DE102009007390A1

DE102009007390A1 - Ladeeinrichtung mit einer variablen Turbinengeometrie

Info

Publication number: DE102009007390A1
Application number: DE102009007390A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. Stein; Timo Tries; Gunter Winkler
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2009-02-05
Filing date: 2009-02-05
Publication date: 2010-08-12
Anticipated expiration: 2029-02-06
Also published as: DE102009007390B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung mit einer variablen Turbinengeometrie (1), insbesondere einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug. Besonders vorteilhaft an dieser Konstruktionsweise einer variablen Turbinengeometrie (1) mit mehreren Distanzkörpern (4, 12) in einem Zuströmraum (10) ist die Aufweitung eines zwischen dem Distanzkörper (4, 12) und einer Leitschaufel (2, 5) angeordneten Strömungskanals (6) durch Ausformungen (11, 13) an der Leitschaufel (5) und/oder an dem Distanzkörper (12). Durch die Ausformungen (11, 13) wird zum einen der durch die Distanzkörper (4, 12) verursachte Drosseleffekt verringert und zum anderen werden auf die Leitschaufeln (2, 5) wirkende, durch den Bernoullieffekt im Strömungspfad (6) verursachte Kräfte verringert. Dies führt gerade in einer minimal geöffneten Leitschaufelstellung zu einem höheren Wirkungsgrad der Ladeeinrichtung und einem geringeren Verschleiß der Leitschaufeln (2, 5), die den Strömungspfad (6) begrenzen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung mit einer variablen Turbinengeometrie, insbesondere einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In Abgasturboladern mit einer variablen Turbinengeometrie können üblicherweise in einem Zuströmraum, in dem auch mehrere verstellbare Leitschaufeln angeordnet sind, mehrere Distanzkörper installiert werden, über die sich zwei Wände des Zuströmraumes axial aneinander abstützen. Diese Distanzkörper werden benötigt, damit eine Verstellbarkeit der Leitschaufeln gewährleistet ist. So beschreibt die EP 1 327 749 A1 mehrere Distanzkörper, die in dem Zuströmraum in der Nähe der Leitschaufeln angeordnet sind. Es wird versucht, einen durch die Distanzkörper auftretenden negativen aerodynamischen Effekt dadurch zu kompensieren, dass die Distanzkörper vor den Leitschaufeln angeordnet werden, wenn diese in einer mittleren Leitschaufelstellung positioniert sind. Dabei liegt die mittlere Leitschaufelstellung zwischen einer maximal geöffneten Leitschaufelstellung und einer minimal geöffneten Leitschaufelstellung. Durch eine solche Art der Anordnung der Distanzkörper vor den in einer mittleren Leitschaufelstellung eingestellten Leitschaufeln ist im Vergleich zu einer anderen Positionierung der Distanzkörper der negative aerodynamische Effekt der Distanzkörper vor allem bei einem geringen Abgasstrom in der minimal geöffneten Leitschaufelstellung reduziert und eine Turbineneffizienz erhöht.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Ladeeinrichtung der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen verringerten negativen aerodynamischen Effekt der Distanzkörper und eine damit einherge hende, erhöhte Turbineneffizienz und Lebensdauer der Ladeeinrichtung auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine durch das Einbringen der Distanzkörper in den Zuströmraum verursachte Veränderungen bzw. Verengungen mehrerer, durch jeweils zwei benachbarte Leitschaufeln begrenzter Zuströmkanäle mittels zumindest einer Formänderung, wie z. B. eine Delle, eine Aussparung oder dergleichen, an zumindest einem Distanzkörper und/oder an zumindest einer Leitschaufel zumindest teilweise auszugleichen. Durch eine solche Formänderung soll die durch die Distanzkörper verursachte Verengung wieder mehr oder weniger aufgeweitet werden. Dabei können dort wo Distanzkörper angeordnet sind, zumindest ein Distanzkörper und/oder zumindest eine Leitschaufel so ausgeformt sein, dass in der minimal geöffneten Leitschaufelstellung in einem zwischen einem solchen Distanzkörper und einer solchen Leitschaufel angeordneten Strömungspfad der kleinste Abstand zwischen dem Distanzkörper und der Leitschaufel mindestens 75% des kleinsten Abstandes zwischen den beiden aufeinanderfolgenden, den Zuströmkanal ausbildenden Leitschaufeln beträgt. Vorteilhaft an dieser Ausführungsform sind eine Reduzierung des durch die Distanzkörper verursachten Drosseleffekts und eine Verringerung von Kräften, die auf eine den Strömungspfad begrenzende Leitschaufel wirken und die durch z. B. den Bernoullieffekt hervorgerufen werden, aber aufgrund einer Aufweitung des Strömungspfades ausgeglichen werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Mittellinie einer Leitschaufel mit zumindest einer Ausformung eine Krümmung ohne Krümmungsumkehr auf oder ist gerade. Dabei kann sich im Falle einer Krümmung die Stärke der Krümmung verändern, jedoch ohne dass ein Wendepunkt oder Bogenwechsel in der Mittellinie auftritt. Eine solche Mittellinie der Leitschaufel kann bevorzugt durch Ausformung einer zweiten Delle auf der vom Distanzkörper abgewandten Seite der Leitschaufel ausgebildet werden.
Um die durch den Distanzkörper verursachte Verengung zu kompensieren und eine Aufweitung dieser Verengung zu erreichen, kann sowohl der Distanzkörper als auch die Leitschaufel an den zueinander zugewandten Seiten Ausformungen wie z. B. eine Delle, eine Ausbuchtung eine Krümmung, eine Abflachung, eine Taillierung, eine Längenmodifikation, eine Dickenmodifikation, eine Modifikation des Längen-/Dickenverhältnisses und/oder eine Profilierung aufweisen. Vorteilhaft ist dabei die gleichzeitige Ausformung an Distanzkörper und Leitschaufel, da in diesem Fall die durch den Distanzkörper verursachte Verengung vollständig kompensiert werden kann. Dabei ist auch in dieser Ausführungsform die Kompensation der Verengung am sinnvollsten, wenn ein geringer Abgasstrom vorliegt und somit die Leitschaufeln minimal geöffnet sind.
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.
Es zeigen, jeweils schematisch
1 eine Aufsicht auf einen Ausschnitt einer variablen Turbinengeometrie einer Ladeeinrichtung mit einer an einen Strömungspfad angepassten Leitschaufel,
2 eine Aufsicht auf einen Ausschnitt der variablen Turbinengeometrie der Ladeeinrichtung mit einem an den Strömungspfad angepassten Distanzkörper,
3 eine Aufsicht auf einen Ausschnitt der variablen Turbinengeometrie der Ladeeinrichtung mit einer Leitschaufel und einem Distanzkörper, die beide an den Strömungspfad angepasst sind,
4 eine Aufsicht auf einen Ausschnitt der variablen Turbinengeometrie der Ladeeinrichtung gemäß 3 mit einer weiteren Ausformung an der angepassten Leitschaufel.
Entsprechend den 1 bis 4 umfasst eine Ladeeinrichtung 16 eine variable Turbinengeometrie 1. Diese ist mit mehreren, unverändert ausgebildeten Leitschaufeln 2, einem Leitschaufelträger 3, mehreren Distanzkörpern 4, mehreren angepassten Leitschaufeln 5 und mehreren zwischen dem Distanzkörper 4 und der angepassten Leitschaufel 5 angeordneten Strömungspfaden 6 ausgestattet. Die Leitschaufeln 2, 5 sind dabei in der minimal geöffneten Leitschaufelstellung dargestellt. Die einzelnen Komponenten sind hierbei so aufeinander abgestimmt, dass in dieser minimal geöffneten Leitschaufelstellung ein kleinster Abstand 7 im Strömungspfad 6 mindestens 75% eines kleinsten Abstandes 8 zwischen den beiden aufeinanderfolgenden, einen Zuströmkanal 9 ausbildenden Leitschaufeln 2, 5 beträgt. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann der kleinste Abstand 7 im Strömungspfad 6 mindestens 80% oder mindestens 100% des kleinsten Abstandes 8 betragen.
Erreicht wird diese Geometrie im Strömungspfad 6 z. B. durch folgende Maßnahmen:
Gemäß 1 kann eine in einem Zuströmraum 10 durch den Distanzkörper 4 verursachte störende Beeinflussung einer Zuströmung von Gasen z. B. durch eine Ausformung 11 in Form einer Delle an der angepassten Leitschaufel 5 zumindest teilweise kompensiert werden. Dabei sind auch andere Ausformungen 11, wie z. B. eine Ausbuchtung, eine Krümmung, eine Taillierung, eine Längen-modifikation, eine Dickenmodifikation, eine Modifikation des Längen-/Dickenverhältnisses und/oder ein Profilierung, denkbar. Ebenfalls ist es möglich, dass der Abstand 7 im Strömungspfad 6 in einem Teilabschnitt des Strömungspfades 6 konstant bleibt oder sich über den gesamten Strömungspfad 6 hin ändert.
In 2 ist eine mögliche Ausführungsform einer variablen Turbinengeometrie 1 mit einem angepassten Distanzkörper 12 dargestellt. Auch hier wird die durch den Distanzkörper 12 verursachte Verengung kompensiert, allerdings durch eine Ausformung 13 am Distanzkörper 12 selbst. Dadurch wird auch hier der Strömungspfad 6 zwischen dem Distanzkörper 12 und einer in diesem Fall unveränderten Leitschaufel 2 aufgeweitet.
In einer anderen Ausführungsform gemäß der 3 sind sowohl der Distanzkörper 12 als auch die dem Distanzkörper 12 gegenüber angeordnete Leitschaufel 5 mit Ausformungen 13, 11 versehen, die allerdings in diesem Fall geringer ausgebildet sein können als die entsprechenden Ausformungen 11, 13 gemäß den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen.
Analog zu der in 3 dargestellten Ausführungsform ist in der in 4 gezeigten Ausführungsform sowohl der angepasste Distanzkörper 12 als auch die angepasste Leitschaufel 5 mit Ausformungen 11, 13 ausgestattet, jedoch enthält die angepasste Leitschaufel 5 hier zusätzlich zur Ausformung 11 eine weitere Ausformung 14, die an der dem angepassten Distanzkörper 12 abgewandten Seite der angepassten Leitschaufel 5 angeordnet ist. Durch diese weitere Ausformung 14 an der angepassten Leitschaufel 5 ist es möglich, dass eine Mittellinie 15 der angepassten Leitschaufel 5 so ausgebildet ist, dass sie keinen Wendepunkt besitzt. In diesem Fall wechselt die Krümmungsrichtung der Mittellinie 15 nicht. Es ist allerdings möglich, dass die Mittellinie 15 sowohl gerade ausgebildet ist, als auch einen zumindest in einem Teilbereich der Mittellinie 15 konstant ausgebildeten Krümmungsradius oder einen veränderliche Krümmungsradius aufweist.
Vorteilhaft an der Aufweitung des Strömungspfades 6 zwischen dem Distanzkörper 4, 12 und der Leitschaufel 2, 5, ist zum einen die Verringerung der durch den Distanzkörper 4, 12 in dem Zuströmraum 10 verursachten Verengung, wodurch aufgrund des geringeren Gaswiderstandes vor allem in der minimal geöffneten Leitschaufelstellung ein höherer Wirkungsgrad einer Ladeeinrichtung mit einer solchen variablen Turbinengeometrie 1 erreicht wird, als auch die Verringerung der durch den Bernoullieffekt auftretenden Kraftwirkung auf die dem Distanzkörper 4, 12 gegenüberliegenden Leitschaufel 2, 5. Durch die Aufweitung des Strömungspfades 6 in Folge der Ausformungen 11, 13 ist die durch den Bernoullieffekt auftretende Kraftwirkung auf die Leitschaufeln 2, 5 deutlich verringert und der Verschleiß gerade bei diesen den Distanzkörpern 4, 12 gegenüberliegenden Leitschaufeln 2, 5 erheblich reduziert.
Da nicht in der Nähe jedes Zuströmkanals 9 ein Distanzkörper 4, 12 zwingend angeordnet sein muss, treten auch durch jeweils zwei aufeinander folgende Leitschaufeln 2, 5 begrenzte Zuströmkanäle 9 auf, die frei von einer durch einen Distanzkörper 4 verursachten Verengung sind. Dabei kann es unerheblich sein, ob die Distanzkörper 4, 12 in und/oder vor und/oder nach einem Zuströmkanal 9 angeordnet sind oder ob die Distanzkörper 4, 12 vor und/oder nach den Leitschaufeln 2, 5 positioniert sind. Wo auch immer die Distanzkörper 4, 12 angeordnet sind, ist es grundsätzlich möglich, die durch die Distanzkörper 4 verursachten Verengungen bzgl. der minimal geöffneten Leitschaufelstellung zumindest teilweise durch Anpassung der Leitschaufeln 2 und/oder Anpassung der Distanzkörper 4 zu kompensieren. Bevorzugt ist jedoch die hier gezeigte mittige Anordnung der Distanzkörper 4, 12 bzgl. der bei minimal geöffneter Leitschaufelstellung benachbarten Leitschaufel 2, 5.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1327749 A1 [0002]

Claims

Ladeeinrichtung mit einer variablen Turbinengeometrie, insbesondere Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, umfassend – mehrere in einem Zuströmraum (10) verstellbar angeordnete Leitschaufeln (2, 5), die den Zuströmraum (10) in Umfangsrichtung in mehrere Zuströmkanäle (9) unterteilen, – zwei den Zuströmraum (10) begrenzende Wände, – mehrere Distanzkörper (4, 12), über die sich die beiden Wände des Zuströmraumes (10) axial aneinander abstützen, – eine minimale Leitschaufelstellung mit einem minimalen Querschnitt der Zuströmkanäle (10), – einem zwischen Distanzkörper (4, 12) und Leitschaufel (2, 5) angeordneten Strömungspfad (6), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Distanzkörper (12) und/oder zumindest eine Leitschaufel (5) so aufgeformt ist/sind, dass in der minimalen Leitschaufelstellung im Strömungspfad (6) der kleinste Abstand (7) zwischen Distanzkörper (4, 12) und Leitschaufel (2, 5) mindestens 75% des kleinsten Abstandes (8) zwischen den beiden aufeinander folgenden, den Zuströmkanal (9) ausbildenden Leitschaufeln (2, 5) beträgt.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Distanzkörper (4, 12) in und/oder vor und/oder nach zumindest einem durch jeweils zwei aufeinander folgenden Leitschaufeln (2, 5) ausbildenden Zuströmkanal (9) angeordnet ist.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Distanzkörper (4, 12) vor und/oder nach zumindest einer Leitschaufel (2, 5) angeordnet ist.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein durch jeweils zwei aufeinander folgenden Leitschaufeln (2, 5) begrenzter Zuströmkanal (9) frei von einer durch zumindest einen Distanzkörper (4, 12) verursachten Verengung ist.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Leitschaufel (5) zumindest eine Ausformung (11, 14) auf der dem Distanzkörper (4, 12) zugewandten und/oder abgewandten Seite aufweist, umfassend – eine Delle, – eine Ausbuchtung, – eine Krümmung, – eine Tailierung, – eine Längenmodifikation, – eine Dickenmodifikation, – eine Modifikation des Längen-/Dickenverhältnis, – eine Profilierung.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Distanzkörper (12) zumindest eine Ausformung (13) auf der der Leitschaufel (2, 5) zugewandten Seite aufweist, umfassend – eine Delle, – eine Ausbuchtung, – eine Abflachung, – eine Krümmung, – eine Tailierung, – eine Längenmodifikation, – eine Dickenmodifikation, – eine Modifikation des Längen-/Dickenverhältnis, – eine Profilierung.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Distanzkörper (12) und/oder zumindest eine Leitschaufel (5) zumindest eine Ausformung (11, 13) aufweist, so dass in der minimalen Leitschaufelstellung im Strömungspfad (6) der kleinste Abstand (7) zwischen Distanzkörper (4, 12) und Leitschaufel (2, 5) mindestens 80% des kleinsten Abstandes (8) zwischen den beiden aufeinander folgenden, den Zuströmkanal (9) ausbildenden Leitschaufeln (2, 5) beträgt.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Distanzkörper (12) und/oder zumindest eine Leitschaufel (5) zumindest eine Ausformung (11, 13) aufweist, so dass in der minimalen Leitschaufelstellung im Strömungspfad (6) der kleinste Abstand (7) zwischen Distanzkörper (4, 12) und Leitschaufel (2, 5) mindestens 100% des kleinsten Abstandes (8) zwischen den beiden aufeinander folgenden, den Zuströmkanal (6) ausbildenden Leitschaufeln (2, 5) beträgt.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Distanzkörper (12) und/oder zumindest eine Leitschaufel (5) zumindest eine Ausformung (11, 13) aufweist, so dass in der minimalen Leitschaufelstellung der Strömungspfad (6) einen Bereich mit gleich bleibendem Abstand zwischen Distanzkörper (4, 12) und Leitschaufel (2, 5) aufweist.
Ladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittellinie (15) der Leitschaufel (5) mit zumindest einer Ausformung (11, 14) keinen Wendepunkt aufweist.