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Die Erfindung bezieht sich auf einen
Abgasturbolader für
eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Aus der Druckschrift
DE 196 15 237 C2 ist ein
derartiger Abgasturbolader mit einer Turbine mit radialem und mit
halbaxialen Strömungseintrittsquerschnitt
im Zuströmbereich
der Turbine bekannt. Die Strömungseintrittsquerschnitte,
zwischen denen ein strömungsgünstig konturierter
Strömungsring
im Einströmbereich
der Turbine angeordnet ist, ermöglichen
sowohl eine radiale als auch eine halbaxiale Anströmung des
Turbinenrades. Im radialen Strömungseintrittsquerschnitt
ist ein Leitgitter mit verstellbaren Leitschaufeln angeordnet, über die
der Strömungseintrittsquerschnitt
variiert werden kann. Über die
Einstellung des Leitgitters kann der Abgasgegendruck und auch die
Art und Weise der Zuströmung des
Abgases auf das Turbinenrad beeinflusst werden, wodurch die Leistung
der Turbine und die Leistung des Verdichters je nach Bedarf und
Betriebszustand der Brennkraftmaschine eingestellt werden können.
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Derartige, mit variabler Turbinengeometrie ausgestattete
Abgasturbolader werden insbesondere auch im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine
eingesetzt. Im Bremsbetrieb wird das Leitgitter in eine Staustellung überführt, in
welcher der Ein trittsquerschnitt deutlich reduziert ist, woraufhin
sich im Leitungsabschnitt stromauf der Turbine ein erhöhter Abgasgegendruck
aufbaut, welcher bewirkt, dass das Abgas mit hoher Geschwindigkeit
durch die Kanäle zwischen
den Leitschaufeln strömt
und das Turbinenrad mit einem hohen Impuls beaufschlagt. Durch die erhöhte Laderleistung
wird auch die dem Motor zugeführte
Verbrennungsluft unter einen erhöhten
Ladedruck gesetzt. Der Zylinder wird eingangsseitig mit erhöhtem Ladedruck
beaufschlagt, zugleich liegt an der Ausgangsseite ein erhöhter Abgasgegendruck an,
der dem Abblasen der im Zylinder verdichteten Luft über Bremsventile
in den Abgasstrang hinein entgegenwirkt. Im Motorbremsbetrieb muss
der Kolben im Verdichtungs- und Ausschiebehub Kompressionsarbeit
gegen den hohen Überdruck
im Abgasstrang verrichten, hierdurch wird eine starke Bremswirkung
erreicht.
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Die gewünschten hohen Bremsleistungen können jedoch
nur erzielt werden, wenn innerhalb der Turbine eine gewünschte Druckverteilung herrscht
und das Abgas in der vorgesehenen Weise die Turbine durchströmt. Problematisch
hierbei sind Leckagen an den Stirnseiten der verstellbaren Leitschaufeln,
welche durch Bauteil- und Fertigungstoleranzen, aber auch durch
Verschleiß und
wärmebedingte
Dehnungen auftreten können
und einen Solldruckverlauf innerhalb der Turbine stark beeinträchtigen
können,
was sich negativ auf die Motorbremsleistung, aber auch auf die Motorleistung
in der befeuerten Antriebsbetriebsweise auswirkt. Solche Leitgitterleckagen
entstehen auch durch konstruktiv bedingte Spalte, welche für die Bewegung
der Leitschaufeln des Leitgitters der variablen Turbinengeometrie
in einem der Strömungseintrittsquerschnitte erforderlich
sind.
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Aus der Druckschrift
DE 39 41 399 C1 ist ebenfalls
ein Abgasturbolader für
eine Brennkraftmaschine bekannt, der mit ei nem zweiflutigen Spiralkanal
mit radialem und halbaxialem Strömungseintrittsquerschnitt
im Turbinengehäuse
ausgestattet ist, wobei die beiden Fluten durch eine feste Trennwand
separiert sind. Zwischen radialem und halbaxialem Strömungseintrittsquerschnitt
der beiden Fluten befindet sich im Bereich der Stirnseite der die
Fluten separierenden Trennwand ein axial verstellbarer Schieber,
welcher zwischen einer den radialen Strömungseintrittsquerschnitt sperrenden
Position und einer den halbaxialen Strömungseintrittsquerschnitt sperrenden
Position zu verstellen ist. Der Schieber übernimmt die Funktion eines
variablen Geometrieteiles, über
den die Strömungsverhältnisse
der Anströmung auf
das Turbinenrad zu beeinflussen sind. Leckageströme können aber auch bei diesem Turbolader nicht
verhindert werden.
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Die Druckschrift
DE 35 41 508 C1 offenbart einen
Abgasturbolader mit radialem Strömungseintrittsquerschnitt
zum Turbinenrad, wobei in dem Strömungseintrittsquerschnitt ein
Leitgitterring mit verstellbaren Leitschaufeln angeordnet ist. Zwei
das Leitgitter stirnseitig einfassende Halteringe sind über mehreren über den
Umfang verteilter Schrauben miteinander verbunden. Die Schrauben
liegen in Distanzhülsen,
welche einen Minimumabstand der beiden Halteringe gewährleisten.
Eine axiale Relativbewegung des äußeren Halteringes
gegenüber
dem inneren Haltering ist auf Grund der Schraubenverbindung nicht
möglich,
und zwar weder in Richtung eines größeren Abstandes der Halteringe
noch in Richtung eines Zusammenschiebens der Halteringe. Dies hat
zur Folge, dass die Spalte zwischen den axialen Stirnseiten der
Schaufeln des Leitgitters und den beiden Halteringen auf ein fest
vorgegebenes, unveränderliches
Maß eingestellt
werden. Hierbei ist ein Kompromiss zu finden zwischen einer ausreichend großen Bewegungsmöglichkeit
für die
Schaufeln und einem hinreichend schmalen Spalt zur Vermeidung von
Leckageströmen.
Wärmebedingte
Deh nungen der Bauteile im Turbolader können jedoch zu einer Vergrößerung der
Spalte und dadurch bedingtem unerwünschten Druckabbau mit einhergehender
geringerer Laderleistung führen.
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Die Druckschrift
DE 100 29 640 A1 offenbart einen
Abgasturbolader mit halbaxialem und mit radialem Strömungseintrittsquerschnitt
zum Turbinenrad, die über
einen axial verschieblichen Strömungsring
separiert sind. In dem radialem Strömungseintrittsquerschnitt ist
ein Leitgitterring mit verstellbaren Leitschaufeln und im halbaxialem
Querschnitt ein Gitter mit Festgeometrie angeordnet. Wird der Leitgitterring
im radialen Querschnitt in die Staustellung überführt, strömt ein größerer Anteil des Abgases durch
den halbaxialen Querschnitt. Aerodynamische Effekte können ein
Verschieben des Strömungsringes
in Richtung des radialen Leitgitterringes bewirken.
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Der Erfindung liegt das Problem zu
Grunde, den Wirkungsgrad von Abgasturbinen mit radialem Strömungseintrittsquerschnitt
und mit variabler Turbinengeometrie zu steigern. Insbesondere im
Motorbremsbetrieb, gegebenenfalls aber auch in der befeuerten Antriebsbetriebsweise,
soll die Turbinenleistung verbessert werden.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Gemäß dem neuartigen Abgasturbolader
ist vorgesehen, dass die Position des Strömungsrings im Gehäuse des
Laders veränderlich
einzustellen ist. Dieser Strömungsring
ist im Stand der Technik stets als ein fest mit dem Ladergehäuse verbundenes
Bauteil ausgebildet, wohingegen gemäß neuem Anspruch 1 der Strömungsring
beweglich sein soll. Hierdurch wird die Mög lichkeit eröffnet, Spaltmaße, welche
konstruktiv bedingt sind oder durch Verschleiß, durch Wärmedehnungen oder durch sonstige
Ursachen entstehen, über
eine Bewegung des Strömungsrings
zu reduzieren und gegebenenfalls völlig zu eliminieren. Leckagen
an den Stirnseiten der verstellbaren Leitschaufeln können weitgehend
oder vollständig
ausgeschlossen werden, innerhalb der Turbine kann eine gewünschte Druckverteilung
eingestellt werden, die eine gewünschte
Abgasströmung
auf das Turbinenrad bewirkt. Um die Radialleitschaufeln verstellen
zu können,
ist ein minimaler Spalt an den axialen Stirnseiten der Radialleitschaufeln
erforderlich; zur Verstellung der Radialleitschaufeln kann der verstellbare
Strömungsring
axial in eine vom Radialleitgitter weiter entferntere Position verschoben
werden. Anschließend
wird zur Schließung von
Luftspalten der Strömungsring
bis auf Kontakt zur Stirnseite der Radialleitschaufeln bzw. eines sonstigen
Bauteils des Radialleitgitters oder zu einem dafür vorgesehenen Abstandhalter
herangeschoben.
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Der Strömungsring ist axial verschiebbar ausgebildet,
wodurch insbesondere Leitschaufelspalte am Radialleitgitter reduziert
werden können.
Alternativ oder zusätzlich
kann es aber auch zweckmäßig sein,
eine radiale Verstellbarkeit des Strömungsringes vorzusehen, die
beispielsweise durch eine exzentrische Verschiebung des Strömungsringes und/oder
durch eine radiale Erweiterung oder Verjüngung des Strömungsringes
erzielt werden kann.
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Im Falle eines axial verschieblichen
Strömungsringes
wird die Verschiebebewegung vorteilhaft durch Anschläge begrenzt,
welche insbesondere die Öffnung
eines Leitschaufelspalts des Radialleitgitters auf ein vorgegebenes
Maß begrenzen.
Dieser zugelassene axiale Weg, welcher mit dem axialen Spiel des
Strömungsringes
identisch ist, beträgt
vorteilhaft etwa 0,15 mm bis 0,3 mm. Dieses vergleichsweise geringe
Maß soll
sicher stellen, dass das maximale Spiel des Strömungsrings auf ein Maß begrenzt
wird, welches ein Funktionieren des Abgasturboladers sowohl im Motorbremsbetrieb
als auch in der befeuerten Antriebsbetriebsweise sicher stellt.
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Der Strömungsring kann gegebenenfalls auch
ohne Beaufschlagung durch ein Stellelement schwimmend gelagert sein.
In jedem Fall wird mit zunehmendem Schließen des Radialleitgitters der
statische Druck auf der Leitgitterseite des Strömungsringes stark abgesenkt,
wohingegen auf der gegenüberliegenden
Seite aufgrund der relativ geringen Strömungsgeschwindigkeiten in diesem
Bereich der Druck auf einem hohen Niveau verbleibt. Aus diesem Druckunterschied
resultiert eine Kraft, die den axial beweglichen Strömungsring
stirnseitig gegen das Radialleitgitter drückt, wodurch die Leitgitterspalte
reduziert werden.
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Im Strömungsring können axiale Entlastungsbohrungen
vorgesehen sein, die sich zwischen den Stirnseiten des Strömungsringes
erstrecken, wodurch ein Druckausgleich ermöglicht, wird und die auf den
Strömungsring
wirkende Anpresskraft bei Anlage an das Radialleitgitter getrimmt
werden kann.
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Im Falle eines radialen Leitgitters
mit verstellbaren Leitschaufeln sind diese über jeweils eine axiale welle
zweckmäßig am Ladergehäuse, vorteilhaft aber
auch im verschieblichen Strömungsring
gelagert. Im Falle einer auch im Strömungsring vorgesehenen, doppelseitigen
Lagerung der Leitschaufeln sind im Strömungsring zweckmäßig Ausnehmungen für die Aufnahme
der zugeordneten Schaufelwelle vorgesehen, wobei die Tiefe der Ausnehmungen
vorteilhaft an die axiale Länge
der Schaufelwellen angepasst ist, um die Schaufelwellen auch bei
einer völligen
Schließung
des Leitschaufelspaltes aufnehmen zu können.
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Es kann gegebenenfalls auch zweckmäßig sein,
in bestimmten Betriebszuständen
der Brennkraftmaschine im Motorbremsbetrieb und/oder in der befeuerten
Antriebsbetriebsweise ein erwünschtes Spaltmaß vorzusehen,
mit dem die Strömungs-
und Druckverhältnisse
innerhalb des Ladergehäuses
in der Turbine in einer bestimmten Weise gezielt beeinflusst werden.
Außerdem
kann es zweckmäßig sein, zusätzliche
Kriterien für
die Verstellung des Strömungsrings
vorzusehen, beispielsweise derart, dass der Strömungseintrittquerschnitt für die radiale
Zuströmung
ein Maximum nicht überschreiten
darf.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 einen
Schnitt durch eine Turbine eines Abgasturboladers mit variabler
Turbinengeometrie und axial verstellbarem Strömungsring,
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2 eine 1 entsprechende Darstellung,
jedoch mit einer Modifikation im Bereich des radialen Leitgitters,
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3 eine 1 bzw. 2 entsprechende Darstellung, jedoch mit
einer weiteren Modifikation im Bereich des radialen Leitgitters.
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Bei den in den 1 bis 3 dargestellten
Ausführungsbeispielen
sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die in 1 dargestellte
Turbine 1 eines Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine,
beispielsweise eine Diesel- Brennkraftmaschine
oder ein Ottomotor für
ein Nutzfahrzeug oder einen PKW, umfasst ein Turbinenrad 2,
welches von unter Überdruck stehenden
Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben wird und über eine
Verbindungswelle einen nicht dargestellten Verdichter des Abgasturboladers antreibt,
der Verbrennungsluft ansaugt und auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet,
welcher dem Zylindereinlass der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Weiterhin
umfasst die Turbine 1 einen Strömungskanal 3, der
das Turbinenrad 2 radial einschließt und einen radialen Strömungseintrittsquerschnitt 3a zum Turbinenrad 2 aufweist.
Im radialen Strömungseintrittsquerschnitt 3a befindet
sich ein Radialleitgitter 5 mit verstellbaren Leitschaufeln 6;
dieses Radialleitgitter 5 bildet eine variable Turbinengeometrie.
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Je nach Betriebsweise der Brennkraftmaschine
kann die variable Turbinengeometrie durch ein zugeordnetes Stellelement
in Ihrer Position verstellt werden, wodurch der entsprechende Strömungseintrittsquerschnitt
verändert
wird. Im Ausführungsbeispiel
ist vorgesehen, in der befeuerten Antriebsbetriebsweise die Leitschaufeln 6 des
Radialleitgitters 5 beispielsweise in eine Öffnungsstellung zu
versetzen, um einen größtmöglichen
Massendurchsatz durch die Turbine 1 zu ermöglichen
und eine hohe Laderleistung zu erzeugen. Zur Erzeugung von Motorbremsleistung
wird dagegen das Radialleitgitter 5 durch eine entsprechende
Verstellung der Leitschaufeln 6 in eine Staustellung mit
reduziertem Querschnitt verstellt. Auf Grund des gegenüber der befeuerten
Betriebsweise reduzierten Strömungsgesamtquerschnitts
baut sich im Abgasstrang stromauf der Turbine ein erhöhter Abgasgegendruck
auf, gleichzeitig wird im Ansaugtrakt ein Überdruck erzeugt. Im Motorbremsbetrieb
werden Bremsventile am Zylinderauslass der Brennkraftmaschine geöffnet, die
in den Zylindern verdichtete Luft muss gegen den erhöhten Abgasgegendruck
in den Abgasstrang ausgeschoben werden.
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Im Strömungskanal 3 der Turbine 1 ist
ein Strömungsring 7 angeordnet,
der den radialen Strömungseintrittsquerschnitt 3a begrenzt.
Der Strömungsring 7 ist
axial im Abgasturbolader verschiebbar; die axiale Verschiebbarkeit
wird mit dem Doppelpfeil 8 angedeutet. Auf der radial innen
liegenden Seite des Strömungsrings 3 erfolgt
die Abdichtung durch einen Dichtring 11, welcher in einer
Nut eines Gehäusebauteils,
welches einem Lagergehäuse 12 zugeordnet
ist, aufgenommen ist. Zweckmäßig ist der
Dichtring 11 an einem Hitzeschild 13 gehalten, welches
fest mit dem Lagergehäuse 12 verbunden ist.
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Der gehäusefeste Hitzeschild 13 weist
auf der dem Strömungsring 7 zugewandten
Seite zwei Stufen auf, welche Anschläge für den axial verschieblichen
Strömungsring 7 bilden,
der eine den Stufen angepasste Kontur aufweist. In 1 ist der Strömungsring 7 in seiner
am Radialleitgitter 5 spaltfrei anliegenden Position dargestellt;
eine axiale Verschiebung aus dieser Position wird durch die Anschläge am gehäusefesten
Bauteil 13 begrenzt, gegen die der Strömungsring 7 anschlägt. Der
Dichtring 11 verhindert Leckageströme zwischen dem Strömungsring 7 und
dem radial innenliegenden, gehäusefesten
Bauteil 13, auf dem der Strömungsring 7 in Anschlagposition
radial aufsitzt.
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In der in 1 gezeigten Stellung liegt der Strömungsring 7 axial
an der Stirnseite des Radialleitgitters 5 dichtend an,
es ist kein Radialspalt gebildet, wodurch radiale Leckageströme verhindert
werden. Im radialen Strömungseintrittsquerschnitt 3a können zusätzlich zum
Radialleitgitter 5 auch Distanzhülsen 14 angeordnet
sein, welche die axiale Verschie bung des Strömungsrings 7 in Richtung
des Radialleitgitters 5 begrenzen.
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Die verstellbaren Leitschaufeln 6 des
Radialleitgitters 5 sind an Wellen 15a und 15b drehbar
gelagert, wobei die beiden Wellen 15a und 15b sich
an axial gegenüberliegenden
Seiten der Leitschaufeln erstrecken und die erste Welle 15a gehäusefest,
die zweite Welle 15b dagegen im verschieblichen Strömungsring 7 aufgenommen
ist. Die zweite Welle 15b ist in einer Ausnehmung im Strömungsring 7 aufgenommen,
wobei die Tiefe der Ausnehmung zumindest der Wellenlänge entspricht,
damit bei der am Radialleitgitter 5 axial anliegenden Position
des Strömungsrings 7 ein
spaltfreies axiales Anliegen gewährleistet
ist.
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Die verstellbaren Leitschaufeln 6 sind
axial beidseitig von Deckscheiben 16 und 17 eingefasst, welche
in entsprechend geformte Ausnehmungen im aufnehmenden gehäuseseitigen
Bauteil bzw. an der zugewandten Seite im Strömungsring 7 aufgenommen
sind.
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Das in 2 gezeigte
Ausführungsbeispiel entspricht
im Wesentlichen demjenigen aus 1, jedoch
mit dem Unterschied, dass die verstellbaren Leitschaufeln 6 des
Radialleitgitters 5 nur eine einzige, gehäuseseitige
Welle 15a aufweisen. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass
auf Ausnehmungen im Strömungsring 7 auf
der den Leitschaufeln 6 zugewandten Seite zur Aufnahme
eines entsprechenden Wellenstücks
verzichtet werden kann. Auch im Ausführungsbeispiel nach 2 sind zwei Deckscheiben 16 und 17 zu
beiden axialen Seiten der Leitschaufeln 6 vorgesehen.
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Im Ausführungsbeispiel nach 3 weist die Leitschaufel 6 des
Radialleitgitters 5 lediglich eine gehäuseseitige Welle 15a und
auch nur eine gehäuseseitige
Deckscheibe 16 auf.
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Vorteilhaft sind der Strömungsring 7 und/oder
das Radialleitgitter 5 in der Weise aerodynamisch gestaltet
bzw. strömungsgünstig konturiert, dass
der Strömungsring 7 durch
die Anströmung über den
Strömungskanal 3 eine
resultierende Druckkraft in Achsrichtung der Turbinenwelle erfährt. Die
resultierende Druckkraft beaufschlagt den Strömungsring 7 zweckmäßig in Richtung
des Radialleitgitters 5 im radialen Strömungseintrittsquerschnitt 3a,
so dass der axiale Stirnspalt zwischen der Stirnseite des Radialleitgitters 5 und
dem Strömungsring 7 geschlossen
wird. Die aerodynamische Gestaltung des Radialleitgitters 5 wird
bevorzugt durch die Gestaltung und die Positionen der Leitschaufeln
auf dem Radialleitgitter erreicht.
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Es kann aber auch zweckmäßig sein,
dass der Strömungsring
in Richtung eines größer werdenden
Stirnspaltes positioniert wird, um Überdrehzahlen zu verhindern.