-
Die
Erfindung geht aus von einem Abgasturbolader beziehungsweise von
einem Verfahren zum Betrieb eines Abgasturboladers nach der Gattung des
Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 9. Es ist bereits ein Abgasturbolader
bekannt (
DE 198 38
754 C1 ), der mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet
ist, um eine optimale Anpassung des Abgasturboladers im Teillast-
und Volllastbereich zu erhalten. Die variable Turbinengeometrie
ist dabei in Form eines verstellbaren, radialen Leitgitters realisiert,
das in einem einflutigen Turbinengehäuse untergebracht ist. Derartige
Leitgitter sind auch als Drehschaufeln, wie zum Beispiel in der
EP 0 226 444 B1 entnehmbar,
bekannt, mit welchen das Auf stauverhalten und damit die Leistung
der Turbine beeinflusst werden kann. Im Betriebsbereich mit geschlossenen
Leitschaufeln treten aber Spaltverluste an den Leitschaufeln auf,
die den Wirkungsgrad und die abgegebene Turbinenleistung deutlich
verschlechtern können.
-
Ferner
sind Abgasturbolader mit einem zweiflutig ausgebildeten Turbinengehäuse bekannt (
DE 199 24 228 C2 ),
bei denen über
einen Axialschieber die Regelung des Abgases auf die Turbine erfolgt.
Das Vorsehen eines Schiebers ist aber aufwendig und benötigt zudem
Bauraum.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Der
erfindungsgemäße Abgasturbolader bzw.
das erfindungsgemäße Verfahren
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs
9 hat demgegenüber
den Vorteil, dass eine energetisch günstigere Regelung der Strömung auf
die Turbine möglich
ist, bei der das Auf stauverhalten der Turbine besser an den jeweiligen
Betriebspunkt angepasst werden kann. Außerdem lässt sich das instationäre Beschleunigungsverhalten
des Abgasturboladers verbessern.
-
Darüber hinaus
erfolgt durch die Aufteilung des Turbinengehäuses in zwei Fluten eine verbesserte
Ausnutzung der Stoßeffekte
der Brennkraftmaschine in der unbeschaufelten Flut. Bei hohen Massendurchsätzen, wie
sie im Bereich der Nennleistung der Brennkraftmaschine auftreten,
ergibt sich ein verbesserter Turbinenwirkungsgrad durch eine stets
angepasste Turbinengeometrie, wodurch sich der Turbinenwirkungsgrad
weiter steigern lässt.
-
Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Abgasturboladers bzw. des Verfahrens nach Anspruch
9 möglich.
-
Im
Betriebspunkt mit geschlossenen Leitschaufeln des Leitgitters ist
der Wirkungsgrad der Turbine verbessert, da der Einfluss der Spaltverluste an
den Leitschaufeln durch eine vorgesehene Absperrklappe verringert
wird.
-
Durch
eine besondere Gestaltung einer Trennwand zwischen den Fluten des
Abgasturboladers, alternativ oder auch zusätzlich zu der Absperrklappe,
ergibt sich eine Reduktion des Spaltverlustes an den Leitschaufeln
des Leitgitters, so dass sich eine Steigerung des Turbinenwirkungsgrades
erzielen lässt.
-
Zeichnung
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen in schematisch vereinfachter Darstellungsweise teilweise
im Schnitt
-
1 einen Abgasturbolader
gemäß einem ersten
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
-
2 den Abgasturbolader gemäß einem zweiten
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
-
3 den Abgasturbolader gemäß einem dritten
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
der über
zwei verstellbare Leitgitter verfügt,
-
4 den Abgasturbolader gemäß einem vierten
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
bei dem beide Leitgitter über
einen separaten Steller verstellbar ausgeführt sind und
-
5 den Abgasturbolader gemäß einem fünften erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
mit einer besonderen Ausführung
einer Trennwand zwischen den Fluten.
-
Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
-
In 1 ist in schematisch vereinfachter Darstellungsweise
ein Abgasturbolader 1 in teilweiser Schnittdarstellung
dargestellt, der eine Turbine 2 und einen nicht näher dargestellten,
von der Turbine 2 angetriebenen Verdichter aufweist. Die
Turbine 2 und der Verdichter sind auf einer nicht näher dargestellten
gemeinsamen Welle angebracht. Der prinzipielle Aufbau von Abgasturboladern
ist bekannt und wird daher nicht näher vertieft.
-
Die
Turbine 2 hat ein Turbinenlaufrad 3, welches von
den Abgasen einer Brennkraftmaschine 5 eines Nutzfahrzeugs
oder eines Personenkraftwagens angetrieben wird. Das Turbinenlaufrad 3 ist
in Radialbauweise ausgeführt
und wird nur radial angeströmt.
Die Turbine 2 weist erfindungsgemäß ein zweiflutig ausgebildetes
Turbinengehäuse 7 auf,
welches das Turbinenlaufrad 3 umgibt. Integraler Bestandteil
des Turbinengehäuses 7 sind
zwei axial voneinander beabstandete, in radialer Richtung spiralförmig gestaltete
Zuströmkanäle 10, 11,
deren Austrittsöffnungen 14 bzw. 15 das
Turbinenlaufrad 3 nahezu über seinen gesamten Umfang
konzentrisch umgeben, so dass Ringdüsen vor dem Turbinenlaufrad 3 vorliegen.
Die Ringdüsen 14, 15 ragen
nahe bis an den Turbinenradeintritt heran. Der in 1 bis 5 links
dargestellte Zuströmkanal 10 wird
im Folgenden als erste Flut und der in 1 bis 5 rechts
dargestellte Zuströmkanal 11 im
Folgenden als zweite Flut bezeichnet. Die beiden Fluten 10, 11 sind
durch eine sich radial erstreckende Trennwand 25 des Turbinengehäuses 7 voneinander
getrennt.
-
Das
Turbinenlaufrad
3 weist Turbinenschaufeln
4 auf,
wobei vorgelagert der Turbinenschaufeln
4 in der ersten
Flut
10 ein variabel ausgebildetes, verstellbares radiales
Leitgitter
18 untergebracht ist. Das Leitgitter
18 besteht
bekannterweise aus mehreren einzelnen Leitschaufeln
19,
die an drehbaren Leitwellen
21 befestigt sind und über eine Betätigungsvorrichtung,
im nachfolgenden Steller
20 bezeichnet, gemeinsam verdreht
werden können.
Der Aufbau derartiger Leit- bzw. Drehschaufeln ist hinreichend bekannt
und zum Beispiel der
EP
0 226 444 B1 entnehmbar. Je nach Stellung der einzelnen
Leitschaufeln
19 des Leitgitters
18 ergibt sich
ein entsprechender Durchströmquerschnitt,
welcher in Schließstellung
der Leitschaufeln
19 des Leitgitters
18 zu Null gebracht
werden kann, so dass in der ersten Flut
10 keine Strömung zum
Turbinenlaufrad
3 mehr erfolgt.
-
Die
Turbinenschaufeln 4 können
einen bogenförmigen
Zuschnitt aufweisen, so dass das Abgas auf einen radial weiter innen
liegenden Durchmesser das Turbinenlaufrad 3 wieder verlässt. Die Abgasströmung tritt
dann stromabwärts
in einen Abgaskanal 27 der Radialturbine 2 ein.
Die beiden Fluten 10, 11 sind vorzugsweise innerhalb
des Turbinengehäuses 7 zusammengeführt, beispielsweise
in einem Anschlussbereich des Abgasturboladers 1 an einen
Abgaskrümmer 45 einer
Brennkraftmaschine 5. Dabei mündet eine Abgasleitung 30 der
ersten Flut 10 mit einer Abgasleitung 31 der zweiten
Flut 11 in eine gemeinsame Abgasanschlussleitung 32,
die zum Anschluss an den Abgaskrümmer 45 der
Brennkraftmaschine 5 vorgesehen ist. Über die gemeinsame Abgasanschlussleitung 32,
die vorzugsweise innerhalb des Turbinengehäuses 7 ausgebildet
ist, erfolgt die Beaufschlagung mit dem Abgas aus dem Abgaskrümmer 45 der
Brennkraftmaschine 5.
-
Möglich ist
aber auch, wie in 4 dargestellt
ist, die beiden Abgasleitungen 30, 31 einzeln, ohne
eine gemeinsame Abgasanschlussleitung 32, in den Abgasturbolader 1 hineinzuführen und
mit einzelnen oder einer Gruppe von Zylindern der Brennkraftmaschine 5 zu
verbinden. Die separate Anschlussweise bietet Bedingungen, die auch
eine Stoßaufladung
des Abgasturboladers 1 jeweils mit hohem Wirkungsgrad erlaubt.
Bei der Stoßaufladung wird
die Restenergie des in den Brennräumen enthaltenden Abgases der
Brennkraftmaschine 5 impulsartig im Auslasstakt bei Öffnung der
Auslassventile direkt auf das Turbinenlaufrad 3 übertragen.
Dies ermöglicht
eine gute Energieausbeute des Abgases der Brennkraftmaschine 5.
-
Aber
auch bei der gemäß 1 gezeigten gemeinsamen
Zuführung
des Abgases über
eine gemeinsame Abgasanschlussleitung 32 ist eine gute Ausnutzung
der Abgase gegeben, da sich quasi eine Stauaufladung ergibt, mit
welcher Idealerweise mit etwa konstantem Druck eine Zuführung der
Abgase zur Turbine 2 erfolgt. Die so erzielte Gleichbeaufschlagung
führt auch
zu einem besseren Wirkungsgradverhalten der Turbine 2.
-
Wie
die 1 zeigt, ist in
der ersten Flut 10 das Leitgitter 18 mit verstellbaren
Leitschaufeln 19 untergebracht, wohingegen die zweite Flut 11 gänzlich unbeschaufelt
ist. Durch die unbeschaufelte, zweite Flut 11 ergeben sich
die Vorteile der Stoßaufladung.
Bei gewünschten
hohen Turbinenleistungen werden die Leitschaufeln 19 des
Leitgitters 18 ganz verschlossen. Die unbeschaufelte Flut 11 ist
stets geöffnet
und kann daher für
diesen Betriebsbereich in optimaler Weise ausgelegt werden. Die
Auslegung kann dabei mit einem optimalen, sogenannten A/R-Verhältnis erfolgen,
welches den Eintrittsdrall charakterisiert. Unter A wird dabei der
Gehäusequerschnitt
im Zungenbereich bzw. Eintrittsbereich der Spirale bzw. der zweiten
Flut 11 verstanden, welcher das Aufstauverhalten und damit
die realisierbare Turbinenleistung mitbestimmt. Unter R wird der
Radius zwischen der Drehachse der Turbine 2 und dem Flächenschwerpunkt
der Fläche
A verstanden. Der Strömungsquerschnitt
der zweiten Flut 11 ist vorzugsweise kleiner als der Strömungsquerschnitt
der ersten Flut 10 ausgebildet. In axialer Richtung gesehen,
ist daher die erste Flut 10 breiter als die zweite Flut 11. Im übrigen Kennfeld
des Abgasturboladers 1, also somit bei niedriger oder mittlerer
Lastanforderung, kann der Ladedruck über die verstellbaren Leitschaufeln 19 des
Leitgitters 18 eingestellt werden. Der Betrieb des Abgasturboladers 1 erfolgt
so, dass im Bereich niedriger Drehzahlen der Brennkraftmaschine 5,
etwa 0–50%
der Nenndrehzahl, bei einer Volllastanforderung durch den Fahrer
und abverlangten hohen Turbinenleistungen die Leitschaufeln 19 des Leitgitters 18 in
der ersten Flut 10 in eine Schließstellung gebracht werden.
Zusätzlich
kann die erste Flut 10 über
eine Absperrklappe 35' in
der zugehörigen Abgasleitung 30 verschlossen
werden, wodurch sich die Spaltverluste verringern. Hingegen werden
bei abverlangter Nennleistung der Brennkraftmaschine 5 die
Leitschaufeln 19 in eine Stellung mit leicht geöffnetem
Leitgitter 18 gebracht. Im Übrigen Lastbereich der Brennkraftmaschine 5 erfolgt
eine Steuerung des Ladedrucks über
eine individuelle Stellung der Leitschaufeln 19.
-
Wie
die weiteren Ausführungsbeispiele
zeigen, sind noch weitere Variationen der Steuerung des Abgasturboladers 1 möglich. Dabei
sind in den 2 bis 5 alle gleichen oder gleichwirkenden
Teile mit denselben Bezugszeichen des ersten Ausführungsbeispiels
nach 1 gekennzeichnet.
Wie die 2 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,
ist in der zweiten unbeschaufelten Flut 11 bzw. in der
zugehörigen
Abgasleitung 31 eine Absperrklappe 35 vorgesehen.
Durch die vorzugsweise im Turbinengehäuse 7 untergebrachte
Absperrklappe 35 kann die zweite unbeschaufelte Flut 11 verschlossen
werden. Dies ermöglicht
im Betriebsbereich mit kleinen Drehzahlen etwa 0–50% der Nenndrehzahl und gewünschten
hohen Turbinenleistungen eine Betriebsweise, bei der die zweite
Flut 11 abgesperrt ist und der Ladedruck nur über die
Leitschaufeln 19 des Leitgitters 18 eingestellt
wird. In diesem Betriebsbereich können die Leitschaufeln 19 des
Leitgitters 18 weiter geöffnet werden als bei einer
vergleichsweisen einflutigen Ausführung, da der Querschnitt, der
von den Leitschaufeln 19 geregelt wird, entsprechend kleiner
ist. Der Betrieb des Abgasturboladers 1 erfolgt somit so,
dass im Bereich der hohen Lasten bei kleineren Drehzahlen der Brennkraftmaschine 5 bzw.
einer Volllastanforderung durch den Fahrer und abverlangten hohen
Turbinenleistungen die zweite Flut 11 über die Absperrklappe 35 verschlossen
wird und die Steuerung des Ladedrucks über die Stellung der Leitschaufeln 19 des
Leitgitters 18 erfolgt, wohingegen bei abverlangter Nennleistung
der Brennkraftmaschine 5 die Leitschaufeln 19 in
eine Stellung mit leicht geöffnetem
Leitgitter 18 gebracht werden und die Absperrklappe 35 geöffnet wird.
Im Übrigen
Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 5 erfolgt eine Steuerung
des Ladedrucks über
die Stellung der Leitschaufeln 19 bei zugleich geöffneter
Absperrklappe 35 in der zweiten Flut 11. Damit
ergibt sich eine Steigerung des Wirkungsgrades der Turbine.
-
In
der 3 ist ein drittes
erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
gezeigt, bei welchem beide Fluten 10, 11 über ein
erstes Leitgitter 18 in der ersten Flut 10 und über ein
zweites Leitgitter 24 in der zweiten Flut 11 mit
jeweils verstellbaren Leitschaufeln 19 bzw. 23 verfügen, die
auf einer gemeinsamen Welle 37 über den gemeinsamen Steller 20 verdreht werden
können.
Damit lässt
sich in beiden Fluten 10, 11 stets der gleiche
Leitschaufelwinkel einstellen. Zur Minimierung. der Spaltverluste
an den Leitschaufeln 19, 23 der Leitgitter 18, 24 ist
auch in mindestens einer der beiden Fluten 10, 11 eine
Absperrklappe 35 bzw. 35' vorgesehen. Möglich ist aber auch, in beiden Fluten 10, 11 eine
Absperrklappe 35 bzw. 35' vorzusehen. Im Betriebsbereich
mit kleinen Drehzahlen der Brennkraftmaschine 5 und gewünschten
hohen Turbinenleistungen wird die erste Flut 10 über die
Absperrklappe 35' abgesperrt,
was die Spaltverluste in dieser Flut verringert. Der Ladedruck wird
dann über die
Leitschaufeln 23 des Leitgitters 24 in der zweiten Flut 11 geregelt.
-
Gegenüber dem
zweiten Ausführungsbeispiel
gemäß 2 ergibt sich durch das
zweite Leitgitter 24 nach 3 stets
ein gleicher Anströmwinkel auf
die Turbine 2. Dies ermöglicht
eine weitere Wirkungsgradsteigerung der Turbine 2. Der Betrieb
des Abgasturboladers 1 erfolgt wie im zweiten Ausführungsbeispiel
nach 2 und zwar, dass
im Bereich der kleinen Drehzahlen der Brennkraftmaschine 5 bei abverlangten
hohen Turbinenleistungen eine der beiden Fluten, vorzugsweise die
erste Flut 10, über
die Absperrklappe 35' verschlossen
wird und die Steuerung des Ladedrucks über die Stellung der Leitschaufeln 23 des
Leitgitters 24 in der anderen Flut erfolgt, wohingegen
bei abverlangter Nennleistung der Brennkraftmaschine 5 die
Leitschaufeln 19, 23 in eine leicht geöffnete Stellung
gebracht werden und beide Absperrklappen 35, 35' geöffnet werden.
Im Übrigen
Bereich der Brennkraftmaschine 5 erfolgt eine Steuerung
des Ladedrucks über
die Stellung der Leitschaufeln 19, 23 bei zugleich
geöffneter
Absperrklappe 35 in der zweiten Flut 11.
-
Das
vierte Ausführungsbeispiel
gemäß 4 zeigt zwei Fluten 10, 11,
deren Durchströmquerschnitt
von jeweils variabel gestalteten Leitgittern 18 bzw. 24 verstellbar
ist. Die Leitgitter 18, 24 bzw. deren Leitschaufeln 19, 23 können von
separat vorgesehenen Stellern 20 bzw. 28 an den
entsprechenden Leitwellen 21 bzw. 29 verdreht
werden. Damit ist es möglich,
den Massendurchsatz durch jede Flut 10 bzw. 11 exakt
und individuell einzustellen. Die Regelung erfolgt derart, dass
im Bereich kleiner Massenströme
und hoher Turbinenleistung eine Flut, vorzugsweise die mit größerem Querschnitt,
hier im Ausführungsbeispiel
die erste Flut 10 geschlossen wird. Der Betrieb des Abgasturboladers 1 erfolgt
so, dass im Bereich der kleineren Drehzahlen der Brennkraftmaschine 5 bei
abverlangten hohen Turbinenleistungen die erste Flut 10 über die
Leitschaufeln 19 des ersten Leitgitters 18 in
der ersten Flut 10 verschlossen und ggf. zusätzlich über die
Absperrklappe 35' abgesperrt
wird und die Steuerung des Ladedrucks über die Stellung der Leitschaufeln 23 des zweiten
Leitgitters 24 in der zweiten Flut 11 erfolgt, wohingegen
bei abverlangter Nennleistung der Brennkraftmaschine 5 die
Leitschaufeln 19, 23 in beiden Fluten 10, 11 in
eine leicht geöffnete
Stellung gebracht werden. Im Übrigen
Bereich der Brennkraftmaschine 5 erfolgt eine Steuerung
des Ladedrucks über
eine individuelle Stellung der Leitschaufeln 19, 23 bei
geöffneter
Absperrklappe 35' und
wenn vorhanden auch bei geöffneter
Absperrklappe 35.
-
Die 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel,
bei dem die Trennwand 25 zwischen beiden Fluten 10, 11 nicht
starr, sondern schwimmend ausgebildet ist. Diese Trennwand 25 wird
auch als Devider bezeichnet und erstreckt sich in radialer Richtung bis
zu einem Vorsprung 47 des Turbinengehäuses 7 und stellt
ein Ringteil dar, welches das Turbinenlaufrad 3 am Umfang
mit radialem Abstand umgibt. Die Trennwand 25 liegt dabei
an dem sich etwa 2/3 des Turbinenlaufrades 4 axial erstreckenden
Vorsprung 47 des Turbinengehäuses 7 an. Mittels
eines Kolbenrings 40, der in einer Ringnut 48 der
Trennwand 25 untergebracht ist, wird die Trennwand 25 zum
Vorsprung 47 hin radial abgedichtet, so dass sich zwei strömungsmäßig voneinander
getrennte Fluten 10, 11 des Turbinengehäuses 7 ergeben.
Die Trennwand 25 steht still und wird durch eine leichte
Presspassung radial an dem Vorsprung 47 gehalten, bleibt aber
axial verschiebbar. In der ersten Flut 10 ist das Leitgitter 18 mit
den drehbaren Leitschaufeln 19 untergebracht. Aufgrund
der Strömungsverhältnisse
erfolgt durch den in den Fluten 10, 11 herrschenden Druckunterschied
ein leichtes Anpressen der Trennwand 25 hin an das Leitgitter 18 (in 5 nach links). Durch die
schwimmende Ausführung
bzw. Lagerung der Trennwand 25 im Turbinengehäuse 7 ergibt
sich vorteilhafterweise ein weiter verringerter Spalt am Leitgitter 18,
so dass es zu einer weiteren Reduktion der Spaltverluste an den
Leitschaufeln 19 des Leitgitters 18 in der ersten
Flut 10 kommt. Das Vorsehen der Trennwand 25 kann
als Maßnahme
zur Reduktion der Spaltverluste alternativ zu den Absperrklappen 35, 35' oder gegebenenfalls
auch zusätzlich
zu diesen erfolgen.