DE19816645A1 - Abgasturboladerturbine - Google Patents

Abstract

Eine Abgasturboladerturbine einer Brennkraftmaschine ist mit einem in einem Turbinengehäuse angeordneten spiralförmigen Leitkanal, einem Turbinenlaufrad, einem Strömungsspalt zwischen dem Leitkanal und dem Turbinenlaufrad und mit ein Leitgitter bildenden Leitschaufeln versehen. Das Leitgitter mit den Leitschaufeln steht derart axial aus einem in axialer Richtung in dem Turbinengehäuse verschiebbar angeordneten Träger vor, daß sie im Normalbetrieb in Aussparungen eines Gehäusewandteiles des Turbinengehäuses gelagert sind, die in Form einer Matrize eine Gegenprofilform zu den Leitschaufeln bildet. Im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine ragen bei einer axialen Verschiebung des Trägers die Leitschaufeln in den Strömungsspalt. Die Einrichtung mit Betätigung für den Bremsbetrieb kann als komplettes Modul in die Turbinenspirale eingebaut werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasturboladerturbine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definier­ ten Art.

Eine gattungsgemäße Abgasturboladerturbine ist in der DE 42 32 400 C1 beschrieben. Dabei befindet sich in dem Strömungsspalt zwischen dem Leitkanal und dem Tur­ binenlaufrad ein verstellbarer Strömungsleitapparat mit Leitschaufeln zur Regelung des Abgasdurchtrittes im Normalbetrieb, insbesondere im Teillastbereich der Brennkraftmaschine. Der verstellbare Strömungsleitap­ parat, welcher sich ständig in dem Strömungsspalt be­ findet, wird darüber hinaus auch für einen Bremsbe­ trieb der Brennkraftmaschine verwendet.

Nachteilig dabei ist jedoch, daß zwar durch den Strö­ mungsleitapparat mit den Leitschaufeln im Teillastbe­ trieb eine bessere Beschleunigung erreicht wird, aber daß im Vollastbetrieb Wirkungsgradeinbußen und Ver­ brauchsnachteile auftreten.

Ähnliche verstellbare Strömungsleitapparate für Ab­ gasturbinen von Abgasturboladern sind in der DE 43 03 520 C1 und 43 03 521 C1 beschrieben.

Zum weiteren Stand der Technik wird auf die EP 0 571 205 B1 und die US-PS 4,776,168 verwiesen, die jeweils verstellbare Strömungsleitapparate zur Regelung des Beschickungsgrades der Abgasturbine im Normalbetrieb beschreiben, wobei zum Teil ebenfalls ein Einsatz im Motorbremsbetrieb vorgesehen ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasturboladerturbine derart auszugestalten, daß eine hohe Bremsleistung im Bremsbetrieb der Brenn­ kraftmaschine erreicht wird, wobei jedoch keine Wir­ kungsgradverluste bei Vollast auftreten sollen. Gleichzeitig soll jedoch auch das dynamische Fahrver­ halten des Fahrzeuges verbessert werden.

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

Im Unterschied zum Stand der Technik, in welchem ein Leitgitter mit zumeist einstellbaren Leitschaufeln im Normalbetrieb ständig in den Strömungsspalt zur Rege­ lung des Abgasdurchsatzes ragte, wird erfindungsgemäß nunmehr ein festes Leitgitter verwendet, das im Nor­ malbetrieb in Aussparungen einer Gehäusewand des Tur­ binengehäuses gelagert ist. Dies bedeutet, im Normal­ betrieb ist der Strömungsspalt völlig frei, weshalb bei Vollastbetrieb keine Wirkungsgradeinbußen in Kauf genommen werden müssen.

In erfinderischer Weise wird mit dem Leitgitter nun­ mehr das Potential der Aufladung durch den Abgasturbo­ lader auch während des Motorbremsbetriebes genutzt. Hierzu wird beim Bremsbetrieb das Leitgitter mit einer entsprechenden axialen Verschiebung des Trägers in den Strömungsspalt hingeschoben, wobei die Leitschaufeln radial strömungsoptimiert so angeordnet sein können, daß auch bei geringem Restgasstrom die Abgasturbine weiterläuft. Dies bewirkt einerseits die Aufladung des Motors, womit sich dann in Folge wiederum der Gasstrom auf der Abgasseite erhöht, andererseits wird damit auch der Abgasgegendruck erhöht, was gleichzeitig die Turbine noch höher drehen läßt.

Dieser Prozeß wiederholt sich dann so lange, bis der Abgasgegendruck so groß ist, daß sich die Motordreh­ zahl nicht mehr erhöht. Die Bremswirkung des Motors und somit die des Fahrzeuges kommt dadurch zustande, weil die zusätzliche Luft und der zusätzliche Abgasge­ gendruck im Verbrennungsraum den Kolben sehr stark abbremst und zum Ende der Kompressionsphase die ver­ dichtete Luft in bekannter Weise über ein zusätzlich im Zylinderkopf befindliches Ventil, z. B. eine Kon­ stantdrossel, in die Auspuffanlage abgeführt wird. Auf diese Weise wird die Energie in Form von verdichteter Luft nicht wieder an den Kolben zurückgegeben.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine höhere Bremsleistung bei gleichzeitiger Herabsetzung der thermischen Belastung von Motorbauteilen, insbesondere von Einspritzdüsen erreicht. Gleichzeitig erhält man dadurch eine Verbesserung des dynamischen Fahrverhal­ tens des Fahrzeuges, da beim Abbremsen des Motors der Turbolader weiterläuft und bei einem anschließenden Beschleunigungsvorgang ein Ladedruck am Motor sofort wieder ansteht. Auf diese Weise wird ein sogenanntes Turboloch vermieden.

Durch die Ausbildung des Gehäusewandteiles im Bereich der Leitschaufeln in Form einer Matrize in Gegenpro­ filform zu den Leitschaufeln wird - abgesehen von ei­ nem geringen Spiel, das zur axialen Verschiebung der Leitschaufeln notwendig ist - eine nahezu geschlossene Gehäusewand erreicht, bei gleichzeitig freiem Strö­ mungsspalt. Damit befinden sich im normalen Turbola­ derbetrieb, d. h. im befeuerten Betrieb, keine Störkon­ turen in dem Leitkanal und in dem Strömungsspalt, wel­ che den Wirkungsgrad des Turboladers verschlechtern würden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Bremseinrichtung als vorgefertigtes Modul ausge­ bildet und als Einheit in die Turbine einschiebbar. Dabei sind wenigstens das Leitgitter mit den Leit­ schaufeln, der Träger und das Gehäusewandteil, das die Matrize bildet, Teile des Modules. Selbstverständlich können gegebenenfalls auch noch weitere Teile inte­ griert und als vorgefertigtes Modul in die Abgasturbo­ laderturbine eingeschoben werden.

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

Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt nach der Linie I-I der Fig. 2 durch eine Abgasturboladerturbine;

Fig. 2 eine Stirnansicht - teilweise im Schnitt - der Abgasturboladerturbine nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Abgasturboladerturbine nach der Fig. 1; und

Fig. 4 einen Längsschnitt (ausschnittsweise) durch eine Abgasturboladerturbine anderer Ausgestal­ tung.

In dem Ausführungsbeispiel ist eine Abgasturbolader­ turbine bekannter Bauart mit einem zweiflutigen spi­ ralförmigen Leitkanal 1a und 1b, mit einem Turbinen­ laufrad 2 und einem Strömungsspalt 3 zwischen den Leitkanälen 1a und 1b und dem Turbinenlaufrad 2 darge­ stellt. In dem Turbinengehäuse 4 befindet sich eine Innenhülse 5, welche eine Strömungsführung für die das Turbinenlaufrad 2 verlassenden Abgase bildet. Über ein Spannband 6 ist ein Abgasflansch 7 mit dem Turbinenge­ häuse 4 verbunden.

Axial außerhalb des Strömungsspaltes 3 ist auf dem Außenumfang der Innenhülse 5 ein Träger in Form einer Hülse 8 koaxial zur Längsachse des Turbinenlaufrades 2 axial verschiebbar angeordnet. Aus der dem Strömungs­ spalt 3 zugewandten Stirnseite der Hülse 8 ragen Leit­ schaufeln 9, die ein Leitgitter 10 bilden, wozu die Leitschaufeln 9 entsprechend verteilt in Ringform über den Umfang verteilt angeordnet sind. Im zurückgescho­ benen bzw. eingeschobenen Zustand der Leitschaufeln 9, welche in der Fig. 1 dargestellt sind, sind die Leit­ schaufelvorderkanten bündig mit einem Gehäusewandteil 11a einer Gehäusewand 11 des Turbinengehäuses 4. Das Gehäusewandteil 11a kann einstückig mit der Innenhülse 5 sein.

Aus der Fig. 2 ist teilweise die Stirnansicht der Ge­ häusewandteil 11a ersichtlich, wobei erkennbar ist, daß diese mit Aussparungen versehen ist, die eine Ge­ genprofilform zu den Leitschaufeln 9 bilden. Auf diese Weise ergibt sich bis auf einen geringen Spalt 30 (siehe Fig. 2) eine nahezu geschlossene Gehäusewand 11 bzw. 11a. Durch den Spalt 30 hindurchtretende Abgase können durch einen Dichtring 12 am Außenumfang der Hülse 8 am Austreten verhindert werden. Zusätzlich kann gegebenenfalls noch ein weiterer Dichtring 13 zwischen der äußeren Umfangswand der Innenhülse 5 und der inneren Umfangswand der Hülse 8 vorgesehen sein.

Aus der Fig. 2 ist die Lage der Leitschaufeln 9 er­ kennbar, wobei ein Strömungsspalt 14 zwischen den Schaufeln ersichtlich ist, der dazu dient, im ausge­ fahrenen Zustand des Leitgitters 10, in welchem die Leitschaufeln 9 beim Bremsbetrieb in den Strömungs­ spalt 3 ragen, den gesteuerten Durchtritt von Abgas zu ermöglichen.

Die axiale Verschiebung des Trägers bzw. der Hülse 5 zum Ausfahren der Leitschaufeln 9 in den Strömungs­ spalt 3 (siehe gestrichelte Darstellung) und zu deren Zurückziehen sind die verschiedensten Betätigungsein­ richtungen möglich.

Die vorstehend beschriebene Bremseinrichtung ist mit ihren wesentlichen Teilen als vorgefertigtes Modul ausgebildet und kann somit als Einheit in das Turbi­ nengehäuse eingesetzt werden. Wie ersichtlich, besteht dieses Modul aus dem Leitgitter 10 mit den Leitschau­ feln 9, dem damit verbundenen Träger 8, dem Gehäuse­ wandteil 11a, das einstückig mit der Innenhülse 5 ist, und dem Flansch 7. Dieses Modul wird bei der Montage in die Abgasturboladerturbine eingeschoben und über das Spannband 6, welches jeweils einen Ringflansch des Turbinengehäuses 4 und des Abgasflansches 7 um­ schließt, mit dem Turbinengehäuse 4 verbunden. Wie insbesondere aus der Fig. 1 ersichtlich ist, ist das Gehäusewandteil 11a in seiner Kontur an die Gehäuse­ wand 11 angepaßt, womit im eingeschobenen Zustand der Leitschaufeln 9 keine störenden Kanten in dem Strö­ mungskanal vorhanden sind.

In den Fig. 1 bis 3 ist eine mechanische Lösung prinzipmäßig dargestellt, wobei über nur wenige und zuverlässig wirkende Bauteile eine axiale Verschiebung mit einer direkten Krafteinleitung erreicht wird. Hierzu ist die Hülse 8 am Außenumfang mit zwei gegen­ überliegenden Aussparungen 15 versehen, in die jeweils Verstellnocken 16 ragen. Die Verstellnocken 16 weisen eine Verstellwelle 17 auf, welche zwischen Klemmbacken 18 gehalten und gelagert sind. Die beiden sich gegen­ überliegenden Klemmbacken 18, in denen jeweils eine Welle 17 gelagert ist, sind durch einen Bügel 19 mit­ einander verbunden, der sich bogenförmig außen über das Turbinengehäuse 4 erstreckt. An dem Bügel 19 greift ein Verstellhebel 20 einer Verstelleinrichtung an, der über ein Kugelgelenk 21, welches mit einer Kolbenstange 22 eines Pneumatikzylinders 23 verbunden ist, betätigbar ist.

Aus der Fig. 3 sind die beiden Endstellungen für das Leitgitter 10, nämlich die ausgefahrene und die zu­ rückgeschobene Stellung, erkennbar. Dies wird durch eine entsprechende Verschwenkung des Bügels 19 über den Pneumatikzylinder 23 erreicht. Hierzu sitzen die Verstellnocken entsprechend exzentrisch auf den je­ weils mit ihnen verbundenen Wellen 17. Durch den di­ rekten Eingriff der Verstellnocken 16 in die Hülse 8 wird die Verschiebekraft ohne Kippneigung achsparallel in die Hülse 8 eingeleitet.

Die Wellen 17 der Verstellnocken 16 werden durch das Turbinengehäuse 4 nach außen geführt. Durch die Drehmomentübertragung von dem Bügel 19 zu den Ver­ stellnocken 16 über die Wellen 17, die auch die Ver­ bindung von der Turboladerinnenseite zur Außenseite darstellen, ergeben sich nur zwei Dichtringspalten mit einem entsprechend langen Weg, so daß ein Abgasaus­ tritt, auch bei einem Versagen des Dichtringes 12 weitgehend ausgeschlossen ist.

In der Fig. 4 ist prinzipmäßig eine pneumatische Betätigung der Hülse 8' dargestellt. Wie ersichtlich, ist hierzu die Hülse 8' als Ringkolben ausgebildet, mit einer Ringfläche 24 am hinteren Ende, d. h. von dem Strömungsspalt 3 abgewandten Ende der Hülse 8', welche eine Kolbenfläche bildet. Hinter der Ringfläche 24 befindet sich ein Kolbenraum 25 mit einer Druckluftzu­ führung 26. Wird über die Druckluftzuführung 26 Druck­ luft zugeführt, was in der Regel aus dem Bordnetz er­ folgen wird, so wird die Hülse 8' axial in Richtung auf den Strömungsspalt 3 verschoben, womit die Leit­ schaufeln 9 des Leitgitters 10 entsprechend in den Spaltraum 3 geschoben werden, was jedoch nur bei Bremsbetrieb des Motors der Fall ist.

Zur Rückstellung des Leitgitters 10 greift auf der dem Kolbenraum 25 gegenüberliegenden Seite der Ringfläche 24 eine Feder 27 an, die sich mit ihrem anderen Ende an dem Turbinengehäuse 4 abstützt.

Statt der Feder 27 kann sich an dieser Stelle auch ein weiterer Kolbenraum 28 befinden, der ebenfalls auf die Ringfläche 24 wirkt, und der auch eine Druckluftzufüh­ rung 29 aufweist.

In der Fig. 4 sind zur Vereinfachung sowohl die Lösung mit der Feder 27 als auch mit dem Kolbenraum 28 und der Druckluftzuführung 29 eingezeichnet. Selbstver­ ständlich sind beide Lösungen jedoch nur alternativ vorzusehen.

Die Anordnung einer Feder 27 hat den Vorteil, daß die­ se beim Einschieben des Leitgitters 10 in den Strö­ mungsspalt 3 vorgespannt wird, womit eine Endlagen­ dämpfung erreicht wird.

Eine Druckluftbeaufschlagung hat den Vorteil, daß ge­ ringere Betätigungskräfte erforderlich sind, wobei in diesem Falle jedoch im allgemeinen Endlagendämpfein­ richtungen vorgesehen werden sollten. Im Vergleich zu der mechanischen Lösung oder einer mecha­ nisch/pneumatischen Lösung hat eine pneumatische Lö­ sung den weiteren Vorteil, daß in diesem Falle weniger Bauteile erforderlich sind, und die Vorrichtung platz­ sparender ist.

Um ein vorgefertigtes Modul für die Bremseinrichtung zu erhalten, ist ebenso wie bei dem Ausführungsbei­ spiel nach den Fig. 1 bis 3 von dem Turbinengehäuse 4 ein Gehäusewandteil 11a abgetrennt, das als Matrize ausgebildet ist, jedoch einen kontinuierlichen Über­ gang zu der Gehäusewand 11 bildet. Das Gehäusewandteil 11a ist in nicht näher dargestellter Weise mit der Innenhülse 5 verbunden. Ebenso wie bei dem Ausfüh­ rungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 3 ist das Gehäu­ sewandteil 11a mit einem axialen äußeren, zu dem Ab­ gasflansch 7 gerichteten Wandteil versehen, das eine Führung für den Träger bzw. die Hülse 8' bildet.

Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, können auf diese Weise wiederum das Leitgitter 10 mit den Leitschaufeln 9, die Innenhülse 5, die Hülse 8', die den Kolbenraum 25 umgebenden Gehäuseteile und gegebenenfalls auch noch der Abgasflansch 7 ein Modul bilden, das vorge­ fertigt ist und als Einheit in die Abgasturboladertur­ bine eingeschoben werden kann.

Claims (11)

1. Abgasturboladerturbine einer Brennkraftmaschine mit einem in einem Turbinengehäuse angeordneten spiralförmigen Leitkanal, einem Turbinenlaufrad, einem Strömungsspalt zwischen dem Leitkanal und dem Turbinenlaufrad und mit ein Leitgitter bilden­ den Leitschaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitgitter (10) mit den Leitschaufeln (9) der­ art axial aus einem in axialer Richtung in dem Turbinengehäuse (4) verschiebbar angeordneten Trä­ ger (8, 8') vorstehen, daß sie im Normalbetrieb in Aussparungen einem Gehäusewandteil (11a) des Tur­ binengehäuses (4) gelagert sind, die in Form einer Matrize eine Gegenprofilform zu den Leitschaufeln (9) bildet, und daß sie im Bremsbetrieb der Brenn­ kraftmaschine zur Bildung einer Bremseinrichtung bei einer axialen Verschiebung des Trägers (8, 8') in den Strömungsspalt (3) ragen.

2. Abgasturboladerturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß daß der Träger als Hülse (8, 8') ausgebildet ist, die koaxial zur Längsachse des Turbinenrades (2) liegt.

3. Abgasturboladerturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (8, 8') an ihrer äußeren Umfangswand mit einem Dichtring (12) versehen ist.

4. Abgasturboladerturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger bzw. die Hülse (8) mit einer Betäti­ gungseinrichtung (17-23) zu dessen axialen Ver­ schiebung versehen ist, in die Verstellglieder (16) eingreifen.

5. Abgasturboladerturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung wenigstens zwei sich gegenüberliegende Aussparungen (15) in dem Träger bzw. der Hülse (8) aufweisen, in die Verstell­ nocken (16) ragen, welche über einen Bügel (19) mit­ einander verbunden sind, an welchem eine Verstell­ einrichtung (20-23) angreift.

6. Abgasturboladerturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger bzw. die Hülse (8') mit einer hydrauli­ schen oder pneumatischen Betätigungseinrichtung (24, 25, 26) versehen ist.

7. Abgasturboladerturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (8') als Kolben ausgebildet ist, wobei sich auf der von dem Strömungsspalt (3) abgewand­ ten Seite der Hülse (8') ein Kolbenraum (25) be­ findet.

8. Abgasturboladerturbine nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückstellung der Hülse (8') eine Federeinrich­ tung (27) an der Hülse (8') angreift.

9. Abgasturboladerturbine nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückstellung der Hülse (8') eine hydraulische oder pneumatische Rückstelleinrichtung (28, 29) vorgesehen ist.

10. Abgasturboladerturbine nach Anspruch 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (8') mit einem zweiten Kolbenraum (28) versehen ist, der sich zwischen dem Strömungsspalt (3) und dem Kolbenraum (25) befindet, der sich auf der von dem Strömungsspalt (3) abgewandten Seite der Hülse (8') befindet.

11. Abgasturboladerturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremseinrichtung als vorgefertigtes Modul aus­ gebildet in die Turbine einschiebbar ist, wobei wenigstens das Leitgitter (10) mit den Leitschau­ feln (9), der Träger (8, 8') und das Gehäusewand­ teil (11a), das die Matrize bildet, Teile des Mo­ duls sind.