DE19618311A1

DE19618311A1 - Axialturbine eines mit einer Brennkraftmaschine verbundenen Abgasturboladers

Info

Publication number: DE19618311A1
Application number: DE19618311A
Authority: DE
Inventors: Walter Schreiber
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Accelleron Industries AG
Priority date: 1996-05-08
Filing date: 1996-05-08
Publication date: 1997-11-13

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft die Axialturbine eines mit einer Brennkraftmaschine verbundenen Abgasturboladers, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Aufgeladene Brennkraftmaschinen besitzen eine Durchflußcha rakteristik, welche schlecht zu den Abgasturbinen der Turbo lader passen. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, daß die Abgasmenge, welche die Turbine des Turboladers an treibt, proportional zur Motordrehzahl zunimmt. Dadurch dreht die Abgasturbine bei maximaler Motordrehzahl am schnellsten und der Verdichter liefert den höchsten Ladedruck. Wird die Turbine für die Vollastmenge optimiert, so ist die Aufladung bei Teillast zu klein. Daher treten Teillastprobleme bei der Brennkraftmaschine auf. Optimiert man dagegen die Abgasturbine für Teillast, so übersteigt die Abgasmenge bei Vollast den maximal zulässigen Turbinendurchsatz und der Ladedruck wird zu groß. Außerdem erreicht der Abgasturbolader in diesem Fall eine sehr hohe Drehzahl, wodurch Festigkeitsprobleme entstehen. Um dies zu verhindern wird bei steigender Leistung der Brennkraftmaschine mittels sogenannter Waste Gates ein Teil der Abgasmenge um die Turbine herumgeleitet.

Für kleinere Abgasturbolader werden heute Radialturbinen ein gesetzt, während bei größeren Turboladern Axialturbinen Ver wendung finden. In den Radialturbinen wird der von der Brenn kraftmaschine kommende Massenstrom um 90° umgelenkt. Daher kann die Turbine mittels eines Bypasses relativ einfach um gangen und die überschüssige Abgasmenge nach der Turbine er neut in den Massenstrom eingeleitet werden. Zu diesem Zweck verfügen die Radialturbinen zumeist über ein internes Waste Gate.

Aus dem EP 433 560 A1 ist ein solches internes Waste Gate für eine Radialturbine bekannt. Diese Lösung zeigt einen im Turbinengehäuse, d. h. zwischen dem Gaseintritt- und dem Gas austrittgehäuse ausgebildeten Bypass-Kanal. Wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine und damit deren Abgasmenge einen be stimmten, von den im Einlaßkanal angeordneten Leitschaufeln regulierbaren Wert übersteigt, wird der Bypass-Kanal mittels eines radial angeordneten Schiebers entsprechend geöffnet. Der Schieber wird über ein von einem Stellglied beaufschlag tes Gestänge betätigt.

Diese Lösung ist jedoch nicht für Axialturbinen geeignet, weil dort der Massenstrom nicht um 90° umgelenkt, sondern achsparallel zur Turbinenwelle durch die Turbine geführt wird. Demzufolge muß die überschüssige Abgasmenge parallel zum Hauptgasstrom abgeleitet werden, wozu der bekannte Bypass nicht einsetzbar ist.

Bei Axialturbinen sind bisher ausschließlich externe Waste Gates bekannt. Eine solche externe Anordnung erfordert jedoch wesentlich mehr Bauraum. Außerdem sind zusätzliche Flansch verbindungen erforderlich, wodurch Leckageprobleme entstehen können. Demnach sind externe Waste Gates deutlich aufwendiger als interne. Sie weisen zudem Unsicherheiten in ihrer Funk tion auf.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches, funktionssi cheres Waste Gate für Axialturbinen von Abgasturboladern zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, der By passkanal in das Turbinengehäuse integriert ist. An der Ab zweig- und an der Einmündungsstelle des Bypasskanals sind je weils mehrere Öffnungen in der Außenwand des Strömungskanals ausgebildet. Das Schließelement ist entweder an der Abzweig- oder an der Einmündungsstelle des Bypasskanals und konzen trisch zur Rotationsachse des Turbinenrades angeordnet. Es ist als Ventilring ausgebildet, welcher mehrere durch ihn hindurchgehende Ventilöffnungen aufweist.

Diese Ausbildung ermöglicht auch bei Axialturbinen ein inter nes Waste Gate. Damit wird gegenüber dem Stand der Technik eine wesentliche Einsparung an Bauraum erreicht. Weil für ein internes Waste Gate keine Flanschverbindungen erforderlich sind, werden diesbezügliche Leckageprobleme von vornherein ausgeschlossen. Beim Betrieb des Abgasturboladers öffnet bzw. verschließt der Ventilring den Bypasskanal entsprechend dem aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Er sorgt damit einerseits für eine gute Ausnutzung der Abgase der Brennkraftmaschine bei Teillast und gewährleistet anderer seits den maximal zulässigen Turbinendurchsatz bei Vollast.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Ventilring hohlzylin drisch ausgebildet ist und eine Mantelfläche sowie zwei par allele Seitenflächen aufweist. Die Ventilöffnungen sind gleichmäßig entlang der Mantelfläche verteilt. Ausgehend von den Ventilöffnungen ist zumindest jeweils ein zu jeder der Seitenflächen ausgerichteter Schlitz in der Mantelfläche aus gebildet. Ein Schlitz jeder Ventilöffnung durchbricht die Seitenfläche. Benachbarte Ventilöffnungen weisen an jeder Seitenfläche abwechselnd einen diese durchbrechenden und einen diese nicht durchbrechenden Schlitz auf.

Aufgrund dieser Anordnung und Ausbildung der Schlitze ent steht ein in sich beweglicher Ventilring mit einer weichen Federkonstante, der sich elastisch um die Außenwand des Strömungskanals legt. Damit wird die interne Dichtheit des Bypasskanals gegenüber dem Strömungskanal gewährleistet. Außerdem kann der Ventilring die von den relativ hohen Abgas temperaturen der Brennkraftmaschine hervorgerufenen Wärmedeh nungen über seinen Umfang ausgleichen. Auf diese Weise wird einer plastischen Verformung und somit dem Verklemmen des Ventilrings zwischen der Stellvorrichtung und der Außenwand des Strömungskanals vorgebeugt.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Abzweigstelle des Bypass kanals im Bereich oder unmittelbar stromauf des Leitgitters ausgebildet ist. Im Leitgitter liegt der engste Querschnitt des Strömungskanals und damit das limitierende Element für den Turbinendurchsatz. Daher wird die den maximal zulässigen Turbinendurchsatz übersteigende Abgasmenge vor der kritischen Stelle des Systems aus dem Strömungskanal abgeleitet.

Schließlich entsprechen sowohl die Öffnungen der Außenwand des Strömungskanals als auch die Ventilöffnungen der Abzweig stelle des Bypasskanals jeweils ca. 20% des engsten Quer schnittes des Strömungskanals. Damit ist ein Notbetrieb der Axialturbine auch dann gewährleistet, wenn keine Verstellung des Ventilrings möglich ist.

Insbesondere aus fertigungstechnischen Gründen ist eine kreisförmige Ausbildung der Ventilöffnungen zweckmäßig.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Axialturbine eines Abgasturboladers dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt der Axialturbine;

Fig. 2 eine vergrößerte, räumliche Darstellung des Ven tilrings;

Fig. 3 eine Darstellung entsprechend Fig. 1, jedoch in ei ner zweiten Ausführungsform.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt ist beispielsweise die Verdichterseite des Abgasturboladers. Die Strömungsrich tung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die mit einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine verbun dene Axialturbine des Abgasturboladers besteht aus einem Tur binengehäuse 1, einem darin angeordneten Leitgitter 2, einem auf einer Welle 3 befestigten Turbinenrad 4 und einem mit ei ner Außen- und einer Innenwand 5, 6 ausgebildeten Strömungs kanal 7 für die Abgase der Brennkraftmaschine. Als Bestand teile des Turbinengehäuses 1 sind ein Gaseintritt- und ein Gasaustrittgehäuse 8, 9 sowie ein Abdeckflansch 10 angeord net. Das Leitgitter 2 ist beschaufelt und besitzt einen Außen- sowie einem Innenring 11, 12, welche in diesem Be reich die Außen- und die Innenwand 5, 6 des Strömungskanals 7 bilden (Fig. 1).

Im Außenring 11 des Leitgitters 2, d. h. im Bereich stromauf des Turbinenrades 4, zweigt vom Strömungskanal 7 ein Bypass kanal 13 ab, welcher stromab des Turbinenrades 4 wieder in den Strömungskanal 7 einmündet. Dazu sind sowohl an der Ab zweig- als auch an der Einmündungsstelle 14, 15 des Bypasska nals 13 jeweils mehrere Öffnungen 16, 17 in der Außenwand 5 des Strömungskanals 7 ausgebildet. An seiner Abzweigstelle 14 weist der Bypasskanal 13 ein Schließelement 18 auf, welches als Ventilring mit mehreren durch ihn hindurchgehenden, kreisförmige Ventilöffnungen 19 ausgebildet ist. Derartige Öffnungen lassen sich relativ einfach und damit preisgünstig herstellen. Allerdings sind anders ausgeformte Ventilöffnun gen 19 ebenfalls möglich.

Der Ventilring 18 ist konzentrisch zur Rotationsachse 28 des Turbinenrades 4 und außerhalb des Strömungskanals 7 angeord net. Er ist hohlzylindrisch ausgebildet und besitzt eine Man telfläche 20 sowie zwei parallele Seitenflächen 21, 22. Die Ventilöffnungen 19 sind gleichmäßig entlang der Mantelfläche 20 verteilt. Ausgehend von jeder Ventilöffnung 19 sind in der Mantelfläche 20 zwei Schlitze 23, 24 angeordnet, von denen einer zur Seitenfläche 21 und der andere zur Seitenfläche 22 ausgerichtet ist. Ein Schlitz 24 jeder Ventilöffnung 19 durchbricht die Seitenfläche 21, 22. Benachbarte Ventilöff nungen 19 weisen an jeder Seitenfläche 21, 22 abwechselnd ei nen diese durchbrechenden und einen diese nicht durchbrechen den Schlitz 24, 23 auf (Fig. 2).

Am Ventilring 18 greift eine im Turbinengehäuse 1 befestigte und als Gestänge ausgebildete Stellvorrichtung 25 an. Das Ge stänge 25 führt durch das Turbinengehäuse 1 hindurch, wird dort mittels einer Dichtung 26 abgedichtet und ist außerhalb mit einem Stellglied 27 verbunden (Fig. 1). Die Verbindung des Gestänges 25 mit dem Ventilring 18 ist über eine bekann te, hier nicht dargestellte Zahnradübertragung realisiert.

Sowohl die Öffnungen 16 der Außenwand 5 des Strömungskanals 7 als auch die Ventilöffnungen 19 entsprechen jeweils ca. 20% des engsten Querschnittes des Strömungskanals 7. Während des Normalbetriebs der Brennkraftmaschine verschließt der Ven tilring 18 die Öffnungen 16 im Außenring 11 des Leitgitters 2. In diesem Zustand ist die Abzweigstelle 14 des in das Tur binengehäuse 1 integrierten Bypasskanals 13 geschlossen. Da her wird das Turbinenrad 4 von der gesamten Abgasmenge beauf schlagt. Bei höherer Belastung, bis hin zur Vollast der Brennkraftmaschine, wird der Ventilring 18 stufenlos so weit um die Rotationsachse 28 des Turbinenrades 4 gedreht, daß die Ventilöffnungen 19 zumindest teilweise bzw. vollständig mit den Öffnungen 16 korrespondieren. Dadurch wird die den maximal zulässigen Turbinendurchsatz übersteigende Abgasmenge über die Ventilöffnungen 19 in den Bypasskanal 13 abgeleitet. An der Einmündungsstelle 15 des Bypasskanals 13 gelangt die ses Abgas über die Öffnungen 17 wieder in den Strömungskanal 7. Das Drehen des Ventilrings 18 geschieht mittels des Ge stänges 25, welches seinerseits vom Stellglied 27 beauf schlagt wird. Als Stellgröße für das Stellglied 27 wird die Leistung der Brennkraftmaschine verwendet. Natürlich können auch andere Stellgrößen, wie z. B. der Austrittsdruck oder die Drehzahl des Verdichters benutzt werden. Das Stellglied 27 selbst wird mittels des Verdichterdruckes angesteuert. Es ist jedoch auch eine Ansteuerung mittels externer Druckluft, dem Schmieröldruck der Brennkraftmaschine oder mittels eines elektrischen Stellmotors möglich. Aufgrund der o.g. Größenverhältnisse der in der Außenwand 5 des Strömungskanals 7 befindlichen Öffnungen 16 bzw. der Ventilöffnungen 19 zum engsten Querschnitt des Strömungskanals 7 ist ein Notbetrieb der Axialturbine auch dann gewährleistet, wenn keine Verstel lung des Ventilrings 18 möglich ist.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Ventilring 18 an der Einmündungsstelle 15 des Bypasskanals 13 in den Strö mungskanal 7 angeordnet (Fig. 3). Die weitere Ausbildung ist analog dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei das Gestänge 25 im Bereich der Einmündungsstelle 15 des Bypasskanals 13 ange ordnet ist.

Natürlich ist die Anordnung des Ventilrings 18 nicht auf die oben genannten Bereiche beschränkt. Beispielsweise kann der Ventilring 18, bei einer unmittelbar vor dem Leitgitter 2 er folgenden Abzweigung des Bypasskanals 13 vom Strömungskanal 7, ebenso wie die Öffnungen 16 am stromabwärtigen Ende des Gaseintrittgehäuses 8 angeordnet werden (nicht dargestellt).

Entsprechend den konkreten Montagebedingungen sind somit ver schiedene Positionen des Ventilrings 18 möglich. Aufgrund dessen läßt sich die erfindungsgemäße Lösung relativ ein fach an unterschiedliche Gegebenheiten anpassen.

Bezugszeichenliste

1 Turbinengehäuse
2 Leitgitter
3 Welle
4 Turbinenrad
5 Außenwand
6 Innenwand
7 Strömungskanal
8 Gaseintrittgehäuse
9 Gasaustrittgehäuse
10 Abdeckflansch
11 Außenring
12 Innenring
13 Bypasskanal
14 Abzweigstelle
15 Einmündungsstelle
16 Öffnung
17 Öffnung
18 Schließelement, Ventilring
19 Ventilöffnung
20 Mantelfläche
21 Seitenfläche
22 Seitenfläche
23 Schlitz
24 Schlitz
25 Stellvorrichtung, Gestänge
26 Dichtung
27 Stellglied
28 Rotationsachse
29 Beschaufelung

Claims

1. Axialturbine eines mit einer Brennkraftmaschine verbun denen Abgasturboladers, welche

a) hauptsächlich aus einem Turbinengehäuse (1), einem im Turbinengehäuse (1) angeordneten Leitgitter (2), einem auf einer Welle (3) befestigten Turbinenrad (4) und einem mit einer Außen- und einer Innenwand (5, 6) ausgebildeten Strömungskanal (7) für die Ab gase der Brennkraftmaschine besteht,
b) mit einem stromauf des Turbinenrades (4) vom Strö mungskanal (7) abzweigenden und stromab des Turbi nenrades (4) wieder in diesen einmündenden Bypass kanal (13) versehen ist, wobei letzterer ein Schließelement (18) aufweist, welches ihn entspre chend dem aktuellen Betriebszustand der Brennkraft maschine öffnet bzw. verschließt und welches dazu von einer, mit einem Stellglied (27) verbundenen Stellvorrichtung (25) beaufschlagt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

c) der Bypasskanal (13) in das Turbinengehäuse (1) in tegriert ist,
d) an der Abzweig- und an der Einmündungsstelle (14, 15) des Bypasskanals (13) jeweils mehrere Öffnungen (16, 17) in der Außenwand (5) des Strömungskanals (7) ausgebildet sind,
e) das Schließelement (18) konzentrisch zur Ro tationsachse (28) des Turbinenrades (4), entweder an der Abzweig- oder an der Einmündungsstelle (14, 15) des Bypasskanals (13) angeordnet ist,
f) das Schließelement (18) als Ventilring mit mehre ren durch ihn hindurchgehenden Ventilöffnungen (19) ausgebildet ist.

2. Axialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Ventilring (18) hohlzylindrisch ausgebildet ist und eine Mantelfläche (20) sowie zwei parallele Seitenflächen (21, 22) aufweist,
b) die Ventilöffnungen (19) gleichmäßig entlang der Mantelfläche (20) verteilt sind,
c) ausgehend von den Ventilöffnungen (19) zumindest jeweils ein zu jeder der Seitenflächen (21, 22) ausgerichteter Schlitz (23, 24) in der Mantelfläche (20) ausgebildet ist,
d) ein Schlitz (24) jeder Ventilöffnung (19) eine der Seitenflächen (21, 22) durchbricht,
e) benachbarte Ventilöffnungen (19) an jeder Seiten fläche (21, 22) abwechselnd einen diese durchbre chenden und einen diese nicht durchbrechenden Schlitz (24, 23) aufweisen.

3. Axialturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Abzweigstelle (14) des Bypasskanals (13) im Bereich oder unmittelbar stromauf des Leit gitters (2) ausgebildet ist.

4. Axialturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Öffnungen (16) der Außenwand (5) des Strömungskanals (7) als auch die Ventilöffnungen (19) jeweils ca. 20% des engsten Querschnittes des Strö mungskanals (7) entsprechen.

5. Axialturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilöffnungen (19) kreisför mig ausgebildet sind.