DE19816645B4 - Abgasturboladerturbine - Google Patents
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Abstract
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 bildenden Leitschaufeln,
dadurch gekennzeichnet, dass das Leitgitter (10) mit den Leitschaufeln
(9) derart axial aus einem in axialer Richtung in dem Turbinengehäuse (4)
verschiebbar angeordneten Träger
(8, 8') vorstehen, dass die Leitschaufeln (9) im Normalbetrieb in
Aussparungen in einem Gehäusewandteil (11a)
des Turbinengehäuses
(4) gelagert sind, das in Form einer Matrize eine Gegenprofilform
zu den Leitschaufeln (9) bildet, dass die Leitschaufeln (9) im Bremsbetrieb
der Brennkraftmaschine zur Bildung einer Bremseinrichtung bei einer
axialen Verschiebung des Trägers
(8, 8') in den Strömungsspalt
(3) ragen, und dass die Bremseinrichtung als vorgefertigtes Modul
ausgebildet in die Turbine einschiebbar ist, wobei wenigstens das
Leitgitter (10) mit den Leitschaufeln (9), der Träger (8,
8') und das Gehäusewandteil
(11a), das die Matrize bildet, Teile des Moduls sind.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Abgasturboladerturbine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
- Eine gattungsgemäße Abgasturboladerturbine ist in der
DE 42 32 400 C1 beschrieben. Dabei befindet sich in dem Strömungsspalt zwischen dem Leitkanal und dem Turbinenlaufrad ein verstellbarer Strömungsleitapparat mit Leitschaufeln zur Regelung des Abgasdurchtrittes im Normalbetrieb, insbesondere im Teillastbereich der Brennkraftmaschine. Der verstellbare Strömungsleitapparat, welcher sich ständig in dem Strömungsspalt befindet, wird darüber hinaus auch für einen Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine verwendet. - Nachteilig dabei ist jedoch, daß zwar durch den Strömungsleitapparat mit den Leitschaufeln im Teillastbetrieb eine bessere Beschleunigung erreicht wird, aber daß im Vollastbetrieb Wirkungsgradeinbußen und Ver brauchsnachteile auftreten.
- Die
DE 31 51 414 A1 zeigt eine Abgasturboladerturbine, bei welcher ein axial schiebbares Leitgitter zwei verschiedene Einströmwinkel in das Turbinenrad ermöglichen soll. DieCH 668 455 A5 - Ähnliche verstellbare Strömungsleitapparate für Abgasturbinen von Abgasturboladern sind in der
DE 43 03 520 C1 und43 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 Brennkraftmaschine erreicht wird, wobei jedoch keine Wirkungsgradverluste bei Vollast auftreten sollen. Gleichzeitig soll jedoch auch das dynamische Fahrverhalten des Fahrzeuges verbessert werden. Des weiteren soll der Aufbau und die Montage der Abgasturboladerturbine in möglichst einfacher Art und Weise möglich sein.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden 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 Regelung des Abgasdurchsatzes ragte, wird erfindungsgemäß nunmehr ein festes Leitgitter verwendet, das im Normalbetrieb in Aussparungen einer Gehäusewand des Turbinengehäuses gelagert ist. Dies bedeutet, im Normalbetrieb ist der Strömungsspalt völlig frei, weshalb bei Vollastbetrieb keine Wirkungsgradeinbußen in Kauf genommen werden müssen.
- In erfinderischer Weise wird mit dem Leitgitter nunmehr das Potential der Aufladung durch den Abgasturbolader 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 Motordrehzahl nicht mehr erhöht. Die Bremswirkung des Motors und somit die des Fahrzeuges kommt dadurch zustande, weil die zusätzliche Luft und der zusätzliche Abgasgegendruck im Verbrennungsraum den Kolben sehr stark abbremst und zum Ende der Kompressionsphase die verdichtete Luft in bekannter Weise über ein zusätzlich im Zylinderkopf befindliches Ventil, z.B. eine Konstantdrossel, 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 Fahrverhaltens 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 Gegenprofilform zu den Leitschaufeln wird – abgesehen von einem geringen Spiel, das zur axialen Verschiebung der Leitschaufeln notwendig ist – eine nahezu geschlossene Gehäusewand erreicht, bei gleichzeitig freiem Strömungsspalt. Damit befinden sich im normalen Turboladerbetrieb, d.h. im befeuerten Betrieb, keine Störkonturen in dem Leitkanal und in dem Strömungsspalt, welche 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 Leitschaufeln, der Träger und das Gehäusewandteil, das die Matritze bildet, Teile des Modules. Selbstverständlich können gegebenenfalls auch noch weitere Teile integriert und als vorgefertigtes Modul in die Abgasturboladerturbine eingeschoben werden.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen.
- Es zeigt:
-
1 einen Längsschnitt nach der Linie I-I der2 durch eine Abgasturboladerturbine; -
2 eine Stirnansicht – teilweise im Schnitt – der Abgasturboladerturbine nach1 ; -
3 eine Draufsicht auf die Abgasturboladerturbine nach der1 ; und -
4 einen Längsschnitt (ausschnittsweise) durch eine Abgasturboladerturbine anderer Ausgestaltung. - In dem Ausführungsbeispiel ist eine Abgasturboladerturbine bekannter Bauart mit einem zweiflutigen spiralförmigen Leitkanal
1a und1b , mit einem Turbinenlaufrad2 und einem Strömungsspalt3 zwischen den Leitkanälen1a und1b und dem Turbinenlaufrad2 dargestellt. In dem Turbinengehäuse4 befindet sich eine Innenhülse5 , welche eine Strömungsführung für die das Turbinenlaufrad2 verlassenden Abgase bildet. Über ein Spannband6 ist ein Abgasflansch7 mit dem Turbinengehäuse4 verbunden. - Axial außerhalb des Strömungsspaltes
3 ist auf dem Außenumfang der Innenhülse5 ein Träger in Form einer Hülse8 koaxial zur Längsachse des Turbinenlaufrades2 axial verschiebbar angeordnet. Aus der dem Strömungsspalt3 zugewandten Stirnseite der Hülse8 ragen Leitschaufeln9 , die ein Leitgitter10 bilden, wozu die Leitschaufeln9 entsprechend verteilt in Ringform über den Umfang verteilt angeordnet sind. Im zurückgeschobenen bzw. eingeschobenen Zustand der Leitschaufeln9 , welche in der1 dargestellt sind, sind die Leitschaufelvorderkanten bündig mit einem Gehäusewandteil11a einer Gehäusewand11 des Turbinengehäuses4 . Das Gehäusewandteil11a kann einstückig mit der Innenhülse5 sein. - Aus der
2 ist teilweise die Stirnansicht der Gehäusewandteil11a ersichtlich, wobei erkennbar ist, daß diese mit Aussparungen versehen ist, die eine Gegenprofilform zu den Leitschaufeln9 bilden. Auf diese Weise ergibt sich bis auf einen geringen Spalt30 (siehe2 ) eine nahezu geschlossene Gehäusewand11 bzw.11a . Durch den Spalt30 hindurchtretende Abgase können durch einen Dichtring12 am Außenumfang der Hülse8 am Austreten verhindert werden. Zusätzlich kann gegebenenfalls noch ein weiterer Dichtring13 zwischen der äußeren Umfangswand der Innenhülse5 und der inneren Umfangswand der Hülse8 vorgesehen sein. - Aus der
2 ist die Lage der Leitschaufeln9 er kennbar, wobei ein Strömungsspalt14 zwischen den Schaufeln ersichtlich ist, der dazu dient, im ausgefahrenen Zustand des Leitgitters10 , in welchem die Leitschaufeln9 beim Bremsbetrieb in den Strömungsspalt3 ragen, den gesteuerten Durchtritt von Abgas zu ermöglichen. - Die axiale Verschiebung des Trägers bzw. der Hülse
5 zum Ausfahren der Leitschaufeln9 in den Strömungsspalt3 (siehe gestrichelte Darstellung) und zu deren Zurückziehen sind die verschiedensten Betätigungseinrichtungen möglich. - Die vorstehend beschriebene Bremseinrichtung ist mit ihren wesentlichen Teilen als vorgefertigtes Modul ausgebildet und kann somit als Einheit in das Turbinengehäuse eingesetzt werden. Wie ersichtlich, besteht dieses Modul aus dem Leitgitter
10 mit den Leitschaufeln9 , dem damit verbundenen Träger8 , dem Gehäusewandteil11a , das einstückig mit der Innenhülse5 ist, und dem Flansch7 . Dieses Modul wird bei der Montage in die Abgasturboladerturbine eingeschoben und über das Spannband6 , welches jeweils einen Ringflansch des Turbinengehäuses4 und des Abgasflansches7 umschließt, mit dem Turbinengehäuse4 verbunden. Wie insbesondere aus der1 ersichtlich ist, ist das Gehäusewandteil11a in seiner Kontur an die Gehäusewand11 angepaßt, womit im eingeschobenen Zustand der Leitschaufeln9 keine störenden Kanten in dem Strömungskanal vorhanden sind. - In den
1 bis3 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 Hülse8 am Außenumfang mit zwei gegenüberliegenden Aussparungen15 versehen, in die jeweils Verstellnocken16 ragen. Die Verstellnocken16 weisen eine Verstellwelle17 auf, welche zwischen Klemmbacken18 gehalten und gelagert sind. Die beiden sich gegenüberliegenden Klemmbacken18 , in denen jeweils eine Welle17 gelagert ist, sind durch einen Bügel19 miteinander verbunden, der sich bogenförmig außen über das Turbinengehäuse4 erstreckt. An dem Bügel19 greift ein Verstellhebel20 einer Verstelleinrichtung an, der über ein Kugelgelenk21 , welches mit einer Kolbenstange22 eines Pneumatikzylinders23 verbunden ist, betätigbar ist. - Aus der
3 sind die beiden Endstellungen für das Leitgitter10 , nämlich die ausgefahrene und die zurückgeschobene Stellung, erkennbar. Dies wird durch eine entsprechende Verschwenkung des Bügels19 über den Pneumatikzylinder23 erreicht. Hierzu sitzen die Verstellnocken entsprechend exzentrisch auf den jeweils mit ihnen verbundenen Wellen17 . Durch den direkten Eingriff der Verstellnocken16 in die Hülse8 wird die Verschiebekraft ohne Kippneigung achsparallel in die Hülse8 eingeleitet. - Die Wellen
17 der Verstellnocken16 werden durch das Turbinengehäuse4 nach außen geführt. Durch die Drehmomentübertragung von dem Bügel19 zu den Verstellnocken16 über die Wellen17 , die auch die Verbindung von der Turboladerinnenseite zur Außenseite darstellen, ergeben sich nur zwei Dichtringspalten mit einem entsprechend langen Weg, so daß ein Abgasaustritt, auch bei einem Versagen des Dichtringes12 weitgehend ausgeschlossen ist. - In der
4 ist prinzipmäßig eine pneumatische Betätigung der Hülse8' dargestellt. Wie ersichtlich, ist hierzu die Hülse8' als Ringkolben ausgebildet, mit einer Ringfläche24 am hinteren Ende, d.h. von dem Strömungsspalt3 abgewandten Ende der Hülse8' , welche eine Kolbenfläche bildet. Hinter der Ringfläche24 befindet sich ein Kolbenraum25 mit einer Druckluftzuführung26 . Wird über die Druckluftzuführung26 Druckluft zugeführt, was in der Regel aus dem Bordnetz erfolgen wird, so wird die Hülse8' axial in Richtung auf den Strömungsspalt3 verschoben, womit die Leitschaufeln9 des Leitgitters10 entsprechend in den Spaltraum3 geschoben werden, was jedoch nur bei Bremsbetrieb des Motors der Fall ist. - Zur Rückstellung des Leitgitters
10 greift auf der dem Kolbenraum25 gegenüberliegenden Seite der Ringfläche24 eine Feder27 an, die sich mit ihrem anderen Ende an dem Turbinengehäuse4 abstützt. - Statt der Feder
27 kann sich an dieser Stelle auch ein weiterer Kolbenraum28 befinden, der ebenfalls auf die Ringfläche24 wirkt, und der auch eine Druckluftzuführung29 aufweist. - In der
4 sind zur Vereinfachung sowohl die Lösung mit der Feder27 als auch mit dem Kolbenraum28 und der Druckluftzuführung29 eingezeichnet. Selbstverständlich sind beide Lösungen jedoch nur alternativ vorzusehen. - Die Anordnung einer Feder
27 hat den Vorteil, daß die se beim Einschieben des Leitgitters10 in den Strömungsspalt3 vorgespannt wird, womit eine Endlagendämpfung erreicht wird. - Eine Druckluftbeaufschlagung hat den Vorteil, daß geringere Betätigungskräfte erforderlich sind, wobei in diesem Falle jedoch im allgemeinen Endlagendämpfeinrichtungen vorgesehen werden sollten. Im Vergleich zu der mechanischen Lösung oder einer mechanisch/pneumatischen Lösung hat eine pneumatische Lösung den weiteren Vorteil, daß in diesem Falle weniger Bauteile erforderlich sind, und die Vorrichtung platzsparender ist.
- Um ein vorgefertigtes Modul für die Bremseinrichtung zu erhalten, ist ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel nach den
1 bis3 von dem Turbinengehäuse4 ein Gehäusewandteil11a abgetrennt, das als Matrize ausgebildet ist, jedoch einen kontinuierlichen Übergang zu der Gehäusewand11 bildet. Das Gehäusewandteil11a ist in nicht näher dargestellter Weise mit der Innenhülse5 verbunden. Ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel nach den1 bis3 ist das Gehäusewandteil11a mit einem axialen äußeren, zu dem Abgasflansch7 gerichteten Wandteil versehen, das eine Führung für den Träger bzw. die Hülse8' bildet. - Wie aus der
4 ersichtlich ist, können auf diese Weise wiederum das Leitgitter10 mit den Leitschaufeln9 , die Innenhülse5 , die Hülse8' , die den Kolbenraum25 umgebenden Gehäuseteile und gegebenenfalls auch noch der Abgasflansch7 ein Modul bilden, das vorgefertigt ist und als Einheit in die Abgasturboladerturbine eingeschoben werden kann.
Claims (10)
- 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 bildenden Leitschaufeln, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitgitter (
10 ) mit den Leitschaufeln (9 ) derart axial aus einem in axialer Richtung in dem Turbinengehäuse (4 ) verschiebbar angeordneten Träger (8 ,8' ) vorstehen, dass die Leitschaufeln (9 ) im Normalbetrieb in Aussparungen in einem Gehäusewandteil (11a ) des Turbinengehäuses (4 ) gelagert sind, das in Form einer Matrize eine Gegenprofilform zu den Leitschaufeln (9 ) bildet, dass die Leitschaufeln (9 ) im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine zur Bildung einer Bremseinrichtung bei einer axialen Verschiebung des Trägers (8 ,8' ) in den Strömungsspalt (3 ) ragen, und dass die Bremseinrichtung als vorgefertigtes Modul ausgebildet in die Turbine einschiebbar ist, wobei wenigstens das Leitgitter (10 ) mit den Leitschaufeln (9 ), der Träger (8 ,8' ) und das Gehäusewandteil (11a ), das die Matrize bildet, Teile des Moduls sind. - Abgasturboladerturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger als Hülse (
8 ,8' ) ausgebildet ist, die koaxial zur Längsachse des Turbinenlaufrades (2 ) liegt. - Abgasturboladerturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (
8 ,8' ) an ihrer äußeren Umfangswand mit einem Dichtring (12 ) versehen ist. - Abgasturboladerturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger bzw. die Hülse (
8 ,8' ) mit einer Betätigungseinrichtung (17 –23 ) zu dessen axialen Verschiebung versehen ist, in die Verstellglieder (16 ) eingreifen. - Abgasturboladerturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung (
17 –23 ) wenigstens zwei sich gegenüberliegende Aussparungen (15 ) in dem Träger bzw. der Hülse (8 ) aufweisen, in die Verstellnocken (16 ) ragen, welche über einen Bügel (19 ) miteinander verbunden sind, an welchem eine Verstelleinrichtung (20 –23 ) angreift. - Abgasturboladerturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger bzw. die Hülse (
8 ,8' ) mit einer hydraulischen oder einer pneumatischen Betätigungseinrichtung (24 ,25 ,26 ) versehen ist. - Abgasturboladerturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (
8 ,8' ) als Kolben ausgebildet ist, wobei sich auf der von dem Strömungsspalt (3 ) abgewandten Seite der Hülse (8 ,8' ) ein Kolbenraum (25 ) befindet. - Abgasturboladerturbine nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rückstellung der Hülse (
8 ,8' ) eine Federeinrichtung (27 ) an der Hülse (8 ,8' ) angreift. - Abgasturboladerturbine nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rückstellung der Hülse (
8 ,8' ) eine hydraulische oder eine pneumatische Rückstelleinrichtung (28 ,29 ) vorgesehen ist. - Abgasturboladerturbine nach Anspruch 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (
8 ,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 ,8' ) befindet.
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