WO2008125564A1 - Abgasturbolader mit gasmengenverteilvorrichtung und verfahren zum betreiben eines solchen turboladers - Google Patents

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WO2008125564A1
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inlet
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inlet channel
turbine
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PCT/EP2008/054275
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Dick Amos
Ulrich Bast
Francis Heyes
Andre Kaufmann
Udo Schwerdel
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Napier Turbochargers Limited
Continental Automotive Gmbh
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Definitions

  • An exhaust gas turbocharger or turbocharger for short is a charging system for an internal combustion engine, by means of which the cylinders of the internal combustion engine are subjected to an increased charge pressure.
  • a turbocharger consists of an exhaust gas turbine in the exhaust stream (outflow path), which is connected via a common shaft with a compressor in the intake (Anströmpfad). The turbine is set in rotation by the exhaust gas flow of the engine and thus drives the engine
  • the compressor increases the pressure in the intake tract of the engine, so that through this compression during the intake stroke, a larger amount of air in the cylinders of the internal combustion engine succeeded than in a conventional naturally aspirated engine. This provides more oxygen for combustion.
  • variable turbine geometry is used, for example, in the form of adjustable vanes.
  • the rotatable vanes are arranged concentrically uniformly spaced around the turbine wheel. Disadvantage of such a construction is that this requires a high design effort and reduces the reliability of the turbine. Furthermore, depending on the position of the guide vanes, considerable power losses occur in the turbine.
  • the channel cross section of the turbine inlet is chosen to be relatively small. This leads to be able to cope with the high exhaust gas flows in the upper speed range, that a bypass or "wastegate” must be opened. This can reduce the overall efficiency of the turbine.
  • Turbocharger for or in a motor vehicle with at least one turbine wheel and at least two-flow gas supply with a first inlet channel and at least one second inlet channel, wherein a Gasmen genverteilvoriques is provided, which the flowing from an internal combustion engine total gas flow to the two Inlet channels distributed.
  • the idea on which the present invention is based is to provide a device in the outflow path of an internal combustion engine, that is to say on the turbine side of an at least twin-turbocharger, with which an incoming gas flow is distributed between the first and at least second inlet ducts.
  • an internal combustion engine that is to say on the turbine side of an at least twin-turbocharger, with which an incoming gas flow is distributed between the first and at least second inlet ducts.
  • the inlet channels are generally arranged spirally around the turbine wheel, even with a comparatively small amount of gas, in particular if only one inlet channel is supplied with gas, sufficient kinetic energy is transferred from the exhaust gas to the turbine wheel and thus the efficiency in the lower rpm range Increase turbine. This can reduce the range of occurrence of a turbo lag.
  • both inlet channels can be supplied with gas.
  • the inlet channels With appropriate dimensioning of the inlet channels, wherein in particular the inside diameter of the first inlet channel can deviate from the clear width of the second inlet channel and is preferably smaller, investigations by the applicant have shown that Even in the upper speed range, the entire gas flow can be guided via the turbine.
  • One advantage is that a bypass or "wastegate" can thus be avoided in the discharge path and the overall efficiency of the turbine is increased.
  • Another advantage of the device according to the invention is that the adapted to different speeds gas supply is achieved without moving vanes and increases the reliability of the turbine.
  • the gas power supply for the turbine wheel is designed as a twin power supply or as a double power supply.
  • the device according to the invention can also be used in inlet duct arrangements in which the gas flow can be divided into more than two inlet ducts.
  • the Gasmengenverteil- device is designed as an actively controllable device, in particular as an actuator device, wherein in a further embodiment, the actuator device is arranged at the inlet of the at least two-flow inlet channel.
  • the actuator device is arranged on the end face of a central web between the first inlet channel and the second inlet channel.
  • the Gasmengenverteilvor- device is formed as a passive device comprising at least one flow barrier.
  • the flow barrier is arranged immediately before the beginning of the at least two-channel inlet region. And in another embodiment, the flow barrier has a height Z and a distance x to the central web.
  • the gas quantity distribution device comprises a controllable device, in particular actuator device, and a passive device, in particular a flow barrier.
  • the first inlet channel is connected to the second inlet channel through a plurality of openings.
  • at least one of the openings is formed as a passage between two webs designed as gas guide vanes.
  • the gas vanes have a wing-like profile in cross-section to direct a portion of the gas stream flowing in the second inlet channel into the first channel.
  • a distribution of the gas flow between the two inlet channels is effected by means of the gas quantity distribution device.
  • the second intake passage in a first operating mode with small gas flow rates, is acted upon by the gas flow distribution device with a smaller amount of gas compared with a second operating mode with large gas flow rates.
  • the second inlet channel is closed by means of the gas quantity distribution device in the first operating mode with small gas flow rates, and the second inlet channel is opened in the second operating mode with large gas flow rates.
  • Fig. Ia is an elevational view of a twin-turbocharger with a inlet channel according to the invention.
  • FIG. 1b is an elevational view of a twin-flow turbocharger having an inlet duct according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic plan view of a double-flow turbine housing with inlet ducts according to the invention and an active gas quantity distribution device;
  • FIG. 3 is a schematic plan view of the twin-turbine housing with a passive gas quantity distribution device
  • FIG. 4 is a schematic plan view of the twin-turbine housing with an active and passive gas quantity distribution device
  • 5a shows a schematic representation of a double-flow turbine according to the prior art
  • Figure 5b is a schematic representation of a twin-flow turbine according to the prior art
  • FIG. 1a shows an elevational view of a double-flow exhaust gas turbocharger 102 having a turbine 118 according to the invention and a compressor 116.
  • a turbine wheel 108 is rotatably mounted and connected to one end of a shaft 110.
  • a compressor wheel 104 is also rotatably mounted and connected to the other end of the shaft 110.
  • a turbine inlet 112 hot exhaust gas is admitted into the turbine 118 by an internal combustion engine, not shown here, causing the turbine wheel 118 to rotate.
  • the exhaust gas flow leaves the turbine 118 through a turbine outlet 114.
  • the turbine 118 drives the compressor 116.
  • the turbine housing 106 divides into a first inlet channel 202 and a second inlet channel 204. Between the two inlet channels 202, 204, a horizontal central web 206 is formed. Shortly after the turbine inlet 112, the gas stream flowing out of the internal combustion engine is distributed to the inlet channels 202, 204 via a gas quantity distribution device 212. The size ratio of the clear widths of the inlet channels 202, 204 and the position of the central web 206 is determined by the ratio of the two distances yl / y2. By means of the central web 206, the exhaust gas flow is divided into two parts on the turbine inlet side.
  • the middle web 206 has, after a short distance, openings 208 through which the exhaust gas stream from the inlet channel 204, which is arranged on the side of the first inlet channel 202 facing away from the turbine wheel 108, can be led to the first inlet channel 202. Due to the helical arrangement of the inlet channels 202, 204, the gas stream is directed onto the turbine wheel 108. Within one revolution, the clear width of the two inlet channels 202, 204 decreases almost to zero.
  • FIG. 1 b shows an elevational view of a twin exhaust gas turbocharger 102 with another embodiment of a turbine 118 according to the invention.
  • the turbine housing 106 divides into a first inlet channel 202 and a second inlet channel 204.
  • the gas stream flowing out of the internal combustion engine is distributed to the inlet channels 202, 204 via a gas quantity distribution device 212.
  • a central web 206 is formed in the vertical direction.
  • the size ratio of the clear widths of the inlet channels 202, 204 and the position and shape of the central web 206 is determined by the ratio of the two distances yl / y2.
  • the central web 206 preferably has, after a short distance, one or more openings 208 through which the exhaust gas flow can be conducted from the second inlet channel 204 to the first inlet channel 202. It is also possible to guide the exhaust gas flow from the first inlet channel 202 into the second inlet channel 204. Due to the helical arrangement of the inlet channels 202, 204, the gas stream is directed onto the turbine wheel 108. Within one revolution, the clear width of the two inlet channels 202, 204 decreases almost to zero.
  • FIG. 5a shows a schematic plan view of a double-flow turbine 119 according to the prior art.
  • the turbine housing 106 divides into the inner first inlet channel 202 and into the outer second inlet channel 204. Both inlet channels 202, 204 are separated by a closed central web 206 along their entire extent.
  • the clear width of the inner first inlet channel 202 decreases almost completely to zero within a first semicircle, starting in the clockwise direction from the line A to the line A '.
  • the clear width of the second inlet channel 204 remains almost constant.
  • the clear width of the outer second channel 204 likewise decreases almost completely to zero.
  • FIG. 5 b shows a schematic plan view of a twin-flow turbine 120 according to the prior art.
  • the turbine housing 106 divides into the first inlet channel 202 and into the second inlet channel 204. Both inlet channels 202, 204 are separated from each other by a closed central web 206 along their entire extent. The inside width of the two inlet channels 202, 204 decreases almost completely to zero along the spiral directed onto the turbine wheel 108.
  • both intake passages 202, 204 spiral around the turbine wheel 108 with a decreasing clear width in a clockwise direction.
  • the gas flow shortly after the turbine inlet 112 by means of a Gas quantity distribution device 212 between the first inlet channel 202 and the second inlet channel 204 distributed.
  • the gas quantity distribution device 212 has a controlled actuator device 216 with a flap 214, through which one of the two inlet channels 202, 204 can be closed.
  • the second inlet channel 204 remains closed in the low rotational speed ranges, ie at relatively low gas flow rates.
  • the first inlet channel 202 can be closed in a medium speed range.
  • the flap 214 In the high speed range, ie at high gas flow rates, the flap 214 is in a middle position, so that both inlet channels 202, 204 are traversed by gas.
  • the inlet channel is subdivided into the first inlet channel 202 and a second inlet channel 204.
  • the size ratio of the inlet channels 202, 204 and the position of the central web 206 is determined by the ratio of the two distances yl / y2.
  • the closed center web 206 transitions from a line B into an open structure divided into a plurality of openings 208 and individual fixed gas guide vanes 210.
  • the profile of the individual gas guide vanes 210 is shaped so that gas is conducted from the second inlet channel 204 through the openings 208 into the first inlet channel 202.
  • the individual gas guide vanes 210 preferably have a wing surface profile in cross section.
  • the height of the inflow from the second inlet channel 204 into the first inlet channel 202 can be determined by the shape of the gas guide vanes 210. Due to the airfoil-like profile of the gas vanes 210, the hot gas stream is deflected and flows into the channel 202 at almost the angle of the end of the gas vanes.
  • the amount of gas flowing from the second inlet channel 204 into the first inlet channel 202 can be determined. Furthermore, the conservation of momentum of the gas molecules influences the magnitude of the inflow in the direction of the turbine axis.
  • An advantage of the device according to the invention is that, due to the special design of the inlet channels and the gas quantity distribution device, the size of the inlet channel can be dimensioned sufficiently even for large rotational speed ranges, without the response of the turbine being impaired for small gas flow rates. A bypass or "wastegate" can be avoided. Another advantage is that a large number of movable gas guide vanes are eliminated. This increases not only the overall efficiency of the turbine but also the reliability.
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of a double-flow turbine according to another embodiment of the invention.
  • the gas stream is distributed between the first inlet channel 202 and the second inlet channel 204 by means of a passive gas quantity distribution device 212.
  • the Gasmengenverteilvoriques 212 comprises at least one flow barrier 218, 220, which is preferably arranged on the side in front of the inlet channel 202, and a speed-dependent or speed-dependent distribution of the gas flow between the two inlet channels 202, 204 causes. Investigations by the applicant have shown that, depending on the number and size of the inlet channels, it is sufficient to distribute the gas flow to the inlet channels with only one flow barrier.
  • the flow barriers 218, 220 have a height Zl or Z2 and are arranged at a distance X in front of the central web 206.
  • the size ratio of the inlet channels 202, 204 and the position of the central web 206 in turn is determined from the ratio of the two distances yl / Y2.
  • the resulting sufficient distribution of the gas stream is not dependent on the velocity of the gas stream in a first approximation.
  • the gas flow from the second inlet channel is conducted to a particularly high degree into the first inlet channel.
  • the gas flow experiences a particularly high speed component in the direction of the turbine rotational axis. This is reinforced by the particularly large decrease in the clear width of the inlet channels 202, 204 along the spiral-shaped extension.
  • the turbine wheel 108 is acted upon on a short radial distance with the entire gas flow.
  • a different admission of the two inlet channels 202, 204 can be achieved.
  • Applicant's investigations have shown that, depending on the dimensioning of the inlet channels and the ratio of yl / y2, a single flow barrier 218 is sufficient to achieve a desired distribution of the gas flow.
  • An advantage of the device according to the invention is that a distribution of the gas flow as a function of the speed range succeeds without moving elements. As a result, the reliability of the turbine is increased in a particularly advantageous manner to a particular extent and the response of the turbine in the lower speed range, in which preferably a non-detaching flow is given improved.
  • 4 shows a schematic plan view of a turbine according to another embodiment of the invention.
  • the gas flow is made shortly after the turbine inlet 112 by means of a Gasmengenverteil- device 212 having both an active distributor 214, 216, according to the embodiment shown in Figure 2, and a passive device 218, 220, according to the 3 of the embodiment shown, carried out.
  • a Gasmengenverteil- device 212 having both an active distributor 214, 216, according to the embodiment shown in Figure 2, and a passive device 218, 220, according to the 3 of the embodiment shown, carried out.
  • the passive device it may be sufficient to form only a lower flow barrier 218.
  • the Gasmengenverteilvoriques is preferably explained in a double-flow turbine, it should be noted that such a device can be used in a twin-flow turbine to distribute the gas flow to the first or second inlet channel. Furthermore, an exchange of the gas flow between the inlet channels can be carried out through openings between the first and the second inlet channel, even in the case of a twin-flow turbine.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (102) sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Turboladers. Innerhalb des Turboladers für ein oder in einem Kraftfahrzeug ist eine Turbine (118) angeordnet. Die Turbine weist einen ersten Einlasskanal (202) und wenigstens einen zweiten Einlasskanal (204) auf. Mittels einer Gasmengenverteilvorrichtung (212) lässt sich der von der Brennkraftmaschine abströmende Gasstrom auf Einlasskanäle verteilen. Über einen weiteren Gesichtspunkt der Erfindung stellt die Erfindung ein Verfahren zur Verteilung der Gasmengen zwischen dem ersten Einlasskanal (202) und dem zweiten Einlasskanal (204) bereit.

Description

Beschreibung
ABGASTURBOLADER MIT GASMENGENVERTEILVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES SOLCHEN TURBOLADERS
Bei herkömmlichen, nicht aufgeladenen Brennkraftmaschinen wird beim Ansaugen von Luft ein Unterdruck im Ansaugtrakt erzeugt, der mit wachsender Drehzahl des Motors ansteigt und die theoretisch erreichbare Leistung des Motors begrenzt. Ei- ne Möglichkeit, dem entgegenzuwirken und damit eine Leistungssteigerung zu erzielen, ist die Verwendung eines Abgasturboladers (ATL) . Ein Abgasturbolader oder kurz Turbolader ist ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine, mittels dem die Zylinder der Brennkraftmaschine mit einem erhöhten Ladedruck beaufschlagt werden.
Der detaillierte Aufbau und die Funktionsweise ist allgemein bekannt und beispielsweise beschrieben in der Druckschrift: "Aufladung von PKW DI Ottomotoren mit Abgasturboladern mit variabler Turbinengeometrie", Sep. 2006, Peter Schmalzl und wird daher nachfolgend nur kurz erläutert. Ein Turbolader besteht aus einer Abgasturbine im Abgasstrom (Abströmpfad) , die über eine gemeinsame Welle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt (Anströmpfad) verbunden ist. Die Turbine wird vom Ab- gasstrom des Motors in Rotation versetzt und treibt so den
Verdichter an. Der Verdichter erhöht den Druck im Ansaugtrakt des Motors, sodass durch diese Verdichtung während des Ansaugtaktes eine größere Menge Luft in die Zylinder der Brennkraftmaschine gelang als bei einem herkömmlichen Saugmotor. Damit steht mehr Sauerstoff zur Verbrennung zur Verfügung.
Durch den ansteigenden Mitteldruck des Motors wird das Drehmoment und die Leistungsabgabe merklich erhöht. Das Zuführen einer größeren Menge an Frischluft verbunden mit dem einlass- seitigen Verdichtungsprozess nennt man Aufladen. Da die Ener- gie für die Aufladung von der Turbine den schnell strömenden, sehr heißen Abgasen entnommen wird, erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine. An die ATLs werden hohe Anforderungen gestellt. Dies sind vor allem die hohen Abgastemperaturen von bis über 10000C und den je nach Drehzahlbereich völlig unterschiedlichen Gasmengen und die dadurch bedingten hohen maximalen Drehzahlen bis zu 300.000 Umdrehungen je Minute. Um den Einsatzbereich des Turboladers und das Ansprechverhalten zu verbessern werden u.a. mehrflutige Einlasskanäle wie beispielsweise das eines Doppelstromgehäuses oder auch das eines Zwillingsstromgehäuses verwendet. Eine derartige radiale Turbinenform ist beispiels- weise aus der Druckschrift: "Aufladung von PKW DI Ottomotoren mit Abgasturboladern mit variabler Turbinengeometrie", Sep. 2006, von Peter Schmalzl bekannt. Bei der offenbarten radialen Turbine wird eine variable Turbinengeometrie (VTG) beispielsweise in Form von verstellbaren Leitschaufeln verwen- det. Dabei sind die drehbaren Leitschaufeln konzentrisch gleichmäßig beabstandet um das Turbinenrad angeordnet. Nachteil einer derartigen Konstruktion ist, dass diese einen hohen konstruktiven Aufwand erfordert und die Zuverlässigkeit der Turbine verringert. Des Weiteren kommt es je nach Stel- lung der Leitschaufeln zu erheblichen Leistungsverlusten in der Turbine.
Ferner wird bei einem Turbolader mit fester Turbinengeometrie insbesondere um das Ansprechverhalten im unteren Drehzahlbe- reich zu verbessern und ein so genanntes "Turboloch" möglichst zu unterdrücken, der Kanalquerschnitt des Turbineneinlasses relativ klein gewählt. Dies führt dazu, um die hohen Abgasströmen im oberen Drehzahlbereich bewältigen zu können, dass ein Bypass oder "wastegate" geöffnet werden muss. Hier- durch kann sich der sich der Gesamtwirkungsgrad der Turbine verringern .
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile zu verringern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruch 1, und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Demgemäß ist vorgesehen:
- Turbolader für ein oder in einem Kraftfahrzeug mit einem wenigstens einem Turbinenrad und einer wenigstens zweiflu- tigen Gasstromzuführung mit einem ersten Einlasskanal und wenigstens einen zweiten Einlasskanal, wobei eine Gasmen- genverteilvorrichtung vorgesehen ist, die den von einer Brennkraftmaschine abströmenden Gesamtgasstrom auf die bei- den Einlasskanäle verteilt.
- Ein Verfahren zur Steuerung eines Turboladers mittels einer Gasmengenverteilvorrichtung bereitzustellen, mittels der eine Verteilung des Gasstroms zwischen den beiden Einlass- kanälen bewirkt wird.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht darin, im Abströmpfad einer Brennkraftmaschine, das heißt auf der Turbinenseite eines wenigstens zweiflutigen Turboladers, eine Vorrichtung bereitzustellen mit der ein ankommende Gasstrom zwischen dem ersten und wenigstens zweiten Einlasskanal verteilt wird. Auf diese Weise ist es möglich, je nach Drehzahl der Brennkraftmaschine, den Gasstrom vorwiegend auf den ersten, den zweiten oder auf beide oder auf wei- tere Einlasskanäle zu leiten. Da die Einlasskanäle im Allgemeinen spiralförmig um das Turbinerad angeordnet sind, lässt sich auch bei einer vergleichsweise geringen Gasmenge, insbesondere wenn vorwiegend nur ein Einlasskanal mit Gas beaufschlagt wird, genügend kinetische Energie aus dem Abgas auf das Turbinenrad übertragen und damit den Wirkungsgrad im unteren Drehzahlbereich der Turbine steigern. Damit lässt sich der Bereich des Auftretens eines Turbolochs verringern. In hohen Drehzahlbereichen und bei hohen Gasströmen lassen sich beide Einlasskanäle mit Gas beaufschlagen. Bei entsprechender Dimensionierung der Einlasskanäle, wobei insbesondere die lichte Weite des ersten Einlasskanals von der lichten Weite des zweiten Einlasskanals abweichen kann und vorzugsweise geringer ist, haben Untersuchungen der Anmelderin gezeigt, dass sich auch im oberen Drehzahlbereich der gesamte Gasstrom über die Turbine leiten lässt. Ein Vorteil ist, dass sich somit im Abströmpfad ein Bypass oder "wastegate" vermeiden lässt und der Gesamtwirkungsgrad der Turbine erhöht wird. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, dass die an unterschiedliche Drehzahlen angepasste Gaszuführung ohne bewegliche Leitschaufeln erreicht wird und sich die Zuverlässigkeit der Turbine erhöht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Zeichnungen.
In einer typischen Ausgestaltung des Turboladers ist die Gas- Stromzuführung für das Turbinenrad als Zwillingsstromzuführung oder als Doppelstromzuführung ausgebildet. Ein Vorteil ist, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch bei Einlasskanalanordnungen verwendbar ist, bei denen sich der Gasstrom auf mehr als zwei Einlasskanäle aufteilen lässt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Gasmengenverteil- vorrichtung als eine aktiv steuerbare Vorrichtung, insbesondere als Aktuatorvorrichtung ausgebildet, wobei in einer weiteren Ausgestaltung die Aktuatorvorrichtung am Eingang des wenigstens zweiflutigen Einlasskanals angeordnet ist.
In einer alternativen Ausgestaltung ist die Aktuatorvorrichtung an der Stirnseite eines Mittelstegs zwischen dem ersten Einlasskanal und dem zweiten Einlasskanal angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Gasmengenverteilvor- richtung als eine passive Vorrichtung ausgebildet, die wenigstens eine Strömungsbarriere umfasst. In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist die Strömungsbarriere un- mittelbar vor dem Beginn des wenigstens zweikanaligen Einlassbereichs angeordnet. Und in einer anderen Ausgestaltung weist die Strömungsbarriere eine Höhe Z und einen Abstand x zum Mittelsteg auf. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Gasmengenver- teilvorrichtung eine steuerbare Vorrichtung, insbesondere Ak- tuatorvorrichtung, und eine passive Vorrichtung, insbesondere eine Strömungsbarriere.
In einer typischen Ausführungsform ist der erste Einlasskanal mit dem zweiten Einlasskanal durch eine Vielzahl von Öffnungen verbunden. In einer weiteren Ausgestaltung ist wenigstens eine der Öffnungen als Durchlass zwischen zwei als Gasleitschaufeln ausgebildeten Stegen ausgebildet. In einer anderen typischen Ausgestaltung weisen die Gasleitschaufeln im Querschnitt ein tragflächenartiges Profil auf, um ein Teil des im zweiten Einlasskanal fließenden Gasstroms in den ersten Kanal zu leiten.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Turboladers wird mittels der Gasmengenverteilvorrichtung eine Verteilung des Gasstroms zwischen den beiden Einlasskanälen bewirkt.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird in einer ersten Betriebsart bei geringen Gasmengenströmen der zweite Einlasskanal mittels der Gasmengenverteilungsvorrichtung mit einer im Vergleich zu einer zweiten Betriebsart mit großen Gasmengenströmen geringeren Gasmenge beaufschlagt.
In einer alternativen Ausgestaltung wird in der ersten Betriebsart bei geringen Gasmengenströmen der zweite Einlasska- nal mittels der Gasmengenverteilungsvorrichtung verschlossen und in der zweiten Betriebsart bei großen Gasmengenströmen der zweite Einlasskanal geöffnet.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der in den Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
Fig. Ia einen Aufriss eines Doppelstromturboladers mit einem erfindungsgemäßen Einlasskanal;
Fig. Ib einen Aufriss eines Zwillingsstromturboladers mit einem erfindungsgemäßen Einlasskanal;
Fig.2 eine schematische Draufsicht auf eines Doppelstrom- turbinengehäuse mit erfindungsgemäßen Einlasskanälen und einer aktiven Gasmengenverteilvorrichtung;
Fig.3 eine schematische Draufsicht auf das Doppelstromtur- binengehäuse mit einer passiven Gasmengenverteilvorrichtung;
Fig.4 eine schematische Draufsicht auf das Doppelstromtur- binengehäuse mit einer aktiven und passiven Gasmengenverteilvorrichtung;
Fig.5a eine schematische Darstellung einer Doppelstromturbine gemäß dem Stand der Technik;
Fig.5b eine schematische Darstellung einer Zwillingsstromturbine gemäß dem Stand der Technik;
In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente, Merkmale und Größen - sofern nichts Abweichendes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. Ia zeigt einen Aufriss eines Doppelstromabgasturboladers 102 mit einer erfindungsgemäßen Turbine 118 und einem Ver- dichter 116. Innerhalb eines Turbinengehäuses 106 der Turbine 118 ist ein Turbinenrad 108 drehbar gelagert und mit einem Ende einer Welle 110 verbunden. Innerhalb des Verdichtergehäuses 100 des Verdichters 116 ist eine Verdichterrad 104 e- benfalls drehbar gelagert und mit dem anderen Ende der Welle 110 verbunden. Über einen Turbineneinlass 112 wird heißes Abgas von einem hier nicht dargestellten Verbrennungsmotor in die Turbine 118 eingelassen, wodurch das Turbinerad 118 in Drehung versetzt wird. Der Abgasstrom verlässt die Turbine 118 durch einen Turbinenauslass 114. Über die Welle 110, die das Turbinerad 108 an das Verdichterrad 104 koppelt, treibt die Turbine 118 den Verdichter 116 an.
Ausgehend von dem Turbineneinlass 112 teilt sich das Turbinengehäuse 106 in einen ersten Einlasskanal 202 und einen zweiten Einlasskanal 204 auf. Zwischen den beiden Einlasskanälen 202, 204 ist ein horizontaler Mittelsteg 206 ausgebildet. Kurz nach dem Turbineneinlass 112 wird über eine Gasmen- genverteilvorrichtung 212 das von der Brennkraftmaschine abströmende Gasstrom auf die Einlasskanäle 202, 204 aufgeteilt. Das Größenverhältnis der lichten Weiten der Einlasskanäle 202, 204 und die Lage des Mittelstegs 206 bestimmt sich aus dem Verhältnis der beiden Abstände yl/y2. Durch den Mittel- Steg 206 wird der Abgasstrom turbineneingangsseitig in zwei Teile unterteilt. Der Mittelsteg 206 weist nach einer kurzen Wegstrecke Öffnungen 208 durch die der Abgasstrom von dem Einlasskanal 204, der an der von dem Turbinenrad 108 abgewandten Seite des ersten Einlasskanals 202 angeordnet ist, zum ersten Einlasskanal 202 geleitet werden kann. Durch die schneckenförmige Anordnung der Einlasskanäle 202, 204 wird der Gasstrom auf des Turbinenrad 108 geleitet. Innerhalb einer Umdrehung nimmt die lichte Weite der beiden Einlasskanäle 202, 204 nahezu auf Null ab.
Fig. Ib zeigt einen Aufriss eines Zwillingsstromabgasturbola- ders 102 mit einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbine 118. Ausgehend von dem Turbineneinlass 112 teilt sich das Turbinengehäuse 106 in einen ersten Einlasska- nal 202 und einen zweiten Einlasskanal 204 auf. Kurz nach dem Turbineneinlass 112 wird über eine Gasmengenverteilvorrich- tung 212 das von der Brennkraftmaschine abströmende Gasstrom auf die Einlasskanäle 202, 204 aufgeteilt. Zwischen den beiden Einlasskanälen 202, 204 ist ein Mittelsteg 206 in verti- kaier Richtung ausgebildet. Das Größenverhältnis der lichten Weiten der Einlasskanäle 202, 204 und die Lage und Ausformung des Mittelstegs 206 bestimmt sich aus dem Verhältnis der beiden Abstände yl/y2. Durch den vertikalen Mittelsteg 206 wird der Abgasstrom turbineneingangsseitig in zwei Teile unterteilt. Der Mittelsteg 206 weist vorzugsweise nach einer kurzen Wegstrecke ein oder mehrere Öffnungen 208 auf, durch die der Abgasstrom von dem zweiten Einlasskanal 204 zum ersten Einlasskanal 202 geleitet werden kann. Ebenfalls ist es möglich der Abgasstrom von dem ersten Einlasskanal 202 in den zweiten Einlasskanal 204 zu leiten. Durch die schneckenförmige Anordnung der Einlasskanäle 202, 204 wird der Gasstrom auf des Turbinenrad 108 geleitet. Innerhalb einer Umdrehung nimmt die lichte Weite der beiden Einlasskanäle 202, 204 nahezu auf Null ab.
Fig.5a zeigt eine schematische Draufsicht einer Doppelstromturbine 119 gemäß dem Stand der Technik. Das Turbinengehäuse 106 teilt sich in den innenliegenden ersten Einlasskanal 202 und in den außenliegenden zweiten Einlasskanal 204. Beide Einlasskanäle 202, 204 sind durch einen geschlossenen Mittelsteg 206 entlang ihrer gesamten Erstreckung gegeneinander getrennt. Die lichte Weite des innenliegenden ersten Einlasska- nals 202 nimmt innerhalb eines ersten Halbkreises ausgehend im Uhrzeigersinn von der Linie A zur Line A' fast vollständig auf Null ab. Entlang dieser Strecke bleibt die lichte Weite des zweiten Einlasskanals 204 nahezu konstant. Nachfolgend nimmt im Uhrzeigersinn ausgehend von der Linie A' hin zu Li- nie A die lichte Weite des außenliegenden zweiten Kanals 204 gleichfalls nahezu vollständig auf Null ab.
Fig.5b zeigt eine schematische Draufsicht einer Zwillingsstromturbine 120 gemäß dem Stand der Technik. Das Turbinenge- häuse 106 teilt sich in den ersten Einlasskanal 202 und in den zweiten Einlasskanal 204. Beide Einlasskanäle 202, 204 sind durch einen geschlossenen Mittelsteg 206 entlang ihrer gesamten Erstreckung gegeneinander getrennt. Die lichte Weite der beiden Einlasskanäle 202, 204 nimmt entlang der auf das Turbinenrad 108 gerichteten Spirale fast vollständig auf Null ab .
Die Fig.2 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Turbi- nengehäuse 106 einer Doppelstromturbine mit zwei Einlasskanälen 202, 204. Gegenüber der Doppelstromturbine aus der Fig.5 wickeln sich beide Einlasskanäle 202, 204 mit einer abnehmenden lichten Weite im Uhrzeigersinn spiralförmig um das Turbi- nenrad 108. Der Gasstrom kurz nach dem Turbineneinlass 112 mittels einer Gasmengenverteilvorrichtung 212 zwischen dem ersten Einlasskanal 202 und dem zweiten Einlasskanal 204 verteilt. Hierzu weist die Gasmengenverteilvorrichtung 212 einer gesteuerten Aktuatorvorrichtung 216 mit einer Klappe 214 auf, durch die sich einer der beiden Einlasskanäle 202, 204 verschließen lässt. Vorzugsweise verbleibt in den niedrigen Drehzahlbereichen d.h. bei verhältnismäßig geringen Gasmengenströme der zweite Einlasskanal 204 verschlossen. Ferner lässt sich in einem mittleren Drehzahlbereich den ersten Ein- lasskanal 202 verschließen. Im hohen Drehzahlbereich d.h. bei hohen Gasmengenströmen befindet sich die Klappe 214 in einer Mittelstellung, sodass beide Einlasskanäle 202, 204 mit Gas durchströmt werden. Durch den Mittelsteg 206 am Turbineneinlass 112 wird der Einlasskanal in den ersten Einlasskanal 202 und einen zweiten Einlasskanal 204 unterteilt. Das Größenverhältnis der Einlasskanäle 202, 204 und die Lage des Mittelstegs 206 bestimmt sich aus dem Verhältnis der beiden Abstände yl/y2. Vorzugsweise geht der geschlossene Mittelsteg 206 ab einer Linie B in eine Vielzahl von Öffnungen 208 und ein- zelnen feststehende Gasleitschaufeln 210 unterteilte offene Struktur über. Das Profil der einzelnen Gasleitschaufeln 210 ist derart ausgeformt, dass Gas aus dem zweiten Einlasskanal 204 durch die Öffnungen 208 in den ersten Einlasskanal 202 geleitet wird. Die einzelnen Gasleitschaufeln 210 weisen da- bei im Querschnitt vorzugsweise ein tragflächenflügelartiges Profil auf. Dabei lässt sich durch die Ausformung der Gasleitschaufeln 210 die Höhe der Einströmung von dem zweiten Einlasskanal 204 in den ersten Einlasskanal 202 bestimmen. Durch das tragflächenartige Profil der Gasleitschaufeln 210 wird der heiße Gasstrom abgelenkt und strömt nahezu mit dem Winkel des Endes der Gasleitschaufeln in den Kanal 202 ein. Mit der Aufteilung des Gasstroms auf die Einlasskanäle 202, 204 und der Winkelstellung der einzelnen Gasleitschaufeln 210 lässt sich damit bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit die Menge des Gases das von dem zweiten Einlasskanal 204 in den ersten Einlasskanal 202 einströmt, bestimmen. Des Weiteren wird durch die Impulserhaltung der Gasmoleküle die Grö- ße der Einströmung in Richtung der Turbinenachse beeinflusst.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, dass durch die besondere Ausbildung der Einlasskanäle und der Gas- mengenverteilvorrichtung die Größe des Einlasskanals ausrei- chend auch für große Drehzahlbereiche dimensioniert werden kann, ohne dass bei kleinen Gasmengenströmen das Ansprechverhalten der Turbine verschlechtert wird. Ein Bypass oder "wastegate" lässt sich vermeiden. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine Vielzahl von beweglichen Gasleitschaufeln entfal- len. Damit erhöht sich neben dem Gesamtwirkungsgrad der Turbine auch die Zuverlässigkeit.
Fig.3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Doppelstromturbine gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Ausfüh- rungsform. Kurz nach dem Turbineneinlass 112 wird der Gasstrom mittels einer passiven Gasmengenverteilvorrichtung 212 zwischen dem ersten Einlasskanal 202 und dem zweiten Einlasskanal 204 verteilt. Hierzu umfasst die Gasmengenverteilvorrichtung 212 wenigstens eine Strömungsbarriere 218, 220, die vorzugsweise an der Seite vor dem Einlasskanal 202 angeordnet ist, und eine geschwindigkeitsabhängige bzw. drehzahlabhängige Verteilung des Gasstroms zwischen den beiden Einlasskanälen 202, 204 bewirkt. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass es je nach Anzahl und Größe der Einlasskanäle hinreichend ist, mit nur einer Strömungsbarriere den Gasstrom auf die Einlasskanäle zu verteilen. Die Strömungsbarrieren 218, 220 weisen eine Höhe Zl bzw. Z2 auf und sind mit einem Abstand X vor dem Mittelssteg 206 angeordnet. Durch den Mittelsteg 206 am Turbineneinlass 112 wird der Einlasskanal in den ersten Einlasskanal 202 und einen zweiten Einlasskanal
204 geteilt. Das Größenverhältnis der Einlasskanäle 202, 204 und die Lage des Mittelstegs 206 bestimmt sich wiederum aus dem Verhältnis der beiden Abstände yl/ Y2. Die dadurch er- reichte Aufteilung des Gasstromes ist in erster Näherung nicht von der Geschwindigkeit des Gasstromes abhängig. Jedoch wird durch den stark tragflächenflügelartigen Querschnitt der Gasleitschaufeln 210 und deren relativ großen Anstellwinkel a der Gasstrom aus dem zweiten Einlasskanal in besonders hohem Maße in den ersten Einlasskanal geleitet. Hierdurch erfährt der Gasstrom eine besonders hohe Geschwindigkeitskomponente in Richtung der Turbinendrehachse. Verstärkt wird dies durch die besonders große Abnahme der lichten Weite der Einlasska- näle 202, 204 entlang der spiralförmigen Erstreckung. Damit wird das Turbinerad 108 auf einer kurzen radialen Strecke mit dem gesamten Gasstrom beaufschlagt.
Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass neben der geometrischen Form der Barrieren und dem Abstand X, insbesondere die Höhen Zl bzw. Z2 zusammen mit dem Verhältnis von yl zu y2 einen wesentlichen Einfluss auf die strömungsabhängige Verteilung des Gasflusses ausüben. Es zeigte sich, dass bei geringen Gasströmgeschwindigkeiten sich an den Strömungsbar- rieren 216, 218 eine Strömung ausbildet, die keine Ablösung aufweist. Damit wird die Aufteilung des Gasstroms im Wesentlichen durch das Größenverhältnis der beiden Abstände yl und y2 bewirkt. Bei höheren Gasgeschwindigkeiten kommt es zu einer Ablösung des Flusses an den Kanten der Strömungsbarrie- ren. Durch die Höhen Zl und Z2 der Strömungsbarrieren 218,
220 lässt sich eine unterschiedliche Beaufschlagung der beiden Einlasskanäle 202, 204 erzielen. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass es je nach Dimensionierung der Einlasskanäle und des Verhältnisses von yl/y2 eine einzige Strömungsbarriere 218 ausreicht, um eine gewünschte Verteilung des Gasstromes zu erzielen. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, dass eine Verteilung des Gasstroms in Abhängigkeit des Drehzahlbereiches ohne bewegliche Elemente gelingt. Hierdurch wird in besonders vorteilhafter Weise die Zuverlässigkeit der Turbine in besonderem Maße erhöht und das Ansprechverhalten der Turbine im unteren Drehzahlbereich, bei der vorzugsweise eine nicht ablösende Strömung gegeben ist, verbessert. Fig.4 zeigt eine schematische Draufsicht einer Turbine gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform. In der dargestellten Ausführungsform wird der Gasstrom kurz nach dem Turbineneinlass 112 mittels einer Gasmengenverteil- vorrichtung 212 die sowohl eine aktive Verteilvorrichtung 214, 216, entsprechend der in der Fig.2 gezeigten Ausführungsform aufweist, als auch eine passive Vorrichtung 218, 220, entsprechend der in der Fig.3 dargestellten Ausführungs- form umfasst, durchgeführt. Es sei darauf hingewiesen, dass bei der passiven Vorrichtung es hinreichend sein kann, nur eine untere Strömungsbarriere 218 auszubilden. Durch die Kombination von aktiver und passiver Gasmengenverteilvorrichtung 212 und dem Verhältnis der Abstände Yl, Y2, die die Lage des Mittelsteges 206 und damit das Größenverhältnis von Einlasskanal 202 und Einlasskanal 204 bestimmen, ist es möglich die Gasmenge je nach Drehzahlverhältnis wirkungsvoll zu verteilen. Hierdurch lässt sich der Einsatzbereich der Turbine weiter erhöhen.
Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass sich der durch die vorgenannten Ausführungsformen die Zuverlässigkeit und Wirkungsgrad der Turbine steigern lassen. Insbesondere können die beweglichen Gasleitschaufeln um das Turbinenrad entfallen. Bei hohen Drehzahlbereichen lässt sich aufgrund der Möglichkeit einer ausreichenden Dimensionierung der Einlasskanäle der gesamte Gasstrom durch die Turbine leiten. Die Ausbildung eines "wastegate" kann entfallen.
Obwohl in den vorstehenden Ausführungsbeispielen die Gasmengenverteilvorrichtung vorzugsweise bei einer Doppelstromturbine erläutert wird, sei darauf hingewiesen, dass eine derartige Vorrichtung auch bei einer Zwillingsstromturbine zur Verteilung des Gasstroms auf den ersten oder zweiten Einlass- kanal eingesetzt werden kann. Ferner lässt sich durch Öffnungen zwischen dem ersten und dem zweiten Einlasskanal auch bei einer Zwillingsstromturbine ein Austausch des Gasstroms zwischen den Einlasskanälen durchführen.

Claims

Patentansprüche
1. Turbolader für ein oder in einem Kraftfahrzeug mit einem wenigstens einem Turbinenrad (108) und einer wenigstens zweiflutigen Gasstromzuführung mit einem ersten Einlasskanal (202) und wenigstens einem zweiten Einlasskanal (204), dadurch gekennzeichnet , dass eine Gasmengenverteilvorrichtung (212) vorgesehen ist, die den von einer Brennkraftmaschine abströmenden Gesamtgasstrom auf die beiden Einlasskanäle (202, 204) verteilt.
2. Turbolader nach Anspruch 1, da du r ch ge k e n n z e i ch n e t , d a s s die Gasstromzuführung für das Turbinenrad (108) als Zwil- lingsstromzuführung oder als Doppelstromzuführung ausgebildet ist .
3. Turbolader nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , die Gasmengenverteilvorrichtung als eine steuerbare Aktuator- vorrichtung (216) ausgebildet ist.
4. Turbolader nach Anspruch 3, da du r ch ge k e n n z e i ch n e t , d a s s die Aktuatorvorrichtung (216) am dem Beginn des wenigstens zweikanaligen Einlassbereichs angeordnet ist.
5. Turbolader nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, da du r ch ge ke n n z e i chn e t , da s s die Aktuatorvorrichtung (216) an der Stirnseite eines Mittelstegs (206) zwischen dem ersten Einlasskanal (204) und dem zweiten Einlasskanal (204) angeordnet ist.
6. Turbolader nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Gasmengenverteilvorrichtung (212) als eine passive Vorrichtung ausgebildet ist, die wenigstens eine Strömungsbarriere (218, 220) umfasst.
7. Turbolader nach Anspruch 6, da du r ch ge k e n n z e i ch n e t , d a s s die Strömungsbarriere (218, 220) unmittelbar vor dem Beginn des wenigstens zweikanaligen Einlassbereichs angeordnet ist.
8. Turbolader nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, da du r ch ge ke n n z e i chn e t , da s s die Strömungsbarriere (218, 220) eine Höhe Z und einen Abstand X zum Mittelssteg (206) aufweist.
9. Turbolader nach einem der Ansprüche 3 bis 5 und einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet , dass die Gasmengenverteilvorrichtung (212) eine steuerbare Vorrichtung insbesondere Aktuatorvorrichtung (216) und eine passive Vorrichtung insbesondere Strömungsbarriere (216, 220) umfasst .
10. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , dass der erste Einlasskanal (202) mit dem zweiten Einlasskanal (204) durch eine Vielzahl von Öffnungen (208) verbunden ist.
11. Turbolader nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , dass wenigstens eine der Öffnungen (208) als Durchlass zwischen zwei als Gasleitschaufeln (210) ausgebildeten Stegen ausgebildet ist.
12. Turbolader nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, da du r ch ge ke n n z e i chn e t , da s s die Gasleitschaufeln (210) im Querschnitt ein tragflächenartiges Profil aufweisen, um ein Teil des im zweiten Einlasska- nal (204) fließenden Gasstroms in den ersten Einlasskanal (202) zu leiten.
13. Verfahren zur Steuerung eines Turboladers nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , dass mittels der Gasmengenverteilvorrichtung (212) eine Verteilung des Gasstroms zwischen den beiden Einlasskanälen (202,204) bewirkt .
14. Verfahren zur Steuerung eines Turboladers nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , dass in einer ersten Betriebsart bei geringen Gasmengenströmen der zweite Einlasskanal (204) mittels der Gasmengenverteilungs- vorrichtung (212)mit einer im Vergleich zu einer zweiten Betriebsart bei großen Gasmengenströmen geringeren Gasmenge be- aufschlagt wird.
15. Verfahren zur Steuerung eines Turboladers nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , dass in der ersten Betriebsart bei geringen Gasmengenströmen der zweite Einlasskanal (204) mittels der Gasmengenverteilvorrichtung (212) verschlossen wird und bei der zweiten Betriebsart bei großen Gasmengenströmen der zweite Einlasskanal (204) geöffnet wird.
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