EP1201881B1 - Abgasturbolader - Google Patents

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EP1201881B1
EP1201881B1 EP20010890300 EP01890300A EP1201881B1 EP 1201881 B1 EP1201881 B1 EP 1201881B1 EP 20010890300 EP20010890300 EP 20010890300 EP 01890300 A EP01890300 A EP 01890300A EP 1201881 B1 EP1201881 B1 EP 1201881B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
exhaust gas
nozzles
gas turbocharger
turbocharger according
impeller
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP20010890300
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English (en)
French (fr)
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EP1201881A2 (de
EP1201881A3 (de
Inventor
Otto Blank
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Priority claimed from AT0184500A external-priority patent/AT411615B/de
Priority claimed from AT19892000A external-priority patent/AT410698B/de
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Priority to AT01890300T priority Critical patent/ATE312274T1/de
Publication of EP1201881A2 publication Critical patent/EP1201881A2/de
Publication of EP1201881A3 publication Critical patent/EP1201881A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/146—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by throttling the volute inlet of radial machines or engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/165—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for radial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially parallel to the rotor centre line
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers

Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine Combustion according to the preamble of claim 1.
  • an exhaust gas turbine is known, the two-flow volute casing having.
  • a floodgate can be switched off by a flap. Both floods However, they open into a common inflow cross section, which extends over the extends the entire circumference of the impeller. This occurs in particular in the Part load range suffers significant losses due to premature relaxation the exhaust gas flow are conditional.
  • EP 0 196 183 B shows a turbocharger in which the inflow cross section can also be changed.
  • the inflow cross section can also be changed.
  • DE 197 17 559 A describes a turbocharger with two floods, the alternately be acted upon with exhaust gas, with one flood surrounding the other and is connected via openings with this.
  • Such a turbocharger has due the flow losses and the premature relaxation of the exhaust gas one unsatisfactory efficiency.
  • DE 42 42 494 C also shows an adjustable flow control for the Impeller of an exhaust gas turbocharger, which has different floods, the switchable can be formed, can be flowed on. This can be achieved that the Exhaust gas turbocharger is optimally operated in wide areas of the engine map. However, if individual floods are shut off, the impeller becomes unbalanced flowed, resulting in an increased bearing load and a loss of efficiency leads.
  • US 4,927,325 A describes a turbine with a nozzle made of consists of two-part blades. Part of the blades of the distributor is fixed, while the other part is pivotable about an axis to to allow different gas flow rates. In the fixed part The vanes are fitted with bypass holes to allow even in closed Condition of the blades to allow a minimum gas flow. At a Such construction inevitably arises between the turbine runner and the bypass holes a long distance, as well as from the figures is immediately apparent. It turned out that with such a Solution high efficiency can not be achieved.
  • the object of the invention is to avoid these disadvantages and an exhaust gas turbocharger to provide a wide range of operating conditions has good efficiency.
  • an exhaust gas turbocharger to provide a wide range of operating conditions has good efficiency.
  • the greatest possible power can be achieved at the turbine, for a quick response and a favorable torque curve to reach. It should be a strength-technically favorable solution and a long life can be achieved.
  • the inventive solution is achieved that in all operating conditions a centrally symmetrical flow of the impeller is guaranteed what results in a correspondingly low bearing load, so that a long service life is reached.
  • the flow cross section can optimally to the respective Be adapted exhaust stream, but always the best aerodynamically Flow conditions are given up to the turbine wheel inlet. Especially all nozzles will always have the optimum, i. generally minimal Distance to the impeller.
  • the guide device consists of at least two There are groups of nozzles directly on the outer circumference of the impeller are directed, and that the spiral housing divided into at least two floods each of which is in fluid communication with a respective group of nozzles stands, and that further a switching device is provided to individual or all floods of the spiral housing with the internal combustion engine exhaust connect to.
  • the nozzles are fixed by stationary vanes educated. This is a particularly simple, fluidic advantageous Construction achieved. Since the guide device has no moving parts, is a Such a solution particularly robust and especially for use in commercial vehicles suitable.
  • the internal combustion engine can be achieved in that the first Group of nozzles, the second group and any other groups a different one Number of nozzles have. Alternatively or additionally Also be provided that the nozzles of the first group, the nozzles of the second Group and the nozzles of any further groups a different width in Have circumferential direction.
  • a structurally particularly simple embodiment of the invention is characterized in that that the switching device by a motor actuated Flap is formed.
  • the width of the nozzles in the circumferential direction at least the circumferential distance of the blades of the impeller equivalent.
  • an electromotive support of the turbine is provided.
  • an electric motor directly into the connection between impeller and turbine be integrated.
  • the guide device has a plurality of fixed nozzles, the immediate directed to the outer periphery of the impeller, as well as several pivotable vanes, which are arranged around the impeller and in a position can be brought, in which the volute almost exclusively by the stationary nozzles are in fluid communication with the impeller.
  • These Solution stands out over known turbochargers with variable turbine geometry characterized in that even at low gas flow optimum Anström discipline given for the impeller, since the nozzles in terms of distance to the impeller, the angle of attack and the cross-sectional area are optimized. As a result, even at low speeds of the internal combustion engine high turbine speeds and thus high boost pressures can be achieved. At higher gas flow rates, the vanes are opened to larger flow cross sections to reach.
  • Another preferred embodiment provides downstream of the switching device in the area of a flood, a blow-off valve, which when exceeding a predetermined pressure in the flood opens.
  • a blow-off valve which when exceeding a predetermined pressure in the flood opens.
  • each corresponding Impinging sectors of the impeller e.g. at kick-down a situation be achieved that the flood with waste gate through the switching device is not charged, and in the other flood or the other floods higher exhaust gas back pressure can be achieved than the opening pressure of the waste gate pretends.
  • Optimum loading of the turbine is achieved by preferably the switching device has a predetermined position, in the high Gas flow rate, the pressure in both floods is about the same.
  • Position of the switching device can by a catch or a pre-programmed Setting be predetermined.
  • the blow-off device is closed the switching device are in a central position at high gas flow, to apply both floods evenly.
  • the blower device i.e. As the waste gate opens, it's beneficial to favor the gas flows a bit to divert the tide in which the waste gate is located. To this Way can even with open waste gate uniform loading the turbine can be guaranteed.
  • the exhaust gas turbocharger generally has a turbine 1, which has a shaft 2 with a compressor 3 is connected and drives this.
  • a Impeller 4 is provided, which via a guide device 5, the guide vanes. 6 exists, acted upon by the exhaust gas of an internal combustion engine, not shown becomes.
  • the exhaust gas flows in a axial opening 7 from.
  • the exhaust gas is via a spiral housing 8 to the guide 5 out, in which two floods 9, 10 arranged in the axial direction next to each other are, which are separated by a partition 14 from each other.
  • the turbine 1 upstream of an adapter 21, in addition to the flap 13 a blow-off valve 20 absorbs.
  • This blow-off valve 20 is shown as a flap valve, the as mechanically actuated or actuated by the engine control electromagnetic Valve can be executed. It is also possible in known per se Way to provide a mechanical control over the boost pressure, or simply use a pressure relief valve. The gas flow from the blow-off valve 20 opens into an exhaust pipe 22 downstream of the turbine. 1
  • a total of nine fixed vanes. 6 are arranged at equal angular intervals around the impeller 4, so that between these vanes 6 nozzles 11, 12 are formed on the Impeller 4 are directed.
  • the nozzles 11 of the first group stand with the first Tide 9 in flow communication. Between the nozzles 11 are each two nozzles 12 of a further group, which is in fluid communication with the second flood 10 stand.
  • the impeller 4 depending on the operating condition the engine via three nozzles 11 of the first group, about six Nozzle 12 of the second group or over all nine nozzles 11, 12 acted upon become. This can be a high speed even at a low exhaust gas flow of the impeller 4 and thus a favorable boost pressure and a fast response be achieved.
  • control ratio 1: 2: 3 modified as needed, for example can, that between the nozzles 11 of the first group, for example, three nozzles 12 of the second group are arranged.
  • width of the individual Nozzles are designed differently in the circumferential direction. It is essential that all the guide vanes 6 an optimal gap width s to the outer periphery of the impeller 4 have.
  • FIG. 3 schematically shows a motor-driven flap 13, with the exhaust gas flow in the first flood 9 or in the second flood 10 or in the Middle position in both floods 9, 10 can be directed.
  • Fig. 3 is with solid lines show a position of the flap 13, in which the exhaust gas flow into the first tide 9 for acting on the first group of nozzles 11 is set. With broken lines another position is shown in the the exhaust gas flow into the second flood 10 to the second group of Nozzle 12 is steered.
  • the flap 13 can be arranged directly in the housing of the turbine 1 be provided in a special adapter housing, the on the exhaust gas turbocharger according to the invention is flanged or in the exhaust manifold of the internal combustion engine.
  • the upstream side of the flap 13 is in two Channels 15, 16 divided into different groups of not shown Do cylinders of the internal combustion engine.
  • the two channels 15, 16 summarized in the first tide 9.
  • the channels 15, 16 separated from each other with the Flooding 9, 10 connected, which also adds a gas-dynamic effect twin-flow turbine housings can be used.
  • FIG. 5 essentially corresponds to FIG. 3, but with the flap 13 in FIG a position is shown in which they are at maximum exhaust flow and open Blow-off valve is located.
  • the exhaust gas flow to the first flood. 9 throttled a little and an additional flow of exhaust gas to the second tide 10 deflected. Downstream of the waste gate, not shown in FIG. 5, therefore results approximately a uniform pressure level in both floods 9, 10.
  • Fig. 6 an embodiment is shown in the locking body 30 in the axial direction into the first nozzle 11 are inserted to close this largely.
  • the strength of the engine braking effect can also be adjusted steplessly by the blocking bodies 30 diverge at different depths into the nozzles 11.
  • An optimal engine braking effect is achieved when the switching device 13 directs the entire exhaust stream to the first nozzles 11 and thus the nozzles 12 of the second group switches away. This is also the blow-off valve 20 disabled.
  • the exhaust gas turbocharger of Fig. 7 has like the other embodiments a Turbine 1, which is connected via a shaft 2 with a compressor, not shown is and drives this.
  • a Turbine 1 which is connected via a shaft 2 with a compressor, not shown is and drives this.
  • an impeller 4 is provided, via a guide device 5, which consists of pivotable guide vanes 6, is acted upon by the exhaust gas of an internal combustion engine, not shown.
  • a total of twelve guide vanes 6 are provided, arranged in groups of three blades around the impeller 4 are. Between the individual groups of guide vanes 6 nozzles 11 are arranged, which are formed of fixed vanes 6a.
  • volute 8 is only via the nozzles 11 with the impeller. 4 in connection, since the vanes sealingly against each other and to the nozzles 11th issue.
  • the impeller 4 is therefore only flowed through the nozzles 11, wherein the radial gap s and the angle of attack are optimized.
  • At higher gas flow become the pivotable vanes 6 simultaneously or after each other opened, as shown in broken lines, to a appropriate Anströmquerites to provide.
  • the present invention makes it possible, even at low engine speed and thus a low exhaust gas flow a high turbine speed and thus a good Achieve responsiveness and optimal charging.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Es ist bekannt, dass die Leistung, die Verbrauchs- und Abgaswerte von Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung mit Abgasturboladern verbessert werden können. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass es nicht einfach ist, einen solchen Abgasturbolader so auszulegen, dass in allen Betriebsbereichen zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden. Um diesen Nachteil zu beheben, sind Turbolader mit variabler Turbinengeometrie vorgeschlagen worden, bei denen der Anströmquerschnitt vor dem Turbinenlaufrad verändert werden kann. Obgleich damit eine wesentliche Verbesserung erreicht werden kann, ist die Wirkung solcher Turbolader besonders im Teillastbereich (geringer Massendurchsatz bei niedriger Motordrehzahl) nach wie vor unbefriedigend. Ein Grund dafür ist, dass durch die verstellbaren Leitschaufeln zwangsläufig ein Kompromiss hinsichtlich der Abgasenergieformung (Druck/Geschwindigkeit) beim Durchströmen der engen Leitschaufelspalte bis zum Turbinenrad eingegangen werden muss. Das axiale Spiel der Leitschaufeln im Turbinengehäuse ergibt zusätzliche Verluste. Weiters ist die Standzeit solcher Turbolader beschränkt, da insbesondere bei enggestellter Leitvorrichtung eine große Belastung durch Gaskräfte gegeben ist.
Aus der DE 39 07 504 A ist eine Abgasturbine bekannt, die ein zweiflutiges Spiralgehäuse aufweist. Durch eine Klappe ist eine Flut abschaltbar. Beide Fluten münden jedoch in einen gemeinsamen Anströmquerschnitt, der sich über den gesamten Umfang des Laufrades erstreckt. Dadurch treten insbesondere im Teillastbereich erhebliche Verluste auf, die durch eine vorzeitige Entspannung des Abgasstroms bedingt sind.
Die EP 0 196 183 B zeigt einen Turbolader, bei dem der Anströmquerschnitt ebenfalls verändert werden kann. Neben den oben beschriebenen Nachteilen kommt hier noch die in Umfangsrichtung ungleichmäßige Beaufschlagung des Laufrades hinzu, die eine einseitige mechanische Belastung der Lagerung bewirkt. Ähnliches gilt auch für eine Lösung, wie sie in der US 4,512,714 A offenbart ist.
Weiters beschreibt die DE 197 17 559 A einen Turbolader mit zwei Fluten, die wechselweise mit Abgas beaufschlagbar sind, wobei eine Flut die andere umgibt und über Öffnungen mit dieser verbunden ist. Ein solcher Turbolader hat aufgrund der Strömungsverluste und der vorzeitigen Entspannung des Abgases einen nicht zufriedenstellenden Wirkungsgrad.
Die DE 42 42 494 C zeigt ferner einen verstellbaren Strömungsleitapparat für das Laufrad eines Abgasturboladers, das über verschiedene Fluten, die schaltbar ausgebildet sein können, anströmbar ist. Damit kann erreicht werden, dass der Abgasturbolader in weiten Bereichen des Motorkennfelds optimal betrieben wird. Wenn jedoch einzelne Fluten abgesperrt werden, wird das Laufrad unsymmetrisch angeströmt, was zu einer verstärkten Lagerbelastung und zu einem Effizienzverlust führt.
Die US 4,927,325 A beschreibt eine Turbine mit einem Leitapparat, der aus zweitteiligen Schaufeln besteht. Ein Teil der Schaufeln des Leitapparates ist feststehend, während der anderen Teil um eine Achse schwenkbar ist, um unterschiedliche Gasdurchsatzmengen zu ermöglichen. In dem feststehenden Teil der Leitschaufeln sind Bypass-Bohrungen angebracht, um auch in geschlossenem Zustand der Schaufeln einen minimalen Gasdurchsatz zu ermöglichen. Bei einer solchen Konstruktion entsteht zwangsläufig zwischen dem Turbinenlaufrad und den Bypass-Bohrungen ein großer Abstand, wie dies auch aus den Figuren unmittelbar ersichtlich ist. Es hat sich herausgestellt, dass mit einer solchen Lösung ein hoher Wirkungsgrad nicht erzielt werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einen Abgasturbolader zu schaffen, der in einem weiten Bereich von Betriebszuständen einen guten Wirkungsgrad hat. Insbesondere soll im Bereich kleiner Drehzahlen der Brennkraftmaschine eine möglichst große Leistung an der Turbine erreicht werden, um ein schnelles Ansprechverhalten und einen günstigen Drehmomentverlauf zu erreichen. Dabei soll eine festigkeitstechnisch günstige Lösung und eine lange Lebensdauer erzielt werden.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch die Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird erreicht, dass in allen Betriebszuständen eine zentralsymmetrische Anströmung des Laufrades gewährleistet ist, was in einer entsprechend geringen Lagerbelastung resultiert, so dass eine hohe Lebensdauer erreicht wird. Der Anströmquerschnitt kann optimal an den jeweiligen Abgasstrom angepasst werden, wobei jedoch stets die strömungstechnisch optimalen Anströmbedingungen bis hin zum Turbinenradeintritt gegeben sind. Insbesondere weisen alle Düsen stets den optimalen, d.h. im Allgemeinen minimalen Abstand zum Laufrad auf.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Leitvorrichtung aus mindestens zwei Gruppen von Düsen besteht, die unmittelbar auf den äußeren Umfang des Laufrades gerichtet sind, und dass das Spiralgehäuse in mindestens zwei Fluten unterteilt ist, von denen jede mit jeweils einer Gruppe von Düsen in Strömungsverbindung steht, und dass weiters eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, um einzelne oder alle Fluten des Spiralgehäuses mit der Brennkraftmaschine abgasseitig zu verbinden. Insbesondere sind die Düsen durch feststehende Leitschaufeln gebildet. Dadurch wird ein besonders einfacher, strömungstechnisch vorteilhafter Aufbau erreicht. Da die Leitvorrichtung keine beweglichen Teile aufweist, ist eine solche Lösung besonders robust und insbesondere für den Einsatz in Nutzfahrzeugen geeignet.
Ein optimaler Wirkungsgrad ist gegeben, wenn die Breite der Düsen in Axialrichtung der des Laufrades an seinem Umfang entspricht. Auf diese Weise findet die Entspannung des Abgases praktisch ausschließlich als thermodynamischer Prozess im Laufrad statt, so dass keine Querschnittssprünge auftreten.
Eine besonders gute Anpassung des Turboladers an den jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine kann dadurch erreicht werden, dass die erste Gruppe von Düsen, die zweite Gruppe und allfällige weitere Gruppen eine unterschiedliche Anzahl von Düsen aufweisen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch vorgesehen sein, dass die Düsen der ersten Gruppe, die Düsen der zweiten Gruppe und die Düsen allfälliger weiterer Gruppen eine unterschiedliche Breite in Umfangsrichtung aufweisen.
Eine konstruktiv besonders einfach Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung durch eine motorisch betätigbare Klappe gebildet ist.
Es hat sich ferner als günstig herausgestellt, wenn die Breite der Düsen in Umfangsrichtung mindestens dem Umfangsabstand der Schaufeln des Laufrades entspricht.
Weiters ist es von Vorteil, wenn im Teillastbereich bei geringen Massendurchsätzen eine elektromotorische Unterstützung der Turbine vorgesehen ist. Beispielsweise kann ein Elektromotor direkt in die Verbindung zwischen Laufrad und Turbine integriert sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leitvorrichtung mehrere feststehende Düsen aufweist, die unmittelbar auf den äußeren Umfang des Laufrades gerichtet sind, sowie mehrere schwenkbare Leitschaufeln, die rund um das Laufrad angeordnet sind und die in eine Stellung bringbar sind, in der das Spiralgehäuse nahezu ausschließlich durch die feststehenden Düsen mit dem Laufrad in Strömungsverbindung steht. Diese Lösung zeichnet sich gegenüber bekannten Turboladern mit variabler Turbinengeometrie dadurch aus, dass auch bei kleinem Gasdurchsatz optimale Anströmbedingungen für das Laufrad gegeben sind, da die Düsen hinsichtlich des Abstands zum Laufrad, des Anströmwinkels und hinsichtlich der Querschnittsfläche optimiert sind. Dadurch können auch bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine hohe Turbinendrehzahlen und damit hohe Ladedrücke erreicht werden. Bei höherem Gasdurchsatz werden die Leitschaufeln geöffnet, um größere Strömungsquerschnitte zu erreichen.
Eine optimale Anströmung des Laufrades im untersten Bereich des Gasdurchsatzes kann erreicht werden, wenn die schwenkbare Leitschaufeln in eine Stellung bringbar sind, in der sie aneinander und/oder an den feststehenden Düsen dichtend anliegen. Die Anströmung erfolgt dann ausschließlich durch die Düsen.
Es ist bekannt, dass es in Abhängigkeit der Zylinderanzahl der Brennkraftmaschine aus gasdynamischen Gründen günstig sein kann, die Abgase von Gruppen von Zylindern getrennt voneinander zum Turbolader zu führen. So können bei Sechszylindermaschinen Gruppen von jeweils drei Zylindern mit gleichen Zündabständen zusammengefasst werden, oder bei Fünfzylindermaschinen können zwei Gruppen jeweils zwei Zylinder und eine weitere Gruppe aus einem Zylinder bestehen. Somit ist es bevorzugt, wenn die Schalteinrichtung in mindestens einer Stellung jede der Fluten mit einer Gruppe von Zylindern der Brennkraftmaschine verbindet. Auf diese Weise werden die Gasströme nicht nur bis zum Turbolader sondern letztlich bis unmittelbar vor dem Laufradeintritt voneinander getrennt. Bei niedrigem Gasdurchsatz werden jedoch die Abgasströme aller Zylinder in eine Flut zusammengefasst, da hier die Erreichung einer möglichst hohen Turbinendrehzahl im Vordergrund steht.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante sieht stromabwärts der Schalteinrichtung im Bereich einer Flut ein Abblaseventil vor, das bei Überschreiten eines vorbestimmten Drucks in der Flut öffnet. Dadurch wird erreicht, dass zusätzlich zu den möglichen Leistungsstufen der Turbine, die durch Umschalten der einzelnen Fluten gegeben sind, eine zusätzliche Stufe für höchste Abgasströme geschaffen wird, bei der das Abblaseventil, das sogenannte Waste-Gate, geöffnet ist. Daher ist es nicht erforderlich, die Turbine auf den höchst möglichen Abgasstrom auszulegen, so dass mit einer etwas kleineren Turbine das Auslangen gefunden werden kann. Dies ermöglicht eine zusätzliche Verbesserung des Ansprechverhaltens und die Möglichkeit einer feineren Abstufung der Turbinenleistung. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass nur ein Teilstrom des Abgases durch das Waste-Gate beeinflusst wird. Durch die strikte Trennung der Abgasströme der einzelnen Fluten bis zu den zugeordneten Düsen, die jeweils entsprechende Sektoren des Laufrades beaufschlagen, kann z.B. bei Kick-Down eine Situation erreicht werden, dass die Flut mit Waste-Gate durch die Schalteinrichtung nicht beaufschlagt ist, und in der anderen Flut bzw. den anderen Fluten ein höherer Abgasstaudruck erreicht werden kann, als der Öffnungsdruck des Waste-Gate vorgibt.
Eine optimale Beaufschlagung der Turbine wird dadurch erreicht, dass vorzugsweise die Schalteinrichtung eine vorbestimmte Stellung aufweist, in der bei hohem Gasdurchsatz der Druck in beiden Fluten etwa gleich groß ist. Eine solche Stellung der Schalteinrichtung kann durch eine Raste oder eine vorprogrammierte Einstellung vorgegeben sein. Bei geschlossener Abblaseeinrichtung wird sich die Schalteinrichtung bei hohem Gasdurchsatz in einer Mittelstellung befinden, um beide Fluten gleichmäßig zu beaufschlagen. Sobald die Abblaseeinrichtung, d.h. das Waste-Gate öffnet, ist es vorteilhaft, die Gasströme etwas zugunsten der Flut umzulenken, in der sich das Waste-Gate befindet. Auf diese Weise kann auch bei geöffnetem Waste-Gate eine gleichmäßige Beaufschlagung der Turbine gewährleistet werden.
In der Folge wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsvarianten näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader; Fig. 2 schematisch einen Schnitt nach Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 bis 5
Details von erfindungsgemäßen Abgasturboladern;
Fig. 6
eine Ausführungsvariante der Erfindung in einem Schnitt entsprechend der Fig. 2; und
Fig. 7
eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung im Schnitt.
Der Abgasturbolader besitzt allgemein eine Turbine 1, die über eine Welle 2 mit einem Verdichter 3 verbunden ist und diesen antreibt. In der Turbine 1 ist ein Laufrad 4 vorgesehen, das über eine Leitvorrichtung 5, die aus Leitschaufeln 6 besteht, mit dem Abgas einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine beaufschlagt wird. Nach dem Durchströmen des Laufrades 4 strömt das Abgas in einer axialen Öffnung 7 ab. Das Abgas wird über ein Spiralgehäuse 8 zur Leitvorrichtung 5 geführt, in dem zwei Fluten 9, 10 in Axialrichtung nebeneinander angeordnet sind, die durch eine Trennwand 14 voneinander getrennt sind. Der Turbine 1 vorgeschaltet ist ein Adapter 21, der neben der Klappe 13 ein Abblaseventil 20 aufnimmt. Dieses Abblaseventil 20 ist als Klappenventil dargestellt, das als mechanisch betätigtes oder als von der Motorsteuerung betätigtes elektromagnetisches Ventil ausgeführt sein kann. Es ist auch möglich in an sich bekannter Weise eine mechanische Steuerung über den Ladedruck vorzusehen, oder einfach ein Überdruckventil einzusetzen. Der Gasstrom aus dem Abblaseventil 20 mündet in ein Abgasrohr 22 stromabwärts der Turbine 1.
Aus der Fig. 2 ist ersichtlich, dass insgesamt neun feststehende Leitschaufeln 6 in gleichmäßigen Winkelabständen um das Laufrad 4 angeordnet sind, so dass zwischen diesen Leitschaufeln 6 Düsen 11, 12 ausgebildet sind, die auf das Laufrad 4 gerichtet sind. Die Düsen 11 der ersten Gruppe stehen mit der ersten Flut 9 in Strömungsverbindung. Zwischen den Düsen 11 sind jeweils zwei Düsen 12 einer weiteren Gruppe angeordnet, die mit der zweiten Flut 10 in Strömungsverbindung stehen. Auf diese Weise kann das Laufrad 4 je nach dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine über drei Düsen 11 der ersten Gruppe, über sechs Düsen 12 der zweiten Gruppe oder über alle neun Düsen 11, 12 beaufschlagt werden. Damit kann auch bei einem geringen Abgasstrom eine hohe Drehzahl des Laufrades 4 und damit ein günstiger Ladedruck und ein schnelles Ansprechverhalten erreicht werden. Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass das Regelungsverhältnis 1:2:3 nach Bedarf beispielsweise dadurch abgeändert werden kann, dass zwischen den Düsen 11 der ersten Gruppe beispielsweise drei Düsen 12 der zweiten Gruppe angeordnet werden. Weiters kann die Breite der einzelnen Düsen in Umfangsrichtung unterschiedlich ausgeführt werden. Wesentlich ist, dass sämtliche Leitschaufeln 6 eine optimale Spaltbreite s zum äußeren Umfang des Laufrades 4 aufweisen.
Aus der Fig. 3 ist schematisch eine motorisch angetriebene Klappe 13 ersichtlich, mit der der Abgasstrom in die erste Flut 9 oder in die zweite Flut 10 oder in der Mittelstellung in beide Fluten 9, 10 gelenkt werden kann. In der Fig. 3 ist mit durchgezogenen Linien eine Stellung der Klappe 13 gezeigt, in der der Abgasstrom in die erste Flut 9 zur Beaufschlagung der ersten Gruppe von Düsen 11 eingestellt ist. Mit unterbrochenen Linien ist eine weitere Stellung gezeigt, in der der Abgasstrom in die zweite Flut 10 zur Beaufschlagung der zweiten Gruppe von Düsen 12 gelenkt wird. Die Klappe 13 kann direkt im Gehäuse der Turbine 1 angeordnet sein, auch in einem speziellen Adaptergehäuse vorgesehen sein, das an den erfindungsgemäßen Abgasturbolader angeflanscht ist oder im Abgassammelkrümmer des Verbrennungsmotors.
Bei der Variante von Fig. 4 ist die stromaufwärtige Seite der Klappe 13 in zwei Kanäle 15, 16 unterteilt, die zu unterschiedlichen Gruppen von nicht dargestellten Zylindern der Brennkraftmaschine führen. In der dargestellten Stellung der Klappe 13 werden die beiden Kanäle 15, 16 in die erste Flut 9 zusammengefasst. Bei hohem Gasdurchsatz werden die Kanäle 15, 16 getrennt voneinander mit den Fluten 9, 10 verbunden, wodurch zusätzlich ein gasdynamischer Effekt bei zweiflutigen Turbinengehäusen genützt werden kann.
Die Fig. 5 entspricht im Wesentlichen der Fig. 3, wobei jedoch die Klappe 13 in einer Stellung gezeigt ist, in der sie sich bei höchstem Abgasdurchsatz und geöffnetem Abblaseventil befindet. Dabei wird der Abgasstrom zur ersten Flut 9 etwas gedrosselt und ein zusätzlicher Abgasstrom zur zweiten Flut 10 umgelenkt. Stromabwärts des in der Fig. 5 nicht dargestellten Waste-Gates ergibt sich daher näherungsweise ein gleichmäßiges Druckniveau in beiden Fluten 9, 10.
In der Fig. 6 ist eine Ausführung gezeigt, bei der Sperrkörper 30 in Axialrichtung in die ersten Düsen 11 einschiebbar sind, um diese größtenteils zu verschließen. Die Stärke der Motorbremswirkung kann auch stufenlos dadurch eingestellt werden, dass die Sperrkörper 30 unterschiedlich tief in die Düsen 11 eintauchen. Eine optimale Motorbremswirkung wird dann erreicht, wenn die Schalteinrichtung 13 den gesamten Abgasstrom auf die ersten Düsen 11 lenkt und somit die Düsen 12 der zweiten Gruppe wegschaltet. Auf diese Weise wird auch das Abblaseventil 20 deaktiviert.
Der Abgasturbolader der Fig. 7 besitzt wie die übrigen Ausführungsvarianten eine Turbine 1, die über eine Welle 2 mit einem nicht dargestellten Verdichter verbunden ist und diesen antreibt. In der Turbine 1 ist ein Laufrad 4 vorgesehen, das über eine Leitvorrichtung 5, die aus schwenkbaren Leitschaufeln 6 besteht, mit dem Abgas einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine beaufschlagt wird. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind insgesamt zwölf Leitschaufeln 6 vorgesehen, die in Gruppen zu jeweils drei Schaufeln um das Laufrad 4 angeordnet sind. Zwischen den einzelnen Gruppen von Leitschaufeln 6 sind Düsen 11 angeordnet, die aus feststehenden Leitschaufeln 6a gebildet sind.
In der mit durchgezogenen Linien gezeichneten Stellung der schwenkbaren Leitschaufeln 6 steht das Spiralgehäuse 8 nur über die Düsen 11 mit dem Laufrad 4 in Verbindung, da die Leitschaufeln dichtend aneinander und an den Düsen 11 anliegen. Das Laufrad 4 wird daher nur über die Düsen 11 angeströmt, wobei der radiale Spalt s und der Anströmwinkel optimiert sind. Bei höherem Gasdurchsatz werden die schwenkbaren Leitschaufeln 6 gleichzeitig oder auch nach einander geöffnet, wie dies teilweise mit unterbrochenen Linien dargestellt ist, um einen entsprechenden Anströmquerschnitt zur Verfügung zu stellen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, auch bei kleiner Motordrehzahl und damit einem geringen Abgasstrom eine hohe Turbinendrehzahl und damit ein gutes Ansprechverhalten und eine optimale Aufladung zu erreichen.

Claims (19)

  1. Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, mit einer Turbine (1), die ein Laufrad (4), ein Spiralgehäuse (8) und eine Leitvorrichtung (5) aufweist, um den Abgasstrom auf das Laufrad (4) zu lenken, welche Leitvorrichtung (5) aus mindestens zwei Gruppen von Düsen (11, 12) besteht, die unmittelbar auf den äußeren Umfang des Laufrades (4) gerichtet sind, wobei die Düsen (11) einer ersten Gruppe in gleichmäßigen Winkelabständen um das Laufrad (4) angeordnet sind und zwischen diesen Düsen (11) weitere Düsen (12) vorgesehen sind, die regelbar ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (11) der ersten Gruppe vom Laufrad (4) durch einen minimalen Spalt getrennt sind.
  2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiralgehäuse (8) in mindestens zwei Fluten (9, 10) unterteilt ist, von denen jede mit jeweils einer Gruppe von Düsen (11, 12) in Strömungsverbindung steht, und dass weiters eine Schalteinrichtung (13) vorgesehen ist, um einzelne oder alle Fluten (9, 10) des Spiralgehäuses (8) mit der Brennkraftmaschine abgasseitig zu verbinden.
  3. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (11, 12) durch feststehende Leitschaufeln (6) gebildet sind.
  4. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Düsen (11, 12) in Axialrichtung der des Laufrades (4) an seinem Umfang entspricht.
  5. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Gruppe von Düsen, eine zweite Gruppe und allfällige weitere Gruppen eine unterschiedliche Anzahl von Düsen (11, 12) aufweisen.
  6. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (11) einer ersten Gruppe, die Düsen (12) einer zweiten Gruppe und die Düsen allfälliger weiterer Gruppen eine unterschiedliche Breite in Umfangsrichtung aufweisen.
  7. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung durch eine motorisch betätigbare Klappe (13) gebildet ist.
  8. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Düsen (11, 12) in Umfangsrichtung mindestens dem Umfangsabstand der Schaufeln des Laufrades (4) entspricht.
  9. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere schwenkbare Leitschaufeln (6) vorgesehen sind, die rund um das Laufrad (4) angeordnet sind und die in eine Stellung bringbar sind, in der das Spiralgehäuse (8) nahezu ausschließlich durch die feststehenden Düsen (11) mit dem Laufrad (4) in Strömungsverbindung steht.
  10. Abgasturbolader nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die schwenkbaren Leitschaufeln (6) in eine Stellung bringbar sind, in der sie aneinander und/oder an den feststehenden Düsen (11) dichtend anliegen.
  11. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zwei feststehenden Düsen (11) mindestens eine, vorzugsweise drei schwenkbare Leitschaufeln (6) vorgesehen sind.
  12. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die schwenkbaren Leitschaufeln (6) gleichzeitig oder in einer vorgebbaren zeitlichen Abfolge betätigbar sind.
  13. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Teillastbereich bei geringen Massendurchsätzen eine elektromotorische Unterstützung der Turbine (1) vorgesehen ist.
  14. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiralgehäuse (8) in mindestens zwei Fluten (9, 10) unterteilt ist, von denen jede mit jeweils einer Gruppe von Düsen (11, 12) in Strömungsverbindung steht, um einzelne oder alle Fluten (9, 10) des Spiralgehäuses (8) mit der Brennkraftmaschine abgasseitig zu verbinden und dass stromabwärts der Schalteinrichtung (13) im Bereich einer Flut (9) ein Abblaseventil (20) vorgesehen sind, das bei Überschreiten eines vorbestimmten Drucks in der Flut (9) öffnet.
  15. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Fluten (9, 10) vorgesehen sind, die in Axialrichtung nebeneinander angeordnet sind.
  16. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (13) eine vorbestimmte Stellung aufweist, in der bei hohem Gasdurchsatz der Druck in beiden Fluten etwa gleich groß ist.
  17. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass weiters eine Motorbremseinrichtung vorgesehen ist, die Sperrkörper (30) aufweist, die in eine Gruppe von Düsen (11) vorzugsweise in Axialrichtung einschiebbar sind.
  18. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweistufige Aufladung vorgesehen ist und ein weiterer Abgasturbolader als Hochdruckstufe vorgeschaltet ist.
  19. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweistufige Aufladung vorgesehen ist und ein weiterer Abgasturbolader als Niederdruckstufe nachgeschaltet ist.
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