DE102008039507A1

DE102008039507A1 - Ladeeinrichtung

Info

Publication number: DE102008039507A1
Application number: DE102008039507A
Authority: DE
Inventors: Guido Daimer; Andreas Wengert; 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 (5) bildenden Turbinengehäuse (4) umgeben ist. Erfindungswesentlich ist dabei, dass eine Verstelleinrichtung (8) vorgesehen ist, mit welcher ein Querschnitt des Schneckengangs (5) über dessen gesamte Länge veränderbar ist.

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 hauptsächlich 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 sogenannten 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, beispielsweise bei einem Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, in einem ein Turbinenrad umgebenden Schneckengang eine Verstelleinrichtung vorzusehen, mit welcher ein Querschnitt des Schneckengangs über dessen gesamte Länge verstellbar ist. Dies bietet im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, bei welchen lediglich ein Eintrittsquerschnitt des Schneckengangs verändert wird und danach dem heißen Abgas durch Expansion wieder Energie entzogen wird, den großen Vorteil, dass auch bei einer Verstellbewegung der Verstelleinrichtung der sich kontinuierlich verjüngende Querschnitt des Schneckengangs beibehalten werden kann und dadurch die Geschwindigkeit des zum Turbinenrad strömenden heißen Abgases stetig gesteigert und nicht durch Expansion verringert wird. Durch die Veränderung des Querschnitts des Schneckenganges über dessen gesamte Länge treten somit die aus dem Stand der Technik bekannten und zu einem herabgesetzten Wirkungsgrad führenden Expansionen des in den Schneckengang einströmenden Abgases nicht auf, so dass das Abgas unabhängig von der Stellbewegung der Verstelleinrichtung kontinuierlich auf seinem Weg zum Turbinenrad beschleunigt wird, wodurch ein besonders hoher Wirkungsgrad erzielt werden kann. Die Verstelleinrichtung stellt dabei eine kostengünstige Alternative zu einer variablen Turbinengeometrie dar, welche insbesondere bei Ottomotoren aufgrund der dort herrschenden hohen Abgastemperaturen, ohnehin nur schwer zu realisieren sind.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, weist die Verstelleinrichtung eine entlang des Schneckengangs verlaufende verstellbare Wand auf, die einen Ends fest an einem Ausgang des Schneckengangs und anderen Ends indirekt über ein betätigbares Verstellelement an einem Eingang des Schneckengangs befestigt ist. Weitere Befestigungen der verstellbaren Wand innerhalb des Schneckenganges sind nicht vorgesehen, so dass bei einer Verstellbewegung des am Eingang des Schneckengangs vorgesehenen Verstellelementes die verstellbare Wand hinsichtlich ihrer Lage und ihrer Krümmung derart verändert wird, dass ein Querschnitt des durch die verstellbare Wand begrenzten Schneckengangs über dessen gesamte Länge kontinuierlich verkleinert bzw. vergrößert wird. Die verstellbare Wand ist dabei aus einem zumindest in gewissem Maße flexiblen Material, beispielsweise Blech, ausgebildet und legt sich vorzugsweise bei nicht aktivierter Verstelleinrichtung an eine äußere Wand des Schneckengangs an, so dass in dieser Stellung der komplette Schneckengang von Abgas durchströmt werden kann. Neben dem flexiblen Material für die verstellbare Wand ist auch der Einsatz eines festen Materials denkbar, das zwar konstruktiv einfacher zu realisieren ist, dafür aber Nachteile im Querschnittsverlauf über dem Umfang und daraus resultierend Nachteile im Turbinenwirkungsgrad aufweisen kann.
Bei aktivierter Verstelleinrichtung hingegen, wird die verstellbare Wand vom Verstellelement von der Außenwand des Schneckengangs weg bewegt, wodurch sich diese entlang ihrer gesamten Länge stärker krümmt und dadurch den für das heiße Abgas zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnitt des Schneckengangs kontinuierlich verringert. Eine derartig verstellbare Wand lässt sich dabei einerseits konstruktiv einfach herstellen und andererseits kostengünstig fertigen, ebenso wie das am Eingang des Schneckengangs vorgesehene Verstellelement. Eine Verstellung des Verstellelementes kann dabei in üblicher Weise, beispielsweise mittels einer elektrischen Stelleinrichtung oder einer Druckdose, erfolgen, so dass die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung mit bereits bekannten Stelleinrichtungen kombinierbar ist.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige 1 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung.
Entsprechend der 1, weist eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung 1, eine, ein Turbinenrad 2 tragende Welle 3 sowie ein das Turbinenrad 2 umgebendes Turbinengehäuse 4 auf. Im Turbinengehäuse 4 ist dabei ein Schneckengang 5 vorgesehen, welcher sich konisch verjüngend zum Turbinenrad 2 hin windet. Der Schneckengang 5 weist dabei an seinem Eingang 6 einen deutlich größeren Querschnitt auf, als an seinem Ausgang 7, an welchem er zum Turbinenrad 2 hin mündet. Durch die sich bezüglich der gesamten Erstreckung des Schneckengangs 5 stetig reduzierende Querschnittsform, kann das im Schneckengang 5 transportierte Heißgas, beispielsweise Abgas von einem Verbrennungsmotor, zunehmend beschleunigt werden, bis es mit hoher Geschwindigkeit auf das Turbinenrad 2 trifft und dieses antreibt.
Um dabei die Ladeeinrichtung 1 an unterschiedliche Lastanforderungen flexibel anpassen zu können, ist erfindungsgemäß eine Verstelleinrichtung 8 vorgesehen, mit welcher ein Querschnitt des Schneckengangs 5 über dessen gesamte Länge veränderbar ist. Die Verstelleinrichtung 8 fasst dabei eine entlang des Schneckengangs 5 verlaufende verstellbare Wand 9, die einen Ends fest am Ausgang 7 des Schneckengangs 5 und anderen Ends indirekt über ein betätigbares Verstellelement 10 am Eingang 6 des Schneckengangs 5 befestigt ist. Das Verstellelement 10 ist gemäß der 1 dabei als Verstellklappe ausgebildet, die einerseits gelenkig mit einer äußeren Wand des Schneckengangs 5 und andererseits gelenkig mit der verstellbaren Wand 9 der Verstelleinrichtung 8 verbunden ist. Durch eine Verdrehbewegung des Verstellelementes 10 um dessen Achse 11, wird der für das heiße Abgas zur Verfügung stehende Querschnitt des Schneckenganges eingeschränkt bzw. vergrößert. Die Verstellbewegung des Verstellelementes 10, kann dabei in üblicher Weise von einer herkömmlichen Stelleinrichtung, beispielsweise mit einem elektrischen Steller oder mit einer Druckdose, bewältigt werden.
Bei nicht aktivierter Verstelleinrichtung 8, liegt das Verstellelement 10 an einer Außenwand 12 des Schneckengangs 5 an, so dass am Eingang 6 des Schneckenganges 5 der Querschnitt A1 zur Verfügung steht. Bei aktivierter Verstelleinrichtung 8, werden sowohl das Verstellelement 10 und über dieses die verstellbare Wand 9 von der Außenwand 12 des Schneckengangs 5 gelöst, so dass sich deren radialer Abstand zum Turbinenrad 2 bzw. zu einer Achse 3 des Turbinenrades 2 und damit auch ein für das Heißgas zur Verfügung stehender Strömungsquerschnitt verkleinern. Bei der gemäß der 1 dargestellten aktivierten Verstelleinrichtung 8, hat sich der für das Heißgas zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt am Eingang 6 des Schneckengangs 5 von ursprünglich A1 auf A2 reduziert. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass die Reduzierung des für das Heißgas zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnittes A über die gesamte Länge des Schneckengangs 5 erfolgt, so dass eine Expansion des Querschnitts des Schneckengangs 5 und damit verbunden eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des heißen Abgases, zuverlässig vermieden werden kann.
Im Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten Schiebern bzw. Klappen, welche lediglich in einem bestimmten Bereich eines Schneckengangs eine Querschnittsveränderung vornehmen, wird bei einem Betätigen der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung 8 der Querschnitt A des Schneckengangs 5 über die gesamte Länge desselben verändert und zwar in vorteilhafter Weise derart, dass sich der an sich vorhandene konisch verjüngende Querschnitt A in reduzierter Weise wiederfinden lässt. Darüber hinaus kann mittels der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung 8 auch ein Anströmwinkel das Turbinenrad 2 beeinflusst werden.
Selbstverständlich kann dabei die erfindungsgemäße verstellbare Wand 9 einteilig oder aus mehreren Elementen zusammengesetzt ausgebildet sein, wobei allen Ausführungsformen gemein ist, dass die verstellbare Wand 9 eingangsseitig gelenkig am Verstellelement 10 und ausgangsseitig des Schneckengangs 5 gelenkig am Turbinengehäuse 4 angeordnet ist. Die verstellbare Wand 9 ist dabei vorzugsweise federnd ausgebildet, so dass eine Rückstellung des Verstellelementes 10 vorzugsweise allein mittels der zuvor über das Verstellelement 10 auf die verstellbare Wand 9 aufgebrachte Federkraft, möglich ist.
Mit der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung 8 ist es somit möglich, eine bisher aufwändig konstruierte variable Turbinengeometrie zu ersetzen bzw. eine variable Turbinengeometrie auch für Ottomotoren mit deren heißen Abgasen von bis zu 1050°, einsatzfähig zu machen. Die Verstelleinrichtung 8 ist dabei konstruktiv einfach aufgebaut und lässt sich kostengünstig herstellen sowie an bereits im Gebrauch befindliche Stelleinrichtungen, wie beispielsweise eine Druckdose, einfach anpassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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

Claims

Ladeeinrichtung (1), insbesondere ein Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, mit einem Turbinerad (2), das von einem, einen Schneckengang (5) bildenden Turbinengehäuse (4) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verstelleinrichtung (8) vorgesehen ist, mit welcher ein Querschnitt des Schneckengangs (5) über dessen gesamte Länge veränderbar ist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (8) eine entlang des Schneckengangs (5) verlaufende verstellbare Wand (9) aufweist, die einenends fest an einem Ausgang (7) des Schneckengangs (5) und anderenends indirekt über ein betätigbares Verstellelement (10) an einem Eingang (6) des Schneckengangs (5) befestigt ist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement (10) als Verstellklappe ausgebildet ist, die einerseits gelenkig mit einer Wand (9) des Schneckengangs (5) und andererseits gelenkig mit der Wand (9) der Verstelleinrichtung (8) verbunden ist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbare Wand (9) bei nicht aktivierter Verstelleinrichtung (8) an einer Innenfläche einer Außenwand (12) des Schneckengangs (5) anliegt, während sie bei aktivierter Verstelleinrichtung (8) vom Verstellelement (10) von dieser Innenfläche der Außenwand (12) gelöst und stärker gekrümmt ist, so dass sich deren radialer Abstand zum Turbinenrad (2) verkleinert.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass über die Verstelleinrichtung (8) ein Anströmwinkel auf das Turbinenrad (2) einstellbar ist.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbare Wand (9) einteilig oder aus mehreren Elementen zusammengesetzt ausgebildet ist.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbare Wand (9) aus einem flexiblen Material ausgebildet ist und/oder dass das Verstellelement (10) flexibel ausgebildet ist.