DE2934041C2 - Gesteuerte Abgasturboladerturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft c^:.ne ge:"euerte Abgasturboladerturbine mit einer schzufellosen Leitvorrichtung, mit mindestens zwei voneinander ς ^trennten, ständig geöffneten und mit einem bestimmten Abgasmassenstrom einer vorgeordneten Brennkraftmaschine verbundenen Zuströmkanälen sowie mindestens einem parallel zu den Zuströmkanälen angeordneten und von diesen abzweigenden Zusatzkanal, der hinsichtlich seines Querschnittsschwerpunktes von derTurbinenachse einen kürzeren Abstand als der Querschnittsschwerpunkt der ständig geöffneten Zuströmkanäle hat, wobei am Eintritt jedes Zusatzkanals ein Verschlußglied einer Steuereinrichtung angeordnet ist, das mit zunehmender Laderdrehzahl im Öffnungssinne bewegbar ist.

Eine Turbine dieser Art ist aus der DE-OS 28 41 759 bekannt. Sie soll es ermöglichen, den maximalen Aufladungsdruck, bei dem die Ladeluft in die Brennkraftmaschine abgegeben wird, zu begrenzen. Da bei verhältnismäßig hohen Drehzahlen oder großer Last viele Turbolader in der Lage sind, Ladeluft an die Brennkraftmaschine bei Drücken abzugeben, die wesentlich höher sind, als die Brennkraftmaschine oder der Turbolader aushalten können. In ähnlicher Weise liegt bei verhältnismäßig geringer Drehzahl oder niedriger Last die Turboladerleistung häufig unter einem minimalen gewünschten Druckwert. Es gibt daher eine Vielzahl von mehr oder weniger komplizierten und teuren Ventilen oder anderen Druckstaumitteln, die so ausgelegt sind, daß der Turboaüfladungsdruek als Funktion vorgegebener Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine eingestellt ist.

So wurde zur Verbesserung des Turboaufladungsdruckes bei verhältnismäßig niedrigen Drehzahlen oder niedriger Last der Brennkraftmaschine ein unterteiltes Turbinengehäuse entwickelt, das mindestens zwei getrennte, ständig geöffnete Zuströmkanäle aufweist.

Hierdurch wird das Abgas der Brennkraftmaschine in mehrere, im wesentlichen gleiche pulsierende Gasströme unterteilt Da diese Konstruktion nicht geeignet ist, eine Überladung der Brennkraftmaschine zu verhindern, sieht die bekannte Turbine neben einem unterteilten Turbinengehäuse ein Ventil und Zusat7kanäle vor, um damit die Gasdurchflußgeschwindigkeit innerhalb des Turbinengehäuses entsprechend den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine zu steuern.

Nach der DE-OS 28 41 759 beginnt die Unterteilung des Einlaßkanals in zwei parallele Zuströmkanäle und zwei parallele Zusatzkanäle erst in der Leitvorrichtung und zwar derart daß die Zuströmkanäle nur im zweiten bis vierten Quadranten des Laufradumfanges in dieses einmünden, während die Zusatzkanäie nur über den ersten Quadranten des Laufradumfanges reichen.

Dies hat zur Folge, daß das Laufrad bei gesperrten Zusatzkanälen nur teilbeaufschlagt sein kann. Die unterschiedliche Länge der Zuström- und Zusatzkanäle bedingt auch noch weitere Nachteile.

Bei der Teiibeaufschiagung des Laufrades, bei der diesem nur in bestimmten Umfangssektoren arbeitsfähigen Fluid aus der Leitvorrichtung zugeführt wird, durchläuft jeder Laufradkanal bei einer Umdrehung des Laufrades eindeutig durchströmte (beaufschlagte) und nicht eindeutig durchströmte (unbeaufschlagte) Sektoren. Gegenüber der Vollbeaufschlagung mit geöffnetem Verschlußglied bzw. Zusatzkanälen ergibt sich bei einer Teilbeaufschlagung am Eintritt in den beaufschlagten Sektor des Laufrades ein instationärer Anfahrvorgang, ausgehend vom Aufstau beim Eintritt der Laufradkanäle in den beaufschlagten Sektor bis zu der Umfangstelle, an der wieder quasistationäre Strömungsverhältnisse erreicht sind. Dabei wird das Fluid im eintretenden Laufradkanal durch den entsprechend aufgestauten Strahl aus der Leitvorrichtung auf seine quasistationäre Relativgeschwindigkeit beschleunigt

Da der Druck im Spalt zwischen der Leitvorrichtung und dem Laufrad an dieser Stelle des Umfanges sowohl gegenüber dem beaufschlagten als insbesondere auch gegenüber dem unbeaufschlagten Sektor höher ist, kann sich im Spalt eine Ausgleichströmung nach beiden Richtungen vorzugsweise aber zum unbeaufschlagten Sektor und damit entgegen der Drehrichtung ausbilden. Da dem beschleunigenden Fluidstrahl bis zu der Stellung, bei der die Laufradteilung völlig in den beaufschlagten Sektor eingetaucht ist, nur ein Teil des Eintrittsquerschnittes in den Laufradkanal zur Verfügung steht, muß die Relativströmung eine unstetige Querschnittserweiterung durchlaufen.

Die Laufradschaufeln werden bis zum Erreichen der quasistationären Strömungsverhältnisse unter stark geänderten Winkeln angeströmt. Der relative Eintrittswinkel ist dabei zunächst gegen die Umfangrichtung gerichtet (180°) und sinkt dann auf seinen quasistationären Wert. Da die relative Austrittsgeschwindigkeit während der Beschleunigungsphase am Laufradaustritt ansteigt, wäscht der absolute Stiömungswinkel ausgehend von der Umfangsrichtung (0°) auf seinen quasistationären Wert an.

In ähnlicher Weise ergeben sich durch den Wechsel beaufschlagter und nichtbeaufschlagter Sektoren unerwünschte Druckgradienten am Ende des beaufschlagten Gebietes. Bei sehr langen unbeaufschlagten Umfangsbögen, und 25% = 90° zählt hierzu, kann infolge des Zentrifugalfeldes sogar eine Rückströmung einsetzen, wobei dieser Turbinensektor als »Verdichter« arbeitet

und die Turbinenleistung mindert

Es ergibt sich somit, daß die bekannte Konstruktion nur für einen einzigen Strömungszustand optimal sein kann. Ändert sich dieser, was gerade bei Fahrzeugantrieben der Fall ist, so ergeben sich in den Zuströmkanälen instabile Strömungserscheinungen, die die durch die Teilbeaufschlagung bewirkten Verluste noch vergrößern.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend von der bekannten Turbine eine AbgasturboIadfTturbine zu schaffen, in deren Leitvorrichtung bei allen Betriebszuständen eine weitgehend gleichförmige Strömung vorherrscht und bei der trotz Veränderung der Strömungsquerschnitte eine günstige Leistungssteuerung sowohl durch die Schluckmenge als auch durch den Eintrittswinkel in das Laufrad erzielt wird.

Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Durch diese Ausbildung wird es ermöglicht, daß sich die Einlaufströmung bei jedem Betriebszustand selbständig und ohne Ausbildung störender Strömungserscheinungen einstellt Damit werden gegenüber bekannten Konstruktionen beträchtlich bessere Tirbinenwirkungsgrade und zugleich ein günstigerer Energieumsatz erzielt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Gesamtanordnung eines Abgasturboladers und einer Brennkraftmaschine (Verbrennungsmotor),

F i g. 2 einen axialen Längsschnitt durch eine Leitvorrichtung mit einem Zusatzkanal,

F i g. 3 einen axialen Längsschnitt durch eine Leitvorrichtung mit zwei Zusatzkanälen,

Fig.4—6 Querschnitte nach den Linien IV-IV, V-V und VI-VI in den F i g. 4 und 5 durch eine Steuereinrichtung für die Leitvorrichtung nach F i g. 3 und

Fig. 7—9 Querschnitte nach den Linien VII-VII, VIII-VIII und IX-IX in den Fig. 7 und 8 durch eine Steuereinrichtung zur Leitvorrichtung nach F i g. 2.

F i g. 1 zeigt eine schematische Gesamtübersicht eines aufgeladenen Verbrennungsmotors 1 mit zweisträngigem Abgasstrom 2, 3, der zu einer Steuereinrichtung 4 führt. Dort wird der zweisträngige Abgasstrom 2, 3 in mehrere, z. B. vier zu einem als radi&le Zwillingsstromturbine ausgebildeten Turbolader 5 führende Ströme 6, 7, 8 und 9 aufgeteilt. Der druckseitige Austritt 10 des Turboladers ist mit einer zu den Zylindern des Verbrennungsmotors 1 rührenden Ladeluftleitung 11 verbunden. Zwischen dem Austritt 10 und der Steuereinrichtung 4 ist symbolisch eine Regeleinrichtung 12 dargestellt, die mit ihrem Stellglied die Verbindung zwischen dem Verdichterzustand (Ladedruck oder hiervon abgeleitete Kenngröße) und der Steuereinrichtung 4 herbeiführt.

F i g. 2 zeigt im axialen Längsschnitt eine Leitvorrichtung 13 der Turbine 5 mit ständig geöffneten Zuströmkanälen 14,15 und einem Zusatzkanal 16, der je nach dem Betriebszustand und Anforderung des Verbrennungsmotors 1 ganz oder teilweise mitbeaufschlagt werden kann. Wie die Zeichnung zeigt, sind die Zuströmkanäle 14, 15 und der Zusatzkanal 16, so angeordnet, daß sie gemeinsam an der Stelle 18 am Umfang des Laufrades 19 der Turbine 5 münden, wobei sich diese Stelle über den gesamten Umfang des

Laufrades verteilt Der Querschnittsschwerpunkt des Zusatzkanals 16 hat von der Turbinenachse einen kleineren Abstand als die Querschnittsschwerpunkte der Zuströmkanäle 14, 15. Wird durch Zuschaltung des Zusatzkanals 16 der Gesamtquerschnitt der Zuström- und Zusatzkanäle vergrößert, so erfolgt zugleich eine Verminderung, jedenfalls keine Vergrößerung des Abstandes des Gesamtquerschnittsschwerpunktes aller Strömungsquerschnitte. Dadurch wird nicht nur das Schluckvermögen der Turbine vergrößert, sondern zugleich auch das Verhältnis zwischen den Meridional- und Umfangsgeschwindigkeitskomponenten am Laufradeintritt vergrößert Dabei erleidet der vom Verbrennungsmotor 1 kommende Abgasmassenstrom nur einen geringen Aufstau und kann leichter, und zwar mit geringerem Druck als bei bekannten Ausführungen in die Turbine einströmen. Er hat somit über die Turbine ein kleineres Enthalpiegefälle.

Infolge des geringen Austrittsdruckes an den Zylindern des Verbrennungsmotors, d. h. des geringen Staudruckes vor dem Ladereintritt ist auch eine geringere Ausschiebearbeit gegenü* -.-.r dem ungeregelten Motor aufzuwenden. Infolgedessen -t.ehi auch mehr Leistung an der Abtriebswelle zur Verfügung.

Fig.3 zeigt im axialen Querschnitt eine Leitvorrichtung 13 der Turbine 5 mit einem weiteren, zweiten Zusatzkanal 17, der ebenfalls so angeordnet ist, daß sein Querschnittsschwerpunkt einen kürzeren Abstand von der Turbinenachse hat, als die Querschnittsschwerpunkte der Zuströmkanäle 14, 15, und so, daß seine Austrittsöffnung ebenso wie die der Z.jströmkanäle 14, 15 und wie der des Zusatzkanals 16 über den gesamten Laufradumfang an der Stelle 18 in diesen einmündet. Der Querschnitt der zuschaltbaren Zusatzkanäle muß dabei so bemessen sein, daß er bei völliger öffnung der Absperrorgane im Nennpunkt des Verbrennungsmotors 1 die Turbinenleistung nur so weit ansteigen läßt, daß der Verbrennungsmotor 1 nicht überladen wird. Diese Abmessungen ergeben sich aus den zur Verfügung stehenden Konstruktionsdaten.

Den Zuströmkanälen 14, 15 und den Zusatzkanälen 16,17 der F i g. 3 ist eine in den F i g. 4 bis 6 dargestellte Steuereinrichtung 4 vorgeschaltet, die vier einzelne Strömungskanäle 26, 27, 28 und 29 für die Massenströme 6,7,8 und 9 der F i g. 1 aufweist. Die Strö.Tiungskanä-Ie 26, 27 sind den ständig geöffneten Zuströmkanälen 14, 15 der Leitvorrichtung 13 der Turbine zugeordnet und durch eine waagerechte Trennwand 20 von den Strömungskanälen 28, 29 getrennt, die die eigentlichen Zusatzkanäle bilden. Am Eingang dieser Strömungskanäle 28,29 sind vom Regler 12 betätigbare Drosselklappen 24,25 angeordnet, mit denen diese Strömungskanäle nach Belieben zugeschaltet werden können. Im Bereich vor den Drosselklappen 24, 25 und der waagerechten Trennwand 20 ist die Steuereinrichtung 4 lediglich durch eine lotrechte Trennwand 21 in zwei parallele Strömung-kanäle 22, 23 aufgeteiK die den Abgasmassenströmen 2,3 der F i g. 1 entsprechen.

Die Fig. 7 bis 9 zeigen eine Steuereinrichtung 4 passend zu der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform mit nur einem Zusatzkanal 16. Die dargestellte Steuereinrichtung 4 nimmt die beiden Abgasströme 2, 3 der Fig. 1 in Strömungskanälen 22, 23 auf, die durch eine lotrechte Trennwand 21 abgete.lt sind. Im rückwärtigen Teil der Steuereinrichtung 4 reicht die lotrechte Trennwand 21 jedoch lediglich bis zu einer im unteren Drittel angeordneten waagerechten Trennwand 30. so daß aus den bisher bestehendpn 7wpi

.Strömungskanälen 22, 23 nun drei Strömungskanäle 26, 27, 31 gebildet sind, die an die Strömungskanale 14, 15, 16 der Leitvorrichtung angeschlossen sind.

Unter dem vorderen Ende der waagerechten Trennwand 30 ist eine von der Regeleinrichtung 12 betätigbare Klappe 32 als Verschlußorgan angeordnet, die im geschlossenen Zustand gegen eine schräge Unterkante 33 der lotrechten Trennwand 21 anliegt und im voll geöffneten Zustand in eine Ausnehmung 34 des Gehäuses der Steuereinrichtung 4 paßt. Je nach dem Betriebszustand und der Anforderung wird bei dieser Ausführungsforni der zusätzliche Ströinungsuanal 31 an den Verbrennungsmotor 1 angeschlossen, wobei zusätzlich eine Verbindung zwischen den nun gemeinsam auf den Strömlingskanal 31 einwirkenden Strömiingskanälen 22,2 ) herbeigeführt wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gesteuerte Abgasturboladerturbine mit einer schaufellosen Leitvorrichtung, mit mindestens zwei voneinander getrennten, ständig geöffneten und mit einem bestimmten Abgasmassenstrom einer vorgeordneten Brennkraftmaschine verbundenen Zuströmkanälen sowie mindestens einem parallel zu den Zuströmkanälen angeordneten und von diesen abzweigenden Zusatzkanal, der hinsichtlich seines Querschnittsschwerpunktes von der Turbinenachse einen kürzeren Abstand als der Querschnittsschwerpunkt der ständig geöffneten Zuströmkanäle hat, wobei am Eintritt jedes Zusatzkanals ein Verschlußglied einer Steuereinrichtung angeordnet ist, das mit zunehmender Laderdrehzahl im Öffnungssinne bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Zuströmkanäle (26, 27) als auch die Zusatzkanäle (28, 29; 31) mit ihren Austrittsöffnungen den gesamten Umfang des Laufrades umgeben.

2. Abgastiiiboladerturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zusatzkanal (31) von zwei Zuströmkanälen (22,23) abzweigt

3. Abgasturboladerturbine nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (4) in einem besonderen, an den Einlaßstutzen der Leitvorrichtung (13) be.'estigbaren Bauteil angeordnet ist