DE19955510C1 - Abgasturbolader - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht von einem Abgasturbolader mit einer Abgasturbine und einem Radialverdichter aus, dessen Laufrad Luft über Leitschaufeln ansaugt und in einen Diffusor fördert. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß die Leitschaufeln in einem Ansaugkanal jeweils um eine radiale Achse schwenkbar gelagert sind und durch die einströmende Luft entgegen der Kraft eines Drehfederelements verstellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Abgasturbolader werden sowohl für selbstzündende Hubkolben­ brennkraftmaschinen mit Qualitätsregelung als auch für fremd­ gezündete Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Qualitätsregelung oder Quantitätsregelung eingesetzt, um die Leistung zu stei­ gern oder die Abgasqualität zu verbessern, indem durch kompri­ mierte Luft die Zylinderladung verbessert und die Expansions­ energie der Verbrennungsgase vermehrt genutzt wird.

Abgasturbolader sind bewährte Hilfsaggregate mit einem einfa­ chen Aufbau und einer langen Lebensdauer. Sie bestehen in der Regel aus einer Abgasturbine mit einer konstanten Schaufelgeo­ metrie, die einen Kreiselverdichter mit einer radialen Schau­ felgeometrie antreibt. Während die Abgasturbine als Strömungs­ maschine gut mit dem Radialverdichter zusammenarbeitet, zeigen beide Aggregate als Abgasturbolader ein anderes Betriebsver­ halten als die Hubkolbenbrennkraftmaschine und sind nur schwer an die Bedürfnisse der Hubkolbenbrennkraftmaschine anzupassen. Legt man den Abgasturbolader für den Vollastbereich der Hub­ kolbenbrennkraftmaschine aus, ist der Förderdruck im Vollast- Niederdrehzahlbereich aufgrund des verringerten Abgasmassen­ stroms durch die Abgasturbine unzureichend. Legt man dagegen den Abgasturbolader für den Vollast-Niederdrehzahlbereich der Hubkolbenbrennkraftmaschine aus, ist das Fördervolumen im Vollastbereich zu hoch, so daß die überschüssige Abgasmenge über ein Bypassventil abgeführt werden muß, um den gewünschten Ladedruck zu erhalten. Dies hat erhebliche Wirkungsgradverlu­ ste zur Folge.

Es sind Abgasturbolader mit einer variablen Schaufelgeometrie bekannt. Die EP 0 598 174 A1 beschreibt einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, dessen Abgasturbine ein Laufrad hat, das von einem mindestens teilweise diagonal durchströmten Leitapparat mit einem spiralförmigen Leitkanal umgeben ist. Dieser besitzt einen ringdüsenförmigen Mündungsbereich, in dem ein variables Leitgitter mit Leitschaufeln angeordnet ist. Bei Vollast der Brennkraftmaschine sind die Strömungsquerschnitte des Leitgitters vollständig geöffnet, während für einen Teil­ lastbetrieb oder Vollast-Niedrigdrehzahlbereich der Brenn­ kraftmaschine die Strömungskanäle des Leitgitters durch Ver­ drehen eines Teils des Leitgitters teilweise abgeriegelt sind. Durch diese Maßnahmen kann im Vollast-Niederdrehzahlbereich der Brennkraftmaschine die Drehzahl der Abgasturbine trotz des verringerten Massenstroms auf einem hohen Niveau gehalten wer­ den und somit das verfügbare Kennfeld auf der Seite der Abga­ sturbine des Abgasturboladers verbreitert werden. Allerdings bleibt das Kennfeld des Radialverdichters mit konstanter Schaufelgeometrie prinzipiell unverändert.

Aus der DE 196 51 498 C1 ist eine Abgasturbine für eine Brenn­ kraftmaschine bekannt. Das Turbinengehäuse ist mit einem axial verschiebbaren Axialschieber versehen, der ein Leitgitter mit Leitschaufeln aufweist und in einem Ringspalt zwischen dem Turbinengehäuse und einer Innenführung geführt ist. Zur Strö­ mungsverbindung zwischen einem Laufrad der Turbine und dem Turbinengehäuse ist ein radialer Ringraum angeordnet. Der Axialschieber gibt in einer zurückgeschobenen Stellung, in der der radiale Ringraum frei von dem Leitgitter ist, eine Auslaß­ öffnung zu einem Abgaskanal frei. Das Leitgitter dient dazu, das Abgasturbinenkennfeld zu geringeren Massenströmen hin zu erweitern oder bei großen Massenströmen eine Bremswirkung zu erzielen.

Um den Vorteil auf der Seite der Abgasturbine möglichst gut nutzen zu können, ist es erforderlich, bis an die Grenzen des Betriebskennfelds des Radialverdichters zu gehen, die durch die Pumpgrenze des Verdichters und die Schlucklinie der Hub­ kolbenbrennkraftmaschine bestimmt sind. Unter "Pumpen" bei Ra­ dialverdichtern versteht man ein Rückströmen des komprimierten gasförmigen Mediums aufgrund einer Stömungsablösung im Ver­ dichterlaufrad aus einem Speichervolumen auf der Druckseite des Radialverdichters, wenn der Massenstrom durch den Radial­ verdichter soweit abfällt, daß der Radialverdichter den erfor­ derlichen Förderdruck gegen den Speicherdruck nicht mehr er­ zeugen kann. Ist der Druck auf der Druckseite des Radialver­ dichters durch die Rückströmung soweit abgefallen, daß der Ra­ dialverdichter wieder einen entsprechenden Förderdruck lie­ fert, setzt die Förderung in Förderrichtung wieder ein, bis sich der Speicher wieder aufgeladen hat und sich der Pumpvor­ gang wiederholt. Das "Pumpen" führt zu hohen mechanischen Be­ lastungen des Abgasturboladers und ist mit einem für den Fah­ rer störenden Geräusch verbunden.

Stärker noch als von den maximal erreichbaren Werten für Drehmoment und Leistung wird der Fahrleistungseindruck eines Kraftfahrzeugs von der Spontanität der Reaktion auf Gaspedal­ bewegungen und - vor allem bei aufgeladenen Brennkraftmaschi­ nen - vom Drehmomentaufbau bei Beschleunigung aus niedrigen Drehzahlen geprägt. Da die Geschwindigkeit des Drehmomentauf­ baus davon abhängt, wie schnell der Ladedruck aufgebaut wird, können hierfür Abgasturbolader mit einer variablen Schaufel­ geometrie auf der Abgasturbinenseite vorteilhaft eingesetzt werden, indem die Leitschaufeln am Beginn eines Beschleuni­ gungsvorgangs aus dem Teillastbereich weitgehend geschlossen werden, so daß die Abgasturbine sehr stark beschleunigt.

Obwohl ein ausreichender Abstand zur Pumpgrenze des Radialver­ dichters im stationären Betrieb eingehalten wird, können in­ stationär kurzzeitig Pumpvorgänge auftreten. Diese Gefahr be­ steht insbesondere, wenn der Fahrer des Kraftfahrzeugs aus ei­ nem Fahrzustand mit einem hohen Verdichterdruckverhältnis schnell das Gaspedal zurücknimmt und die Drehzahl der Brenn­ kraftmaschine, z. B. bei Fahrzeugen mit hydrodynamischen Kupp­ lungen, bzw. Wandlern oder bei Schaltungen mit Zugkraftunter­ brechung, schnell sinkt.

Um das Kennfeld des Verdichters zu niedrigeren Drehzahlen hin zu verbreitern und somit an das breitere Kennfeld der Abga­ sturbine anzupassen, werden im Ansaugkanal Leitschaufeln vor­ gesehen, durch die ein Eintrittsdrall am Verdichterlaufrad er­ zeugt und die Pumpgrenze zu niedrigeren Drehzahlen verschoben wird. Aus der EP 0 196 967 A1 ist ein Abgasturbolader mit Leitschaufeln im Ansaugkanal bekannt, die in Abhängigkeit von Betriebsparametern über einen Stellmechanismus verschwenkbar sind. Dadurch können zwar steuerungs- oder regelungstechnisch alle Möglichkeiten ausgeschöpft werden, jedoch sind die Stell­ einrichtungen baulich relativ aufwendig und störanfällig.

Ferner ist aus der DE-OS 20 60 271 ein Abgasturbolader mit ei­ nem Leitapparat im Ansaugkanal des Verdichters bekannt. Die Leitschaufeln sind gekrümmte, federnde Schaufeln aus Blech oder Kunststoff, die sternförmig im Ansaugkanal mit je einer radialen, feststehenden Eintrittskante angeordnet sind. Die Leitschaufeln wirken selbststeuernd, indem sie durch den Strö­ mungsdruck, der mit dem Massestrom steigt, aus der Ursprungs­ stellung mit der stärksten Krümmung und der größten Draller­ zeugung in eine Stellung mit einer geringeren Krümmung bis zu einer Geradstellung ohne Drallerzeugung gedrückt werden. Diese Vorrichtung, die nur den Massestrom berücksichtigt, ist nicht oder nur schwierig einzustellen.

Schließlich ist aus der DE 38 17 839 A1 eine Vorrichtung zur Drallerzeugung im Einströmbereich von Strömungsmaschinen, ins­ besondere im Lufteintrittsbereich von Verdichtern von Abga­ sturboladern bekannt, wobei im Eintrittsgehäuse der Strömungs­ maschine drallerzeugende, elastisch verformbare und an ihrem einen Ende festgelegte Leitschaufeln angeordnet sind. Die Leitschaufeln sind in ihrer Längserstreckung nachgiebig mit einer Stelleinrichtung verbunden, über die sie in eine ge­ streckte oder bogenförmige Stellung verstellbar sind. Dadurch kann der Drall in Abhängigkeit beliebiger Parameter verändert werden, allerdings sind durch die Stelleinrichtung der Bauauf­ wand und die Störanfälligkeit vergrößert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Breite des Kenn­ felds und das Betriebsverhalten des Radialverdichters mit ein­ fachen, betriebssicheren Mittel zu verbessern. Ein weiterer Effekt ist die Verbesserung des Verdichterwirkungsgrades bei kleinen Drehzahlen in der Teillast und damit eine Senkung des spezifischen Verbrauchs des Motors. Diese Aufgaben werden ge­ mäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach der Erfindung sind die Leitschaufeln in einem Ansaugkanal jeweils um eine radiale Achse schwenkbar gelagert und werden durch die einströmende Luft entgegen der Kraft eines Drehfe­ derelements verstellt. Dadurch können die Leitschaufeln in ih­ rer Ausgangsposition leicht justiert werden. Ferner kann durch die Gestaltung und Auslegung des Drehfederelements die Ver­ stellcharakteristik der Leitschaufeln modifiziert werden und an den jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden. Dabei ist es zweckmäßig, daß die Leitschaufeln so gestaltet und angeordnet sind, daß der erzeugte Drall der Luft mit zunehmendem Masse­ strom abnimmt.

Die Leitschaufeln selbst haben in der Regel eine im wesentli­ chen feste Schaufelgeometrie. Es ist aber auch möglich, daß sie bei der Verstellung ihre Krümmung elastisch ändern, um die Strömungsdynamik zu verbessern. Im einfachsten Fall sind die Leitschaufeln im wesentlichen ebene Bleche. Zur Abstimmung der Drallerzeugung können sie eine dreieckige, parabelförmige oder hyperbelförmige Grundform bzw. Begrenzung haben.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung besitzt der Ansaugka­ nal im Schwenkbereich der Leitschaufeln an seiner Innenkontur eine Abflachung. Dadurch ist es möglich, daß die Leitschaufeln in ihrem äußeren Bereich, der für die Drallerzeugung besonders wichtig ist, eng an die Innenkontur des Ansaugkanals anschlie­ ßen und trotzdem einen relativ großen Schwenkbereich aufweisen können.

Damit die Leitschaufeln sich beim Schwenken bis ans Ende des Schwenkbereichs nicht an der Innenkontur des Ansaugkanals ver­ klemmen, ist es zweckmäßig, an den Enden des Schwenkbereichs einen Anschlag vorzusehen, der in vorteilhafter Weise von der Innenkontur gebildet werden kann, indem diese eine Anschlag­ kante oder Anschlagstufe quer zur Bewegungsrichtung der Leit­ schaufel aufweist.

Als Drehfederelemente können einzelne Drehfedern beliebiger Art verwendet werden. Zweckmäßigerweise sind sie in ihrer Fe­ derkraft und Charakteristik einstellbar. Es können aber auch Federsysteme verwendet werden, die aus mehreren Federelementen und gegebenenfalls Dämpfungselementen zusammengesetzt sind. Diese verhindern Schwingungen der Leitschaufeln. Zweckmäßiger­ weise werden nach einer Ausgestaltung der Erfindung als Dreh­ federelement elastische Festkörper verwendet, in denen die Leitschaufeln gehalten sind und die gleichzeitig zu Lagerung der Leitschaufeln dienen und eine Dämpffunktion haben.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe­ schreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Er­ findung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche ent­ halten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigt:

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Abgasturbolader,

Fig. 2 einen Ansaugkanal mit Leitschaufeln mit unterschied­ lichen Anstellwinkeln in vergrößerter Darstellung,

Fig. 3 eine Variante eines Ansaugkanals im Querschnitt und

Fig. 4 verschiedene Grundformen der Leitschaufeln.

Ein Abgasturbolader 1 besitzt eine Abgasturbine 2 mit einem Laufrad 4. Über ein Spiralgehäuse 6 wird über ein Leitgitter 5 Abgas zugeführt, das durch das Laufrad 4 strömt, dieses an­ treibt und in Strömungsrichtung 8 die Abgasturbine 2 durch ei­ nen Auslaßkanal 7 verläßt.

Das Laufrad 4 der Abgasturbine 2 ist über eine Verbindungswel­ le 27 mit einem Laufrad 15 eines Radialverdichters 3 verbun­ den, das Luft über einen Ansaugkanal 10 und Leitschaufeln 11 ansaugt und in einen Diffusor 16 fördert, der an eine nicht näher dargestellte Brennkraftmaschine angeschlossen ist. Die gemeinsame Rotationsachse 9 der Laufräder 4, 15 und der Welle 27 ist mit 9 bezeichnet.

Im Ansaugkanal 10 sind um eine radiale Achse 28 Leitschaufeln 11 drehbar angeordnet. Sie werden durch Drehfederelemente 13 zur Strömungsrichtung 23 der eintretenden Luft angestellt, so daß die Luft durch die Leitschaufeln 11 eine Bewegungskompo­ nente in Umfangsrichtung 14 erhält (Fig. 2), wodurch die Stoß­ verluste beim Eintritt in das Laufrad 15 verringert werden. Die Ausgangsstellung der Leitschaufeln 11 ist durch eine Flä­ che mit senkrechten Wellenlinien gekennzeichnet, während eine Leitschaufel 11 nach der Verstellung durch ein gestricheltes Muster markiert ist. Die Ausgangsstellung kann durch die Aus­ richtung der Drehfederelemente 13 variiert werden, während sich die Verstellung in Abhängigkeit von dem Massestrom der Luft automatisch aufgrund der Federcharakteristik der Drehfe­ derelemente 13 und der Schaufelgeometrie der Leitschaufeln 11 ergibt.

Die in Fig. 2 dargestellten Drehfederelemente 13 sind elasti­ sche Festkörper, die gleichzeitig zur Lagerung der Leitschau­ feln 11 dienen und eine Schwingungsdämpfung bewirken.

Fig. 3 zeigt eine Variante eines Einlaßkanals 17, dessen In­ nenkontur 29 im Schwenkbereich von Leitschaufeln 12 Abflachun­ gen 18, 19 aufweisen, die mit einer axial verlaufenden Kante 20, 21 abschließen. Die Kanten 20, 21 dienen als Anschläge für die Leitschaufeln 12 und begrenzen deren Schwenkbereich. Zur Stützung des mittleren Drehfederelements 13 sind Streben 22 vorgesehen.

Zur Vereinfachung der Darstellung sind in den Ausführungsbei­ spielen nur zwei Leitschaufeln 11, 12 dargestellt. Selbstver­ ständlich können auf dem Umfang verteilt auch mehrere Leit­ schaufeln 11, 12 vorgesehen werden.

Durch die Form der Leitschaufeln 11, 12 kann die Drallerzeu­ gung modifiziert werden. In Fig. 4 sind drei Grundformen 24, 25, 26 dargestellt, wobei die Grundform 24 eine dreieckige Kontur und die Grundform 25 eine parabelförmige Begrenzung und die Grundform 26 eine hyperbelförmige Begrenzung haben. In ei­ ner einfachen Ausführung sind die Leitschaufel 11, 12 ebene Bleche. Sie können aber auch gekrümmt verlaufen, wobei es zweckmäßig sein kann, daß sie in Längsrichtung elastisch nach­ giebig sind, so daß ihre Krümmung unter der Belastung durch den Massestrom abflacht.

Claims (8)

1. Abgasturbolader mit einer Abgasturbine und einem Radialver­ dichter, dessen Laufrad Luft über Leitschaufeln ansaugt und in einen Diffusor fördert, dadurch gekennzeichnet, daß die Leit­ schaufeln (11, 12) in einem Ansaugkanal (10) jeweils um eine radiale Achse (28) schwenkbar gelagert sind und durch die ein­ strömende Luft entgegen der Kraft eines Drehfederlelments (13) verstellt werden.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (11, 12) so gestaltet und angeordnet sind, daß der erzeugte Drall der Luft mit zunehmendem Mas­ sestrom abnimmt.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leitschaufeln (11, 12) im wesentlichen ebene Bleche sind.

4. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (11, 12) eine dreieckige, parabelförmige oder hyperbelförmige Grundform (24, 25, 26) bzw. Begrenzung haben.

5. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansaugkanal (10) im Schwenkbe­ reich der Leitschaufeln (11, 12) an seiner Innenkontur (29) eine Abflachung (18, 19) aufweist.

6. Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkontur (29) an den Enden des Schwenkbereichs ei­ nen Anschlag (20, 21) bildet.

7. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehfederelemente (13) elasti­ sche Festkörper sind, in denen die Leitschaufeln (11, 12) ge­ halten sind.

8. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Leitschaufeln (11, 12) in ihrer Krümmung elastisch nachgiebig sind.