DE19924228C2 - Mehrflutiger, regelbarer Abgasturbolader - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Abgasturboladern für Pkw-Motoren ist eine Regelung des Ab­ gasturboladers erforderlich, um aufgrund des großen Drehzahl­ bereichs bei Pkw-Motoren einen nahezu konstanten Ladedruck in einem möglichst weiteren Drehzahlbereich zu erzielen. Als Stand der Technik ist hier die abgasseitige Regelung bekannt, bei der ein Teil des Motorabgases um die Turbine herumgeführt wird (Bypass). Das dafür erforderliche Regelorgan kann als Ventil oder Klappe ausgeführt sein. Das Ladedruckregelorgan wird pneumatisch betätigt. Der erforderliche Steuerdruck wird am Abgasturbolader druckseitig abgenommen, so dass das System Abgasturbolader mit Ladedruckregelorgan eine selbständige Ein­ heit darstellt.

Eine energetisch günstigere Regelung ermöglicht die variable Turbinengeometrie (VTG), mit der das Aufstauverhalten der Tur­ bine kontinuierlich verändert und damit jeweils die gesamte Abgasenergie genutzt werden kann.

Von den dafür bekannten Ausführungsformen haben sich verstell­ bare Leitschaufeln wegen ihres großen Regelbereichs bei gleichzeitig guten Wirkungsgraden durchgesetzt. Durch Drehbe­ wegung eines Verstellringes lässt sich eine einfache Verstel­ lung des Schaufelwinkels vornehmen. Dabei werden die Schaufeln entweder über Verdrehnocken oder direkt über einzelne an den Schaufeln befestigte Verstellhebel auf den gewünschten Winkel eingestellt. Die Ansteuerung erfolgt pneumatisch über eine Stelldose mit Unter- oder Überdruck. Eine mikroelektronische Regelung kann die Vorteile der variablen Turbinengeometrie durch optimales Anpassen des Ladedrucks über das gesamte Mo­ torkennfeld sinnvoll nutzen.

Eine variable Turbinengeometrie (VTG) stellt jedoch einen nicht unbeträchtlichen Kostenaufwand dar, so dass bei Motoren mit kleinerem Hubraum sich Turbolader mit VTG nicht etablieren konnten.

Es sind deshalb auch schon Abgasturbolader entwickelt worden, die keine aufwändige Verstellmechanik für die variable Turbi­ nengeometrie aufweisen, die die Richtung und Geschwindigkeit der Abgasströmung vor dem Radeintritt regeln. Vielmehr erfolgt dort die Anpassung des Turbinendurchsatzes über ein mehrfluti­ ges Turbinengehäuse, wobei zumindest ein zweiter Zuströmkanal mittels eines Schiebers sukzessive zugeschaltet werden kann. Die Beaufschlagung der Turbine mit Abgas kann somit mittels eines einfachen, ringförmigen Schiebers direkt durch Öffnen und Schließen eines Zuströmkanals beeinflusst werden.

Ein derartiger Abgasturbolader, von dem die Erfindung ausgeht, ist beispielsweise aus der US 4 776 168 bekannt. Er besitzt einen Schieber, der in Richtung auf eine Trennwand hin ver­ schoben werden kann, welche zwei benachbart angeordnete Zu­ strömkanäle trennt. Eine der beiden Austrittsöffnungen kann somit in Schließstellung des Schiebers abgedeckt werden.

Die DE 42 04 019 A1 zeigt eine ähnliche Konstruktion, bei der eine Trennwand im Turbinengehäuse zwei Zuströmkanäle axial voneinander trennt. Die Wandung endet radial oberhalb des Turbinenrads unter Bildung eines Radialspalts. Eine Schiebehülse, die im Turbinengehäuse axial verschiebbar gelagert ist, kann in diesen Ringspalt hinein verschoben werden. Hierdurch wird der entsprechende Zuströmkanal im Bereich seiner Austrittsöff­ nung abgedeckt. Durch weiteres Verschieben der Hülse über den Bereich der Trennwand hinaus kann auch der benachbarte Zu­ strömkanal verschlossen werden, so dass die Abgasströmung über einen weiteren, dritten Kanal mit einer stärker axial ausge­ richteten Geschwindigkeitskomponente zugeführt wird.

Den beiden vorstehend beschriebenen Abgasturboladern ist ge­ meinsam, dass die Schieber bzw. Schieberhülsen zwar das Abdec­ ken zumindest einer Austrittsöffnung ermöglichen, jedoch ein dichtes Verschließen des betreffenden Zuströmkanals nicht er­ möglichen.

Die DE 43 03 520 C1 zeigt verschiedene Ausführungsformen einer regelbaren Turbine, bei der ein vergleichsweise aufwändiger Strömungsleitapparat vorgesehen ist. Eine Hülse ist mit einem Spiralband versehen, das sich zwischen einem zylinderförmigen Abschnitt an der Turbinengehäuseinnenseite und der Hülse er­ streckt. Durch eine axiale Verschiebebewegung der Hülse kann der Querschnitt des auf diese Weise gebildeten spiralförmigen Strömungsleitkanals eingestellt werden. Zur Vermeidung von Leckageströmungen sind Keramikdichtungen vorgesehen, die in radialer Richtung wirkend zwischen der das Spiralband tragen­ den Trennwand und dem Turbineninnengehäuse angeordnet sind. Es ist jedoch keine Abdichtung zwischen der Trennwand und der Stirnseite der Hülse vorhanden, so dass auch in diesem Falle Leckageströme auftreten.

Die DE 196 51 498 C1 zeigt schließlich eine Konfiguration, bei der ein Schieber axial verschieblich gelagert ist und zwei durch eine Trennwand gebildete Austrittsöffnungen von Zuström­ kanälen abdeckt. Die Trennwand endet radial oberhalb der Hül­ se, so dass zwischen der Hülse und der Trennwand ein Ringspalt in der Schließstellung verbleibt.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb das Problem zugrunde, einen Abgasturbolader der eingangs genannten Art derart wei­ terzuentwickeln, dass er die geschilderten Nachteile nicht mehr aufweist. Insbesondere sollte mit konstruktiv einfachen Mitteln eine vollständige Abdichtung des jeweiligen Zuströmka­ nals erreicht werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Kenn­ zeichens des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß gelingt dies dadurch, dass das radial innen­ liegende Ende der Wandung eine ringförmige Dichtfläche zum Zu­ sammenwirken mit dem Schieber aufweist und dass der Schieber an seinem zuströmungsseitigen Ende einen Schließkopf mit einer konischen Dichtfläche zum Schließendes Zuströmkanals besitzt. Hierdurch wird eine vollständige Abdichtung des zugeordneten Zuströmkanals erreicht, um Leckageströmungen in der Schließ­ stellung zuverlässig zu verhindern. Dies führt zu einer Ver­ besserung des Wirkungsgrades des Turboladers.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 18.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Abgasturboladers mit Konturhülse und Schieber in Verschlussstellung,

Fig. 2a eine verkleinerte Darstellung des Abgasturboladers nach Fig. 1,

Fig. 2b den Abgasturbolader nach Fig. 2a mit Schieber in Offenstellung,

Fig. 2c den Abgasturbolader nach Fig. 2a mit Schieber in Bypassstellung,

Fig. 3a einen ausschnittsweisen Längsschnitt eines Abgasturboladers mit hülsenloser Schiebersteuerung in Verschlussstellung und

Fig. 3b den Abgasturbolader nach Fig. 3a mit Schieber in Bypaßstellung.

Fig. 1 zeigt einen Abgasturbolader 1, welcher eine Turbine 2 und einen von der Turbine 2 angetriebenen Verdichter 3 aufweist, die beide in Radialbauweise ausgeführt sind. Turbine 2 und Verdichter 3 sind auf einer gemeinsamen Welle 4 angebracht.

Die Turbine 2 nutzt die im Abgas enthaltene Energie zum Antrieb des Verdichters 3, der Frischluft ansaugt und vorverdichtete Luft in die Zylinder des nicht dargestellten Dieselmotors drückt. Der Abgasturbolader 1 ist nur durch den Luft- und Abgasmassenstrom strömungstechnisch mit dem Motor gekoppelt. Seine Drehzahl hängt nicht von der Motordrehzahl ab, sondern von dem Leistungsgleichgewicht zwischen Turbine 2 und Verdichter 3.

Ein zweiflutig ausgeführtes Turbinengehäuse 5 umgibt das Turbinenrad 6. Integraler Bestandteil des Turbinengehäuses 5 sind die beiden axial voneinander beabstandeten Zuströmkanäle 7a und 7b, deren Austrittsöffnungen 8a und 8b den Radeintritt 9 innerhalb des Turbinenrades 6 nahezu über den gesamten Umfang konzentrisch umgeben. Die beiden Zuströmkanäle 7a und 7b sind durch eine radial sich erstreckende Wandung 10 des Turbinengehäuses 5 voneinander abgetrennt. Der aus den Austrittsöffnungen 8a und 8b austretende Abgasstrom beaufschlagt den Radeintritt 9, welcher von den radial außen liegenden Enden der Schaufeln 11 des Turbinenrades 6 gebildet wird, wobei deren Zuschnitt dem Radeintritt eine zylindrische Außenkontur verleiht. Die Schaufeln 11 weisen einen bogenförmigen Zuschnitt auf, so daß das Abgas auf einem radial weiter innen liegenden Durchmesser das Turbinenrad 6 verläßt. Die Abgasströmung tritt dann stromabwärts in den Abgaskanal 12 der Radialturbine 2 ein, welcher von einer rohrförmigen Konturhülse 13 gebildet wird, die koaxial zur Achse 14 des Abgasturboladers 1 angeordnet ist. Das stromaufwärtige Ende der Konturhülse 13 weist einen bogenförmigen Zuschnitt auf, so daß sich die Konturhülse an den bogenförmigen Verlauf der Schaufeln 11 anschmiegt. Der Außendurchmesser des zylindrischen Außenumfangs der Konturhülse 13 weist in etwa denselben Durchmesser wie der Durchmesser des Radeintritts 9 auf, so daß die Konturhülse 13 mit dem Radeintritt 9 fluchtet.

Zum Öffnen und Schließen des stromabwärtig gelegenen Zustromkanals 7b bzw. dessen Austrittsöffnung 8b weist die Radialturbine einen ringförmigen, axial verschieblichen Schieber 15 auf, der in Fig. 1 und Fig. 2a in seiner Schließstellung dargestellt ist. Der koaxial zur Achse 14 angeordnete Schieber 15 umgibt die Konturhülse 13 konzentrisch und gleitet auf deren zylindrischen Außenkontur bei seiner in axialer Richtung erfolgenden Verstellbewegung. Hierzu ist der Schieber 15 an seinem stromabwärtigen Ende mit einem ladedruckabhängig gesteuerten Antrieb 16 gekoppelt. Zum Abschließen des stromabwärtigen Zustromkanals 7b weist der Schieber 15 an seinem zuströmseitigen Ende einen Schließkopf 16 mit einer konischen Dichtfläche 17a auf, die wiederum mit einer konisch ausgebildeten Dichtfläche 17b der Wandung 10 zusammenwirkt. In seiner Schließstellung deckt somit der Schließkopf 16 die Austrittsöffnung 8b vollständig ab, so daß aus dem Zuströmkanal 7b kein Abgas austreten kann. Hierzu weist der Schließkopf 16 im Anschluß an die Dichtfläche 17a einen zylindrischen Abschnitt auf. Soll nun der Gasdurchsatz zur Einhaltung eines vorgegebenen Ladedruckverhältnisses erhöht werden, so erfolgt eine Verschiebung des Schiebers 15 in stromabwärtige Richtung, was zur Freigabe der Austrittsöffnung 8b führt und den Weg des Abgasstromes zum Radeintritt 9 freigibt. Diese Offenstellung in Fig. 2b gezeigt.

Um mit zunehmender Motordrehzahl ein Überschreiten des höchstzulässigen Ladedrucks zu vermeiden, weist der Abgasturbolader einen Bypaßkanal 19 auf, dessen Verbindung zu den beiden unmittelbar vor dem Radeintritt 9 sich vereinigenden Fluten durch weitere stromabwärtige Verschiebung des Schiebers 15 freigegeben wird. In dieser in Fig. 2c dargestellten Bypaßstellung des Schiebers 15 gibt dessen Schließkopf 16 eine gehäuseseitige Ausnehmung 20a frei. Um die stromabwärts der Ausnehmung 20a gelegene Ringdichtung 21 in Richtung des Bypasskanals 19 umströmen zu können, weist wiederum der Schieber 15 stromabwärts des Schließkopfes 16 eine umlaufende Nut 22 auf, so daß schließlich der Bypaßkanal 19 über die Nut 22 und die Ausnehmung 20 zumindest mit der Abgasströmung des Zuströmkanals 7b verbunden ist.

Die Fig. 3a und 3b zeigen eine alternative Ausführungsform des Abgasturboladers 1 ohne die Ausbildung einer Konturhülse. Die Funktion der Konturhülse wird hierbei vollständig durch die rohrförmige Ausbildung des Schiebers 15 ersetzt, so daß der ebenfalls koaxial zur Achse 14 angeordnete und längsverschiebliche Schieber 15 den Abgaskanal 12 bildet.

Das Turbinenrad 6 ist mit einer sogenannten "100%-Kontur" ausgeführt, d. h. der Radeintritt 9 erstreckt sich im wesentlichen über die gesamte axiale Tiefe des Turbinenrades 6. Der Radeintritt 9 ist gegenüber den Austrittsöffnungen 8a und 8b sowie gegenüber einem zylindrisch ausgebildeten Abschnitt - die Schieberführung 23 - radial beabstandet. Die Schieberführung 23 weist eine Buchse 24 zur axial verschieblichen Führung des Schiebers 15 und zur Abdichtung auf. Wie in Fig. 3 zu erkennen, ist sowohl der Außen- als auch der Innendurchmesser des hülsenförmigen Schiebers 15 derart auf den Durchmesser der Schieberführung 23 und den Außendurchmesser des Radeintritts 9 abgestimmt, daß im geschlossenen Zustand des Schiebers der Schließkopf 16 des Schiebers 15 sowohl den Zuströmkanal 7b bzw. dessen Austrittsöffnung 8b verschließt als auch den sich durch die radiale Beabstandung des Radeintritts 9 zur Schieberführung 23 ergebenden Spalt 25 dicht abschließt. Hierzu ist der Schließkopf 16 im wesentlichen wie der Schließkopf nach Fig. 1 ausgeführt, so daß die Dichtflächen 17a und 17b miteinander zusammenwirken und der Schließkopf 16 die Austrittsöffnung 8b bei geschlossener Schieberstellung abschließt, wie dies in Fig. 3a dargestellt ist.

Im geschlossenen Zustand überdeckt der Schieber 15 den Radeintritt 9 in einem axialen Abschnitt. Durch sukzessives Öffnen des Schiebers 15 in stromwärtiger Richtung gibt der Schließkopf 16 die Austrittsöffnung 8b frei, so daß auch die Flut des stromabwärtigen Zuströmkanals 7b das Turbinenrad 6 beaufschlagt. Gleichwohl bleibt der Spalt zwischen Radeintritt 9 und Schieberführung 23 auch bei völliger Freigabe der Austrittsöffnung 8b durch die Überdeckung des Radeintritts 9 verschlossen. Erst bei weiterer stromabwärtiger Verschiebung des Schiebers 15 gibt der Schließkopf den Spalt 25 frei, so daß ein Teil des Abgasstromes - die Abblasung - nicht mehr wie in Fig. 1 dargestellt außen um den Schieber herum, sondern innerhalb des Schiebers 15 erfolgt.

Um die optimale Beaufschlagung des Radeintritts 9 durch den stromaufwärtigen Zuströmkanal 7a zu gewährleisten, weist der Schließkopf 16 eine konisch sich verjüngende Eintrittsöffnung 26 auf, wodurch weiter ein Totregelweg vermieden wird. Um die Dichtheit zwischen Turbinengehäuse 5 und dem Schieber 15 zu gewährleisten, ist im stromabwärtigen Anschluß an den Schließkopf ein Kolbenring 27 vorgesehen, der mit der Schieberführung 23 dichtend zusammenwirkt. Als Werkstoff für den Kolbenring ist Haynes Alloy 25 vorgesehen, um die erforderliche Elastizität bei den maximalen Betriebstemperaturen zu gewährleisten. Um ein optimales Zusammenwirken zwischen Kolbenring 27 und Buchse 24 zu gewährleisten, ist die Buchse aus dem Werkstoff Brico PMS 2600 ausgeführt, was zum einen die erforderliche Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit und zum anderen das Schmiervermögen besitzt. Der feste Sitz der Buchse 24 wird mittels einer Presspassung gewährleistet. Im Gegensatz zu dem nach Fig. 1 dargestellten Schiebers ist der Schieber nach den Fig. 3a und 3b aus dem Werkstoff Brico PMS 2600 statt aus dem Gußwerkstoff Inconell 713C ausgeführt.

Hierdurch kann auf den für Inconell notwendigen, aufwendigen Gießprozeß verzichtet werden.

Bezugszeichenliste

1

Abgasturbolader

2

Turbine

3

Verdichter

4

Welle

5

Turbinengehäuse

6

Turbinenrad
7a, b Zustromkanal
8a, b Austrittsöffnung

9

Radeintritt

10

Wandung

11

Schaufel

12

Abgaskanal

13

Konturhülse

14

Achse

15

Schieber

16

Schließkopf
17a, b Dichtfläche

18

Antrieb

19

Bypaßkanal
20a, b Ausnehmung

21

Ringdichtung

22

Nut

23

Schieberführung

25

Spalt

26

Eintrittsöffnung

27

Kolbenring

Claims (18)

1. Abgasturbolader (1) mit einer regelbaren Radialturbi­ ne (2), die über eine gemeinsame Welle (4) einen Verdich­ ter (3) antreibt, wobei ein mehrflutig ausgeführtes Turbi­ nengehäuse (5) das Turbinenrad (6) umgibt und mindestens zwei, ringförmig das Turbinenrad (6) umgebende Zuströmka­ näle (7a, 7b) aufweist, deren Austrittsöffnungen (8a, 8b) zumindest abschnittsweise den Radeintritt (9) des Turbi­ nenrades (6) umgeben und axial voneinander beabstandet so­ wie mittels einer Wandung (10) voneinander abgetrennt sind, und wobei ein ringförmiger, axial verschieblicher Schieber (15) zum Öffnen und Schließen der Austrittsöff­ nung (8a, 8b) zumindest eines Zuströmkanals (7a, 7b) vor­ gesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das ra­ dial innenliegende Ende der Wandung (10) eine ringförmige Dichtfläche (17b) zum Zusammenwirken mit dem Schieber (15) aufweist, und dass der Schieber (15) an seinem zuströmsei­ tigen Ende einen Schließkopf (16) mit einer konischen Dichtfläche (17a) zum Schließen eines Zuströmkanals (7a, 7b) aufweist.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ver­ einigen der Fluten vor dem Radeintritt (9) das Ende der Wandung (10) radial vom Radeintritt (9) beabstandet ist.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im An­ schluß an die Dichtfläche (17a) des Schließkopfes (16) ein zylindrischer Abschnitt zum Abdecken der Austrittsöffnung (8a, 8b) ausgebildet ist.

4. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber (15) zum Regeln seiner Stellung mit einem lade­ druckabhängig gesteuerten Anstrieb (18) gekoppelt ist.

5. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Au­ ßendurchmesser des Schiebers (15) von einer zylindrischen Dicht- und/oder Führungsfläche (23) des Turbinengehäuses (5) und der Innendurchmesser vom Durchmesser des Radein­ tritts (9) bestimmt wird.

6. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber (15) zumindest in Schließstellung in einen zum Radeintritt (9) und Turbinengehäuse (5) ausgebildeten Spalt (25) hineinragt und diesen schließt.

7. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Anprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber (15) den Radeintritt (9) zumindest in Schließ­ stellung einen axialen Abschnitt des Radeintritts (9) überdeckt.

8. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Ab­ gasturbolader (1) ein Turbinenrad (6) aufweist, dessen Radeintritt (9) sich im Wesentlichen über die gesamte axiale Abmessung der Schaufelblätter (11) erstreckt.

9. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Radeintritt (9) zumindest einen schiebeseitigen Abschnitt mit zylindrischer Kontur aufweist.

10. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber (15) eine konisch sich verjüngende Eintrittsöff­ nung (26) aufweist, die stromabwärts in einen zylindri­ schen Abschnitt übergeht.

11. Abgasturbolader nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zy­ lindrische Abschnitt des Schiebers (15) zumindest in Schließstellung den Abschnitt mit zylindrischer Kontur des Radeintritts (9) abdeckt.

12. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber (15) den Abgasakanal (12) der Radialturbine (2) bildet.

13. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass koaxial zum Schieber (15) eine rohrförmige Konturhülse angeordnet ist, die im austrittsseitigen Anschluss an das Turbinenrad (6) den Abgaskanal (12) der Radialturbine (2) bildet.

14. Abgasturbolader nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ab­ gasturbolader einen Bypasskanal (19) aufweist, welcher mit dem verschließbaren Zuströmkanal (7b) in Verbindung steht, wobei die Verbindung mittels des Schiebers (15) ver­ schließbar ist.

15. Abgasturbolader nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, das zwischen dem Turbinengehäuse (5) und dem Schieber (15) eine Dich­ tung vorgesehen ist, die den Schieber (15) bei Schließ­ stellung kontaktiert und die Verbindung unterbricht und eine am Schieber ausgebildete Ausnehmung (20a) bei Bypass­ stellung des Schiebers (15) die Kontaktierung der Dichtung unterbricht und die Verbindung zum Bypasskanal (19) frei­ gibt.

16. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kon­ turhülse (13) mit ihrem stromaufwärtigen Ende in die bo­ genförmige Außenkontur des Turbinenrades (6) hineinragt.

17. Abgasturbolader nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zy­ lindrische Konturhülse (13) am Außenumfang mit dem Radein­ tritt (9) fluchtet.

18. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber (15) die Austrittsöffnung (5b) des stromabwärts gelegenen Zuströmkanals (7b) öffnet und schließt und koa­ xial zur Turbinenachse (14) angeordnet ist.