DE2728024A1

DE2728024A1 - Verfahren zum steuern des ladedrucks bei einem verbrennungsmotor und abgasturbolader zum durchfuehren dieses verfahrens

Info

Publication number: DE2728024A1
Application number: DE19772728024
Authority: DE
Inventors: Horst Prof Dr Ing Pfeil
Original assignee: Kuehnle Kopp and Kausch AG
Current assignee: Howden Turbo GmbH
Priority date: 1977-06-22
Filing date: 1977-06-22
Publication date: 1979-01-11
Also published as: DE2728024B2; US4280797A; CS209530B2; IN150216B; IT1105424B; JPS5410823A; DE2728024C3; IT7849994A0; GB1579529A

Description

Anmelder: Aktiengesellschaft

Kühnle, Kopp & Kausch, Friedrich-Ebert-Str. 16 6710 Frankenthai

Verfahren zum Steuern des Ladedrucks bei einem Verbrennungsmotor und Abgasturbolader zum Durchführen dieses Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen des Ladedruckes durch einen Abgasturbolader bei niedriger Vollastdrehzahl eines Motors und gleichzeitig zum Begrenzen des Ladedruckes auf einen vorbestimmten Wert bei hoher Vollastdrehzahl des Motors, mit einer Abgasturbine, deren Laufrad von außen nach innen durchströmt ist und deren Schaufeln im Bereich des Schaufeleintritts im wesentlichen in einer Ebene liegen, welche die Turbinenachse einschließt.

Die Erfindung betrifft weiterhin einon Abgasturbolader zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens_/ mit einer Abgasturbine, deren Laufrad von außen nach innen durchströmt ist und deren Schaufeln im Bereich des Schaufeleintritts im wesentlichen in einer Ebene liegen, welche die Turbinenachse einschließt.

Die Abgasturbine eines Abgasturboladers hat die Aufgabe, die im Abgas des Motors enthaltene Druckenergie (statische Energie), Geschwindigkeitsenergie (kinetische Energie) und Wärme (thermische Energie) möglichst weitgehend in Drehmoment an der Turbinenwelle umzusetzen, um mittels eines auf der gleichen Welle angeordneten Radialverdichterrades die Ladeluft des Motors zu verdichten. Bei den bekannten Verfahren zum Aufladen von Verbrennungsmotoren und bei den bekannten Abgasturboladern ergibt sich aus dem Zusammenwirken der Abgasturbine

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mit dem Verdichter oft ein ungünstiges Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors. Dieses unerwünschte Betriebsverhalten besteht darin, daß bei geringen Motordrehzahlen eine unzureichende, bei hohen Motordrehzahlen eine zu hohe Aufladung des Motors erzielt wird. Dies hat zur Folge, daß im Bereich kleiner Motordrehzahlen eine geringere Leistung zur Verfügung steht, als zum Beschleunigen an sich erforderlich wäre. Bei hohen Drehzahlen dagegen wird die Leistung des Motors in zu großem Ausmaß erhöht, und dies kann zu schädlichen Spitzendrücken im Motor führen.

Zur Anpassung des Ladedruckes wird bei den bekannten Verfahren vielfach der Abgasturbolader derart ausgelegt, daß er bereits im unteren Motor-Drehzahlbereich einen verhältnismäßig hohen Ladedruck liefert. Zur Vermeidung hoher Spitzendrücke im oberen Motordrehzahlbereich wird ein Teil des vom Motor kommenden Auspuffgases unter Umgehung der Abgasturbine abgeblasen. Hierzu sind die verschiedensten Anordnungen von Abblasventilen bekannt, vergleiche beispielsweise die DT-PS 1 203 537, DT-PS 1 238 722, DT-OS 2 613 396 sowie DT-Gm 1 989 619.

Die bekannten Verfahren, eine optimale Ladedruckkurve (Volumenstrom der Ladeluft in Abhängigkeit vom Druck) zu erzielen, sind unbefriedigend, da der Aufwand an Zusatzgeräten (beispielsweise Abblasventilen)die Forderung nach einfachem Aufbau, Zuverlässigkeit und Preisgünstigkeit des Abgasturboladers nicht erfüllen. Gerade die Betriebssicherheit ist jedoch bei Abblasventilen,welche mechanisch bewegte Teile enthalten, nicht immer hinreichend gegeben. Beispielsweise können Rückstände im Abgas, beispielsweise Ölkohle, das Ventil blockieren. Auch Korrosion des Ventiles kann zu Störungen und zu einer Verstopfung des Ventiles führen. Der Ausfall des Abblasventiles

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bringt dann schwere Schaden am Motor und am Abgasturbolader mit sich.

Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, ein Verfahren zum Erhöhen des Ladedruckes,

bei niederer Vollastdrehzahl eines Motors, und gleichzeitig zum Begrenzen des Ladedruckes auf einen

vorbestimmten Wert, bei hoher Vollastdrehzahl des Motors, sowie einen Abgasturbolader zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, bei dem der Ladedruckverlauf dahingehend optimal ist, daß bei geringen Motordrehzahlen der Ladedruck bereits höher ist als bei bekannten Aufladeverfahren und Abgasturboladern, wogegen bei hohen Motordrehzahlen der vom Abgasturbolader gelieferte Druck der Ladeluft einen für den Motor unschädlichen Grenzwert nicht überschreiten soll. Diese Aufgabenstellung soll gelöst werden ohne irgendwelche Zusatzgeräte am Abgasturbolader, also ausschließlich durch Maßnahmen am Abgasturbolader selbst.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Differenz der Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit zwischen Schaufeleintritt und Schaufelaustritt, bezogen auf die Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit am Schaufeleintritt, bei kleinen Drehzahlen mindestens so groß ist wie (und vorteilhaft größer ist als) bei größeren Drehzahlen.

Bei bekannten Verfahren zum Regeln des Ladedruckes, d. h. zum Erzielen einer im vorstehenden Sinne optimalen Ladedruckkurve, ist die Differenz der Umfangskomponente der Strömungs-

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geschwindigkeit zwischen Schaufeleintritt und Schaufelaustritt, bezogen auf die Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit am Schaufeleintritt, bei kleinen Drehzahlen geringer als bei größeren Drehzahlen. Da dieser Quotient ein Maß für die Energieumsetzung der Abgasturbine ist, ist bei bekannten Verfahren die Energieumsetzung bei geringen Drehzahlen geringer als bei höheren Drehzahlen, wodurch sich das vorstehend beschriebene unerwünschte Betriebsverhalten ergibt. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dagegen erhält man überraschenderweise im niederen Drehzahlbereich eine etwas verbesserte Energieumsetzung und bei höheren Drehzahlen eine Begrenzung der Energieumsetzung, die sich derart einstellen läßt, daß ein gewisser Grenzv/ert des Ladedrukkes nicht überschritten wird.

Es hat sich ganz besonders bewährt, wenn die Differenz des Dralls der Strömung zwischen Schaufeleintritt und Schaufelaustritt, bezogen auf den Drall der Strömung am Schaufeleintritt, bei kleinen Drehzahlen mindestens so groß ist wie (und vorteilhaft größer ist als) bei größeren Drehzahlen.

Ein Abgasturbolader zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens , mit einer Abgasturbine, deren Laufrad von außen nach innen durchströmt ist und deren Schaufeln im Bereich des Schaufeleintritts im wesentlichen in einer Axialebene liegen, welche die Turbinenachse einschließt, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln im Bereich des Schaufelaus tritts mit der Radialebene der Schaufeln einen (auf der Druckseite der Schaufeln gemessenen) Austrittswinkel von mindestens 90 einschließen.

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Die erfindungsgemäße Formgebung der Schaufeln im Bereich des Schaufelaustritts löst die Aufgabenstellung ohne Verwendung von Zusatzeinrichtungen ausschließlich durch strömungsbeeinflussende Maßnahmen.

Bekannte Radial-Turbinenräder haben Schaufeln, die im Bereich des Schaufeleintritts im wesentlichen in einer Ebene liegen, welche die Turbinenachse einschließt. Zum Schaufelaustritt hin sind diese Schaufeln entgegen der Strömungsrichtung ("rückwärts") gekrümmt, d.h. die(auf der Druckseite der Schaufeln gemessenen) Austrittswinkel sind kleiner als 90 . Ein solches Turbinenlaufrad ist im Buch "Aufladung von Verbrennungsmotoren" von Zinner, Springer-Verlag 1975, Seite 82, Bild 6.9, zeichnerisch und im gleichen Buch, Seite 217, Bild 10.1 fotografisch dargestellt. Diese bekannten Turbinen haben bei allen Motordrehzahlen eine möglichst hohe Energieumsetzung.

Erfindungsgemäß dagegen sind die Schaufeln der Abgasturbine im Bereich des Schaufelaustritts "vorwärts" gekrümmt, d. h. in Strömungsrichtung umgebogen, so daß diese Schaufeln im Bereich des Schaufelaustritts mit der Radialebene der Schaufeln einen (auf der Druckseite der Schaufeln gemessenen)Austrittswinkel von mindestens 90° einschließen.

Untersuchungen an einem erfindungsgemäß aufgebauten Abgasturbolader führten zu dem überraschenden, der gültigen Lehrmeinung widersprechenden Ergebnis, daß ein derartiges Turbinenrad mit "vorwärts" gekrümmten Schaufeln bei geringen Motordrehzahlen einen genügend hohen, ja sogar größeren Ladedruck liefern kann, bei hohen Motordrehzahlen jedoch nur

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-χ-

einen begrenzten Ladedruck liefert, der die Verwendung von Zusatzeinrichtungen, wie Abblasventilen, überflüssig macht. Alle bisherige Theorie und Praxis schließt dagegen am Schaufelaustritt vorwärts gekrümmte Turbinenschaufeln aus, da bekannte Abgasturbinen so ausgelegt sind, daß sie möglichst in ihrem ganzen Betriebsbereich eine optimale Energieumsetzung erzielen. Diese Forderung nach optimaler Energieumsetzung ist jedoch nur so weit erwünscht, als ein möglichst hoher Ladedruck erwünscht ist, wie beispielsweise beim Beschleunigen des Motors unter Last aus geringer Drehzahl heraus.

Eine optimale Umsetzung der Abgasenergie ist jedoch dann unerwünscht, wenn sie zu einem zu hohen Ladedruck führt, beispielsweise bei Vollast unter hoher Motordrehzahl. Bei den bekannten Ausführungen wird dann, beispielsweise über ein bereits genanntes Abblasventil, ein Teil des Abgases bereits vor Eintritt in die Abgasturbine abgeblasen. Diese Abgasturbine enthält bei den bekannten Abgastu -boladern dann nur noch eine verminderte Abgasmenge, setzt jedoch deren Energieinhalt gemäß den bekannten Auslegungsprinzipien optimal in Ladedruck um. Im Gegensatz hierzu strömt durch den erfindungsgemäßen Abgasturbolader das gesamte Abgas, doch nimmt der Energieumsetzungsgrad (nicht der Wirkungsgrad) in der Turbine in dem Ausmaße ab, wie die Menge an zur Verfügung stehender Energie zunimmt. Das überschüssige Abgas tritt aus der Abgasturbine mit der überschüssigen, unverbrauchten Energie aus, wird also gewissermaßen 'durch die Abgasturbine hindurch abgeblasen". Besondere Abblasventile oder andere Zusatzeinrichtungen sind nicht erforderlich, da die Abgasturbine selbst die Aufgabe eines Abblasventils übernimmt. Aus-

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drücklich ist darauf hinzuweisen, daß der innere Turbinenwirkungsgrad vom (erfindungsgemäß verminderten) Grad der Energieumsetzung nicht berührt wird.

Beträgt der Austrittswinkel 90°, so haben die Schaufeln in ihrer ganzen Erstreckung angenähert ebene Oberflächen, das heißt, nicht nur der Bereich des Schaufeleintritts, sondern auch der Bereich des Schaufelaustritts liegt im wesentlichen in der Axialebene, welche die Turbinenachse einschließt. Dies ist der Fall des reinen "Sternrades".

Vorteilhaft jedoch sind die Schaufeln vorwärts gekrümmt, und der Wert des Austrittswinkels liegt zwischen 90 und 140 . Größere Winkel sind in der Regel weniger vorteilhaft, da dann die Umsetzung der Abgasenergie in höheren Drehzahlbereichen zu gering wird.

Vorteilhaft liegt das Verhältnis zwischen Austrittsdurchmesser und Eintrittsdurchmesser der Schaufeln des Laufrades zwischen 0,5 und 0,75.

Zur Reduzierung der rotierenden !lassen hat vorteilhaft die Rückwand des Turbinenrades einen geringeren Durchmesser als die Schaufeleintritte, insbesondere im Fall des reinen Sternrades.

Aus dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader tritt das Abgas mit hoher kinetischer Energie aus, da insbesondere in hohen Drehzahlbereichen die Abgasenergie im erfindungsgemäßen Abgasturbolader nicht vollständig umgesetzt wird. Zur Ausnutzung dieser im Abgasturbolader nicht umgesetzten Abgasenergie wird vorteilhaft am Ausgang des Turbinenlaufrades ein Ringkanaldiffusor stromabwärts nachgeschaltet. Dies bringt eine

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weitere wesentliche Verbesserung des Motorbetriebes durch die damit erzielte Vergrößerung des Spüldruckgefälles mit sich. Die Spülung des Motorzylinders wird bekanntlich besser, wenn nach öffnen des Auslaßventiles und Abströmen der Auspuff-Druckwelle ein möglichst hoher Unterdruck hinter dem Auslaßventil in der Auspuffleitung entsteht. Durch den erfindungsgemäßen Ringkanaldiffusor wird ein großer Teil der in der Abgasturbine nicht umgesetzten Abgasenergie in statischen Druck umgesetzt. Da der Diffusor gegen die Außenatmosphäre arbeitet, führt dies zu einer Absenkung des Drucknievaus_# auf dem das Turbinenrad arbeitet. Damit sinkt auch das Druckniveau in der Auspuffleitung vor der Abgasturbine und das Spüldruckgefälle wird erhöht.

In üblicher Weise ist der Austritts-Querschnitt des Diffusors größer als der Austrittsquerschnitt der Schaufeln. Vorteilhaft ist dabei der Innendurchmesser am Austritt des Diffusors grosser als der Innendurchmesser am Austritt der Schaufeln, um die Drallkomponente und die Verluste zu verringern. Weiterhin ist vorteilhaft am Austritt des Ringkanaldiffusors ein Leitapparat angeordnet, um den Abgasstrom achsparallel und drallfrei austreten zu lassen.

Das erfindungsgemäße Turbinenlaufrad bringt, insbesondere zusammen mit dem genannten Ringkanaldiffusor, nicht nur die angegebenen Vorteile für den Betrieb des Motors und zur Vermeidung von Abblasventilen, sondern läßt sich im Sonderfall des radialen Sternrades auch besonders preisgünstig fertigen. Insbesondere ist es leicht aus keramischen Werkstoffen herzustellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie der erfindungsgemäße Abgasturbolader werden nachstehend anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

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/In

Fig. 1 und 2 GeschwindigkeitsDreiecke , bei geringer bzw. großer Turbinendrehzahl, an einer rückwärts gekrümmten Schaufel,

Fig. 3 und 4 GeschwindigkeitsurciecKe , bei geringer bzw.

großer Turbinendrehzahl, an einer ebenen Schaufel (eines Sternrades),

Fig. 5 bis 8 Geschwindigkeitsdreiecke, bei geringen bzw. großen Turbinendrehzahlen, an vorwärts gekrümmten Schaufeln,

Fig. 9 zwei Ladedruckkurven

Fig. 10 einen im Bereich des erfindungsgemäßen Turbinenrades aufgeschnittenen Abgasturbolader,

Fig. 11 ein erfindungsgemäßes Turbinenrad, ausgeführt als Sternrad, gesehen von der Austrittsseite her,

Fig. 12 ein Teilstück der Abwicklung des Turbinenrades der Fig. 11 in die Umfangsebene,

Fig. 13 ein erfindungsgemäßes Turbinenrad mit vorwärts gekrümmten Laufschaufeln, von der Austrittsseite her gesehen, und

Fig. 14 ein Teilstück einer Abwicklung des Turbinenrades nach Fig. 13 in die umfangsebene.

In den Geschwindigkeits dreiecken der Fig. 1 bis 8 bezeichnen, in willkürlichen Einheiten:

C₁ Absolutgeschwindigkeit am Schaufeleintritt C₂ Absolutgeschwindigkeit am Schaufelaustritt U₁ Umfangsgeschwindigkeit am Schaufeleintritt u- Umfangsgeschwindigkeit am Schaufelaustritt W₁ Relativgeschwindigkeit am Schaufeleintritt w~ Relativgeschwindigkeit am Schaufelaustritt c ₁ Umfangskomponente am Schaufeleintritt c - Umfangskomponente am Schaufelaustritt

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Weiterhin bezeichnen in den nachfolgenden Erläuterungen zu den Fig. 1 bis 8, ebenfalls in willkürlichen Einheiten oder, soweit es sich um Quotienten handelt, in dimensionslosen Zahlen:

^cu1 ^cu2 Differenz der ümfangskomponente der

c. ^wc Strömungsgeschwindigkeit zwischen

Schaufeleintritt und Schaufelaustritt, bezogen auf die Ümfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit am Schaufeleintritt,

2R Eintrittsdurchmesser der Schaufel

^2r Austrittsdurchmesser der Schaufel

c_u1R - c_u2r Differenz des Dralls der Strömung zwi-

= Q_d sehen Schaufeleintritt und Schaufelaue-

^cu1^R tritt, bezogen auf den Drall der Strö

mung am Schaufeleintritt.

Auch ist bei der Berechnung von ύ und Q, zu berücksichtigen, wenn c . und c ₂ unterschiedliche Richtung und somit unterschiedliche Vorzeichen haben. Fig. 1 zeigt ein Geschwindigkeitsdreieck bei kleiner, Fig. 2 bei großer Drehzahl einer Abgasturbine, deren Turbinenlaufrad konventionelle rückwärts gekrünmte Schaufeln hat. Im Fall der kleinen Turbinendrehzahl (Fig. 1) ergibt sich ein Quotient Q =1,6. Wenn man berücksichtigt, daß Fig. 2 nur den halben Maßstab von Fig. 1 hat, ergibt sich für die große Turbinendrehzahl ein Quotient Q =1,8. Hier ist also der Quotient Q bei kleiner Drehzahl kleiner als bei der größeren Drehzahl, so daß die Forderung des Anspruches 1 vorliegender Anmeldung nicht erfüllt ist.

Fig. 3 und 4 zeigen das Geschwindigkeitsdreieck bei einem erfindungsgemäßen Turbinenlaufrad, welches gemäß Fig. 11 und 12 als reines Sternrad ausgeführt ist. Das Geschwindigkeitsdreieck der Fig. 3 gilt für eine kleine Drehzahl, das Geschwindigkeitsdreieck der Fig. 4 für eine große Drehzahl.

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In diesem Fall erhält man einen Quotienten Q =0,5 für eine kleine Turbinendrehzahl und den gleichen Quotienten Q =0,5 für die große Turbinendrehzahl. Beim reinen Sternrad ist somit bereits das in Anspruch 1 angegebene Verfahrensmerkmal gegeben, daß die Differenz der Umfangskoraponente der Strömungsgeschwindigkeit zwischen Schaufeleintritt und Schaufelaustritt, bezogen auf die Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit am Schaufeleintritt, bei kleinen Drehzahlen so groß ist wie bei größeren Drehzahlen.

Die Fig. 5 und 6 zeigen Geschwindigkeits dreiecke an einer vorwärts gekrümmten Schaufel. Aus Fig. 5 ergibt sich für eine kleine Turbinendrehzahl ein Quotient Q =0,17 und aus Fig. für eine große Turbinendrehzahl ein Quotient Q = 0,1. Diese vorwärts gekrümmte Schaufel erfüllt somit ebenfalls das Verfahrensmerkmal des Kennzeichens des Anspruches 1.

Die Fig. 7 und 8 zeigen die Geschwindigkeits ctreiecke an einer stark vorwärts gekrümmten Schaufel; aus der für eine kleine Turbinendrehzahl geltenden Fig. 7 ergibt sich ein Quotient Q = - 0,17, wogegen sich aus der für eine große Turbinendrehzahl geltenden Fig.8 ein Quotient Q =-0,31 ergibt. Unter Berücksichtigung der Vorzeichen ist auch hier, entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren, der genannte Quotient bei der kleinen Turbinendrehzahl größer als bei der großen Turbinendrehzahl .

Die Fig. 1 bis 8 zeigen, daß man mit einem Sternrad, mit einem Turbinenlaufrad mit vorwärts gekrümmten Schaufeln und schließlich mit einem Turbinenlaufrad mit stark vorwärts gekrümmten Schaufeln das Verfahren des Anspruches 1 ausführen kann. Geht man beispielsweise davon aus, daß der Eintritts-

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durchmesser R der Schaufeln den Wert 2, der Austrittsdurchmesser r der Schaufeln den Wert 1 habe, so ergeben sich aus den Geschwindigkeitsdiagranunen der Fig. 1 bis 8 für den Quotienten Q,, gemäß Anspruch 2, die folgenden Werte: Aus Fig. 1: Q_d = 0,88 aus Fig. 5: Q_d = 0,58

aus Fig. 2: Q, = 1,4 aus Fig. 6: Q_d = 0,55

aus pig. 3: Q, = 0,75 aus Fig. 7: Q_d = 0,42

aus Fig. 4: Q_d = 0,75 aus Fig. 8: Q_d = 0,34

Durch Vergleich dieser Zahlenwerte ergibt sich, daß nur die Geschwindigkeitsdiagramme der Fig. 1 und 2 im Widerspruch zum Verfahren des Anspruchs 2 stehen, wogegen die sich aus den übrigen Figuren 3 bis 8 ergebenden Quotienten im Einklang mit dem Verfahren des Anspruches 2 stehen.

Fig. 9 zeigt den Ladedruck P in Abhängigkeit vom Volumenstrom V in m /see des Verdichters .

Die gestrichelte Kurve 24 zeigt den bei bekannten Abgasturboladern in Abhängigkeit von Motordrehzahl und Motorleistung sich einstellenden Ladedruckverlauf bei Vollast. Diese Kurve läßt den bei Vollast und hoher Motordrehzahl entstehenden, schraffierten Bereich 26 erkennen, in dem der Druck den zulässigen Höchstwert P überschreitet.

³ max

Bei konventionellen Verfahren von Abgasturboladern zum Aufladen von Ladeluft wird dieser schädliche Bereich 26 durch Abblasventile und dergleichen vermieden.

Die ausgezogene Kurve 28 zeigt den Ladedruckverlauf gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader bei Vollast. Die Kurven 24 und 28 schneiden sich in einem oberen Schnittpunkt 30 und einem unteren Schnittpunkt 32. In den zwischen diesen beiden Schnittpunkten gelegenen mittleren Lastbereich wird bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen

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Abgasturboladers sogar ein höherer und somit günstigerer Ladedruck erzielt als gemäß der konventionellen Kurve 24. Im Bereich hoher Motordrehzahlen oberhalb des oberen Schnittpunktes 30, bleibt der Ladedruck dagegen geringer, ohne daß ein Bereich 26 zu hohen Druckes erreicht würde.

Der in Fig. 10 dargestellte Abgasturbolader weist einen Verdichter 34 auf, der die Ladeluft durch den Ansaugstutzen ansaugt und durch den Ausblasstutzen 38 ausbläst. Im Lagergehäuse 40 ist die Turbinenwelle 42 gelagert, welche das Turbinenlaufrad 44 trägt.

Das Abgas tritt durch den Eintrittsstutzen 46 ein, gelangt zum Schaufeleintritt 50 der Schaufeln 52, durchströmt diese Schaufeln von außen nach innen, verläßt diese Schaufeln am Schaufelaustritt 54 und gelangt in den Ringkanaldiffusor 56. Dieser Ringkanaldiffusor 56 erweitert sich erfindungsgemäß, d. h.

a) der Austrittsdurchmesser D des Ringkanaldiffusors 56 ist größer als der größte Austrittsdurchmesser 2r am Schaufelaustritt,

b) der Innendurchmesser i am Austritt des Diff usors 56 ist größer als der Innendurchmesser e am Austritt der Schaufeln 52.

Durch diese Zunahme des Durchmessers wird ein großer Teil der in

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der Abgasturbine nicht umgesetzten Abgasenergie in statischen Druck umgesetzt. Da der Diffusor gegen die Außenatmospäre arbeitet, führt dies zu einer Absenkung des Druckniveaus, auf dem das Turbinenlaufrad 44 arbeitet. Damit sinkt auch das Druckniveau in der Auspuffleitung vor der Abgasturbine und das Spüldruckgefälle wird erhöht.

Nach dem Ringkanaldiffusor 56 durchströmt das Abgas einen Leitschaufelkranz 58. in diesem wird der Abgasstrom achsparallel gerichtet, damit er ohne Drall austreten kann.

Die einfachste Ausführung eines erfindungsgemäßen Turbinenlaufrades 44, nämlich als reines Sternrad, ist in Fig. 11 dargestellt. Diese Fig. 11 zeigt das Sternrad von der Austrittsseite her gesehen. Man erkennt, daß die Schaufeln dieses Sternrades sowohl im Bereich des Schaufeleintritts 50 als auch im Bereich des Schaufelaustritts 54 in einer Axialebene liegen, welche die Achse 60 der Turbine einschließt. Die Schaufeloberflächen sind in ihrer gesamten Erstreckung völlig eben ausgebildet. Bei dieser einfachsten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Turbinenrades erhält man, gemäß Fig. 3 und 4, gleiche Quotienten Q am Schaufeleintritt und am Schaufelaustritt, und ebenfalls gleiche Quotienten Q-. am Schaufeleintritt und am Schaufelaustritt.

Fig. 12 zeigt ein Teilstück der Abwicklung des Turbinenrades der Fig. 11 in die Umfangsebene. Man erkennt die völlig ebene Ausbildung der Turbinenschaufeln. Diese Schaufeln schließen, im Bereich des Schaufelaustritte 54, mit der Radialebene 62 (zur Achse 60 senkrechte Ebene, Zeichenebene der Fig. 11) einen Austrittswinkel β von 90° ein. Der Winkel ist auf der Druckseite 64 der Schaufeln gemessen, d.h. auf der der Strömungsrichtung 66 abgewandten Seite dieser Schaufeln.

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Das Turbinenlaufrad 11 eignet sich wegen der völlig ebenen Ausbildung seiner Schaufeln besonders gut zur Herstellung aus einem keramischen Werkstoff.

Gemäß Fig. 11 verhält sich der größte Austrittsdurchmesser r des Schaufelaustritts zum Durchmesser R des Schaufeleintritts wie O,63. Dieser Wert liegt in den Grenzen des Anspruches 6.

Weiterhin erkennt man in Fig. 11, daß zur Materialeinsparung die Radrückwand 68 sich nur im Bereich der Schaufelaustritte 54 erstreckt; der Durchmesser der Radrückwand 68 ist also kleiner als der Durchmesser ft des Schaufeleintrittes 50 und sogar geringfügig geringer als der größte Durchmesser des Schaufelaustritts 54.

Fig. 13 zeigt von der Austrittsseite her gesehen ein erfindungsgemäßes Turbinenlaufrad, dessen Schaufeln 52 im Bereich des Schaufelaustritts 54 vorwärts, d. h. in Strömungsrichtung (Drehrichtung 66) gekrümmt sind. Der Eintrittsteil 50 der Schaufeln erstreckt sich wiederum in der Axialebene, die durch die Achse der Turbine verläuft. Ebenso wie gemäß Fig. 12 steht somit der Eintrittsteil 50 der Schaufeln senkrecht auf der Radialebene Im Unterschied zu Fig. 12 beträgt jedoch gemäß Fig. 14 der Winkel ß 130° und liegt semit in den Grenzen des Anspruches 4. Diese Formgebung der Schaufeln führt zu Quotienten Q und Q gemäß den Ansprüchen 1

C Q

und 2, wie sie für spezielle Zahlwerte anhand der Fig. 3 bis 8 erläutert wurden.

Das Verhältnis des größten Austrittsradius r zum Eintrittsradius ^R beträgt gemäß Fig. 13 0,63 und liegt somit in den Grenzen des Anspruches 6.

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Claims

Patentanwalt Dipl.-Phys. HANS KLOSE D-68OO Mannheim 1,

1. Verfahren zum Erhöhen des Ladedruckes bei niedriger Vollastdrehzahl eines Motors und gleichzeitig zum Begrenzen des Ladedruckes auf einen vorbestimmten Wert bei hoher Vollastdrehzahl des Motors, mit einer Abgasturbine, deren Laufrad von außen nach innen durchströmt ist und deren Schaufeln im Bereich des Schaufeleintritts im wesentlichen in einer Ebene liegen, welche die Turbinenachse einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit zwischen Schaufeleintritt und Schaufelaustritt, bezogen auf die Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit am Schaufeleintritt, bei kleinen Drehzahlen mindestens so groß ist wie bei größeren Drehzahlen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz des Dralls der Strömung zwischen Schaufeleintritt und Schaufelaustritt, bezogen auf den Drall der Strömung am Schaufeleintritt, bei kleinen Drehzahlen mindestens so groß ist wie bei größeren Drehzahlen.

3. Abgasturbolader zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Abgasturbine, deren Laufrad von außen nach innen durchströmt ist und deren Schaufeln im Bereich des Schaufeleintritts im wesentlichen in einer Ebene liegen, welche die Turbinenachse einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (52) im Bereich des Schaufelaustritts (50) mit der Radialebene (62) der Schaufeln (52)einen (auf der Druckseite 64 der Schaufeln gemessenen) Austrittswinkel (ß) von mindestens 90° einschließen.

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ORIGINAL INSPECTED

4. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (52) jeweils in ihrer ganzen Erstreckung angenähert ebene Oberflächen haben (Fig. 11).

5. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittswinkel (ß) 90° bis 140° beträgt.

6. Abgasturbolader nach Anspruch 3 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen Austrittsdurchmesser (2r) und Eintrittsdurchmesser (2R) der Schaufeln (52) des Laufrades (44) zwischen 0,5 und 0,75 liegt (Fig. 11 und 13).

7. Abgasturbolader nach Anspruch 3 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (s) der Radrückwand (68) geringer ist als der Eintrittsdurchmesser (R) (Fig. 11).

8. Abgasturbolader nach Anspruch 3 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ringkanaldiffusor (56) dem Turbinenlaufrad (44) stromabwärts nachgeschaltet ist.

9. Abgasturbolader nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß der Innendurchmesser (i) am Austritt des Diffusors (56) größer ist als der Innendurchmesser (e) am Austritt der Schaufeln (52) (Fig. 10).

10. Abgasturbolader nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß am Austritt des Ringkanaldiffusors (56) ein Leitapparat (Leitschaufelkranz 58) angeordnet ist (Fig. 10).

11. Abgasturbolader nach Anspruch 3 oder folgenden und insbesondere Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindestein Teil der beanspruchten Bauteile aus keramischem Werkstoff besteht.

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