DE102009014916A1

DE102009014916A1 - Ladeeinrichtung

Info

Publication number: DE102009014916A1
Application number: DE102009014916A
Authority: DE
Inventors: Frank Pflueger
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2010-09-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung (1), insbesondere einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, mit einem Turbinengehäuse. Erfindungswesentlich ist dabei, dass das Turbinengehäuse (2) ein äußeres Spiralgehäuse (4) und ein inneres Spiralgehäuse (5) aufweist, wobei das innere Spiralgehäuse (5) zumindest eine erste Trennwand (6) zur Flutentrennung zweier Teilströme (8, 9, 11, 12) aufweist, und wobei das innere Spiralgehäuse (5) mittels einer Verstelleinrichtung (7) derart verstellbar ist, dass die Flutentrennung der Teilströme (8, 9, 11, 12) aufgehoben wird und so zwischen einer Stoßaufladung und einer Stauaufladung umgeschaltet werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 101 12 551 A1 ist ein gattungsgemäßer Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse bekannt. Im Turbinengehäuse ist eine Trennwand zum Unterteilen des Abgasdurchlasses vorgesehen, die den Abgasstrom in eine innere Schnecke und eine äußere Schnecke aufteilt, wobei die beiden Schnecken über eine Vielzahl von Durchlässen strömungstechnisch miteinander verbunden sind. Hierdurch soll insbesondere erreicht werden, eine Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in der inneren Schnecke auf einen vorbestimmten Wert zu steuern, in dem eine geeignete Abgasströmung der äußeren Schnecke durch die Verbindungsöffnungen der Trennwand in die innere Schnecke strömt. Zugleich ist eingangsseitig der Schnecken eine Klappe angeordnet, mit welcher ein Einlass der äußeren Schnecke geöffnet bzw. geschlossen werden kann.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Ladeeinrichtung der gattungsgemäßen Art, eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, welche insbesondere die Vorteile von 1-flutigen und 2-flutigen Turbinen kombiniert, einen hohen Wirkungsgrad aufweist und kostengünstig ist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer allgemein bekannten Ladeeinrichtung mit einem Turbinengehäuse, letzteres aus einem äußeren und einem inneren Spiralgehäuse aufzubauen, wobei das innere Spiralgehäuse zumindest eine erste Trennwand zur Flutentrennung zweier Teilströme, bspw. im Sinne eines Zwillingstromgehäuses oder eines Doppelstromgehäuses, aufweist und wobei das innere Spiralgehäuse mittels einer Verstelleinrichtung derart verstellbar ist, dass die Flutentrennung der Teilströme aufgehoben werden und so zwischen einer Stoßaufladung und einer Stauaufladung der Ladeeinrichtung umgeschaltet werden kann. Die Verstelleinrichtung ermöglicht dabei ein stufenloses Verstellen des inneren Spiralgehäuses, so dass ein effektiver Strömungsquerschnitt der Ladeeinrichtung, ein Strömungswinkel am Turbineneintritt und damit ein Stuckvermögen sowie die Turbinenleistung stufenlos variiert werden können. Durch die Umschaltung zwischen der Stoßaufladung und einer Stauaufladung können insbesondere Pulsationen reduziert und damit der Wirkungsgrad gesteigert werden. Insbesondere bei Ottomotoren spielt die so genannte „Flutentrennung” eine große Rolle. Eine effektive Flutentrennung erlaubt eine größere Ventilüberschneidung in einer Gaswechselphase. Die geänderten Druckverhältnisse erlauben zudem eine fast komplette Restgasausspülung, eine höhere Zylinderfüllung und eine frühere Verbrennung, was allesamt Voraussetzungen für einen erhöhten Wirkungsgrad, eine signifikante Drehmomentenerhöhung und eine verbesserte Laufruhe sind. Ein erhöhter Frischgasmassenstrom bewirkt dabei eine Erhöhung der Enthalpie und der Turbinenleistung, wobei der Vorteil der Flutentrennung beim Ottomotor insbesondere im Selbstverstärkungseffekt zu sehen ist, der das Drehmoment weiter erhöht. Bei der mit der Flutentrennung einhergehenden Stoßaufladung verzichtet man auf eine Vergleichmäßigung des Energiestroms zur Turbine und versucht die in Form von Druckwellen im Abgas enthaltene kinetische Energie auszunutzen. Bei der so genannten Stauaufladung ist ein über die Arbeitstakte des Verbrennungsmotors konstanter Abgasdruck in der Ladeeinrichtung das Ziel, wobei eine gleichmäßige Beaufschlagung durch einen Abbau der Abgasdruckstöße erreicht werden kann. Insbesondere bei Ottomotoren sind mit Abgasturboladern mit Zwillingsstrom-Turbinengehäuse im unteren Drehzahlbereich signifikante Verbesserungen bezüglich des Drehmoments und der Laufruhe festzustellen, wogegen im mittleren und oberen Drehzahlbereich, dass heißt insbesondere im Volllastdrehzahlbereich, derartige Zwillingsstrom-Turbinengehäuse mit einer Flutentrennung erhebliche Nachteile im spezifischen Verbrauch, hervorgerufen durch das schlechtere Spüldruckgefälle, aufweisen. Durch die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung ist eine Kombination der Stoß- und Stauaufladung möglich, wodurch ein besonders hoher Wirkungsgrad der Ladeeinrichtung sowohl im unteren, als auch im mittleren und oberen Drehzahlbereich erreicht werden kann.
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 ein erfindungsgemäßes Zwillingsstrom-Turbinengehäuse einer im Übrigen nicht dargestellten Ladeeinrichtung,
2a ein erfindungsgemäßes Doppelstromturbinengehäuse bei einer Stoßaufladung,
2b eine Darstellung wie in 2a, jedoch bei einem Übergang von einer Stoßaufladung zur Stauaufladung,
3a ein Turbinengehäuse wie in 2a, jedoch mit einer translatorisch verstellten Trennwand bei einer Stauaufladung,
3b das erfindungsgemäße Turbinengehäuse ebenfalls bei einer Stauaufladung, wobei jedoch ein weiterer Bereich der Trennwand an das äußere Spiralgehäuse angelegt ist,
4a das Turbinengehäuse bei einer Stauaufladung und translatorisch verstellter Trennwand,
4b eine Darstellung wie in 4a, wobei jedoch zusätzlich die Trennwand auf einem Kreisbogen verdreht ist.
Entsprechend der 1, weist eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung 1, insbesondere ein Abgasturbolader für Kraftfahrzeug, ein Turbinengehäuse 2 auf. Innerhalb des Turbinengehäuses 2 ist ein drehbar gelagerter Rotor 3 mit einem Turbinenrad angeordnet. Das erfindungsgemäße Turbinengehäuse 2 weist ein äußeres Spiralgehäuse 4 sowie ein inneres Spiralgehäuse 5 auf, wobei letzteres zumindest eine erste Trennwand 6 zur Flutentrennung zweier Teilströme 8, 9 besitzt und wobei das innere Spiralgehäuse 5 mittels einer Verstelleinrichtung 7 derart verstellbar ist, dass die Flutentrennung der beiden Teilströme 8 und 9 aufgehoben werden und so zwischen einer Stoßaufladung und einer Stauaufladung umgeschaltet werden kann. Zusätzlich zur ersten Trennwand 6 weist das äußere Spiralgehäuse 4 im Eintrittsbereich eine zweite Trennwand 10 auf, die mit der ersten Trennwand 6 zusammenwirkt bzw. die das Gegenstück zur ersten Trennwand 6 bildet. Mit dem erfindungsgemäßen inneren Spiralgehäuse 5 lässt sich somit ein teilbares Zwillingsstrom-Turbinengehäuse darstellen. Die Verstelleinrichtung 7 kann bspw. einen im äußeren Spiralgehäuse 4 geführten Kulissenstein aufweisen, welcher mit dem inneren Spiralgehäuse 5 verbunden ist. Durch eine weitere, nicht gezeichnete Trennwand, wäre selbstverständlich auch ein Trillingskanal-Turbinengehäuse denkbar. Generell ist dabei das äußere Spiralgehäuse 4 in radialer oder in axialer Richtung ganz oder teilweise geöffnet, um das innere Spiralgehäuse 5 aufnehmen zu können. Das zweiflutige innere Spiralgehäuse 5, 6 wird im äußeren Spiralgehäuse 4 axial geführt, wobei das innere Spiralgehäuse 5 im Zungenbereich des äußeren Spiralgehäuses 4 fixiert ist.
Durch die Verstelleinrichtung 7 kann erreicht werden, dass ein effektiver Strömungsquerschnitt A*_H der Ladeeinrichtung 1, ein Strömungswinkel am Turbineneintritt und damit ein Schluckvermögen und die Turbinenleistung stufenlos variiert werden können. Darüber hinaus ist ein Kontakt der Trennwände 6 und 10 lediglich in dem gemäß der 1 dargestellten Zustand gegeben, so dass dieser Kontakt generell auch aufgehoben werden kann, wodurch zugleich die zunächst vorliegende Flutentrennung beseitigt wird. In diesem Fall kann das Abgas sich auf alle Turbinenstränge verteilen, wodurch die Pulsationen reduziert werden können.
Am Beispiel eines Zwillingsstrom-Turbinengehäuses (vgl. 1) sollen die möglichen Funktionen erläutert werden: In einer ersten Phase, wie sie gemäß der 1 dargestellt ist, verbleibt die Verstelleinrichtung 7 in ihrer Ausgangsstellung, wodurch ein Zwillingsstrom-Turbinengehäuse und somit eine vorzugsweise vollständige Flutentrennung mit einer Stoßaufladung dargestellt werden. Dies stellt insbesondere im unteren Last- und Drehzahlbereich eine hohe Turbinenleistung zur Verfügung.
Durch eine Vergrößerung des Strömungsquerschnitts A*_H wird nun die Trennung der beiden Teilströme 8 und 9 aufgehoben, wodurch sich das Abgas auf beide Teilströme 8, 9 verteilen kann und die Pulsationen reduziert werden. Generell kann hierdurch ein einflutiges Turbinengehäuse mit einem kleinen Strömungsquerschnitt unter Ausnutzung der Effekte der Stoß-/Stauaufladung ausgenutzt werden. In einem weiteren Öffnungsschritt verstellt die Verstelleinrichtung 7 das innere Spiralgehäuse 5 so, dass ein maximal möglicher Strömungsquerschnitt freigegeben wird. Hierbei kann sich das Abgas weiter auf beide Teilströme 8, 9 verteilen, wobei die Pulsationen weiter reduziert werden. Der Übergang von der Stoßaufladung zur Stauaufladung der Ladeeinrichtung 1 wird hierdurch ermöglicht, wodurch durch die gleichmäßige Beaufschlagung eine Steigerung des Turbinenwirkungsgrads erreicht werden kann.
Bei einem Turbinengehäuse 2, wie es gemäß den 2 bis 4 dargestellt ist, ist ebenfalls ein äußeres Spiralgehäuse 4 sowie ein inneres Spiralgehäuse 5 vorgesehen. Selbstverständlich können auch weitere, nicht gezeigte, Trennwände innerhalb des äußeren Spiralgehäuses 5 angeordnet sein, so dass sich ein Mehrstromturbinengehäuse ergibt. Bei den gemäß den 2 bis 4 dargestellten Turbinengehäuse 2 sind die Spiralen nicht axial nebeneinander angeordnet, sondern in Umfangsrichtung um ca. 180° zueinander versetzt. Die erste Trennwand 6 ist dabei als eine translatorisch verstellbare Klappe 13 (vgl. 3 und 4) oder als eine verdrehbare Klappe 13' (vgl. 2b) ausgebildet. Die Klappe 13, 13' ermöglicht es dabei zumindest einen der beiden Doppelstromkanäle 11, 12 zu verschließen, wie dies bspw. gemäß der 2b dargestellt ist. Gleichzeitig ermöglicht es die Klappe 13, 13' alle Doppelstromkanäle 11, 12 freizugeben, in dem diese bspw. eine Stellung gemäß der 2a, 3 und 4 einnimmt. Bei einer translatorisch verstellbaren Klappe 13 kann diese soweit in Richtung des äußeren Spiralgehäuses 4 verschoben werden, dass sie an diesem anliegt, wobei zusätzlich ein weiteres Segment 14 des inneren Spiralgehäuses 5 nach radial außen verschoben werden kann und zwar soweit, bis es am äußeren Spiralgehäuse 4 anliegt. Hierdurch kann sich das einströmende Abgas auf beide Doppelstromkanäle 11, 12 gleichmäßig verteilen, wodurch die Pulsationen reduziert werden. Denkbar ist hierbei selbstverständlich auch, dass ein Segment 14' des inneren Spiralgehäuses 5 (vgl. die 4a und 4b) soweit verdreht werden kann, bis es an dem äußeren Spiralgehäuse 4 anliegt.
Generell können mit der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung 1 die Vorteile einer Stoßaufladung und einer Stauaufladung miteinander kombiniert werden, so dass die Ladeeinrichtung sowohl im unteren, als auch im mittleren und im oberen Drehzahlbereich stets einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10112551 A1 [0002]

Claims

Ladeeinrichtung (1), insbesondere ein Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, mit einem Turbinengehäuse (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (2) ein äußeres Spiralgehäuse (4) und ein inneres Spiralgehäuse (5) aufweist, wobei das innere Spiralgehäuse (5) zumindest eine erste Trennwand (6) zur Flutentrennung zweier Teilströme (8, 9, 11, 12) aufweist, und wobei das innere Spiralgehäuse (5) mittels einer Verstelleinrichtung (7) derart verstellbar ist, dass die Flutentrennung der Teilströme (8, 9, 11, 12) aufgehoben werden und so zwischen einer Stoßaufladung und einer Stauaufladung umgeschaltet werden kann.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Spiralgehäuse (4) im Eintrittsbereich eine zweite Trennwand (10) aufweist, die mit der ersten Trennwand (6) zusammenwirkt und wobei diese zusammen ein Zwillingsstrom-Turbinengehäuse bilden.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der nachfolgenden Bauteile aus einem Blech, insbesondere aus einem warmfesten Blech ausgebildet ist, äußeres Spiralgehäuse (4), inneres Spiralgehäuse (5), erste Trennwand (6), zweite Trennwand (10).
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (7) einen im äußeren Spiralgehäuse (4) geführten Kulissenstein aufweist, welcher mit dem inneren Spiralgehäuse (5) bzw. der Trennwand (6) verbunden ist.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (2) einen zumindest einflutigen Bypasskanal aufweist.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Turbinengehäuses (2) eine variable Turbinengeometrie angeordnet ist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Spiralgehäuse (5) und das äußere Spiralgehäuse (4) zusammen ein Doppelstromgehäuse bilden.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Trennwand (6) eine translatorisch verstellbare Klappe (13) oder eine verdrehbare Klappe (13') aufweist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, – dass die erste Trennwand (6) zumindest bereichsweise derart verschiebbar ist, dass sie am äußeren Spiralgehäuse (4) anliegt, oder – dass die Klappe (13) zumindest bereichsweise derart verschiebbar ist, dass sie am äußeren Spiralgehäuse (4) anliegt.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der nachfolgenden Bauteile aus einem Blech, insbesondere aus einem warmfesten Blech ausgebildet ist, äußeres Spiralgehäuse (4), inneres Spiralgehäuse (5), erste Trennwand (6), Klappe (13, 13').