DE102009012130A1

DE102009012130A1 - Verstelleinrichtung

Info

Publication number: DE102009012130A1
Application number: DE102009012130A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Kuhn; Nils Brinkert
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2010-09-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung (30, 40, 40', 40'') zur Beeinflussung von Strömungsparametern an eienm Turbinenradeintritt eines Abgasturboladers, mit einer zumindest ein Leitschaufelelement (32, 42, 42') umfassenden Leitschaufelanordnung (31) und mit einem in deren Bereich angeordneten Axialschieber (34, 44, 44', 44''), mittels welchem ein Strömungsquerschnitt am Turbinenradeintritt einstellbar ist, wobei das zumindest eine Leitschaufelelement (32, 42, 42') in seinem Anströmwinkel und/oder in seinem Abströmwinkel veränderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Bei bekannten Abgasturboladern kommen Turbinen mit Verstelleinrichtungen in Form einer variablen Turbinengeometrie zum Einsatz. Dabei wird ein vor einem Turbinenrad der Turbine positioniertes Leitgitter durch Verdrehen seiner Leitschaufeln so variiert, dass ein Aufstau einer Abgasströmung vor dem Turbinenrad mehr oder weniger stark ausgebildet ist. Analoges gilt für ein Schluckvermögen der Turbine. Zur Darstellung eines großen Aufstaus müssen die Leitschaufeln relativ weit geschlossen werden, was zu einer schmalen Kanalbreite sowie zu einer schlechten Turbinenradanströmung und in Folge dessen zu hohen Strömungsverlusten und einem geringen Wirkungsgrad der Turbine und damit des gesamten Abgasturboladers führt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verstelleinrichtung für einen Abgasturbolader derart zu entwickeln, dass ein höherer Wirkungsgrad des Abgasturboladers ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Verstelleinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine Verstelleinrichtung zur Beeinflussung von Strömungsparametern an einem Turbinenradeintritt eines Abgasturboladers umfasst eine Leitschaufelanordnung mit zumindest einem Leitschaufelelement und einen im Bereich der Leitschaufelanordnung angeordneten Axialschieber, mittels welchem ein Strömungsquerschnitt am Turbinenradeintritt einstellbar ist, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass das zumindest eine Leitschaufelelement in seinem Anströmwinkel und/oder in seinem Abströmwinkel änderbar ist. Somit existiert neben einer Variabilität der Leitschaufelanordnung beziehungsweise der Leitschaufelelemente, mittels denen ein Betriebsverhalten einer Turbine mit einer derartigen Verstelleinrichtung effizient an einen Betriebspunkt einer korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine wirkungsgradoptimal eingestellt werden kann, eine weitere Variabilität in Form des Axialschiebers, welcher die Leitschaufelanordnung zumindest bereichsweise abdecken kann. Somit kann eine Durchsatzspreizung der Turbine mit einer derartigen Verstelleinrichtung sowohl mittels des Axialschiebers als auch mittels der Leitschaufelanordnung beziehungsweise mittels des zumindest einen Leitschaufelelements eingestellt werden, wodurch ein weiterer Freiheitsgrad zur Beeinflussung eines Turbinenwirkungsgrads entsteht.
Durch diesen weiteren Freiheitsgrad ist eine Steigerung des Turbinenwirkungsgrads möglich, was eine Steigerung eines Wirkungsgrads des gesamten Abgasturboladers bedeutet. Dies wiederum führt zu einem höheren Wirkungsgrad für einen Verbund aus dem Abgasturbolader und der korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine, wodurch eine Absenkung eines Kraftstoffverbrauchs und eine Absenkung von CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht ist.
Vorteilhafterweise ist das zumindest eine Leitschaufelelement drehbar gelagert. In diesem Falle sind bereits bekannte, wirkungsgradoptimale Einstellungen von Abgasturboladern mit drehbaren Leitschaufelelementen verwendbar und mit den Vorteilen eines zusätzlichen Axialschiebers verknüpfbar, welche sich aus dem zusätzlichen Freiheitsgrad ergeben, wodurch ein effizienterer Betrieb der Turbine und damit des Abgasturboladers mit einer derartigen Verstelleinrichtung möglich ist zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO₂-Emissionen der korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine.
Ist der Axialschieber im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet, so ergibt sich daraus der Vorteil, dass der Axialschieber einerseits optimal an eine Außenkontur eines Turbinenrads anlegbar ist, wodurch Strömungsverhältnisse für ein eine Turbine mit einer derartigen Verstelleinrichtung durchströmendes Abgas optimal gestaltbar sind, so dass das Turbinenrad ohne Strömungsverluste, also wirkungsgradoptimal, mittels des Abgases anströmbar ist. Andererseits ergibt sich aus der hülsenförmigen Ausbildung des Axialschiebers der Vorteil, dass er in seiner Außenkontur dadurch einen minimalen Bauraum im Inneren eines Turbinengehäuses, in welchem er lagerbar ist, in Anspruch nimmt. Dadurch ist das Turbinengehäuse und damit der gesamte Abgasturbolader geringer dimensionierbar, was einerseits Package-Probleme gerade in einem ohnehin bauraumkritischen Bereich wie einem Motorraum eines Kraftwagens vermeidet, andererseits resultiert aus der geringeren Dimensionierung des Abgasturboladers ein geringeres Gewicht desselbigen, wodurch zusätzlich der Kraftstoffverbrauch und damit die CO₂-Emissionen der zu dem Abgasturbolader korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine reduzierbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Verstelleinrichtung ist der Axialschieber stromauf des zumindest einen Leitschaufelelements angeordnet. Dadurch ist die Leitschaufelanordnung bzw. das zumindest eine Leitschaufelelement mittels des Axialschiebers abdeckbar und ein Anströmverhalten der Leitschaufelanordnung bzw. des zumindest einen Leitschaufelelements mittels des Axialschiebers durch das die Turbine mit einer derartigen Verstelleinrichtung durchströmende Abgas variierbar. Dies ist einer effizienten und damit wirkungsgradoptimalen Betriebsweise der Turbine mit einer derartigen Verstelleinrichtung zuträglich zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO₂-Emissionen der korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine, da somit das Anströmverhalten der Leitschaufelanordnung mittels des Axialschiebers optimal auf einen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine einstellbar ist.
Diese Anordnung ist insbesondere dann vorteilbehaftet, wenn die Leitschaufelanordnung bzw. das zumindest eine Leitschaufelelement in Richtung des Turbinenrades verstellbar bzw. drehbar ist. Damit ist eine mögliche Kollision zwischen dem zumindest einen Leitschaufelelement und dem Axialschieber, der ja auf einer Seite liegt, welche einer Verstellrichtung des zumindest einen Leitschaufelelements abgewandt ist, vermeidbar. Nichtsdestotrotz sind alle bisher beschriebenen Vorteile aus der Verknüpfung des variablen Leitschaufelelements und des variablen Axialschiebers erreicht.
Ein weiterer vorteilhafter Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der Axialschieber stromab des zumindest einen Leitschaufelelements angeordnet ist. Damit ist zunächst die Leitschaufelanordnung bzw. das zumindest eine Leitschaufelelement durch das die Turbine mit einer derartigen Verstelleinrichtung durchströmende Abgas anströmbar, worauf ein Strömungsquerschnitt durch den Axialschieber am Turbinenrad eintritt einstellbar ist. Damit wird das Anströmverhalten der Leitschaufelanordnung bzw. des zumindest einen Leitschaufelelements mittels des Axialschiebers nicht beeinflusst. Die Leitschaufelanordnung wird also auf ihrer kompletten axialen Erstreckungsrichtung mittels des Abgases angeströmt. Eine Veränderung des Strömungsquerschnittes erfolgt erst stromab der Leitschaufelanordnung bzw. des zumindest einen Leitschaufelelements. Dies birgt den Vorteil, dass das einen Spiralkanal des Turbinengehäuses durchströmende Abgas geringere bzw. keine Strömungsverluste beim Durchströmen des Spiralkanals durch den Axialschieber erfährt, da der Axialschieber nicht im Bereich des Spiralkanals angeordnet ist. Ein strömungsgünstiger Querschnitt des Spiralkanals kann somit beibehalten werden, was den Turbinenwirkungsgrad und damit den Wirkungsgrad des gesamten Abgasturboladers positiv beeinflusst, wodurch auch der Kraftstoffverbrauch und die CO₂-Emission der Verbrennungskraftmaschine reduzierbar sind.
Diese Anordnung kann beispielsweise auch dann vorteilhaft sein, wenn das Leitschaufelelement in eine Richtung verstellbar, insbesondere drehbar ist, welche von dem Axialschieber wegweist. Dadurch ist eine Kollision zwischen der Leitschaufelanordnung bzw. dem zumindest einen Leitschaufelelement und dem Axialschieber vermieden.
Ebenso ist es denkbar, dass je ein Axialschieber stromab und stromauf des zumindest einen Leitschaufelelements angeordnet ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leitschaufelanordnung in einer Aufnahmeanordnung des Axialschiebers zumindest bereichsweise aufnehmbar ist. Das bedeutet also, dass nicht etwa, wie oben erwähnt, zwei Axialschieber, sondern lediglich ein Axlalschieber vorgesehen ist, mittels dessen die Leitschaufelanordnung bzw. das zumindest eine Leitschaufelelement sowohl stromab als auch stromauf desselbigen zumindest bereichsweise, d. h. aber auch komplett oder gar nicht abdeckbar ist. Damit einher geht der Vorteil, dass ein Aufstau vor dem Turbinenrad besonders effizient durchführbar ist, wodurch eine hohe Durchsatzspreizung der Turbine mit einer derartigen Verstelleinrichtung ermöglicht ist. Dadurch ist das Betriebsverhalten der Turbine besonders effizient und wirkungsgradoptimal auf einen Betriebspunkt der korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine einstellbar, wodurch der Kraftstoffverbrauch und die CO₂-Emissionen derselbigen absenkbar sind. Durch diese Ausgestaltungsform ist ein wirkungsgradoptimaler Betriebsbereich der Turbine und damit des Abgasturboladers besonders erweitert, was bedeutet, dass ein besonders breiter Bereich an Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine mittels des Abgasturboladers wirkungsgradoptimal abdeckbar ist.
Vorteilhafterweise ist dabei eine Mehrzahl von Aufnahmen der Aufnahmeanordnung vorgesehen, welche als Hohlzylinder ausgebildet sind. In anderen Worten bedeutet das, dass je ein Leitschaufelelement der Leitschaufelanordnung mittels eines jeweilig korrespondierenden Hohlzylinders aufnehmbar ist. Damit ist vermieden, dass sich einzelne Leitschaufelelemente der Leitschaufelanordnung in ihrem Strömungsverhalten gegenseitig beeinflussen, was zu ungünstigen Luftverwirbelungen und damit zu Strömungsverlusten führen kann, was den Turbinenwirkungsgrad negativ beeinflusst. Andersherum ausgedrückt bedeutet dies, dass somit der Turbinenwirkungsgrad weiter gesteigert ist, da eine gegenseitige Beeinflussung des Strömungsverhaltens der Leitschaufelelemente vermieden ist.
Weist eine jeweilige Aufnahme der Aufnahmeanordnung ein Deckelement auf, welches drehbar an dem Axialschieber gelagert ist, so birgt dies den Vorteil, dass dadurch quasi eine Matrize geschaffen ist, mittels derer das jeweilige Leitschaufelelement einer Außenkontur des Leitschaufelelements gehorchend aufnehmbar ist. Das bedeutet also, dass das Deckelement sich der Außenkontur des Leitschaufelelements anschmiegt. Damit einher geht eine weitere Reduzierung von unerwünschten Luftwirbeln und damit von unerwünschten Strömungsverlusten, was einem erhöhten Turbinenwirkungsgrad und damit einem erhöhten Wirkungsgrad des gesamten Abgasturboladers mit einer derartigen Turbine mit einer derartigen Verstelleinrichtung zuträglich ist. Dies wirkt sich ebenfalls positiv auf die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine aus.
Im Falle dieser Matrizenlösung für den Axialschieber müssen die am Axialschieber gelagerten Deckelemente gleitend, drehbar gelagert sein, damit die Leitschaufelelemente, wie beschrieben, geometrisch in das Deckelement in Form einer Matrize eintauchen können. Bei axialer Verschiebung des Axialschiebers und damit der Aufnahmeanordnung und damit der Deckelemente können sich somit die Deckelemente automatisch in eine richtige Position drehen, um die Leitschaufelelemente in deren aktueller Stellung aufzunehmen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das zumindest eine Deckelement bzw. die Deckelemente mit dem jeweiligen korrespondierenden Leitschaufelelement mitdrehbar. Dies bedeutet also, dass bei einer Veränderung des zumindest einen Leitschaufelelements in seinem Anströmwinkel und/oder in seinem Abströmwinkel, insbesondere bei einer Verdrehung des zumindest einen Leitschaufelelements, das Deckelement in der Lage ist, diese Bewegung des zumindest einen Leitschaufelelements mit auszuführen, um es weiterhin geometrisch aufnehmen zu können zur beschriebenen Vermeidung von Luftverwirbelungen und Strömungsverlusten.
Vorteilhafterweise ist das zumindest eine Deckelement als eine Deckscheibe ausgebildet. Das Deckelement weist also in axialer Richtung eine relativ geringe Erstreckungsrichtung auf, wodurch es ein geringes Gewicht aufweist, was den Kraftstoffverbrauch der korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine und damit die CO₂-Emissionen gering hält. Das Deckelement in Form einer Deckscheibe erfüllt somit den Zweck, das jeweilige Leitschaufelelement aufzunehmen und gegen eine ungünstige Ausbildung von Luftverwirbelungen in der jeweiligen Aufnahme der Aufnahmeanordnung abzudecken zur Vermeidung von Strömungsverlusten.
Durch die erfindungsgemäße Verstelleinrichtungen und ihren einzelnen Ausgestaltungsformen bzw. durch eine Kombination der Ausführungsformen kann ein hoher Aufstau vor dem Turbinenrad durch moderates Schließen der Leitschaufelanordnung bzw. des zumindest einen, idealerweise jedoch von mehreren Leitschaufelelementen und gleichzeitiges moderates Abdecken der Leitschaufelanordnung bzw. der Leitschaufelelemente durch den Axialschieber, beispielsweise durch die beschriebene Matrizenlösung, erreicht werden. Wahlweise kann durch gleichzeitiges starkes Schließen der variablen Leitschaufelelemente und durch starkes Verdecken derselbigen durch den Axialschieber ein Aufstau erreicht werden, welcher deutlich höher liegt als bei einer alleinigen Verstellung der Leitschaufelanordnung bzw. der Leitschaufelelemente. Generell liegt ein derartiger Freiheitsgrad vor, beliebige Breiten eines Anströmkanals des Turbinenrads mit beliebigen Winkeln der Leitschaufelelemente zu kombinieren und so einen gewünschten Turbinenwirkungsgrad einzustellen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Umfangserstreckung des Strömungsquerschnitts am Turbinenradeintritt durch eine Verschiebung des Axialschiebers in Axialrichtung veränderbar. Dies geht mit dem Vorteil einher, dass dadurch ein noch breiterer Bereich an Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine wirkungsgradoptimal von der Turbine mit einer derartigen Verstelleinrichtung abgedeckt werden kann, da dadurch ein weiterer Freiheitsgrad für die Beeinflussung der Strömungsparameter am Turbinenradeintritt geschaffen ist.
Dies ist beispielsweise dadurch möglich, dass der Axialschieber erfindungsgemäß zumindest einerseits eine Stirnseite aufweist, welche mit einer Längsachse des Turbinenrads einen zu 90° unterschiedlichen Winkel einschließt. Dies bedeutet also, dass zumindest eine Stirnseite des Axialschiebers bezüglich einer Längsachse des Turbinenrads nicht orthogonal sondern schräg verläuft. Bei einer translatorischen Verschiebung des Axialschiebers in axiale Richtung wird somit der Strömungsquerschnitt in Umfangsrichtung des Turbinenrades nicht über dessen Umfangsrichtung überall gleich, sondern vielmehr in Umfangsrichtung sukzessive verdeckt. Konkret bedeutet dies, dass je nach Schräge und Verschiebungsweite des Axialschiebers zunächst nur ein kleiner Bereich des Strömungsquerschnitts in Umfangsrichtung des Turbinenrades mittels des Axialschiebers verdeckt wird, welcher sich mit zunehmender Verschiebung des Axialschiebers weiter vergrößert. Bei umgekehrter Verschiebung des Axialschiebers gilt ein entsprechend umgekehrtes Verhalten.
All dies bietet ein großes Spektrum an Möglichkeiten, einen sehr großen Bereich an Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine mittels eines Abgasturboladers mit einer Turbine mit einer derartigen Verstelleinrichtung Wirkungsgrad optimal abzudecken, um damit den Kraftstoffverbrauch und damit die CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine gering zu halten bei gleichzeitiger Realisierung einer gewünschten Luftversorgung der Verbrennungskraftmaschine zur Generierung einer gewünschten Leistungsentfaltung.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu unterlassen. Die Zeichnungen zeigen in:
1 eine Draufsicht auf ein schematisch dargestelltes Turbinenrad, welches von einer ebenfalls Leitschaufelanordnung mit einer Mehrzahl an Leitschaufelelementen umgeben ist sowie abschnittsweise eine Längsschnittansicht durch ein Turbinengehäuse eines Abgasturboladers, mittels welchem ein Turbinenrad und eine Leitschaufelanordnung mit variablen Leitschaufelelementen, welche in einem Turbineneintrittsbereich angeordnet ist, aufgenommen sind, wobei die 1 den Stand der Technik repräsentiert,
2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Verstelleinrichtung mit einer eine Mehrzahl an Leitschaufelelementen umfassenden Leitschaufelanordnung und mit einem Axialschieber, mittels welchem die Leitschaufelelemente aufnehmbar sind,
3 eine perspektivische Ansicht der Verstelleinrichtung gemäß 2,
4 eine Draufsicht auf die Verstelleinrichtung gemäß 3, wobei sich die Verstelleinrichtung in einer geöffneten Position befindet,
5 eine Draufsicht auf die Verstelleinrichtung gemäß 3, wobei sich die Verstelleinrichtung in einer geschlossenen Position befindet,
6 abschnittsweise eine Längsschnittansicht durch ein Turbinengehäuse eines Abgasturboladers, mittels dessen ein Turbinenrad und eine alternative Ausführungsform einer Verstelleinrichtung aufgenommen sind,
7 abschnittsweise eine Längsschnittansicht durch ein Turbinengehäuse eines Abgasturboladers, mittels dessen ein Turbinenrad und eine alternative Ausführungsform einer Verstelleinrichtung aufgenommen sind und
8 vier Draufsichten auf eine Querschnittsansicht eines Turbinengehäuses eines Abgasturboladers, mittels dessen ein Turbinenrad und eine alternative Ausführungsform einer Verstelleinrichtung aufgenommen sind, wobei in den vier Draufsichten je eine unterschiedliche Position der Verstelleinrichtung dargestellt ist.
Während die 1 den Stand der Technik wiedergibt, zeigen die 2 bis 4 eine Ausführungsform einer Verstelleinrichtung zur Beeinflussung von Strömungsparametern an einem Turbinenradeintritt mit einer eine Mehrzahl an Leitschaufelelementen umfassenden Leitschaufelanordnung und mit einem in deren Bereich angeordneten Axialschieber, wobei die Leitschaufelelemente drehbar gelagert sind. Die 6 bis 8 zeigen je eine alternative Ausführungsform einer derartigen Verstelleinrichtung zur Beeinflussung der Strömungsparameter am Turbinenradeintritt, wobei in 8 vier unterschiedliche Positionen der Verstelleinrichtung dargestellt sind.
Die 1 zeigt ein Turbinenrad 10, welches von einer Leitschaufelanordnung 12 umgeben ist. Die Leitschaufelanordnung 12 umfasst eine Mehrzahl an Leitschaufelelementen 14, welche drehbar gelagert sind und somit ein Aufstauverhalten in einem Turbinenradeintritt, also stromauf des Turbinenrads 10, einstellbar ist zur Erreichung einer gewissen Durchsatzparameterspreizung einer Turbine mit einem derartigen Turbinenrad 10 und einer derartigen Leitschaufelanordnung 12.
Zur Verdeutlichung dieses Sachverhalts ist in 1 weiterhin ein Turbinengehäuse 16 dargestellt, mittels welchem ein Spiralkanal 18 gebildet ist. Ein Abgas einer einem Abgasturbolader mit einem derartigen Turbinengehäuse 16 zugeordnete Verbrennungskraftmaschine strömt durch den Spiralkanal 18, tritt über einen Eintrittskanal 22 in ein Turbinenrad 12' ein und treibt dieses an. Zur Anpassung des Abgasturboladers an einen Betriebspunkt der korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine kann der Aufstau vor dem Turbinenrad 12' mittels Verdrehen gemäß einem Richtungspfeil 20 von Leitschaufelelementen, welche repräsentativ durch ein Leitschaufelelement 14' in 1 dargestellt sind, variiert werden. Zur Darstellung eines großen Aufstaus müssen die Leitschaufelelemente relativ weit geschlossen werden, was zu einer schmalen Breite des Eintrittskanals 22 sowie zu einer schlechten Anströmung des Turbinenrads 12 und in Folge dessen zu hohen Strömungsverlusten und einem geringen Wirkungsgrad des Abgasturboladers führt.
Zur Überwindung dieser Nachteile ist eine Verstellvorrichtung 30 vorgesehen, welche in 2 dargestellt ist. Die Verstelleinrichtung 30 umfasst eine Leitschaufelanordnung 31, welche eine Mehrzahl an drehbar gelagerten Leitschaufelelementen 32 aufweist. Des Weiteren umfasst die Verstelleinrichtung 30 einen Axialschieber 34, mittels welchem die Leitschaufelelemente 32 der Leitschaufelanordnung 31 aufnehmbar sind. Die Leitschaufelelemente 32 und der Axialschieber 34 erfüllen dabei den Zweck, einen Aufstau vor einem Turbinenrad eines Abgasturboladers durch Drehen der Leitschaufelelemente 32 bzw. durch Verschieben des Axialschiebers 34 einzustellen, und zwar derart, dass ein Betriebsverhalten des Abgasturboladers wirkungsgradoptimal an einem Betriebspunkt einer zu dem Abgasturbolader korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine angepasst ist.
Dieser Sachverhalt ist in der 3 noch deutlicher dargestellt. Die 3 zeigt die Verstelleinrichtung 30, welche also den Axialschieber 34 und die Leitschaufelanordnung 31 mit den Leitschaufelelementen 32 umfasst.
Wie in der 3 zu sehen ist, weist der Axialschieber 34 eine Aufnahmeanordnung 38 auf, bei welcher eine der Anzahl der Leitschaufelelemente 32 entsprechende Anzahl an hohlzylindrischen Aufnahmen vorgesehen ist.
Des Weiteren sind zu den Aufnahmen korrespondierende Deckscheiben 36 am Axialschieber 34 drehbar gelagert. Die Deckscheiben 36 weisen jeweils eine Öffnung auf, deren Kontur mit einer Außenkontur des jeweiligen Leitschaufelelements korrespondiert. Dadurch können die Leitschaufelelemente 32 in die Aufnahmen der Aufnahmeanordnung 38 eintauchen. Die Deckscheiben 36 stellen damit Formen von Matrizen dar.
Aufgrund der Tatsache, dass die Deckscheiben 36 drehbar am Axialschieber 34 gelagert sind, können die Leitschaufelelemente 32 nichtsdestotrotz verdreht werden, um das Aufstauverhalten vor dem Turbinenrad zu beeinflussen. Bei einer Verdrehung der Leitschaufelelemente 32 oder bei einer Verschiebung des Axialschiebers 34 in axiale Richtung drehen sich die Deckscheiben 36 mit und führen eine Bewegung aus, damit die Leitschaufelelemente 32 problemlos in die beschriebene Kontur, welche also eine Gegenkontur zur Außenkontur des entsprechenden Leitschaufelelements darstellt, der Deckscheiben 36 eintauchen können. Dadurch ist eine breite Durchsatzspreizung einer Turbine mit einer derartigen Verstelleinrichtung 30 erreicht bei gleichzeitiger Vermeidung einer gegenseitigen Beeinflussung der Leitschaufelelemente 32 und daraus resultierenden Luftverwirbelungen und Strömungsverlusten, die einen Turbinenwirkungsgrad negativ beeinflussen.
Die 4 zeigt die Verstelleinrichtung 30 gemäß 3 in einer geöffneten Position. Das heißt, dass in dieser Position der Axialschieber 34 in einem Turbinengehäuse eines Abgasturboladers mit einer derartigen Verstelleinrichtung 30 weit zurückgezogen ist und die Leitschaufelelemente 32 steil gestellt sind. Des Weiteren ist in 4 eine Aussparung 38 in der drehbaren Deckscheibe 36 dargestellt. Eine derartige Aussparung 38 ist dabei bei allen Deckscheiben 36 vorgesehen, der Einfachheit halber aber stellvertretend nur an einer Deckscheibe dargestellt und erläutert.
Mittels der Aussparung 38 bzw. der Aussparungen der Deckscheiben 36 ist ein problemloses Verdrehen der Deckscheiben 36 mit den Leitschaufelelementen 32 ermöglicht, gerade vor dem Hintergrund hoher Temperaturunterschiede während eines Betriebs des Abgasturboladers mit einer derartigen Verstelleinrichtung 30, in Folge derer es zu Wärmeausdehnungen der Werkstoffe der einzelnen Komponenten kommt. Durch die Aussparung 38 bzw. derartiger Aussparungen ist ein Festsetzen der drehbaren Deckscheiben 36 vermieden und damit eine problemlose Drehung der Leitschaufelelemente 32 realisiert, was eine Ausfallwahrscheinlichkeit des gesamten Abgasturboladers mit einer derartigen Verstelleinrichtung 30 reduziert.
Durch die in 4 dargestellte geöffnete Position der Verstelleinrichtung 30 ist ein geringerer Aufstau vor dem Turbinenrad realisiert, wie es beispielsweise bei hohen Lasten einer korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine der Fall ist.
Im Gegensatz dazu zeigt 5 die Verstelleinrichtung 30 in einer geschlossenen Position, in der der Axialschieber 34 wenig zurückgezogen, d. h. weit ausgefahren ist und die Leitschaufelelemente 32 flachgestellt sind. Diese Position ist beispielsweise bei niedrigen Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine einzustellen, um ein Ansprechverhalten des Abgasturboladers zu verbessern.
Die 6 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Verstelleinrichtung 40 zur Beeinflussung von Strömungsparametern an einem Turbinenradeintritt. Die Verstelleinrichtung 40 umfasst eine Leitschaufelanordnung mit einer Mehrzahl an Leitschaufelelementen 42 sowie einen im Bereich der Leitschaufelanordnung angeordneten Axialschieber 44. Die Leitschaufelelemente 42 der Leitschaufelanordnung sind dabei gemäß der Pfeilrichtung 46 verdrehbar, um ein Aufstauverhalten vor einem Turbinenrad 46 zu variieren. Diese Variation ist zusätzlich durch den Axialschieber 44 unterstützbar, indem der Axialschieber 44 die Leitschaufelelemente 42 abdecken kann, also eine Breite eines Einströmkanals 47 variiert werden kann.
Wie in der 6 zu sehen ist, ist der Axialschieber 44 bei dieser Ausführungsform stromauf der Leitschaufelelemente 42 angeordnet.
Ein Abgas einer Verbrennungskraftmaschine strömt durch einen Spiralkanal 48 welcher durch ein Turbinengehäuse 50 eines Abgasturboladers gebildet ist. Das Abgas tritt durch den Einströmkanal 47 in das Turbinenrad 46 ein und treibt dieses an. Durch Verschieben des Axialschiebers 44 in axiale Richtung kann in Kombination mit einer Verdrehung der Leitschaufelelemente 42 gemäß einem Richtungspfeil 52 eine breitbandige Variation eines Durchsatzparameters einer Turbine mit einer derartigen Versteileinrichtung 40 erfolgen zur optimalen Anpassung eines Betriebsverhaltens der Turbine bzw. des Abgasturboladers an einen Betriebspunkt der korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine zur Reduzierung eines Kraftstoffverbrauchs und von CO₂-Emissionen derselbigen.
Die Beschreibung der 6 kann analog auf die 7 übertragen werden. Auch in 7 ist ein Axialschieber 44' einer Verstelleinrichtung 40' wie in 6 als ein Ringelement ausgebildet. Der Axialschieber 44' ist nun allerdings stromab von Leitschaufelelementen 42' der Verstelleinrichtung 40' angeordnet. Eine Breite eines Einströmkanals 47' wird also nun nicht mehr im Bereich eines Spiralkanals 48', welcher durch ein Turbinengehäuse 50' gebildet ist, mittels des Axialschiebers 44' beeinflusst, sondern quasi unmittelbar vor einem Turbinenrad 46'. Auch mit der Verstelleinrichtung 40' gemäß 7 ist ein Betriebsverhalten eines Abgasturboladers mit einer Turbine mit einer derartigen Verstelleinrichtung 40' wirkungsgradoptimal auf einem Betriebspunkt einer korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine einstellbar zur Reduzierung eines Kraftstoffverbrauchs und von CO₂-Emissionen derselbigen.
Die 8 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Verstelleinrichtung 40'', welche einen Axialschieber 44'' und eine Leitschaufelanordnung mit drehbaren Leitschaufelelementen umfasst.
Wie in der 8 dargestellt ist, strömt ein Abgas gemäß einem Richtungspfeil 64 durch einen Spiralkanal 42, welcher einen effektiven Strömungsquerschnitt 66 aufweist, eines Turbinengehäuses 60 und tritt in Umfangsrichtung eines Turbinenrads 46'' über einen Einströmkanal in das Turbinenrad 46'' ein um dieses anzutreiben.
Zur Variation eines Aufstaus vor dem Turbinenrad 46'' ist die Verstellvorrichtung 40'' vorgesehen, mittels welcher wie schon im Zusammenhang mit den 2 bis 7 beschrieben sowohl mittels drehbarer Leitschaufelelemente einer Leitschaufelanordnung als auch mittels einer Verschiebung des Axialschiebers 44'' Strömungsparameter an einem Turbinenrad eintritt eingestellt werden können.
Mittels der Verstelleinrichtung 40'' und insbesondere des Axialschiebers 44'' ist es bei der Verstellvorrichtung 40'' in 8 möglich, den effektiven Strömungsquerschnitt durch eine Begrenzung eines anströmenden Umfangs stromauf der drehbaren Leitschaufelelemente zu reduzieren. Eine alternative Anordnung des Axialschiebers 44'' stromab der drehbaren Leitschaufelelemente ist ebenso möglich.
Wie zu sehen ist wird in einer mit A bezeichneten Position des Axialschiebers 44'' ein Bereich 68 eines gesamten anströmenden Umfangs des Turbinenrads 46'' stromauf der drehbaren Leitschaufelelemente mittels des Axialschiebers 44'' verdeckt. Die Verdeckung bezieht sich also nicht mehr auf den gesamten anströmenden Umfang, sondern wie gesagt lediglich auf den Bereich 68. Bei Verschiebung des Axialschiebers 44'' vergrößert sich der Bereich 68 gemäß der mit B bezeichneten Position des Axialschiebers 44''. Wird der Axialschieber 44' noch weiter verschoben, beispielsweise in eine mit C bezeichnete Position, so ist der Bereich 68 weiter vergrößert. Gleiches gilt für eine mit D bezeichnete Position.
Diese in 8 dargestellte sukzessive Abdeckung des anströmenden Umfangs des Turbinenrads 46'' ist beispielsweise dadurch ermöglicht, dass eine aus einer Zeichenebene der 8 herauszeigende Stirnseite des Axialschiebers 44'' schräg angeschnitten ist. Das bedeutet also, dass diese Stirnseite mit einer Längsachse des Turbinenrades 46'' einen zu 90° unterschiedlichen Winkel einschließt, d. h. sie ist nicht orthogonal zur Längsachse des Turbinenrads 46''. Dadurch ist es erreicht, dass, wie in der 8 dargestellt, zunächst ein kleiner aber mit weiterer Verschiebung des Axialschiebers 44'' sukzessiv zunehmender Bereich des anströmenden Umfangs mittels des Axialschiebers 44'' abgedeckt wird. Dies bietet einen weiteren Freiheitsgrad zur Einstellung eines Abgasturboladers mit einer derartigen Verstelleinrichtung 40'' auf einen Betriebspunkt einer zu dem Abgasturbolader korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine zur Reduzierung eines Kraftstoffverbrauchs und von CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine.

Claims

Verstelleinrichtung (30, 40, 40', 40'') zur Beeinflussung von Strömungsparametern an einem Turbinenradeintritt eines Abgasturboladers, mit einer zumindest ein Leitschaufelelement (32, 42, 42') umfassenden Leitschaufelanordnung (31) und mit einem in deren Bereich angeordneten Axialschieber (34, 44, 44', 44'') mittels welchem ein Strömungsquerschnitt am Turbinenradeintritt einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Leitschaufelelement (32, 42, 42') in seinem Anströmwinkel und/oder in seinem Abströmwinkel veränderbar ist.
Verstelleinrichtung (30, 40, 40', 40'') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Leitschaufelelement (32, 42, 42') drehbar gelagert ist.
Verstelleinrichtung (30, 40, 40', 40'') nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialschieber (34, 44, 44', 44'') im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet ist.
Verstelleinrichtung (30, 40, 40', 40'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialschieber (34, 44, 44', 44'') stromauf des zumindest einen Leitschaufelelements (32, 42, 42') angeordnet ist.
Verstelleinrichtung (30, 40, 40', 40'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialschieber (34, 44, 44', 44'') stromab des zumindest einen Leitschaufelelements (32, 42, 42') angeordnet ist.
Verstelleinrichtung (30, 40, 40', 40'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelanordnung (31) in einer Aufnahmeanordnung (38) des Axialschiebers (34, 44, 44', 44'') zumindest bereichsweise aufnehmbar ist.
Verstelleinrichtung (30, 40, 40', 40'') nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Aufnahmen der Aufnahmeanordnung (38) vorgesehen ist, welche als Hohlzylinder ausgebildet sind.
Verstelleinrichtung (30, 40, 40', 40'') nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Aufnahme der Aufnahmeanordnung (38) zumindest ein Deckelement (36) aufweist, welches drehbar an dem Axialschieber (34, 44, 44', 44'') gelagert ist.
Versteileinrichtung (30, 40, 40', 40'') nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Deckelement (36) als eine Deckscheibe (36) ausgebildet ist.
Versteileinrichtung (30, 40, 40', 40'') nach eine der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Deckelement (36) mit dem jeweiligen Leitschaufelelement (32, 42, 42') mitdrehbar ist.
Versteileinrichtung (30, 40, 40', 40'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umfangserstreckung des Strömungsquerschnitts am Turbinenradeintritt durch eine Verschiebung des Axialschiebers (34, 44, 44', 44'') in Axialrichtung veränderbar ist.
Verstelleinrichtung (30, 40, 40', 40'') nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialschieber (34, 44, 44', 44'') zumindest einerseits eine Stirnseite aufweist, welche mit einer Längsachse eines Turbinenrads (46, 46', 46'') einen zu 90° unterschiedlichen Winkel einschließt.
Abgasturbolader mit einer Verstelleinrichtung (30, 40, 40', 40'') nach einem der Ansprüche 1 bis 11.