DE4307098A1 - Abgasturbolader - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei einem gattungsgemäßen, aus der DE-OS 38 03 010 bekannten Abgasturbolader ist vorgesehen, stromauf der Turbine vom Ab­ gasstrom einen Abgasteilstrom abzuzweigen und diesen vorbei an der Turbine über einen Drallkanal stromab der Turbine wieder in den das Turbinenlaufrad verlassenden Abgasstrom zurückzuführen.

Aus der EP-PS 78 637 ist ein Abgasturbolader bekannt, bei welchem der stromauf der Turbine abgezweigte Teilabgasstrom über eine Bypassleitung derart hinter das Turbinenlaufrad ge­ führt wird, daß der Teilstrom keine nennenswerte Richtungsän­ derung erfährt und demzufolge dessen Strömungsgeschwindigkeit kaum reduziert wird, was sich günstig auf die Kühlung der den heißen Motorabgasen ausgesetzten Bauteilen auswirkt. Ferner wird dadurch eine Reduzierung des Abgasgegendruckes, gegen welchen die Brennkraftmaschine ausschieben muß, reduziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruches aufgezeigten Art derart weiterzubilden, daß eine weitere Verbesserung des Wirkungs­ grades des Abgasturboladers und damit eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Brennkraftmaschine erreicht werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kenn­ zeichnenden Teiles des Anspruches 1 und/oder des Anspruches 12 gelöst.

Dadurch, daß konventionelle, ungeregelte Abgasturbolader immer auf einen bestimmten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine aus­ gelegt sind, ist außerhalb dieses Betriebsbereiches immer eine nachdrallbehaftete Abströmung der Abgase von der Turbine ge­ geben. Eine drallfreie Abströmung über einen größeren Be­ triebsbereich kann erreicht werden mit einem geregelten Abgasturbolader, wie z. B. mit der Verwendung eines Laders mit variabler Turbinengeometrie ("mot(technik) 22/1985, S. 128") oder mit der Verwendung eines aus der älteren Anmeldung P 41 33 736.0-13 bekannten Laders mit einem Regelleitrad. Jedoch auch bei derartigen Ladern sind im Normalfall immer noch Betriebs­ bereiche gegeben, in welchen das Abgas die Turbine drallbehaf­ tet verläßt. Dies gilt insbesondere für den Instationärbetrieb, also z. B. beim Beschleunigen, wenn aufgrund des plötzlich er­ höhten Abgasmassenstromes, welcher in die Turbine eintritt und aufgrund der Massenträgheit des Turbinenlaufrades am Eintritt in das Turbinenlaufrad Stoßverluste auftreten. Dieser Drall in der das Turbinenlaufrad verlassenden Strömung führt zu einer Erhöhung des Gegendruckes stromab der Turbine und damit zu ei­ ner Erhöhung des Abgasgegendruckes, gegen welche die Brenn­ kraftmaschine ausschieben muß. Darüber hinaus muß eine drall­ behaftete Strömung einen längeren Weg zurücklegen, wodurch sich Reibungsverluste erhöhen. Bei dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader wird nun erreicht, daß in den Betriebsbe­ reichen, in denen die Abgasströmung das Turbinenlaufrad drall­ behaftet verläßt, ein Teil des Abgasstromes infolge von Zen­ trifugalkräften in den erfindungsgemäßen, vom Abgashauptkanal abgezweigten und bereichsweise als Drallkanal (Nachdrallkanal) ausgebildeten Abgasnebenkanal gelangt. Durch dieses Abzweigen der stark drallbehafteten Anteile der Abgasströmung wird erreicht, daß derjenige Teil der Abgasströmung, welcher nicht in den Nachdrallkanal gelangt, sondern entlang des Abgashaupt­ kanals weiterströmt, keinen oder nur noch einen relativ ge­ ringen Drall aufweist. Dadurch, daß der Teil der Abgasströmung, welcher im Abgashauptkanal noch stark drallbehaftet ist, über den erfindungsgemäßen Nachdrallkanal abgeführt wird, wird die­ ser Anteil ebenfalls nahezu drallfrei, d. h. diese in den Nach­ drallkanal abgezweigte Teilströmung besitzt keinen inneren Drall mehr. Durch diese Drallauslöschung kann der Abgasgegen­ druck reduziert und somit der Turbinenwirkungsgrad bzw. der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine erhöht werden. Eben­ falls verringert sich der Weg, welchen die nun nicht mehr bzw. nur noch geringfügig drallbehaftete Strömung Zurücklegen muß, so daß auch die Reibungsverluste kleiner werden, was sich ebenfalls wirkungsgradverbessernd auswirkt. Die Vermeidung ei­ ner drallbehafteten Abgasströmung hat darüber hinaus den Vor­ teil, daß nachgeschaltete Abgas-Regelorgane, wie z. B. Brems­ klappen und/oder Abgasreinigungseinrichtungen, vor schädlichen Turbulenzen geschützt sind.

Da nun mit dem erfindungsgemäßen, vom Abgashauptkanal abge­ zweigten Abgasnebenkanal (Nachdrallkanal) nicht in jedem Be­ triebsbereich eine vollständige Drallauslöschung erreicht wer­ den kann, ist es, - wie mit Anspruch 3 vorgeschlagen - vorteil­ haft, die in dem abgezweigten Nachdrallkanal geführten Abgase zunächst in einen im wesentlichen parallel zum Abgashauptkanal verlaufenden Leitungsabschnitt zu führen, welcher dann schließlich wieder mit dem Abgashauptkanal zusammengeführt wird. Der vom Abgashauptkanal abgezweigte Nachdrallkanal ist dabei derart ausgebildet, daß nach Umlenkung des Teilstromes in den parallel zum Abgashauptkanal verlaufenden Abschnitt des Abgasnebenkanals der Drall des Teilstromes entgegengesetzt ge­ richtet ist zu dem in dem Abgashauptstrom noch vorhandenen Nachdrall. Werden nun die beiden Abgasströmungen im oder nach dem Turbinengehäuse wieder zusammengeführt, so kommt es aufgrund der unterschiedlichen Drallrichtungen der beiden zu­ sammentreffenden Strömungen ebenfalls zu einer Auslöschung des Dralls, d. h. mit anderen Worten, die nun wieder in einer ein­ zelnen Abgasleitung geführte Abgasströmung ist drallfrei. Mit der Ausgestaltung gemäß Anspruch 5 und 7 ist es dabei möglich, die Stärke des sich in dem Abgasnebenkanal ausbildenden Gegen­ dralls zu beeinflussen, so daß je nach Restdrall in der Haupt­ strömung, welcher ja vom jeweiligen Betriebspunkt der Brenn­ kraftmaschine abhängt, der entsprechende Gegendrall in dem ab­ gezweigten Teilstrom erzeugt werden kann, so daß nach Zusam­ menführung des Teilstromes mit dem Hauptstrom immer eine drallfreie Strömung vorliegt.

Die Steuerung der Gegendrallstärke in dem Abgasnebenkanal kann, wie mit den Ansprüchen 7 bis 11 angegeben, in vorteilhafter Weise auch durch eine gesteuerte, die Turbine umgehende Bypassleitung erfolgen, welche gleichzeitig zur Regelung des Ladedruckes eingesetzt wird.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand mehrerer Ausfüh­ rungsbeispiele näher erläutert.

Im einzelnen zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers in einer Vorderansicht,

Fig. 2 eine turbinenseitige, in der Zeichenebene der Fig. 1 längsgeschnittene Darstellung des Abgasturboladers der Fig. 1,

Fig. 3a die Geschwindigkeitsverhältnisse am Turbinen­ laufrad des Abgasturboladers der Fig. 1 bei stationär nachdrallfreier Abströmung im Ausle­ gepunkt,

Fig. 3b die Geschwindigkeitsverhältnisse am Turbinen­ laufrad des Abgasturboladers der Fig. 1 bei stationär nachdrallbehafteter Abströmung (au­ ßerhalb Auslegepunkt),

Fig. 3c die Geschwindigkeitsverhältnisse am Turbinen­ laufrad des Abgasturboladers der Fig. 1 im Instationärbetrieb (beim Beschleunigen),

Fig. 4 eine turbinenseitige Seitenansicht des Abgasturboladers der Fig. 1,

Fig. 5a, 5b ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers in einer turbinenseitigen längsgeschnittenen Darstellung,

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers in einer turbinenseitigen, längsgeschnittenen Darstel­ lung,

Fig. 7 eine turbinenseitige Seitenansicht des Abgasturboladers der Fig. 6 und

Fig. 8 eine verdichterseitige, in der Zeichenebene der Fig. 1 längsgeschnittene Darstellung des Abgasturboladers der Fig. 1.

Fig. 1 zeigt in einer Vorderansicht einen Abgasturbolader 1 einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasturbine 2 radialer Bauart, deren Turbinenlaufrad 3 (s. Fig. 2) über einen zweiflutig ausgebildeten spiralförmigen Leitkanal 4 vom Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagt wird (Pfeile 5 in den Fig. 1 und 2). Ihre Arbeit gibt das Turbinenlaufrad 3 ab an ein mit ihm über eine Welle 6 drehfest verbundenes im Verdich­ tergehäuse 7 des Laders 1 gelagertes Verdichterlaufrad 8 (s. Fig. 8), welches über die beiden Leitungen 9 und 10 Frischluft ansaugt und diese über einen im Verdichtergehäuse 7 angeord­ neten Drallkanal 11 an die Brennkraftmaschine weiterfördert. Auf den verdichterseitigen Aufbau des Turboladers 1 wird an späterer Stelle noch näher eingegangen.

Als zusätzlicher, äußerer Regeleingriff ist das Turbinenlaufrad 3 von einem Turbinenleitrad 12 konzentrisch umgeben, welches auf der Turboladerwelle 6 relativ verdrehbar zu letzterer ge­ lagert ist (s. Fig. 2). Die Drehzahl dieses Regelleitrades 12 und damit die Geschwindigkeitsverhältnisse an dem Turbinen­ laufrad 3 können über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung gesteuert werden.

Mit den Fig. 3a-3c sind die Geschwindigkeitsverhältnisse an dem Turbinenlaufrad 3 sowohl am Ein- als auch am Austritt in unterschiedlichen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine dar­ gestellt und zwar im Auslegepunkt (Fig. 3a), bei Stationärbe­ trieb außerhalb des Auslegepunktes (Fig. 3b) sowie im Instationärbetrieb während eines Beschleunigungsvorganges (Fig. 3c). Dargestellt sind diese Geschwindigkeitsverhältnisse je­ weils an einem einzelnen Schaufelprofil 50. Die Beschaufelung ist so gewählt, daß sich das Turbinenlaufrad 3 in Richtung des Pfeiles 13 dreht. In Fig. 3a sind die Geschwindigkeitsver­ hältnisse an dem Turbinenlaufrad 3 im Auslegungspunkt bei Teillast aufgezeigt. Die den spiralförmigen Drallkanal 4 sowie das Regelleitrad 12 passierende Strömung tritt mit einer Abso­ lutgeschwindigkeit c_E und unter einem bestimmten Winkel α in das Laufrad 3 ein. Im Stationärbetrieb stellt sich eine be­ stimmte Drehzahl des Turbinenlaufrades 3 ein, so daß am Ein­ tritt in das Laufrad 3 die Strömung eine Ge­ schwindigkeitskomponente u_E in Umfangsrichtung aufweist. Unter der Annahme des Stationärbetriebes ergibt sich dann die schaufelparallele Komponente w_E des Geschwindigkeitsdreiecks. Am Austritt aus dem Turbinenleitrad 3 ist dann entsprechend des an dieser Stelle kleineren Radius′ eine entsprechend geringere Umfangskomponente u_A gegeben. Da am Austritt aus dem Laufrad 3 ebenfalls eine schaufelkongruente Strömung vorliegt, ist auch hier eine Geschwindigkeitskomponente w_A parallel zur Schaufel gegeben. Unter der Voraussetzung einer schaufelkongruenten Strömung verhält sich normalerweise der Betrag der schaufelparallelen Komponente w umgekehrt proportional zu den Strömungsverhältnissen (Strömungsquerschnitt) entlang einer Leitschaufel. Der Betrag der schaufelparallelen Komponente w am Austritt aus dem Laufrad 3 ergibt sich somit aus der Kontinui­ tätsbedingung. Durch geometrische Addition dieser beiden Kom­ ponenten u_A und w_A am Laufradaustritt ergibt sich die resul­ tierende Geschwindigkeit c_A, mit welcher die Strömung das Tur­ binenlaufrad 3 verläßt. Dadurch, daß die Schaufeln des Turbi­ nenlaufrades 3 räumlich gekrümmt sind, verlaufen die schaufelparallele Geschwindigkeitskomponente w_A sowie die re­ sultierende Geschwindigkeit c_A am Austritt aus dem Turbinen­ laufrad 3 natürlich nicht parallel zur Zeichenebene. Es ist zu sehen, daß im Auslegepunkt die Austrittsgeschwindigkeit c_A aus dem Laufrad 3 genau auf die Drehachse 14 des Abgasturboladers 1 gerichtet ist, was bedeutet, daß die Strömung in diesem Be­ triebszustand drallfrei aus dem Turbinenlaufrad 3 austritt. Liegt Stationärbetrieb außerhalb des Auslegepunktes vor (Fig. 3b), so ist zu sehen, daß die resultierende Geschwindigkeit c_A am Austritt aus dem Turbinenlaufrad 3 nicht auf die Drehachse 14 des Laders 1 bzw. des Turbinenlaufrades 3 gerichtet ist, so daß die Strömung hier also das Turbinenlaufrad 3 drallbehaftet verläßt. Eine mögliche Richtung des Dralls ist durch den Pfeil 15 gekennzeichnet. Das gleiche gilt für den in Fig. 3c darge­ stellten Fall, daß Instationärbetrieb vorliegt, d. h. daß das Turbinenlaufrad 3 z. B. infolge eines plötzlich erhöhten Abgas­ massenstromes (nach einem positiven Lastwechsel) beschleunigt werden soll. Aufgrund der Massenträgheit des Laufrades 3 stellt sich am Laufradeintritt während des Instationärbetriebes keine schaufelparallele Strömung ein (Stoßverluste). Das Ergebnis ist auch hier eine nicht auf die Drehachse des Laders gerichtete resultierende Geschwindigkeit c_A am Laufradaustritt und demzu­ folge eine drallbehaftete Abströmung aus der Turbine 2 (Rich­ tung des Dralls angedeutet durch den Pfeil 16). Die Richtung der resultierenden Geschwindigkeit c_A am Austritt aus dem Laufrad 3 wird bestimmt durch den Anströmwinkel α sowie durch den Betrag der Eintrittsgeschwindigkeit c_E (Länge des Pfeiles). Der Betrag der Anströmgeschwindigkeit c_E wird durch die Last und die Drehzahl der Brennkraftmaschine beeinflußt, der An­ strömwinkel α u. a. durch zusätzliche Regeleingriffe am Aufla­ desystem, z. B. hier durch die Drehzahl des abbremsbaren Leit­ rades 12. Durch entsprechende Steuerung dieser Regelleitraddrehzahl läßt sich im Stationärbetrieb über weite Betriebsbereiche sehr wohl ein drallfreies Abströmen der Abgase erreichen. Um jedoch über den gesamten, auch instationären Be­ triebsbereich ein drallfreies bzw. zumindest ein deutlich drallreduziertes Abströmen der Abgase realisieren zu können, ist erfindungsgemäß stromab des Turbinenlaufrades 3 (Fig. 2) noch im Turbinengehäuse 2 von dem Abgashauptkanal 17 ein als Drallkanal 18 (Nachdrallkanal) ausgebildeter, den Abgashaupt­ kanal 17 konzentrisch umgebender Abgasnebenkanal abgezweigt, welcher in einen im wesentlichen parallel zum Abgashauptkanal 17 verlaufenden Kanal 19 übergeht (Fig. 4). Liegt nun eine drallbehaftete Strömung vor, so wird ein Teil des Abgasstromes aufgrund von Fliehkräften in den von dem Abgashauptkanal 17 abgezweigten Nachdrallkanal 18 gelangen (Pfeile 20). Durch dieses Abzweigen eines Teilstromes über den erfindungsgemäßen Drallkanal 18 verliert die im Abgashauptkanal 17 weiterfließende Abgasströmung ihren Drall je nach Betriebs­ zustand der Brennkraftmaschine entweder ganz oder teilweise. Würde der Nachdrallkanal 18 direkt ins Freie geführt werden, wäre lediglich in bestimmten Betriebspunkten eine vollkommene Drallauslöschung im Abgashauptstrom gegeben. In den übrigen Betriebsbereichen würde jedoch, wenn auch nur in geringem Aus­ maße, immer noch ein minimaler Restdrall (Fig. 4, Pfeil 21) üb­ rig bleiben. Um auch in diesen Betriebsbereichen eine nahezu vollkommene Drallauslöschung gewährleiten zu können, ist bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, den Drallkanal 18 in den parallel zum Abgashauptkanal 17 verlaufenden Kanal 19 zu über­ führen. Dem in den erfindungsgemäßen Drallkanal 18 abgezweigten Teilstrom wird durch eine entsprechende Ausbildung des Abzwei­ gungsbereiches ein Drall in der durch die Pfeile 22 aufge­ zeigten Richtung aufgeprägt. Dies bewirkt, daß nach dem Über­ gang des Drallkanals 18 in den parallel zum Abgashauptkanal 17 verlaufenden Kanal 19 der in diesem geführte Teilstrom einen Drall besitzt (Pfeil 23, Fig. 4), welcher entgegengerichtet zu dem Drall (Pfeil 21) in dem Abgashauptkanal 17 (Pfeil 21 in Fig. 4 entspricht den Pfeilen 15 und 16 der Fig. 3b und 3c) ist. Die beiden Abgasströme (Haupt- und Teilstrom) werden nun mittels eines an das Turbinengehäuse 2 angeschlossenen, in der Zeichnung nicht explizit dargestellten Hosenrohres wieder in eine gemeinsame Leitung zusammengeführt. Diese Zusammenführung bewirkt nun aufgrund der entgegengesetzten Drallrichtungen in den beiden Leitungen 17 und 19 eine Reduzierung bzw. eine Aus­ löschung des Gesamtdralls, so daß nach der Zusammenführung wieder eine drallfreie Abgasströmung vorliegt. Der Querschnitt dieser gemeinsamen Leitung kann den gleichen Querschnitt auf­ weisen wie der Abgashauptkanal 17 unmittelbar am Laufradau­ stritt. Ein zur Drallverringerung dem Abgashauptkanal nachge­ schalteter Diffusor mit anschließendem großvolumigen Abgasrohr ist damit nicht erforderlich, wodurch Bauraum eingespart werden kann.

Sowohl die Drallrichtung als auch die Drallstärke, die sich in dem von dem Abgashauptkanal 17 abgezweigten Nachdrallkanal 18 einstellt, hängt dabei davon ab, wie weit die den Nachdrallka­ nal und den Abgashauptkanal voneinander trennende Wandung (Lippe 24, Fig. 2) in den Abzweigungsbereich hineinragt. Bei der Ausführungsform gemäß der beiden Fig. 5a und 5b ist da­ her vorgesehen, daß an das Turbinengehäuse 2 ein Rohr 25 ange­ schlossen ist, welches in dem im Turbinengehäuse 2 angeordneten Teil des Abgashauptkanals 17 bis in den Bereich der Abzweigung des Nachdrallkanals 18 von dem Abgashauptkanal 17 hinein axial verschiebbar gehalten ist. Im Fall der Fig. 5a ist dieses Ab­ gasrohr 25 maximal in den Abzweigungsbereich hineinverschoben. Hierbei sind die gleichen Verhältnisse wie bei der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 2 gegeben, d. h. es bildet sich ein Gegen­ drall mit maximaler Stärke (Pfeil 22) aus. Wird nun das Abgas­ rohr 25 in Richtung des Pfeiles 26 (Fig. 5b) aus dem Turbi­ nengehäuse 2 herausgezogen, so schwächt sich zunächst die Stärke des Gegendralls 22 ab, und zwar bis zu einer bestimmten Stellung des Abgasrohres 25, ab welcher sich dann schließlich die Drallrichtung umkehrt. Aus dem Gegendrall wird dann sozu­ sagen ein Mitdrall (Pfeil 22′). Die Fig. 5b zeigt diejenige Stellung des Abgasrohres 25, ab welcher sich die Richtung des Dralls im Nachdrallkanal 18 gerade umgekehrt hat. Würde man die beiden Abgasströmungen (Haupt- und Teilstrom) mit gleichen Drallrichtungen zusammenführen, würde dies natürlich zu einer Verstärkung des Dralls im Abgashauptstrom führen.

Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, das Rohr 25 lediglich innerhalb des Bereiches zu verschieben, innerhalb welchem dem abgezweigten Teilstrom ein Drall in Richtung des Pfeiles 22 aufgeprägt wird (also zwischen den beiden Stellungen der Fig. 5a und 5b), wobei die Grenzstellung, ab welcher sich die Drallrichtung im Drallkanal 18 gerade umkehrt, genau dann ge­ wählt wird, wenn die Abgasströmung im Abgashauptkanal 17 nach Abzweigung des Teilstromes keinen Restdrall mehr aufweist. Das Verschieben des Rohres 25 erfolgt in Abhängigkeit von Be­ triebsparametern der Brennkraftmaschine über einen in der Zeichnung nicht explizit dargestellten, von einer elektro­ nischen Steuereinheit angesteuerten Stellantrieb.

Eine weitere Möglichkeit, den nach Abzweigung des Teilstromes über den erfindungsgemäßen Nachdrallkanal in der Abgashaupt­ strömung noch vorhandenen Drall auszulöschen, ist mit dem in den Fig. 6 und 7 aufgezeigten Ausführungsbeispiel gegeben. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, von dem die Abgase auf das Turbinenlaufrad 3 führenden Spiralkanal 4 eine Bypassleitung 28 abzuzweigen, welche sich im wesentlichen senkrecht zu der Ebene 44, in welcher der Spiralkanal 4 liegt und im wesentlichen parallel zum Abgashauptkanal 17 erstreckt. Der Querschnitt der Bypassleitung 28 ist über ein Ventil 29 steuerbar. Stromab dieses Ventils 29 mündet der vom Abgas­ hauptkanal 17 abgezweigte erfindungsgemäße Drallkanal 18 in die Bypassleitung 28 ein. Über die steuerbare Bypassleitung 28 kann nun zum einen der Ladedruck beeinflußt werden und zum anderen kann dem diese Bypassleitung 28 passierenden Abgasstrom und damit dem vom Abgashauptstrom über den Drallkanal 18 abge­ zweigten Teilstrom ein Drall in Richtung des Pfeiles 30 auf­ geprägt werden, welcher wiederum entgegengerichtet zu dem in der Abgashauptströmung (im Abgashauptkanal 17) vorhandenen Nachdrall (Pfeil 31) ist (s. auch Fig. 7, welche wiederum den Abgasturbolader in einer turbinenseitigen Seitenansicht zeigt). Die Drallrichtung sowie die Drallstärke hängt ab von der Ex­ zentrizität des Ventils 29, d. h. also vom Abstand der Ventil­ längsachse 32 zu der Linie 33, welche die Längsachsen 60 und 61 der beiden Spiralkanäle 4 in der Zeichenebene miteinander ver­ bindet. Die Drallstärke wird darüber hinaus noch beeinflußt von der momentanen Öffnungsstellung des in der Bypassleitung 28 angeordneten Ventils 29. Das Ventil 29 besteht aus einem den Querschnitt der Bypassleitung 28 steuernden Ventilteller 34, welcher mit einem Ventilschaft 35 verbunden ist, der im Gehäuse des Abgasturboladers geführt wird. Im oberen Bereich ist der Ventilschaft 35 mit einem Außengewinde 36 versehen, über welches der Ventilschaft 35 und damit das gesamte Ventil 29 in einem im Turbinengehäuse angeordneten Innengewinde durch ent­ sprechendes Verdrehen des Ventilschaftes 35 - über den mit letzterem drehfest verbundenen Hebel 51 - axial verschoben wer­ den kann. Die Fig. 6 zeigt das Ventil 29 in seinen beiden Grenzstellungen, also in der Schließstellung (Darstellung rechts der Ventillängsachse 32) und in der maximalen Öffnungs­ stellung (Darstellung links der Ventillängsachse 32), in welcher dem die Turbine umgehenden Abgasteilstrom ein maximaler Drall in Richtung des Pfeiles 30 (Fig. 7) aufgeprägt wird. In Schließstellung des Ventils 29 wird selbstverständlich die in erfindungsgemäßer Weise vom Abgashauptkanal 17 in den erfindungsgemäßen Drallkanal 18 und damit in die Bypassleitung 28 abgezweigte Teilströmung nicht beeinflußt. Erfindungsgemäß wird nun das Ventil 29 derart betätigt, daß jeweils immer solch ein Gegendrall erzeugt wird, daß der im Abgashauptkanal 17 noch vorhandene Restdrall nach dem Zusammenführen der beiden Kanäle ganz oder nahezu ganz ausgelöscht wird. Auch bei diesem Aus­ führungsbeispiel ist vorgesehen, den Nachdrallkanal und den Abgashauptkanal mittels eines in der Zeichnung nicht explizit dargestellten Hosenrohrs wieder in eine gemeinsame Leitung zu­ sammenzuführen, welche den gleichen Querschnitt besitzen kann wie der Abgashauptkanal 17 am Turbinenlaufradaustritt. Wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ist auch hier vorgesehen, das Abgas der Turbine 2 über einen zweiflutigen spiralförmigen Kanal 4 zuzuführen. Wird Stoßauf­ ladung verwendet, sind in der Trennwand 37 zwischen den beiden Fluten Verbindungsöffnungen 38 möglich. Für alle Ausführungs­ beispiele gilt, daß, um eine thermische Überbeanspruchung ver­ meiden zu können, im Turbinengehäuse 2 im Bereich des Kanals 19 bzw. der Bypassleitung 28 Kanäle 39 vorgesehen sind, welche vom Kühlmittel der Brennkraftmaschine durchströmt werden.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf geregelte Turbolader mit einer Radial- oder einer Halbaxialturbine. Die erfindungsgemäße Abzweigung eines Abgasnebenkanals vom Abgashauptkanal stromab der Turbine als Drallkanal ist auch denkbar bei einem ungeregelten Abgasturbolader mit einer Radial- oder Axialtur­ bine.

Es ist ferner möglich, die einzelnen zur Drallauslöschung ein­ gesetzten Komponenten nicht unmittelbar im Turbinengehäuse selbst, sondern in einem separaten Bauteil anzuordnen.

Der Nachdrallkanal 18 kann - je nach vorgesehenem Betriebsbe­ reich und zusätzlicher, weiterer Regeleingriffe am Gesamtsystem - zum Auffangen von Gegendrall nach dem Turbinenlaufrad 3 dem Turbinendrallkanal 4 gleichgerichtet, zum Auffangen von Mit­ drall nach dem Turbinenlaufrad 3 dem Turbinendrallkanal 4 ent­ gegengerichtet gewunden ausgeführt sein, wobei eine gewählte Ausführungsart den Wirk- und Arbeitsbereich festlegt und die andere somit bauartgemäß ausschließt.

Eine weitere, eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Abgasturboladers bewirkende Anordnung eines zusätzlichen Drallkanals kann auch darin bestehen, daß dieser auf der Ver­ dichterseite im Saugbereich, also stromauf vor dem Verdichter­ laufrad angeordnet wird.

Diese neuartige Bauart dient nun nicht der Nachdrallauslö­ schung, sondern bewirkt, daß der angesaugten Luft noch vor dem Eintritt ins Laufrad ein Vordrall aufgeprägt wird, welcher sich positiv auf Verdichterkennfeld, Pumpgrenze und Wirkungsgrad auswirkt. Besonders vorteilhaft ist auch hier eine analog Fig. 2, aber verdichtersaugseitig gewählte Kanalführung, welche sowohl drallfreie Zuströmung als auch - bei voller Ausnutzung des vorhandenen Saugquerschnittes - drallbehaftete Zuströmung ermöglicht.

Fig. 8 zeigt den verdichterseitigen Teil des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1. In dem Verdichtergehäuse 7 ist das Ver­ dichterlaufrad 8 angeordnet, welches hier noch zusätzlich von einem Verdichterleitrad 40 konzentrisch umgeben ist. Das Ver­ dichterlaufrad 8 ist mit dem Turbinenlaufrad 3 über die Welle 6 und das Verdichterleitrad 40 mit dem Turbinenleitrad 12 über eine Hohlwelle 41, welche drehbar auf der Welle 6 gelagert ist, drehfest verbunden. Während des Betriebes wird die Frischluft über die in das Verdichtergehäuse 7 integrierte Ansaugleitung 9 (Gashauptkanal) angesaugt und durch das Verdichterlaufrad 8 in den spiralförmigen Drallkanal 11 gefördert, welcher mit den in der Zeichnung nicht dargestellten Einlaßkanälen der Brenn­ kraftmaschine in Verbindung steht. Parallel zu der Ansauglei­ tung 9 ist eine weitere Leitung 10 angeordnet, welche in einen weiteren spiralförmigen, die Ansaugleitung 9 konzentrisch um­ gebenden Drallkanal 42 (Vordrallkanal) übergeht, welcher wie­ derum noch stromauf des Verdichterlaufrades 8 wieder in die Ansaugleitung 9 einmündet. Über diese zusätzliche Leitung 10 und den Vordrallkanal 42 wird nun mit zunehmendem Volumenstrom ebenfalls Frischluft angesaugt, welcher in dem Vordrallkanal 42 ein Drall aufgeprägt wird, der wiederum beim Eintritt in die Ansaugleitung 9 auf den über die Ansaugleitung 9 direkt ange­ saugten Frischluftstrom teilweise übertragen wird. Der Gesamt­ frischluftstrom tritt somit schon vordrallbehaftet in das Ver­ dichterlaufrad 8 ein, wodurch der am Verdichterlaufrad 8 auf­ tretende durch die Umlenkung des Frischluftstromes verursachte Strömungsverlust reduziert und gleichzeitig der Betriebsbereich des Verdichterkennfeldes erweitert werden kann, innerhalb des­ sen der Verdichter pumpstoßfrei arbeitet.

Der Vordrallkanal 42 kann - je nach vorgesehenem Betriebsbereich und zusätzlicher, weiterer Regeleingriffe am Gesamtsystem - zur Erzielung von Gegendrall vor dem Verdichterlaufrad 8 dem Ver­ dichterdrallkanal 11 gleichgerichtet, zur Erzielung von Mit­ drall vor dem Verdichterlaufrad 8 dem Verdichterdrallkanal 11 entgegengesetzt gewunden ausgeführt sein, wobei eine gewählte Ausführungsart den Wirk- und Arbeitsbereich festlegt und die andere somit bauartgemäß ausschließt.

Die Ausgestaltung der Verdichterseite des Turboladers in der in Fig. 8 beschriebenen Art und Weise ist nicht ausschließlich beschränkt auf Turbolader, welche auf der Turbinenseite mit Maßnahmen zur Nachdrallauslöschung versehen sind. Es ist durchaus auch denkbar, die Verdichterseite eines konventio­ nellen Abgasturboladers in der in Fig. 8 beschriebenen Art und Weise auszugestalten.

Ferner können die gezeigten Verfahren der Nachdrallauslöschung bzw. der Vordrallerzeugung mit zusätzlichen nach- oder vorge­ schalteten Drallkanälen auch bei allgemeinen Strömungsmaschi­ nen, z. B. Gasturbinen, Pumpen oder Verdichtern zur Verbesserung des Systemwirkungsgrades bzw. Erweiterung des Betriebsbereiches vorteilhaft eingesetzt werden.

Claims (14)

1. Abgasturbolader mit einer vom Abgasstrom einer Brennkraft­ maschine beaufschlagten Turbine, mit einem einen angesaugten Frischluftstrom fördernden Verdichter, mit wenigstens einem einen Gasstrom zumindest teilweise auf ein Laufrad des Abgasturboladers leitenden Kanal, mit einem einen Gashaupt­ strom führenden Gashauptkanal und mit wenigstens einem Gasne­ benkanal, welcher wenigstens bereichsweise als Drallkanal aus­ gebildet ist und konzentrisch zum Gashauptkanal angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Drallkanal ein Nachdrallkanal ist, welcher stromab des Turbinenlaufrades von dem den Abgashauptstrom führenden Gas­ hauptkanal abgezweigt ist.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasnebenkanal (18) und der Abgashauptkanal (17) stromab der Stelle der Abzweigung des Abgasnebenkanals (18) vom Abgashauptkanal (17) zusammengeführt sind.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasnebenkanal (18) gebildet ist aus einem noch in­ nerhalb des Turbinengehäuses (2) vom Abgashauptkanal (17) ab­ gezweigten Nachdrallkanal, welcher in einen im wesentlichen parallel zum Abgashauptkanal (17) geführten Kanal (19) über­ geht, welcher wiederum stromab der Stelle der Abzweigung des Nachdrallkanals (18) vom Abgashauptkanal (17) mit letzterem zusammengeführt ist.

4. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachdrallkanal (18) - je nach vorgesehenem Betriebsbe­ reich und zusätzlicher, weiterer Regeleingriffe am Gesamtsystem - zum Auffangen von Gegendrall nach dem Turbinenlaufrad (3) dem Turbinendrallkanal (4) gleichgerichtet, zum Auffangen von Mit­ drall nach dem Turbinenlaufrad (3) dem Turbinendrallkanal (4) entgegengerichtet gewunden ausgeführt ist, wobei eine gewählte Ausführungsart den Wirk- und Arbeitsbereich festlegt und die andere somit bauartgemäß ausschließt.

5. Abgasturbolader nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß an das Turbinengehäuse (2) ein Abgasrohr (25) angeschlossen ist, welches in dem im Turbinengehäuse (2) angeordneten Teil des Abgashauptkanals (17) bis in den Bereich der Abzweigung des Nachdrallkanals (18) von dem Abgashauptkanal (17) hinein axial verschiebbar gehalten ist.

6. Abgasturbolader nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasrohr (25) betriebsparameterabhängig verschiebbar ist.

7. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß von einem den Abgasstrom auf das Turbinenlaufrad (3) füh­ renden spiralförmigen Kanal (4) eine Bypassleitung (28) abgezweigt ist, welche sich im wesentlichen senkrecht zu der­ jenigen Ebene (44), in welcher der den Abgasstrom auf das Tur­ binenlaufrad (3) führende spiralförmige Kanal (4) liegt und im wesentlichen parallel zum Abgashauptkanal (17) erstreckt, wobei der Querschnitt der Bypassleitung (28) über eine Ventil­ einrichtung (29) steuerbar ist, welche Ventileinrichtung (29) zur Erzeugung eines Nachdralls außermittig der Hauptdrallka­ nalrichtung der Turbine (2) angeordnet ist und daß der von dem Abgashauptkanal (17) abgezweigte Nachdrallkanal (18) stromab der Ventileinrichtung (29) in die Bypassleitung (28) einmündet.

8. Abgasturbolader nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung (29) gebildet ist aus einem den Querschnitt der Bypassleitung (28) steuernden Ventilteller (34), welcher mit einem Ventilschaft (35) verbunden ist, der im Gehäuse des Abgasturboladers (1) geführt und über ein Gewinde kontinuierlich (36) axial verschiebbar gehalten ist.

9. Abgasturbolader nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Ventilschaft (35) ein Stellantrieb zur Drehung desselben wirkt.

10. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsquerschnitt der Ventileinrichtung (29) betriebsparameterabhängig steuerbar ist.

11. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinengehäuse (2) im Bereich des Abgasnebenkanals (18) wenigstens einen Flüssigkeitskühlkanal (39) aufweist.

12. Abgasturbolader mit einer vom Abgasstrom einer Brennkraft­ maschine beaufschlagten Turbine, mit einem einen angesaugten Frischluftstrom fördernden Verdichter, mit wenigstens einem einen Gasstrom zumindest teilweise auf ein Laufrad des Abgasturboladers leitenden Kanal, mit einem einen Gashaupt­ strom führenden Gashauptkanal und mit wenigstens einem Gasne­ benkanal, welcher wenigstens bereichsweise als Drallkanal aus­ gebildet ist und konzentrisch zum Gashauptkanal angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Drallkanal ein Vordrallkanal (42) ist, welcher stromauf des Verdichters (7) in den den Frischlufthauptstrom führenden Gashauptkanal einmündet.

13. Abgasturbolader nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Gashauptkanal eine den Frischlufthauptstrom zum Ver­ dichter (7) führende Ansaugleitung (9) ist und daß eine im we­ sentlichen parallel zur Ansaugleitung (9) verlaufende weitere Ansaugleitung (10) vorgesehen ist, die in den Vordrallkanal (42) übergeht, welcher stromauf des Verdichters in die erste Ansaugleitung (9) einmündet.

14. Abgasturbolader nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Vordrallkanal (42) - je nach vorgesehenem Betriebsbe­ reich und zusätzlicher, weiterer Regeleingriffe am Gesamtsy­ stem - zur Erzielung von Gegendrall vor dem Verdichterlaufrad (8) dem Verdichterdrallkanal (11) gleichgerichtet, zur Erzielung von Mitdrall vor dem Verdichterlaufrad (8) dem Ver­ dichterdrallkanal (11) entgegengesetzt gewunden ausgeführt ist, wobei eine gewählte Ausführungsart den Wirk- und Arbeitsbereich festlegt und die andere somit bauartgemäß ausschließt.