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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung, insbesondere
einen Abgasturbolader für ein
Kraftfahrzeug, mit einer variablen Turbinengeometrie gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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In
modernen Kraftfahrzeugen werden zunehmend Abgasturbolader mit so
genannten variablen Turbinengeometrien eingesetzt, mit welchen eine Leistungsabgabe
und ein Ansprechverhalten an unterschiedliche Betriebsbedingungen,
insbesondere Lastwechsel, angepasst werden können. Dabei gilt ein besonderes
Augenmerk bei derzeitigen Verbrennungsmotoren mit Abgasturboaufladung
und variabler Turbinengeometrie einem Profil von Leitschaufeln der
variablen Turbinengeometrie im Verstellapparat, um eine möglichst
optimale Anströmung
des Turbinenrads bei unterschiedlichen Öffnungswinkeln der Leitschaufeln
realisieren zu können.
Im Besonderen gilt es hierbei, eine möglichst störungsfreie Strömung mit
geringem Druckverlust über
den freigegebenen Düsenquerschnitt
zwischen den einzelnen Leitschaufeln zu erzeugen. Dahingehend ist
bei der Auslegung des Schaufelprofils die wichtigste Optimierungsgröße die Profilsehne
oder auch Mittellinie der Leitschaufel. Eine Leitschaufel mit einer
gekrümmten Mittellinie
und daher eine gekrümmte
Leitschaufel bietet dabei einen Vorteil gegenüber einer Leitschaufel mit
gerader Mittellinie, insbesondere im Hinblick auf einen deutlich
höheren
Wirkungsgrad bei einer geschlossenen variablen Turbinengeometrie,
da in diesem Fall die Strömung
zwischen den Leitschaufeln effizienter auf das Turbinenrad umgelenkt
werden kann. Derartig gekrümmte
Leitschaufeln sind jedoch deutlich teurer in der Auslegung und der
Herstellung.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
eine Ladeeinrichtung der gattungsgemäßen Art, eine verbesserte oder
zumindest eine alternative Ausführungsform
anzugeben, welche sich insbesondere durch einen hohen Wirkungsgrad
auszeichnet.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
den Gegenstand des unabhängigen
Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind
Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Strömungsquerschnitt
bei einer variablen Turbinengeometrie einer Ladeeinrichtung, bspw.
eines Abgasturboladers in einem Kraftfahrzeug, dadurch zu vergrößern, dass
die Leitschaufeln selbst strömungsdurchlässig ausgebildet
sind und dadurch einen innerhalb der Leitschaufeln verlaufenden
Strömungskanal
bilden bzw. begrenzen. Dazu bestehen die erfindungsgemäßen Leitschaufeln
entlang ihrer Längsachse
aus zwei unterschiedlichen Konturen, welche bspw. als Strömungsleitelemente ausgebildet
sind und welche zwischen sich und damit innerhalb der Leitschaufel
einen weiteren Strömungskanal
bilden bzw. begrenzen. Dieser Strömungskanal wird nach oben hin
durch z. Bsp. eine spezielle Deckscheibe oder ein Turbinengehäuse begrenzt.
Die Deckscheibe kann dabei durch zwei oder mehrere Distanzstücke auf
einem Lagerring abgestützt
sein, so dass sich ein definierter Spalt zwischen der Oberseite
der Leitschaufeln und der Deckscheibe einstellt. Die Deckscheibe
kann zudem auf den Distanzelementen frei beweglich (schwimmende Lagerung)
gelagert sein, so dass sich diese bei unterschiedlicher thermischer
Belastung ausdehnen kann, ohne den definierten Spalt zwischen der
Oberseite der Leitschaufeln und der Deckscheibe zu beeinträchtigen.
Denkbar ist selbstverständlich
auch, dass die Deckscheibe über
Abstandshalter direkt mit einer Lagerscheibe, auf welcher sich die
Leitschaufeln frei beweglich verdrehen können, verbunden ist. Mit den erfindungsgemäß ausgebildeten
Leitschaufeln können
diese mit unterschiedlichstem Profil vergleichsweise kostengünstig hergestellt
werden und gewährleisten
zudem einen erheblich verbesserten Wirkungsgrad der Ladeeinrichtung,
da insbesondere ein Druckgefälle
besonders günstig
einstellbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist
zumindest eine der Leitschaufeln aus zumindest zwei zueinander beabstandeten
Strömungsleitelementen
gebildet, welche bspw. als Strömungsleitbleche
ausgebildet sind, und welche einen dazwischen liegenden Strömungskanal begrenzen.
Selbstverständlich
ist dabei einer individuellen Gestaltung der einzelnen Strömungsleitelemente
keinerlei Grenze gesetzt, so dass diese optimal an unterschiedlichste
Anforderungen angepasst werden können.
Die Herstellung der zumindest zwei Strömungsleitelemente ist dadurch
nicht nur besonders einfach, sondern zudem auch deutlich kostengünstiger
realisierbar, als dies im Vergleich zu bisher bekannten und aus
einem Vollprofil bestehenden Leitschaufeln möglich wäre.
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Zweckmäßig sind
die Strömungsleitelemente
der wenigstens einen Leitschaufel plan ausgebildet und schräg zueinander
angeordnet und bilden dadurch einen sich bezüglich seines Querschnitts verjüngenden
Strömungskanal.
Ein derart sich verjüngender
Strömungskanal
bietet darüber
hinaus den großen
Vorteil, dass durch ihn eine gewisse Düsenwirkung erzielt werden kann,
welche für
den Antrieb des Turbinenrads und dadurch für die Leistung der Ladeeinrichtung
ebenfalls besonders günstig
ist. Selbstverständlich
können
dabei anstelle der planen Strömungsleitelemente
auch beliebig gekrümmte Strömungsleitelemente
vorgesehen werden, mit Hilfe welcher zudem bspw. ein S-förmiges oder
ein geknicktes Leitschaufelprofil realisiert werden kann. Generell
unterliegen dabei die zumindest zwei Strömungsleitelemente keinerlei
gestalterischer Beschränkungen,
so dass nahezu beliebige Leitschaufelprofilquerschnitte hergestellt
werden können. Selbstverständlich können dabei
je Leitschaufel auch mehr als zwei Strömungsleitelemente vorgesehen sein,
welche dann eine jeweils entsprechende Anzahl dazwischen liegender
Strömungskanäle begrenzen.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, sind
die Strömungsleitelemente
der wenigstens einen Leitschaufel über zumindest ein Verbindungselement
miteinander verbunden. Ein derartiges Verbindungselement verbindet
einerseits die zumindest zwei Strömungsleitelemente und bietet
andererseits eine Anbindungsstelle für einen Schaufellagerzapfen
der jeweiligen Leitschaufel, über
welchen diese in einem Schaufellagerring drehbar gelagert ist. Das
Verbindungselement bildet dabei neben den zumindest zwei Strömungsleitelementen
eine dritte Wandung des innerhalb der Leitschaufel verlaufenden
Strömungskanals.
Generell ist dabei auch denkbar, dass gegenüber des Verbindungselements,
dass heißt
an einem jeweils freien Ende der zumindest zwei Strömungselemente
ein weiteres Verbindungselement angeordnet ist, welches die beiden
freien Enden der zumindest zwei Strömungsleitelemente fest miteinander verbindet
und welches schlussendlich eine vierte Wandung des innerhalb der
Leitschaufel verlaufenden Strömungskanals
bildet. Ein derartiges weiteres Verbindungselement kann bspw. bei
sehr leistungsstarken Ladeeinrichtungen eingesetzt werden, bei welchen
extrem hohe Strömungsgeschwindigkeiten auftreten
und durch die variable Turbinengeometrie, dass heißt durch
die Leitschaufeln entsprechend umgelenkt werden müssen.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen. Figurenbeschreibung
anhand der Zeichnungen.
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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.
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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.
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Dabei
zeigen, jeweils schematisch,
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1 bis 10 jeweils
eine Schnittdarstellung durch eine variable Turbinengeometrie mit
jeweils drei angedeuteten Leitschaufeln, die jeweils aus zumindest
zwei Strömungsleitelementen
gemäß der Erfindung
gebildet werden, wobei unter a.) jeweils eine geschlossene Position
der Leitschaufeln gezeigt ist, während
unter b.) eine halb offene Position und unter c.) eine vollständig geöffnete Position gezeigt
ist,
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11a bis f eine Schnittdarstellung durch jeweils
eine Leitschaufel mit jeweils zwei Strömungsleitelementen.
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Entsprechend
den 1 bis 10, weist eine jeweils dargestellte
Ladeeinrichtung 1 eine variable Turbinengeometrie auf,
bei welcher ein Ring von Leitschaufeln 2 um ein Turbinenrad 3 herum
angeordnet sind. Dabei sind in sämtlichen 1 bis 10 der
besseren Übersicht
halber jeweils lediglich drei Leitschaufeln 2 dargestellt.
Zwischen den einzelnen Leitschaufeln 2 liegt dabei jeweils
ein Strömungskanal 4,
wobei erfindungsgemäß zumindest eine
Leitschaufel 2 zusätzlich
strömungsdurchlässig ausgebildet
ist und dadurch einen in dieser Leitschaufel 2 verlaufenden
Strömungskanal 5 bildet bzw.
begrenzt. Hierzu ist zumindest eine Leitschaufel 2 aus
zumindest zwei Strömungsleitelementen 6 und 7 gebildet,
welche den dazwischen liegenden Strömungskanal 5 jeweils
begrenzen. Gemäß den 1 bis 10 sind
dabei jeweils unterschiedlichste Arten bzw. Varianten der einzelnen
Strömungsleitelemente 6, 7,
die jeweils gemeinsam die Leitschaufel 2 bilden, dargestellt.
In allen 1 bis 10 ist
dabei in den jeweiligen Darstellungen a.) die variable Turbinengeometrie
im geschlossenen Zustand, in der Darstellung b.) die variable Turbinengeometrie
in einer halboffenen und in der jeweiligen Darstellung c.) die variable
Turbinengeometrie in einer vollständig geöffneten Position dargestellt.
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Generell
können
dabei die beiden Strömungsleitelemente 6, 7 zumindest
einer Leitschaufel 2 plan ausgebildet sein, wie dies bspw.
gemäß den 1 und 2 dargestellt
ist und darüber
hinaus parallel (vgl. 1) oder schräg zueinander (vgl. 2)
angeordnet werden. Bei einer parallelen Anordnung der beiden Strömungsleitelemente 6, 7 besitzt
der durch diese gebildete Strömungskanal 5 einen
konstanten Querschnitt, während
bei einer schräg
zueinander gewählten
Anordnung der beiden Strömungsleitelemente 6, 7 der
dazwischen liegende Strömungskanal 5 einen
sich verjüngenden
Querschnitt aufweist.
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Selbstverständlich können die
jeweiligen Strömungsleitelemente 6, 7 gleich
oder gegensinnig zueinander gekrümmt
ausgebildet sein und dadurch ein tragflächenähnliches Profil der jeweiligen
Leitschaufel 2 darstellen. Gekrümmt ausgebildete Strömungsleitelemente 6, 7 sind
bspw. in den 3 bis 6 dargestellt,
wobei selbstverständlich
klar ist, dass die einzelnen Strömungsleitelemente 6, 7 nicht identisch
sein müssen,
sondern auch unterschiedlich ausgebildet sein können. Um möglichst hohe Rationalisierungseffekte
zu erreichen, sind die beiden Strömungsleitelemente 6, 7 jedoch
vorzugsweise als Gleichteile ausgebildet. Betrachtet man die 7 und 8,
so kann man erkennen, dass die dort gezeigten Strömungsleitelemente 6, 7 geknickt
ausgebildet sind, während
die gemäß den 9 und 10 dargstellten
Strömungsleitelemente 6, 7 bspw.
einen S-förmigen
Verlauf aufweisen.
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Sämtliche
Ausführungen
können
dabei mit einem sich verjüngenden
Querschnitt des Strömungskanals 5 oder
mit einem konstanten Strömungsquerschnitt
des Strömungskanals 5 angeordnet
werden. Eine Verbindung der beiden Strömungsleitelemente 6, 7,
erfolgt jeweils über
ein Verbindungselement 8 (vgl. 11), über welches
auch eine Anbindung der beiden Strömungsleitelemente 6, 7 an
einen Schaufellagerzapfen erfolgt, über welchen die Leitschaufeln 2 dann
in einem zugehörigen
Lagerring drehbar gelagert sind. Betrachtet man die Darstellung
gemäß den 11a bis 11f,
so kann man erkennen, dass der innerhalb der Leitschaufel 2 liegende
Strömungskanal 5 drei
Kanalwände
aufweist, nämlich
die beiden Strömungsleitelemente 6 und 7 sowie
das Verbindungselement 8.
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Bei
besonders hoch belasteten Ladeeinrichtungen 1, könnte darüber hinaus
ein weiteres, lediglich gemäß der 11a mit unterbrochen gezeichneter Linie angedeutetes
Verbindungselement 8' vorgesehen
sein, wodurch sich ein vollständig
geschlossener und innerhalb der Leitschaufel 2 verlaufender Strömungskanal 5 ergibt.
Wie den Darstellungen gemäß den 11a bis 11f zu
entnehmen ist, kann dabei das Verbindungselement 8 unterschiedlichste Formen
bzw. Konturen aufweisen.
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Generell
lassen sich mit den erfindungsgemäß ausgebildeten Leitschaufeln 2 diese
selbst äußerst kostengünstig herstellen
und darüber
hinaus ein vergrößerter Strömungsquerschnitt
innerhalb der variablen Turbinengeometrie erreichen, wodurch insbesondere
ein erhöhter
Wirkungsgrad erzielbar ist. Die jeweils zumindest zwei Strömungsleitelemente 6, 7 können dabei
unterschiedliche Konturen, bspw. symmetrisch gerade, symmetrisch
gekrümmt,
symmetrisch gekrümmt
mit einem S-Schlag, symmetrisch diskontinuierlich gerade, symmetrisch
diskontinuierlich gekrümmt,
unsymmetrisch gerade, unsymmetrisch gekrümmt, unsymmetrisch gekrümmt mit
einem S-Schlag, unsymmetrisch diskontinuierlich gerade, unsymmetrisch
diskontinuierlich gekrümmt
und in einem bestimmten Winkelbezug zueinander ausgestaltet sein.
Zusätzlich
können
sowohl die Längen dieser
Konturen, dass heißt
der einzelnen Strömungsleitelemente 6, 7 unterschiedlich
insbesondere an einer vorderen oder an einem hinteren Ende in Richtung
ihrer Höhe
einen unterschiedlichen Verlauf haben, sich also in ihrer dreidimensionalen
Ausdehnung unterscheiden.
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Alle
dargestellten Varianten haben dabei gemein, dass in allen Leitschaufelstellungen
der gesamte Strömungsquerschnitt,
dass heißt
ein Strömungsquerschnitt
der Strömungskanäle 4 und 5,
so eingestellt werden kann, dass ein minimal oder ein maximal notwendiger
Massenstrom eines Abgases über
die variable Turbinengeometrie auf das Turbinenrad 3 gelangen
kann, um eine definierte Turbinenleistung, Drehzahl, Wirkungsgrad,
Druckgefälle über den
Querschnitt oder eine entsprechende Energiebilanz einzustellen.
Dazu können
die einzelnen Leitschaufeln 2 über eine bewegliche mechanische Anlenkung
in ihrer Position verstellt werden, worüber dann ein auf das Turbinenrad 3 treffender
Abgasmassenstrom kontrolliert werden kann.