DE102004010037A1 - Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit einem Verdichter und einer Abgasturbine, wobei der Verdichter einen Verdichtereinlass aufweist. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist zur Strömungsberuhigung der zu verdichtenden Luft des Verdichters (4, 4a) ein Beruhigungsbehälter (7, 7a) vor dem Verdichtereinlass (17, 17a) des Verdichters (4, 4a) vorgesehen. DOLLAR A Die Erfindung wird bevorzugt im Kraftfahrzeugbau eingesetzt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Abgasturbolader werden sowohl bei fremdgezündeten als auch bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen zur Erhöhung der Zylinderladung eingesetzt. Die Erhöhung der Zylinderladung führt neben einer Leistungssteigerung zu einer Steigerung des Verbrennungsluftverhältnisses und damit bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen zu einer Reduzierung der Russbildung im unteren und mittleren Last- und Drehzahlbereich und kann, je nach Verbrennungstemperatur, eine Reduzierung der Stickoxidemission zur Folge haben.
  • Abgasturbolader bestehen in der Regel aus zwei, über eine feste Welle gekoppelte Strömungsmaschinen, einer Turbine, die über den expandierenden Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine beaufschlagt wird und einem Verdichter, der über die feste Welle von der Turbine angetrieben wird und angesaugte Luft komprimiert. Im Allgemeinen werden im Automobilbereich radiale Strömungsmaschinen, im Schiffs- und Anlagenbau axiale Strömungsmaschinen eingesetzt. Da Strömungsmaschinen ein anderes Betriebverhalten als Brennkraftmaschinen aufweisen, gilt es den Abgasturbolader und/oder seine Peripherie so zu gestalten, dass sowohl im niedrigen, als auch im oberen Last- und Drehzahlbereich für das gewünschte Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine vom Abgasturbolader ausreichend Luft zur Verfügung gestellt wird. Der Betriebsbereich des Verdichters wird mit abnehmendem Luftmassenstrom von der Pumpgrenze begrenzt. Ein dauerhafter Betrieb im Pumpbereich, der Verdichter arbeitet hier instabil und intermittierend, bewirkt Materialschäden (rotating stall) am Verdichter und muss vermieden werden. In der Regel wird die Pumpgrenze des Verdichters im mittleren und oberen Last- und Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine nicht erreicht, gilt jedoch für die Brennkraftmaschine als betriebsbegrenzend im unteren bis mittleren Last- und Drehzahlbereich.
  • Wird der Abgasturbolader für den Nennleistungspunkt der Brennkraftmaschine ausgelegt, so ergeben sich aufgrund der Pumpgrenze relativ geringe Druckverhältnisse am Verdichter im unteren und mittleren Last- und Drehzahlbereich, die unbefriedigende Ergebnisse des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine hinsichtlich Motor-Drehmoment, Agilität und Verbrauch liefern. Unterschiedliche Ansätze versuchen das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine im genannten Bereich zu verbessern.
  • Aus der DE 43 12 078 A1 ist ein gattungsgemäßer Abgasturbolader bekannt, der einen Verdichter und eine Abgasturbine besitzt, wobei der Verdichter einen Verdichtereintrittsbereich und einen Verdichteraustrittsbereich aufweist. Der Verdichter ist als Radialverdichter ausgebildet, der mit einem unbeschaufelten Diffusor ausgestattet ist. Über eine Abgasrückführungsleitung kann vom Gehäuse der Abgasturbine über ein Regelventil Abgas in den Diffusor eingespeist werden. Da eine Abgasrückführung nur möglich ist, wenn der Abgasdruck am Einlass der Abgasturbine größer ist als der Ladedruck am Auslass des Radialverdichters, muss das Leitgitter an der Abgasturbine weit geschlossen werden, dass sich die Betriebskennlinie des Radialverdichters weiter in Richtung Pumpgrenze verlagert. Der Radialverdichter läuft in diesem Fall in einem Kennfeldbereich mit relativ schlechten Wirkungsgraden. Hohe Abgasrückführraten haben deshalb einen Einbruch des Luftverhältnisses zur Folge.
  • Auch ist aus der DE 199 56 896 C1 ein Abgasturbolader mit einer Abgasturbine und einem Radialverdichter bekannt, dessen Laufrad Luft über Leitschaufeln in einen Diffusorkanal fördert, wobei die Leitschaufeln axial verschiebbar im Gehäuse des Radialverdichters geführt sind. Diese Leitschaufeln können quer zum Förderstrom des Laufrades verstellt werden. Sie werden bei niedrigen Massendurchsätzen zugeschaltet und bei hohen Massendurchsätzen zurückgezogen. Bei Betriebspunkten, die sowohl mit Leitschaufeln als auch ohne Leitschaufeln gefahren werden können, werden sie derart eingestellt, dass für den entsprechenden Betriebspunkt ein günstigerer Wirkungsgrad, oder bzw. und ein günstigeres Druckverhältnis am Verdichter erreicht wird.
  • Des Weiteren ist aus der DE 198 53 360 A1 eine Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern bekannt, von denen zumindest ein Abgasturbolader eine Abgasturbine mit variabler Turbinengeometrie zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbinenquerschnitts aufweist, wobei die beiden Abgasturbolader unterschiedliche Betriebskennfelder besitzen. Um Leistungsdefizite u.a. aufgrund der Pumpgrenze der Verdichterkennfelder im unteren Drehzahlbereich mit einfachen Maßnahmen auszugleichen, werden die Abgasturbolader in Reihe geschaltet und weisen ein bestimmtes Größenverhältnis zueinander auf.
  • Aus der DE 101 30 415 A1 ist ein Verdichter in einem Turbolader für eine Brennkraftmaschine bekannt, der in seinem Abströmbereich einen Verbindungskanal, eine Beruhigungskammer und einen Abströmkanal aufweist, wobei der Verbindungskanal mit seitlichem Versatz zur Längs-Mittelachse der Beruhigungskammer angeordnet ist. Durch diese Anordnung sollen die Druckpulsationen in der Ansaugleitung einer Brennkraftmaschine verhindert bzw. minimiert werden, die negative Auswirkungen, insbesondere in den Betriebsbereichen mit niedrigen Massenströmen, den Betriebsbereichen nahe der Pumpgrenze, haben können.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine einfache und kostengünstige Konstruktion bereitzustellen, bei der die Betriebslinie des Verdichters des Abgasturboladers weg von der Pumpgrenze hin zu günstigeren Wirkungsgraden, Druckverhältnissen und Massenströmen verschoben wird, damit im unteren bis mittleren Last- und Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine zufriedenstellende Ergebnisse bezüglich Drehmoment, Agilität, Emissionen und Verbrauch erzielt werden können.
  • Ausgehend von der Erkenntnis einer laufenden Welle im Ansaugtrakt, die sich je nach Turboladerdrehzahl und Massenstrom in Amplitude und Frequenz verändern wird, ist vorgesehen, dem Verdichter ein definiertes Volumen voranzustellen, um Amplituden und Frequenzen einer zwischen Luftfilter und Verdichter auftretenden Resonanzwelle zu dämpfen. Damit ergibt sich, dass kontinuierlich aus einem nahezu konstanten Luftvolumen, nahezu drallfrei und mit nahezu homogener Geschwindigkeitsverteilung über den Verdichtereintrittsquerschnitt angesaugt werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Zur Strömungsberuhigung der zu verdichtenden Luft des Verdichters ist gemäß der Erfindung ein Beruhigungsbehälter vor den Verdichtereinlass des Verdichters vorgesehen. Der erfindungsgemäße Beruhigungsbehälter besitzt den Vorteil, dass sich im unteren und mittleren Last- und Drehzahlbereich das Drehmoment der Brennkraftmaschine wesentlich erhöht, sich jedoch keine Einbussen im mittleren und oberen Last- und Drehzahlbereich ergeben. Ein weiterer Vorteil ergibt sich bezüglich Geräuschemissionen. Dadurch, dass die Wellencharakteristiken Frequenz und Amplitude aufgrund des Beruhigungsvolumens vor Verdichter nahezu aufgelöst werden, verringert sich die Geräuschemission des Abgasturboladers, die infolge eben dieser Wellencharakteristiken entsteht, entsprechend.
  • In einer Weiterbildung nach Anspruch 2 wird der Beruhigungsbehälter direkt ohne Zwischenverbindung dem Verdichter vorgeschaltet.
  • Einer bevorzugten Ausführung gemäß Anspruch 3 wird das Volumen VBeh der Beruhigungskammer zum Verdichtereinlassdurchmesser dVein in ein vorgegebenes Verhältnis VBeh/dVein gesetzt. Vorzugsweise sollte des Verhältnis VBeh/dVein einen unteren Grenzwert GRmin von etwa 7 × 103 mm3/mm nicht unterschreiten.
  • Ein weiterer Vorteil ist gemäß Anspruch 4, dass der Abgasturbolader der Brennkraftmaschine sowohl eine Turbine mit fester Geometrie als auch eine Turbine mit variabler Geometrie besitzen kann.
  • Ebenso gilt gemäß Anspruch 5 für den Verdichter des Abgasturboladers, dass die Verdichtergeometrie sowohl fest als auch variabel sein kann.
  • Ein weiterer Vorteil gemäß Anspruch 6 ist, dass es keine zwingend notwendige Formvorgabe für den Beruhigungsbehälter gibt, so dass der Beruhigungsbehälter den Bauräumen entsprechend angepasst werden kann. Der Beruhigungsbehälter kann eine zylindrische oder eine kugelige oder eine kastenförmige oder eine beliebige Kombination der angegebenen Formen besitzen.
    •
  • Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematisch dargestellte Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und erfindungsgemäßem Beruhigungsbehälter,
  • 2 eine exemplarische Darstellung des erfindungsgemäßen Beruhigungsbehälters und
  • 3 eine Drehmomentkennlinie mit und ohne vorgeschaltetem Volumen des erfindungsgemäßen Beruhigungsbehälters.
  • Die in 1 schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Acht-Zylinder Hubkolbenmotor in V-Anordnung, verbunden mit zwei Abgasturboladern 13, 13a, in denen je ein Ladeluftverdichter 4, 4a und eine Abgasturbine 6, 6a, verbunden über je eine Welle 5, 5a, angeordnet ist. Über einen Luftfilter 2, zwei stromabwärts dem Luftfilter 2 angeordneten Luftmengenmessern 3, 3a und zwei vor den Verdichtern 4, 4a angeordneten, erfindungsgemäßen Beruhigungsbehältern 7,7a saugen die Verdichter 4, 4a Luft aus der Umgebung an. Die Luft gelangt vom Luftfilter 2 zu dem Luftmengenmesser 3 bzw. 3a in eine Ansaugleitung 15 bzw. 15a. Die Ansaugleitung 15 bzw. 15a führt zu dem Beruhigungsbehälter 7 bzw. 7a. Die Ansaugleitung 15 bzw. 15a weist einen deutlich kleineren Querschnitt auf als ein größter Querschnitt des Beruhigungsbehälters 7 bzw. 7a. Dadurch ergibt sich eine sprunghafte Strömungsquerschnittsvergrößerung vor dem Verdichtereinlass 17 bzw. 17a.
  • Von dem Beruhigungsbehälter 7 bzw. 7a wird die beruhigte Ansaugluft direkt oder wie schematisch dargestellt, über ein kurzes Zwischenstück 16 bzw. 16a einem Verdichtereinlass 17 bzw. 17a des Verdichters 4 bzw. 4a zugeführt. Die vom Verdichter 4 bzw. 4a verdichtete Luft verlässt diesen aus einem Verdichteraustrittsbereich 18 bzw. 18a und gelangt weiter in die Verdichterleitung 20 bzw. 20a. Die von den Verdichtern 4, 4a verdichtete Ladeluft wird anschließend über die Verdichterleitung 20, 20a einem gemeinsamen Ladeluftkühler 14 zugeführt, der über eine Drossel 10 mit einem Saugrohrsammler 9 verbunden ist. Der Saugrohrsammler 9 ist mit einem Abgasrückführkühler 12 und zwei Saugrohren 11, 11a verbunden, welche den Zylindern 40 die gekühlte Ladeluft zuführen. Das Abgas der Brennkraftmaschine 1 gelangt aus dem Zylinder 40 über Abgaskrümmer 25, 25a in die Turbinen 6, 6a. Vom Auslass der Turbine 6, 6a führt eine Auspuffleitung 26, 26a in eine nicht näher dargestellte Auspuffanlage. Vor den Turbinen 6, 6a zweigt von der Abgasleitung 27, 27a je eine Abgasrückführleitung 28 mit einem Abgasrückführventil 8 bzw. 8a ab und die Abgasrückführleitungen 28 münden in den Abgasrückführkühler 12. Dieser Abgasrückführkühler 12 ist verbunden mit dem Saugrohrsammler 9, so dass je nach Öffnung der Abgasrückführventile 8, 8a eine entsprechende Abgasrückführmenge über den Abgasrückführkühler 12 in den Saugrohrsammler 9 und in die Saugrohre 11, 11a strömt.
  • Auch denkbar ist eine Trennung der Ladeluftzuführung, derart, dass die von den Verdichtern 4, 4a verdichtete Luft in zwei voneinander getrennte Ladeluftkühler strömt und in einem gemeinsamen Ladeluftsammler mündet. Weiterhin denkbar ist eine komplette Trennung der Ladeluftzuführung je Zylinderbank, derart, dass die Verdichter 4, 4a mit je einem Ladeluftkühler verbunden sind, diese wiederum mit je einem Ladeluftsammler und die Ladeluftsammler mit den Saugrohren 11 bzw. 11a verbunden sind. Bei dieser Anordnung muss abgasseitig die Abgasrückführung getrennt werden. Denkbar ist auch eine Anordnung mit je einem Abgasrückführkühler je Zylinderbank. Auch möglich ist die Trennung des Abgasmassenstromes nach dem Abgasrückführkühler, derart, dass der Abgasrückführkühler über je eine Leitung mit den Ladeluftsammlern verbunden ist.
  • In 2 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Beruhigungsbehälters 7, 7a dargestellt. Der Beruhigungsbehälter 7, 7a stellt ein definiertes Vorvolumen stromauf des Verdichters 4, 4a der Abgasturbolader 13, 13a dar, das eine abrupte Strömungsvergrößerung der in den Verdichter 4 bzw. 4a einströmenden Luft darstellt, wobei die Ansaugleitung zu dem Vorvolumen einen deutlich kleineren Querschnitt aufweist als das Vorvolumen. Diese abrupte Vergrößerung des Volumens in der Ansaugleitung führt zu einer Beruhigung der Strömung und Verringerung der Geräuschemission des Verdichters 4 bzw. 4a.
  • Einen Behältereinlass 50 stellt ein zylindrisches um 90° gebogenes Rohrstück 51 dar. Der Behältereinlass 50 ist an die Ansaugleitung 15 bzw. 15a angeschlossen. An dieses Rohrstück 51 schließt sich ein erstes kastenförmiges Element 52 an, dessen sich an das Rohrstück 51 anschließende Stirnseitenlänge 54 wesentlich länger ist, als der Rohrdurchmesser 55 des vorangestellten Rohrstücks 51.
  • An einer Unterseite 56 des ersten kastenförmigen Elementes 52 schließt sich ein zweites kastenförmiges Element 53 an. Das zweite kastenförmige Element 53 geht weiter in einen zylindrischen Behälterauslass 57 über. Der Behältereinlass 50 und der Behälterauslass 57 zeigen in die gleiche Richtung. Das zweite kastenförmige Element 53 ist mit einer Längsseite 58 an die Unterseite 56 des ersten Elementes 52 angeordnet, wobei die Länge der Unterseite 56 des ersten Elementes 52 wesentlich kürzer ist im Vergleich zur Längsseite 58 des zweiten Elementes 53.
  • Entgegen der Strömungsrichtung im Beruhigungsbehälter 7, 7a ist das erste kastenförmigen Element 52 mit einem Ventil 59 zur Einleitung der Kurbelgehäuseentlüftung versehen. Stromabwärts des zweiten Elements 53 ist am Beruhigungsbehälter 7, 7a ein Auslass 57 in der Größe und Form des Verdichtereinlasses 17, 17a zum direkten Anschluß des Verdichters 4, 4a angebracht.
  • Beispielhaft ist hier die Kombination unterschiedlicher Elementformen, hier zylindrisch und kastenförmig aufgeführt. Ebenso wäre denkbar ein gerades Rohrstück in einen zylindrischen Beruhigungsbehälter mittig oder exzentrisch münden zu lassen, dessen Durchmesser mindestens dem doppelten Durchmesser des Rohres und seine Länge mindestens seinem Durchmesser entspricht.
  • Die 3 zeigt ein Diagramm, in dem über der Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 das Drehmoment MDeff und die Leistung Peff dargestellt ist. Eine durchgezogene Linie zeigt die Leistungskennlinie 60 und Drehmomentkennlinie 60a der Brennkraftmaschine 1 mit der Anordnung des erfindungsgemäßen Beruhigungsbehälters 7, 7a. Eine gestrichelte Linie zeigt die Leistungskennlinie 61 und Drehmomentkennlinie 61a der Brennkraftmaschine 1 ohne erfindungsgemäßen Beruhigungsbehälter 7, 7a. Wie der Verlauf der Linie 60, 60a im Vergleich mit der Linie 61, 61a zeigt, ergibt die Vorschaltung des erfindungsgemäßen Beruhigungsbehälters 7, 7a vor dem Verdichter 4, 4a im unteren Drehzahlbereich eine deutliche Steigerung des Drehmomentes der Brennkraftmaschine 1.

Claims (8)

  1. Abgasturbolader (13; 3a) für eine Brennkraftmaschine (1) mit einem Verdichter (4; 4a) und einer Abgasturbine (6; 6a), wobei der Verdichter (4; 4a) einen Verdichtereinlass (17; 17a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Strömungsberuhigung der zu verdichtenden Luft des Verdichters (4; 4a) ein Beruhigungsbehälter (7; 7a) vor dem Verdichtereinlass (17; 17a) des Verdichters (4; 4a) vorgesehen ist.
  2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Beruhigungsbehälter (7; 7a) direkt ohne Zwischenverbindung dem Verdichter (4; 4a) vorgeschaltet ist.
  3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumen des Beruhigungsbehälter (7; 7a) (VBeh) in einem Verhältnis zu einem angeschlossenen Verdichtereinlassdurchmesser (dVein) steht, das mindestens etwa 7 × 103 mm3/mm beträgt.
  4. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Abgasturbine (6; 6a) um eine Turbine mit Festgeometrie oder um eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie handelt.
  5. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Verdichter (4; 4a) um einen Verdichter mit Festgeometrie oder um einen Verdichter mit variabler Verdichtergeometrie handelt.
  6. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Beruhigungsbehälters (7; 7a) vorgegebenen Bauraumverhältnissen entsprechend angepasst ist, vorzugsweise zylindrische und/oder kastenförmige und/oder kugelige Elemente aufweist.
  7. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansaugleitung (15; 15a) zu dem Beruhigungsbehälter (7; 7a) einen deutlich kleineren Querschnitt aufweist als ein größter Querschnitt des Beruhigungsbehälters (7; 7a) womit sich eine sprunghafte Strömungsquerschnittsvergrößerung vor dem Verdichtereinlass (17; 17a) ergibt.
  8. Abgasturbolader nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Beruhigungsbehälter (7; 7a) nahe dem Verdichtereinlass (17; 17a) des Verdichters (4; 4a) vorgesehen ist.
DE102004010037A 2004-03-02 2004-03-02 Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine Ceased DE102004010037A1 (de)

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