf einen er­ höhten Ladedruck verdichtet, unter dem die Verbrennungsluft den Zylindereinlässen der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Um die Laderleistung einstellen zu können, wird das Abgas dem Turbi­ nenrad über drei Strömungskanäle zugeführt, in denen jeweils ein einstellbares Ventil angeordnet ist, deren Position über eine gemeinsame Stellstange in Abhängigkeit des Luftdrucks zur Kompensation von Druckschwankungen einzustellen ist. Eine unab­ hängige Einstellung des Öffnungsquerschnittes jedes Strömungs­ kanals ist hierbei nicht vorgesehen; vielmehr werden die Venti­ le in den Strömungskanälen in einer festgelegten Folge über die Betätigung mittels der Stellstange geöffnet bzw. geschlossen. Weitere, über die Atmosphärendruckkompensation hinausgehende Einstellmöglichkeiten sind beim Abgasturbolader gemäß der US 18 16 787 nicht vorgesehen.

Ein weiteres Problem liegt darin, dass die Sperrventile in den Strömungskanälen als Schwenkklappe ausgebildet sind, deren Schwenkachse etwa mittig durch den jeweiligen Strömungskanal verläuft, so dass das Sperrventil auch in seiner Öffnungsstel­ lung ein Strömungshindernis für das einströmende Abgas bildet.

Ein weiterer Abgasturbolader ist aus der gattungsbildenden Druckschrift DE-AS 12 53 510 bekannt. Die Abgasturbine dieses Abgasturboladers umfasst zwei parallel geführte Abgasfluten, die jeweils in einen Spiralabschnitt münden, welcher das Turbi­ nenrad teilweise radial umgreift. Im Bereich des Strömungsein­ lasses einer der beiden Abgasfluten ist eine schwenkbare Sperr­ klappe angeordnet, die zwischen einer den Strömungseinlass der Abgasflut verschließenden Sperrstellung und einer freigebenden Offenstellung zu verschwenken ist. In Offenstellung ist die Sperrklappe in einer komplementär geformte Ausnehmung in der Innenwand des Ladergehäuses aufgenommen, wodurch Strömungsbe­ einträchtigungen des einströmenden Abgases vermieden werden. Im Bereich der zweiten Abgasflut ist keine Sperrklappe vorgesehen; die zweite Abgasflut bleibt permanent geöffnet.

Zur Einstellung der Laderleistung kann die Sperrklappe zwischen ihrer Offenstellung und ihrer Sperrstellung verstellt werden, wodurch der gesamte, für die Einströmung des Abgases zur Verfü­ gung stehende freie Einströmquerschnitt bei gleichen Quer­ schnitten in beiden Abgasfluten etwa verdoppelt werden kann.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Abgasturbolader variabel einstellbar auszubilden.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 gelöst.

Die Abgasflut des Abgasturboladers ist mehrteilig ausgeführt und umfasst mindestens drei Strömungskanäle, wobei lediglich in einer Unteranzahl der Strömungskanäle jeweils eine Sperrklappe zum Verschließen des Einströmquerschnitts des betreffenden Strömungskanals vorgesehen ist, wohingegen mindestens ein Strö­ mungskanal klappenfrei ausgeführt ist. Sämtliche Sperrklappen sind unabhängig voneinander einzustellen.

Dies ermöglicht es, mit einer minimalen Anzahl von Sperrklappen eine größtmögliche Anzahl von Einstellungen für die Beaufschla­ gung des Turbinenrades mit Abgas zu realisieren. Die unabhängi­ ge Einstellung der Sperrklappen gestattet es, die vorhandenen Strömungskanäle in beliebiger Kombination zusammenzuschalten, um einen mehr oder weniger großen Gesamtquerschnitt für die Zu­ fuhr von Abgas zuzulassen, wobei der mindestens eine klappen­ freie Strömungskanal permanent geöffnet ist, so dass in jedem Betriebszustand der Brennkraftmaschine ein Minimum an Abgas der Abgasturbine zugeführt wird.

Ein weiterer Vorteil liegt in der Einfachheit der Konstruktion. Im Gegensatz zu Abgasturbinen mit variabler Turbinengeometrie, beispielsweise realisiert über einen Leitgitterkranz mit ver­ stellbaren Leitschaufeln, wodurch eine Vielzahl beweglicher Einzelteile zu verstellen sind, die die Störanfälligkeit erhö­ hen, werden beim erfindungsgemäßen Abgasturbolader in der ein­ fachsten Ausführung mit insgesamt drei Strömungskanälen ledig­ lich zwei Sperrklappen benötigt, welche in zwei der drei Strö­ mungskanälen zur Einstellung des freien Einströmquerschnittes angeordnet sind. Hierdurch wird die Anzahl der beweglichen Tei­ le erheblich reduziert. Zugleich können aber auch in der ein­ fachsten Ausführung mit drei Strömungskanälen durch die ver­ schiedenen Kombinationsmöglichkeiten von geöffneten und ge­ schlossenen Sperrklappen bis zu vier unterschiedlich große Ge­ samt-Einströmquerschnitte für die Zufuhr des Abgases einge­ stellt werden, was üblicherweise für alle Betriebszustände so­ wohl in der befeuerten Antriebsbetriebsweise als auch im Motor­ bremsbetrieb des Fahrzeuges ausreicht.

Durch eine geschickte Wahl der Einströmquerschnitte der Strö­ mungskanäle - beispielsweise zwei Strömungskanäle mit gleich großem Querschnitt, ein Strömungskanal mit doppelt so großem Querschnitt - können für die verschiedenen Betriebszustände der Brennkraftmaschine vier Gesamt-Einströmquerschnitte freige­ schaltet werden, die im Größenverhältnis 1 : 2 : 3 : 4 aufge­ teilt sind.

In vorteilhafter Weiterbildung ist vorgesehen, dass die zumin­ dest zwei Sperrklappen in den beiden außen liegenden Strömungs­ kanälen angeordnet sind, insbesondere schwenkbar an der Innen­ wand des Turbinengehäuses angelenkt sind. In dieser Ausführung ist zumindest ein in der Mitte zwischen den beiden äußeren Ka­ nälen liegender Strömungskanal klappenfrei ausgeführt, wobei im Falle von insgesamt genau drei Strömungskanälen der mittlere und die beiden äußeren Strömungskanäle jeweils eine gemeinsame Wandung aufweisen.

Vorteilhaft sind die Sperrklappen an die Kontur der Innenwand des Turbinengehäuses angepasst und liegen in Öffnungsstellung passgenau an der Innenwand an, wodurch ein geringst möglicher Strömungswiderstand für einströmendes Abgas gegeben ist. Die der Innenwand des Turbinengehäuses abgewandte und dem Strö­ mungskanal zugewandte Außenseite der Sperrklappe kann hierbei strömungsgünstig konturiert sein, um den Strömungswiderstand weiter zu minimieren oder um gegebenenfalls gewünschte Strö­ mungseffekte zu erzielen, beispielsweise eine Strömungsbe­ schleunigung durch Verjüngung des freien Einströmquerschnittes.

Es kann aber auch zweckmäßig sein, eine an die Sperrklappe an­ gepasste Ausnehmung in die Innenwand einzubringen, in die die Sperrklappe in Öffnungsstellung hinein verschwenkt wird. In die­ ser Ausführung kann die Sperrklappe in Offenstellung vollstän­ dig in der Ausnehmung aufgenommen sein, wodurch eine glatte In­ nenwandfläche erreicht wird.

Zur Verbesserung der Anströmverhältnisse auf das Turbinenrad kann in einem dem Turbinenrad vorgelagerten Kanal, welcher mit der Abgasflut kommuniziert bzw. Teil der Abgasflut ist, ein feststehendes Leitgitter vorgesehen sein. Das Leitgitter kann in einer alternativen Ausführung auch variabel einstellbar aus­ geführt sein, beispielsweise axial in den Ringkanal einschieb­ bar oder mit verstellbaren Leitschaufeln ausgestattet sein. Hierdurch wird eine variable Turbinengeometrie realisiert, die eine Vielzahl von Einstellmöglichkeiten des freien Einström­ querschnittes gestattet.

Die Abgasflut - mit oder ohne Leitgitter - ist vorteilhaft in eine Mehrzahl von Winkelabschnitten unterteilt, die untereinan­ der strömungsdicht abgeteilt sind, wobei jedem Strömungskanal genau ein Winkelabschnitt im Ringkanal zugeordnet ist. Vorteil­ haft entspricht das Verhältnis der Winkelabschnitte dem Ver­ hältnis der Querschnitte der Strömungskanäle, so dass dem Strö­ mungskanal mit doppeltem Querschnitt auch ein doppelter Winkel­ abschnitt zugeordnet ist.

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

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Abgasturbolader,

Fig. 2 eine Abgasturbine eines Abgasturboladers im Schnitt gemäß Schnittlinie II-II aus Fig. 1,

Fig. 3 eine Fig. 2 vergleichbare Darstellung einer Abgastur­ bine, jedoch mit einer anderen Flächenaufteilung der Einströmquerschnitte in der Abgasflut der Turbine.

In den folgenden Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Be­ zugszeichen versehen.

Der in Fig. 1 dargestellte Abgasturbolader für eine Brennkraft­ maschine umfasst eine Abgasturbine 1 mit einem in einem Turbi­ nengehäuse 2 drehbar gelagerten Turbinenrad 3, dessen Bewegung über eine Welle 4 auf ein Verdichterrad in einem Verdichter 22 zur Komprimierung angesaugter Verbrennungsluft übertragen wird. Die Abgasturbine 1 ist zweckmäßig als Axial-Gleichdruckturbine ausgeführt.

In einer dem Turbinenrad 3 axial vorgelagerten Abgasflut 6, über die das Abgas der Brennkraftmaschine axial dem Turbinenrad zuzuführen ist und die mit einem Sammelraum 13 im Turbinenge­ häuse kommuniziert, ist ein feststehendes, unbewegliches Leit­ gitter 5 angeordnet, welches dazu dient, die Strömungsverhält­ nisse des auf das Turbinenrad auftreffenden Abgases zu optimie­ ren.

Gemäß Fig. 2 ist die dem Turbinenrad 3 axial vorgelagerte Ab­ gasflut 6 im Turbinengehäuse 2 mit Hilfe von Wandblechen 10, 11 und 12 in insgesamt drei Strömungskanäle 7, 8 und 9 unterteilt. Die Abgasflut 6 ist näherungsweise ringförmig aufgebaut, wobei ein erster Strömungskanal 7 der Abgasflut 6 einen Winkelbereich von etwa 180° abdeckt, der über die beiden Wandbleche 10 und 12 abgeteilt ist, ein zweiter, mittlerer Strömungskanal 8, der von den beiden äußeren Strömungskanälen 7 und 9 durch die Wandble­ che 10 und 11 abgeteilt ist, sich über einen Winkelabschnitt von etwa 90° der Abgasflut 6 vor dem Turbinenrad erstreckt, und der dritte Strömungskanal 9, der wie der erste Strömungskanal 7 als äußerer Strömungskanal ausgeführt ist, über die Wandbleche 11 und 12 sich ebenfalls über einen Winkelabschnitt von etwa 90° der Abgasflut erstreckt. Jeder Strömungskanal 7 bis 9 weist mit den jeweils zwei weiteren Strömungskanälen jeweils ein ge­ meinsames Wandblech auf.

Der Sammelraum 13 ist der Abgasflut 6 vorgelagert. Der Sammel­ raum 13 ist ebenfalls Bestandteil der Abgasturbine 1; in ihn werden die Abgase aus dem Auslass der Brennkraftmaschine einge­ leitet. Der Sammelraum 13 kommuniziert mit Einströmquerschnit­ ten 7a, 8a und 9a der Strömungskanäle 7, 8 und 9, wobei die Einströmquerschnitte 7a, 8a und 9a in einer gemeinsamen Zu­ strömebene 20 liegen, welche den Sammelraum 13 von der Abgas­ flut 6 separiert. An den Innenwänden 14 und 15 des Sammelraumes 13 sind über Gelenke 18 und 19 zwei Sperrklappen 16 und 17 schwenkbar gelagert, über die die freien Einströmquerschnitte 7a und 9a der beiden außen liegenden Strömungskanäle 7 und 9 zu versperren bzw. freizugeben sind. Die Einströmquerschnitte 8a und 9a des mittleren Strömungskanals 8 bzw. des zweiten äußeren Strömungskanals 9 sind etwa gleich groß und nehmen jeweils etwa ein Viertel des gesamten Einströmquerschnitts in der Zuström­ ebene 20 ein. Der Einströmquerschnitt 7a des ersten außen lie­ genden Strömungskanals 7 nimmt etwa die Hälfte des Gesamtein­ strömquerschnitts ein und ist somit etwa doppelt so groß wie jeder der beiden anderen Einströmquerschnitte 8a und 9a.

Die Wandbleche 10, 11 sowie 12 liegen alle im Wesentlichen pa­ rallel zueinander, wobei die Wandbleche 10 und 11 zwischen dem mittleren Strömungskanal 8 und den jeweils äußeren Strömungska­ nälen 7 und 9 etwa auf gleicher Höhe liegen und das weitere Wandblech 12 auf der 180° gegenüberliegenden Seite des Turbi­ nenrades 3 zwischen den beiden äußeren Strömungskanälen 7 und 9 angeordnet ist.

Die Sperrklappen 16 und 17 sind unabhängig voneinander ansteu­ erbar und jeweils zwischen einer den freien Einströmquerschnitt 7a bzw. 9a verschließenden Sperrstellung und einer Offenstel­ lung, in der der jeweilige Einströmquerschnitt freigegeben ist, zu verstellen. In der in der Figur gezeigten Darstellung befin­ den sich beide Sperrklappen 16 und 17 in ihrer Sperrposition, so dass nur der mittlere Einströmquerschnitt 8a des mittleren Strömungskanals 8 freigegeben ist und sämtliches Abgas in Pfeilrichtung 21 durch den mittleren Strömungskanal 8 dem Tur­ binenrad 3 zugeführt wird. In Offenstellung der Sperrklappe 17 des zweiten, äußeren Strömungskanals 9 ist zusätzlich auch der Einströmquerschnitt 9a freigegeben, so dass sich der gesamte, für die Zuströmung des Abgases zur Verfügung stehende freie Einströmquerschnitt aus den Einzelquerschnitten 8a des mittle­ ren Strömungskanals und 9a des zweiten, äußeren Strömungskanals zusammensetzt, sofern die Sperrklappe 16 des ersten Strömungs­ kanals 7 in ihrer Sperrposition verbleibt. Befindet sich dage­ gen die Sperrklappe 16 des ersten Strömungskanals 7 in Offenpo­ sition, die zweite Sperrklappe 17 des gegenüberliegenden äuße­ ren Strömungskanals 9 in Sperrposition, so setzt sich der ins­ gesamt zur Verfügung stehende freie Einströmquerschnitt aus den Einzelquerschnitten 7a und 8a von erstem, äußerem Strömungska­ nal 7 und mittlerem Strömungskanal 8 zusammen. Befinden sich beide Sperrklappen 16 und 17 in ihrer Offenstellung, ist ein maximaler Einströmquerschnitt freigegeben, der sich aus den Einzelquerschnitten 7a, 8a und 9a aller drei Strömungskanäle 7 bis 9 zusammensetzt.

Die Wandbleche 10, 11 und 12 zwischen den Strömungskanälen 7, 8 und 9 unterteilen die Abgasflut in der Weise in unterschiedli- che, gegeneinander strömungsdicht abgeteilte Winkelabschnitte, dass das Verhältnis der jeweiligen Winkelabschnitte dem Ver­ hältnis der freien Einströmquerschnitte 7a, 8a bzw. 9a des je­ weils betreffenden Strömungskanals entspricht.

Zweckmäßig sind die Sperrklappen 16 und 17 an die Kontur der Innenwand 14 bzw. 15 des Sammelraumes 13 angepasst, so dass in Offenstellung der Sperrklappen diese passgenau an der Innenwand 14 bzw. 15 anliegen. Gegebenenfalls wird lediglich die der In­ nenwand zugewandte Wandseite jeder Sperrklappe 16 bzw. 17 an die Kontur der Innenwand angepasst, wohingegen die Außenseite eine abweichende Form einnehmen kann und insbesondere nach strömungstechnischen Gesichtspunkten optimiert werden kann. In Sperrstellung liegt die freie Stirnseite jeder Sperrklappe 16 bzw. 17 an dem Wandblech 10 bzw. 11 zwischen den benachbarten Strömungskanälen 7 und 8 bzw. 8 und 9 an.

Die Ausführung nach Fig. 3 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 2 in dem Verhältnis der Einströmquerschnitte 7a, 8a und 9a der Strömungskanäle 7, 8 und 9 zueinander. Der Einström­ querschnitt 7a des linken äußeren Strömungskanals 7 nimmt die Hälfte des gesamten Einströmquerschnitts in der Zuströmebene 20 ein. Der Einströmquerschnitt 8a des mittleren Strömungskanals 8 ist etwa doppelt so groß wie der Einströmquerschnitt 9a des rechten äußeren Strömungskanals 8, die zusammen genommen die verbleibende Hälfte des gesamten Einströmquerschnitts abdecken, so dass die Einströmquerschnitte 7a, 8a und 9a der Strömungska­ näle im Verhältnis 3 : 2 : 1 zueinander stehen. Durch entsprechende Klappenstellungen kann somit der Gesamtquerschnitt zu einem Drittel, zur Hälfte, zu fünf Sechstel oder vollständig geöffnet werden.

Die Sperrklappen 16 und 17 sind in Offenstellung in Ausnehmun­ gen in den jeweils zugeordneten Innenwänden 14 und 15 des Sam­ melraumes 13 aufgenommen, so dass in Offenstellung eine glatte und hindernisfreie Innenwandfläche ohne erhöhten Strömungswi­ derstand gegeben ist.

Alternativ zu einer Axial-Gleichdruckturbine kommt auch eine Anwendung der Erfindung in einer Radialturbine und/oder einer Halbaxialturbine in Betracht.

Claims (12)

1. Abgasturbolader, mit einem Verdichter und einer den Verdich­ ter antreibenden Abgasturbine (1), die in einem Turbinengehäuse (2) eine mehrteilige Abgasflut (6) und ein Turbinenrad (3) um­ fasst, dem über die Abgasflut (6) unter Druck stehendes Abgas zuführbar ist, wobei der Querschnitt der Abgasflut (6) über mindestens eine einstellbare Sperrklappe (16, 17) zwischen ei­ ner minimalen Sperrstellung und einer maximalen Öffnungsstel­ lung verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasflut (6) mehrteilig mit mindestens drei Strö­ mungskanälen (7, 8, 9) ausgebildet ist und dass aus der Gesamt­ heit aller Strömungskanäle (7, 8, 9) nur eine Unteranzahl von Strömungskanälen (7, 9) über jeweils eine Sperrklappe (16, 17) verschließbar ist und mindestens ein Strömungskanal (8) klap­ penfrei ausgebildet ist, wobei sämtliche Sperrklappen (16, 17) unabhängig voneinander einstellbar sind.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Sperrklappe (16, 17) für die außenliegenden Strömungskanäle (7, 9) vorgesehen ist.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrklappen (16, 17) schwenkbar an der Innenwand (14, 15) des Turbinengehäuse (2) angelenkt sind.

4. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrklappen (16, 17) an der Innenwand (14, 15) eines Sammelraumes (13) im Turbinengehäuse (2) angelenkt sind, von dem aus die Strömungskanäle (7, 8, 9) verzweigen, wobei die Sperrklappen (16, 17) im Bereich der Kanaleinlässe der Strö­ mungskanäle (7, 9) angeordnet sind.

5. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrklappen (16, 17) an die Kontur der Innenwand (14, 15) des Turbinengehäuses (2) angepasst sind und in Öffnungs­ stellung passgenau an der Innenwand (14, 15) anliegen.

6. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (7, 8, 9) im Wesentlichen parallel verlaufen.

7. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (7, 8, 9) zumindest teilweise einen unterschiedlichen Einströmquerschnitt (7a, 8a, 9a) aufweisen.

8. Abgasturbolader nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt drei Strömungskanäle (7, 8, 9) vorgesehen sind, von denen zwei Strömungskanäle (8, 9) einen im Wesentlichen gleich großen Einströmquerschnitt (8a, 9a) und ein Strömungska­ nal (7) einen im Wesentlichen doppelt so großen Einströmquer­ schnitt (7a) wie die beiden übrigen Strömungskanäle (8, 9) auf­ weist.

9. Abgasturbolader nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt drei Strömungskanäle (7, 8, 9) vorgesehen sind, deren Einströmquerschnitte (7a, 8a, 9a) im Verhältnis 3 : 2 : 1 zu­ einander stehen.

10. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasflut (6) ein dem Turbinenrad (3) vorgelagertes Leitgitter (5) vorgesehen ist.

11. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasflut (6) in strömungsdicht abgeteilte Winkelab­ schnitte unterteilt ist, wobei jedem Strömungskanal (7, 8, 9) genau ein Winkelabschnitt zugeordnet ist.

12. Abgasturbolader nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Winkelabschnitte dem Verhältnis der Einströmquerschnitte (7a, 8a, 9a) der Strömungskanäle (7, 8, 9) entspricht.