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EINLEITUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Turbinengehäuse-Ansaugkanal mit variabler Geometrie für einen durch Abgas angetriebenen Turbolader für einen Verbrennungsmotor (ICE).
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ICEs werden oftmals dazu herangezogen, ein erhebliches Leistungsniveau über längere Zeiträume auf zuverlässiger Grundlage zu erzeugen. Viele dieser ICE-Anordnungen verwenden eine Boost-Vorrichtung wie einen durch Abgas angetriebenen Turbolader, der den Luftstrom komprimiert, bevor er in den Ansaugkrümmer des Motors eintritt, um Leistung und Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen.
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Im Einzelnen ist ein Turbolader ein Zentrifugal-Gaskompressor, der mehr Luft und damit mehr Sauerstoff in die Verbrennungskammern des ICE presst, als andernfalls mit normalem Umgebungsluftdruck erreichbar ist. Die zusätzliche Masse sauerstoffhaltiger Luft, die in den ICE gepresst wird, verbessert den volumetrischen Wirkungsgrad das Motors, indem dieser mehr Kraftstoff in einem gegebenen Zyklus verbrennen kann und dadurch mehr Leistung erzeugt.
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Ein Turbolader mit variabler Geometrie (VGT) ist ein Turboladertyp, der in der Regel so ausgelegt ist, dass das effektive Expansionsverhältnis (E:R) des Turboladers an die Motordrehzahl angepasst werden kann und somit eine höhere ICE-Effizienz ermöglicht. Turbolader mit beweglichen Leitschaufeln sind die gebräuchlichsten Arten von VGTs. VGTs mit beweglichen Leitschaufeln sind bei Kompressionszündungen oder Diesel-ICEs im Vergleich zu Fremdzündungsmotoren häufiger anzutreffen, da niedrigere Abgastemperaturen von Dieselmotoren eine weniger extreme Umgebung für die beweglichen Leitschaufeln und andere empfindliche, maßgenaue Komponenten dieser VGTs bieten.
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Aus der Druckschrift US 2009 / 0 003 995 A1 ist ein Abgasturbolader mit einem anpassbaren Gleitring bekannt. Die Druckschrift
EP 0 093 462 A1 beschreibt einen Abgasturbolader mit verstellbarem Ringschieber. In der Druckschrift
DE 11 2015 001 367 T5 ist eine Turboladerturbine mit verstellbarer Turbine offenbart.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen verbesserten Turbolader mit variabler Geometrie bereitzustellen.
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KURZDARSTELLUNG
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Turbolader mit variabler Geometrie gemäß dem unabhängigen Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der erfindungsgemäße Turbolader mit variabler Geometrie (VGT) für einen Verbrennungsmotor, der zum Erzeugen einer Strömung von Nachverbrennungsgasen als Nebenprodukt der Erzeugung des Ausgangsdrehmoments konfiguriert ist, beinhaltet ein Turbinengehäuse, das eine Spirale definiert. Der VGT beinhaltet auch ein Turbinenrad, das auf einer Welle mit einer Drehachse montiert ist, im Turbinengehäuse gehalten wird und durch die Strömung von Nachverbrennungsgasen um die Drehachse gedreht werden kann. Das Turbinengehäuse definiert einen Einlass zum Turbinenrad stromabwärts der Spirale und stromaufwärts des Turbinenrades. Der Einlass zum Turbinenrad beinhaltet einen in Umfangsrichtung kontinuierlichen und ungehinderten Ansaugkanal mit wählbarer Querschnittsfläche, der zum Regeln des effektiven Ausdehnungsverhältnisses des VGT konfiguriert ist.
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Der VGT beinhaltet auch einen Mechanismus zum Auswählen der Querschnittsfläche des Ansaugkanals und einen Ring, der durch eine Oberfläche mit Außendurchmesser definiert ist und beweglich am Turbinengehäuse im Ansaugkanal angebracht ist, um dadurch eine bewegliche Rückwand des Ansaugkanals zu definieren.
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Der Ring steht dabei in Gewindeeingriff mit dem Turbinengehäuse und ist konfiguriert, um sich gleichzeitig zu drehen und in Bezug auf das Turbinengehäuse zu verschieben, um dadurch den Querschnitt des Ansaugkanals auszuwählen.
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Das Turbinengehäuse und der Ring können vergleichbare Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
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Der VGT kann auch ein Lagergehäuse mit mindestens einem Lager zum Abstützen der Welle beinhalten. In einem derartigen Fall kann der Ring zwischen dem Lagergehäuse und dem Turbinenrad montiert werden, wenn er entlang der Drehachse betrachtet wird.
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Die Spirale des Turbinengehäuses kann eine zylindrische Innenwand aufweisen, die durch einen Durchmesser definiert ist, und der Außendurchmesser der Oberfläche kann dem Durchmesser der zylindrischen Innenwand entsprechen.
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Die Außendurchmesserfläche des Rings kann eine abgerundete und eine abgeschrägte Kante aufweisen, die zur Aufnahme des Stroms von Nachverbrennungsgasen aus der Spirale und zum Reduzieren von Turbulenzen im Strom von Nachverbrennungsgasen konfiguriert ist.
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Der Mechanismus kann zusätzlich ein Stellglied beinhalten, das konfiguriert ist, um eine Position des Rings in Bezug auf das Turbinengehäuse selektiv zu verändern.
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Der Mechanismus kann konfiguriert werden, um die Position des Rings in einer kontinuierlichen und stufenlosen Bewegung zu verändern.
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Das Stellglied kann sowohl eine elektromechanische als auch eine pneumatische Konfiguration aufweisen.
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Der Mechanismus kann zusätzlich eine Steuerung mit einem Speicher beinhalten, die zum Regeln des Stellglieds konfiguriert ist.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung richtet sich an einen Verbrennungsmotor, der den VGT wie vorstehend beschrieben einsetzt.
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Die oben aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsform/en und der besten Art/en zum Ausführen der beschriebenen Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen und beigefügten Ansprüchen ersichtlich.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor, der einen Turbolader mit variabler Geometrie (VGT) aufweist.
- 2 ist eine schematische perspektivische Nahansicht des in 1 dargestellten Motors.
- 3 ist eine schematische Querschnittsseitenansicht des in den 1 und 2 dargestellten VGT, einschließlich einer Ausführungsform eines Mechanismus mit einem Ring, der zur Auswahl einer Querschnittsfläche eines Ansaugkanals und Darstellung des Rings in einer Zwischenposition konfiguriert ist.
- 4 ist eine schematische Querschnittsseitenansicht des in den 1 und 2 dargestellten VGT, einschließlich einer weiteren Ausführungsform eines Mechanismus mit einem Ring, der zur Auswahl der Querschnittsfläche des Ansaugkanals konfiguriert ist, und der den Ring in einer vollständig eingefahrenen Position darstellt.
- 5 ist eine schematische Querschnittsseitenansicht des in den 1 und 2 dargestellten VGT, einschließlich der Ausführungsform des in 4 dargestellten Mechanismus und der Darstellung des Rings in einer vollständig ausgefahrenen Position.
- 6 ist eine schematische Vorderansicht des Mechanismus, der zur Auswahl der Querschnittsfläche des in den 3 und 4 dargestellten VGT-Ansaugkanals konfiguriert ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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In Bezug auf die Zeichnungen, worin gleiche Bezugszahlen in allen Figuren gleichen oder ähnlichen Komponenten entsprechen, veranschaulicht 1 ein Fahrzeug 6 mit einer Vielzahl von Rädern 8, die durch einen Verbrennungsmotor (ICE) 10 angetrieben werden können. Wie in 2 dargestellt, beinhaltet der ICE 10 einen Zylinderblock 12 mit einer Vielzahl von Zylindern 14, die darin angeordnet sind. Der Verbrennungsmotor 10 beinhaltet auch einen Zylinderkopf 16. Zu jedem Zylinder 14 gehört ein Kolben 18, der sich darin hin und her bewegt. Der ICE 10 kann als Fremdzünd- oder Selbstzünder ausgeführt sein. Der ICE 10 erzeugt Nachverbrennungsgase als Nebenprodukt beim Erzeugen des Motorausgangsdrehmoments.
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Wie in 2 dargestellt, bilden sich innerhalb der Zylinder 14 zwischen der Bodenfläche des Zylinderkopfes 16 und den Oberseiten der Kolben 18 Brennkammern 20. Wie einem Fachmann bekannt ist, sind die Brennkammern 20 ausgelegt, Kraftstoff und Luft zur Bildung eines Kraftstoff-/Luftgemisches zur nachfolgenden Verbrennung darin aufzunehmen. Der Verbrennungsmotor 10 beinhaltet auch eine Kurbelwelle 22, die ausgelegt ist, innerhalb des Zylinderblocks 12 zu rotieren. Die Kurbelwelle 22 wird von den Kolben 18 als Ergebnis eines erhöhten Drucks aus der Verbrennung des Kraftstoff-/Luftgemisches in den Verbrennungskammern 20 in Rotation versetzt. Nachdem das Kraftstoff-/Luftgemisch in einer speziellen Brennkammer 20 verbrannt ist, dient die Hin- und Herbewegung eines bestimmten Kolbens 18 zum Erzeugen eines Nachverbrennungs- oder Abgasstroms 23 aus dem jeweiligen Zylinder 14.
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Der ICE 10 beinhaltet auch ein Ansaugsystem 24, das ausgelegt ist, einen Luftstrom 26 aus der Umgebung zu den Zylindern 14 zu leiten. Das Induktionssystem 24 beinhaltet eine Einlassluftleitung 28, einen Turbolader mit variabler Geometrie (VGT) 30 und einen Ansaugkrümmer (nicht dargestellt). Obwohl nicht dargestellt, kann das Ansaugsystem 24 zusätzlich einen Luftfilter stromaufwärts vom VGT 30 zum Entfernen von Fremdpartikeln und anderen aus der Luft stammenden Fremdkörpern aus dem Luftstrom 26 beinhalten. Die Einlassluftleitung 28 ist ausgelegt, den Luftstrom 26 aus der Umgebung zum VGT 30 zu leiten, während der VGT zum Druckbeaufschlagen des empfangenen Luftstroms und zum Ableiten des druckbeaufschlagten Luftstroms zum Ansaugkrümmer ausgelegt ist. Der Ansaugkrümmer verteilt wiederum den zuvor druckbeaufschlagten Luftstrom 26 zu den Zylindern 14 zum Mischen mit einer entsprechenden Kraftstoffmenge und nachfolgender Verbrennung des resultierenden Kraftstoff-Luft-Gemisches.
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Wie in den 3-5 dargestellt beinhaltet der VGT 30 eine Welle 34 mit einem ersten Ende 36 und einem zweiten Ende 38. Die Welle 34 wird für die Drehbewegung um eine Drehachse 40 durch Lager 42 getragen. Die Lager 42 sind in einem Lagergehäuse 44 befestigt und können durch eine Ölzuführung geschmiert werden. Ein Turbinenrad 46 ist auf die Welle 34 nahe dem ersten Ende 36 montiert und konfiguriert, um durch Abgase 23 aus den Zylindern 14 um die Drehachse 40 gedreht zu werden. Das Turbinenrad 46 ist innerhalb eines Turbinengehäuses 48 gesichert, das eine Turbinenschnecke oder Spiralgehäuse 50 beinhaltet. Die Spirale 50 definiert einen Einlass 52 zum Turbinenrad 46. Wie dargestellt, ist der Einlass 52 stromabwärts der Spirale 50 und stromaufwärts des Turbinenrades 46 positioniert. Die Spirale 50 empfängt die Nachverbrennungsabgase 23 und leitet die Abgase zum Turbinenrad 46 durch den Einlass 52. Dadurch werden das Turbinenrad 46 und die Welle 34 durch die Nachverbrennungsabgase 23 gemeinsam um die Achse 40 gedreht. Die Spirale 50 ist konfiguriert, um bestimmte Leistungsmerkmale wie Wirkungsgrad und Ansprechverhalten des Turboladers 30 zu erreichen.
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Der Einlass 52 beinhaltet einen umlaufend durchgehenden und ungehinderten Einlasskanal 54 mit variabler Geometrie. Der Begriff „in Umfangsrichtung kontinuierlich und ungehindert“ im Sinne dieser Definition bedeutet, dass der Ansaugkanal 54 einen in Umfangsrichtung offenen Pfad zur Strömung von Nachverbrennungsgasen 23 zwischen der Spirale 50 und dem Turbinenrad 46 vorsieht, ohne dass sich um den Außenumfang des Ansaugkanals 54A ein Hindernis bildet, das den Ansaugkanal in einzelne radiale Kanäle aufbrechen oder aufteilen würde. Dem in Umfangsrichtung kontinuierlichen und ungehinderten Ansaugkanal 54 mit variabler Geometrie stehen derartige VGT-Konfigurationen mit diskreten Leitschaufeln oder anderen Vorrichtungen zur radialen Führung des Abgasstroms durch das Turbinengehäuse 48 und zum Turbinenrad 46 gegenüber.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung weist der Ansaugkanal 54 eine variable oder wählbare Querschnittsfläche A für den kontrollierten Durchgang des Stroms von Nachverbrennungsgasen 23 auf. Die wählbare Querschnittsfläche A des Ansaugkanals 54 ist konfiguriert, um das Seitenverhältnis des Ansaugkanals 54 zu verändern und das effektive Expansionsverhältnis (E:R) des Turboladers entsprechend der Drehzahl des ICE 10 zu regeln und somit eine erhöhte ICE-Betriebsleistung zu ermöglichen. Das Expansionsverhältnis des VGT 30 ist typischerweise definiert als das Verhältnis des Drucks einer bestimmten Massendurchflussmenge der Nachverbrennungsgase 23 des Vorturbinenrades 46 zum Druck der gleichen Massendurchflussmenge des Nachverbrennungsgases. Der variable Seitenverhältnis-Parameter ist im Allgemeinen definiert als das Verhältnis der Breite einer Form zu ihrer Höhe. Dieses variable Seitenverhältnis des Ansaugkanals 54 ermöglicht die Regelung der Strömungsgeschwindigkeit von Nachverbrennungsgasen 23 und des dadurch erzeugten Drucks zum Verändern der Drehzahl des Turbinenrades 46. Wenn das Seitenverhältnis zu groß ist, erzeugt der Turbolader typischerweise einen unzureichenden Ladedruck und weist bei niedrigeren Motordrehzahlen eine Verzögerung auf. Andererseits, wenn das Seitenverhältnis zu klein ist, drosselt der Turbolader den Motor bei höheren Drehzahlen, erzeugt hohe Abgaskrümmerdrücke, hohe Pumpverluste und führt letztendlich zu einem geringeren Motordrehmoment.
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Durch Änderung der Geometrie des Turbinengehäuses 48 beim Beschleunigen des ICE 10 kann das Seitenverhältnis des Ansaugkanals 54 so beibehalten werden, dass der VGT 30 bei niedrigen Motordrehzahlen ein akzeptables Ansprechverhalten und einen ausreichenden Luftdurchsatz und einen Schub bei höheren Motordrehzahlen erzeugt. Insgesamt definiert der Ansaugkanal 54 mit variabler Geometrie einen offenen Pfad um den gesamten Außenumfang 54A und ist gekennzeichnet durch das Fehlen einer radial angeordneten Behinderung, wobei er dennoch eine variable, d. h. wählbare Querschnittsfläche A und ein wählbares Seitenverhältnis des Einlasses zum Turbinenrad 46 aufweist.
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Wie dargestellt, beinhaltet der VGT 30 einen Mechanismus 56, der zur Auswahl der Querschnittsfläche A des Ansaugkanals 54 konfiguriert ist. Der Mechanismus 56 beinhaltet einen Ring 58, der beweglich am Turbinengehäuse 48 im Ansaugkanal 54 montiert ist. Der Ring 58 definiert eine bewegliche Rückwand des Ansaugkanals 54 und ist konfiguriert, entlang der Drehachse 40 zu gleiten, um dadurch die Querschnittsfläche A des Ansaugkanals zu regulieren. Der Ring 58 ist bei Betrachtung entlang der Drehachse 40 translatorisch zwischen dem Lagergehäuse 44 und dem Turbinenrad 46 montiert. Der Mechanismus 56 kann konfiguriert werden, um die Position des Rings 58 in einer kontinuierlichen, d. h. stufenlosen Bewegung zu verändern. Es ist anzumerken, dass die in den 3-5 dargestellten spezifischen Konfigurationen des Mechanismus 56 in erster Linie für repräsentative Zwecke verwendet werden und die Verwendung anderer geeigneter Mechanismen nicht einschränken.
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Der Mechanismus 56 kann derart konfiguriert sein, dass der Ring 58 eine unendliche Anzahl von Positionen innerhalb eines vorgeschriebenen Bewegungsbereichs R relativ zur Achse 40 aufweist. Dementsprechend ist der gesamte vorgeschriebene Bewegungsbereich R des Rings 58 so gewählt, dass während des Betriebs des VGT 30 zumindest ein Teil des Stroms der Nachverbrennungsgase 23 durch den Ansaugkanal 54 strömt. Die Materialien des Turbinengehäuses 48 und des Rings 58 können so gewählt werden, dass sie vergleichbare Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, um die Wahrscheinlichkeit von Störungen und Verklebungen zwischen den beiden Komponenten während des Betriebs des VGT 30 bei typischen Abgastemperaturen des ICE 10 zu verringern. Der Mechanismus 56 mit dem beweglichen Ring 58 soll einen robusten und zuverlässigen VGT bereitstellen, der nicht nur den typischen Abgastemperaturen von Diesel-ICEs standhält, sondern auch den vergleichsweise höheren Abgastemperaturen, die häufig durch Fremdzündungs-ICEs entstehen.
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Der Ring 58 beinhaltet eine Außendurchmesserfläche 58-1 für den Eingriff und die Abdichtung zum Turbinengehäuse 48. In einer nicht beanspruchten Ausführungsform kann der Ring 58 mit dem Turbinengehäuse 48 entlang einer zylindrischen Innenwand 48-1, die als Führungskanal 59A ausgebildet ist, über eine Passung im Wesentlichen abgedichtet werden (siehe 3). Insbesondere kann die Außendurchmesserfläche 58-1 ein kontrolliertes Spiel zu einem Außendurchmesser der zylindrischen Innenwand 48-1 aufweisen, das ausreicht, um eine Gleitbewegung des Rings 58 relativ zum Turbinengehäuse 48 zu ermöglichen. Erfindungsgemäß ist der Mechanismus 56 mit einer Gewindeschnittstelle 59B oder einem spiralförmigen Eingriff mit dem Turbinengehäuse 48 (siehe 4 und 5) versehen, um den Ring 58 gegen das Turbinengehäuse 48 abzudichten. Dabei steht die Außendurchmesserfläche 58-1 des Rings 58 in Gewindeeingriff mit dem Turbinengehäuse 48 und ist konfiguriert, um sich gleichzeitig zu drehen und in Bezug auf das Turbinengehäuse zu verschieben, um dadurch den Querschnittsbereich A des Ansaugkanals 54 auszuwählen. Die vorgenannten Dichtungsanordnungen können die Druckverluste der in den Ansaugkanal 54 eintretenden Nachverbrennungsgase 23 begrenzen und den Wirkungsgrad des VGT 30 aufrechterhalten. Wie in 3 dargestellt, beinhaltet die Spirale 50 eine zylindrische Innenwand 50-1, die durch einen Außendurchmesser definiert ist. Wie ebenfalls in 3 dargestellt, kann die Außendurchmesserfläche 58-1 im Wesentlichen dem Außendurchmesser der zylindrischen Innenwand 50-1 entsprechen, um den Druckabfall im Strom der Nachverbrennungsgase 23 zu begrenzen. Die obige Konfiguration, wobei die zylindrische Innenwand 48-1 und die Außendurchmesserfläche 58-1 auf einem im Wesentlichen übereinstimmenden Durchmesser vorliegen, kann in jeder der in den 3-5 dargestellten Ausführungsformen enthalten sein.
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Die Außendurchmesserfläche 58-1 des Rings 58 kann entweder eine abgerundete Kante 59A (siehe 3) oder eine abgeschrägte Kante 59B (siehe 4 und 5) aufweisen. Eine derart abgerundete Kante 59A oder abgeschrägte Kante 59B auf der Außendurchmesserfläche 58-1 ist zur Aufnahme des Stroms von Nachverbrennungsgasen 23 aus der Spirale 50 und zum Reduzieren von Turbulenzen im Strom von Nachverbrennungsgasen konfiguriert ist. Der Mechanismus 56 kann zusätzlich ein Stellglied 60 beinhalten, das konfiguriert ist, um eine Position des Rings 58 in Bezug auf das Turbinengehäuse 48 selektiv und kontinuierlich zu verändern. Das Stellglied 60 kann entweder eine elektromechanische, wie beispielsweise ein Elektromotor in Verbindung mit einer Getriebe- oder Hebelantriebsanordnung, oder eine pneumatische Konfiguration aufweisen. Zusätzlich kann die in den 4 und 5 dargestellte Ausführungsform des Stellglieds 60A ein Schneckenrad 60A beinhalten. Das Schneckenrad 60A kann beispielsweise durch einen Elektromotor gedreht werden und ist somit zum gleichzeitigen Drehen des Rings 58 innerhalb des Turbinengehäuses 48 um die Achse 40 und zum gleichzeitigen Verschieben des Rings entlang der Achse innerhalb des vorgeschriebenen Bewegungsbereichs R konfiguriert.
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Wie in 3 dargestellt, kann der Mechanismus 56 zusätzlich eine Steuerung 62 beinhalten. Die Steuerung 62 kann eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) zur Regelung verschiedener Funktionen am Fahrzeug 6 oder eine dedizierte elektronische Steuereinheit (ECU) zum Steuern des Betriebs des ICE 10 sein. In beiden Konfigurationen beinhaltet die Steuerung 60 einen Prozessor 64 und einen greifbaren, nichtflüchtigen Speicher 66, der Anweisungen für das darin programmierte Stellglied 60 beinhaltet. Somit ist der Prozessor 64 in der Steuerung 60 so konfiguriert, dass er die Anweisungen aus dem Speicher 66 zur Regelung des ICE 10 ausführt, einschließlich des Betriebs des Stellglieds 60. Darüber hinaus kann die Steuerung 62 so konfiguriert werden, dass sie das Stellglied 60 gemäß einem programmierten Algorithmus 68 regelt, der verschiedene Betriebsarten des VGT 30 widerspiegelt, die speziell für den Betrieb des ICE 10 konfiguriert sind.
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Bezugszeichenliste
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- 6
- Fahrzeug
- 8
- Rad
- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Zylinderblock
- 14
- Zylinder
- 16
- Zylinderkopf
- 18
- Kolben
- 20
- Brennkammer
- 22
- Kurbelwelle
- 23
- Abgasstrom
- 24
- Ansaugsystem
- 26
- Luftstrom
- 28
- Einlassluftleitung
- 30
- Turbolader mit variabler Geometrie
- 34
- Welle
- 36
- erstes Ende
- 38
- zweites Ende
- 40
- Drehachse
- 42
- Lager
- 44
- Lagergehäuse
- 46
- Turbinenrad
- 48
- Turbinengehäuse
- 48-1
- zylindrische Innenwand
- 50
- Spirale
- 50-1
- zylindrische Innenwand
- 52
- Einlass
- 54
- Ansaugkanal
- 54A
- Außenumfang
- 56
- Mechanismus
- 58
- Ring
- 58-1
- Außendurchmesserfläche
- 59A
- Führungskanal, abgerundete Kante
- 59B
- Gewindeschnittstelle, abgeschrägte Kante
- 60
- Stellglied
- 60A
- Schneckenrad
- 62
- Steuerung
- 64
- Prozessor
- 66
- Speicher
- 68
- programmierter Algorithmus
- A
- Querschnittsfläche
- R
- Bewegungsbereich
