DE102005021096A1

DE102005021096A1 - Verfahren zum Steuern der Abgastemperatur für Nachbehandlungssysteme eines Dieselmotors unter Verwendung einer Turbine mit veränderlicher Geometrie

Info

Publication number: DE102005021096A1
Application number: DE102005021096A
Authority: DE
Inventors: John M. Columbus Mulloy; John F. West Yorkshire Parker; Sam Columbus Pringle
Original assignee: Cummins Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 2004-05-06
Filing date: 2005-05-06
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2025-05-07
Also published as: JP2014005836A; US20060010864A1; GB2413830B; GB2413830A; CN1693679A; GB0508741D0; JP5042464B2; GB0807722D0; JP2005320970A; CN1693683B; DE102005021096B4; JP5736020B2; GB2446323A; US7150151B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Turbine eines Turboladers mit veränderlicher Geometrie, um die Temperatur des einem Nachbehandlungssystem zugeführten Abgases zu erhöhen. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Verringern der Fluiddurchströmungsfläche zur Turbine auf eine Größe, die kleiner als eine normale Größe ist, und das Leiten eines Teils des Abgases vorbei an mehreren Leitschaufeln.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Steuern einer Turbine mit veränderlicher Geometrie. Im Besonderen, jedoch nicht ausschließlich, betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Turboladers mit veränderlicher Geometrie, um die Abgastemperatur von Dieselmotoren auf ein für Nachbehandlungssysteme gewünschtes Niveau zu bringen.
Die Leistung von Nachbehandlungssystemen steht in einem direkten Verhältnis zur Temperatur des durch diese hindurchgeleiteten Abgases. Entwickler von Nachbehandlungssystemen haben erkannt, dass für eine gewünschte Leistung die Abgastemperatur unter allen Betriebszuständen und Umgebungsbedingungen über einer Schwellentemperatur liegen muss. Die Schwellentemperatur liegt im Allgemeinen zwischen ungefähr 260°C (500°F) und ungefähr 371°C (700°F). Der Betrieb des Nachbehandlungssystems unterhalb dieses Schwellentemperaturbereiches bewirkt, dass im Nachbehandlungssystem unerwünschte Ansammlungen gebildet werden. Die unerwünschten Ansammlungen müssen in einem Regenerationszyklus weggebrannt werden, damit das Nachbehandlungssystem zu den gewünschten Leistungsniveaus zurückkehren kann. Des Weiteren macht ein längerer Betrieb des Nachbehandlungssystems unter der Schwellentemperatur ohne Regeneration das Nachbehandlungssystem betriebsunfähig und bewirkt, dass der Motor nicht mehr die gesetzlichen Vorschriften erfüllt.
Im Allgemeinen liegen die Abgastemperaturen für den Großteil des Betriebsbereiches eines Dieselmotors über der gewünschten Schwellentemperatur. Betriebszustände mit geringer Last und/oder kalte Umgebungstemperaturen bewirken jedoch häufig, dass die Abgastemperatur unter die gewünschten Schwellentemperaturen fällt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bezüglich der vorgenannten Probleme eine Verbesserung zu erreichen.

Die vorliegende Erfindung sieht hierzu ein neuartiges Verfahren zum Steuern eines Turboladers mit veränderlicher Geometrie vor, um die Abgastemperatur auf die für das Nachbehandlungssystem gewünschte Schwellentemperatur zu erhöhen.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren vor, das die Schritte umfasst: Betreiben eines Turboladers mit einer Turbine mit variabler Geometrie, die einen Einlassdurchgang zur Turbine mit einer Fluiddurchströmungsfläche umfasst, wobei die Fluiddurchströmungsfläche für einen Verbrennungsmotor, der in einem normalen Betriebsbereich arbeitet, eine normale Größe hat, Verringern der Größe der Fluiddurchströmungsfläche von der normalen Größe auf eine kleinere Größe zur Abgaserwärmung, und Umleiten eines Teils des in den Einlassdurchgang eintretenden Abgases vorbei an den Leitschaufeln der Turbine mit veränderlicher Geometrie.

Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren vor, das die Schritte umfasst: Betreiben eines Turboladers mit einer Turbine mit veränderlicher Geometrie und beweglichen Düsenschaufeln, wobei die Turbine einen Einlassdurchgang mit einer Abgasdurchströmungsfläche umfasst, die dafür ausgelegt ist, von Abgas durchströmt zu werden, wobei die Abgasdurchströmungsfläche eine erste Größe hat, die für einen Verbrennungsmotor ausgelegt ist, der in einem normalen Betriebsbereich arbeitet, Ermitteln einer ersten Temperatur des aus dem Turbolader mit veränderlicher Geometrie austretenden Abgases, Bewegen eines Düsenrings in der Turbine mit veränderlicher Geometrie, um die Abgasdurchströmungsfläche von der ersten Größe auf eine kleinere Größe zu verringern, wenn die erste Temperatur eine Schwellentemperaturbedingung nicht erfüllt, und Umleiten eines Teils des in den Einlassdurchgang eintretenden Abgases vorbei an mehreren Schaufeln der Turbine mit veränderlicher Geometrie.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren vor, das die Schritte umfasst: Betreiben eines Turboladers mit einer Schwenkschaufel-Turbine mit veränderlicher Geometrie, die mehrere Leitschaufeln aufweist, wobei die Turbine einen Einlassdurchgang mit einer Abgasdurchströmungsfläche umfasst, die dafür ausgelegt ist, von Abgas durchströmt zu werden, wobei die Abgasdurchströmungsfläche eine erste Fläche für einen Verbrennungsmotor umfasst, der in einem normalen Betriebsbereich arbeitet, Ermitteln einer ersten Temperatur des Abgases nahe dem Auslass des Turboladers mit veränderlicher Geometrie, Schwenken der mehreren Leitschaufeln in der Turbine mit veränderlicher Geometrie, um die Größe der Abgasdurchströmungsfläche von der ersten Fläche auf eine kleinere Fläche zu verringern, wenn die erste Temperatur eine Schwellentemperaturbedingung nicht erfüllt, und Strömenlassen eines Teils des in den Einlassdurchgang eintretenden Abgases vorbei an den mehreren Leitschaufeln der Turbine mit veränderlicher Geometrie.

Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht eines bekannten Turboladers mit veränderlicher Geometrie, der einen Düsenring umfasst.
1a ist eine schematische Darstellung eines Turboladers, der mit einem Nachbehandlungssystem in Strömungsverbindung steht.
2a und 2b zeigen eine erfindungsgemäße Abwandlung des Turboladers gemäß 1.
3a und 3b zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4a und 4b zeigen schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 ist ein axialer Querschnitt einer Schwenkschaufel-Turbine mit veränderlicher Geometrie, wobei sich die Schaufeln in geschlossener Stellung befinden.
6 ist eine vergrößerte Teilansicht der Turbine gemäß 5, die die Schaufeln in geöffneter Stellung zeigt.
7 ist eine vergrößerte Ansicht der Schaufeln gemäß 6, die ein Ausführungsbeispiel der Seitenwände zeigt.
8 ist eine Endansicht der um das Turbinenrad angeordneten Schaufeln in geschlossener Stellung.
9 ist eine Endansicht der um das Turbinenrad angeordneten Schaufeln in geöffneter Stellung.
10 ist eine seitliche Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die in einer der Seitenwände Vertiefungen umfasst.
11 ist eine Endansicht der Schaufeln in mittlerer Stellung, die die Vertiefungen in einer Seitenwand zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Zum besseren Verständnis der Grundlagen der Erfindung wird nun auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele Bezug genommen, wobei spezifische Ausdrücke verwendet werden, um diese zu beschreiben. Es versteht sich jedoch, dass dadurch keine Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung beabsichtigt ist und dass Abwandlungen und Modifikationen der dargestellten Vorrichtung sowie weitere Anwendungen der Grundlagen der dargestellten Erfindung als für einen Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung offensichtlich angesehen werden.
Turbolader sind wohlbekannte Vorrichtungen zum Zuführen von unter Druck stehender Luft (Ladedruck) zum Einlass eines Verbrennungsmotors. Ein herkömmlicher Turbolader umfasst im Wesentlichen ein abgasgetriebenes Turbinerad, das an einer drehbaren Welle in einem Turbinengehäuse befestigt ist. Die Drehung des Turbinenrads treibt ein Verdichterrad an, das am anderen Ende der Welle in einem Verdichtergehäuse angeordnet ist. Das Verdichterrad führt dem Motoransaugkrümmer verdichtete Luft zu. Turbinen können eine unveränderliche oder eine veränderliche Geometrie haben. Turbinen mit veränderlicher Geometrie unterscheiden sich dahingehend von Turbinen mit unveränderlicher Geometrie, dass die Größe des Einlassdurchganges verändert werden kann, um die Gasströmungsgeschwindigkeiten über einen Bereich von Massenströmungsraten zu optimieren, so dass der Leistungsausgang der Turbine variiert werden kann, um veränderlichen Motoranforderungen zu genügen. Die vorliegende Anmeldung sieht die Nutzung der Erfindung bei allen Arten von Turbinen mit veränderlicher Geometrie vor, einschließlich Turbinen mit beweglichen Düsenschaufeln und Schwenkschaufeln, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Herkömmlicherweise wird eine Turbine mit veränderlicher Geometrie dafür verwendet, den Luftstrom in den Verbrennungsmotor unter Steuerung einer Motorsteuereinheit (ECU) zu regeln. Ein Turboladerdüsenring wird im Allgemeinen dafür verwendet, Abgas durch die Turbinenstufe zu leiten, um den Luftstrom zu steuern, der über die Turboladerverdichterstufe dem Motor zugeführt wird. Obgleich die Erfindung für Selbstzündungsdieselmotoren entwickelt wurde, ist auch die Anwendung auf Fremdzündungsmotoren und Motoren, die mit beliebigen Kraftstoffarten laufen, ob flüssig oder gasförmig, vorgesehen.
Bezug nehmend auf 1 ist ein bekannter Turbolader gezeigt, der in dem US-Patent Nr. 5,044,880 offenbart ist. Der Turbolader umfasst eine Turbinenstufe 1 und eine Verdichterstufe 2. Die Turbinenstufe 1 besteht aus einer Turbine mit veränderlicher Geometrie, die ein Turbinengehäuse 3 aufweist, das eine Einlasskammer 4 definiert, der Abgas von einem Verbrennungsmotor (nicht gezeigt) zugeführt wird. Das Abgas strömt von der Einlasskammer 4 über einen ringförmigen Einlassdurchgang 6, der auf einer Seite durch eine radiale Wand 7 eines beweglichen ringförmigen Elements 8, welches hierin als Düsenring bezeichnet wird, und auf der anderen Seite durch eine gegenüberliegende radiale Wand 9 des Gehäuses 3 gebildet wird, zu einem Auslassdurchgang 5. Eine Anordnung von Düsenschaufeln 10 erstreckt sich durch Schlitze im Düsenring 8 über den Einlassdurchgang 6 von einem Schaufelhaltering 11, der an Haltestiften befestigt ist. Die Anordnung ist derart, dass der Grad, in dem sich die Schaufeln 10 über bzw. durch den Einlassdurchgang 6 erstrecken, unabhängig vom Düsenring 8 steuerbar ist und wird hier nicht im Detail beschrieben.
Von der Einlasskammer 4 zum Auslassdurchgang 5 strömendes Gas passiert ein Turbinenrad 12, dessen Drehung über eine Turboladerwelle 14 ein Verdichterrad 13 antreibt, die sich in Lageranordnungen 15 dreht, welche sich in einem Lagergehäuse 16 befinden, das das Turbinengehäuse 2 mit einem Verdichtergehäuse 17 verbindet. Die Drehung des Verdichterrades 13 saugt Luft durch einen Verdichtereinlass 18 ein und führt die verdichtete Luft über einen Ausströmraum 19 dem Einlass des Motors (nicht gezeigt) zu. Bezug nehmend auf 1a ist der Übertritt des Abgases vom Auslassdurchgang 5 zu einem Nachbehandlungssystem schematisch dargestellt. Es ist eine Vielzahl an Nachbehandlungssystemen möglich, die Durchschnittsfachleuten auf dem Gebiet im Wesentlichen bekannt sein dürften. Die hierin vorgesehenen verschiedenen Nachbehandlungssysteme sind dafür ausgelegt, Schwebstoffe, Stickstoffoxidverbindungen und andere gesetzlich geregelte Emissionen zu beseitigen.
Eine Ausführungsform des Nachbehandlungssystems umfasst einen Temperaturdetektor 2100 zum Ermitteln der Temperatur im Nachbehandlungssystem. Der Temperaturdetektor kann die Temperatur direkt über einen Sensor oder anhand von Berechnungen und/oder Iterationen in einem oder mehreren Algorithmen oder einer oder mehreren Softwareroutinen ermitteln. Der Temperaturdetektor 2100 ermittelt die Temperatur im System und führt der Motorsteuereinheit (ECU) ein Signal zu, um die Steuerung der Turbine mit veränderlicher Geometrie zu ermöglichen, um die Abgastemperatur nach Bedarf zu verändern. Des Weiteren sieht die vorliegende Erfindung vor, dass die Temperaturermittlung auch an anderen Stellen durchgeführt werden könnte, wie etwa dem Fluidstromauslass der Turbine, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es versteht sich, dass das Lagergehäuse außerdem Ölzufuhr- und Dichtungsanordnungen enthält, deren Details für das Verständnis der Erfindung jedoch nicht erforderlich sind.
Der Düsenring 8 umfasst einen sich radial erstreckenden ringförmigen Abschnitt, der die radiale Wand 7 bildet, und sich axial erstreckende innere und äußere ringförmige Flansche 20 bzw. 21, die sich in einen ringförmigen Hohlraum 22 erstrecken, der im Turbinengehäuse 3 vorgesehen ist. Bei der in den Figuren gezeigten Turbinenbauart, wird der Großteil des Hohlraums 22 tatsächlich durch das Lagergehäuse 16 gebildet, was ausschließlich ein Ergebnis der Bauart des spezifischen Turboladers ist, auf den die Erfindung bei diesem Beispiel angewandt wird, wobei für die Zwecke der Erfindung in dieser Hinsicht kein Unterschied zwischen dem Turbinengehäuse und dem Lagergehäuse gemacht wird. Der Hohlraum 22 weist eine sich radial erstreckende ringförmige Öffnung 23 auf, die zwischen radial inneren und äußeren ringförmigen Oberflächen 24 und 25 gebildet ist. Ein Dichtungsring 26 befindet sich in einer ringförmigen Nut, die in der äußeren ringförmigen Oberfläche 25 vorgesehen ist, und liegt an dem äußeren ringförmigen Flansch 21 des Düsenrings 8 an, um zu verhindern, dass Abgas über den Hohlraum 22 statt durch den Einlassdurchgang 6 durch die Turbine strömt.
Ein pneumatisch betriebenes Stellglied 27 ist betriebsfähig dafür ausgelegt, die Stellung des Düsenrings 8 über eine Stellgliedabtriebswelle 28 zu steuern, die mit einem Bügelelement 29 verbunden ist, das wiederum mit sich axial erstreckenden Führungsstangen 30 (von denen nur eine in den Figuren zu sehen ist) in Eingriff steht, die den Düsenring 8 über Verbindungsplatten 31 halten. Die Bewegung des Düsenrings 8 könnte jedoch durch eine beliebige geeignete Betätigungseinrichtung gesteuert werden. Die hierin vorgesehenen Betätigungseinrichtungen umfassen pneumatische, elektrische oder hydraulische Einrichtungen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Demgemäß kann die axiale Stellung der Führungsstangen und somit des Düsenrings 8 durch eine angemessene Steuerung des Stellglieds 27 gesteuert werden. 1 zeigt den Düsenring 8 in seiner vollständig geöffneten Stellung, in der der Einlassdurchgang 6 seine maximale Breite hat.
Eine Turbine mit veränderlicher Geometrie, wie etwa die in 1 offenbarte, kann so betrieben werden, dass der Einlassdurchgang 6, wenn für die Erfindung nötig, auf eine minimale Breite geschlossen wird. Die minimale Breite, die bei dem vorliegenden System zum Steuern der Abgastemperaturen erforderlich ist, ist geringer als die minimale Breite für normale Motorbetriebszustände. Insbesondere wird bei einer Ausführungsform davon ausgegangen, dass die minimale Breite zum Steuern der Abgastemperatur zwischen ungefähr 0 mm und ungefähr 4 mm liegt. Im Gegensatz dazu ist bei einer Ausführungsform der Düsenring 8 im Allgemeinen geschlossen, um eine(n) minimale(n) Breite/Spalt von zwischen ungefähr 3 mm und ungefähr 12 mm für einen Motor bereitzustellen, der im normalen Motorbetriebsbereich arbeitet. Die Größe der minimalen Breiten ist jedoch im Allgemeinen auch von der Größe und Ausgestaltung der Turbine abhängig. Angesichts der minimalen Breiten für Motoren, die im normalen Bereich arbeiten, ist es angemessen, ungefähr 25 % bis 100 % der maximalen Spaltbreite zu nutzen. Beim Einstellen der minimalen Spaltbreite zum Steuern der Erwärmung der Abgastemperatur ist es bei einer Ausführungsform angemessen, ungefähr 0 % bis 25 % der maximalen Spaltbreite zu nutzen. Es sind hierin jedoch auch andere Prozentsätze vorgesehen. Die/Der minimale Breite/Spalt oder Durchlassfläche wird hierin zum Definieren von Parametern verwendet, die mit dem Fluidstrom durch den ringförmigen Einlassdurchgang 6 in Zusammenhang stehen.
Die 2a und 2b zeigen eine erfindungsgemäße Abwandlung des Turboladers gemäß 1. Es sind nur diejenigen Teile der Turbine, die zum Verständnis der Erfindung beschrieben werden müssen, in den 2a und 2b gezeigt, welche Vergrößerungen des Düsenring-/Einlassdurchgangsbereichs des Turboladers sind und den Düsenring in vollständig geöffneter bzw. vollständig geschlossener Stellung zeigen. Der Düsenring 8 ist durch das Vorsehen einer umfangsseitigen Anordnung von Öffnungen 32 abgewandelt, die im radial äußeren Flansch 21 bereitgestellt sind. Die Positionierung der Öffnungen 32 ist derart, dass sie auf der Seite des Dichtungsrings 26, entfernt vom Einlassdurchgang 6 liegen (wie in 2a gezeigt), außer wenn sich der Düsenring 8 der geschlossenen Stellung nähert, zu welchem Zeitpunkt die Öffnungen 32 die Dichtung 26 passieren (wie in 2b gezeigt). Dadurch wird ein Bypassströmungsweg geöffnet, wodurch etwas Abgas von der Einlasskammer 4 über den Hohlraum 22 anstatt durch den Einlassdurchgang 6 zum Turbinenrad 12 strömen kann. Der Abgasstrom, der am Einlassdurchgang 6 und den Düsenschaufeln 10 vorbeigeleitet wird, verrichtet weniger Arbeit als der Abgasstrom durch den Einlassdurchgang 6, insbesondere da dieser durch die Schaufeln 10 in eine tangentiale Richtung gelenkt wird. Mit anderen Worten, sobald die Öffnungen 32 mit dem Einlassdurchgang 6 in Verbindung gebracht werden, wird die Effizienz des Turboladers sofort verringert und der Verdichterausströmdruck (Ladedruck) fällt entsprechend, begleitet von einem Abfall des Motorzylinderdruckes.
Daher hat die Bereitstellung der Bypasseinlassöffnungen 32 bei der Erfindung unter normalen Betriebsbedingungen keine Auswirkung auf die Effizienz des Turboladers, wenn die Turbine jedoch in einer Abgaserwärmungsbetriebsart betrieben wird und der Einlassdurchgang auf sein Minimum reduziert ist, ermöglichen die Öffnungen 32 eine stärkere Verringerung der Einlassdurchgangsgröße als dies im Stand der Technik möglich ist, ohne die Motorzylinder unter Überdruck zu setzen. Insbesondere sind die Bypassöffnungen 32 bei einer Ausführungsform der Erfindung dafür ausgelegt, unter normalen Motorbetriebsbedingungen normalerweise geschlossen zu sein.
Es versteht sich, dass die Effizienzverringerungswirkung auf den Turbolader durch eine geeignete Wahl der Anzahl, Größe, Form und Stellung der Öffnungen 32 vordefiniert werden kann.
Die 3a und 3b zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer Turbine mit veränderlicher Geometrie. Wie bei den 2a und 2b, sind nur die Details des Düsenring-/Einlassdurchgangsbereichs der Turbine dargestellt. Wo zutreffend, sind in den 3a und 3b die gleichen Bezugszeichen wie in den 1 und 2 verwendet. Die 3a und 3b zeigen die Anwendung der vorliegenden Technologie auf eine ansonsten herkömmliche Turbine, die sich von der Turbine gemäß 1 in verschiedener Hinsicht unterscheidet. Erstens sind die Düsenschaufeln 10 am Düsenring 8 befestigt und erstrecken sich durch jeweilige Schlitze, die in einem Abschirmblech 34 vorgesehen sind, das zusammen mit der radialen Wand 7 des Düsenrings 8 die Breite des Einlassdurchgangs 6 definiert, über den Einlassdurchgang 6 und in einen Hohlraum 33. Dies ist eine wohlbekannte Anordnung.
Zweitens sind, in Übereinstimmung mit der Lehre des europäischen Patents Nr. 0 654 587, Druckausgleichsöffnungen 35 in der radialen Wand 7 des Düsenrings 8 vorgesehen und der innere ringförmige Flansch 20 ist in Bezug auf das Gehäuse 3 durch einen jeweiligen Dichtungsring 36 abgedichtet, der sich in einer ringförmigen Nut befindet, die im radial inneren ringförmigen Abschnitt 24 des Gehäuses vorgesehen ist. Das Vorsehen der Öffnungen 35 gewährleistet, dass der Druck im Hohlraum 22 gleich dem statischen Druck ist, der von dem durch den Einlassdurchgang 6 verlaufenden Abgasstrom auf die radiale Stirnfläche 7 des Düsenrings 8 ausgeübt wird.
Dadurch wird die auf den Düsenring wirkende Last verringert, während die Genauigkeit der Steuerung der Stellung des Düsenrings 8 erhöht wird, insbesondere da der Einlassdurchgang 6 auf seine minimale Breite verringert ist.
Angesichts der Bereitstellung eines radial inneren Dichtungsrings 36 erfordert die Anwendung der Erfindung die Bereitstellung von Bypassgasdurchgängen 32a im inneren ringförmigen Flansch 20 des Düsenrings 8. Die Durchgänge 32a sind relativ zum Dichtungsring 26 angeordnet, so dass sie gleichzeitig mit den Durchgängen 32b im äußeren ringförmigen Flansch 21 die Verbindung mit der Einlassdurchgangsseite des Dichtungsrings 26 herstellen, wodurch ein Bypassströmungsdurchgang durch den Hohlraum 22 vorgesehen wird, womit genau dieselbe Wirkung erzielt wird, die vorstehend im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß den 2a und 2b beschrieben ist.
Alternativ können die äußeren Durchgänge 32b weggelassen werden, wenn man sich auf die Druckausgleichsöffnungen 35 stützt, um zusammen mit den inneren Durchgängen 32a einen Bypassströmungsweg vorzusehen.
Es ist ebenfalls bekannt, den Düsenring in Bezug auf das Gehäuse abzudichten, indem innere und/oder äußere Dichtungsringe in am Düsenring vorgesehenen Fixiernuten anstatt in im Gehäuse vorgesehenen Fixiernuten anordnet werden. In diesem Fall bewegt sich der Dichtungsring bzw. bewegen sich die Dichtungsringe mit dem Düsenring. Die 4a und 4b zeigen insbesondere den Düsenring-/Einlassdurchgangsbereich der in dem europäischen Patent Nr. 0 654 587 offenbarten Turbine, die erfindungsgemäß abgewandelt ist. Wo zutreffend, werden in den 4a und 4b die gleichen Bezugszeichen wie vorstehend verwendet. Wie bei der Turbinenanordnung gemäß den 3a und 3b, werden die Düsenschaufeln 10 durch den Düsenring 8 gehalten und erstrecken sich über den Einlassdurchgang 6, durch ein Abschirmblech 34 und in einen Hohlraum 33. Druckausgleichsöffnungen 35 sind in der radialen Wand 7 des Düsenrings 8 vorgesehen, der in Bezug auf den Hohlraum 22 durch innere und äußere Ringdichtungen 26 und 37 abgedichtet ist. Während sich jedoch der Dichtungsring 26 in einer im Gehäuse 3 vorgesehenen Nut befindet, befindet sich der radial äußere Dichtungsring 37 in einer Nut 38, die im äußeren ringförmigen Flansch 21 des Düsenrings 8 vorgesehen ist, und bewegt sich somit, wenn sich der Düsenring bewegt.
Gemäß der vorliegenden Anmeldung ist der innere ringförmige Flansch 20 des Düsenrings 8 mit Bypasseinlassöffnungen 32 versehen, die den Dichtungsring 26 pas sieren, wenn sich der Düsenring bewegt, um den Einlassdurchgang 6 auf ein Minimum zu schließen (wie in 4b gezeigt). Der äußere Bypasseinlassweg wird jedoch nicht durch Öffnungen im Düsenring bereitgestellt, sondern durch eine umfangsseitige Anordnung von Aussparungen 39, die im äußeren ringförmigen Abschnitt 25 der Öffnung 23 des Hohlraums 22 ausgeformt sind. Wie aus 4a ersichtlich ist, ist der Dichtungsring 37 unter normalen Betriebsbedingungen einwärts von den Aussparungen 39 angeordnet, wodurch der Durchtritt von Abgas vorbei am Düsenring 8 und durch den Hohlraum 22 verhindert wird. Wenn sich jedoch der Düsenring bewegt, um den Einlassdurchgang 6 auf ein Minimum zu schließen, wie in 4b zeigt, bewegt sich der Dichtungsring 37 bis er axial mit den Aussparungen 39 fluchtet, wodurch am Dichtungsring 37 vorbei ein Bypassweg bereitgestellt wird, damit Gas durch den Hohlraum 22, über die Bypasseinlassöffnungen 32, die im inneren ringförmigen Flansch des Düsenrings 8 vorgesehen sind, und zum Turbinenrad strömen kann. Es versteht sich, dass die Wirkung der Aussparungen 39 direkt gleichwertig mit der Wirkung der Öffnungen 32 ist und dass dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung im Betrieb im Wesentlichen in gleicher Weise wie die anderen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung funktioniert.
Es versteht sich, dass an den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung Abwandlungen vorgenommen werden können. Wenn beispielsweise nur ein Dichtungsring erforderlich ist, wie etwa z.B. bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2a und 2b, und dieser am Düsenring angeordnet ist, dann ist es nicht notwendig, die Öffnungen 32 im inneren Flansch des Düsenrings vorzusehen. In ähnlicher Weise ist es notwendig, wenn sich sowohl innere als auch äußere Dichtungsringe im Gehäuse befinden, sowohl in den inneren als auch den äußeren ringförmigen Abschnitten des Gehäuses Bypassaussparungen anstelle von Bypassöffnungen im Düsenring bereitzustellen.
Im Hinblick auf die in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung versteht es sich, dass der am Düsenring 8 vorbeigeleitete Abgasstrom in den restlichen Abgasfluidstrom entlassen wird, der aus dem Einlassdurchgang austritt. Der am Düsenring vorbeigeleitete Abgasstrom tritt in einem steilen Winkel oder im Wesentlichen senkrecht in den vom Düsenring kommenden Abgasstrom ein.
Bezug nehmend auf die 5 bis 11 ist eine Schwenkschaufel-Turbine mit veränderlicher Geometrie dargestellt. In diesem Zusammenhang wird explizit Bezug genommen auf die britische Patentanmeldung Nr. 0407978.6, eingereicht am 8. April 2004. Eine Schwenkschaufel-Turbine mit veränderlicher Geometrie umfasst strom aufwärts vom Turbinenrad Leitschaufeln, die verstellbar sind, um die Stromquerschnittsfläche zum Turbinenrad zu steuern. Ein Drehen der Leitschaufeln, so dass ihre Sehnen im Wesentlichen radial zum Turbinenrad verlaufen, erhöht den Abstand zwischen ihnen, den so genannten Durchlass. Ein Drehen der Schaufeln, so dass ihre Sehnen im Wesentlichen tangential zum Turbinenrad verlaufen, verringert den Durchlassabstand zwischen ihnen. Das Produkt der Durchlassabmessung und der festen axialen Länge der Schaufeln bestimmt die Durchströmungsfläche jedes gegebenen Schaufelanstellwinkels.
Weiterhin Bezug nehmend auf die 5 bis 11 ist die Turbine mit veränderlicher Geometrie mit einem Turbinengehäuse 100 dargestellt, das eine Einlasskammer 200 umfasst, der Abgas von einem Verbrennungsmotor (nicht gezeigt) zugeführt wird. Das Abgas strömt von der Einlasskammer 200 über einen ringförmigen radial ausgerichteten Einlassdurchgang 400, der auf einer Seite durch ein ringförmiges Wandelement 500 und auf der gegenüberliegenden Seite durch eine sich radial erstreckende ringförmige Hülse 700 gebildet wird, zu einem Auslassdurchgang 300. In dieser ringförmigen Hülse 700 wird eine Anordnung in Umfangsrichtung unter Abstand voneinander angeordneter Schaufeln 800, von denen sich jede über den Einlassdurchgang erstreckt, so gehalten, dass sie durch die Drehung eines Hebels 800a gleichzeitig gedreht werden können.
Von der Einlasskammer 200 zum Auslassdurchgang 300 strömendes Abgas passiert mehrere Radschaufeln 900a eines zentripetalen Turbinenrades 900, wodurch auf eine Turboladerwelle 1000 (die in Lagern 1000a angeordnet ist) ein Drehmoment ausgeübt wird, die ein Kreiselverdichterrad 1100 antreibt. Die Drehung des Verdichterrads 1100 setzt die in einem Lufteinlass 1200 vorhandene Umgebungsluft unter Druck und führt einem Luftauslass oder Ausströmraum 1300 unter Druck stehende Luft zu, von wo sie einem Verbrennungsmotor (nicht gezeigt) zugeführt wird. Die Drehzahl des Turbinenrads 900 hängt von der Geschwindigkeit des durch den ringförmigen Durchgang 400 hindurchtretenden Gases ab. Bei einer festen Strömungsrate des Abgases ist die Gasgeschwindigkeit eine Funktion der Durchlassbreite des Durchganges zwischen benachbarten Schaufeln, die durch Steuern der Anstellwinkel der Schaufeln 800 eingestellt werden kann.
Bezug nehmend auf 8 sind die Schaufeln 800 im ringförmigen Einlassdurchgang 400 auf eine minimale Durchlassbreite geschlossen dargestellt. Bei dem in 8 gezeigten Schaufelzustand wird ein Teil des Abgases an den Schaufeln 800 vorbeigeleitet, indem es an den Schaufeln vorbei, durch Taschen und/oder beliebige geometrische Veränderungen in den Seitenwänden strömt. Bezug nehmend auf 9 sind die Schaufeln 800 in einem im Wesentlichen offenen Zustand gezeigt. Wenn die Durchlassbreite zwischen den Schaufeln 800 verringert wird, steigt die Geschwindigkeit des durch sie hindurchtretenden Gases. Das Umgehen der Schaufeln im Einlassdurchgang 400 verringert die Effizienz der Turbine.
Die Bewegung der Schaufeln 800 kann durch eine beliebige geeignete Betätigungseinrichtung gesteuert werden, die an den angebrachten Hebeln 800a befestigt ist, wie etwa z.B. die Verbindungsglieder 1400. Die Schaufeln sind bevorzugt durch einen Ring, der sie alle mit den Hebeln oder Verbindungsgliedern in Eingriff bringt, dazu gezwungen, sich gleichzeitig zu bewegen. Ein Hauptverbindungsglied kann an einem Stellglied (nicht gezeigt) angebracht werden, das eine pneumatische, elektrische oder hydraulische Einrichtung sein könnte.
Bezug nehmend auf 7 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem eine oder beide Seitenwände 3000 und 3001 in axialsymmetrischer Weise verjüngt sind. Die Verjüngung der Seitenwände ermöglicht es einem Teil des Abgases, an den Schaufeln vorbeizuströmen und die Düsenschaufel effizient zu umgehen. Wenn die Schaufeln 800 aus einem geschlossenen Zustand in einen offenen Zustand schwenken, bewegen sich ihre Hinterkanten radial nach innen zum Turbinenradeinlass. Die Verjüngung der Seitenwand ist so ausgeführt, dass die Breite zwischen den Seitenwänden 3000 und 3001 zunimmt, je näher sie dem Turbinenrad kommen. Bezug nehmend auf das Ausführungsbeispiel gemäß 7 ist eine lineare Verjüngung dargestellt. Die Erfindung ist jedoch weder auf lineare Verjüngungen noch darauf beschränkt, dass beide Seitenwände verjüngt sind. Bei einem Ausführungsbeispiel befindet sich, wenn sich die Schaufeln in der offenen Stellung befinden, der Abstand auf einem Maximum, und wenn sich die Schaufeln schließen, wird der Seitenabstand auf den minimal zulässigen Betriebsabstand verringert. Die Erfindung sieht vor, dass der Verjüngungsbetrag und die radiale Position des Beginns der Verjüngung gewählt werden können, um sie auf die spezifischen Charakteristika des Motors abzustimmen.
Bezug nehmend auf die 10 und 11 ist ein Ausführungsbeispiel eines Systems mit einem höheren Grad an Flexibilität als bei den vorherigen Ausführungsbeispielen dargestellt. Das Ausführungsbeispiel gemäß den 10 und 11 umfasst eine Schaufel 800, der eine diskrete Tasche 1500 zugeordnet ist. Die diskrete Tasche 1500 kann sich in einer oder beiden Seitenwänden befinden. Bei einer Ausführungsform haben die Taschen 1500 im Wesentlichen die Form eines Kreisbogens, über den die Schaufeln 800 streichen, wenn sie gedreht werden. Bei einer Ausführungsform ist jeder der mehreren Schaufeln eine Tasche zugeordnet. Der Beginn und das Ende der Fluidströmung durch die Tasche 1500 können durch Positionieren der Vorder- und Hinterkanten der Tasche beeinflusst werden. Die Größe der Fluidströmung durch die Tasche kann durch die Breite und Tiefe der Tasche beeinflusst werden. Die Taschen ermöglichen den Durchtritt eines Teils des Abgases an der Außenfläche der Schaufel vorbei, wodurch der durch die Schaufeln in der Düsenstufe verlaufende Strom umgeleitet wird. Es ist eine Vielzahl an Ausgestaltungen der Taschen vorgesehen, um die Konstruktionsparameter für die Turbine zu erfüllen. Die Taschen 1500, die während des normalen Motorbetriebsbereichs im Allgemeinen dem Abgasstrom ausgesetzt sind, haben während dieser Zeitspanne nur eine geringe Auswirkung, da zumindest um einen Abschnitt der Schaufel kein im Wesentlichen geschlossener Durchgang erzeugt wird. Während des Öffnens der Schaufeln in die Abgaserwärmungsstellung sind die Taschen dem Abgasstrom ausgesetzt. Ein Teil des Abgases strömt durch die Taschen und wird an den Schaufeln 10, die sich im Einlassdurchgang 400 befinden, vorbeigeleitet.
Die Systeme einiger Turbinen mit veränderlicher Geometrie wurden vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 11 beschrieben. Obgleich die vorliegende Anmeldung bevorzugt zur Steuerung der verschiedenen vorstehend beschriebenen Turbinen mit veränderlicher Geometrie angewandt wird, versteht es sich, das die erfindungsgemäßen Verfahren auch zum Steuern einer großen Vielzahl anderer Arten von Turbinen mit veränderlicher Geometrie angewandt werden können. Die Erfindung stützt sich auf die Steuerung der Abgastemperatur durch das Verändern der Größe des Abgasdurchgangs und das Umleiten eines Teils des Abgasstromes vorbei an den Schaufeln im Einlassdurchgang des Turboladers.
Bei Turbinensystemen mit veränderlicher Geometrie, die einen Düsenring verwenden, wird der Düsenring in axialer Richtung bewegt, um die Größe des Einlassdurchgangs in Abhängigkeit davon zu verringern, ob die Temperatur im Nachbehandlungssystem unter einer Schwellentemperatur liegt. Die Temperatur im Nachbehandlungssystem wird durch den Temperaturdetektor ermittelt. Bei einer Ausführungsform wird die Temperatur des Abgases in mehreren zeitlich eng abgestimmten Intervallen abgefragt und bei einer anderen Ausführungsform verläuft die Ermittlung der Temperatur nahezu kontinuierlich. Das Bestimmen der Ermittlungsintervalle dürfte jedoch im Rahmen der Kenntnisse eines Durchschnittsfachmannes auf dem Gebiet liegen. Wenn ermittelt wird, dass die Temperatur im Nachbehandlungssystem unter einer Schwellentemperatur liegt, wird der Düsenring in axialer Richtung in eine Abgaserwärmungsstellung bewegt, die unter der für einen normalen Motorbe trieb erforderlichen Stellung liegt. Der Düsenring wird so lange in der Abgaserwärmungsstellung gehalten bis die ermittelte Temperatur auf oder über der Schwellentemperatur liegt. Wenn der Düsenring in der Abgaserwärmungsstellung positioniert ist, sind die Bypassdurchgänge dem Abgasstrom ausgesetzt und das Abgas wird vorbei an der Rückseite oder unter der Düse umgeleitet, um die Schaufeln zu umgehen.
Die axiale Bewegung des Düsenrings führt zu einer verringerten Durchströmungsfläche im Einlassdurchgang und die Freilegung der Bypassdurchgänge ermöglicht es dem Abgas, an der Düse vorbeizuströmen. Dies hat eine Verringerung der Turbinenstufeneffizienz zur Folge und bewirkt eine Verringerung des Luftstromes sowie eine Erhöhung der Pumparbeit des Motors, um ein gewünschtes Leistungsniveau aufrechtzuerhalten. Bei einer Ausführungsform ist das gewünschte Leistungsniveau das Niveau, das erreicht wird, bevor ermittelt wird, dass die Abgastemperatur erhöht werden muss. Bei einer Ausführungsform wird die resultierende Abgastemperatur erheblich über die Schwellentemperatur erhöht.
Bezug nehmend auf das System gemäß den 2a und 2b strömt das Abgas von der Einlasskammer 4 über den Hohlraum 22 statt durch den Einlassdurchgang 6 zum Turbinenrad 12. Bezug nehmend auf das System gemäß den 3a und 3b umfasst das System Durchgänge 32a, die mit der Einlassdurchgangsseite des Dichtungsrings 26 eine Strömungsverbindung herstellen. Das Abgas wird durch die Durchgänge 32a zum Hohlraum 22 und von dort zum Turbinenrad 12 umgeleitet. Bezug nehmend auf die 4a und 4b ist ein System dargestellt, in dem sich der Düsenring bewegt, um den Einlassdurchgang 6 zur Abgaserwärmung auf eine minimale Breite zu schließen, wobei der Dichtungsring 37 mit der Aussparung 39 zum Fluchten gebracht wird. Dadurch wird zum Durchtritt des Abgases ein Bypassweg vorbei am Dichtungsring 37 zum Hohlraum 22 hergestellt.
Bezug nehmend auf die Systeme, die eine Schwenkschaufel-Turbine mit veränderlicher Geometrie verwenden, werden die mehreren Schaufeln gleichzeitig bewegt, um die Größe des Einlassdurchgangs in Abhängigkeit davon zu verringern, ob die Temperatur im Nachbehandlungssystem unter einer Schwellentemperatur liegt. Der Temperaturdetektor ermittelt die Temperatur im Nachbehandlungssystem. Bei einer Ausführungsform wird die Temperatur des Abgases in mehreren zeitlich eng abgestimmten Intervallen abgefragt und bei einer anderen Ausführungsform verläuft das Ermitteln der Temperatur nahezu kontinuierlich. Das Bestimmen der Ermittlungsintervalle dürfte jedoch im Rahmen der Kenntnisse eines Durchschnittsfachmannes auf dem Gebiet liegen. Wenn ermittelt wird, dass die Temperatur unter einem Schwel lenwert liegt, werden die Schaufeln in eine Abgaserwärmungsstellung gedreht, die einen Strömungsweg definiert, der kleiner ist als für einen normalen Motorbetrieb erforderlich. Die Schaufeln werden in der Abgaserwärmungsstellung gehalten bis die Temperatur die Schwellentemperatur erreicht. Wenn die Vielzahl der Schaufeln in der Abgaserwärmungsstellung angeordnet ist, strömt zumindest ein Teil des Abgases an den Schaufeln vorbei oder umgeht sie, wenn es zum Turbinenrad strömt.
Obgleich die Erfindung in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung im Detail dargestellt und beschrieben worden ist, dient die Beschreibung nur dazu, die Erfindung zu veranschaulichen und nicht sie einzuschränken, wobei es sich versteht, dass nur bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben wurden und dass alle Abwandlungen und Modifikationen, die innerhalb des Erfindungsgedankens liegen, geschützt werden sollen. Es versteht sich, dass, während der Gebrauch des Wortes "bevorzugt" in der Beschreibung darauf hinweist, dass das derart beschriebene Merkmal eher erwünscht ist, es jedoch dennoch nicht notwendig sein kann, und dass Ausführungsbeispiele, die nicht damit bezeichnet sind, dennoch im Schutzumfang der Erfindung enthalten sind, wobei sich der Schutzumfang durch die nachfolgenden Ansprüche definiert. In den Ansprüchen soll die Verwendung von Wörtern wie "ein", eine", "wenigstens ein/eine" oder "wenigstens ein Abschnitt/Teil" den jeweiligen Anspruch nicht auf nur einen Gegenstand einschränken, sofern im Anspruch nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist. Des Weiteren kann, wenn Ausdrücke wie etwa "wenigstens ein Abschnitt/Teil" und/oder "ein Abschnitt/Teil" verwendet werden, der Gegenstand einen Abschnitt oder Teil und/oder den gesamten Gegenstand einschließen, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist.

Claims

Verfahren, mit den Schritten: Betreiben eines Turboladers mit einer Turbine mit variabler Geometrie, die einen Einlassdurchgang zur Turbine mit einer Fluiddurchströmungsfläche umfasst, wobei die Fluiddurchströmungsfläche für einen Verbrennungsmotor, der in einem normalen Betriebsbereich arbeitet, eine normale Größe hat, Verringern der Größe der Fluiddurchströmungsfläche von der normalen Größe auf eine kleinere Größe zur Abgaserwärmung, und Umleiten eines Teils des in den Einlassdurchgang eintretenden Abgases vorbei an den Leitschaufeln der Turbine mit veränderlicher Geometrie.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Umleitungsschritt der Teil des Abgases innen durch den Turbolader strömt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Verringerungsschritt das Bewegen eines Abschnitts der Turbine mit veränderlicher Geometrie umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Bewegung eine Axialbewegung eines Düsenrings umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Bewegung die Drehung mehrerer Leitschaufeln umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Fluiddurchströmungsfläche eine maximale Durchströmungsfläche umfasst und wobei die Durchströmungsfläche, die der verringerten Größe entspricht, zwischen ungefähr 0 % und ungefähr 25 % der maximalen Durchströmungsfläche beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Teil des Abgases aus dem Umleitungsschritt in einem steilen Winkel oder im Wesentlichen senkrecht wieder in das restliche Abgas eintritt, das vom Einlassdurchgang zum Turbinenrad strömt.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Ermitteln der Temperatur des aus einem Auslass der Turbine mit veränderlicher Geometrie austretenden Abgases und das Steuern des Verringerungsschritts basierend darauf umfasst, ob die Temperatur des aus dem Auslass der Turbine mit veränderlicher Geometrie austretenden Abgases eine Schwellentemperaturbedingung erfüllt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Verringerungsschritt das Abgas im Einlassdurchgang in einen Bypass-Fluidströmungsweg entlässt, wobei der Bypass-Fluidströmungsweg normalerweise blockiert ist, wenn die Fluiddurchströmungsfläche die normale Größe hat.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Leiten des Abgases von der Turbine mit veränderlicher Geometrie zu einem Nachbehandlungssystem umfasst, und das ferner das Ermitteln der Temperatur des Abgases im Nachbehandlungssystem und das Steuern des Verringerungsschritts basierend darauf umfasst, ob die Temperatur des Abgases im Nachbehandlungssystem eine Schwellentemperaturbedingung erfüllt.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Schwellentemperaturbedingung zwischen ungefähr 260°C (500°F) und ungefähr 371°C (700°F) liegt.
Verfahren, mit den Schritten: Betreiben eines Turboladers mit einer Turbine mit veränderlicher Geometrie und beweglichen Düsenschaufeln, wobei die Turbine einen Einlassdurchgang mit einer Abgasdurchströmungsfläche umfasst, die dafür ausgelegt ist, von Abgas durchströmt zu werden, wobei die Abgasdurchströmungsfläche eine erste Größe hat, die für einen Verbrennungsmotor ausgelegt ist, der in einem normalen Betriebsbereich arbeitet, Ermitteln einer ersten Temperatur des aus dem Turbolader mit veränderlicher Geometrie austretenden Abgases, Bewegen eines Düsenrings in der Turbine mit veränderlicher Geometrie, um die Abgasdurchströmungsfläche von der ersten Größe auf eine kleinere Größe zu verringern, wenn die erste Temperatur eine Schwellentemperaturbedingung nicht erfüllt, und Umleiten eines Teils des in den Einlassdurchgang eintretenden Abgases vorbei an mehreren Schaufeln der Turbine mit veränderlicher Geometrie.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem sich der Düsenring im Bewegungsschritt in eine Axialrichtung bewegt und wobei der Teil des Abgases im Umleitungsschritt innen durch den Turbolader strömt.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Teil des Abgases aus dem Umleitungsschritt in einem steilen Winkel wieder in das restliche Abgas eintritt, das vom Einlassdurchgang zum Turbinenrad strömt.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Teil des Abgases aus dem Umleitungsschritt in einer im Wesentlichen senkrecht dazu verlaufenden Richtung wieder in das restliche Abgas eintritt, das vom Einlassdurchgang zum Turbinenrad strömt.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Bewegungsschritt wenigstens einen Bypass-Fluidströmungsweg öffnet, der mit dem Abgas im Einlassdurchgang in Strömungsverbindung steht, und wobei der Bypass-Fluidströmungsweg normalerweise blockiert ist, wenn die Fluiddurchströmungsfläche die normale Größe hat.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Teil des Abgases im Umleitungsschritt durch den wenigstens einen Bypass-Fluidströmungsweg strömt.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner das Leiten des Abgases von der Turbine mit veränderlicher Geometrie zu einem Nachbehandlungssystem umfasst, wobei im Ermittlungsschritt die Temperatur des Abgases im Nachbehandlungssystem ermittelt wird, und das ferner das Steuern des Bewegungsschritts basierend darauf umfasst, ob die Temperatur des Abgases im Nachbehandlungssystem eine Schwellentemperaturbedingung erfüllt.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Schwellentemperaturbedingung zwischen ungefähr 260°C (500°F) und ungefähr 371°C (700°F) liegt.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Abgasdurchströmungsfläche eine maximale Breite hat und wobei die Breite, die der verringerten Größe entspricht, zwischen ungefähr 0 % und ungefähr 25 % der maximalen Breite beträgt.
Verfahren, mit den Schritten: Betreiben eines Turboladers mit einer Schwenkschaufel-Turbine mit veränderlicher Geometrie, die mehrere Leitschaufeln aufweist, wobei die Turbine einen Einlassdurchgang mit einer Abgasdurchströmungsfläche umfasst, die dafür ausgelegt ist, von Abgas durchströmt zu werden, wobei die Abgasdurchströmungsfläche eine erste Fläche für einen Verbrennungsmotor umfasst, der in einem normalen Betriebsbereich arbeitet, Ermitteln einer ersten Temperatur des Abgases nahe dem Auslass des Turboladers mit veränderlicher Geometrie, Schwenken der mehreren Leitschaufeln in der Turbine mit veränderlicher Geometrie, um die Größe der Abgasdurchströmungsfläche von der ersten Fläche auf eine kleinere Fläche zu verringern, wenn die erste Temperatur eine Schwellentemperaturbedingung nicht erfüllt, und Strömenlassen eines Teils des in den Einlassdurchgang eintretenden Abgases vorbei an den mehreren Leitschaufeln der Turbine mit veränderlicher Geometrie.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Schritt des Strömenlassens das Umleiten des Teils des Abgases vorbei an den mehreren Leitschaufeln umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem im Schritt des Schwenkens die radiale Stellung wenigstens eines Abschnitts einer jeden der mehreren Leitschaufeln verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Schritt des Strömenlassens das Umleiten des Teils des Abgases vorbei an den mehreren Leitschaufeln umfasst, und bei dem der Teil des Abgases aus dem Schritt des Strömenlassens in einem steilen Winkel wieder in das restliche Abgas eintritt, das vom Einlassdurchgang zum Turbinenrad strömt.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Schritt des Strömenlassens das Umleiten des Teils des Abgases vorbei an den mehreren Leitschaufeln umfasst, und wobei der Teil des Abgases aus dem Schritt des Umleitens in im Wesentlichen senkrecht dazu verlaufender Richtung wieder in das restliche Abgas eintritt, das vom Einlassdurchgang zum Turbinenrad strömt.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Schritt des Schwenkens das Abgas im Einlassdurchgang an wenigstens einen Bypass-Fluidströmungsweg entlässt, wobei der Bypass-Fluidströmungsweg normalerweise im Wesentlichen nicht in Strömungsverbindung mit dem Abgas steht, wenn die Abgasdurchströmungsfläche durch die erste Fläche definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 26, bei dem im Schritt des Strömenlassens der Teil des Abgases durch wenigstens einen Bypass-Fluidströmungsweg strömt.
Verfahren nach Anspruch 21, das ferner das Leiten des Abgases von der Turbine mit veränderlicher Geometrie zu einem Nachbehandlungssystem umfasst, wobei im Ermittlungsschritt die Temperatur des Abgases im Nachbehandlungssystem ermittelt wird, und das ferner das Steuern des Schwenkschritts basierend darauf umfasst, ob die Temperatur des Abgases im Nachbehandlungssystem eine Schwellentemperaturbedingung erfüllt.
Verfahren, mit den Schritten: Strömenlassen eines Abgases zu einem Turbolader mit einer Turbine mit veränderlicher Geometrie, die einen Düsenring und mehrere Leitschaufeln in einem Einlassdurchgang der Turbine umfasst, Entlassen eines Teils des Abgases durch wenigstens eine Öffnung in einer radialen Stirnfläche des Düsenrings, Bewegen des Düsenrings im Einlassdurchgang, um die Durchströmungsfläche im Einlassdurchgang zu verringern und wenigstens einen im Düsenring befindlichen Auslass mit einem Turbinenrad in Strömungsverbindung zu bringen, und Leiten des Teils des Abgases durch den wenigstens einen Auslass und zum Turbinenrad, wobei es an den Leitschaufeln vorbeigeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 29, bei dem der Düsenring im Bewegungsschritt in einer Stellung im Einlassdurchgang angeordnet wird, um eine Fluiddurchströmungsfläche zu bilden, die kleiner als eine Fluiddurchströmungsfläche für normale Motorbetriebszustände ist.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem im Schritt des Leitens der Teil des Abgases vollständig innen durch den Turbolader strömt.
Verfahren nach Anspruch 29, bei dem im Schritt des Leitens der Teil des Abgases in einem steilen Winkel oder im Wesentlichen senkrecht wieder in das restliche Abgas eintritt, das zum Turbinenrad strömt.
Verfahren nach Anspruch 29, das ferner das Leiten von Abgas zu einem Nachbehandlungssystem umfasst, das ferner das Ermitteln der Temperatur des zum Nachbehandlungssystem geleiteten Abgases umfasst, und das ferner das Steuern des Bewegungsschritts basierend darauf umfasst, ob die Temperatur des Abgases eine Schwellentemperaturbedingung erfüllt.
Verfahren nach Anspruch 29, bei dem die mehreren Leitschaufeln am Düsenring befestigt sind.
Verfahren nach Anspruch 29, bei dem die mehreren Leitschaufeln nicht am Düsenring befestigt sind.
Verfahren nach Anspruch 29, bei dem die mehreren Leitschaufeln am Düsenring befestigt sind, bei dem der Düsenring im Bewegungsschritt in einer Stellung im Einlassdurchgang angeordnet wird, um eine Fluiddurchströmungsfläche zu bilden, die kleiner als eine Fluiddurchströmungsfläche für einen normalen Motorbetrieb ist, das ferner das Leiten von Abgas zu einem Nachbehandlungssystem umfasst, das ferner das Ermitteln der Temperatur des zum Nachbehandlungssystem geleiteten Abgases umfasst, das ferner das Steuern des Bewegungsschritts basierend darauf umfasst, ob die Temperatur des Abgases eine Schwellentemperaturbedingung erfüllt, und bei dem im Schritt des Leitens der Teil des Abgases vollständig innen durch den Turbolader strömt.
Turbolader mit veränderlicher Geometrie, mit: einem Gehäuse, das einen Abgaseinlassströmungsweg umfasst, einem Turbinenrad, das drehbar im Gehäuse angeordnet ist, einem Düsenring, der sich im Gehäuse befindet und ein radiales Wandelement, ein inneres Wandelement und ein äußeres Wandelement aufweist, wobei das radiale Wandelement eine Abgaseinlassöffnung zum Durchtritt von Abgas in einen Rauminhalt umfasst, der durch die Wandelemente definiert ist, wobei das innere Wandelement einen Abgasauslass umfasst, und einem Stellglied, das mit dem Düsenring verbunden und betriebsfähig dafür ausgelegt ist, die Stellung des Düsenrings im Abgaseinlassströmungsweg zu verändern, wobei das Stellglied bei einer Betriebsart den Düsenring in eine Abgaserwärmungsstellung bewegt und den Abgasauslass mit einem Durchgang zum Turbinenrad in Strömungsverbindung bringt.
Turbolader mit veränderlicher Geometrie nach Anspruch 37, bei dem der Durchgang zwischen einer Innenfläche des inneren Wandelements und einem Abschnitt des Gehäuses gebildet ist.
Turbolader mit veränderlicher Geometrie nach Anspruch 38, bei dem der Durchgang den auf das Abgas im Durchgang wirkenden Gegendruck verstärkt.
Turbolader mit veränderlicher Geometrie nach Anspruch 37, bei dem der Abgaseinlassströmungsweg eine maximale Breite hat und wobei sich der Abgasdüsenring in der Abgaserwärmungsstellung in einer Stellung befindet, die zwischen ungefähr 0 % und ungefähr 25 % der maximalen Breite ausmacht.
Turbolader mit veränderlicher Geometrie nach Anspruch 37, bei dem der Ring mehrere mit ihm verbundene Leitelemente umfasst und wobei der Durchgang Abgas an den mehreren Leitelementen vorbeileitet.
Turbolader mit veränderlicher Geometrie nach Anspruch 37, bei dem, wenn sich der Düsenring in der Erwärmungsstellung befindet, die Effizienz der Turbine reduziert ist.
Turbolader mit veränderlicher Geometrie nach Anspruch 37, bei dem der Durchgang zwischen einer Innenfläche des inneren Wandelements und einem Abschnitt des Gehäuses gebildet ist, bei dem der Durchgang den Gegendruck auf das Abgas verstärkt, das aus dem Abgasauslass strömt, bei dem der Abgaseinlassströmungsweg eine Nennbreite für normale Betriebszustände hat und wobei der Abgasdüsenring, wenn er sich in der Abgaserwärmungsstellung befindet, eine Fluiddurchströmungsbreite definiert, die kleiner als die Nennbreite ist, bei dem der Ring mehrere mit ihm verbundene Leitelemente umfasst, und bei dem der Durchgang Abgas an den mehreren Leitelementen vorbeileitet.
System mit: einem Nachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, einem Turbolader mit veränderlicher Geometrie, der eine Turbine mit einem Gehäuse umfasst, das einen Abgaseinlassströmungsweg und einen Abgasauslassströmungsweg aufweist, der mit dem Nachbehandlungssystem in Strömungsverbindung steht, wobei die Turbine einen Düsenring mit einer radialen Wand, einer Innenwand und einer Außenwand aufweist, wobei die radiale Wand eine Abgaseinlassöffnung für den Durchtritt von Abgas in einen Rauminhalt aufweist, der durch die Wände gebildet ist, und wobei die Innenwand eine Abgasauslassöffnung für den Durchtritt des Abgases aus dem Rauminhalt aufweist, und einem Stellglied, das mit dem Düsenring verbunden und betriebsfähig dafür ausgelegt ist, die Stellung des Düsenrings im Abgaseinlassströmungsweg zu verändern, wobei das Stellglied betriebsfähig dafür ausgelegt ist, den Düsenring zu bewegen, um die Größe der Fluiddurchströmungsfläche im Abgaseinlassströmungsweg von einer für einen Motorbetrieb normalen Größe auf eine kleinere Größe zur Abgaserwärmung zu verringern und den Abgasauslass in Strömungsverbindung mit dem Nachbehandlungssystem zu bringen.
System nach Anspruch 44, bei dem das Nachbehandlungssystem ein NOx-Nachbehandlungssystem ist.
System nach Anspruch 44, bei dem die Außenwand keine Öffnung für den Abgasstrom umfasst, und bei dem der Düsenring mehrere Leitschaufeln umfasst und das durch den Abgasauslass geleitete Abgas an den mehreren Leitschaufeln vorbeigeleitet wird.