DE102008030502A1

DE102008030502A1 - Abgasturbolader mit verdichterseitigem variablen Vorleitgitter

Info

Publication number: DE102008030502A1
Application number: DE102008030502A
Authority: DE
Inventors: Jens-Wolf Dr. Jaisle; Martin Müller
Original assignee: BorgWarner Inc; Borg Warner Automotive Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2009-01-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1) - mit einer Radialturbine (2), die ein in einem Turbinengehäuse (2A) angeordnetes Turbinenrad (2B) aufweist; und - mit einem Radialverdichter (4), der ein über eine eine Drehachse (9) aufweisende Welle (3) mit dem Turbinenrad (2B) verbundenes Verdichterrad (6) aufweist, das in einem Verdichtergehäuse (5) angeordnet ist, das einen Verdichtergehäuseeinlass (23) aufweist, wobei - im Verdichtergehäuseeinlass (23) ein Vorleitgitter (7) angeordnet ist, das frei um die Drehachse (9) drehbar ist und feststehende Strömungsleitelemente (8) aufweist, die in einem vorbestimmbaren Anstellwinkel (alpha) zum in den Verdichtergehäuseeinlass (23) eintretenden Luftmassenstrom (L) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Die Anforderungen an künftige Diesel- und Ottomotoren für Personenkraftwagen ergeben sich einerseits durch den Wunsch nach verbesserten stationären und instationären Leistungsmerkmalen des Motors und andererseits aus den Erfordernissen des Umweltschutzes.
Die Aufladung bietet hier eine Lösung, indem sie erlaubt, die beiden genannten Ansprüche zugleich zu erfüllen. Sie erlaubt eine Steigerung der Leistungsdichte, ein hohes Drehmoment bei niedrigen Motordrehzahlen sowie die Verbesserung des Anfahr- und des Elastizitätsverhaltens, d. h., des instationären Verhaltens.
Die erste wichtige Anforderung an das Aufladesystem ist deshalb, ein konstant hohes Ladedruckniveau über einen möglichst weiten Drehzahlbereich des Motors zur Verfügung zu stellen.
Die zweite wichtige Anforderung ist ein gutes instationäres Verhalten, d. h., einen möglichst schnellen Ladedruckaufbau zu gewährleisten.
Der erforderliche hohe Luftdurchsatz für den Nennleistungsbereich kann grundsätzlich nur von einem entsprechend groß ausgelegten Aufladegerät erbracht werden. Der Wunsch nach einem hohen Ladedruck bei geringen Motordrehzahlen bedeutet jedoch, dass die Turbine relativ klein dimensioniert sein muss. Die Grenze der zulässigen Verkleinerung der Turbinengeometrie wird dann erreicht, wenn mit dem höchsten, noch zulässigen Abgasgegendruck gerade noch die am Nennleistungspunkt des Motors geforderte Verdichterleistung erzeugt werden kann. Eine solche Auslegung bedingt jedoch, dass fast im gesamten Betriebsbereich, ein negatives Spülgefälle herrscht.
Dies ist der erste Zielkonflikt, den es zu meistern gilt.
Der Forderung nach einem möglichst schnellen und hohen Ladedruckaufbau bei niedrigen Motordrehzahlen, was gleichzusetzen ist mit der Verbesserung des Anfahrdrehmoments, steht entgegen, dass bei niedrigen Drehzahlen der Abgasenergiegehalt ebenfalls niedrig ist.
Dies ist der zweite Zielkonflikt, den es zu meistern gilt.
Eine ideale, jedoch nicht zu realisierende Lösung der beiden oben erwähnten Konflikte wäre ein für Verdichter und Turbine sowohl gehäuse- als auch läuferseitig stufenlos variables Aufladegerät. Turbinenseitig existieren hierfür bereits verschiedene Serienanwendungen.
Bei der sogenannten variablen Turbinengeometrie (VTG) wird der Abgasmassenstrom sowie die Anströmung auf das Turbinenrad durch drehbar gelagerte Leitschaufeln, entsprechend den Betriebsbedingungen, eingestellt. Bei niedrigen Drehzahlen können die Leitschaufeln nahezu geschlossen werden und somit eine Beschleunigung der Abgase durch die verbleibenden Öffnungsquerschnitte erzielt werden. Die Stellung der Leitschaufeln erlaubt dann eine Anströmung der Turbinenradschaufelaußenkanten und dadurch die bestmögliche Beschleunigung des Turbinenrades.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zu schaffen, der eine Erweiterung der Regelbarkeit des Drehmomentverlaufs, insbesondere im Bereich zwischen dem Leerlauf und dem Drehmomentgipfel, ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß erlaubt ein mit einer Vorleiteinrichtung versehener Verdichter die Verschiebung der Pumpgrenze in Richtung kleinerer Luftmassenströme, oder anders ausgedrückt, eine bessere Umsetzung des dynamischen Drucks in statischen Druck.
Die Drosselkurven verlaufen hierbei steiler als bei anderen grundsätzlich denkbaren Regelverfahren und werden in Richtung kleinerer Luftmassenströme verschoben.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Regelung der Strömung im Verdichtergehäuse, unmittelbar vor dem Eintritt in das Verdichterrad, mittels eines rotierenden Vorleitgitters, vor.
Im Rahmen der Erfindung durchgeführte Untersuchungen haben ergeben, dass eine Reduzierung des Luftmassendurchsatzes in einem Verdichter bei drallfreier Verdichterradanströmung zu einer Vergrößerung des Inzidenzwinkels am Verdichterradeintritt, führt. Dadurch steigen die Eintrittsstoßverluste im Verdichterrad an. Durch die Erzeugung eines Vordralls in Drehrichtung des Verdichterrades (Mitdrall) kann der Inzidenzwinkel wieder optimal werden. Auf diese Weise ist es möglich, den Arbeitsbereich mit samt der Pumpgrenze des Verdichters zu geringeren Luftmassenströmen zu verschieben.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnung. Darin zeigt:
1 eine Schnittdarstellung des grundlegenden Aufbaus eines Abgasturboladers,
2 eine gegenüber 1 vergrößerte Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines Verdichters des erfindungsgemäßen Turboladers,
3 eine der 2 entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Verdichters des erfindungsgemäßen Turboladers mit Luftlagern,
4 eine Schnittdarstellung des Verdichters gemäß 3 in einem anderen Schnittwinkel zur Verdeutlichung einer Wirbelstrombremse dieses Verdichters, und
5 Geschwindigkeitsdreiecke beim Zusammenwirken von Leit- und Verdichterrad des erfindungsgemäßen Abgasturboladers.
In 1 ist zur Erläuterung des generellen Aufbaues des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 eine Schnittdarstellung durch die wesentlichen Komponenten gezeigt. Zunächst ist eine Radialturbine 2 vorgesehen, die ein Turbinengehäuse 2a mit einem darin gelagerten Turbinenrad 2b aufweist.
Über eine Welle 3 ist das Turbinenrad 2b mit einem Verdichterrad 6 eines Radialverdichters 4 verbunden, wobei das Verdichterrad 6 in einem Verdichtergehäuse 5 angeordnet ist.
Weitere Einzelheiten von möglichen Ausführungsformen des Radialverdichters 4 sind in den nachfolgenden 2 bis 4 näher dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
Gemäß 2 weist der Radialverdichter 4 einen Verdichtergehäuseeinlass 23 auf, in dem ein Vorleitgitter 7 angeordnet ist, das im Beispielsfalle als Axial- bzw. Leitrad ausgebildet ist, das mit Schaufeln versehen ist, die in einem Anstellwinkel α zum Luftmassenstrom L, der in den Verdichtergehäuseeinlass 23 eintritt, angeordnet sind. Diese Leitschaufeln sind beispielhaft für alle Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abgasturboladers bzw. Radialverdichters in 3 und 4 dargestellt. Hierbei ist in 3 der in den Verdichtergehäuseeinlass 23 eintretende Luftmassenstrom mit dem Pfeil L verdeutlicht. Der Anstellwinkel α ist ebenfalls in 3 repräsentativ für die Ausführungsformen gemäß den 2 bis 4 eingezeichnet. Vorzugsweise ist der Anstellwinkel relativ klein und bewegt sich in einem Bereich von 5° bis 45°.
Vom Prinzip her sind jedoch je nach Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 auch andere Anstellwinkel realisierbar.
Aufgrund des Anstellwinkels α wird das Leitrad 7 durch die Strömung in Drehung versetzt.
Die Drehzahl des Leitrades 7 ist abhängig von dem Anstellwinkel α der Schaufeln 8 und nicht notwendigerweise identisch mit der Rotordrehzahl des Abgasturbolader 1.
Wirkt kein bremsendes Moment auf das Leitrad 7, so wird der Luftmassenstrom vor dem Eintritt in das Verdichterrad 6 vernachlässigbar beeinflusst. Wirkt jedoch ein bremsendes Moment auf das Leitrad 7, so erteilt das nun langsamer rotierende Leitrad 7 dem Luftmassenstrom einen Vordrall in Form eines Mitdralls, der umso stärker ist, je stärker das Leitrad 7 abgebremst wird.
Aufgrund der Tatsache, dass das Leitrad 7 in entgegengesetzter Richtung zum Verdichterrad 6 dreht, ist ein Mindestabstand zwischen diesen beiden Rädern einzuhalten, um die Geräuschemission auf ein akzeptables Maß zu limitieren.
Die Lagerung des Leitrades 7 kann z. B. um die Turbolader-Drehachse 9 durch eine auf einem Wellenzapfen angeordnete Kugellageranordnung 10, oder am Umfang durch eine Luftlagerung 11 erfolgen. Im Fall der Kugellagerung 10 ist eine aerodynamische Formgebung der Leitradnase 12 zweckmäßig, um den Luftwiderstand so weit wie möglich zu reduzieren (siehe 2).
Die aufgrund der durch die Platzierung der Kugellagerung 10 erschwerte Zugänglichkeit macht eine fettgeschmierte Kugellagerung sinnvoll. Um die Kugellagerung 10 in Position zu halten, sind mindestens drei Streben 13 erforderlich. Im Fall der Luftlagerung 11 weist das Leitrad 7 am Umfang einen Radring 14 auf, der in einer dafür vorgesehenen Eindrehung 15 im Einlaufbereich des Verdichtergehäuses auf einem Luftfilm 16 gleitet. Der Luftfilm 16 wird durch auf dem Umfang des Verdichtergehäuseeintritts 23 verteilte Bohrungen 17 mit einem bestimmten Luftdruck gespeist. Die Bohrungen 17 münden außerhalb des Verdichtergehäuses 5 in einen Kanal 18, welcher mit dem notwendigen Luftdruck versorgt wird. Die Luftversorgung kann entweder extern oder durch eine Anzapfung 19 am Verdichter 4 selbst erfolgen (siehe 3).
Bei beiden Lagerungsvarianten 10, 11 sind am Umfang des Leitrades 7 im Verdichtergehäuse 5 mindestens drei, in gleichem Abstand positionierte Elektromagnete, die jeweils eine Spule 20 und ein Joch 21 aus geblechtem Stahl aufweisen, verankert. Wird durch die Spule 20 Strom geleitet, so entsteht in Zusammenwirkung mit dem Joch 21 ein Magnetfeld, welches infolge. von Wirbelströmen eine bremsende Wirkung auf den Radring 14 des Leitrades 7 ausübt, dessen Drehzahl verringert und dem Luftmassenstrom L somit einen Vordrall, in Form eines Mitdralls, erteilt. Die Stärke des Mitdralls hängt von der Stromstärke, mit welcher die Spule 20 beaufschlagt wird, ab. Ein Abschirmblech 22 aus Stahl schirmt das Verdichterrad 6 von der bremsenden Wirkung des Magnetfeldes ab.
Zusätzlich zur voranstehenden schriftlichen Offenbarung der Erfindung wird hiermit ausdrücklich auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in der beigefügten Figur Bezug genommen.

1: Abgasturbolader
2: Radialturbine
2A: Turbinengehäuse
2B: Turbinenrad
3: Welle
4: Radialverdichter
5: Verdichtergehäuse
6: Verdichterrad
7: Leitrad/Axialrad
8: Schaufel
9: Drehachse
10: Kugellager
11: Luftlagerung
12: Leitradnase
13: Strebe
14: Radialring
15: Eindrehung
16: Luftfilm
17: Bohrung
18: Kanal
19: Anzapfung
20: Spule
21: Joch
22: Abschirmblech
23: Verdichtergehäuseeinlass
24: Eintritt
L: Luftmassenstrom
α: Anstellwinkel

Claims

Abgasturbolader (1) – mit einer Radialturbine (2), die ein in einem Turbinengehäuse (2A) angeordnetes Turbinenrad (2B) aufweist; und – mit einem Radialverdichter (4), der ein über eine eine Drehachse (9) aufweisende Welle (3) mit dem Turbinenrad (2B) verbundenes Verdichterrad (6) aufweist, das in einem Verdichtergehäuse (5) angeordnet ist, das einen Verdichtergehäuseeinlass (23) aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass im Verdichtergehäuseeinlass (23) ein Vorleitgitter (7) angeordnet ist, das frei um die Drehachse (9) drehbar ist und feststehende Strömungsleitelemente (8) aufweist, die in einem vorbestimmbaren Anstellwinkel (α) zum in den Verdichtergehäuseeinlass (23) eintretenden Luftmassenstrom (L) angeordnet sind.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorleitgitter als Leitrad (7) ausgebildet ist, das als Strömungsleitelemente Schaufeln (8) aufweist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorleitgitter (7) aus einem metallischem Werkstoff geringer Dichte, z. B. Aluminium, besteht.
Abgasturbolader nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitrad (7) um die Drehachse (9) mit einer Kugellagerung (10) gelagert ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitrad (7) eine Leitradnase (12) aufweist, die mit mindestens drei Streben (13) am Verdichtergehäuseeinlass (23) befestigt ist, um die Kugellagerung (10) in Position zu halten, und die eine aerodynamische Formgebung aufweist.
Abgasturbolader nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitrad (7) am Umfang mit einer Luftlagerung (11) versehen ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitrad (7) am Umfang einen Radring (14) aufweist.
Abgasturbolader nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, der Radring (14) des Leitrades (7) in einer dafür vorgesehenen Eindrehung (15) im Einlaufbereich des Verdichtergehäuses (5) auf einem Luftfilm (16) gleitet.
Abgasturbolader nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Umfang des Verdichtergehäuseeinlasses (23) verteilte Bohrungen (17) zur Speisung des Luftfilms (16) mit einem bestimmten Luftdruck vorgesehen sind.
Abgasturbolader nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (17) innerhalb des Verdichtergehäuses (5) in einen Kanal (18) münden, welcher mit einem bestimmten Luftdruck gespeist wird.
Abgasturbolader nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftversorgung des Kanals (18) entweder extern oder durch eine Anzapfung (19) am Verdichter (4) erfolgt.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Umfang des Leitrades (7) im Verdichtergehäuse (5) mindestens drei im gleichen Abstand positionierte Elektromagnete mit jeweils einer Spule (20) und einem Joch (21) aus geblechtem Stahl verankert sind, die bei Strombeaufschlagung ein Magnetfeld erzeugen, welches in Folge von Wirbelströmen im Radring (14) eine bremsende Wirkung auf das Leitrad (7) ausübt, dessen Drehzahl verringert und dem Luftmassenstrom (L) somit einen Vordrall in Form eines Mitdralls, erteilt.
Abgasturbolader nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Elektromagneten und dem Verdichterrad (6) am Verdichtergehäuse (5) ein ringförmiges Abschirmblech (22) aus Stahl zur Abschirmung des Verdichterrads (6) vor der bremsenden Wirkung des Magnetfeldes angeordnet ist.