DE10247216A1

DE10247216A1 - Düse mit variabler Geometrie für Radialturbinen

Info

Publication number: DE10247216A1
Application number: DE10247216A
Authority: DE
Inventors: Frank G Gerke; Beth A Hinchee; Mark D Moeckel
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2003-07-10
Also published as: US20030115869A1; US6625984B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Düse mit variabler Geometrie, die geeignet ist für eine Radialturbine in einem Turbolader für einen Verbrennungsmotor. Der Turbineneinlass, der Turbinenauslass oder beide umfassen eine Schaufelanordnung, die ein Gehäuse und eine im Gehäuse bewegbare einstellbare Patrone aufweist. Jede Patrone umfasst Schaufeln, die eine Vielzahl von Schaufelabschnitten aufweist. Jeder Schaufelabschnitt sieht eine Schaufel-Geometrie vor, die gegenüber den Schaufel-Geometrien der anderen Schaufelabschnitte unterschiedlich ist.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf Turbolader für Motoren mit innerer Verbrennung, und insbesondere auf einen Radialturbolader, der eine Düse mit variabler Geometrie aufweist.

Hintergrund

Ein limitierender Faktor bei der Performance bzw. beim Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors ist die Menge der Verbrennungsluft, die dem Einlassverteiler bzw. der Einlasssammelleitung zur Verbrennung in den Motorzylindern zugeführt werden kann. Atmosphärischer Druck ist oft unzureichend, um die erforderliche Luftmenge für einen zweckmäßigen Betrieb eines Motors zu liefern.
Ein Verbrennungsmotor kann einen oder mehrere Turbolader zur Komprimierung eines Strömungsmittels umfassen, das einer oder mehren Verbrennungskammern innerhalb entsprechender Verbrennungszylinder zugeführt werden muss. Jeder Turbolader umfasst typischerweise eine durch die Motorabgase angeariebene Turbine sowie einen von der Turbine angetriebenen Kompressor. Der Kompressor erhält das zu komprimierende Strömungsmittel und führt das komprimierte Strömungsmittel den Verbrennungskammern zu. Das durch den Kompressor komprimierte Strömungsmittel kann nur aus Verbrennungsluft bestehen, oder kann auch ein Gemisch aus Kraftstoff und Verbrennungsluft sein. Durch den Gebrauch eines Turboladers kann die verfügbare Leistung eines Motors von einer gegebenen Größe beträchtlich vergrößert werden. Somit kann für eine vorgegebene Leistungsanforderung ein kleinerer und weniger kostspieliger Motor verwendet werden. Außerdem kann ein Leistungsverlust infolge beispielsweise einer Höhenänderung kompensiert werden.
Die Bemessung bzw. Festlegung der Größe eines Turboladers kann für eine geeignete Leistung unter allen Motorbetriebsbedingungen schwierig sein. In einem Abgasturbolader bestimmen die Abgasströmung und die Turbinenkonstruktion die Turbinenleistung und dabei die Kompressorleistung und den Turboladerwirkungsgrad. Die Schaufeln im Einlasstrichter oder der Auslassdüse der Turbine können zur Beeinflussung der Strömungscharakteristika durch die Turbine und dadurch auch der Turbinenleistung für eine vorgegebene Abgasströmung verwendet werden. Wenn der Motor an oder nahe der Voll-Last während der meisten Zeit seines Betriebszyklus betrieben werden muss, ist es nicht schwierig, den Turbolader für eine effiziente Leistung zu konstruieren. Wenn jedoch der Motor beträchtlich über eine längere Zeitspanne hinweg unterhalb der Voll-Last betrieben werden muss, wird es schwieriger, einen Turbolader zu konstruieren, der sich über den ganzen Betriebsbereich des Motors gut verhält. Es ist wünschenswert, dass der Turbolader das erforderliche Level der Druckladung schafft, schnell auf Lastwechsel reagiert bzw. anspricht und sowohl unter hohen als auch unter niedrigen Lastbedingungen wirkungsvoll funktioniert.
Für einen Motor mit einem breiten Betriebslastbereich ist es bekannt geworden, die Turbine für eine geeignete Leistung unter Voll-Lastbedingungen zu bernessen. Ein Problem bei dieser Vorgehensweise ist es, dass der Turbolader bei niedriger Drehzahl langsam anspricht bzw. reagiert, und der verfügbare Ladedruck bei niedrigen Motordrehzahlen ist minimal. Als eine Alternative ist es bekannt geworden, eine Turbinenkonstruktion zu schaffen, die die Leistungsanforderungen bei Voll-Last übertrifft, und ein Ladedruckregelventil zu verwenden, um die überschüssige Abgasströmung zu umgehen bzw. zu vermeiden, nachdem der Turbolader das gewünschte Ladeniveau erreicht hat. Eine "überdimensionierte" Turbine dieser Art schafft eine größere Ladung bei niedrigen Lastbedingungen und spricht schneller an bei niedrigen Drehzahlen, aber der Motorrückdruck bzw. Motorgegendruck ist vergrößert, und die Energie in der abgeleiteten Abgasströmung wird vergeudet.
Es ist bekannt, die Turboladerleistung durch Steuerung der Abgasströmung durch die Turbine des Turboladers zu steuern. Steuerbare Schaufeln im Turbineneinlass bzw. Turbinentrichter und/oder Düsenausgang wurden verwendet, um den Turbinenwirkungsgrad und dadurch die Turboladerleistung zu steuern. Durch Gelenke mit einem Steuerring verbundene schwenkbare Schaufeln wurden verwendet. Durch Drehen des Ringes verändern sich der Schaufelwinkel und dadurch die Strömungscharakteristika des Abgases durch die Turbine. In der US-PS 4,490,622 ist ein Turbolader offenbart, bei dem in Umfangsrichtung um den Turbinenrotor herum verteilt angeordnete Düsenschaufeln vorgesehen sind. Ein Steuergelenk steuert die Position der Düsenschaufeln, um die Strömung der Abgase zur Turbine zu variieren.
Viele der bekannten variablen Düsenkonstruktionen sind komplex, weisen zahlreiche Schwenkverbindungen und komplexe Gelenke auf. Derartige komplexe Konstruktionen können anfällig sein für Fehler und Abnutzung.
Ziel der Erfindung ist es, eines oder mehrere der vorstehend genannten Probleme zu überwinden.

Offenbarung der Erfindung

In einem Aspekt der Erfindung ist ein Verbrennungsmotor vorgesehen mit einer Vielzahl von Verbrennungszylindern; einem mit den Verbrennungszylindern gekoppelten Abgasverteiler bzw. Abgassammelleitung; und einem mit den Verbrennungszylindern gekoppelten Einlassverteiler. Ein Turbolader umfasst eine Turbine, die einen Abgasströmungspfad definiert, der einen mit dem Abgasverteiler verbundenen Turbineneinlass und einen Turbinenauslass aufweist, sowie einen Kompressor, der einen Kompressoreinlass und einen Kompressorauslass aufweist. Der Kompressorauslass ist mit dem Einlassverteiler gekoppelt bzw. verbunden. Eine verstellbare Schaufelanordnung ist für wenigstens einen des Turbineneinlasses und des Turbinenauslasses vorgesehen. Die verstellbare Schaufelanordnung umfasst ein Gehäuse und eine im Gehäuse angeordnete steuerbare Schaufelpatrone. Die Patrone weist in ihrem Inneren Schaufeln auf, wobei die Schaufeln eine Vielzahl von Schaufelabschnitten aufweist, deren jeder in einer unterschiedlichen Schaufel-Geometrie konfiguriert ist. Eine Einstellvorrichtung ist mit der Patrone in Wirkverbindung bzw. assoziiert. Die Patrone weist unterschiedliche Positionen im Gehäuse auf und bietet Platz für unterschiedliche Schaufelabschnitte im Abgasströmungspfad.
In einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst der Turbolader eine Turbine, die einen durchgängigen bzw. durch sie hindurch gehenden Abgassströmungspfad definiert, einen Turbineneinlass zum Strömungspfad sowie einen Turbinenauslass vom Strömungspfad. Ein Kompressor wird durch die Turbine angetrieben und umfasst einen Kompressoreinlass und einen Kompressorauslass. Eine einstellbare Schaufelanordnung für den Turbineneinlass und/oder den Turbinenauslass umfasst ein Gehäuse und eine im Gehäuse angeordnete steuerbare Schaufelpatrone. Die Patrone ist mit in ihr angeordneten Schaufeln versehen, die eine Vielzahl von Schaufelabschnitten aufweist, deren jeder in einer unterschiedlichen Schaufel-Geometrie konfiguriert ist. Eine mit der Patrone verbundene Einstellvorrichtung weist unterschiedliche Positionen im Gehäuse auf und platziert unterschiedliche Schaufelabschnitte im Abgasströmungspfad.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung sieht ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors folgende Schritte vor: Vorsehen einer Vielzahl von Verbrennungszylindern, eines ersten Abgasverteilers und eines Einlassverteilers; Transportieren des Abgases von den Verbrennungszylindern zum Abgasverteiler; Vorsehen eines Turboladers mit einer Turbine, die einen sie durchsetzenden Abgasströmungspfad, einen Turbineneinlass und einen Turbinenauslass aufweist, und mit einem Kompressor, der einen Kompressoreinlass und einen Kompressorauslass aufweist: Vorsehen einer einstellbaren Schaufelanordnung für wenigstens einen des Turbineneinlasses und des Turbinenauslasses und Vorsehen eines Gehäuses in der Schaufelanordnung, wobei die Schaufeln umfassen eine Vielzahl von Schaufelabschnitten, deren jeder eine unterschiedliche Schaufel-Geometrie aufweist, sowie eine Einstellvorrichtung zur Bewegung der Schaufelabschnitte in den und aus dem Strömungspfad; Drehantrieb der Turbine mit am Turbineneinlass eingeführtem Abgas; Einführen des Verbrennungsgases am Kompressoreinlass; Transportieren des Verbrennungsgases vom Kompressorauslass zum Einlassverteiler; Abfühlen wenigstens einer der Betriebsbedingungen des Motors und der Leistung des Turboladers; Steuern der Einstellvorrichtung, die auf wenigstens eine der Motorbetriebsbedingungen und die Leistung des Turboladers anspricht; Bewegen der Schaufeln im Gehäuse; und Positionieren eines ausgewählten Schaufelabschnittes im Abgasströmungspfad.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einem Turbolader, der eine Düse mit variabler Geometrie gemäß der Erfindung aufweist;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Schaufel gemäß der Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Typs einer Schaufelstruktur gemäß der Erfindung; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines anderen Typs einer Schaufelstruktur gemäß der Erfindung.

Beste Art zur Ausführung der Erfindung

Insbesondere in Fig. 1 der Zeichnung ist ein Verbrennungsmotor 10 gezeigt, der einen Turbolader 12 umfasst, in dem die vorliegende Erfindung einer Düse 14 mit variabler Geometrie zur Anwendung kommt. Zwei Düsen 14 mit variabler Geometrie sind für eine Turbine 12 gezeigt, wie nachfolgend vollständig beschrieben werden wird.
Der Verbrennungsmotor 10 umfasst eine Vielzahl von Verbrennungszylindern 16 und weist sechs Verbrennungszylinder 16 auf, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Jeder Verbrennungszylinder 16 ist mit einem Einlassverteiler 18 und mit einem Auslassverteiler 20 gekoppelt. Obwohl ein einziger Einlassverteiler 18 dargestellt ist, ist es klar, dass mehr als nur ein Einlassverteiler verwendet werden kann, wobei jeder Einlassverteiler 18 mit einer Vielzahl von Verbrennungszylindern 16 verbunden sein kann, um jeden Verbrennungszylinder 16 mit einem Luftgemisch zu versorgen. Obwohl ein einziger Abgasverteiler 20 dargestellt ist, ist es klar, dass einer oder mehrere Abgasverteiler vorgesehen werden können, wobei jeder Abgasverteiler mit einer unterschiedlichen Anzahl von Verbrennungszylindern 16 gekoppelt ist. Ein Kraftstoff, wie beispielsweise Diesel, oder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch wird in jeden Verbrennungszylinder eingeführt und darin in bekannter Weise verbrannt.
Der Turbolader 12 weist eine Turbine 22 und einen Kompressor auf. Der Kompressor 24 weist einen Kompressoreinlass 26 und einen Kompressorauslass 28 auf. Der Kompressoreinlass 26 nimmt ein Verbrennungsgas von einer Quelle auf, wie beispielsweise Umgebungsluft, und der Kompressorauslass 28 liefert das komprimierte Verbrennungsgas über eine Leitung 30 zum Einlassverteiler 18 des Motors 10. Der Kompressor 24 umfasst ein (hier nicht gezeigtes) Kompressorrad, das in bekannter Weise an einer Turboladerwelle 32 befestigt ist. Obwohl nur ein einziger Kompressor 24 dargestellt ist, ist es klar, dass mehr als nur ein Kompressor vorgesehen werden kann, wobei jedes Kompressorrad an der Welle 32 befestigt ist und eine Zwischenstufenleitung aufweist, die die Kompressoren in Serie miteinander verbindet.
Die Turbine 22 weist ein Turbinengehäuse 40 auf, das einen Turbineneinlass 42 und einen Turbinenauslass 44 definiert. Ein (hier nicht gezeigtes) Turbinenrad ist an der Welle 32 im Turbinengehäuse 40 befestigt. Der Turbineneinlass 42 ist in Strömungsverbindung über eine Strömungsmittelleitung 46 mit dem Abgasverteiler 20 verbunden. Der Turbinenauslass 44 ist mit der Strömungsmittelleitung 48 verbunden, die zu einem weiteren (hier nicht gezeigten) Abgassystem des Motors 10 führt, was eine oder mehrere Schalldämpfer bzw. Auspufftöpfe aufweisen kann, mit nachfolgendem Austritt ins Freie. Im allgemeinen definiert die Turbine 22 einen sie durchsetzenden Abgasströmungspfad von der Strömungsmittelleitung 46 zur Strömungsmittelleitung 48.
Eine einstellbare Schaufelanordnung 50 ist am Turbineneinlass 42 vorgesehen, um die Strömungscharakteristika einer Abgasströmung, die in die Turbine eintritt, steuerbar zu beeinflussen. Die einstellbare Schaufelanordnung 50 umfasst ein Gehäuse 52 und eine im Gehäuse 52 angeordnete einstellbare Schaufelpatrone 54. Das Gehäuse 52 und die in diesem angeordnete einstellbare Schaufelpatrone 54 sind in Strömungsverbindung mit der Leitung 46 und dem Turbineneinlass 42. Dichtungen 56 und 58 sind an entgegen gesetzten Enden der Schaufelpatrone 54 vorgesehen. Dichtungen 60 und 62 sind zwischen dem Gehäuse 52 und Schaufelpatrone 54 vorgesehen.
Eine einstellbare Schaufelanordnung 70 ist am Turbinenauslass 44 vorgesehen, um die Strömungscharakteristika der Abgasströmung, die aus der Turbine 22 austritt, steuerbar zu beeinflussen. Die einstellbare Schaufelanordnung 70 umfasst ein Gehäuse 72 und eine im Gehäuse 72 angeordnete einstellbare Schaufelpatrone 74. Das Gehäuse 72 und die in diesem angeordnete einstellbare Schaufelpatrone 74 sind in Strömungsverbindung mit dem Turbinenauslass 44 und der Leitung 48. Dichtungen 76 und 78 sind an entgegen gesetzten Enden der Schaufelpatrone 74 vorgesehen. Dichtungen 80 und 82 sind zwischen dem Gehäuse 72 und der Schaufelpatrone 74 vorgesehen.
In einer besonderen Anwendung vorliegender Erfindung können entweder die einstellbare Schaufelanordnung 50 oder die einstellbare Schaufelanordnung 70 oder beide verwendet werden. Jede einstellbare Schaufelpatrone 54 und einstellbare Schaufelpatrone 74 weist eine Vielzahl von Schaufeln auf, die passend bzw. geeignet sind zum Betrieb am Einlass beziehungsweise Auslass der Turbine 22. Fig. 2 zeigt eine geeignete Schaufel 90, die beispielsweise in der Patrone 74 am Turbinenauslass 44 verwendet werden können. Die Patrone 74 weist eine Vielzahl von Schaufeln 90 auf, von denen jede diskrete bzw. getrennte Schaufelabschnitte aufweist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei solcher Schaufelabschnitte dargestellt, nämlich ein erster Endabschnitt 92, ein Übergangsabschnitt 94 und ein zweiter Endabschnitt 96. Der Abschnitt 92 an einem Ende der Schaufel 90 weist eine bestimmte gegebene Geometrie auf, die geeignet ist für ein Konstruktions-Betriebsextrem der Turbine 22. Der Abschnitt 96 am entgegen gesetzten Ende der Schaufel 90 weist eine bestimmte gegebene Geometrie auf, die geeignet ist für das andere Konstruktions-Betriebsextrem der Turbine 22. Der Übergangsabschnitt 94 zwischen den Endabschnitten 92 und 96 weist eine sich kontinuierlich verändernde Geometrie auf, die von der Geometrie des Abschnittes 92 zur Geometrie des Abschnittes 96 übergeht.
Die Begriffe Schaufel-"Geometrie", Schaufelabschnitts-"Geometrie" und ähnliche und verwandte Begriffe sollen die allgemeine Form und Oberflächenkontur der Schaufel oder Schaufelabschnittes bezeichnen. Wie der Fachmann erkennt, beeinflusst die Schaufel-Geometrie die Strömung der Abgase durch eine Turbine, die Einlasstrichterdüsenschaufeln oder Ausgangsdüsenschaufeln aufweist. Diverses und Strömungswinkel können zur Turbinensteuerung verwendet werden.
Das Gehäuse 52 ist von ausreichender Länge, um zuzulassen, dass jeder Schaufelabschnitt im Strömungspfad zwischen der Leitung 46 und dem Turbineneinlass 42 angeordnet werden kann. Fig. 1 (eigentlich: "Fig. 2") zeigt den Übergangsabschnitt 94 angeordnet im Strömungspfad.
Fig. 3 ist ein vereinfachtes Diagramm zur Darstellung der vorstehend beschriebenen Schaufel 90. Obwohl nicht dazu ausersehen, die aktuelle bzw. tatsächliche Gestalt der Schaufel wiederzugeben, zeigt Fig. 3 in einer vereinfachten Weise die Bereiche, die die Abschnitte 92, 94 und 96 definieren.
Fig. 4 ist eine vereinfachte Darstellung, ähnlich der Fig. 3, stellt jedoch ein unterschiedliches Ausführungsbeispiel für eine Schaufel 100 dar. Die Schaufel 100 umfasst Endabschnitte 102 und 110, die gegebene Geometrien aufweisen, die geeignet sind für die Betriebsextreme der Turbine 22, ähnlich den Endabschnitten 92 und 96 der Schaufel 90. Jedoch, anstelle eines sich kontinuierlich verändernden Zwischenabschnittes, wie beispielsweise beim Übergangsabschnitt 94 mit geometrischem Übergang von einem Extrem zum anderen, weist die Schaufel 100 eine Vielzahl von Zwischenabschnitten 104, 106 und 108 auf, deren jeder eine feste, aber unterschiedliche Geometrie aufweist. Die Zwischenabschnitte 104, 106 und 108 begründen eine Vielzahl von Schritten bzw. Stufen, die von der einen extremen Geometrie zur anderen extremen Geometrie fortschreiten, die in den Endabschnitten 102 und 110 vorgesehen sind.
Das Gehäuse 72 ist von ausreichender Länge, um es zuzulassen, dass jeder der Schaufelabschnitte 102, 104, 106, 108 und 110 im Strömungspfad zwischen der Leitung 48 und dem Turbinenauslass 44 angeordnet werden kann.
Fig. 1 (eigentlich: "Fig. 4") zeigt, dass der am meisten im Zentrum liegende Zwischenabschnitt 106 im Strömungspfad angeordnet ist.
Obwohl Fig. 4 eine Schaufel mit drei Zwischenstufen in der Geometrie darstellt, ist es klar, dass eine besondere Anwendung der Erfindung auch feste Zwischenabschnitte umfassen kann, die eine, zwei, vier oder mehrere Schritte aufweisen kann, und die Erfindung ist nicht auf drei Zwischenschritte limitiert bzw. beschränkt. Ferner kann eine Schaufelpatrone eine Mischung aus einer oder einigen festen Schritten in der Geometrie und einen kontinuierlichen Übergangsabschnitt zwischen festen Geometrieabschnitten umfassen.
Fig. 1 stellt zwei akzeptierbare Einstellvorrichtungen 112 zur Bewegung der Patronen 54 und 74 im Gehäuse 52 bzw. 72 dar. Ein pneumatisches System 120 ist für die Einstellung der Patrone 54 dargestellt. Das Gehäuse 52 umfasst abgedichtete Kammern 122 und 124, die durch eine Strömungsmittelleitung 126 mit einer Quelle 128 von unter Druck gesetztem Strömungsmittel verbunden ist. Ein der Einfachheit halber durch ein einziges Ventil 130 dargestelltes Ventilsystem ist vorgesehen, um die Strömung des Strömungsmittels in die und aus den Kammern 122 und 124 zu steuern, wie der Fachmann leicht erkennen kann.
In der für die Einstellung der Patrone 74 gezeigten Anordnung ist ein mechanischer Betätiger 132 vorgesehen, um die Bewegung der Patrone 74 im Gehäuse 72 zu steuern. Der mechanische Betätiger 132 kann ein Hydraulikzylinder, eine motorbetätigte Anordnung oder dergleichen sein.
Die gezeigten Einstellsysteme sind Beispiele geeigneter Systeme und andere Mittel zur Einstellung der Patronen 54 und 74 können auch verwendet werden. Ferner wird in Betracht gezogen, dass verschiedene Einstellsysteme verwendet werden können mit entweder einer Schaufelanordnung 50 oder einer Schaufelanordnung 70. Ein pneumatisches System ist beispielsweise nicht auf eine sich kontinuierlich verändernden Schaufelanordnung 50 beschränkt.
Ein Steuerungssystem 140 ist zur Betätigung der einstellbaren Schaufelanordnungen 50 und 70 vorgesehen. Das Steuerungssystem 140 fühlt die Betriebsbedingungen des Motors 10 und/oder des Turboladers 12 ab. Eine oder mehrere Motorsensoren 142 und/oder einer oder mehrere Turboladersensoren 144 sind über Signalleitungen 148 und 150 mit einer Steuervorrichtung 146 verbunden. Obwohl in Fig. 1 der Einfachheit halber nur ein einziger Motorsensor 142 und ein einziger Turboladersensor 144 schematisch dargestellt sind, ist es für im Stand der Technik bewanderte Fachleute klar, dass zahlreiche Sensortypen erforderlich sein können. Einige unterschiedliche Sensortypen können an verschiedenen Orten im Motor 10 und im Turbolader 12 erforderlich sein, um die Steuerungsvorrichtung 146 mit geeigneten Signaleingangsgrößen zu versehen bzw. zu versorgen. Derartige Sensoren sind dem Fachmann bekannt und werden hier daher nicht ausführlicher beschrieben. Die Sensoren 142 und 144 können ausgewählt und positioniert werden, um ein Signal an die Steuerungsvorrichtung 146 zu erzeugen, das eine Anzeige bildet für eine oder mehrere Bedingungen, wie beispielsweise Drehzahl oder Belastung des Motors, Einlassverteilerdruck, Turboladerdrehzahl, Lade- und Barometerdruck. Die einstellbaren Schaufelanordnungen 50 und 70 nehmen über Signalleitungen 152 und 154 von der Steuervorrichtung 146 Betriebssteuersignale zur Einstellung der Patronen 54 und 74 auf.

Industrielle Anwendbarkeit

Während des Gebrauchs des Motors 10 wird ein Kraftstoff, wie beispielsweise Dieselöl, in die Verbrennungszylinder 16 eingespritzt und verbrannt, wenn ein in jedem Verbrennungszylinder angeordneter (hier nicht dargestellter) Kolben am oder nahe dem oberen Totpunkt liegt. Abgas wird aus jedem Verbrennungszylinder 16 zum Abgasverteiler 20 hin transportiert. Wenigstens ein Teil des Abgases im Abgasverteiler 20 wird zur Leitung 46 und zum Turbineneinlass 42 transportiert, um durch die Turbine 22 zu strömen, um das (hier nicht dargestellte) Turbinenrad in Drehung zu versetzen. Das verbrauchte Abgas wird aus der Turbine 22 durch den Turbinenauslass 44 ausgestoßen. Ein (hier nicht dargestelltes) Abgasrezirkulationssystem (EGR) kann vorgesehen sein, um einen Teil des Abgases aus dem Abgasverteiler 20 zum Einlassverteiler 18 zu rezirkulieren, für die bekannten Vorteile der EGR-Systeme.
Die Turbine 22 überträgt über die Welle 32 Leistung an den Kompressor 24. Der Kompressor 24 saugt Verbrennungsluft in den Kompressoreinlass 26 ein. Die Verbrennungsluft wird im Kompressor 24 komprimiert und wird vom Kompressor 24 durch den Kompressorauslass 28 und die Leitung 30 zum Einlassverteiler 18 abgegeben. Dem Fachmann ist klar, dass der Turbolader 12 mehr als nur einen Kompressor aufweisen kann, wobei eine Zwischenstufenleitung die Verbrennungsluft zur weiteren Kompression vom ersten Kompressor zum zweiten Kompressor leitet.
Die Motorsensoren 142 und Turboladersensoren 144 bestimmen eine oder mehrere Betriebsbedingungen des Motors 10 oder Turboladers 12 und senden diese Bedingungen betreffende Signale über die Signalleitungen 148 und 150 zur Steuervorrichtung 146. Die Steuervorrichtung 146 betätigt die Einstellung der einstellbaren Schaufelanordnungen 50 und 70, um die Leistung des Turboladers 12 zu ändern, und zwar durch Übertragung der Betriebssignale entlang der Signalleitungen 152 und 154. Jede der beiden Schaufelanordnungen 50 und 70 kann eingestellt werden, um die gewünschte Leistungsänderung des Turboladers 12 zu erreichen.
Wenn ein pneumatisches System 120 verwendet wird, wird ein Ventilsystem betätigt, um unter Druck gesetztes Strömungsmittel von der Strömungsmittelquelle 128 entweder zur abgedichteten Kammer 122 oder zur abgedichteten Kammer 124 zu liefern, und das Strömungsmittel von der anderen abgedichteten Kammer 122 oder 124 zurückzuführen, wobei es die Position einer damit verbundenen einstellbaren Schaufelanordnung 50 oder 70 bewegt. Wenn ein mechanischer Betätiger 132 verwendet wird, wird der Betätiger in ähnlicher Weise aktiviert, um die einstellbare Schaufelanordnung 50 oder 70 in die eine oder die andere Richtung zu bewegen, um den Schaufelabschnitt zu ändern, der im Abgasströmungspfad angeordnet ist, der in der Turbine 22, diese durchsetzend, definiert ist.
Wenn eine einstellbare Schaufelanordnung 50 verwendet wird, die darin eine einstellbare Schaufelpatrone 54 aufweist, werden entgegen gesetzte Betriebsextreme des Turboladers 12 erreicht durch Anordnung entweder des festen Endabschnitts 92 oder des festen Endabschnitts 96 im Abgasströmungpfad, der in der Turbine 22 definiert ist. Wenn eine Turboladerleistung erforderlich üst, die sich von den zwei Extremen unterscheidet, wird die Patrone 54 im Gehäuse 52 bewegt, bis ein in geeigneter Weise konfigurierter Schaufelbereich im Übergangsabschnitt 94 im Abgasströmungspfad angeordnet ist, um die gewünschte Turbinenleistung zu erreichen. Wenn der Motorsensor 142 oder der Turboladersensor 144 Leistungsänderungen bestimmen, die eine Kompensation erfordern, kann die einstellbare Schaufelanordnung 50 um einen kleinen Betrag bewegt werden, um die gewünschte Leistung aufrecht zu erhalten.
Wenn eine einstellbare Schaufelanordnung 70 verwendet wird, die eine Vielzahl von Zwischenschaufelabschnitten 104, 106 und 108 mit fester Geometrie aufweist, wird die Patrone 74 im Gehäuse 72 bewegt, um für die geeignete Strömungssteuerung für die gewünschte Leistung zu sorgen. Wenn eine signifikante Änderung auftreten soll, kann es wünschenswert sein, die Turbine schrittweise durch die Änderung anzukurbeln, wobei sie für ein kurzes Intervall verzögert wirdl, und zwar an einem oder einigen Zwischenschritten zwischen der früheren Position und der gewünschten neuen Position.
Die Düsen mit variabler Geometrie gemäß vorliegender Erfindung sehen eine Einstellmöglichkeit für die Steuerung der Turbinenleistung in einer wirksamen, einfachen Konstruktion vor, die wenige begliche Teile und eine beträchtlich verminderte Tendenz zu Fehlern aufweist.
Andere Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung ergeben sich aus dem Studium der Zeichnung, der Offenbarung und den angefügten Ansprüchen.

Claims

1. Verbrennungsmotor, der folgendes aufweist:
eine Vielzahl von Verbrennungszylindern;
einen mit den Verbrennungszylindern verbundenen Abgasverteiler;
einen mit den Verbrennungszylindern verbundenen Einlassverteiler;
einen Turbolader mit einer Turbine, die einen Abgasströmungspfad definiert, der einen mit dem Abgasverteiler verbundenen Turbineneinlass und
einen Turbinenauslass aufweist, und mit einem Kompressor, der einen Kompressoreinlass und einen mit dem Einlassverteiler verbundenen Kompressorauslass aufweist; und
eine einstellbare Schaufelanordnung für wenigstens einen des Turbineneinlasses und Turbinenauslasses, wobei die einstellbare Schaufelanordnung folgendes aufweist: ein Gehäuse, eine im Gehäuse angeordnete steuerbare Schaufelpatrone mit darin vorgesehenen Schaufeln, die eine Viel- zahl von Schaufelabschnitten aufweisen, deren jeder in einer unterschiedlichen Schaufel-Geometrie konfiguriert ist, und eine Einstellvorrichtung, die mit der Patrone assoziiert ist, die unterschiedliche Positionen im Gehäuse aufweist, das unterschiedliche Schaufelabschnitte im Abgasströmungspfad platziert.

2. Motor nach Anspruch 1, wobei die Schaufeln eine Vielzahl von Abschnitten mit jeweils festen und unterschiedlichen Schaufel-Geometrien aufweist,

3. Motor nach Anspruch 1, wobei die einstellbare Schaufelanordnung im Turbineneinlass angeordnet ist.

4. Motor nach Anspruch 3 mit einer einstellbaren Schaufelanordnung, die im Turbinenauslass angeordnet ist.

5. Motor nach Anspruch 1, wobei die einstellbare Schaufelanordnung im Turbinenauslass angeordnet ist.

6. Motor nach Anspruch 1, wobei die Einstellanordnung ein pneumatisches System aufweist.

7. Motor nach Anspruch 1, wobei die Einstellvorrichtung einen mechanischen Betätiger aufweist.

8. Motor nach Anspruch 1, wobei die Einstellvorrichtung folgendes aufweist:
Einen Sensor, der geeignet ist, eine Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors festzustellen, und
eine Steuervorrichtung, die mit dem Sensor verbunden ist zum Ansprechen auf die Betriebsbedingung, um die Einstellvorrichtung zu betätigen.

9. Motor nach Anspruch 1, wobei die Schaufeln einen Übergangsabschnitt umfassen, der eine sich kontinuierlich verändernde Geometrie aufweist, die von einer ersten Schaufel-Geometrie zu einer zweiten Schaufel-Geometrie übergeht.

10. Turbolader, der folgendes umfasst:
eine Turbine, die einen sie durchsetzenden Abgasströmungspfad definiert,
einen Turbineneinlass zum Strömungspfad und einen Turbinenauslass vom Strömungspfad:
einen Kompressor, der durch die Turbine angetrieben wird und einen Kompressoreinlass und einen Kompressorauslass aufweist; und
eine einstellbare Schaufelanordnung für wenigstens einen des Turbineneinlasses und des Turbinenauslasses, wobei die einstellbare Schaufelanordnung folgendes aufweist: Ein Gehäuse, eine im Gehäuse angeordnete steuerbare Schaufelpatrone mit darin vorgesehenen Schaufeln, die eine Vielzahl von Schaufelabschnitten aufweist, die mit jeweils unterschiedlicher Schaufel-Geometrie konfiguriert sind, und eine Einstellvorrichtung, die mit der Patrone assoziiert ist, die unterschiedliche Positionen im Gehäuse aufweist, die unterschiedliche Schaufelabschnitte im Abgasströmungspfad platziert.

11. Turbolader nach Anspruch 10, wobei die Schaufeln wenigstens drei Schaufelabschnitte umfassen, wobei jeder Schaufelabschnitt eine Schaufel- Geometrie aufweist, die unterschiedlich ist von der Schaufel-Geometrie der anderen Schaufelabschnitte.

12. Turbolader nach Anspruch 10, wobei die einstellbare Schaufelanordnung im Turbineneinlass angeordnet ist.

13. Turbolader nach Anspruch 12 mit einer einstellbaren Schaufelanordnung, die im Turbinenauslass angeordnet ist.

14. Turbolader nach Anspruch 10, wobei die einstellbare Schaufelanordnung im Turbinenauslass angeordnet ist.

15. Turbolader nach Anspruch 10, wobei die Einstellvorrichtung ein pneumatisches System aufweist.

16. Turbolader nach Anspruch 10, wobei die Einstellvorrichtung einen mechanischen Betätiger aufweist.

17. Turbolader nach Anspruch 10, wobei die Einstellvorrichtung folgendes aufweist:
Einen Motorsensor, der geeignet ist, eine Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors festzustellen, und
eine Steuervorrichtung, die mit dem Sensor verbunden ist zum Ansprechen auf die Betriebsbedingung, um die Einstellvorrichtung zu betätigen.

18. Turbolader nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von Schaufelabschnitten einen Schaufelabschnitt umfassen, der eine sich kontinuierlich verändernde Schaufel-Geometrie aufweist, und zwar übergehend von einer ersten Schaufel-Geometrie zu einer zweiten Schaufel-Geometrie.

19. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, das folgende Schritte aufweist:
Vorsehen einer Vielzahl von Verbrennungszylindern, eines ersten Abgasverteilers und eines Einlassverteilers;
Transportieren des Abgases aus den Verbrennungszylindern zum Abgasverteiler;
Vorsehen eines Turboladers, der folgendes aufweist:
eine Turbine mit einem sie durchsetzenden Abgasströmungspfad,
einen Turbineneinlass und einen Turbinenauslass, und
einen Kompressor mit einem Kompressoreinlass und einem Kompressorauslass;
Vorsehen einer einstellbaren Schaufelanordnung für den Turbineneinlass und/oder den Turbinenauslass, Vorsehen eines Gehäuses in der Schaufelanordnung, wobei die Schaufeln eine Vielzahl von Schaufelabschnitten mit jeweils unterschiedlicher Schaufel-Geometrie aufweisen, und Vorsehen einer Einstellvorrichtung zum Bewegen der Schaufelabschnitte in den oder aus dem Strömungsmittelpfad;
Versetzen der Turbine in Drehung mittels des in den Turbineneinlass eingeführten Abgases;
Einführen von Verbrennungsgas in den Kompressoreinlass;
Transportieren des Verbrennungsgases aus dem Kompressorauslass zum Einlassverteiler;
Abfühlen wenigstens einer der Betriebsbedingungen des Motors und der Leistung des Turboladers;
Steuern der Einstellvorrichtung, in Erwiderung auf wenigstens eine der Motorbetriebsbedingungen und auf die Leistung des Turboladers;
Bewegen der Schaufeln im Gehäuse; und
Positionieren eines ausgewählten Schaufelabschnittes im Abgassströmungspfad.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei folgendes vorgesehen ist:
Vorsehen einer zweiten einstellbaren Schaufelanordnung am Turbineneinlass und Steuern der Strömungscharakteristika der in die Turbine eintretenden Abgasströmung.

21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei folgendes vorgesehen ist:
Vorsehen einer zweiten einstellbaren Schaufelanordnung am Turbinenauslass und Steuern der Strömungscharakteristika der aus der Turbine austretenden Abgasströmung.

22. Verfahren nach Anspruch 19, wobei folgendes vorgesehen ist:
Vorsehen der einstellbaren Schaufelanordnung am Turbinenauslass und Steuern der Strömungscharakteristika der aus der Turbine austretenden Abgasströmung.