DE9420469U1

DE9420469U1 - Abgas-Turbolader

Info

Publication number: DE9420469U1
Application number: DE9420469U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-12-22
Filing date: 1994-12-22
Publication date: 1995-04-27
Anticipated expiration: 2004-12-23

Description

Abgas-Turbolader

Die Neuerung bezieht sich auf einen Abgas-Turbolader gemäß Oberbegriff Schutzanspruch oder 3.

Insbesondere im Fahrzeugbereich sind Abgasturbolader allgemein üblich. Notwendig ist hier u.a. eine Regelung bzw. Steuerung des Ladedrucks und/oder der Ladeluftmenge. Diese Regelung erfolgt bisher auf der Abgasseite dadurch, daß für den Abgasstrom ein Bypaß parallel zur Abgasturbine vorgesehen ist. Die Verteilung des Abgasstromes durch die Abgasturbine und durch den Bypaß und damit der Ladedruck sowie die Ladeluftmenge werden durch ein Ladedruckregelventil bzw. eine Klappe gesteuert. Dieses Ladedruckregelventil ist beispielsweise im Abgaskrümmer des betreffenden Motors vorgesehen, oder aber der Abgasturbolader weist an der Abgasturbine den Bypaß mit Klappe auf. Die bekannten Abgasturbolader besitzen erhebliche Nachteile, nämlich u.a.:

• Relativ großes Krümmervolumen durch das Ladedruckregelventil im Krümmer,

• Verzögertes Ansprechen der Ladedruckregelung

• Schlechte Ausnutzung der vorhandenen kinetischen Abgasenergie, insbesondere auch bei niedrigen Drehzahlen durch Verluste im Bereich des Ladedruckregelventils bzw. der entsprechenden Klappe insbesondere auch bei hoher Laufleistung,

• Zusätzliche benötigte Abgasleitung (Bypaß)

• Zusätzliche thermische Belastung im Motorraum durch das den Bypaß durchströmende Abgas,

• Große Baugröße

• Starke Schwankungen der Arbeits- bzw. Betriebstemperatur der Abgasturbine

Aufgabe der Neuerung ist es, einen Abgasturbolader aufzuzeigen, der diese Nachteile vermeidet und bei vereinfachter Bauweise eine zuverlässige Regelung des Ladedrucks sowie der Ladeluftmenge ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Abgasturbolader entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Schutzanspruches 1 oder 3 ausgebildet.

Bei dem neuerungsgemäßen Abgasturbolader erfolgt die Regelung des Ladedrucks und der Ladeluftmenge durch Änderung der wirksamen Breite oder des wirksamen Querschnittes des Spaltes zwischen dem umlaufenden Rad und der dieses umschließenden Fläche des Gehäuses bei der Abgasturbine und/oder dem Verdichter. Bevorzugt erfolgt diese Regelung durch Änderung des Spaltes der Abgasturbine, so daß das bereits bestehende Grundkonzept der Regelung eines Abgasturboladers beibehalten werden kann.

Bei der Neuerung werden die Nachteile des Standes der Technik mit einem minimalen technischen Aufwand vermieden. Insbesondere werden für die Regelung des Ladedrucks bewegliche Teile im heißen Abgasbereich vermieden. Durch Änderung des Spaltes zwischen dem Abgasturbinenrad und der dieses Rad umschließenden Gehäuseinnenfläche kann überschüssiges Abgas am Turbinenrad der Abgasturbine vorbeigeleitet werden, so daß in Abhängigkeit von der Breite des Spaltes die in Rotationsenergie umgewandelte Abgasenergie bzw. der Wirkungsgrad der Abgasturbine gesteuert werden kann.

Weiterbildungen der Neuerung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Neuerung wird im folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in vereinfachter Darstellung und im Längsschnitt einen Abgas-Turbolader gemäß der Neuerung;

Fig. 2 in Einzeldarstellung den Läufer bzw. das Turbinenrad der Abgasturbine des Abgasturboladers der Fig. 1.

Der in der Fig. 1 dargestellte Turbo-Lader umfaßt u.a. ein mittleres Lagergehäuse 1, in welchem eine Welle 2 mittels Lager 3 und 4 gelagert ist und welches von einem flüssigen Kühl- und

Schmiermedium (Öl) durchströmt wird und hierfür einen Einlaß 5 und einen Auslaß 6 aufweist. Die Welle 2 ist abgedichtet beidendig aus dem Lagergehäuse I herausgeführt. Auf dem in der Fig. 1 linken Ende der Welle 1 besitzt das Turbinenrad 7 der den Turbolader antreibenden Abgasturbine 8, welche zusätzlich zu dem Turbinenrad das Turbinengehäuse 9 aufweist. Letzteres bildet den das Turbinenrad 7 aufnehmenden Innenraum 10, den mit einem Flansch versehenen Einlaß 11 sowie den Auslaß 12 der Abgasturbine 8. Der Einlaß 12 ist mit dem Abgaskrümmer einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine (z.B. Fahrzeugmotor) und der Auslaß 12 mit einem anschließenden Auspuffrohr verbunden. Das Turbinengehäuse 9 ist in diesem Abgasweg bzw. am Fahrzeug oder Motor fest montiert, und zwar beispielsweise mittels des Flansches 11' und/oder mittels eines Ringes 13, der an der dem Lagergehäuse 1 zugewandten Seite des Turbinengehäuses 9 angeschraubt ist. An der dem Lagergehäuse 1 zugewandten Seite bildet das Turbinengehäuse 9 eine kreiszylinderförmige Öffnung 14, in die das Lagergehäuse 1 mit seinem in der Fig. 1 rechten, verschlossenen Ende mit einem Gehäuseabschnitt 1' eingreift, dessen Umfangsfläche ebenfalls konzentrisch zur Längsachse L der Welle 2 kreiszylinderförmig ausgeführt ist, und zwar mit einem Durchmesser, der gleich oder geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser der Öffnung 14.

Durch Dichtungsringe 15 ist ein dichter Abschluß im Bereich des Spaltes der Öffnung 14 erreicht, und zwar auch dann, wenn das Lagergehäuse 1 um einen vorgegebenen Hub (Doppelpfeil A der Fig. 1) in Richtung der Längsachse L relativ zu dem Turbinengehäuse 9 bewegt wird.

Zur zusätzlichen Führung weist der Ring 13 einen das Lagergehäuse 1 ebenfalls an einer kreiszylinderförmigen Umfangsfläche umschließenden Ringabschnitt 13' auf. Zur Abdichtung sind hier weitere Dichtungsringe 16 vorgesehen.

Wie insbesondere auch die Fig. 2 zeigt, ist das Turbinenrad 7 im wesentlichen kegelstumpfförmig mit einer Vielzahl von Schaufeln 17 ausgebildet, deren radiale Höhe mit abnehmendem Abstand von dem achsgleich mit der Achse L angeordneten Auslaß 12 abnimmt. Im Bereich der Schaufeln 17 weist das Turbinengehäuse 9 eine das Turbinenrad 7 umschließende Fläche 18 auf, die in ihrer Form der Rotationsfläche des radial außenliegenden

Abschnittes der Schaufeln 17 entspricht, also eine achsgleich mit der Achse L liegende, im wesentlichen kegelstumpfförmige Fläche ist, deren Durchmesser sich zu dem Auslaß 12 hin verringert, so daß zwischen dem Turbinenrad 7 bzw. den Schaufeln 17 und der Fläche 18 ein Spalt 19 gebildet ist. Die Breite dieses Spaltes ist abhängig von der Lage des Turbinenrades 7, welches zusammen mit dem Lagergehäuse 1 entsprechend dem Hub A relativ zu dem Turbinengehäuse 9 bewegt werden kann.

An der der Abgasturbine 8 abgewandten Seite ist das Lagergehäuse 1 durch einen Deckel 20 verschlossen. An diesem Deckel ist das Gehäuse 21 des Verdichters 22 befestigt, der das auf dem dortigen Ende der Welle 2 angeordnete Verdichterrad 23 aufweist. Analog zum Aufbau der Abgasturbine 8 bildet das Gehäuse 21 einen Innenraum 24, in weichem u.a. auch das Verdichterrad 23 angeordnet ist. Weiterhin bildet das Gehäuse 21 den achsgleich mit der Längsachse L liegenden Einlaß 24 und den Auslaß 25 des Verdichters 22.

Mit 26 ist eine Verstelleinrichtung schematisch wiedergegeben, die beispielsweise von einer über ein nicht dargestelltes Steuerventil angesteuerten pneumatischen Druckdose gebildet wird und die über eine Hebel-Konstruktion, beispielsweise über die Kniehebelstelleinrichtung auf das Lagergehäuse 1 für eine axiale Verstellung dieses Lagergehäuses zusammen mit dem Turbinenrad 7 und dem Verdichter 22 einwirkt, um durch Änderung der Breite des Spaltes 19 und damit durch Änderung des Wirkungsgrades der Abgasturbine 8 den vom Verdichter 22 gelieferten Ladedruck in einer gewünschten Weise zu steuern, und zwar beispielsweise derart, daß dieser Ladedruck in einem unteren Drehzahlbereich möglichst schnell auf einen Maximal-Wert ansteigt und dann bei Motor-Drehzahlen oberhalb dieses unteren Drehzahlbereichs unabhängig von der jeweiligen Drehzahl möglichst konstant ist. Auch andere Regelkurven für den Ladedruck sind denkbar.

Um bei kleinen Hüben A bereits eine merkliche Änderung des Wirkungsgrades der Abgasturbine 8 und damit eine merkliche Steuerung des Ladedruckes zu erreichen, weisen die äußeren Kanten der Schaufeln 17 des Turbinenrades 7 auch an der dem Lagergehäuse 1 abgewandten und dem Auslaß 12 zugewandten Seite des Turbinenrades 7, d.h. dort, wo dieses Turbinenrad den geringsten Außendurchmesser aufweist, eine Schräge auf, d.h. an diesem

außen liegenden Randbereich 17' beschreiben die radial außenliegenden Kanten der Schaufel 17 einen die Längsachse L umschließende kegelförmige Rotationsfläche, deren halber Kegelwinkel a etwa 7° beträgt und sich zu der in größeren Durchmesser aufweisenden Seite des Turbinenrades 7 bzw. zum Lagergehäuse 1 hin öffnet.

Um eine verbesserte Führung des Lagergehäuses 1 sowie des Verdichters 2 am Turbinengehäuse 9 zu erreichen, können am Lagergehäuse 1 auch zusätzliche, mit ihrer Achse parallel zur Längsachse L angeordnete Führungsbolzen 28 vorgesehen sein, die in entsprechenden Führungsstücken 29 am Turbinengehäuse 9 gleiten.

Mit dem beschriebenen Abgas-Turbolader ist eine Regelung des Ladedrucks und/oder der Lademenge in besonders einfacher Weise und unter Vermeidung von Steuerelementen (Klappen oder Regelventile im heißen Abgasweg) möglich, und zwar dadurch, daß lediglich eine Verstellung an der kühleren Seite des Abgasturboladers vorgenommen wird.

Die Neuerung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen oder Abwandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Neuerung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird. So ist es beispielsweise grundsätzlich auch möglich, den zwischen dem Verdichterrad 23 bzw. den dortigen Schaufeln 30 und der an die Form dieser Schaufeln angepaßten Innenfläche 31 gebildete Spalt 32 in seiner Breite zu ändern, um so durch Änderung des Wirkungsgrades des Verdichters 22 den Ladedruck und/oder die Ladeluftmenge zu steuern.

Bezugszeichenliste

1	Lagergehäuse	* · · ··
2	Welle	! · · * ···· · · ··«
3,4	Lager
5	Einlaß
6	Auslaß
7	Turbinenrad
8	Abgasturbine
9	Turbinengehäuse
10	Innenraum
11	Einlaß
ir	Flansch
12	Auslaß
13	Haltering
14	Zylinderöffnung
15,16	Dichtungsring
17	Schaufel
17'	Randbereich
18	Fläche
19	Spalt
20	Deckel
21	Gehäuse
22	Verdichter
23	Verdichterrad
24	Einlaß
25	Auslaß
26	Verstellelement
27	Kniehebelverstelleinrichtung
28	Führungsbolzen ,·· · ·· ··
	... .... . : ; + •«as

29 Führungsstück

30 Schaufel

31 Gehäuseinnenfläche

32 Spalt

Claims

Schutzansprüche

1. Abgas-Turbolader mit einer Abgasturbine (8), bestehend aus einem Turbinenrad (7) und einem dieses Turbinenrad aufnehmenden Turbinengehäuse (9) sowie mit einem von der Abgasturbine (8) antreibbaren Verdichter (22), wobei zwischen der Umfangsfläche des Turbinenrades (7) und einer benachbarten Innenfläche (18) des Gehäuses (9) ein Spalt (10) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (19) der Abgasturbine durch axiales Verschieben des Turbinenrades (7) relativ zum Gehäuse (9) in seiner Breite oder in seinem wirksamen Querschnitt veränderbar ist.

2. Abgas-Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (22) aus einem Verdichterrad (23) und einem dieses Rad aufnehmenden Gehäuse (21) gebildet ist, daß zwischen der Außenfläche des Verdichterrades (23) und einer Innenfläche (31) des Gehäuses (21) ein Spalt (32) vorgesehen ist, und daß die Breite oder der wirksame Querschnitt dieses Spaltes (32) durch Relativbewegung zwischen Verdichterrad (23) und Gehäuse (21) veränderbar ist.

3. Abgas-Turbolader mit einer Abgasturbine (8) sowie mit einem von der Abgasturbine (8) antreibbaren Verdichter (22), der aus einem Verdichterrad (23) und einem dieses Rad aufnehmenden Gehäuse (21) gebildet ist, wobei zwischen der Außenfläche des Verdichterrades (23) und einer Innenfläche (31) des Gehäuses (21) ein Spalt (32) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite oder der wirksame Querschnitt dieses Spaltes (32) des Verdichters durch Relativbewegung zwischen Verdichterrad (23) und Gehäuse (21) veränderbar ist.

4. Abgas-Turbolader nach Anspruch 2, mit einer Abgasturbine (8), bestehend aus einem Turbinenrad (7) und einem dieses Turbinenrad aufnehmenden Turbinengehäuse (9), wobei zwischen der Umfangsfläche des Turbinenrades (7) und einer benachbarten Innenfläche (18) des Gehäuses (9) ein Spalt (10) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (19) der Abgasturbine durch axiales Verschieben des Turbinenrades (7) relativ zum Gehäuse (9) in

• r"⁸S *; · s : s;«

seiner Breite oder in seinem wirksamen Querschnitt veränderbar ist.

5. Abgas-Turbolader nach einem der Ansprüche 1 - 4, gekennzeichnet durch ein Lagergehäuse (1) zur Lagerung einer das Turbinenrad (7) der Abgasturbine (8) tragenden Welle (2), wobei das Lagergehäuse (1) zusammen mit der Welle (2) am Turbinengehäuse (9) der Abgasturbine (8) und/oder an dort vorgesehenen Führungsmitteln (13', 29) in Achsrichtung (L) der Welle (2) verschiebbar vorgesehen ist.

6. Abgas-Turbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Lagergehäuse (1), vorzugsweise an einer gemeinsamen Welle (2) mit der Abgasturbine (8) der Verdichter (22) bzw. dessen Verdichterrad (23) vorgesehen sind.

7. Abgas-Turbolader nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (21) des Verdichters (22) an einem die Welle (2) für das Verdichterrad (23) tragenden Lagergehäuse (1) oder an dortigen Führungen in Richtung der Achse (L) der Welle (2) verschiebbar vorgesehen ist.

8. Abgas-Turbolader nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeichnet durch Verstellmittel (26, 27) zur Änderung des Spaltes (19, 32) der Abgasturbine (8) und/oder des Verdichters (22).

9. Abgas-Turbolader nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenrad (7) des Abgasturboladers (8) an seiner Außenfläche bzw. die radial außen liegenden Kanten der Schaufeln (17) auf einer gedachten, die Achse des Turbinenrades (7) konzentrisch umschließenden Rotationsfläche angeordnet sind, die einen sich zur einen Seite des Turbinenrades (7) verkleinernden Durchmesser aufweist, vorzugsweise auf einer kegelstumpfartigen Fläche.

1 O.Abgas-Turbolader nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des Verdichterrades (23) oder die radial außenliegenden Kanten der Schaufeln (30) auf der gedachten Mantelfläche eines Rotationskörpers angeordnet sind, dessen Durchmesser sich zur einen Seite des Verdichterrades (22) hin verringert, vorzugsweise kegelstumpfartig verringert.

• ·