DE102007029004A1

DE102007029004A1 - Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007029004A1
Application number: DE102007029004A
Authority: DE
Inventors: Jan Dr.-Ing. Ehrhard
Original assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Current assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Priority date: 2007-06-23
Filing date: 2007-06-23
Publication date: 2008-12-24
Also published as: WO2009000436A2; EP2167793B1; US8418460B2; WO2009000436A3; US20100154415A1; EP2167793A2; JP2010530935A; JP5733855B2; ATE554271T1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einem Abgasführungsabschnitt (2), welcher in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordnet ist, und mit einem Turbinenrad (4), welches in einer Radkammer (10) des Abgasführungsabschnitts (2) drehbar aufgenommen ist und von aus der Brennkraftmaschine strömendem Abgas anströmbar ist, wobei die Anströmung des Turbinenrades (4) mit Hilfe eines Leitapparates (12) konditionierbar ist und der Leitapparat (12) einen Lagerring (13) mit drehbar gelagerten Leitschaufeln (14) und eine Konturhülse (15) aufweist, wobei zur Fixierung eines ersten Abstandes (A) zwischen dem Lagerring (13) und der Konturhülse (15) mindestens ein Distanzelement (16) mit einer Längsachse (17), einer Mantelfläche (18) und einer Querschnittsfläche (19) vorgesehen ist. Erfindungsgemäß weist die Mantelfläche (18) einen zweiten Abstand (MA) von der Längsachse (17) auf, welcher über die Querschnittsfläche (19) und/oder einer Länge (L) des Distanzelementes (16) veränderlich ist. Die Erfindung wird überwiegend im Personenkraftwagen- und Nutzfahrzeugbau eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der Offenlegungsschrift DE 103 25 985 A1 geht ein Leitapparat in einem Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine hervor. Mit Hilfe des Leitapparates ist eine Anströmung des Turbinenrades von aus der Brennkraftmaschine austretender Abgase konditionierbar. Der Leitapparat weist hierzu eine Anzahl verstellbarer Leitschaufeln auf, welche in einem Anströmkanal im Abgasführungsabschnitt, stromauf einer Radkammer im Abgasführungsabschnitt, in welcher das Turbinenrad drehbar aufgenommen ist, positioniert sind. Der Leitapparat weist einen Lagerring und eine Konturhülse auf, wobei der Lagerring und die Konturhülse mit Hilfe von Distanzelementen derart fixiert sind, dass ein bestimmter, erster Abstand zwischen dem Lagerring und der Konturhülse vorliegt. Aufgrund der Positionierung der Distanzelemente im Anströmkanal ist der Abgasanströmung ein Strömungswiderstand entgegengesetzt, wodurch Wirkungsgradverluste des Abgasturboladers herbeigeführt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Reduzierung von Wirkungsgradverlusten, welche aufgrund der im Anströmkanal positionierten Distanzelemente auftreten, mit Hilfe einfacher Maßnahmen herbeizuführen.
Erfindungsgemäß weist das mindestens eine Distanzelement eine Mantelfläche auf, deren zweiter Abstand von einer Längsachse des Distanzelementes über eine Länge des Distanzelementes und/oder über eine Querschnittsfläche des Distanzelementes veränderlich ist. Vorteilhafterweise ist dadurch die Mantelfläche so gestaltbar, dass ein aufgrund des Distanzelementes ausgebildeter Strömungswiderstand reduzierbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Querschnittsfläche des Distanzelementes tropfenförmig ausgebildet, ähnlich einer Leitschaufelquerschnittsfläche, sodass ein besonders kleiner Strömungswiderstandsbeiwert realisierbar ist.
Als insbesondere vorteilhaft hat sich eine Ausgestaltung des Distanzelementes erwiesen, bei der eine Sehnenlänge des Distanzelementes mindestens die zweifache Größe einer größten Profildicke des Distanzelements aufweist.
Durch eine hülsenförmige Ausbildung des Distanzelementes sind Material und Gewicht vorteilhafterweise reduzierbar.
Mit Hilfe einer drehbaren und/oder translatorisch bewegbaren Lagerung des Distanzelementes ist ein kleinstmöglicher Strömungswiderstand in jedem Betriebspunkt des Abgasturboladers einzustellen. Damit ist in jedem Betriebspunkt des Abgasturboladers ein bestmöglicher Wirkungsgrad erzielbar.
Zur weiteren Anhebung des Wirkungsgrades ist das Distanzelement so zu positionieren, dass ein vom Distanzelement initiierter erster Nachlauf durch einen von einer ersten Leitschaufel und einer neben der ersten Leitschaufel angeordneten zweiten Leitschaufel gebildeten Kanal strömbar ist, ohne eine Interaktion mit einer Grenzschicht der zweiten Leitschaufel.
Als Nachlauf ist prinzipiell ein Strömungsabschnitt zu bezeichnen, welcher stromab eines umströmten Elementes ausgebildet ist. Bei schaufelförmigen Elementen, deren Schaufelspitzen mit einer Schaufelhinterkante in Richtung der Strömung angeordnet sind, ist der Nachlauf ein an der Schaufelhinterkante ausgebildeter Strömungsabschnitt. Dieser Nachlauf führt hier zur Beeinflussung der Strömung in dem zwischen zwei Leitschaufeln ausgebildeten Kanal. Beim Auftreffen des Nachlaufs auf die Grenzschicht einer Leitschaufel kommt es zu einer Aufdickung oder zu einem Abriss der Grenzschicht, wodurch ein Wirkungsgradverlust herbeigeführt wird. Mit Hilfe der geeigneten Positionierung des Distanzelementes kann dieses Abreißen vermieden werden, so dass eine Wirkungsgradsteigerung herbeiführbar ist.
Am Eintritt in den Spiralkanal ist im Abgasführungsabschnitt eine Spiralzunge ausgebildet. Im Bereich der Spiralzunge ist bei Durchströmung des Spiralkanals ein zweiter Nachlauf der Abgasströmung ausgebildet. Mit einer Positionierung des Distanzelementes in einem Bereich eines zweiten Nachlaufs ist eine zusätzliche Steigerung des Wirkungsgrades zu erzielen. Die aufgrund des zweiten Nachlaufs auftretenden Wirkungsgradverluste werden nicht oder nur unwesentlich durch die Positionierung des Distanzelementes in diesem Bereich beeinträchtigt. Die Wirkungsgradsteigerung ist dadurch bedingt, dass die durch das Distanzelement auftretenden Wirkungsgradverluste durch die Positionierung im Bereich des zweiten Nachlaufs kompensiert werden.
Mit Hilfe von mindestens drei Distanzelementen, welche zwischen dem Lagerring und der Konturhülse angeordnet sind, ist der Abstand zwischen dem Lagerring und der Konturhülse über einen Umfang des Lagerrings gesichert.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 In einem Schnitt ein Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers mit einem Leitapparat gemäß dem Stand der Technik,
2 in einer Draufsicht den Leitapparat gemäß 1,
3 in einer Draufsicht den Leitapparat eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers, mit Distanzelementen mit einer bevorzugten Mantelfläche und in einer ersten bevorzugten Positionierung,
4 in einer Draufsicht den Leitapparat gem. 3, wobei die Distanzelemente in einer zweiten bevorzugten Position angeordnet sind und
5 in einer perspektivischen Darstellung ein Distanzelement des erfindungsgemäßen Abgasturboladers.
Der in 1 dargestellte durchströmbare Abgasführungsabschnitt 2 eines Abgasturboladers 1 ist in einem Abgastrakt einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine, bei der es sich um einen Ottomotor oder einen Dieselmotor handelt, vorgesehen. Der Abgasturbolader 1 weist weiterhin einen nicht näher dargestellten durchströmbaren Frischluftführungsabschnitt und einen nicht näher dargestellten Lagerabschnitt auf, welcher in einem nicht näher dargestellten Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
Der Abgasturbolader 1 weist ein Laufzeug 3 auf, welches ein nicht näher dargestelltes Verdichterrad zum Ansaugen und Verdichten von Verbrennungsluft, ein Turbinenrad 4 zur Expansion von Abgas sowie eine das Verdichterrad mit dem Turbinenrad 4 drehfest verbindende Welle 5 mit einer Drehachse 6 umfasst. Die Welle 5 ist im Lagerabschnitt des Abgasturboladers 1 drehbar gelagert, welcher zwischen dem Luftführungsabschnitt und dem Abgasführungsabschnitt 2 positioniert ist.
Zur Einströmung des Abgases in den Abgasführungsabschnitt 2 ist ein Eintrittskanal 7 im Abgasführungsabschnitt 2 ausgebildet. Der Eintrittskanal 7 dient zur Konditionierung des Abgases, welches im Betrieb der Brennkraftmaschine das Turbinenrad 4 in eine rotierende Bewegung versetzt. Mit Hilfe der Welle 5 das Verdichterrad ebenfalls in Rotation versetzt wird, so dass es Verbrennungsluft ansaugt und verdichtet.
Stromab des Eintrittskanals 7 ist im Abgasführungsabschnitt 2 ein Spiralkanal 8 angeordnet, welcher zur Bereitstellung einer rotationssymmetrischen Strömung dient. Des Weiteren ist der Spiralkanal 8 als Verbindungskanal zwischen dem Eintrittskanal 7 und einem Zuströmkanal 9, welcher stromab des Spiralkanals 8 positioniert ist, ausgebildet. Am Eintritt in den Spiralkanal 8 ist im Abgasführungsabschnitt 2 eine Spiralzunge 20 ausgestaltet. Stromab des Zuströmkanals 9 ist eine Radkammer 10 im Abgasführungsabschnitt 2 angeordnet, in welcher das Turbinenrad 4 drehbar aufgenommen ist. Stromab der Radkammer 10 weist der Abgasführungsabschnitt 2 einen Austrittskanal 11 zum Entweichen des Abgases aus dem Abgasführungsabschnitt 2 auf.
Damit sowohl bei niedrigen Lasten und niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine als auch bei hohen Lasten und hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine ein größtmöglicher Abgasturboladerwirkungsgrad erreichbar ist, ist das Abgas mit Hilfe eines verstellbar ausgebildeten Leitapparates 12 konditionierbar, welcher im Abgasführungsabschnitt 2 angeordnet ist.
In 1 ist ein Leitapparat 12 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Der Leitapparat 12 ist das Turbinenrad 4 ring förmig umfassend ausgebildet und weist einen Lagerring 13 zur Aufnahme von Leitschaufeln 14 auf, welche zur Strömungskonditionierung vorgesehen sind. Die Leitschaufeln 14 sind auf dem Lagerring 13 drehbar gelagert.
Der Lagerring 13 ist im Abgasführungsabschnitt 2 so positioniert, dass die Leitschaufeln 14 im Zuströmkanal 9 angeordnet sind. Dem Lagerring 13 gegenüberliegend positioniert ist eine Konturhülse 15, welche zur Strömungskonditionierung und zur vereinfachten Montage des Leitapparates 12 ausgebildet ist.
Zur Fixierung eines ersten Abstandes A zwischen der Konturhülse 15 und dem Lagerring 13, welcher zur Vermeidung eines Verkantens der Leitschaufeln 14 bei Änderung ihrer Position notwendig ist, sind Distanzelemente 16 im Zuströmkanal 9 positioniert. Die in 2 dargestellten Distanzelemente 16 gemäß dem Stand der Technik sind zylindrisch ausgestaltet.
In 3 ist in einer Draufsicht der Leitapparat 12 des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 dargestellt. Die Distanzelemente 16 weisen eine Längsachse 17, eine Mantelfläche 18, eine Länge L und eine Querschnittsfläche 19 auf (s. 5). Die Distanzelemente 16 des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 sind strömungsgünstig gestaltet, derart, dass die Mantelfläche 18 einen zweiten Abstand MA von der Längsachse 17 aufweist, der über die Querschnittsfläche 19 veränderlich ist.
In 3 ist eine bevorzugte Querschnittsfläche 19 des Distanzelementes 16 realisiert, welche eine einer Leitschaufelquerschnittsfläche ähnliche, tropfenförmige Form aufweist.
Die Querschnittsfläche 19 ist entlang der Längsachse 17 gleich bleibend ausgebildet. Ebenso könnte die Mantelfläche 18 zusätzlich oder ausschließlich über die Länge L einen veränderlichen zweiten Abstand MA aufweisen, so dass beispielsweise das Distanzelement 16 eine symmetrische oder asymmetrische, taillierte oder eine bauchige Kontur aufweist.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 ist neben einer Reduzierung der Wirkungsgradverluste des Abgasturboladers 1 eine gleichmäßige Anströmung der Leitschaufeln 14 gewährleistet. Daraus kann eine gleichmäßige Verteilung von Verstellmomenten der Leitschaufeln 14 resultieren, so dass eine Reduzierung des Verschleißes des Leitapparates 12 herbeiführbar ist.
Auf dem Lagerring 13 sind insgesamt drei Distanzelemente 16 in einem dritten Abstand RD von der Drehachse 6 angeordnet, welcher größer ist als ein vierter Abstand RL der Leitschaufeln 14 von der Drehachse 6. Die Distanzelemente 16 sind bevorzugt hülsenförmig ausgebildet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind mindestens vier Distanzelemente 16 vorgesehen.
Eine Sehnenlänge SL des Distanzelements 16 weist im Ausführungsbeispiel etwa die vierfache Größe einer größten Profildicke PD des Distanzelements 16 auf. Zur Herbeiführung einer Wirkungsgradverbesserung sollte die Sehnenlänge SL mindestens die doppelte Größe der Profildicke PD aufweisen.
Die Distanzelemente 16 sind relativ zu den Leitschaufeln 14 in einer strömungsgünstigen Positionierung aufgestellt. Die Positionierung ist so gewählt, dass ein vom Distanzelement 16 initiierter erster Nachlauf 21 einen von zwei nebeneinander angeordneten Leitschaufeln 14 gebildeten Kanal 22, diesen idealerweise mittig durchströmen kann.
Gemäß 4 ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel zur weiteren Wirkungsgradsteigerung eines der insgesamt drei Distanzelemente 16 im Bereich eines zweiten Nachlaufs 23 positioniert, welcher im Bereich der Spiralzunge 20 ausgebildet ist.
Im Ausführungsbeispiel sind die Distanzelemente 16 auf dem Lagerring 13 gelagert. In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Distanzelemente 16 zusätzlich auf der Konturhülse 15 gelagert. In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Distanzelemente 16 nur auf der Konturhülse 15 gelagert. Neben der Funktion einen konstanten Abstand zwischen dem Lagerring 13 und der Konturhülse 15 herbeizuführen, kann dem Distanzelement 16 auch eine Trägerfunktion zugeordnet werden, in dem Sinne, dass die Konturhülse 15 vollständig von dem Distanzelement 16 getragen und positioniert beziehungsweise radial und axial fixiert wird.
In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Distanzelemente 16 drehbar und/oder translatorisch bewegbar gelagert. Der Lagerring 13 weist zur translatorischen Bewegung des Distanzelementes 16 eine nutförmige, idealerweise bogenförmig ausgebildete Öffnung auf, in welcher das Distanzelement 16 verschiebbar gelagert ist. Zusätzlich ist eine Verstellvorrichtung zur Verstellung des Distanzelementes 16 vorzusehen, welche einen mechanischen Aufbau aufweist. Die Verstellung erfolgt abhängig von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine, mit Hilfe einer Regel- und Steuereinheit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10325985 A1 [0002]

Claims

Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einem Abgasführungsabschnitt (2), welcher in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordnet ist, und mit einem Turbinenrad (4), welches in einer Radkammer (10) des Abgasführungsabschnitts (2) drehbar aufgenommen ist und von aus der Brennkraftmaschine strömendem Abgas anströmbar ist, wobei die Anströmung des Turbinenrades (4) mit Hilfe eines Leitapparates (12) konditionierbar ist, und der Leitapparat (12) einen Lagerring (13) mit drehbar gelagerten Leitschaufeln (14) und eine Konturhülse (15) aufweist, wobei zur Fixierung eines ersten Abstandes (A) zwischen dem Lagerring (13) und der Konturhülse (15) mindestens ein Distanzelement (16) mit einer Längsachse (17), einer Mantelfläche (18) und einer Querschnittsfläche (19) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (18) einen zweiten Abstand (MA) von der Längsachse (17) aufweist, welcher über die Querschnittsfläche (19) und/oder einer Länge (L) des Distanzelementes (16) veränderlich ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche (19) tropfenförmig ausgebildet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sehnenlänge (SL) des Distanzelements (16) mindestens die zweifache Größe einer größten Profildicke (PD) des Distanzelements (16) aufweist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzelement (16) hülsenförmig ausgebildet ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzelement (16) drehbar und/oder translatorisch bewegbar gelagert ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzelement (16) so positioniert ist, dass ein vom Distanzelement (16) initiierter ersten Nachlauf (21) einen von zwei nebeneinander angeordneten Leitschaufeln (14) gebildeten Kanal (22) durchströmen kann.
Abgasturbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzelement (16) so positioniert ist, dass eine Grenzschicht der Leitschaufel (14) nicht beeinflussbar ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzelement (16) in einem Bereich eines zweiten Nachlauf (23) einer Spiralzunge (20) des Spiralkanals (8) positioniert ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Lagerring (13) mindestens drei Distanzelemente (16) zur Fixierung des Abstandes (A) zwischen dem Lagerring (13) und der Konturhülse (15) angeordnet sind.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzelement (16) auf der Konturhülse (15) bewegbar gelagert ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzelement (16) unbewegbar mit der Konturhülse (15) verbunden ist.