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Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader, welcher ein Turbinengehäuse aufweist, in welchem ein erster und ein zweiter Strömungskanal vorgesehen sind, die jeweils einen Eingangsbereich und einen Ausgangsbereich aufweisen.
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Im Betrieb des Abgasturboladers treibt ein dem Abgasturbolader zugeführter Abgasstrom eines Kraftfahrzeugs das Turbinenrad an, wodurch eine fest mit dem Turbinenrad verbundene Welle in eine Drehbewegung versetzt wird. Diese Drehbewegung wird auf das ebenfalls fest mit der Welle verbundene Verdichterrad übertragen. Mittels des Verdichterrades wird dem Verdichter zugeführte Frischluft verdichtet und zusammen mit dem benötigten Kraftstoff den Brennräumen des Motors des Kraftfahrzeugs zur Erhöhung der Motorleistung zugeführt.
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Ein Turbinengehäuse das zwei parallel zueinander verlaufende Strömungskanäle aufweist, wie sie beispielsweise bei sogenannten Twin-Scroll- Abgasturboladern verwendet werden, ermöglicht bei einer Verwendung eines zweiflutigen Abgaskrümmers der Brennkraftmaschine eine getrennte Zuführung der Abgase auf das Turbinenrad. Der Vorteil dieser Massnahme besteht darin, dass eine gegenseitige negative Beeinflussung der einzelnen Zylinder bei einem Ladungswechsel vermieden wird. Dabei werden im Abgaskrümmer die Abgaskanäle von beispielsweise zwei Zylindern bei Vierzylindermotoren zu einem Abgasstrang zusammengefasst, über jeweils einen der Strömungskanäle weitergeleitet und erst kurz vor dem Turbinenrad wieder zusammengeführt. Durch diese Vorgehensweise wird erreicht, dass der Abgasgegendruck reduziert ist und der Gaswechsel der Brennkraftmaschine verbessert ist, was wiederum zu einem niedrigeren Verbrauch, einer erhöhten Leistung und einer Verbesserung des Ansprechverhaltens der Brennkraftmaschine führt.
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Bei einer derartigen Brennkraftmaschine treten jedoch Betriebszustände auf, in denen die beiden Strömungskanäle strömungstechnisch unterschiedlich stark miteinander verbunden sein müssen.
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Aus der
DE 10 2010 008 411 A1 ist eine Turbine für einen Abgasturbolader bekannt. Diese Turbine weist ein Turbinengehäuse auf, in welchem ein von einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine beaufschlagbares Turbinenrad vorgesehen ist und welches zumindest zwei zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte und von dem Abgas durchströmbare Fluten aufweist. Des Weiteren ist zumindest ein verstellbares Ventil vorgesehen. Dieses weist eine einen Umströmungskanal verschließende Verschließstellung und eine den Umströmungskanal zumindest bereichsweise freigebende Offenstellung auf. Über dieses Ventil ist das Turbinenrad zumindest von einem Teil des Abgases umgehbar. Dabei sind die zumindest zwei Fluten in wenigstens einer Stellung des Ventils zumindest bereichsweise in einem Trennbereich durch das Ventil fluidisch voneinander getrennt. Ferner weist das Ventil zumindest eine Zwischenstellung auf, in welcher der Umströmungskanal verschlossen und die zumindest zwei Fluten in dem Trennbereich fluidisch miteinander verbunden sind. Bei diesem Ventil handelt es sich um einen Axialschieber oder um einen Drehschieber, welcher unter Verwendung eines Stellers gegen den vom Abgas ausgeübten Druck betätigt werden muss. Des Weiteren ist bei dieser Vorgehensweise die Regelbarkeit des Ventils begrenzt.
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Weiterhin ist aus Dokument
DE 3 145 835 A1 eine zweiflutige, Abgasturbine mit einem Turbinenrad bekannt, wobei die Zuleitung von Abgas zum Turbinenrad mittels Flutungskanälen erfolgt und die Flutungskanäle einander benachbart angeordnet sind, wobei in der sie trennenden Zwischenwand eine durch ein Absperrorgan absperrbare Überströmöffnung angeordnet ist. Mittels des Absperrorgans wird ein Übergang des Betriebes der Turbine von einem Staubetrieb in einen Stoßbetrieb in Abhängigkeit vom Ladedruck eines von der Turbine angetriebenen Verdichters eingestellt.
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Auch aus Dokument
DE 20 44 026 A ist eine zweiflutige Abgasturbine bekannt, bei der in dem Einlassabschnitt ein Regelorgan, in Form einer drehbar gelagerten Klappe, angeordnet ist, mit dem das Druckgas zur Regelung der Turbinendrehzahl wahlweise in den einen Teil oder den anderen Teil oder in beide Teile des Einlassabschnitts einzuleiten ist, wobei eine Verstellung der Klappe mittels eines Griffs vorgeschlagen wird.
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Aus Dokument
EP 2 025 871 A2 ist eine Segmentturbine bekannt, die zwei getrennte Fluten aufweist, wobei ein Gasstrom mittels einer schwenkbaren Klappen-Einrichtung wahlweise in jeweils eine oder beide Fluten gelenkt werden kann.
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Des Weiteren zeigt auch das Dokument
US 3 423 926 A eine zweiflutige Turbine, die eine Ventileinrichtung aufweist, mit deren Hilfe die beiden Fluten fluidtechnisch miteinander verbunden werden können oder der Gasstrom abgeleitet werden kann, um die Druckverhältnisse in den Fluten an die Betriebserfordernisse anzupassen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine zweiflutige Turbine für einen Abgasturbolader anzugeben, bei der ein erhöhter Abgasgegendruck auf einfache Weise reduziert und der Gaswechsel der Brennkraftmaschine verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Turbine mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Durch die vorliegende Erfindung wird eine Turbine für einen Abgasturbolader bereitgestellt, welcher ein Turbinengehäuse aufweist, in welchem ein erster und ein zweiter Strömungskanal vorgesehen sind, die jeweils einen Eingangsbereich und einen Ausgangsbereich aufweisen, wobei im Eingangsbereich der Strömungskanäle ein selbstregelnder Drehschieber angeordnet ist, der ein verstellbares Strömungskanalverschlusselement aufweist. Der Drehschieber weist einen mit dem Strömungskanalverschlusselement verbundenen oder einstückig mit diesem ausgebildeten Stellarm auf und der Stellarm ist mit einer Einstellvorrichtung verbunden, deren Bauteile zu einer Grundeinstellung des Strömungskanalverschlusselementes dienen, wobei die Einstellvorrichtung zwei vorgespannte Einstellfedern aufweist, deren Federkraft jeweils ein Drehmoment auf die Einstellvorrichtung ausübt, so dass die Grundeinstellung des Strömungskanalverschlusselementes durch die Federkräfte der vorgespannten Einstellfedern vorgegeben ist.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen im Wesentlichen darin, dass das Strömungskanalverschlusselement dann, wenn im Betrieb des Abgasturboladers zwischen den beiden Strömungskanälen eine Druckdifferenz auftritt, das Strömungsverschlusselement automatisch als Folge dieser Druckdifferenz verstellt wird. Diese automatische Verstellung erfolgt derart, dass der Verbindungsbereich zwischen den beiden Strömungskanälen geöffnet wird, so dass Abgas von dem Strömungskanal, in welchem der höhere Druck herrscht, in den Strömungskanal geleitet wird, in welchem der geringere Druck herrscht. Der Öffnungsgrad zwischen den beiden Strömungskanälen ist abhängig von der herrschenden Druckdifferenz. Ist diese Druckdifferenz größer als ein definierter Druckdifferenzschwellenwert, dann ist der Übergangsbereich zwischen den beiden Strömungskanälen vollständig geöffnet. Durch dieses selbstregelnde Öffnen des Strömungskanalverschlusselementes des Drehschiebers in Abhängigkeit von einer zwischen den Strömungskanälen bestehenden Druckdifferenz wird eine einfache, kostengünstige, platzsparende und strömungsgünstige Verbindungsmöglichkeit zwischen den beiden im Turbinengehäuse vorgesehenen Strömungskanälen geschaffen.
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Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt
- 1 eine Blockdarstellung zur Erläuterung des grundsätzlichen Aufbaus eines Abgasturboladers,
- 2 eine erste perspektivische Darstellung zur Erläuterung eines ersten Ausführungsbeispiels für eine Turbine, die einen selbstregelnden Drehschieber aufweist,
- 3 eine zweite perspektivische Darstellung zur Erläuterung des ersten Ausführungsbeispiels für eine Turbine, die einen selbstregelnden Drehschieber aufweist,
- 4 eine dritte perspektivische Darstellung zur Erläuterung des ersten Ausführungsbeispiels für eine Turbine, die einen selbstregelnden Drehschieber aufweist,
- 5 eine vierte perspektivische Darstellung zur Erläuterung des ersten Ausführungsbeispiels für eine Turbine, die einen selbstregelnden Drehschieber aufweist,
- 6 eine erste perspektivische Darstellung zur Erläuterung eines zweiten Ausführungsbeispiels für eine Turbine, die einen selbstregelnden Drehschieber aufweist,
- 7 eine zweite perspektivische Darstellung zur Erläuterung des zweiten Ausführungsbeispiels für eine Turbine, die einen selbstregelnden Drehschieber aufweist, und
- 8 eine dritte perspektivische Darstellung zur Erläuterung des zweiten Ausführungsbeispiels für eine Turbine, die einen selbstregelnden Drehschieber aufweist.
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Die 1 zeigt eine Blockdarstellung zur Erläuterung des grundsätzlichen Aufbaus eines Abgasturboladers 1.
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Dieser Abgasturbolader 1 weist eine Turbine 2 auf, die ein in einem Turbinengehäuse 3 angeordnetes Turbinenrad 4 enthält. Weiterhin weist der Abgasturbolader 1 einen Verdichter 5 auf, der ein in einem Verdichtergehäuse 6 angeordnetes Verdichterrad 7 enthält. Ferner weist der Abgasturbolader 1 eine Lagervorrichtung 9 auf, die ein Lagergehäuse 10 enthält, welches mit dem Verdichtergehäuse 6 und dem Turbinengehäuse 3 verbunden ist. Im Lagergehäuse 10 ist eine Welle 8 gelagert, in deren einem Endbereich das Turbinenrad 4 und in deren anderem Endbereich das Verdichterrad 7 angeordnet sind. Das Turbinenrad 4 und das Verdichterrad 7 können dabei an der Welle 8 befestigt sein oder integraler Bestandteil der Welle 8 sein.
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Bei der vorliegenden Erfindung sind die beiden Strömungskanäle 11, 12 in ihrem Eingangsbereich 13, 14 unter Verwendung eines selbstregelnden Drehschiebers 15 miteinander gekoppelt, welcher ein Strömungskanalverschlusselement 16 aufweist.
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In Abhängigkeit von der Stellung dieses Strömungskanalverschlusselementes 16 können die beiden Strömungskanäle 11, 12 vollständig voneinander entkoppelt sein, vollständig miteinander verbunden sein oder teilweise miteinander verbunden sein. Die Grundeinstellung des Strömungskanalverschlusselementes 16 ist derart, dass die beiden Strömungskanäle 11, 12 vollständig voneinander entkoppelt sind. Diese Grundeinstellung wird durch Verwendung einer Einstellvorrichtung 18 herbeigeführt, welche unter anderem zwei vorgespannte Federelemente aufweist.
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Im Betrieb des Abgasturboladers 1 treten Betriebszustände auf, in denen entgegen der vorstehend genannten Grundeinstellung eine mehr oder weniger starke Verkopplung der beiden Strömungskanäle 11, 12 vorteilhaft ist. Ein derartiger Betriebszustand liegt dann vor, wenn der Druck in den beiden Strömungskanälen 11, 12 unterschiedlich ist. Zum Ausgleich dieser Druckdifferenz zwischen den beiden Strömungskanälen 11, 12 ist der Drehschieber 15 selbstregelnd ausgebildet in dem Sinne, dass sein Strömungskanalverschlusselement 16 in Abhängigkeit von der herrschenden Druckdifferenz automatisch verstellt wird, um den Verbindungsbereich zwischen den beiden Strömungskanälen 11, 12 mehr oder weniger weit zu öffnen. Durch diese Öffnung kann Abgas von demjenigen Strömungskanal 11, 12, in welchem der höhere Druck herrscht, in den anderen Strömungskanal 11, 12 geleitet werden, in welchem ein niedrigerer Druck herrscht.
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Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele für die Ausgestaltung eines derartigen Drehschiebers 15 anhand der 2 bis 8 näher erläutert.
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Die 2 zeigt eine erste perspektivische Darstellung zur Erläuterung eines ersten Ausführungsbeispiels für eine Turbine 2, die einen selbstregelnden Drehschieber 15 aufweist. Von dieser Turbine 2 ist der Eingangsbereich 13, 14 des Turbinengehäuses 3 dargestellt, in welchem das Abgas der Brennkraftmaschine in das Turbinengehäuse 3 eingeleitet wird. In diesem Eingangsbereich 13, 14 des Turbinengehäuses 3 sind auch die Eingangsbereiche 13, 14 der beiden Strömungskanäle 11, 12 positioniert. Diese Strömungskanäle 11, 12 werden -was in der 2 nicht dargestellt ist- in ihren Ausgangsbereichen wieder zusammengeführt, um das durchgeleitete heiße Abgas dem Turbinenrad 4 zuzuführen und dieses anzutreiben.
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Im Eingangsbereich 13, 14 der Strömungskanäle 11, 12 ist ein selbstregelnder Drehschieber 15 vorgesehen, welcher ein verstellbares Strömungskanalverschlusselement 16 aufweist. Des Weiteren weist der Drehschieber 15 einen mit dem Strömungskanalverschlusselement 16 verbundenen oder einstückig mit diesem ausgebildeten Stellarm 17 auf. Dieser Stellarm 17 ist Bestandteil einer Einstellvorrichtung 18, zu welcher des Weiteren eine Halteplatte 19, Einstellfedern 20 und 21, Federhalteelemente 22, 23 und 24 und ein Verbindungselement 25 gehören.
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In seiner in der 2 dargestellten Grundeinstellung verschließt das Strömungskanalverschlusselement 16 den Verbindungsbereich zwischen den beiden Strömungskanälen 11 und 12, so dass diese Strömungskanäle 11 und 12 strömungstechnisch voneinander getrennt sind. Des Weiteren sind in der in der 2 gezeigten Grundeinstellung die Strömungskanäle 11 und 12 für das ihnen vom Abgaskrümmer zugeführte Abgas, welches in Axialrichtung in den jeweiligen Strömungskanal eintritt, offen, so dass dieses Abgas ungehindert in die Strömungskanäle einströmen kann.
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Die in der 2 dargestellte Grundeinstellung des Strömungskanalverschlusselements 16 wird dadurch herbeigeführt und gehalten, dass die beiden Einstellfedern 20 und 21 mit jeweils einer bestimmten Vorspannung versehen werden, die derart gewählt ist, dass die genannte Grundeinstellung des Strömungskanalverschlusselements 16 herbeigeführt ist.
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Wie aus der 2 ersichtlich ist, ist ein Endbereich der Einstellfeder 20 an einem Federhalteelement 22 befestigt und der andere Endbereich der Einstellfeder 20 an einem Federhalteelement 23. Des Weiteren ist ein Endbereich der Einstellfeder 21 an einem Federhalteelement 24 befestigt und der andere Endbereich der Einstellfeder 21 ebenfalls am Federhalteelement 23. Die Federhalteelemente 22 und 24 sind auf der Halteplatte 19 befestigt. Das Federhalteelement 23 ist über das Verbindungselement 25 im oberen Endbereich des Stellarms 17 mit diesem verbunden.
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Im Falle einer Drehung des Strömungskanalverschlusselementes 16 wird diese Drehung über den Stellarm 17 auf das Verbindungselement 25 und über dieses auf das Federhalteelement 23 übertragen, welches folglich ebenfalls verdreht wird.
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Die 3 zeigt eine zweite perspektivische Darstellung zur Erläuterung des ersten Ausführungsbeispiels für eine Turbine 2, die einen selbstregelnden Drehschieber 15 aufweist. Aus dieser 3 ist ersichtlich, dass die Halteplatte 19 in ihrem Innenbereich hohl ausgebildet ist und in ihrem radial innenliegenden Bereich eine stufenförmige Vertiefung aufweist, in welcher ein Querarm 17a des Stellarmes 17 drehbar gelagert ist. Das Strömungskanalverschlusselement 16, welches in der 3 hinter dem Stellarm 17 angeordnet und deshalb in dieser 3 nicht sichtbar ist, befindet sich ebenso wie bei der 2 in seiner Grundeinstellung und verschließt den Verbindungsbereich zwischen den beiden Strömungskanälen 11 und 12, so dass diese Strömungskanäle 11 und 12 strömungstechnisch voneinander getrennt sind.
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Die 4 zeigt eine dritte perspektivische Darstellung zur Erläuterung des ersten Ausführungsbeispiels für eine Turbine 2, die einen selbstregelnden Drehschieber 15 aufweist. In dieser Darstellung sind die Bauteile des Drehschiebers 15 von schräg oben ohne das Turbinengehäuse 3 dargestellt.
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Die 5 zeigt eine vierte perspektivische Darstellung zur Erläuterung des ersten Ausführungsbeispiels für eine Turbine 2, die einen selbstregelnden Drehschieber 15 aufweist. In dieser Darstellung sind die Bauteile des Drehschiebers 15 von schräg unten ohne das Turbinengehäuse 3 dargestellt. Aus dieser Figur ist insbesondere die Befestigung der Federhalteelemente 22 und 24 an der Halteplatte 19 sowie eine einstückige Ausbildung des Stellarmes 17 mit dem Strömungskanalverschlusselement 16 ersichtlich.
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Die 6 zeigt eine erste perspektivische Darstellung zur Erläuterung eines zweiten Ausführungsbeispiels für eine Turbine 2, die einen selbstregelnden Drehschieber 15 aufweist. Dieses zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in den 2 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dadurch, dass bei dem in der 6 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel die Einstellvorrichtung 18 auf ihrer Oberseite von einem Deckel 26 abgedeckt ist, so dass insbesondere die vorgespannten Einstellfedern 20 und 21 nicht freiliegend auf der Oberseite des Turbinengehäuses 3 angeordnet sind, sondern geschützt im Innenraum des Deckels 26. Des Weiteren unterscheidet sich das in der 6 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel von den in den 2 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die ersten Endbereiche der Einstellfedern 20 und 21 nicht an gesonderten, auf einer Halteplatte 19 befestigten Federhalteelementen 22 und 24, sondern im Innenbereich des Deckels 26 an diesem Deckel 26 selbst oder an einer Aufnahme des Turbinengehäuses 3 befestigt sind.
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Dies geht besser aus den 7 und 8 hervor, welche eine zweite und eine dritte perspektivische Darstellung zur Erläuterung des zweiten Ausführungsbeispiels für eine Turbine 2, die einen selbstregelnden Drehschieber 15 aufweist, zeigen.
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In der Zeichnung und der Beschreibung sind den einzelnen Vorrichtungskomponenten folgende Bezugszeichen zugeordnet:
- 1
- Abgasturbolader
- 2
- Turbine
- 3
- Turbinengehäuse
- 4
- Turbinenrad
- 5
- Verdichter
- 6
- Verdichtergehäuse
- 7
- Verdichterrad
- 8
- Welle
- 9
- Lagervorrichtung
- 10
- Lagergehäuse
- 11
- Strömungskanal
- 12
- Strömungskanal
- 13
- Eingangsbereich des Strömungskanals 11
- 14
- Eingangsbereich des Strömungskanals 12
- 15
- Drehschieber
- 16
- Strömungskanalverschlusselement
- 17
- Stellarm
- 17a
- Querarm des Stellarmes 17
- 18
- Einstellvorrichtung
- 19
- Halteplatte
- 20
- Einstellfeder
- 21
- Einstellfeder
- 22
- Federhalteelement
- 23
- Federhalteelement
- 24
- Federhalteelement
- 25
- Verbindungselement
- 26
- Deckel
