DE102006028800A1

DE102006028800A1 - Abgasturbolader mit einem Bypass

Info

Publication number: DE102006028800A1
Application number: DE102006028800A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Wimmer; Volker Raab
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-06-23
Filing date: 2006-06-23
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2026-06-24
Also published as: DE102006028800B4

Abstract

Abgasturbolader (1) mit einem Bypass (2), insbesondere für eine zweistufige Abgasturboladeranordnung, wobei der Bypass (2) von einem Verschlussteller (4) einer in einem Maschinengehäuse (1') des Abgasturboladers (1) verschwenkbar angeordneten Bypass-Klappe (3) verschließbar ist, wobei der Verschlussteller (4) auf der dem Bypass (2) zugewandten Seite (4') konkav ausgeformt ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird eine wesentliche harmonischere Strömungsführung des Gasstromes erzielt, wodurch die Leistung der Brennkraftmaschine gesteigert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einem Bypass mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Sie geht von der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 30 934 A1 aus. In dieser ist eine zweistufige, schaltbare Abgasturboladeranordnung beschrieben. Die zweistufige, schaltbare Abgasturboladeranordnung für eine Brennkraftmaschine umfasst einen motornahen Hochdruckfader mit einer mit einem Abgassammler der Brennkraftmaschine abgasführend verbundenen Hochdruckturbine, mit der eine Niederdruckturbine eines Niederdruckladers in Reihe angeordnet ist. Jeder Turbine ist jeweils ein mit einer Klappe steuerbarer Bypass, ein Niederdruck-Bypass und ein Hochdruck-Bypass zugeordnet. Ein Hochdruckverdichter des Hochdruckladers umfasst einen steuerbaren Ladeluft-Bypass und ist gasführend über eine Ladeluftleitung mit einem Niederdruckverdichter verbunden. Die Steuerung sämtlicher Bypässe erfolgt mittels eines elektronischen Steuergerätes. Bei aktiviertem Bypass ist zur Umgehung der Hochdruckturbine der wesentliche Abgasstrom der Niederdruckturbine und ein kleinerer Abgasanteil der Brennkraftmaschine weiterhin der Hochdruckturbine zugeführt. Dies kann beispielsweise aus schmierungstechnischen Überlegungen einerseits und um das Ansprechverhalten der Abgasturboladeranordnung andererseits günstig zu gestalten, vorgesehen werden. Das Verschließen und Öffnen der Bypässe erfolgt über verschwenkbar in dem Maschinengehäuse des Abgasturboladers angeordnete Klappen. Die Klappen bestehen im Wesentlichen aus einem an einem Schwenkarm angeordneten Verschlussteller. Der Verschlussteller ist eine im Wesentlichen eben ausgeführte Verschlussplatte, mit relativ großer Dicke.
Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad des Abgasturboladers und somit auch der Brennkraftmaschine zu erzielen, wäre es wünschenswert, bei gleichem Bauraum einen größeren Strömungs-Eintrittsquerschnitt des Bypasses zu erzielen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung den oben genannten Nachteil zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verschlusstellers wird in vorteilhafter Weise eine wesentlich harmonischere Strömungsführung des Gasstromes erzielt. Der engste freie Strömungsquerschnitt kann um ca. 2-15% gegenüber einem ebenen Verschlussteller vergrößert werden. Dadurch reduziert sich der Strömungswiderstand und es kann die Leistung des Abgasturboladers und somit auch der Brennkraftmaschine gesteigert werden.
Eine besonders vorteilhafte Optimierung wird durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 erzielt.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 ist besonders einfach zu fertigen und weist eine besonders gute Dichtheit auf.
Die Ausgestaltung gemäß den Patentansprüchen 5 bis 6 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante des Verschlusstellers. Insbesondere die Dichtfunktion ist aufgrund eines minimierten thermischen Verzugs im Randbereich durch die Materialverstärkung sehr gut.
Gemäß Patentanspruch 7 sind zwei unterschiedliche Ausführungsformen möglich.
Eine weitere Optimierung des Verschlusstellers wird mit einer Ausgestaltung gemäß der Patentansprüche 8 und 9 erzielt. In diesem Fall ist der Verschlussteller am Rand bewusst dünn, d. h. weich ausgelegt, so dass auch in diesem Fall aufgrund der „Weichheit" bzw. Deformierbarkeit des Verschlusstellers eine sehr gute Dichtfunktion erzielt ist.
Der Strömungsquerschnitt des Bypasses wird nochmals verbessert mit einer Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 10.
Die strömungsoptimierte Form des Verschlusstellers kann gemäß Patentanspruch 11 in vorteilhafter Weise sowohl turbinenseitig als auch verdichterseitig oder turbinenseitig und verdichterseitig eingesetzt werden. Prinzipiell lässt sich die Bypass-Klappe mit dem erfindungsgemäßen Verschlussteller bei allen strömungstechnischen Anwendungen einsetzen, bei denen minimale Strömungsverluste notwendig sind, bei einer gleichzeitig benötigten harmonischen Strömungsführung.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in drei Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgestalteten Abgasturbolader mit einer geöffneten Bypass-Klappe.
2 zeigt den gleichen Schnitt wie 1 mit der geschlossenen Bypass-Klappe.
3 zeigt nochmals eine Ausschnittsvergrößerung von der geöffneten Bypass-Klappe aus 1.
1 zeigt einen Schnitt durch einen Abgasturbolader 1, wobei der Schnitt durch einen Turbineraum 7 mit einem zugehörigen Turbineneinlauf 6 gelegt ist. Die Schnittflächen sind schraffiert dargestellt. Eine normalerweise im Turbinenraum 7 angeordnete Turbine des Abgasturboladers 1 ist nicht dargestellt. Der Turbinenraum 7 sowie der Turbineneinlauf 6 werden von einem Maschinengehäuse 1' des Abgasturboladers 1, sowie einem Abgaskrümmer 1''' gebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Abgaskrümmer 1''' ein abgasführender Bestandteil des Abgasturboladers 1. Weiter weist der Abgasturbolader 1 einen ebenfalls von dem Abgaskrümmer 1''' gebildeten Bypass 2 auf, der in den Turbineneinlauf 6 und in den Turbinenraum 7 mündet. Der Bypass 2 ist von einer schwenkbar in dem Maschinengehäuse 1' angeordneten Bypass-Klappe 3 verschließbar. Die Bypass-Klappe 3 besteht im Wesentlichen aus einem Verschlussteller 4, der an einem im Maschinengehäuse 1' schwenkbeweglich gelagerten Schwenkarm 5 angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist der Verschlussteller 4 auf der dem Bypass 2 zugewandten Seite konkav ausgeführt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Verschlussteller 4 eine gleichmäßige Materialwandstärke von 2 mm auf. Bevorzugt liegt diese gleichmäßige Materialwandstärke im Bereich zwischen 0,5 und 5 mm.
Weiter weist die konkav ausgeformte Seite 4' einen Radius von 80 mm auf, wobei ein bevorzugter Radiusbereich zwischen 20 mm und 1000 mm liegt. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die konkav ausgeformte Seite 4' auch elliptisch oder unregelmäßig konkav ausgeformt sein.
Bevorzugt wird der Verschlussteller 4 über einen im Maschinengehäuse 1' schwenkbeweglich angeordneten Schwenkarm 5 betätigt, in anderen Ausführungsbeispielen kann jedoch der Verschlussteller 4 direkt scharniermäßig an das Maschinengehäuse 1' angeordnet sein.
Weiter ist der Verschlussteller 4 im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einer runden Außenkontur ausgeführt, wodurch eine einfache Fertigung und besonders gute Dichtheit erzielt wird. Auch ovale oder unregelmäßige Außenkonturen sind für den erfindungsgemäßen Verschlussteller 4 möglich.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Verschlussteller 4 auch eine ungleichmäßige Materialwandstärke aufweisen, die bevorzugt zwischen 0,5 und 5 mm liegt. Beispielsweise wird hierbei aus dem Verschlussteller 4 zur Mitte hin Material abgetragen, wodurch wiederum die erfindungsgemäße konkave Form erzielt wird. Diese Ausführungsform hat darüber hinaus den Vorteil, dass sie im Randbereich besonders stabil ist und somit eine gute Dichtwirkung erzielt. Auch ist es möglich diese Ausführungsform durch Pressen, Schmieden oder Gießen zu fertigen. In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Materialstärke des Verschlusstellers zum Randbereich hin dünner ausgeformt, wodurch eine besonders steife Anbindung des Verschlusstellers 4 an den Schwenkarm 5 möglich ist. Die „Weichheit", bzw. einfache Deformierbarkeit des dünnen Randbereiches unterstützt hierbei die Dichtwirkung des Verschlusstellers 4.
Um die Strömungsverhältnisse aus dem Bypass 2 in den Turbineneinlauf 6 sowie in den Turbinenraum 7 noch weiter zu verbessern, weist das Maschi nengehäuse 1' eine Ausnehmung 1'' auf, in die die Bypass-Klappe 3 im geöffneten Zustand weitgehend versenkbar ist.
In den 2 und 3 gelten für gleiche Bauteile wie in 1 die gleichen Bezugsziffern.
2 zeigt den gleichen Schnitt durch den Abgasturbolader 1 wie 1, jedoch mit einer geschlossenen Bypass-Klappe 3.
3 zeigt den gleichen Schnitt durch den Abgasturbolader 1 wie 1, jedoch als Ausschnittsvergrößerung von der geöffneten Bypass-Klappe 3.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Abgasturboladers kann sowohl in einstufigen als auch mehrstufigen oder parallelen Aufladegruppen Verwendung finden.
Durch die kugelkalottenförmige Gestaltung des Verschlusstellers 4 wird eine wesentlich harmonischere Strömungsführung des Gasstromes erzielt. Der engste freie Strömungsquerschnitt kann somit um ca. 2-15% gegenüber einer ebenen Verschlussklappe, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, vergrößert werden. Dadurch reduziert sich der Strömungswiderstand bzw. es kann die Leistung des Abgasturboladers 1 und somit der Brennkraftmaschine gesteigert werden.
Durch die Kalottenform kann bei reduzierter Verschlusstellerwandstärke das effektive Widerstandsmoment der Bypass-Klappe 3 erhöht werden. Durch die dadurch geringere thermische Masse der Bypass-Klappe 3 kommt es bei Temperaturbeanspruchungen zu einer schnelleren, gleichmäßigen Durchwärmung, was sich in geringeren thermischen Verzügen und damit einer besseren Dichtfunktion niederschlägt.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verschlusstellers 4 werden kurz zusammen gefasst folgende Vorteile erzielt:

– Der reduzierte Druckverlust durch die strömungsgünstigere Gestaltung der Bypass-Klappe 3 führt zu einer Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine.
– Die Erhöhung des Strömungsquerschnittes um ca. 2-15% reduziert ebenfalls die Druckverluste, was ebenfalls zu einer Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine führt.
– Aufgrund der geringeren thermischen Masse wird ein verbessertes Ansprechverhalten des Abgasturboladers erzielt.
– Aufgrund der höheren Steifigkeit der Bypass-Klappe durch die konkave Form bei gleichzeitig geringerer Wandstärke, wird eine Erhöhung der Dichtheit des Verschlusstellers 4 erzielt.

1: Abgasturbolader
1': Maschinengehäuse
1'': Ausnehmung
1''': Abgaskrümmer
2: Bypass
3: Bypass-Klappe
4: Verschlussteller
4': Konkav ausgeformte Seite
5: Schwenkarm
6: Turbineneinlauf
7: Turbinenraum

Claims

Abgasturbolader (1) mit einem Bypass (2), insbesondere für eine zweistufige Abgasturboladeranordnung, wobei der Bypass (2) von einem Verschlussteller (4) einer in einem Maschinengehäuse (1') des Abgasturboladers (1) verschwenkbar angeordneten Bypass-Klappe (3) verschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussteller (4) auf der dem Bypass (2) zugewandten Seite (4') konkav ausgeformt ist.
Abgasturbolader nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konkav ausgeformte Seite (4') einen Radius (R) zwischen 20 mm und 1000 mm aufweist.
Abgasturbolader nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussteller (4) über einen am Maschinengehäuse (1') verschwenkbar angeordneten Schwenkarm (5) verschwenkbar ist.
Abgasturbolader nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussteller (4) eine runde Außenform aufweist.
Abgasturbolader nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussteller (4) eine ungleichmäßige Materialwandstärke aufweist.
Abgasturbolader nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialwandstärke zwischen 0,5 mm und 5 mm beträgt.
Abgasturbolader nach Patentanspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialwandstärke zum Rand des Verschlusstellers (4) hin kleiner oder größer ist als im Mittenbereich.
Abgasturbolader nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussteller (4) eine gleichmäßige Materialwandstärke aufweist.
Abgasturbolader nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialwandstärke zwischen 0,5 mm und 5 mm beträgt.
Abgasturbolader nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinengehäuse (1') eine Ausnehmung (1'') aufweist in die der Verschlussteller (4) bei geöffnetem Bypass (2) weitgehend versenkbar ist.
Abgasturbolader nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, wobei der Abgasturbolader eine Turbine und einen Verdichter aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine und/oder der Verdichter einen Bypass (2) aufweist und die Bypass-Klappe (3) turbinenseitig und/oder verdichterseitig angeordnet ist.