DE102008039506A1

DE102008039506A1 - Ladeeinrichtung

Info

Publication number: DE102008039506A1
Application number: DE102008039506A
Authority: DE
Inventors: Guido Daimer; Martin Rauscher
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2008-08-23
Filing date: 2008-08-23
Publication date: 2010-02-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung (1), insbesondere einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, mit einem Turbinenrad (2), das von einem, einen Schneckengang (4) bildenden Turbinengehäuse (3) umgeben ist. Erfindungswesentlich ist dabei, dass der Schneckengang (4) zumindest zwei Teilquerschnitte (4a, 4b) aufweist, welche in einem ersten Bereich des Schneckengangs (4) von zumindest einer sich entlang des Schneckengangs (4) erstreckenden, unbeweglichen Trennwand (7) voneinander getrennt sind, und dass anschließend an die unbewegliche Trennwand (7) eine verstellbare Trennwand (8) vorgesehen ist, mit welcher zumindest ein Teilquerschnitt (4b) des Schneckengangs (4) zu- oder abgeschaltet werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ladeeinrichtungen, wie beispielsweise Abgasturbolader, finden im modernen Kraftfahrzeugbau zur Steigerung der Leistung des Verbrennungsmotors Anwendung. Derartige Ladeeinrichtungen bestehen in üblicher Weise aus einer Turbine, welche heißem Abgas unter hohem Druck Energie entzieht und einem Verdichter, der die Ansaugluft unter Ausnutzung von der von der Turbine zur Verfügung gestellten Energie komprimiert. Dabei werden im Kraftfahrzeugbereich heute üblicherweise ausschließlich sogenannte Radialmaschinen eingesetzt. Um dabei unterschiedlichsten Lastzuständen gerecht werden zu können, sind bereits seit einiger Zeit sogenannte variable Turbinengeometrien im Einsatz. Die variablen Turbinengeometrien werden dabei üblicherweise für Dieselmotoren eingesetzt, während bei Ottomotoren eine Steuerung des Abgasturboladers üblicherweise über ein Wastegateventil erfolgt. Darüber hinaus sind auch weitere Lösungen, beispielsweise zur Veränderung einer Turbineneintrittsgeometrie, bekannt.
Aus der DE 101 12 551 A1 ist eine gattungsgemäße Ladeeinrichtung bekannt, bei welcher ein Turbinenrad von einem, einen Schneckengang bildenden Turbinengehäuse, umgeben ist. Der Schneckengang ist dabei in mehrere, im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Einzelgänge unterteilbar, wobei die Unterteilung mittels eines an einem Einlass des Schneckengangs angeordneten Stellventils bewirkt wird.
Aus der JP 2003 322 025 ist eine weitere Ladeeinrichtung bekannt, mit ebenfalls mehreren, konzentrisch zueinander angeordneten Schneckengängen, wobei von einem ebenfalls an einem Eingang des Schneckengangs angeordneten Stellventil, je nach erforderten Leistungsbedarf, einzelne Schneckengänge zu- bzw. abgeschaltet werden.
Nachteilig bei aufgezeigtem Stand der Technik ist dabei, dass die zu einer Lastwechselanpassung verwendeten variablen Turbinengeometrien insbesondere für einen Einsatz bei einem Ottomotor und den dabei verbundenen höheren Abgastemperaturen von bis zu 1050°C, nur mit erheblichem Aufwand realisierbar sind.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Ladeeinrichtung der gattungsgemäßen Art, eine kostengünstigere und den Wirkungsgrad optimierende Ausführungsform anzugeben.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Ladeeinrichtung, bspw. bei einem Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, in einem ein Turbinenrad umgebenden Schneckengang zumindest zwei Teilquerschnitte vorzusehen, welche eingangsseitig von einer unbeweglichen, dass heißt starren, Trennwand voneinander getrennt werden und im weiteren Verlauf von einer verstellbaren Trennwand getrennt sind, die zumindest zwischen zwei Stellungen verstellbar ist, wobei in der einen Stellung zumindest ein Teilquerschnitt des Schneckengangs zu- oder abgeschaltet werden kann. In einer ersten Stellung wird somit lediglich ein Teilquerschnitt des Schneckengangs für den Abgasstrom freigegeben, was insbesondere für geringere Abgasströme vorteilhaft ist. Bei höheren Abgasströmen, kann der zweite oder ein weiterer Teilquerschnitt zugeschaltet werden, wodurch auch die Leistung des Abgasturboladers bzw. der Ladeeinrichtung gesteigert werden kann. Die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung mit der verstellbaren Trennwand besitzt im Vergleich zu einer variablen Turbinengeometrie eine deutlich geringere Komplexität und ist dadurch kostengünstig zu realisieren. Die bei Ottomotoren bisher üblicherweise eingesetzte einfache Ausführung mit einem Wastegateventil ist generell mit einem punktuell höheren aber über einen breiten Regelbereich relativ schlechten Wirkungsgrad verbunden, was mittels der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung ebenfalls kompensiert werden kann. Darüber hinaus bietet die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung, bspw. gegenüber der in der DE 101 12 551 A1 offenbarten Ladeeinrichtung, den Vorteil, dass Wirkungsgradverluste über den gesamten Massenstrombereich aufgrund der in der Regel ungleichen Beaufschlagung des Turbinenrads vermieden werden können. Die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung besitzt somit eine konstruktiv einfache und damit kostengünstige, zugleich aber effektive stellbare Volutengeometrie, mit welcher einfach auf auftretende Lastwechsel der Ladeeinrichtung reagiert werden kann. Darüber hinaus findet bei der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung die Teilbeaufschlagung, das heißt die Beaufschlagung lediglich eines Teilquerschnitts, nicht über den kompletten Massenstrombereich statt, so dass hohe Wirkungsgradverluste vermieden werden können. Von besonderem Vorteil neben der geringeren Komplexität ist auch die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung bei Ottomotoren einzusetzen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, überdecken die unbewegliche Trennwand und/oder die verstellbare Trennwand jeweils ca. 180°. Selbstverständlich ist dieses Verhältnis nicht als starr anzusehen, sondern kann zwischen der unbeweglichen und der verstellbaren Trennwand je nach A/R-Zielverlauf variiert werden. Denkbar ist hierbei insbesondere, dass bspw. die unbewegliche Trennwand ca. 270° abdeckt, während die verstellbare Trennwand lediglich 90° abdeckt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist die verstellbare Trennwand einenends an einem betätigbaren Verstellelement angeordnet, welches in einer Außenwand des Schneckengangs sowohl gelenkig als auch translatorisch verstellbar gelagert ist. Hierdurch ist das Verstellelement nicht nur in der Lage, eine Drehbewegung auszuführen, sondern kann zugleich einer Bewegungsbahn eines Kopplungspunktes zwischen dem Verstellelement und der verstellbaren Trennwand folgen. Dabei ist das Verstellelement vorzugsweise derart gestaltet, dass die Durchführung desselben durch ein Turbinengehäuse nicht als Gelenk ausgeführt werden muss, sondern dass bspw. ein Drehpunkt des Verstellelements außerhalb des Turbinengehäuses liegt und über eine entsprechende Mechanik geführt werden kann. Hierzu kann bspw. das Verstellelement gebogen ausgeführt sein.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung in einer ersten Stellung der Verstelleinrichtung,
2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einer zweiten Stellung der Verstelleinrichtung.
Entsprechend den 1 und 2, weist eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung 1, ein Turbinenrad 2 sowie ein dieses umgebendes Turbinengehäuse 3 auf. Im Turbinengehäuse 3 ist dabei ein Schneckengang 4 vorgesehen, welcher sich konisch verjüngend zum Turbinenrad 2 hin windet. Der Schneckengang 4 weist dabei an seinem Eingang 5 einen deutlich größeren Querschnitt auf, als an seinem Ausgang 6, an welchem er zum Turbinenrad 2 hin mündet. Durch die sich bezüglich der gesamten Erstreckung des Schneckengangs 4 stetig reduzierende Querschnittsform, strömt das Abgas des Verbrennungsmotors mit konstanter Geschwindigkeit durch den Schneckengang 4 während gleichzeitig Gas gleichmäßig über den Umfang in das Turbinenrad 2 überströmt und dies antreibt.
Um dabei die Ladeeinrichtung 1 an unterschiedliche Lastanforderungen flexibel anpassen zu können, ist der Schneckengang 4 in zumindest zwei Teilquerschnitte 4a und 4b unterteilt, welche in einem ersten Bereich des Schneckengangs 4 von zumindest einer sich entlang des Schneckengangs 4 erstreckenden, unbeweglichen Trennwand 7 voneinander getrennt sind. Anschließend an die unbewegliche Trennwand 7 ist eine Verstelleinrichtung mit einer verstellbaren Trennwand 8 vorgesehen, mit welcher zumindest ein Teilquerschnitt 4a, 4b des Schneckengangs 4 zu- oder abgeschaltet werden kann.
Betrachtet man dabei die 1, welche die Stellung der verstellbaren Trennwand 8 für geringe Massenströme zeigt, so fällt auf, dass in dieser Stellung lediglich der Teilquerschnitt 4b für das Abgas durchlässig ist und somit das Abgas mit größerer Geschwindigkeit den Schneckengang 4 durchströmt und das Turbinenrad 2 antreibt. Demgegenüber steht bei einer Stellung der verstellbaren Trennwand 8, wie sie in 2 dargestellt ist, auch der Teilquerschnitt 4a als Strömungsquerschnitt für das Heißgas zur Verfügung, so dass hier mittlere bis hohe Massenströme zum Antrieb des Turbinenrads 2 genutzt werden können. Unabhängig von der Stellung der verstellbaren Trennwand 8 gilt jedoch, dass sich der Schneckengang 4 ausgehend vom Eingang 5 bis hin zum Ausgang 6 stetig verjüngt und dadurch keine, den Wirkungsgrad der Ladeeinrichtung 1 verringernde, Expansion des Heißgases innerhalb des Schneckengangs 4 auftreten kann.
Die verstellbare Trennwand 8 verläuft dabei entlang des Schneckengangs 4 und ist einenends gelenkig am Ausgang 6 des Schneckengangs 4 und anderenends gelenkig an einem betätigbaren Verstellelement 9 angeordnet. Das Verstellelement 9 ist dabei vorzugsweise sowohl gelenkig als auch translatorisch verstellbar in einer Außenwand 10 des Schneckengangs 4 gelagert.
Bei mittleren bis hohen Massenströmen, liegt die verstellbare Trennwand 8 an einer Innenfläche der Außenwand 10 des Schneckengangs 4 an, während sie bei geringeren Massenströmen lediglich eine Verlängerung der unbeweglichen, das heißt starren, Trennwand 7 bildet. Das Verstellelement 9 kann dabei gelenkig in oder an der Außenwand 10 des Turbinengehäuses 3 oder außerhalb desselben gelagert sein, wodurch eine aufwendige Lagerung des Verstellelements 9 in der Außenwand 10 des Turbinengehäuses 3 vermieden werden kann.
Gemäß den Darstellungen in den 1 und 2 überdecken die unbewegliche Trennwand 7 und die bewegliche Trennwand 8 jeweils 180° des Schneckengangs 4, wobei selbstverständlich auch denkbar ist, dass bspw. die unbewegliche, das heißt starre Trennwand 7 270° überdeckt, während die verstellbare Trennwand 8 lediglich 90° des Schneckengangs 4 überdeckt. Selbstverständlich ist dabei auch jedes andere Verhältnis der Überdeckung zwischen der unbeweglichen Trennwand 7 und der verstellbaren Trennwand 8 denkbar.
Mit der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung 1 kann die komplexe, aufwendige und dadurch teure variable Turbinengeometrie ersetzt werden und zugleich die Anwendung in einem Ottomotor ermöglicht werden, was bisher aufgrund der hohen Abgastemperaturen von bis zu 1050°C nicht möglich war. Die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung 1 verbreitert somit das Anwendungsspektrum und schafft darüber hinaus eine kostengünstige und weniger komplexe Alternative zur variablen Turbinengeometrie.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10112551 A1 [0003, 0008]
- JP 2003322025 [0004]

Claims

Ladeeinrichtung (1), insbesondere ein Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, mit einem Turbinerad (2), das von einem, einen Schneckengang (4) bildenden Turbinengehäuse (3) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, – dass der Schneckengang (4) zumindest zwei Teilquerschnitte (4a, 4b) aufweist, welche in einem ersten Bereich des Schneckengangs (4) von zumindest einer sich entlang des Schneckengangs (4) erstreckenden, unbeweglichen Trennwand (7) voneinander getrennt sind, – dass anschließend an die unbewegliche Trennwand (7) eine verstellbare Trennwand (8) vorgesehen ist, mit welcher zumindest ein Teilquerschnitt (4b) des Schneckengangs (4) zu- oder abgeschaltet werden kann.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbare Trennwand (8) entlang des Schneckengangs (4) verläuft und einenends gelenkig an einem Ausgang (6) des Schneckengangs (4) und anderenends gelenkig an einem betätigbaren Verstellelement (9) angeordnet ist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement (9) in einer Außenwand (10) des Schneckengangs (4) sowohl gelenkig als auch translatorisch verstellbar gelagert ist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement (9) als Verstellklappe ausgebildet ist, die einerseits gelenkig mit der Außenwand (10) des Schneckengangs (4) und andererseits gelenkig mit der verstellbaren Trennwand (8) verbunden ist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbare Trennwand (8) bei einer ersten Stellung an einer Innenfläche der Außenwand (10) des Schneckengangs (4) anliegt, während sie bei einer zweiten Stellung eine Verlängerung der unbeweglichen Trennwand (7) bildet.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass über die verstellbare Trennwand (8) ein Anströmwinkel auf das Turbinenrad (2) einstellbar ist.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die unbewegliche Trennwand (7) und/oder die verstellbare Trennwand (8) 180° des Schneckengangs (4) überdecken.