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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/857,868, die am 24. Juli 2013 eingereicht wurde und den Titel ”Turobcharger Combining Axial Flow Turbine with a Compressor Stage Utilizing Active Casing Treatment” trägt; deren Inhalt ist durch Verweis hierin aufgenommen.
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HINTERGRUND
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1. Technisches Gebiet der Offenbarung
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Diese Offenbarung betrifft axiale oder stark halbaxial angeströmte Turbolader. Insbesondere betrifft diese Offenbarung einen Turbolader, der eine axial angeströmte Turbine mit einer Kompressorstufe kombiniert, die eine aktive Gehäusebehandlung verwendet.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Bei der Abgasturboaufladung wird ein Teil der Abgasenergie, die bei der Verbrennung in einem Verbrennungsmotor entsteht und die normalerweise verloren gehen würde, dazu verwendet, eine Turbine anzutreiben. Die Turbine umfasst ein Turbinenrad, das an einer Welle montiert ist und durch den Abgasstrom drehbar angetrieben wird. Der Turbolader führt einen Teil dieser normalerweise verlorenen Abgasenergie in den Motor zurück, was zur Motoreffizienz beiträgt und Kraftstoff spart. Ein Kompressor, der durch die Turbine angetrieben wird, saugt gefilterte Umgebungsluft an, verdichtet sie und liefert sie an den Motor. Der Kompressor umfasst ein Kompressorrad, das an derselben Welle montiert ist, so dass die Drehung des Turbinenrads auch die Drehung des Kompressorrads verursacht.
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Die Vorteile der Turboaufladung umfassen erhöhte Leistungsabgabe, niedrigeren Kraftstoffverbrauch und verringerte Schadstoffemissionen. Die Turboaufladung von Motoren wird nicht mehr nur vom Gesichtspunkt der höheren Leistung her betrachtet, sondern als Mittel zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs und der Umweltverschmutzung durch niedrigere Kohlendioxidemissionen (CO2) gesehen.
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Derzeit besteht ein Hauptgrund für die Turboaufladung darin, Abgasenergie zu verwenden, um den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen zu verringern. In Motoren mit Turboaufladung wird die Verbrennungsluft vorverdichtet, bevor sie dem Motor zugeführt wird. Der Motor saugt dasselbe Volumen an Luft-Kraftstoff-Gemisch an wie ein normaler Saugmotor, aber auf Grund des höheren Drucks und damit der höheren Dichte wird eine größere Masse an Luft und Kraftstoff auf gesteuerte Weise in eine Verbrennungskammer zugeführt. In der Folge kann mehr Kraftstoff verbrannt werden, so dass die Leistungsabgabe des Motors relativ zur Drehzahl und zum Hubraum zunimmt.
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Zusammenfassung
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Der Turbolader umfasst ein Axialstrom-Turbinenrad. Bei einer Axialstromturbine verläuft der Abgasstrom nur in der axialen Richtung entlang der Achse des Turbinenrads durch das Turbinenrad. Dies kann man mit Radialstrom-Turbinenrädern sowie halbaxial angeströmten Turbinenrädern vergleichen: Bei einem Radialstrom-Turbinenrad verläuft die Abgasströmung zentripetal in das Rad, d. h. in einer Radialrichtung von außen herein, senkrecht auf die Raddrehachse, und die Abgasausströmung erfolgt typischerweise in der axialen Richtung. In Turbinenrädern mit stark halbaxialer Anströmung nähert sich der Abgasstrom dem Turbinenrad mit einem Winkel, der weniger als 45 Grad zu der Drehachse R beträgt, und tritt dann axial aus.
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Eine Turbinenstufe eines Turboladers mit einem Axialstrom-Turbinenrad ist vorteilhaft, da das Turbinenrad einen geringeren Strömungswiderstand und eine geringere Belastung aufweisen kann als ein Radialstrom-Turbinenrad. Unter bestimmten Bedingungen kann das Axialstrom-Turbinenrad oder ein Turbinenrad mit stark halbaxialer Anströmung effizienter sein als ein Radialstrom-Turbinenrad, da das Abgas direkt gegen das gesamte Turbinenrad gedrückt wird, während bei Radialstromturbinen das Abgas von der Seite des Turbinenrads zuströmt und dann um den Umfang des Turbinenrads. Somit kann eine Turbinenstufe mit einem Turbinenrad mit axialer oder stark halbaxialer Anströmung wünschenswert sein. Zusätzlich hat eine Axialstromturbine von sich aus ein geringeres Trägheitsmoment als eine Radialstromturbine, wodurch die Menge an Energie, die zur Beschleunigung der Turbine bis auf die Betriebsdrehzahl erforderlich ist, verringert wird. Die niedrige Trägheit von Axialstromturbinen ist nützlich für den Automobileinsatz mit hohen Drehzahlen, doch stellt bisher die geringe Effizienz von Axialstromturbinen bei Durchmessern, die an die erforderliche Kompressorströmung angepasst sind, eine Einschränkung dar.
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Bisher wurden Axialstrom-Turbinenräder in kleineren Turbinen mit hohen Drehzahlen, wie etwa solchen, die in Automobilanwendungen verwendet werden, auf Grund von Ineffizienzen, die in Turbomaschinen geringer Größe auftreten können, nicht verwendet. In dieser Hinsicht stellt die Wirkung des Turbinenrads auf das optimale Blattdrehzahlverhältnis (BSR, wobei BSR als U/Co definiert ist) die Hauptüberlegung für die Konstruktion dar. Um den hohen Gesamtwirkungsgrad in einem Axialstrom-Turbinenrad aufrecht zu erhalten, führt die Aufrechterhaltung eines gewünschten BSR zur Reduktion der Größe des Kompressorrads auf einen Durchmesser, der jenem des Turbinenrads ähnlich ist. Das heißt, das Verhältnis von Kompressorradgröße (z. B. dem Durchmesser des Kompressorrads 28) zu Turbinenradgröße (z. B. dem Durchmesser des Turbinenrads 16) kann 1,00:1,00 betragen. Dies ist vergleichbar mit einem Verhältnis von Kompressorradgröße und Turbinenradgröße von 1,10:1,00 in einigen herkömmlichen Radialstrom-Turboladern. In einem Turbolader mit Axialstromturbine begrenzt die Verringerung des Kompressorraddurchmessers in der Größe von 1,10 auf 1,00 relativ zu dem Turbinenraddurchmesser die Kapazität der Kompressorstufe. Frühe Axialstromturbinen litten oft unter solchen BSR-bedingten Wirkungsgradverringerungen. Somit herrscht Bedarf nach einer Gegenmaßnahme für Turbinen mit axialer und stark halbaxialer Anströmung und die zugehörigen Raddurchmesser ohne bestimmte unerwünschte Nebeneffekte.
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In einigen Aspekten betrifft die Offenbarung einen Turbolader mit Axialstromturbine, der ein Kompressorgehäuse mit aktiver Gehäusebehandlung umfasst, um größenbedingte Ineffizienzen zu bekämpfen, die in manchen herkömmlichen Turboladern mit Axialstromturbinen auftreten. Zum Beispiel, kann der Turbolader mit Axialstromturbine, der die aktive Gehäusebehandlung an der Kompressorstufe verwendet, die Stopfgrenze erweitern. Das Kompressorrad kann somit einen verringerten Durchmesser aufweisen und das BSR kann optimiert werden. Die Turbinenstufe wird gezwungen, mit einer hohen Blattspitzendrehzahl zu arbeiten, was zu höheren mechanischen Turbinenwirkungsgraden im transienten Motor-/Turbobetrieb führt. Die Strömungskapazität der Kompressorstufe wird erweitert, während ein inkonsistentes Pumpverhalten, das mit einigen Axialstrom-Turboladern verbunden ist, die rückseitig zugewandte Kompressoren umfassen, verhindert wird.
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Ein Turbolader mit einer Wastegate-Anordnung kann einen einzelnen Aktuator aufweisen, um sowohl das Wastegate-Steuerventil als auch ein Schlitzauswahlventil der aktiven Gehäusebehandlung zu steuern. Der einzelne Aktuator kann aktiv die Strömungskanalgeometrie mit der Flusssteuerung steuern und auch die Flusssteuerung der aktiven Gehäusebehandlung steuern.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden deutlich werden, wenn dieselbe unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird. Dabei zeigt:
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1 eine Querschnittsansicht eines Axialstrom-Turboladers mit einer aktiven Gehäusebehandlungseinrichtung;
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2 ist eine teilweise Querschnittsansicht einer Kompressorstufe eines weiteren Axialstrom-Turboladers mit einem Kompressorabdeckungs-Stopf- und Zirkulationsschlitz, der verwendet wird, um ein Stopfen überwinden zu helfen; und
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3 ist eine Vergrößerung eines Abschnittes von 2 und stellt die Konfiguration des aktiven Kompressorabdeckungs-Stopf- und Umwälzschlitzes dar.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf 1 umfasst ein Abgasturbolader 1 eine Turbinenstufe 2, eine Kompressorstufe 4 und ein zentrales Lagergehäuse 6, das zwischen der Kompressorstufe 4 und der Turbinenstufe 2 angeordnet ist und die beiden miteinander verbindet. Die Turbinenstufe 2 umfasst ein Turbinengehäuse 8, das einen Abgaseinlass 10, einen Abgasauslass 12 und eine Turbinenspirale 14 definiert, die in dem Fluidverlauf zwischen dem Abgaseinlass 10 und dem Abgasauslass 12 angeordnet ist. Ein Axialstrom-Turbinenrad 16 ist in dem Turbinengehäuse 8 zwischen der Turbinenspirale 14 und dem Abgasauslass 12 angeordnet. Das Axialstrom-Turbinenrad 16 weist eine Nabe 16a und eine Vielzahl von Axialstromturbinenschaufeln 16b auf, die dazu ausgebildet sind, das Turbinenrad 16 und eine zentral montierte drehbare Welle 18 zu drehen, wenn der Turbolader 1 einen Abgasstrom von dem Motor empfängt. In einigen Ausführungsformen ist die Nabe 16a eine niedrig belastbare kleine Nabe, die durch herkömmliche Verfahren an der drehbaren Welle 18 angebracht ist. Die Welle 18 wird drehbar innerhalb des Lagergehäuses 6 gehalten und erstreckt sich in die Kompressorstufe 4 hinein. Die Kompressorstufe 4 umfasst ein Kompressorgehäuse 20, das einen Lufteinlass 22, einen Luftauslass 24 und eine Kompressorspirale 26 definiert. Ein Kompressorrad 28 ist in dem Kompressorgehäuse 20 zwischen dem Lufteinlass 22 und der Kompressorspirale 26 angeordnet. Das Kompressorrad 28 ist mit der Welle 18 verbunden und wird durch diese angetrieben.
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Im Betrieb wird das Turbinenrad 16 in dem Turbinengehäuse drehbar durch einen von der Abgassammelleitung eines Motors (nicht dargestellt) eingehenden Abgasstrom angetrieben. Da die Welle 18 das Turbinenrad 16 mit dem Kompressorrad 28 verbindet, verursacht die Drehung des Turbinenrads 16 die Drehung des Kompressorrads 28. Wenn sich das Kompressorrad 28 dreht, sorgt es für eine Druckverstärkung in dem Motor, indem es die Rate des Luftmassendurchsatzes, die Luftdichte und den Luftdruck erhöht, die an die Motorzylinder durch einen aus dem mit der Lufteinlasssammelleitung des Motors verbundenen Kompressorluftauslass 24 ausströmenden Luftstrom geliefert werden.
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Ist der Abgasdruck hoch, kann mehr Abgasdruck vorhanden sein, als zur Bereitstellung der gewünschten Druckverstärkung erforderlich ist. Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, Abgas bei hohen Abgasdruckbedingungen von dem Turbinenrad 16 weg zu leiten, so dass die Abgasmenge, die das Turbinenrad 16 erreicht, die benötigte Menge ist, um eine optimale Druckverstärkung bereitzustellen. Ein Wastegate-Ventil 30 wird verwendet, um Abgase von dem Turbinenrad 16 weg zu leiten. Die Umleitung von Abgasen steuert die Drehzahl des Turbinenrads, die ihrerseits die Drehzahl des Kompressorrads 28 steuert. Durch Steuern der Drehzahl des Kompressorrads 28 ist das Wastegate-Ventil 30 in der Lage, den maximalen Verstärkungsdruck, der durch den Turbolader 1 geliefert wird, zu regeln.
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Das Wastegate-Ventil 30 ist an dem Turbinengehäuse 8 stromaufwärts des Turbinenrads 16 angeordnet und wird durch einen pneumatischen Aktuator 32 betätigt, der den Turbolader 1 als Quelle für unter Druck stehendes Fluid verwendet. Zum Beispiel wird ein Teil der unter Druck stehenden Luft von der Kompressorstufe 4 zu einem Lufteinlass 34 des pneumatischen Aktuators 32 über eine Leitung 36 geführt. Ist der Kompressorausgangsdruck hoch, öffnet der pneumatische Aktuator 32 das Wastegate-Ventil 30 über ein Gestänge 38 (in 1 schematisch dargestellt).
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Das Kompressorgehäuse 20 umfasst eine aktive Gehäusebehandlung 50, die dem Turbolader 1 mit Axialstromturbine erlaubt, Ineffizienzen in Verbindung mit der Kompressorradgröße, wie sie oben besprochen wurden, zu behandeln. Die aktive Gehäusebehandlung 50 ist dazu ausgebildet, eine Erhöhung der Strömungskapazität für eine gegebene Kompressorradgröße bereitzustellen, und umfasst doppelte, schaltbare Schlitze 52, 54, die in dem Kompressorgehäuse 20 angeordnet sind, um selektiv Luft an Bereiche des Kompressorrads 28 zu zirkulieren. Die aktive Behandlung 50 umfasst auch ein Schlitzauswahlventil 56, das die Umschaltung zwischen den Schlitzen 52, 54 ermöglicht. Die erste Schlitz (z. B. ”Pumpschlitz”) 52 erstreckt sich von einer Luftquelle und öffnet sich an dem Kompressorrad 28 an einer Position zwischen der Vorderkante 25 der vollen Schaufeln 27 des Kompressorrads 28 und einer Vorderkante 21 der Zwischenschaufeln 23 des Kompressorrads 28. Der Pumpschlitz 52 kann optimiert werden, um die Effizienz im niedrigen Bereich und die Pumpgrenze zu verbessern. Der zweite Schlitz (z. B. ”Stopfschlitz”) 54 erstreckt sich von einer Luftquelle und öffnet sich an dem Kompressorrad 28 an einer Position stromabwärts der Vorderkante 21 der Zwischenschaufeln 23. Der Stopfschlitz 54 kann so ausgebildet sein, dass er die Stopfströmungskapazität maximiert, indem er den Druckabfall verwendet, um eine zusätzliche Strömung zur Steuerung des Stopfens zu induzieren. Die Vorteile der einen Strömungsführung gegenüber der anderen (z. B. Leiten der Strömung zu dem ersten Schlitz 52 vs. dem zweiten Schlitz 54) sind abhängig von der Kompressorradkonstruktion und den Betriebsbedingungen.
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Die Luftquelle kann Luft sein, die von dem Kompressorlufteinlass 22 an eine Position stromaufwärts des Kompressorrads 28 zugeleitet wird, ist jedoch nicht auf diese Konfiguration begrenzt.
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Durch Bereitstellung der aktiven Gehäusebehandlung 50 innerhalb des Kompressorgehäuses 20 kann das Kompressorrad 28 einen relativ kleinen Raddurchmesser im Vergleich zu einem Kompressorrad aufweisen, das in manchen Turboladern mit Radialstromturbine verwendet wird, da die aktive Gehäusebehandlung 50 den Verlust der Strömungskapazität des Kompressorrads 28 auf Grund des relativ kleinen Raddurchmessers behandelt. Als Ergebnis kann der Turbolader 1 mit Axialstromturbine die optimale Leistung bringen. Zum Beispiel kann das Verhältnis von Kompressorradgröße zu Turbinenradgröße in einem Bereich von 0,95:1,00 bis 1,05:1,00 liegen. In einigen Ausführungsformen beträgt das Verhältnis 1,00:1,00. In einem weiteren Beispiel ist in einigen Ausführungsformen das Blattdrehzahlverhältnis (z. B. U/Co) relativ zu jenem einiger herkömmlicher Turbolader erhöht. In diesem Beispiel liegt das Blattdrehzahlverhältnis in einem Bereich von 0,75 bis 0,90. Dies ist vergleichbar mit einem Blattdrehzahlverhältnis einiger herkömmlicher Turbolader von 0,70. Diese Erhöhung des Blattdrehzahlverhältnisses erweitert die Strömungskapazität der Kompressorstufe.
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Die Kompressorstufe 4 mit aktiver Gehäusebehandlung 50 leitet den eingehenden Luftstrom über die Schlitze 52, 54 zwischen den vollen und den Zwischenschaufeln des Kompressors oder nach den Zwischenschaufeln des Kompressors (d. h. den zweiten Schlitz). Diese Leitung hilft, die Stopfgrenzen zu überwinden, die zu lokalen Unterdruckbereichen des Kompressorrads führen. In der illustrierten Ausführungsform wird die Leitung (z. B. Schlitzauswahl) unter Verwendung des Schlitzauswahlventils 56 erreicht, das in dem Luftquellenkanal angeordnet ist. Das Schlitzauswahlventil 56 umfasst axiale Öffnungen 58a, 58b, die selektiv mit dem ersten Schlitz 52, dem zweiten Schlitz 54 oder keinem der Schlitze 52, 54 ausgerichtet werden können, indem das Schlitzauswahlventil 56 um die Turboladerdrehachse R gedreht wird. Sind die Öffnungen 58a, 58b des Schlitzauswahlventils nicht mit einem der Schlitze 52, 54 ausgerichtet, sind beide Schlitze 52, 54 blockiert, und es kann effektiv keine Luft durch diese strömen. Das Schlitzauswahlventil 56 ist durch ein Gestänge 60 mit dem pneumatischen Aktuator 32 verbunden, der auch mit dem Wastegate-Ventil 30 über das Gestänge 38 verbunden ist. Insbesondere kann der Aktuator 32 dazu verwendet werden, die Geometrie des Strömungskanals aktiv zu steuern, und damit auch den Luftstrom durch die Schlitze 52, 54 zu dem Kompressorrad 28 zu steuern. Die Verwendung desselben Aktuators 32, der auch zur Steuerung des Wastegates 30 verwendet wird, ist vorteilhaft, da es während des Betriebs wahrscheinlich wünschenswert ist, den Wastegate-Aktuator und die Strömungssteuerung mittels aktiver Gehäusebehandlung zur selben Zeit zu aktivieren. Darüber hinaus verringert dies wesentlich auch die Kosten für die Implementierung der aktiven Gehäusebehandlungsvorrichtung 50, da kein speziell vorgesehener Aktuator für die aktive Gehäusebehandlung benötigt wird.
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Die aktive Gehäusebehandlung 50 ist nicht darauf begrenzt, durch das Schlitzauswahlventil 56 gesteuert zu werden. Zum Beispiel kann eine bewegliche Hülse oder andere Steuerung selektiv einen Leitschlitz abdecken, um die Luft zu einem bestimmten Abschnitt des Kompressorblatts zu zirkulieren.
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Obwohl hierin eine beispielhafte aktive Gehäusebehandlung 50 mit den Schlitzen 52, 54 und dem Schlitzauswahlventil 56 beschrieben wurde, ist die aktive Gehäusebehandlung nicht auf diese Konfiguration begrenzt, sondern kann die aktive Gehäusebehandlung 50 auf viele Arten implementiert werden. Zum Beispiel können die Anzahl, Position, Orientierung und Größe der Schlitze optimiert werden, und das Umschalten zwischen jeweiligen Schlitzen kann unter Verwendung einer Reihe von unterschiedlichen Ventilen, Aktuatoren und Verbindungen zwischen dem Ventil und dem Aktuator erreicht werden.
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Unter Bezugnahme auf 2 und 3 umfasst eine Kompressorstufe 104 eines Axialstrom-Turboladers eine aktive Gehäusebehandlung in Form einer einzelnen, sich in Umfangsrichtung erstreckender aktiven Kompressorabdeckungs-Stopf- und Zirkulationsschlitzes 152. Der Schlitz ist in dem Lufteinlass 122 des Kompressorgehäuses 120 ausgebildet und wird verwendet, um die Stopfströmung überwinden zu helfen. Der Schlitz 152 erlaubt es, den Luftstrom an das Kompressorrad (zur größeren Klarheit nicht dargestellt) an einer gewünschten Position auszustoßen. In der illustrierten Ausführungsform öffnet sich der Schlitz 152 mittig zwischen den Vorderkanten der Haupt- und Zwischenschaufeln zu dem Kompressorrad. Zum Beispiel kann der Schlitz 152 bei Verwendung in einer 55 mm K03-Kompressorstufe eine Breite W in einem Bereich von 1,3 bis 4,5 mm aufweisen und in einem Winkel α relativ zu der Einlasswand ausgebildet sein, wobei der Winkel α in einem Bereich von 15 Grad bis 50 Grad liegt. Es wurde herausgefunden, dass eine Schlitzbreite W von 1,38 mm und ein Schlitzwinkel α von 45 Grad für diese Kompressorstufe gut geeignet sind und eine Erhöhung des Massendurchsatzes bei Stopfbedingungen bereitstellen.
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Bei einer Axialstromturbine strömt Gas in einer axialen Richtung durch das Turbinenrad. Die Axialstromturbine umfasst üblicherweise das Axialstrom-Turbinenrad im Wesentlichen innerhalb des Turbinengehäuses. Während eine Axialstromturbine in dieser Offenbarung ein bevorzugter Turbolader ist, kann die Turbine auch als Turbine mit stark halbaxialer Anströmung mit weniger als 45 Grad Differenz zwischen dem Turbinenradeinlass und der Achse der drehenden Welle verwendet werden.
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Obwohl der Turbolader 1 hierin so beschrieben wurde, dass er den pneumatischen Aktuator 32 umfasst, um das Wastegate-Ventil 30 zu betätigen, ist der Turbolader nicht auf diese Konfiguration begrenzt, und andere Typen von Aktuatoren können ebenfalls verwendet werden, um das Wastegate 30 zu steuern. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen eine elektronische Betätigung, die durch den Motorcomputer gesteuert wird, zur Steuerung des Wastegates 30 verwendet werden.
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Die Erfindung wurde rein zur Veranschaulichung beschrieben; dabei sollte klar sein, dass die verwendete Terminologie rein deskriptiv und keinesfalls einschränkend gemeint ist. Im Licht der oben angeführten Lehren sind verschiedene Abwandlungen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Daher sollte klar sein, dass die Erfindung innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche auf andere Weise praktisch umgesetzt werden kann, als dies in der Beschreibung angeführt wurde.
