DE19651498C1 - Abgasturboladerturbine für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasturboladerturbine für eine Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

In der DE 42 32 400 C1 ist eine Abgasturboladerturbine der eingangs erwähnten Art beschrieben, bei der sich die Abgasturboladerturbine und der Abgasstrom in Ab­ hängigkeit vom Betrieb der Brennkraftmaschine durch das Leitgitter mit den Leitschaufeln regeln lassen. So befindet sich z. B. im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine und im Bremsbetrieb das Leitgitter in einer eingeschobenen Position, wobei sich die Leit­ schaufeln in dem radialen Ringraum befinden. Auf diese Weise wird eine Ladedruckerhöhung in dem nachgeschal­ teten Verdichter aufgrund einer Strömungsgeschwindig­ keitserhöhung in der Turbine, bzw. im Turbinenleitgit­ ter erreicht. Im mittleren oder oberen Drehzahlbereich werden die Leitschaufeln aus dem radialen Ringraum herausgezogen, womit der Strömungsquerschnitt vergrö­ ßert wird. Auf diese Weise wird verhindert, daß ein zu hoher Ladedruck im Verdichter entstehen kann, der zur Schädigung von Bauteilen führen könnte. Durch den Axialschieber mit dem Leitgitter liegt praktisch eine Turbine vor, die im Zweipunktbetrieb gefahren werden kann.

Bei der in der DE 32 44 928 A1 beschriebenen Lösung einer mittels eines Abgasturboladers aufgeladenen Brennkraftmaschine, ist zwischen einer Ladeluftsammel­ leitung und einer Abgassammelleitung eine Umblaselei­ tung verlegt. Durch die Umblaseleitung wird verdichte­ te Ladeluft zur Turbineneintrittsseite geführt. Dar­ über hinaus ist eine aus einem Abblase- und Umblase­ ventil bestehende Umblase-Abblase-Vorrichtung vorgese­ hen.

Ein Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse, welches einen Gaseinlaß und einen axialen Gasauslaßkanal auf­ weist, ist in der DE 36 06 944 A1 beschrieben. Dabei mündet eine den Gaseinlaß und den Gasauslaßkanal ver­ bindende Bypassleitung in einer ringförmigen Ausspa­ rung in der Wand des Gasauslaßkanales. Zur Steuerung der Bypassmenge dient ein ringförmiger Drehschieber, der in der Aussparung angeordnet ist und eine radiale Steueröffnung enthält, die durch Drehen des Drehschie­ bers mittels eines Betätigungsgestänges mit der Mün­ dung der Bypassleitung in oder außer Deckung gebracht werden kann.

Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird weiterhin noch auf die DE 43 15 474 C1 verwiesen.

Eine Abgasturboladerturbine ist auf die jeweiligen Betriebsverhältnisse der Brennkraftmaschine auszule­ gen. Dies gilt insbesondere bezüglich Durchsatz und Ladedruck. Um einen gewünschten Soll-Ladedruck für den Verdichter zu erreichen, muß die Turbine für eine be­ stimmte Größe ausgelegt sein. Nachteilig dabei ist, daß der Wirkungsgrad einer derart groß ausgelegten Turbine während des Bremsbetriebes der Brennkraftma­ schine zu gering ist. Aus diesem Grunde ist es aus der Praxis bekannt, durch verschiedene Einrichtungen und Maßnahmen einen entsprechend hohen Aufstaudruck hinter der Brennkraftmaschine zu erzeugen, um die Bremslei­ stung anzuheben.

Ein weiterer Nachteil von groß ausgelegten Turbinen besteht auch darin, daß bei einem Herausziehen des Leitgitters aus dem radialen Ringraum der Rücksprung auf ein geringeres Druckniveau relativ stark ist. Dies bedeutet, zum Erreichen eines vorgegebenen maximalen Ladedruckes ist entsprechend auch eine längere Zeit notwendig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasturboladerturbine derart zu verbessern, daß diese im Bremsbetrieb einen hohen Wirkungsgrad be­ sitzt, gleichzeitig jedoch auch in ihrem Wirkungsgrad bezüglich der Erzeugung eines an den Vollastbetrieb angepaßten Ladedruck optimiert ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Auslaßöffnung wird prak­ tisch eine Dreipunkt-Turbine geschaffen, die sich da­ durch optimaler auf die jeweiligen Betriebsverhältnis­ se einstellen läßt. So wird man das Leitgitter in be­ kannter Weise nur im unteren Drehzahlbereich des Mo­ tors für den befeuerten Betrieb und im Bremsbetrieb verwenden. Dabei liegt ein niederes Schluckverhalten vor. In der zweiten Stufe, nämlich in einem mittleren Drehzahlbereich, werden die Leitschaufeln des Leitgit­ ters aus dem radialen Ringraum herausgeschoben, wobei das Schluckverhalten größer ist.

Erfindungsgemäß wird nunmehr noch eine dritte Stufe geschaffen, in der das Schluckverhalten über die Aus­ laßöffnung noch weiter vergrößert wird. Dieser Bereich betrifft den oberen Drehzahlbereich bzw. den Lastbe­ reich, in dem eine hohe Schluckfähigkeit der Turbine vorteilhaft ist.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, daß sich die Turbine damit insgesamt kleiner auslegen läßt. Trotzdem kann sie einen größeren Durch­ laßbereich durchfahren. Im Unterschied zu einer Turbi­ ne ohne Abblasevorrichtung, die im Hinblick auf einen Soll-Ladedruck und einer an ihren Durchsatz angepaßten Drehzahl auf den Nennlastpunkt ausgelegt ist, wird die erfindungsgemäße Turbine nunmehr in ihrer Durchsatzfä­ higkeit kleiner ausgelegt. In der Praxis wird man die erfindungsgemäße Abgasturboladerturbine bezüglich des Soll-Ladedruckes auf eine Drehzahl im mittleren Be­ reich auslegen. Ist dann der Auslegungspunkt bezüglich seines Soll-Ladedruckes erreicht, so wird zur Vermei­ dung eines zu hohen Druckes im oberen Drehzahlbereich über die Auslaßöffnung entsprechend Abgas unter Umge­ hung der Abgasturboladerturbine in einen Abblaskanal abgeblasen. Auf diese Weise wird verhindert, daß der Ladedruck den vorgegebenen Soll-Ladedruck überschrei­ tet und es zu Schäden im System kommen könnte.

Ein weiterer Vorteil der auf diese Weise erfindungsge­ mäß verkleinerten Abgasturboladerturbine besteht da­ rin, daß der Soll-Ladedruck im Vergleich zu herkömmli­ chen Turbinen schneller erreicht wird und daß auch der Druckabfall nach einem Herausziehen der Leitschaufeln aus dem radialen Ringraum nicht so groß ist. Durch die kleinere Auslegung der Abgasturboladerturbine läßt sich diese auch mit einem deutlich besseren Wirkungs­ grad im Bremsbetrieb einsetzen.

Mit der erfindungsgemäßen Abgasturboladerturbine wird auch aufgrund ihrer kleineren Auslegung ein gutes In­ stationärverhalten der Brennkraftmaschine erreicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig be­ schriebenen Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Meridian-Teilschnitt einer Abgasturbola­ derturbine eines nicht näher dargestellten Ab­ gasturboladers, wobei sich der Axialschieber in der eingeschobenen Position befindet (1. Stufe),

Fig. 2 einen Teilschnitt entsprechend dem in der Fig. 1 dargestellten Schnitt mit einem zurückge­ schobenen Axialschieber (2. Stufe) und

Fig. 3 einen Teilschnitt einer Abgasturboladerturbine entsprechend dem in den Fig. 1 und 2 darge­ stellten Schnitt, wobei eine Auslaßöffnung in einer Innenführung freigegeben ist (3. Stufe).

Da der Abgasturbolader mit der Turbine grundsätzlich bekannt ist, werden nachfolgend nur für die Erfindung wesentlichen Teile näher beschrieben.

Bei dem Ausführungsbeispiel ist eine zweiflutige Tur­ bine dargestellt. Selbstverständlich ist die Erfindung jedoch auch für eine einflutige Turbine geeignet. Die Turbine weist ein Turbinengehäuse 1 mit spiralförmigen Strömungskanälen 2 und 3 auf. Innerhalb des Turbinen­ gehäuses 1 ist ein hülsenförmiger Axialschieber 4 in einem Ringspalt 5 angeordnet. Der Ringspalt 5 wird durch das Turbinengehäuse 1 und eine Innenführung 6 gebildet. Über eine nicht dargestellte Verstellein­ richtung kann der Axialschieber 4 in Pfeilrichtung axial verschoben werden.

Zwischen dem Turbinengehäuse 1 und einem Laufrad 7 befindet sich ein radialer Ringraum 8. Die einströmen­ de Abgasmenge in den Ringraum 8 wird durch die Stel­ lung des Axialschiebers 4 beeinflußt. Der Axialschie­ ber 4 besitzt an seinem zu dem radialen Ringraum 8 gerichteten Ende ein Leitgitter 9 mit nicht näher dar­ gestellten Leitschaufeln 10. In der Innenführung 6 befindet sich auf der zu dem Ringspalt 5 zugewandten Seite eine Auslaßöffnung 11, an die sich ein Abblaska­ nal 12 anschließt. Der Abblaskanal 12 kann hinter dem Laufrad 7 wieder in den allgemeinen Abgasstrom münden.

Die Abgasturboladerturbine funktioniert nun auf fol­ gende Weise:
In der Fig. 1 ist die 1. Stufe dargestellt, in welcher das Leitgitter 9 und damit die Leitschaufeln 10 in den radialen Ringraum 8 eingeschoben sind. Die 1. Stufe wird im niederen Drehzahlbereich im befeuerten Betrieb der nicht dargestellten Brennkraftmaschine und in des­ sen Bremsbetrieb verwendet. Im mittleren Drehzahlbe­ reich, wenn ein vorgegebener Soll-Ladedruck erreicht ist, wird im befeuerten Zustand der Brennkraftmaschine das Leitgitter 9 durch eine entsprechende axiale Ver­ schiebung des Axialschiebers 4 aus dem radialen Ring­ raum 8 herausgezogen. Auf diese Weise wird eine Lade­ druckerniedrigung für den nachgeschalteten Kompressor bzw. Verdichter erreicht. Diese Stellung ist in der Fig. 2 dargestellt.

In der Fig. 3 ist die Stellung des Axialschiebers 4 dargestellt, in der sich dieser in einer 3. Stufe in einer noch weiter zurückgezogenen Stellung befindet. Wie ersichtlich, ist in dieser Position die Auslaßöff­ nung 11 zu dem Abblaskanal 12 vollständig freigegeben, so daß es zu einer Abblasung von in die Strömungskanä­ le 2 und 3 geleiteten Abgas über den Ringspalt 5 kommt. Auf diese Weise wird eine Ladedruckbegrenzung erreicht. Selbstverständlich sind im Rahmen der Erfin­ dung auch Übergangsbereiche möglich, d. h. ein stufen­ loser Betrieb, insbesondere zwischen den in den Fig. 2 und 3 dargestellten Stellungen.

Statt einer automatischen Freigabe der Öffnung 11 durch einen in eine 3. Stufe zurückgeschobenen Axial­ schiebers 4 kann gegebenenfalls auch die Auslaßöffnung 11 derart in der Innenführung sein, daß bereits in der 2. Stufe eine Verbindung mit dem Ringspalt 5 und damit mit dem radialen Ringraum 8 gegeben ist. In diesem Falle ist jedoch eine gesonderte Einrichtung erforder­ lich, z. B. ein Absperrschieber, der bei entsprechender Betätigung dann den Abblaskanal 12 freigibt.

Darüber hinaus ist es nicht unbedingt erforderlich, daß sich die Auslaßöffnung 11 und der Abblaskanal 12 in der Innenführung 6 befinden. Wesentlich ist ledig­ lich, daß eine zusätzliche Stufe bei zurückgeschobenem Leitgitter 9 geschaffen wird, in der Abgas über den Ringspalt 5 unter Umgehung des Laufrades 7 der Ab­ gasturboladerturbine geführt wird.

Claims (3)

1. Abgasturboladerturbine für eine Brennkraftmaschi­ ne mit einem Turbinengehäuse, mit einem axial verschiebbaren Axialschieber, der mit einem Leit­ gitter mit Leitschaufeln versehen und der in ei­ nem Ringspalt zwischen dem Turbinengehäuse und einer Innenführung geführt ist, und mit einem Laufrad, wobei zur Strömungsverbindung zwischen dem Turbinengehäuse und dem Laufrad ein radialer Ringraum angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Axialschieber (4) in einer zurückgeschobenen Stellung, in der der radiale Ringraum (8) frei von dem Leitgitter (9) ist, eine Auslaßöffnung (11) zu einem Abblaskanal (12) freigibt.

2. Abgasturboladerturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Axialschieber (4) aus der zurückgeschobenen Stellung, in der der radiale Ringraum (8) frei von dem Leitgitter (9) ist, um eine weitere Stufe in axialer Richtung zurückschiebbar ist, wobei die Auslaßöffnung (11) freigelegt ist.

3. Abgasturboladerturbine nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (11) und der Abblaskanal (12) in der Innenführung (6) angeordnet sind.