DE2253231B2 - Abgasturbolader - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einer Radialturbine, deren Abgasdurchsatz mittels einer relativ zum Turbinenrad axial verschiebbaren Steuerscheibe regelbar ist.

Ein derartiger Abgasturbolader ist ,durch die DT-OS 22 158 bekannt.

Die Radialturbine des bekannten Abgasturboladers wird zentripetal durchströmt und ihre Drehzahl mittels einer am Turbinenaustritt angeordneten, axial verschiebbaren Steuerscheibe gesteuert. Diese Steuerscheibe weist nahezu denselben Querschnitt wie die Abströmfläche der Radialturbine auf, wodurch seine Umströmung einen erheblichen Druckverlust in der Abgasströmung verursacht und sich das in der Radialturbine verfügbare Druckgefälle entsprechend vermin^ dert. Die Verschiebung der Steuerscheibe zur Steuerung des Ladedruckverhältnisses erfolgt durch einen vom Ladedruck in der verdichteten Frischluft beaufschlagten Verstellkolben. Auf Grund der schlecht reproduzierbaren Strömungsverhältnisse beim Umströmen der Steuerscheibe ist es problematisch, die zu verschiedenen Stellungen der Steuerscheibe gehörende Verschiebekraft zu erzeugen.

Es liegt die Aufgabe vor, einen Abgasturbolader zu schaffen, der eine verlustärmere und einfachere Regelmöglichkeit gestattet und der es erlaubt, das unterschiedliche Ladedruckverhältnis der bekannten Abgasturbolader zu stabilisieren. Außerdem soll ein besserer Wirkungsgrad der Turbine, besonders im unteren Drehzahlbereich des aufzuladenen Motors erzielt werden.

Ausgehend von einem Abgasturbolader der eingangs erwähnten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Abgas die Radialturbine zentrifugal durchströmt, daß die als Einströmkonus ausgebildere Steuerscheibe am Turbineneinlauf sitzt und den verfügbaren Einlaßquerschnitt im Sinne konstanter Turbinendrehzahl verändert und daß der an die Radialturbine angekoppelte Radialverdichter mit senkrechtem Austritt (02 = 90°) ausgeführt/ist.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei Verwendung eines Radialverdichters mit senkrechtem Austritt ein durchweg konstantes Verdichtungsverhältnis, unabhängig von der Durchsatzmenge, einzuhalten ist, sofern man gleichzeitig dafür sorgt, daß die Turbinendrehzahl unabhängig von der Motordrehzahl, d. h. unabhängig von der anfallenden Abgasmenge, konstant bleibt.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ergeben sich stabile und verlustarme Strömungsverhältnisse im Turbineneinlauf, so daß die notwendige Verschiebebewegung der Steuerscheibe selbsttätig durch den statischen Druck des Abgases bewirkt werden kann. Die Abströmseite der Radialturbine ist frei von Steuergliedern, so daß sich sehr verlustarme Strömungsverhältnisse einstellen können und sich der Turbolader durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet. -

Die DT-AS 10 34192 zeigt eine radial von außen nach innen durchströmende Turbomaschine, bei der der Querschnitt der Strömungswege durch eine axial verschiebbare Wand verändert werden kann. Es finden sich in dieser Druckschrift aber keine Hinweise darüber, daß diese verschiebbare Wand den verfügbaren Strömungsquerschnitt im Sinne konstanter Turbinendrehzahl zu regeln habe und daß diese Turbine sodann mit einem Radialverdichter einer bestimmten Beaufschlagung zu kombinieren wäre. Darüber hinaus erfolgt beim Anmeldungsgegenstand die Durchströmung der Turbine in umgekehrter Richtung, nämlich zentrifugal.

Die DT-PS 3 64 732 und die FR-PS 5 87 131 sind weitere Beispiele für das Vorbekanntsein axial verschiebbarer Steuerscheiben in radialen Kreiselmaschinen. Aber auch in diesen Druckschriften ist hinsichtlich der erfindungsgemäßen Maßnahmen, nämlich eine zentri-. fugal durchströmte und im Sinne konstanter Turbinnendrehzahl geregelte Turbine mit einem Radialverdichter mit senkrechtem Austritt zu kombinieren, nichts offenbart.

Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, daß die Steuerscheibe mit dem Turbinenrad umläuft und sich mit auf den Schaufelabstand abgestimmten Fingern bis an das äußere Ende der Turbinenbeschaufelung erstreckt. Dadurch werden Totraumzonen und Wirbel verursachende Abrißkanten innerhalb der Turbinenströmung vermieden.

Vorteilhafterweise erfolgt die Verschiebebewegung der Steuerscheibe selbsttätig durch den im Abgas herrschenden Druck gegen die Wirkung einer sich entsprechend den erforderlichen Gesetzmäßigkeiten ändernden Kraft Hierdurch ergibt sich ein besonders geringer baulicher Aufwand für die Durchführung der Regelung. Um die in der Abgassäule herrschenden Druckstöße zu dämpfen, ist es zweckmäßig, daß die Steuerscheibe mit einem Bremskolben verbunden ist, der in einem flüssigkeitsgefüllten Zylinderraum verschiebbar ist.

Schließlich kann es aus baulichen Gründen vorteilhaft sein, daß ein am Ende einer fliegend gelagerten

Welle angeordneter Rotor einerseits die Turbinenbeschaufelung, andererseits die Verdichterbeschaufelung trägt. Die Schaufelkrümmung der Turbine wird am besten so ausgelegt, daß das gesamte adiabatische Gefälle des Arbeitsmediums in dem Turbinenrad abgebaut wird. Im übrigen können die Bemessung des Abgasturboladers, die Art der Beschaufelung und die konstruktiven Einzelheiten mit dem üblichen Fachwissen entsprechend den jeweils herrschenden Einsatzbedingungen festgelegt werden.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand von Zeichnungen beschrieben; darin zeigt . .

F i g. 1 einen Abgasturbolader im Axialschnitt,

F i g. 2 zwei verschiedene Federkennlinien,

F i g. 3 einen Abgasturbolader mit zentraler Wellenlagerung.

Der in F i g. 1 gezeigte Abgasturbolader weist ein aus zwei Gehäusehälften Xa und Xb bestehendes Triebwerksgehäuse auf. In der Gehäusehälfte Xa ist der Eintritt 2 und der Austritt 3 für das Abgas vorgesehen, während die Gehäusehälfte to den Eintritt 4 und den Austritt 5 für die zu verdichtende Frischluft aufweist. In der Gehäusehälfte Xb ist außerdem die Lagerung von Verdichter und Turbine untergebracht. Am einen Ende einer Welle 10 sitzt ein Rotor 11, der einerseits die Turbinenbeschaufelung 6, andererseits die Verdichterbeschaufelung des Radialverdichters 7 trägt. Innerhalb der Welle 10 verläuft eine axial verschiebbare Schubstange 12, die an ihrem rotorseitigen Ende eine Steuerscheibe 13 trägt. An ihrem anderen Ende ist die Schubstange mit einem hier lediglich schematisch als Feder 14 dargestellten Rückholelement verbunden, das seinerseits in einem an die Gehäusehälfte Xb angebauten Zylinderraum 15 untergebracht M. Dieser Zylinder- raum ist mit einer Dämpfungsflüssigkeit gefüllt, die über einen an der Schubstange 12 angebrachten Bremskolben 16 dämpfend auf die Verschiebebewegung der Steuerscheibe einwirkt.

Die Turbinenbeschaufelung 6 ist so ausgelegt, daß in ihr nahezu das gesamte verfügbare adiabatische Gefälle der Abgase abgebaut werden kann. Die Verdichterbeschaufelung ist mit radial endigen Schaufeln (fii = 90°) versehen, da sich hierbei ein konstantes, vom Luftdurchsatz unabhängiges Verdichtungsverhältnis ergibt. Die Strömung in der Radialturbine sowie im Radialverdichter verläuft jeweils zentrifugal um den Fliehkrafteinfluß auf die Strömung ausnützen zu kön-. nen.

Die Wirkungsweise ist folgende: Das einströmende Abgas wird durch die als Einströmkonus ausgebildete Steuerscheibe 13 der Turbinenbeaufschlagung 6 zugeführt, entspannt sich dort unter Arbeitsabgabe und strömt über den Austritt 3 einer nicht dargestellten Auspuffanlage zu. Die in der Radialturbine aufgenommene Energiemenge steht im Radialverdichter zur Aufladung der angesaugten Frischluft zur Verfügung. Da der Frischluftbedarf in einem konstanten, vorherbestimmbaren Verhältnis zum Abgasdurchsatz steht, sind Verdichter und Turbine in ihrer Auslegung dement- 6c sprechend aufeinander abgestimmt.

Die Steuerscheibe 13 hat die Aufgabe, die Verdichtung der Frischluft konstant zu halten unabhängig von der jeweils herrschenden Motordrehzahl und der dementsprechend anfallenden Abgasmenge. Bei der radial endigenden Schaufelform des Radialverdichters muß hierzu dessen Drehzahl konstant gehalten werden. Die Steuerscheibe 13 muß also in Abhängigkeit von der Motordrehzahl den Strömungsquerschriitt für das Abgas in der Turbinenbeschaufelung so steuern, daß dort stets gleichbleibende Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen.

Bei dem Ausführungsbeispiel wird zur Betätigung der Steuerscheibe eine Schraubenfeder 14 eingesetzt, die dem entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit sich ändernden Druck des Abgases Rechnung trägt und durch entsprechende Verschiebung der Steuerscheibe für eine konstante Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in der Turbinenbeschaufelung sorgt. Je nach den konstruktiven Gegebenheiten im Bereich der Einströmöffnung 2 kann die Kennlinie der Schraubenfeder 14 den in F i g. 2 mit 1 oder 2 beaufzeichneten Verlauf haben. Selbstverständlich können ah Stelle einer Schraubenfeder auch beliebige andere Federungselemente wie z. B. Tellerfedern Anwendung finden.

Zur Dämpfung der in der Abgasströmung herrschenden Schwingungen durchquert der mit der Schubstange 12 verbundene Bremskolben 16 bei einer Verschiebung der Steuerscheibe 13 den ölgefüllten Zylinderraum 15, wodurch es zu einer gebremsten Verschiebebewegung kommt.

Der in F i g. 3 dargestellte Abgasturbolader unterscheidet sich von dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich hinsichtlich der getrennten Anordnung von Verdichter und Turbine. Gleichwirkende Teile sind daher mit denselben Bezugszeichen versehen wie in F i g. 1.

Ein Lagergehäuse 40 mit zwei Deckelflanschen 40a und 40b trägt in seinem Zentrum eine Lagerung, in der eine Welle 41 verdrehbar gelagert ist Am einen Ende dieser Welle sitzt ein Turbinenrad 42, am anderen Ende ein Verdichterrad 43. Beide Laufräder sind wiederum in Radialbauweise ausgeführt Die beiden Deckelflansche 40a und 406 sind mit Ein- und Austrittsöffnungen 2, 3 für das Abgas bzw. mit entsprechenden öffnungen 4 und 5 für die zu verdichtende Frischluft versehen. Im Inneren der Welle 41 verläuft wiederum die Schubstange 12 zur Verschiebung der Steuerscheibe 13. Das schematisch als Schraubenfeder 14 dargestellte Rückholelement für die Steuerscheibe 13 ist in einem Einströmkonus 44 des Radialverdichters untergebracht. Ein mit der Schubstange 12 verbundener Bremskolben 16 durchquert bei einer Verschiebung der Steuerscheibe 13 einen flüssigkeitsgefüllten Zylinderraum 15 und dämpft dadurch die Verschiebebewegungen im gewünschten Maß ab. Im übrigen ist die Funktion des Turboladers gleich dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, so daß auf die diesbezügliche Beschreibung verwiesen wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Abgasturbolader mit einer Radialturbine, deren Abgasdurchsatz mittels einer relativ zum Turbinenrad axial verschiebbaren Steuerscheibe regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas die Radialturbine (6) zentrifugal durchströmt, daß die als Einströmkonus ausgebildete Steuerscheibe (13) am Turbineneinlauf sitzt und den verfügbaren ,Einlaßquerschnitt im Sinne konstanter Turbinendrehzahl rehzahl verändert und daß der an die Radialturbine (6) angekoppelte' Radialverdichter (7) mit senkrechtem Austritt (ß2 = 90°) ausgeführt ist.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerscheibe (13) mit dem Turbinenrad umläuft und sich mit auf den Schaufelabstand abgestimmten Fingern bis an das äußere Ende der Turbinenbeschaufelung (6,42) erstreckt.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebebewegung der Steuerscheibe (13) selbsttätig durch den im Abgas herrschenden Druck gegen die Wirkung einer veränderlichen Kraft erfolgt.

4. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerscheibe (13) mit einem Bremskolben (16) verbunden ist, der in einem flüssigkeitsgefüllten Zylinderraum (15) verschiebbar ist.

5. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein am Ende einer fliegend gelagerten Welle (10) angeordneter Rotor (11) einerseits die Turbinenbeschaufelung (6), andererseits die Verdichterbeschaufelung trägt. ■''..'