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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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In
der Druckschrift
DE
196 15 237 A1 wird ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine
beschrieben, dessen Abgasturbine einen radialen und einen halbaxialen
Strömungseintrittsquerschnitt
zum Turbinenrad aufweist, wobei über
die Strömungseintrittsquerschnitte
unter Druck stehende Abgase der Brennkraftmaschine zugeführt werden
und das Turbinenrad antreiben. Die Turbinenradrotation wird über eine
Welle auf ein Verdichterrad eines Verdichters des Laders übertragen,
welcher Verbrennungsluft aus der Umgebung auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet,
unter dem die Verbrennungsluft den Zylindern der Brennkraftmaschine
zugeführt
wird. Zur Wirkungsgradverbesserung sind sowohl im radialen als auch
im halbaxialen Strömungseintrittsquerschnitt der
Abgasturbine Leitgitter angeordnet, über die das durchströmende Abgas
beeinflusst werden kann, beispielsweise mit einem Drall beaufschlagt
werden kann. Das im radialen Strömungseintrittsquerschnitt angeordnete
Leitgitter umfasst auf einem Leitgitterkranz schwenkbar angeordnete
Leitschaufeln, deren Schwenkposition je nach aktueller Betriebsbedingung
der Brennkraftmaschine veränderlich
einzustellen ist. Beispielsweise können im Motorbremsbetrieb die
Leitschaufeln in eine den freien Strömungsquerschnitt reduzierende
Stauposition verstellt werden, wodurch im Abgasab schnitt zwischen
den Auslässen der
Brennkraftmaschine und dem Turbinenrad ein erhöhter Staudruck eingestellt
werden kann, der der Ausschubarbeit der Kolben der Brennkraftmaschine im
Motorbremsbetrieb entgegensteht. Auf diese Weise sind hohe Motorbremsleistungen
erzeugbar.
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Aus
Festigkeitsgründen
muss jedoch insbesondere im Motorbremsbetrieb darauf geachtet werden,
dass die Laderdrehzahl des Abgasturboladers eine zulässige Grenzdrehzahl
nicht übersteigt.
Aufgrund verbesserter Turbinenwirkungsgrade können im Motorbremsbetrieb Maßnahmen
zur Reduzierung des Turbinenwirkungsgrades erforderlich werden, um
ein unzulässiges Überschreiten
der Grenzdrehzahl zu verhindern. Derartige Maßnahmen umfassen beispielsweise
zusätzliche
Turbinenabblaseeinrichtungen, welche zur Wirkungsgradverschlechterung
in Öffnungsposition
verstellt werden.
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Von
diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung das Problem
zugrunde, mithilfe von auf den Abgasturbolader beschränkten Maßnahmen
in allen Betriebsbereichen eine Überlastung
des Abgasturboladers zu vermeiden.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche
geben zweckmäßige Weiterbildungen
an.
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Der
erfindungsgemäße Abgasturbolader
ist mit einer variablen Turbinengeometrie zur veränderlichen
Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnittes ausgestattet.
Die variable Turbinengeometrie umfasst ein Leitgitter mit verstellbaren
Leitschaufeln, die betriebszustandsabhängig verstellt werden können. Zumindest
eine der Leitschaufeln am Leitgitter weist auf einer ihrer Schaufelseiten
eine sich über
die Schaufeloberfläche
erhebende Trennwand auf, welche den Strömungsbe reich auf dieser Schaufelseite
in zwei separate Schaufelkanäle
unterteilt. Diese Schaufelkanäle
sind zweckmäßig auf
ihrer der Schaufeloberfläche
abgewandten Seite offen. Die Strömungsverhältnisse
werden durch die über die
Trennwand separierten Schaufelkanäle beeinflusst. So ist es gemäß einer
bevorzugten Ausführung,
in welcher die Leitschaufeln des Leitgitters insbesondere in Stauposition
in eine sich in Umfangsrichtung teilweise überlappende Position verstellbar sind,
möglich,
dass die Trennwand an der Wandung bzw. der Schaufeloberfläche der
benachbarten Leitschaufel anliegt, wodurch die beiden Schaufelkanäle diesseits
und jenseits der Trennwand zumindest im Auflagebereich der Trennwand
auf die benachbarte Leitschaufel strömungstechnisch separiert sind
und eine Überströmung zwischen
den beiden Schaufelkanälen
verhindert wird. Liegt die der Schaufeloberfläche der Trennwand abgewandte
Wandoberseite der Trennwand auf der benachbarten Leitschaufel an,
kann durch eine entsprechende Gestaltung der Trennwand eine Strömungsverschlechterung
erzielt werden, indem die Strömungsrichtung
des durchströmenden
Abgases und/oder die Größe des durchströmenden Abgasmassenstromes
beeinflusst wird.
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Über eine
schräg
verlaufende Trennwand kann der Strömung eine wirkungsgradverschlechternde
Komponente aufgeprägt
werden. Beispielsweise kann bei einer Anordnung des Leitgitters
in einem radialen Strömungseintrittsquerschnitt
die ursprünglich
radiale Zuströmung
des Abgases auf das Turbinenrad in eine radial-axiale Zuströmung verändert werden,
wodurch die Übertragung
des antreibenden Impulses auf das Turbinenrad verschlechtert wird.
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Über die
schräg
angeordnete Trennwand werden außerdem
in Schaufellängsrichtung
bzw. in Umfangsrichtung des Leitgitters gesehen unterschiedliche
Querschnittsverläufe
der Schaufelka näle eingestellt,
wodurch verschiedenartige Strömungseffekte
zu erzielen sind, die insgesamt eine Wirkungsgradverschlechterung
bewirken. So besitzt einer der Schaufelkanäle vorteilhaft einen schmalen
Eintrittsquerschnitt und einen größeren Austrittsquerschnitt, wohingegen
der benachbarte Schaufelkanal einen größeren Eintrittsquerschnitt
und einen kleineren Austrittsquerschnitt besitzt. Auf diese Weise
besitzt ein Schaufelkanal die Form eines Diffusors, der benachbarte
Schaufelkanal dagegen Düsenform.
Im düsenförmigen Schaufelkanal
findet eine Beschleunigung der Strömung statt, im Diffusorkanal
dagegen eine Strömungsverzögerung.
Insgesamt wird eine Reduzierung des Wirkungsgrades erreicht, was
in Betriebsbereichen mit maximaler Motorbremsleistung vorteilhaft
ist, in denen die Leitschaufeln in Stauposition stehen.
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Der
Einfluss der Trennwand bzw. der beiden Schaufelkanäle auf die
Strömung
wird reduziert, gegebenenfalls auch größtenteils aufgehoben, sobald die
betreffende Leitschaufel aus der Stauposition zurückverstellt
wird und die Trennwand von der benachbarten Leitschaufel angehoben
wird, wodurch ein Strömungsübertritt
zwischen den benachbarten Schaufelkanälen ermöglicht wird.
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Die
Strömung
durch die Schaufelkanäle
wird maßgeblich
durch die Form der Trennwand beeinflusst. Gemäß einer einfachen konstruktiven
Ausführung
ist die Trennwand in sich geradlinig ausgebildet, was fertigungstechnisch
mit einem verhältnismäßig geringen
Aufwand herzustellen ist. Gemäß einer
alternativen, vorteilhaften Ausführung
läuft die
Trennwand gekrümmt,
wodurch strömungstechnische
Effekte besser beeinflussbar sind.
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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 eine schematische Darstellung
einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader, deren Abgasturbine
mit variabler Turbinengeometrie ausgestattet ist,
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2 eine Draufsicht auf ein
mit verstellbaren Leitschaufeln ausgestattetes Leitgitter, das im
radialen Turbineneintrittsquerschnitt der Abgasturbine angeordnet
ist, wobei die Leitschaufeln auf ihrer Unterseite jeweils eine Trennwand
besitzen,
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3 eine Ansicht auf die Unterseite
einer Leitschaufel mit gekrümmter
Trennwand, wodurch zwei benachbarte, separierte Schaufelkanäle ausgebildet
werden,
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4 eine stirnseitige Ansicht
auf eine Leitschaufel mit Trennwand,
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5 eine Leitschaufel mit
einer geradlinig ausgeführten
Trennwand.
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der
in 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1 – ein Ottomotor
oder ein Dieselmotor – ist ein
Abgasturbolader 2 mit einer Abgasturbine 3 im Abgasstrang 4 und
einem Verdichter 5 im Ansaugtrakt 6 zugeordnet.
Die Rotation des Turbinenrades wird über eine Welle 7 auf
das Verdichterrad übertragen,
woraufhin Verbrennungsluft aus der Umgebung auf einen erhöhten Ladedruck
komprimiert wird. Stromab des Verdichters 5 befin det sich
im Ansaugtrakt 6 ein Ladeluftkühler 9, in welchem
die auf erhöhten
Druck komprimierte Verbrennungsluft gekühlt wird, die anschließend im
weiteren Verlauf unter Ladedruck den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zugeführt wird.
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Auf
der Abgasseite treiben die unter Druck stehenden Abgase das Turbinenrad
an und werden im entspannten Zustand stromab der Abgasturbine 3 zunächst einer
Abgasreinigung unterzogen und anschließend in die Umgebung ausgeleitet.
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist der Abgasturbine 3 eine
variable Turbinengeometrie 8 zugeordnet, über die
der wirksame Turbineneintrittsquerschnitt veränderlich einstellbar ist.
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Des
Weiteren ist eine Abgasrückführungseinrichtung 10 vorgesehen,
welche eine Rückführleitung
mit einstellbarem Rückführventil
und einen Abgaskühler
umfasst, wobei die Rückführleitung
stromauf der Abgasturbine 3 vom Abgasstrang 4 abzweigt und
stromab des Ladeluftkühlers 9 in
den Ansaugtrakt 6 einmündet.
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Über eine
Regel- und Steuereinheit 11 werden die diversen Aggregate
der Brennkraftmaschine 1, insbesondere die variable Turbinengeometrie 8 sowie
das Rückführventil
der Abgasrückführungseinrichtung 10,
in Abhängigkeit
von Zustands- und Betriebsgrößen eingestellt.
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In 2 ist eine als Leitgitter 12 ausgeführte variable
Turbinengeometrie dargestellt, die im Turbineneintrittsquerschnitt
zur veränderlichen
Einstellung der Querschnittsfläche
und Querschnittsform angeordnet ist. Das Leitgitter umfasst eine
Mehrzahl über den
Umfang verteilter Leitschaufeln 13, die jeweils an einer
Schaufelwelle 14 schwenkbar gelagert sind und zwischen
einer Stauposition mit minimalem Strömungsquerschnitt und einer
maximalen Öffnungsposition
zu verstel len sind. In 2 befinden
sich die Leitschaufeln 13 nahe ihrer Stauposition.
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Das
Leitgitter 12 mit den Leitschaufeln 13 liegt in
einem radialen Turbineneintrittsquerschnitt und umschließt das Turbinenrad 15.
Das zwischen benachbarten Leitschaufeln 13 gemäß Pfeilrichtung 16 durchströmende Abgas
trifft mit radialer und mit Umfangskomponente auf die Turbinenradschaufeln und
treibt das Turbinenrad an.
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Auf
der Schaufelunterseite – die
dem Turbinenrad 15 zugewandte Schaufelseite – ist im
Bereich jeder Leitschaufel 13 jeweils eine Trennwand 17 angeordnet,
welche sich über
die Oberfläche
der Schaufelunterseite um den Betrag h erhebt. Die Trennwand 17 teilt
die Schaufelunterseite in zwei separate Schaufelkanäle, was
im Einzelnen in den 3 und 5 dargestellt ist. Hierdurch
können
die Strömungsverhältnisse
in signifikanter Weise beeinflusst werden. Die Trennwand 10 erstreckt
sich vom vorderen Schaufelabschnitt bis etwa zum mittleren Schaufelabschnitt
jeder Leitschaufel 13, wobei die Wandhöhe im hinteren Wandabschnitt
kontinuierlich abnimmt. In Stauposition überlappen sich benachbarte
Leitschaufeln 13 in Umfangsrichtung, so dass eine Trennwand 17 auf
einer Leitschaufelunterseite sich unmittelbar oberhalb der Leitschaufeloberseite einer
benachbarten Leitschaufel befindet. In bevorzugter Ausführung sind
die Leitschaufeln so weit um ihre Schaufelwellen 14 verschwenkbar,
dass die Trennwand 17 auf der Schaufeloberseite der benachbarten
Leitschaufeln zum Liegen kommt. Über
einen begrenzten Teilabschnitt ist die Form der Trennwand 17 an
die Krümmung
der benachbarten Schaufel angepasst, so dass bei Berührung der
Trennwand 17 mit der benachbarten Leitschaufel ein bündiger,
strömungsdichter
Abschluss zwischen diesem Abschnitt der Trennwand und der benachbarten
Leitschaufel gegeben ist.
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In 2 befindet sich das Leitgitter 12 noch nicht
ganz in Stauposition. Die Trennwand 17 liegt nicht auf
der benachbarten Leitschaufel auf, sondern ist gegenüber der
Oberseite der benachbarten Schaufel geringfügig angehoben, wodurch ein
Spalt SP zwischen Trennwand und benachbarter Schaufel gegeben ist.
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In 3 ist eine Leitschaufel 13 mit
einer gekrümmt
verlaufenden Trennwand 17 dargestellt. Die Trennwand 17 erstreckt
sich von einem Seitenbereich der Schaufelvorderkante 20 – über die
Schaufelvorderkante 20 erfolgt die Anströmung der
Leitschaufel 13 – bis über gut
die Hälfte
der Schaufellänge
und in Querrichtung bis zur gegenüberliegenden Schaufelseite.
Die Trennwand 17 besitzt in Draufsicht eine näherungsweise
konkave Form. Ein zwischenliegender Bereich 17a der Trennwand
weist eine maximale Erhebung gegenüber der Schaufeloberfläche auf
und ist außerdem
auf die Kontur der benachbarten Schaufeloberseite angepasst; dieser
Bereich 17a liegt in Stauposition des Leitgitters bündig auf
der Schaufeloberseite der benachbarten Leitschaufel auf. Der unmittelbar
der Schaufelvorderkante 20 benachbarte Abschnitt der Trennwand
besitzt dagegen eine geringere Erhebung, so dass auch in Stauposition
des Leitgitters über
diesen Wandabschnitt ein geringfügiger
Gasaustausch zwischen den Schaufelkanälen 18 und 19 stattfinden kann.
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Die
Trennwand 17 unterteilt die Leitschaufel 13 in
zwei Strömungsbereiche
bzw. Schaufelkanäle 18 und 19,
die aufgrund des gegenüber
der Längsachse 21 der
Leitschaufel 13 schrägen
Verlaufes der Trennwand sowie aufgrund der Krümmung der Trennwand über die
Länge der
Leitschaufel gesehen einen unterschiedlichen Querschnittsverlauf
aufweisen. Der Schaufeleintritt im Bereich der Schaufelvorderkante 20 ist
bei dem ers ten Schaufelkanal 18 verhältnismäßig breit ausgebildet und erstreckt
sich etwa über
drei Viertel der Schaufelbreite, wohingegen der Schaufeleintritt
des benachbarten Schaufelkanals 19 wesentlich schmaler
ausgeführt
ist. Dies hat zur Folge, dass von der die Leitschaufel 13 anströmenden Gasmenge
ein größerer Teil
gemäß Pfeil 22 in
den Schaufelkanal 18 und ein kleinerer Teil gemäß Pfeil 23 in
den benachbarten Schaufelkanal 19 geleitet wird.
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Aufgrund
der Schrägstellung
der Trennwand 17 verjüngt
sich der im Eintrittsbereich größere Schaufelkanal 18,
so dass der Schaufelkanal 18 über seine Länge gesehen Düsenform
besitzt. Der benachbarte Schaufelkanal 19 weist dagegen
einen sich erweiternden Querschnittsverlauf auf und besitzt somit
die Form eines Diffusors. Dies hat zur Folge, dass der größere, gemäß Pfeil 22 in
den Schaufelkanal 18 eintretende Gasstrom eine Beschleunigung erfährt, der
kleinere, gemäß Pfeil 23 in
den Schaufelkanal 19 eintretende Gasstrom dagegen eine
Verzögerung.
Liegt in Stauposition der Trennwandabschnitt 17a auf der
Schaufeloberseite der benachbarten Leitschaufel auf, sind die beiden
Schaufelkanäle 18 und 19 zumindest
im Bereich dieses Trennwandabschnittes voneinander separiert.
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Der
der Schaufelvorderkante benachbarte, stirnseitige Abschnitt der
Trennwand 17 schließt
mit der Längsachse 21,
welche in der Leitgitter-Längsebene
liegt, einen Winkel γs ein, welcher zweckmäßig in einem Winkelbereich
zwischen 10° und
80° liegt und
bevorzugt 30° bis
45° beträgt. Gegenüber einer Tangente
an die Trennwand 17 im Bereich des in Stauposition engsten
Strömungsquerschnittes
Smin (gemessen am der Schaufelvorderkante
abgewandten, stirnseitigen Endabschnitt des Wandbereiches 17a mit
höchster
Erhebung) schließt
die Tangente an den der Schaufelvorderkante 20 benachbarten Wandabschnitt
der Trennwand 17 einen Winkel γa ein,
welcher ebenfalls in einem Winkelbereich von 10° bis 80° liegen kann und bevorzugt näherungsweise
20° bis
30° beträgt.
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4 zeigt eine Ansicht der
Vorderseite der Leitschaufel 13 mit auf der Schaufelunterseite
angeordneter Trennwand 17. Der Wandabschnitt 17a mit gegenüber der
Schaufelunterseite höchster
Erhebung verläuft
in Querrichtung der Schaufel schräg, so dass eine in Querrichtung
verlaufende Tangente 24 an den Wandbereich 17a mit
der Schwenkachse 25 der Schaufelwelle 14 einen
Winkel einschließt.
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Im
Ausführungsbeispiel
nach 5 weist die Trennwand 17 einen
geradlinigen Verlauf auf. Die Trennwand 17 erstreckt sich
ebenso wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel ausgehend von
einem seitlichen Bereich der Schaufelvorderkante 20 über mehr
als die Hälfte
der Länge
der Leitschaufel 13 bis zur gegenüberliegenden Wandseite. Ein
der Schaufelvorderkante 20 benachbarter, jedoch nicht bis
zur Schaufelvorderkante reichender Wandabschnitt 17a besitzt
gegenüber
der Schaufeloberfläche
der Unterseite eine maximale Erhebung. Die Wandachse schließt mit der
Schaufellängsachse 21 den
Winkel γs ein, der im Ausführungsbeispiel etwa 30° beträgt.
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Ein
Strömungsübertritt
zwischen den Schaufelkanälen 18 und 19 ist
in beiden beschriebenen Ausführungsbeispielen
diesseits und jenseits des Wandabschnittes 17a mit höchster Erhebung
möglich,
also sowohl in einem schmalen Bereich unmittelbar benachbart zur
Schaufelvorderkante als auch in einem größeren Bereich auf der der Schaufelvorderkante 20 abgewandten
Seite des Wandabschnittes 17a.