DE4232400C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen verstellbaren Strömungsleitapparat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-AS 10 11 671 ist bereits ein verstellbarer Strömungs­ leitapparat der gattungsgemäßen Art bekannt, bei dem in einer Radialturbomaschine Gase über ein verstellbares Leitgitter einem Laufrad (Radialturbine) zugeführt werden. Das verstellbare Leit­ gitter besteht aus mehreren hintereinander angeordneten Leit­ schaufelkränzen unterschiedlicher Abmessung und/oder Gestalt und ist axial verschieblich und manuell verstellbar.

Ferner ist aus der DE-OS 28 43 202 ein Abgasturbolader mit einem Radialrad, das von einem spiralförmigen Leitkanal umgeben wird, bekannt. Zwischen Leitkanal und Radialrad ist eine ringförmige Trennwand axialfest angeordnet, die an ihrem Umfang verteilte düsenförmige Durchbrechungen aufweist, die aus der zum Radialrad tangentialen Richtung in Richtung auf die Achse des Radialrades geneigt sind. Der ringförmigen Trennwand ist eine in Umfangsrich­ tung verschiebbare Blende vorgeordnet, durch die die düsenförmigen Durchbrechungen in ihrem Querschnitt einstellbar sind.

Des weiteren ist aus der DE-OS 26 33 587 eine rohrförmige Schie­ bevorrichtung zwischen einem zweiflutigen Gehäuse und einem Laufrad eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine bekannt. Eine Regelung im Teillastbereich erfolgt hier durch eine lastabhängige Absperrung einer Flut. Der höchste zulässige Ladedruck wird durch einen Abblaseschieber begrenzt.

Die US-PS 44 92 520 zeigt ein gasturbinengetriebenes Kraftfahrzeug mit einer Radialturbine, die ein verstellbares Leitgitter mit mehreren unterschiedlich konfigurierten Leitschaufelkränzen auf­ weist, dessen axiale Verstellung in Abhängigkeit von Betriebspa­ rametern des Motors vornehmbar ist.

Bei bekannten verstellbaren Strömungsleitapparaten in Form von Leitgittern ohne die Möglichkeit der Abdeckung der Schaufeln durch eine Blende muß eine separate Motorbremsvorrichtung installiert werden, da bei axial hintereinander angeordneten Leitschaufelkrän­ zen nach dem bekannten Stand der Technik die geeignete Darstellung des Drosselquerschnittes durch den Strömungsleitapparat nicht möglich ist.

Ferner haben verstellbare, mit Leitschaufeln versehene Strömungs­ leitapparate der bekannten Art den Nachteil, daß nur eine stufen­ weise Regelung hinsichtlich der Anströmrichtung des Laufrades möglich ist, wodurch ein optimaler Betrieb der Strömungsmaschine nur in gewissen Betriebspunkten erreichbar ist. Eine kontinuier­ liche Regelung des Massendurchsatzes mittels eines azimutal ver­ schieblichen Blendenmechanismus ist zwar bekannt, jedoch wird durch diese Anordnung der Aufbau des Strömungsleitapparates durch die größere Anzahl der beweglichen Teile kompliziert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungs­ gemäßen Strömungsleitapparat mit einem möglichst einfachen Aufbau so auszubilden, daß durch den regelbaren Einströmquerschnitt des Strömungsleitapparates ein Bremsspaltquerschnitt für eine Motor­ bremse darstellbar ist.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches gegebenen Merkmale gelöst.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegt darin, daß ein Bremsspaltquerschnitt für die Motorbremse in einfacher und vorteilhafter Weise durch den Einströmquerschnitt des Strömungs­ leitapparates darstellbar ist. In einer Endstellung bleibt gerade noch jener Drosselquerschnitt (Bremsspaltquerschnitt) offen, der für den Motorbremsbetrieb notwendig ist. Es ist daher keine sepa­ rate Motorbremsvorrichtung notwendig.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 2 kann mittels eines pneumatischen, hydraulischen oder elektrischen Stellers das Leitgitter und damit der Drosselquerschnitt des Bremsspaltes in Abhängigkeit von Betriebsparametern einer Brennkraftmaschine ver­ stellt werden.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Strömungsleitapparates nach Anspruch 3 wird eine kontinuierliche, optimale Regelung der Strömungsmaschine für jeden Lastpunkt erreicht. Eine kontinuier­ liche Änderung des Leitschaufelwinkels wird hier durch die Verwin­ dung der Schaufeln bei in etwa gleichbleibender Breite des Profils erreicht. Im Motorbremsbetrieb werden die Schaufeln aus der Strö­ mung gelenkt und ein Teil der rohrförmigen Verstellhülse größten­ teils über das Laufrad geschoben. Dadurch können Festigkeits­ probleme bei den Schaufeln auch bei höheren Staudrücken vermieden werden.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung nach Anspruch 4 ergibt sich für große Massendurchsätze, da ein großer Durchström­ querschnitt im trapezförmig zulaufenden Schaufelspitzenbereich verfügbar ist.

Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 ist konstruktiv sehr einfach und daher kostengünstig. In dieser Ausführung der Leitschaufeln des Strömungsleitapparates ist ebenfalls eine konti­ nuierliche Regelung der Strömungsmaschine erreichbar, in dem eine Änderung des Schaufelwinkels durch eine mögliche variable Breite des Profils bei gleichbleibendem Krümmungsradius der Skelettlinie des Profils realisiert wird.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung nach Anspruch 6 schafft die Möglichkeit einer Integrierung des feststehenden Teils der Leit­ schaufeln in die Spirale des Abgasturboladers und eine Anordnung des verschiebbaren Teils der Leitschaufeln in kontinuierlicher Fortsetzung des festen Teils der Leitschaufeln. Hierbei können verschiedene Krümmungsradien der Leitschaufelteile vorgesehen werden, weshalb durch diese Ausführung eine große konstruktive Flexibilität gegeben ist.

Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 7 ist eine besonders kostengünstige Variante der Herstellung der Strömungsleiteinrich­ tungen des Strömungsleitapparates, da die Durchbrechungen bei­ spielsweise durch Anbringen von schrägen Bohrungen in einen rohr­ förmigen Ausgangskörper dargestellt werden können.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung nach Anspruch 8 optimiert die Bauweise des Strömungsleitapparates dahingehend, daß durch dessen teilweise Ausbildung als Kolben eine baulich einfache Möglichkeit für eine hydraulische Regelung des Strömungsleitapparates ge­ schaffen wird.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 9 ist der Drosselquerschnitt der Motorbremse kontinuierlich einstell­ bar.

In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise anhand eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Meridianteilschnitt eines Laufrades in ei­ nem Gehäuse mit einem Strömungsleitapparat in einer erfindungsgemäßen Ausbildung als verstell­ bares Leitgitter, welches Bestandteil einer Ver­ stellhülse ist,

Fig. 2 in einer gleichen Anordnung wie Fig. 1 eine End­ stellung der Verstellhülse mit dem Leit­ gitter in einer Stellung für Motorbremsbetrieb,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der wesentlichen Elemente für einen Betrieb einer Brennkraftma­ schine mit motordrehzahlabhängiger Regelung eines Bremsspaltquerschnittes,

Fig. 4 eine Darstellung der erfindungsgemäßen trapez­ förmigen Leitschaufeln,

Fig. 5 eine Darstellung des Strömungsleitapparates mit mehreren axial hintereinander angeordneten Loch­ reihen als Strömungsleiteinrichtungen sowie des Bremsspaltes,

Fig. 6 einen Schnitt von Fig. 5 normal zur Verschiebe­ richtung des Strömungsleitapparates durch eine Lochreihe mit Löchern relativ geringer Neigung bezogen auf die radiale Richtung des Strömungs­ leitapparates und

Fig. 7 in einem Schnitt analog Fig. 6 für eine Lochreihe mit relativ stark geneigten Löchern bezogen auf die radiale Richtung des Strömungsleitapparates.

Fig. 1 zeigt einen Meridianteilschnitt eines Gehäuses 1 mit einem Laufrad 2 einer nicht näher dargestellten Strömungsma­ schine (z. B. Abgasturbolader), die Bestandteil einer nicht dar­ gestellten Brennkraftmaschine ist. Zwischen Gehäuse 1 und Lauf­ rad 2 ist eine axial zu einer Laufradlängsachse 18 verschieb­ liche, ringförmige Verstellhülse 3, die aus zwei rohrförmigen Hülsenteilen 4 und 5 und einem ringförmigen Einsatz in Form eines Leitgitters 6 mit verwundenen Leitschaufeln 7 besteht, angeordnet. Zwischen den verwundenen Leitschaufeln 7 befinden sich somit verwundene Durchführungen 42.

In dem rohrförmigen Hülsenteil 4 befindet sich eine Bohrung 8, die einen Gleitzapfen 9, der in einer Kulisse 10 geführt wird, aufnimmt. An dem Gleitzapfen 9 wird ein nicht dargestelltes Gestänge angelenkt, das wiederum mit einem ebenfalls nicht dar­ gestellten hydraulischen oder pneumatischen Steller verbunden ist, der mit der Brennkraftmaschine kommuniziert.

Durch diesen Mechanismus wird die Verstellhülse 3 in einem Schlitz 13 axial geführt und kann in Abhängigkeit von Betriebs­ parametern der Brennkraftmaschine verstellt werden.

Die Verstellhülse 3 ist mit einem vorzugsweise keramischen Dichtring 11, der in einer Nut 12 der Verstellhülse 3 eingelegt ist, axial abgedichtet. Durch die Verwendung von verschleiß­ festen Materialien (Keramik) kann auf eine gesonderte Schmie­ rung der Gleitflächen verzichtet werden.

Die Leitschaufeln 7 des Leitgitters 6 sind an der Seite des rohrförmigen Hülsenteils 4 relativ stark verwunden (eingeklap­ ptes Profil 14). In der gezeigten Stellung der Verstellhülse 3 (z. B. Startstellung der Brennkraftmaschine), bei der der rela­ tiv stark verwundene Teil der Leitschaufeln 7 die Zuströmung zum Laufrad 2 regelt, wird ein verhältnismäßig geringer Mas­ senstrom durch den relativ engen Querschnitt beschleunigt und mit der hohen radialen Anströmung des Laufrades 2 durch die starke Verwindung der Leitschaufeln 7 ein hohes Nutzmoment an dem Laufrad 2 (Turbine) erzielt. Durch die so verengte Flut wird auch der stationäre Vollastbetrieb im untersten Drehzahl­ bereich verbessert.

Die Verwindung der Schaufeln nimmt dann in Richtung des rohr­ förmigen Hülsenteils 5 kontinuierlich ab (eingeklappte Profile 15 und 16). In einem Abschnitt 17 vor dem rohrförmigen Hülsen­ teil 5 sind die Leitschaufeln 7 des Leitgitters 6 nicht mehr verwunden. Bei Vollastbetrieb wird die Verstellhülse 3 so ver­ schoben, daß der Abschnitt 17 der Leitschaufeln 7 die Zuströ­ mung regelt (Öffnung der Hauptflut). Die Hauptflut ist so aus­ gelegt, daß kein zusätzliches Abblaseventil notwendig ist und ein Laderpumpen vermieden wird.

Fig. 2 zeigt in der gleichen Anordnung wie Fig. 1 die Verstell­ hülse 3 mit den zwei rohrförmigen Hülsenteilen 4 und 5 und dem Einsatz in Form des Leitgitters 6 mit verwundenen Leitschaufeln 7 in einer Stellung für Motorbremsbetrieb.

Durch ein Verschieben der Verstellhülse 3 derart, daß der rohr­ förmige Hülsenteil 5 den Einströmquerschnitt des Laufrades 2 größtenteils abriegelt, kann das Laufrad 2 nicht überdreht werden.

Bei genügend großer Abriegelung des Zuströmquerschnittes des Laufrades 2, so daß nur noch ein Drosselquerschnitt 19 offen bleibt, entsteht ein Staudruck in der Auslaßleitung der Brenn­ kraftmaschine, der als Motorbremse genutzt werden kann.

In Fig. 3 sind schematisch ein Motor 20 und ein Teil eines Ab­ gasturboladers 21 dargestellt, die an ein Steuergerät 22 ange­ schlossen sind.

Das Steuergerät kontrolliert in Abhängigkeit von Motordrehzahl und Betätigung des Bremsknopfes, mit dem der Fahrer die Dauer­ bremse seines Kraftfahrzeuges betätigt, die Stellung des Strö­ mungsleitapparates und damit den Querschnitt des Bremsspaltes (Drosselquerschnitt 19).

Die Eingangssignale 23 und 24 des Steuergeräts 22 sind das Si­ gnal der Motordrehzahl und das Signal der Bremsknopfbetätigung. Das Ausgangssignal 25 ist ein Steuersignal, welches einen Stel­ ler 26, der mit dem Gleitzapfen 9 des Strömungsleitapparates verbunden ist, steuert.

Die Motordrehzahl wird über einen Signalgeber 27 ermittelt, der die Umdrehungen einer Kurbelwelle 28 des Motors induktiv auf­ nimmt und in ein oszillierendes analoges Signal umsetzt. Das Eingangssignal von der Bremsknopfbetätigung ist im wesentlichen ein konstantes Schwellwertsignal mit nur zwei Signalzuständen "ein" und "aus".

Das aus den Eingangssignalen 23 und 24 resultierende Ausgangs­ signal 25 hängt von dem Steueralgorithmus des Steuergerätes 22 ab. Ein sinnvoller Steueralgorithmus ist so ausgelegt, daß bei maximaler Motordrehzahl der Zuströmquerschnitt so abgeriegelt wird, daß die Auslaßventile durch zu hohe Aufsetzgeschwindig­ keit bzw. durch zu weites zurückdrücken in Richtung Kolben nicht überlastet werden und bei niedriger Motordrehzahl der Bremsspalt so eingestellt wird, daß er dem Optimum an erreich­ barer Bremsleistung entspricht.

Fig. 4 zeigt einen Meridianteilschnitt des Strömungsleitappa­ rates mit trapezförmigen Schaufeln 29, die an den rohrförmigen Hülsenteilen 4 und 5 befestigt sind. Die Schaufel 29 ist be­ grenzt durch eine geneigte Schaufelnase 43, ein gerades Schau­ felende 44, eine Schaufelspitze 47 mit Profilsehne 45 und eine Schaufelwurzel 48 mit Profilsehne 46. Die Schaufel 29 hat keine Profilierung und die Skelettlinie der Schaufel 29 ist in etwa kreisbogenförmig gekrümmt. Dadurch entsteht für jede Schaufel 29 ein Kreisbogenprofil 30, das in der Zeichnung strichliert angedeutet ist.

In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Strömungs­ leitapparates mit einer rohrförmigen Verstelleinrichtung 31 dargestellt. Die Verstelleinrichtung 31 hat mehrere axial hin­ tereinander angeordnete Lochreihen 32, 33 und 34. Links neben der Lochreihe 32 ist ein Bremsspalt 35 mit einer schrägen Steuerkante 36 in einer Stellung der Verstelleinrichtung 31 für den Motorbremsbetrieb dargestellt.

Der Bremsspalt 35 bildet einen länglichen Ausschnitt, dessen eine der beiden den Ausschnitt erzeugenden Schnittebenen para­ llel und dessen andere Schnittebene leicht geneigt zu einer Radialebene der Verstelleinrichtung 31 liegt. Der Ausschnitt ist dabei so angebracht, daß der entstehende Spalt am Mantel der Verstelleinrichtung 31 den größeren Teil des Mantelumfangs einschließt. Die Position des Bremsspaltes 35 ist dabei so ge­ legt, daß bei Verschiebung der Verstelleinrichtung 31 nach rechts bis zum Anschlag 37 der Zuströmquerschnitt des Strö­ mungsleitapparates gleich einem minimalen Drosselquerschnitt 38 der Brennkraftmaschine ist.

Die Lochreihen 32, 33 und 34 bestehen aus am Umfang der Ver­ stelleinrichtung 31 gleichmäßig verteilten Löchern 39, 40 und 41 mit einer Neigung ihrer Mittelachsen bezüglich der radialen Richtung der Verstellhülse. Die Neigung der Mittelachsen der Löcher 39, 40 und 41 nimmt von Lochreihe 32 zu Lochreihe 34 zu, so daß in Lochreihe 32 jene Löcher mit der geringsten Neigung der Mittelachse (siehe Fig. 6) zu liegen kommen, was einer Öff­ nung der Hauptflut entspricht. In Lochreihe 34 haben die Löcher 41 eine relativ starke Neigung ihrer Mittelachse (siehe Fig. 7) bezüglich der radialen Richtung der Verstelleinrichtung 31 (Öff­ nung der Startflut) .

Fig. 6 zeigt einen Schnitt von Fig. 5 normal zur Verschiebe­ richtung des Strömungsleitapparates durch die Lochreihe 32 mit den Löchern 39 mit relativ geringer Neigung bezogen auf die radiale Richtung des Strömungsleitapparates.

Fig. 7 zeigt einen Schnitt von Fig. 5 normal zur Verschiebe­ richtung des Strömungsleitapparates durch die Lochreihe 34 mit den Löchern 41 mit relativ großer Neigung bezogen auf die ra­ diale Richtung des Strömungsleitapparates.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann bei einem Strömungsleitapparat mit Strömungsleiteinrichtungen in Form eines Leitgitters dieses auch in zwei oder mehrere Leitgitter aufgeteilt sein, die in Richtung der Laufradlängsachse axial hintereinander angeordnet sind. Die Leitschaufeln jedes dieser Leitgitter können eine andere Neigung zu einer Meridianebene aufweisen oder verwunden sein.

Ferner können auch die trapezförmigen Schaufeln profiliert sein und/oder eine Verwindung aufweisen. Bei trapezförmigen Schau­ feln mit einem Kreisbogenprofil ist in einer konstruktiven Aus­ gestaltung die Verwendung von zweiteiligen Schaufeln, deren feststehendes und verschiebbares Teil in Verschieberichtung der Verstelleinrichtung relativbeweglich sind, möglich.

Des weiteren kann der erfindungsgemäße Strömungsleitapparat auch in zwei- und mehrflutigen Strömungsmaschinen eingesetzt werden. Hierbei müssen lediglich Form und Abmessungen der Durchführungen in dem Strömungsleitapparat auf das gewünschte Regelverhalten und auf die Fluten der Strömungsmaschine abge­ stimmt werden.

In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung des Steuergerätes kann als Eingangssignal statt des konstanten Schwellwertsignales des Bremsknopfes auch ein kontinuierliches oder stufenförmiges Si­ gnal über den Bremsknopf erzeugt werden. Hierdurch kann das Ausgangssignal und damit die Motorbremswirkung nicht nur dreh­ zahlabhängig, sondern in einer Feinabstimmung auch direkt vom Fahrer beeinflußt werden.

Claims (10)

1. Verstellbarer Strömungsleitapparat für eine Abgasturbolader­ turbine einer Brennkraftmaschine,

• - wobei der Strömungsleitapparat einen ringförmigen Einsatz zwi­ schen einem spiralförmigen Leitkanal der Abgasturboladerturbine und einem Laufrad mit radialer oder diagonaler Durchströmungsrichtung umfaßt,
• - und in dem ringförmigen Einsatz über dessen Umfang verteilte Durchführungen angeordnet sind,
• - wobei die vor einer Mündung des spiralförmigen Leitkanals lie­ genden Durchführungen einen Einströmquerschnitt bilden und eine Strömungsverbindung zwischen dem spiralförmigen Leitkanal und dem Laufrad der Abgasturboladerturbine herstellen
• - und der ringförmige Einsatz mit einem verstellbaren, rohrförmigen Hülsenteil eine einstückige, ringförmige Verstellhülse bildet, die in Richtung einer Laufradlängsachse verschiebbar ist,

dadurch gekennzeichnet,
daß durch die axiale Verschiebung der ringförmigen Verstellhülse mit dem direkt neben dem ringförmigen Einsatz liegenden rohrför­ migen Hülsenteil (5) der Einströmquerschnitt derart abriegelbar ist, daß dieser nach der Abriegelung einen Drosselquerschnitt (19) eines Bremsspaltes (35) für eine Motorbremse darstellt.

2. Verstellbarer Strömungsleitapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselquerschnitt (38) des Bremsspaltes (35) in Abhängig­ keit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine einstellbar ist.

3. Verstellbarer Strömungsleitapparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführungen (42) aus mindestens einem Leitschaufelkranz mit verwundenen Leitschaufeln (7) gebildet werden.

4. Verstellbarer Strömungsleitapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Profillänge der Profile in Längsrichtung von in dem ringförmigen Einsatz ausgebildeten Leitschaufeln (29) kontinuier­ lich derart ändert, daß die Fläche, die durch Schaufelnase (43), Schaufelende (44) und durch die Profilsehnen (45, 46) aufgespannt wird, in etwa die Kontur eines Trapezes hat.

5. Verstellbarer Strömungsleitapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (29) keine Profilierung aufweisen und daß die Skelettlinie der Leitschaufeln (29) in etwa kreisbogenförmig gekrümmt ist.

6. Verstellbarer Strömungsleitapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (7, 9) des Leitgitters (6) aus einem fest­ stehenden Teil, der in dem Gehäuse (1) integriert ist und einem verschiebbaren Teil, der mit dem ringförmigen Einsatz verbunden ist, bestehen.

7. Verstellbarer Strömungsleitapparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführungen (42) aus am Umfang der Verstelleinrichtung (31) verteilten Löchern (39, 40, 41) mit einer Neigung ihrer Mittel­ achsen bezüglich der radialen Richtung der Verstellhülse (3) bestehen.

8. Verstellbarer Strömungsleitapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Strömungsleitapparates als Kolben ausgebildet ist, der hydraulisch regelbar ist.

9. Verstellbarer Strömungsleitapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsleitapparat an seinem Mantel mindestens eine schräge Steuerkante (36) aufweist.