DE102005011482A1

DE102005011482A1 - Abgasturbolader mit einem Verdichter und einer Abgasturbine

Info

Publication number: DE102005011482A1
Application number: DE102005011482A
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Benz; Stephan Dipl.-Ing. Krätschmer (FH); Paul Dipl.-Ing. Löffler; Ernst Dipl.-Ing. Prescha; Siegfried Dipl.-Ing. Sumser
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler Truck Holding AG
Priority date: 2005-03-12
Filing date: 2005-03-12
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2025-03-13
Also published as: DE102005011482B4

Abstract

Ein Abgasturbolader weist einen Verdichter und eine Abgasturbine auf, die im Turbineneintrittsquerschnitt ein Leitgitter mit mindestens drei über den Umfang verteilten Leitschaufeln besitzt, zwischen denen freie Strömungsquerschnitte gebildet sind. Die Stirnkanten der Leitschaufeln stehen in einem unterschiedlichen Winkelabstand zueinander.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader mit einem Verdichter und einer Abgasturbine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Abgasturbolader werden in Brennkraftmaschinen zur Steigerung sowohl der Motorleistung im befeuerten Antrieb als auch der Motorbremsleistung eingesetzt. Der Abgasturbolader umfasst eine Abgasturbine im Abgasstrang der Brennkraftmaschine sowie einen Verdichter im Ansaugtrakt, wobei das Turbinenrad und das Verdichterrad drehfest über eine Welle gekoppelt sind. In der befeuerten Antriebsbetriebsweise wird das Turbinenrad von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben, zugleich komprimiert der Verdichter herangeführte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck, unter dem die Verbrennungsluft den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Im Motorbremsbetrieb staut sich das aus den Zylindern abströmende Gas im Leitungsabschnitt zwischen Zylinderausgang und Abgasturbine, sodass die Kolben der Brennkraftmaschine Ausschubarbeit gegen diesen erhöhten Druck leisten müssen.

Zur Leistungssteigerung sowohl in der befeuerten Antriebsbetriebsweise als auch im Motorbremsbetrieb kann die Abgasturbine mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet sein, über die der wirksame Turbineneintrittsquerschnitt veränderlich einstellbar ist. Eine derartige variable Turbinengeometrie wird beispielsweise in der Druckschrift DE 102 12 032 A1 beschrieben, aus der es bekannt ist, die variable Turbinengeometrie als axial verschiebliches Leitgitter mit am Leitgitter befestigten Leitschaufeln auszubilden. Die Leitschaufeln erstrecken sich ihrer Länge nach in Umfangsrichtung des Leitgitters, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Leitschaufeln ein freier Strömungsquerschnitt gegeben ist. Das Leitgitter kann aus einer zurückgezogenen Außerbetriebsposition, in welcher das Leitgitter außerhalb des Turbineneintrittsquerschnittes in einer Gehäuseausnehmung zurückgezogen ist, in eine Betriebsposition axial verstellt werden, in welcher das Leitgitter in den Turbinenströmungseintrittsquerschnitt einragt. In dieser Betriebsposition ist der freie Strömungsquerschnitt reduziert; zugleich wird dem durchströmenden Gas ein Drall aufgeprägt, unter dem das Gas auf die Turbinenradschaufeln auftrifft.

Im Motorbremsbetrieb können bei derartigen Abgasturboladern hohe Turbineneintrittsdrücke auftreten, die das Leitgitter und insbesondere die Radschaufeln des Turbinenrades erheblich belasten. Dieses Problem wird noch dadurch verschärft, dass aufgrund der permanenten Drehzahländerungen des Turbinenrotors Resonanzfrequenzen der Turbinenradbeschaufelung durchlaufen werden, bei denen verhältnismäßig große Schwingungsamplituden auftreten können.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Abgasturbolader zu schaffen, dessen Abgasturbine mit einem dem Turbinenrad vorgelagerten Leitgitter ausgestattet ist, wobei die auf das Turbinenrad wirkenden Belastungen reduziert werden sollen.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

Das Leit- bzw. Bremsgitter in der Abgasturbine des erfindungsgemäßen Abgasturboladers weist Leitschaufeln auf, die zueinander in einem unterschiedlichen Winkelabstand angeordnet sind. Im Gegensatz zu Ausführungen, welche aus dem Stand der Technik bekannt sind, sind die Leitschaufeln nicht gleichmäßig, sondern ungleichmäßig über den Umfang des Leitgitters verteilt. Diese ungleichmäßige Verteilung führt zu einer Verstimmung bezüglich der Anregung der Resonanzfrequenzen, sodass Druckpulsationen des die freien Strömungsquerschnitte zwischen benachbarten Leitschaufeln passierenden Gases zu einer deutlich geringeren Anregung der Turbinenradschaufeln führen und damit auch eine erheblich geringere Belastung zur Folge haben. Die reduzierte Schaufelbelastung führt zu einer verlängerten Lebensdauer des Turbinenrades.

Der unterschiedliche Winkelabstand zwischen den Leitschaufeln kann auf verschiedene Weise realisiert werden. Zum einen ist es möglich, dass die Leitschaufeln in Umfangsrichtung gesehen jeweils eine unterschiedliche Länge aufweisen, wodurch der Winkelabstand von Leitschaufelstirnkante zur nächstgelegenen Leitschaufelstirnkante unterschiedlich groß ist. Diese Ausführung weist den Vorteil auf, dass der freie Strömungsquerschnitt zwischen benachbarten Leitschaufeln immer gleich groß bleiben kann.

Zum anderen können auch identische, gleichartige Leitschaufeln verwendet werden, die jeweils gleich groß sind, jedoch in einem unterschiedlichen Winkelabstand zueinander angeordnet sind, wodurch sich unterschiedlich große bzw. unterschiedlich geformte Strömungsquerschnitte zwischen benachbar ten Leitschaufeln ergeben. Je nach Anzahl und Größe der verwendeten Leitschaufeln kann es in dieser Ausführung zweckmäßig sein, bei einer oder bei mehreren Leitschaufelpaarungen in Umfangsrichtung eine Überdeckung bzw. Überschneidung benachbarter Leitschaufeln vorzusehen, wodurch der freie Strömungsquerschnitt zwischen den Leitschaufeln beeinflusst wird.

Die Änderung der Winkelabstände zwischen den Leitschaufeln folgt vorteilhaft einer vorgegebenen Regel, beispielsweise derart, dass die Winkelabstände sich jeweils um einen konstanten Betrag ändern. Dies bedeutet, dass die Winkelabstände von Leitschaufel zu Leitschaufel jeweils um diesen konstanten Betrag zunehmen bzw. abnehmen. In einer bevorzugten Ausführung wird dies dadurch realisiert, dass im Vergleich zu einem herkömmlichen, aus dem Stand der Technik bekannten, gleichmäßigen Winkelabstand zwischen den Leitschaufeln die erfindungsgemäßen Winkelabstände um konstante Faktoren größer bzw. kleiner gleich eins verändert werden. Beispielsweise kann bei insgesamt sieben über den Umfang des Leitgitters verteilten Leitschaufeln der Winkelabstand bezogen auf eine Gleichverteilung mit jeweils 51,43° Winkelabstand um den Faktor 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2 bzw. 1.3 verändert werden. Dies führt zu Winkelabständen, die bei 36° beginnen und jeweils um 5.143° ansteigen. In absoluten Zahlen ausgedrückt liegen die Stirnkanten auf den Winkelpositionen 36°, 77.14°, 123.43°, 174.86°, 231.43°, 293.14° und 360°.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader, deren Abgasturbine mit einer als verstellbares Leitgitter mit Leitschau feln ausgeführten variablen Turbinengeometrie ausgestattet ist,
2 einen Schnitt durch die Abgasturbine,
3 eine stirnseitige Ansicht des Leitgitters mit insgesamt sieben über den Umfang verteilten Leitschaufeln, wobei die Leitschaufeln eine in Umfangsrichtung gesehen unterschiedlich große Länge aufweisen und die Stirnkanten der Leitschaufeln in unterschiedlichen Winkelabständen angeordnet sind,
4 eine stirnseitige Ansicht auf ein Leitgitter in einer modifizierten Ausführung, gemäß der die Leitschaufeln jeweils gleich lang ausgebildet sind, jedoch in unterschiedlichen Winkelabständen zueinander angeordnet sind.
Der in 1 schematisch dargestellten Brennkraftmaschine 1 – ein Ottomotor oder ein Dieselmotor – ist ein Abgasturbolader 2 zugeordnet, der eine Abgasturbine 3 im Abgasstrang 4 und einen Verdichter 6 im Ansaugtrakt 7 umfasst. Die Abgasturbine 3 ist mit einer variablen Turbinengeometrie 5 zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnittes ausgestattet. Die Drehbewegungen zwischen Turbinenrad und Verdichterrad werden über eine Welle 8 übertragen.
Stromab des Verdichters 6 befindet sich im Ansaugtrakt 7 ein Ladeluftkühler 9, welcher die vom Verdichter komprimierte Verbrennungsluft kühlt. Im Anschluss an den Ladeluftkühler 9 wird die Luft unter Ladedruck den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zugeführt.
Abgasseitig strömt das Abgas aus den Zylinderauslässen in den Abgasstrang 4 und treibt das Turbinenrad in der Abgasturbine 3 an. Über die Positionierung der variablen Turbinengeometrie 5 kann Einfluss auf die Leistung in der angetriebenen Motorbetriebsweise oder im Motorbremsbetrieb genommen werden.
Des Weiteren ist eine Abgasrückführeinrichtung 10 vorgesehen, welche eine Rückführleitung zwischen dem Abgasstrang 4 stromauf der Abgasturbine 3 und dem Ansaugtrakt 7 stromab des Ladeluftkühlers 9 umfasst. In der Rückführleitung der Abgasrückführeinrichtung 10 ist außerdem ein einstellbares Sperrventil und ein Abgaskühler angeordnet.
Sämtliche Aggregate der Brennkraftmaschine werden über Stellsignale einer Regel- und Steuereinheit 11 eingestellt. Dies betrifft insbesondere die variable Turbinengeometrie 5 und das Sperrventil in der Abgasrückführeinrichtung 10.
In 2 ist die Abgasturbine 3 im Schnitt dargestellt. Im Turbinengehäuse 12 ist das Turbinenrad 13 drehbar gelagert, das eine Turbinenradnabe 14 und daran angeordneten Turbinenradschaufeln 15 umfasst. Das Abgas wird von der Brennkraftmaschine kommend in einen Spiralkanal 16 im Turbinengehäuse 12 eingeleitet, der über eine Trennwand in zwei Kammern unterteilt ist. Der Spiralkanal 16 mündet über einen Turbineneintrittsquerschnitt 17 auf das Turbinenrad 13. Nachdem das Abgas das Turbinenrad passiert hat, strömt das Abgas über einen Abströmkanal 18 im Turbinengehäuse aus der Abgasturbine 3 ab.
In den Turbineneintrittsquerschnitt 17 ist eine als Leitgitter ausgeführte variable Turbinengeometrie 15 einschiebbar. In der Darstellung nach 2 befindet sich das Leitgitter in einer zurückgezogenen, außerhalb des Turbineneintrittsquerschnittes 17 liegenden Position, aus der das Leitgitter über eine Betätigung einer Verstelleinrichtung 20 axial in Pfeilrichtung 19 in den Turbineneintrittsquerschnitt 17 hinein verschoben werden kann. Befindet sich das Leitgitter im Turbineneintrittsquerschnitt 17, so ist das Abgas gezwungen, die freien Strömungsquerschnitte zwischen Leitschaufeln des Leitgitters zu durchströmen, wodurch zum einen höhere Strömungsgeschwindigkeiten erzielbar sind und zum anderen der Strömung ein Drall aufgeprägt werden kann. Bei in den Turbineneintrittsquerschnitt 17 eingefahrenem Leitgitter erhöht sich der Abgasgegendruck im Spiralkanal 16 und stromauf der Abgasturbine.
Es kommen sowohl axial verschiebbare Leitgitter mit unbeweglich am Leitgitter gehaltenen Leitschaufeln als auch fest im Turbineneintrittsquerschnitt angeordneten Leitgitter mit verstellbaren Leitschaufeln oder Mischformen in Betracht.
In den 3 und 4 sind zwei unterschiedliche Ausführungen einer als Leitgitter 21 mit Leitschaufeln 22 ausgebildeten variablen Turbinengeometrie 5 dargestellt. Gemäß 3 sind die insgesamt sieben Leitschaufeln 22 über den Umfang des ringförmigen Leitgitters 21 platziert. Im Ausführungsbeispiel nach 3 besitzt jede Leitschaufel 22 in Umfangsrichtung gesehen eine unterschiedliche Länge. Die Leitschaufeln 22 sind der Größe nach im Uhrzeigersinn gesehen in aufsteigender Reihenfolge angeordnet. Der engste Strömungsquerschnitt 23 zwischen benachbarten Leitschaufeln 22 befindet sich zwischen der Stirnkante 24 einer Leitschaufel und der Hinterkante 25 der benachbarten Leitschaufel. Aufeinander folgende Leitschaufeln sind in der Weise positioniert, dass in Umfangsrichtung keine Überdeckung der Leitschaufeln gegeben ist, sondern dass in Umfangsrichtung die Stirnkante einer Leitschaufel an die Hinterkante der benachbarten Leitschaufel anschließt. Auf diese Weise sind sämtliche freie Strömungsquer schnitte zwischen benachbarten Leitschaufeln gleich ausgebildet.
Der Winkelabstand zwischen benachbarten Leitschaufeln ist, gemessen von Stirnkante zu Stirnkante, mit Winkeln γ₁ bis γ₇ bezeichnet. Aufgrund der unterschiedlich großen Länge der Leitschaufeln 22 in Umfangsrichtung unterscheiden sich die Winkelabstände γ₁ bis γ₇. Zweckmäßig werden die Winkelabstände in der Weise festgelegt, dass bezogen auf einen Winkelabstand bei gleichmäßiger Leitschaufelverteilung die tatsächlichen Winkelabstände um konstante Faktoren größer oder kleiner gleich eins variiert werden. Im Ausführungsbeispiel mit insgesamt sieben Leitschaufeln ergäbe sich ein gleichmäßiger Winkelabstand gemäß der Beziehung 360°/7 = 51.43°. Dieser Winkelbetrag wird um konstante Faktoren verzerrt, wobei die Faktoren beispielsweise 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2 und 1.3 betragen. Daraus ergibt sich eine Änderung zwischen den aufeinander folgenden Winkelabständen γ₁ bis γ₇ von jeweils 5.143°.
In 4 ist ein modifiziertes Ausführungsbeispiel einer variablen Turbinengeometrie 5 mit Leitgitter 21 und Leitschaufeln 22 dargestellt. Sämtliche Leitschaufeln 22 – insgesamt sieben – sind in Umfangsrichtung gleich groß ausgebildet. Die Winkelabstände γ₁ bis γ₇ zwischen den Leitschaufeln 22 sind, von Stirnkante zu Stirnkante gesehen, identisch gewählt wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel. Dadurch ergibt sich eine Relativverschiebung zwischen benachbarten Leitschaufeln 22, die teilweise zu einer mit „a" bezeichneten Überdeckung in Umfangsrichtung führt. Zum Teil ergibt sich allerdings in Umfangsrichtung auch eine Lücke zwischen Hinterkante 25 einer Leitschaufel und Vorderkante 24 der benachbarten Leitschaufel. Je nach Relativposition zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln nimmt der kleinste Strömungsquerschnitt stark un terschiedliche Werte ein. Im Falle einer Überdeckung a zwischen benachbarten Leitschaufeln 22 ist der Strömungsquerschnitt erheblich kleiner als im Fall einer Lücke zwischen benachbarten Leitschaufeln. Als Konsequenz ergeben sich unterschiedliche Abströmwinkel α, unter denen das Gas durch die Strömungsquerschnitte 23 strömt.
Sowohl im Ausführungsbeispiel nach 3 als auch im Ausführungsbeispiel nach 4 wird eine Resonanzverstimmung erzielt, welche dazu führt, dass auch bei stark unterschiedlichen Laderdrehzahlen eine unzulässige Anregungsintensität der Turbinenradschaufeln in der Resonanzfrequenz vermieden wird.

Claims

Abgasturbolader, mit einem Verdichter (6) und einer Abgasturbine (3), die im Turbineneintrittsquerschnitt (17) ein Leitgitter (21) mit mindestens drei über den Umfang verteilten Leitschaufeln (22) aufweist, zwischen denen von dem herangeführten Gas zu durchströmende freie Strömungsquerschnitte (23) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnkanten (24) der Leitschaufeln (22) in einem unterschiedlichen Winkelabstand (γ₁ bis γ₇) zueinander stehen.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelabstände (γ₁ bis γ₇) um einen konstanten Betrag zunehmen bzw. abnehmen.
Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – bezogen auf einen Winkelabstand (γ₁ bis γ₇) bei gleichmäßiger Verteilung der Leitschaufeln (22) – die Winkelabstände (γ₁ bis γ₇) um konstante Faktoren größer und kleiner gleich eins verändert werden, beispielsweise um die Faktoren 0.9, 1.0, 1.1, etc.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (22) jeweils in Umfangsrichtung gesehen eine unterschiedliche Länge aufweisen.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (22) jeweils gleich ausgebildet und in unterschiedlichen Winkelabständen (γ₁ bis γ₇) angeordnet sind.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die engsten Strömungsquerschnitte (23) zwischen benachbarten Leitschaufeln (22) jeweils gleich sind.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar aufeinander folgende Leitschaufeln (22) sich in Umfangsrichtung teilweise überdecken.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt sieben über den Umfang des Leitgitters (21) verteilte Leitschaufeln (22) vorgesehen sind.