DE3105179A1

DE3105179A1 - "einen verdichter antreibender abgas-turbolader fuer eine mit veraenderlicher last und drehzahl betriebene brennkraftmaschine"

Info

Publication number: DE3105179A1
Application number: DE19813105179
Authority: DE
Inventors: Peter Wolfgang Dipl.-Ing. 3170 Gifhorn Manz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1981-02-13
Filing date: 1981-02-13
Publication date: 1982-09-09

Description

Einen Verdichter antreibender Abqas-Turbolader für eine mit
veränderlicher Last und Drehzahl betriebene Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft einen Abgas-Turbolader gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bekanntlich ist bei üblichen Abgas-Turböladern ein optimaler Betrieb nur in einem Lastpunkt der zugeordneten Brennkraftmaschine möglich. Kritisch ist insbesondere der Betrieb bei niedrigen Drehzahlen, da dort die Turbolader zur Erhöhung des Ladedrucks kaum beitragen und die mit dem Turbolader ausgerüstete Brennkraftmaschine, ein schlechtes Ansprechverhalten' besitzt.
Zur Beseitigung dieses Nachteils ist ein Abgas-Turbolader bekannt, der mit einer Vielzahl von verstellbaren Schaufeln am Gehäuse entlang dem Umfang des Laufrads arbeitet. Diese Konstruktion ist im Hinblick auf ihren Aufwand für Großserien, beispielsweise für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, nicht geeignet.
Erheblich günstiger verhalten sich demgegenüber Abgas-Turbolader gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie aus den DE-OS 20 12 957 und 25 58 878, F02b 37/00, bekannt sind. Dort wird mittels einer am Einlaß für die Abgase angeordneten schwenkbaren Klappe bei niedrigen Drehzahlen und demgemäß geringem Ladedruck einer von zwei in Richtung der Laufradachse nebeneinander liegenden, durch eine Zwischenwand geteilten Abgaskanälen gesperrt, so daß dann die in diesem Drehzahlbereich relativ kleine Abgasmenge ausschließlich den anderen Abgaskanal mit entsprechend höherer Geschwindigkeit durchsetzt und demgemäß eine gegenüber dem Betrieb mit beiden Abgaskanälen erhöhte Laderdrehzahl erzeugt.
Eine andere, angesichts der Werkstoffbeanspruchung durch die heißen Abgase kaum realisierbare Konstruktion zur Verringerung des Strömungsquerschnitts für die Abgase bei niedrigen Drehzahlen beschreibt die DE-OS Z3 18 349, F02b, 37/00. Dort rist das Laufrad von einem etwa spiralförmig angeordneten flexiblen Band umschlungen, das mittels einer an seinem einlaßseitigen Ende angreifenden Steuerstange-bei niedrigen Drehzahlen zur Verringerung des sich zwischen ihm und dem Umfang des Laufrads erstreckenden Strömungsquerschnitts für das Abgas dem Laufrad genähert wird. Zusätzlich sind an diesem Band nach innen weisende Wandsegmente angeordnet, die zwei ebenfalls in Richtung der Laufradachse aufeinanderfolgende Abgaskanäle definieren.
Zur Abrundung des Standes der Technik sei noch auf die DE-OS 22 30 718, F02b 37/00, hingewiesen, die einen Abgas-Turbolader mit in der Weise zentripetaler Beaufschlagung des Laufrads-beschreibt, daß das Gehäuse durch eine teilspiralenförmige Zwischenwand in zwei Abgaskanäle unterteilt ist, deren laufradseitige Enden in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt am Laufrad liegen. Demgemäß wird von einem Doppelstrom-Gehäuse gesprochen. Irgendwelche Maßnahmen zur Angleichung der Charakteristik des Turboladers an diejenige der zugehörigen Brennkraftmaschine im Sinne einer Verbesserung des Verhaltens des Turboladers bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine sind bezüglich dieser Konstruktion aber nicht offenbart.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgas-Turbolader gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, also mit der Unkompliziertheit und Robustheit der Konstruktion nach der genannten DE-OS 0 12 957, zu schaffen, der hinsichtlich der Wirksamkeit der Steuerung und damit hinsichtlich seines Verhaltens bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine gegenüber diesem Stand der Technik verbessert ist.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird eine praktisch vollständige Umsetzung der in den Abgasen vorhandenen Druckenergie vor dem Laufrad in kinetische Energie sichergestellt, so daß unnötiga "Energieverluste" im Laufrad vermieden sind. Zu diesem Zweck wird gemäß dem ersten kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 1 das Laufrad so ausgebildet, daß es praktisch nach dem Gleichdruckprinzip wie eine Curtis-Turbine arbeitet. Wesentlich dafür, d.h. für eine möglichst geringe Druckumsetzung im Laufrad, ist ein derart bemessener Ausströmquerschnitt des Schaufelkanals des Laufrads, daß dieser Querschnitt nur wenige Prozent kleiner ist als der entsprechende Einströmquerschnitt. Durch die Änderung der Größe des angeströmten Bereichs des Laufrads in Umfangsrichtung und nicht, wie beim Stand der Technik, in axialer Richtung, kann der jeweils angeströmte Bereich sehr klein und die Anströmgeschwindigkeit sehr groß gemacht werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der ErfiNdung anhand der Zeichnung erläutert. Es stellen dar: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform des Abgas-Turboladers, Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Laufrad, Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform des Turboladers und Fig. 4 einen Längsschnitt durch die'Steuervorrichtung.
Betrachtet man zunächst Fig. 1, so ist bei 1 das Gehäuse des Abgas-Turboladers angedeutet, das den Einlaß 2 für das Abgas aufweist und das bei 3 angedeutete, um die Achse 4 rotierende Laufrad aufnimmt.
Nahe dem Einlaß 2 ist die Klappe 5 im Abgasstrom angeordnet, die mittels der Schwenkachse 6, die mit einer noch zu erläuternden Steuervorrichtung in Verbindung steht, zwischen ihrer dargestellten Lage und einer Öffnungsstellung schwenkbar ist, in der sie parallel zur Abgasströmung verläuft.
In der figürlich dargestellten Lage sperrt die Klappe 5 den in Strömungsrichtung hinter ihr verlaufenden Teil des Umfangs des Laufrads 3 für die Abgasströmung praktisch vollständig, so daß eine Verringerung des Abgasströmungsquerschnitts durch Reduzierung des vom Abgas beaufschlagten Teils des Umfangs des Laufrads 3 auf den Umfangsbereich a erfolgt. In diese Stellung wird die Klappe 5 bei niedrigen Drehzahlen der zugehörigen Brennkraftmaschine, d.h. bei niedrigen Ladedrücken, durch die Steuervorrichtung geschwenkt.
Sobald jedoch der Ladedruck einen vorgegebenen Mindestwert erreicht hat, wird die Klappe 5 in ihre bereits beschriebene Öffnungsstellung geschwenkt, in der sie den Strömungsquerschnitt für das einströmende Abgas praktisch überhaupt nicht beeinflußt, sodaß die eingeströmte'Abgase praktisch den gesamten Umfang des Laufrads 3 beaufschlagen können.
Wesentlich für die Wirksamkeit dieser Maßnahme ist die Gestaltung des Laufrads 3, die anhand Fig. 2 erläutert wird. Der Weg der Abgase ist durch Pfeile angedeutet. Zur Sicherstellung des Gleichstromprinzips sind Einströmfläche 7 und Ausströmfläche 8 des Schaufelkanals 9 annähernd gleich groß d.h. die Ausströmfläche ist nur wenige Prozent kleiner als die Einströmfläche. Hierdurch werden Druckumsetzungen im Laufrad und damit übermäßige Sekundärströmungen weitgehend vermieden. Ein- und Ausströmquerschnitt berechnen sich dabei in üblicher Weise aus der Länge b sowie den Durchmessern d, D1 und 02.
Während in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zusätzlich zu dem Gehäuse und dem Laufrad nur eine Klappe 5 vorhanden ist, die zwecks Verringerung der erforderlichen Verstellkräfte von der Schwenkachse 6 in zwei gleich große Flügel 5' und 5" unterteilt ist,. sieht die Konstruktion nach Fig. 3 in dem Gehäuse 30 mehrere teilspiralförmige Zwischenwände 31, 32 und 33 zur Bildung von insgesamt vier Abgaskanälen 34, 35, 36 und 37 vor, die mit ihren dem Laufrad 45 zugekehrten Enden in Umfangsrichtung des Laufrads versetzt sind. Man erkennt; daß den drei Kanälen 34, 35 und 36 jeweils eine schwenkbare Klappe 38, 39 und 40 zugeordnet ist, deren zugehörige Schwenkachsen 41, 42 und 43 mit der noch zu beschreibenden Steuervorrichtung in Verbindung stehen. Dagegen'weist der innerste Abgaskanal 37 keine derartige Klappe auf.
Dargestellt ist wieder die Lage der Klappen bei niedrigem Ladedruck. Das bedeutet, daß das gesamte dem Einlaß 44 zugeführte Abgas den Abgaskanal 37 durchströmt und den durch den Winkel a charakterisierten relativ kleinen Umfangsbereich des Laufrads 45 beaufschlagt, während mit zunehmendem Ladedruck die Klappen 38, 39 und 40 entweder nacheinander oder gleichzeitig'kontinuierlich geöffnet werden oder aber bei Erreichen eines vorgegebenen Werts des Ladedrucks aus ihrer Schließstellung in ihre Öffnungsstellung schwenken.
Eine mögliche Ausbildung der Steuervorrichtung 50 zeigt Fig. 4. Die Steuerstange 51 steht in der Weise mit der Schwenkachse 6 (Fig. 1) bzw. den Schwenkachsen 41, 42 und 43 (Fig. 3) in Verbindung, daß eine Bewegung der Steuerstange 51 in Fig. 4 nach oben das Schließen der betreffenden Klappe, dagegen eine Bewegung der Stange 51 in Fig. 4 nach unten das tiffnen der Klappe zur Folge hat.
Die Regelstange 51 trägt die beiden Kolben 52 und 53, die in dem Zylinder 54 laufen und diesen in die drei Kammern 55, 56 und 57 unterteilen. Die zwischen den Kolben 52 und 53 liegende innere Kammer 56 steht über die Öffnung 58 in Verbindung mit der Atmosphäre, während die Kammer 57 bei 59 am Ladedruck, dagegen die Kammer 55 bei 60 am Druck im Verdichteransaugstutzen liegt. Bei 61 stützt sich im Zylinder 54 die Druckfeder 62 ab, die dem in der Kammer 57 herrschenden Ladedruck entgegenwirkt.
Betrachtet man zunächst den Vollastfall, so ist der Druck im Verdichteransaugstutzen und damit der Druck in der in Fig. 4 unteren Kammer 55 ungefähr gleich dem Atmpsphärendruck, der auch in'der Kammer 56 herrscht, so daß die Stellung der Regelstange nur durch die Kraft der Feder 62 und den in der in Fig. 4 oberen Kammer herrschenden Ladedruck bestimmt wird. In diesem Betriebszustand, in dem also der Kolben 52 praktisch unwirksam ist, wird die Stellung der Regelstange 51 und damit'die' £Schwenkstellung der Klappen nur durch die Relation zwischen Ladedruck und Federkraft bestimmt. Durch entsprechende Wahl der Abmessungen der Klappe bzw. der Klappen, der Fläche des Kolbens 53 und der Kennlinie der Feder 62 läßt sich so ein bestimmter Ladedruck einregeln.
Bei unterer Teillast der Brennkraftmaschine muß dafür gesorgt werden, daß der Abgasgegendruck vor dem Abgas-Turbolader und damit der spezifische Kraftstoffverbrauch der Maschine möglichst gering'gehalten wird. Zu diesem Zweck erfolgt die Auslegung der Steuervorrichtung 50 so, daß die Klappe 5 (Fig. 1) bzw. die Klappen 38, 39 und 40 (Fig. 3) voll geöffnet sind.
Bei hoher Teillast muß gewährleistet sein, daß entsprechend der jeweiligen Last der gewünschte Ladedruck auftritt.
Die Erfindung gestattet es, den Strömungsquerschnitt für die Abgase einerseits bei niedrigen Drehzahlen so zu verringern, daß mit dem Abgas-Turbolader bereits dann eine Erhöhung des Ladedrucks erzielt Wird, und andererseits den Strömungsquerschnitt in einem solchen Maße bei hohen Drehzahlen zu vergrößern, daß ein unerwünscht hoher Ladedruck ohne Vorhandensein eines Wastegate vermieden ist.
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Claims

Patentansprüche 1Einen Verdichter antreibender Abgas-Turbolader für eine mit veränderlicher Last und Drehzahl betriebene Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Laufrad in einem Gehäuse, das einen Einlaß und einen Auslaß für die Abgase der Brennkraftmaschine aufweist und im Bereich des Einlasses mit zumindest einer schwenkbaren Klappe zur Beeinflussung des Abgas-Strömungsquerschnitts versehen ist, die mit einer den jeweiligen Ladedruck der Brennkraftmaschine berücksichtigenden Steuervorrichtung zur Verringerung des Strömungsquerschnitts bei niedrigen Ladedrücken in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (3) einen Ausströmquerschnitt (8) für die Abgase besitzt, der annähernd gleich dem Einströmquerschnitt (7) des Laufrads (3) ist (Gleichdruckprinzip), und daß die Klappe (5) bei ihrer Schwenkung den von den Abgasen angeströmten Umfangsbereich des Laufrads (3) verändernd angeordnet ist.
2. Abgas-Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (5) neben dem Laufrad (3) mit zur Laufradachse (4) parallel verlaufender Schwenkachse (6) liegt.
3. Abgas-Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (39) zumindest eine vom Einlaß (44) ausgehende, tcilspiralenförmige Zwischenwand (31,32,33) zur Bildung von zumindest zwei Abgaskanälen (34,35,36,37) vorgesehen ist, die zu gegeneinander versetzten Umfangs reichen des Laufrads (38) führen, und daß die Klappe (38,39,40) am einlaßseitigen Ende eines der Abgaskanäle (34,35,36) angeordnet ist.
4. Abgas-Turbolader nach einem der Ansprüche. 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (5) durch eine Schwenkachse (6) in zwei Klappenflügel (5',5") gleicher Fläche unterteilt ist.
5. Abgas-Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (50) zwei mit einer Schwenkachse (6) für die Klappe (5) in Verbindung stehende Kolben (52,53) in einem Zylinder (54) mit drei durch die Kolben (52,53) gebildeten Kammern (55,56,57) enthält, von denen die zwischen den Kolben (52,53) liegende innere Kammer (56) mit der Atmosphäre in Verbindung steht, dagegen die äußeren Kammern (55,57) teils den Ladedruck, teils den Druck im Ansaugstutzen des Verdichters führen, daß ferner an zumindest einem der Kolben (52,53) eine dem Ladedruck entgegenwirkende Feder (60) angreift, und daß die Verbindung zwischen den Kolben (52,53) und der Schwenkachse (6) derart getroffen ist, daß mit zunehmendem Ladedruck die Klappe'(5) zur Vergrößerung des Strömungsquerschnitts in ihre Öffnungsstelluhg geschwenkt wird.