WO2008145202A1 - Abgasturbolader - Google Patents

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Peter Edelmann
Markus Kley
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Voith Patent GmbH
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/04—Engines with exhaust drive and other drive of pumps, e.g. with exhaust-driven pump and mechanically-driven second pump
    • F02B37/10—Engines with exhaust drive and other drive of pumps, e.g. with exhaust-driven pump and mechanically-driven second pump at least one pump being alternatively or simultaneously driven by exhaust and other drive, e.g. by pressurised fluid from a reservoir or an engine-driven pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/14—Control of the alternation between or the operation of exhaust drive and other drive of a pump, e.g. dependent on speed
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to the field of exhaust gas turbochargers. See, for example, WO 00/73630 A1.
  • Exhaust gas turbochargers are indispensable in modern motor vehicles. They comprise as the most important components a turbine and a compressor. These two components sit together on one and the same shaft.
  • the turbine is supplied with the exhaust gas of the internal combustion engine.
  • the exhaust gas drives the turbine.
  • the turbine in turn drives the compressor. This sucks air from the environment and compresses it.
  • the compressed air is then used for combustion in the engine.
  • Exhaust gas turbochargers have the purpose to reduce the exhaust emissions and to increase the efficiency of the engine and its torque. They also have an important function regarding the mode of action of the catalyst.
  • valves are known with which the volume flow of the turbine exhaust gas supplied is adjustable.
  • wastegate a valve in the exhaust gas supply channel
  • This valve is controlled by an actuator that detects the pressure of the compressed fresh air.
  • the invention has for its object to make a method for controlling an exhaust gas turbocharger and an exhaust gas turbocharger of the type mentioned in such a way that can regulate operating parameters of the exhaust gas turbocharger in a way that is cheaper in every respect than before. This concerns among other things the function, the manufacturing costs and the space requirements.
  • the possibility is created to inject on the exhaust side or on the fresh air side or on both sides of a (further) medium flow.
  • a medium flow on the fresh air side in front of the internal combustion engine for example between the last compressor and the internal combustion engine.
  • a medium flow between the compressors or before the first compressor can be a compressed air flow.
  • This can for example be introduced from a provided compressed air tank in the fresh air line. The initiation can be done during selected phases of operation, especially during the starting phase. The tightening torque of the motor can thereby be greatly increased.
  • an exhaust gas turbocharger has, in addition to the exhaust gas inlet or in addition to the fresh air inlet, a connection for introducing a medium as a function of current operating parameters.
  • any parameters can be understood, such as the performance of the turbine wheel, the flow or the pressure or the temperature of the exhaust stream, or the power of the compressor wheel, or the flow rate or the pressure or the temperature of the fresh air stream ,
  • the output power of the turbine wheel can be changed by means of a medium flow, which is supplied to the exhaust gas flow.
  • a medium flow which is supplied to the exhaust gas flow.
  • any gases come into consideration, such as air or another gas or a mixture of such gases.
  • parameters of the medium flow itself can be changed, for example throughput or pressure or temperature.
  • the turbine impeller can be acted upon by a constant exhaust gas flow, and also -as required for the purpose of Regge the power or the pressure of the compressed fresh air flow - a corresponding partial exhaust gas flow can be additionally used.
  • the idea is ingeniously simple. As a result, any (additional) moving components are avoided.
  • the regulation is thus in the elegant way, namely aerodynamically.
  • the said additional media streams can be generated in any way.
  • a fresh air compressor can be provided, which generates a corresponding amount of fresh air and thus, for example, acts on the turbine wheel.
  • the rules of an exhaust gas turbocharger is often to adjust the pressure in the spiral channel of the compressor housing. If, in such a case, the pressure in the volute casing of the compressor housing is too low, a medium flow is supplied to the turbine wheel in addition to the exhaust gas flow. This then generates a higher power and outputs a higher torque to the compressor impeller, so that this generates a higher pressure in the spiral channel of the compressor housing. If, on the other hand, the pressure in the spiral channel of the compressor housing is too high, it is dispensed with supplying a medium flow to the turbine runner in addition to the exhaust gas flow.
  • FIG. 1 shows in an axial section an exhaust-gas turbocharger in which the
  • Invention is applicable.
  • FIG. 2 illustrates in a schematic representation the mode of operation of an exhaust-gas turbocharger.
  • the exhaust gas turbocharger shown in FIG. 1 comprises the following components: A turbine wheel 1 and a compressor wheel 2 are mounted on a common shaft 3.
  • the shaft 3 is not axially displaceable.
  • Compressor 2 is fixed on the shaft, so that a rotationally fixed connection between these two is made, but also a fixation against displacement in the axial direction.
  • the shaft 3 is mounted on two radial bearings 5, 6.
  • a thrust bearing 7 is provided.
  • the turbine wheel 1 is enclosed by a turbine housing 8. This has an inlet pipe 8.1 for exhaust gas from the combustion process of
  • the turbine housing 8 forms a spiral channel 8.3, which surrounds the turbine wheel 1.
  • a compressor housing 9 is provided. This has an inlet nozzle 9.1 for the intake of fresh air. The sucked and compressed amount of fresh air is fed through a radial annular gap 9.2 a spiral channel 9.3. The compressed fresh air then enters a device for producing a fuel-air mixture (not shown here).
  • the shaft 3 is mounted in a bearing housing 10. This has an oil inlet 10.1 and an oil outlet 10.2. Oil passages (not shown) supply the said bearings with oil.
  • a regulating device for regulating the pressure of the compressed air.
  • This comprises a pressure sensor 4.1 and this pressure sensor 4.1, the pressure in the outlet of the spiral channel 9.3 of the compressor housing 9 directly from and feeds this a central processing unit (CPU) 4.2 a.
  • the central process unit 4.2 controls a medium compressor 4.3.
  • said control device can adjust the pressure of the compressed fresh air flow to a desired value.
  • Figure 2 illustrates the structure of the control device again in a schematic representation. Again, one sees the turbine wheel 1, the compressor wheel 2 and the shaft 3.
  • the exhaust gas stream 20 coming from the engine acts on the turbine wheel 1 and leaves it again after work has been performed as exhaust gas flow 21.
  • the turbine wheel 1 is also acted on by a medium flow 22 according to the invention defined throughput and defined pressure.
  • the compressor 2 sucks in a fresh air stream 23. This is delivered as a compressed fresh air stream 24 to the compressor housing.
  • CPU central processing unit

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, umfassend ein Turbinenrad; ein Verdichterrad; Turbinenrad und Verdichterrad stehen miteinander in Triebverbindung; ein Turbinengehäuse mit einem Spiralkanal, einem radialen Abgas-Einlass und einem radialen Abgas-Auslass; ein Verdichtergehäuse mit einem Spiralkanal, einem axialen Frischlufteinlass und einem radialen Frischluftauslass; ein Lagergehäuse; eine Einrichtung zum Regeln des Druckes der verdichteten Luft. Das Turbinengehäuse und/oder das Verdichtergehäuse weisen Anschlüsse zum Führen eines Mediums zusätzlich zum Abgasstrom beziehungsweise zum Frischluftstrom auf.

Description

Abgasturbolader
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Abgasturbolader. Siehe zum Beispiel WO 00/73630 A1.
Abgasturbolader sind bei modernen Kraftfahrzeugen unverzichtbar. Sie umfassen als wichtigste Bauteile eine Turbine und einen Verdichter. Diese beiden Bauteile sitzen gemeinsam auf ein und derselben Welle. Der Turbine wird das Abgas des Verbrennungsmotors zugeleitet. Das Abgas treibt die Turbine an. Die Turbine ihrerseits treibt den Verdichter an. Dieser saugt Luft aus der Umgebung an und verdichtet diese. Die verdichtete Luft wird sodann für die Verbrennung im Motor ausgenutzt. Abgasturbolader haben den Zweck, die Abgasemissionen zu verringern sowie den Wirkungsgrad des Motors und dessen Drehmoment zu erhöhen. Sie haben außerdem eine wichtige Funktion bezüglich der Wirkungsweise des Katalysators.
An Abgasturbolader werden allgemein die folgenden Anforderungen gestellt: Sie sollen die genannten Funktionen bezüglich der Abgasemission, des Wirkungsgrades und des Drehmomentes des Motors in möglichst perfekter Weise erfüllen. Sie sollen dabei ein geringes Gewicht und ein geringes Bauvolumen haben. Die Konstruktion soll einfach im Aufbau sowie montagefreundlich sein, so dass sich die Herstellungskosten in Grenzen halten. Sie sollen katalysatorfreundlich sein.
Ein wichtiges Erfordernis ist es ferner, die Frischluft auf einen akzeptablen
Druckwert anzuheben. Dieser muss hoch genug sein, um den Anforderungen des Verbrennungsprozesses zu genügen. Er darf aber nicht zu hoch sein, um nicht nachgeschaltete Bauteile zu gefährden.
Es sind zahlreiche Einrichtungen bekannt geworden, mit denen der Druck der Frischluft geregelt wird. So lässt sich beispielsweise die Turbinengeometrie verändern, um die Leistung der Turbine auf einen gewünschten Wert einzustellen. Auch sind Schieber bekannt, mit welchen der Volumenstrom des der Turbine zugeführten Abgases einstellbar ist. Ferner ist es bekannt, im Abgas-Zufuhrkanal ein Ventil vorzusehen (sogenanntes Wastegate), das im Hinblick auf den gewünschten Druck der verdichteten Luft einstellbar ist. Dieses Ventil wird von einem Aktuator gesteuert, der den Druck der verdichteten Frischluft erfasst.
Diese Mechanismen zum Regeln des Druckes der verdichteten Luft haben nicht voll befriedigt. Sie sind aufwendig, kostspielig, beanspruchen relativ viel Raum, und arbeiten bezüglich ihrer Funktion nicht immer optimal. Besonders nachteilig ist bei allen bekannten Lösungen, dass mechanische Bauteile bewegt werden müssen, wobei Fehler auftreten können, die auf ein unerwünschtes Spiel zurückgehen, auf Verschleiß oder Verklemmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Regeln eines Abgasturboladers sowie einen Abgasturbolader der genannten Bauart derart zu gestalten, dass sich Betriebsparameter des Abgasturboladers auf eine Weise regeln lassen, die in jeder Beziehung günstiger als bisher ist. Dies betrifft unter anderem die Funktion, die Herstellungskosten und den Raumbedarf.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Demgemäß wird die Möglichkeit geschaffen, auf der Abgasseite oder auf der Frischluftseite oder auf beiden Seiten einen (weiteren) Mediumstrom zu injizieren. Besonders interessant ist das Einleiten eines Mediumstromes auf der Frischluftseite vor dem Verbrennungsmotor, zum Beispiel zwischen dem letzten Verdichter und dem Verbrennungsmotor. Auch käme ein Einleiten eines Mediumstromes zwischen den Verdichtern oder vor dem ersten Verdichter in Betracht. Dabei kann es sich um einen Druckluftstrom handeln. Dieser kann zum Beispiel aus einem bereitgestellten Druckluftbehälter in die Frischluftleitung eingeleitet werden. Das Einleiten kann während ausgewählter Betriebsphasen vorgenommen werden, ganz besonders während der Startphase. Das Anzugsmoment des Motors kann hierdurch stark vergrößert werden. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit der Abgasseite und/oder der Frischluftseite zwecks Regeins von Betriebsparametern des Abgasturboladers jeweils ein weiterer Mediumstrom zuführbar. Entsprechend weist ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader zusätzlich zu dem Abgaseinlass beziehungsweise zusätzlich zu dem Frischlufteinlass einen Anschluss zum Einleiten eines Mediums in Abhängigkeit von aktuellen Betriebsparametern auf.
Dabei können unter der Ausdrucksweise „Betriebsparameter des Abgasturboladers" jegliche Parameter verstanden werden, wie beispielsweise die Leistung des Turbinenrades, der Durchsatz oder der Druck oder die Temperatur des Abgasstromes, oder die Leistung des Verdichterrades, oder der Durchsatz oder der Druck oder die Temperatur des Frischluftstromes.
So lässt sich beispielsweise die abgegebene Leistung des Turbinenrades mittels eines Mediumstromes verändern, der dem Abgasstrom zugeführt wird. Als Medium kommen jegliche Gase in Betracht, wie beispielsweise Luft oder ein anderes Gas oder ein Gemisch aus solchen Gasen. Auch können Parameter des Mediumstromes selbst verändert werden, beispielsweise Durchsatz oder Druck oder Temperatur.
Auch ist es möglich, als Medium einen Teil-Abgasstrom selbst zu verwenden. So kann beispielsweise das Turbinen-Laufrad mit einem konstanten Abgasstrom beaufschlagt werden, und außerdem -je nach Bedarf zum Zwecke des Regeins der Leistung oder des Druckes des verdichteten Frischluftstromes - ein entsprechender Teil-Abgasstrom zusätzlich verwendet werden.
Die Idee ist genial einfach. Hierdurch werden jegliche (zusätzlichen) bewegten Bauteile vermieden. Die Regelung erfolgt somit auf die elegante Weise, nämlich aerodynamisch. Die genannten zusätzlichen Medienströme können auf jegliche Weise erzeugt werden. So kann beispielsweise über einen Nebenabtrieb vom Motor ein Frischluftverdichter vorgesehen werden, der eine entsprechende Frischluftmenge erzeugt und damit beispielsweise das Turbinenlaufrad beaufschlagt.
Das Regeln eines Abgasturboladers besteht häufig darin, den Druck im Spiralkanal des Verdichtergehäuses einzustellen. Ist in einem solchen Falle der Druck im Spiralgehäuse des Verdichtergehäuses zu gering, so wird ein Mediumstrom - zusätzlich zu dem Abgasstrom - dem Turbinenrad zugeführt. Dieses erzeugt sodann eine höhere Leistung und gibt ein höheres Drehmoment an das Verdichterlaufrad ab, so dass dieses einen höheren Druck im Spiralkanal des Verdichtergehäuses erzeugt. Ist hingegen der Druck im Spiralkanal des Verdichtergehäuses zu hoch, so wird darauf verzichtet, einen Mediumstrom zusätzlich zum Abgasstrom dem Turbinenlaufrad zuzuführen.
Auch ist es denkbar, das Turbinenrad derart auszulegen, dass es weniger Drehmoment erzeugt und an das Verdichterrad abgibt, als eigentlich notwendig wäre. Das Einstellen der „richtigen" Leistung des Turbinenrades wird dann dadurch bewirkt, dass der zusätzliche Mediumstrom entsprechend verändert wird, beispielsweise dadurch, dass dieses mit einem höheren beziehungsweise einem niedrigeren Durchsatz das Turbinenrad beaufschlagt.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
Figur 1 zeigt in einem Axialschnitt einen Abgasturbolader, bei welchem die
Erfindung anwendbar ist.
Figur 2 veranschaulicht in einer schematischen Darstellung die Funktionsweise eines Abgasturboladers.
Der in der Figur 1 gezeigte Abgasturbolader umfasst die folgenden Bauteile: Ein Turbinenrad 1 sowie ein Verdichterrad 2 sind auf einer gemeinsamen Welle 3 gelagert. Die Welle 3 ist axial nicht verschiebbar. Verdichterrad 2 ist auf der Welle fixiert, so dass eine drehfeste Verbindung zwischen diesen beiden hergestellt ist, aber auch eine Fixierung gegen Verschieben in axialer Richtung.
Die Welle 3 ist auf zwei Radiallagern 5, 6 gelagert. Außerdem ist ein Axiallager 7 vorgesehen.
Das Turbinenrad 1 ist von einem Turbinengehäuse 8 umschlossen. Dieses weist einen Einlassstutzen 8.1 für Abgas aus dem Verbrennungsprozess eines
Verbrennungsmotors auf, ferner einen Auslassstutzen 8.2. Das Turbinengehäuse 8 bildet einen Spiralkanal 8.3, der das Turbinenrad 1 umgibt.
Es ist ferner ein Verdichtergehäuse 9 vorgesehen. Dieses weist einen Einlassstutzen 9.1 für das Ansaugen von Frischluft auf. Die angesaugte und verdichtete Frischluftmenge wird durch einen radialen Ringspalt 9.2 einem Spiralkanal 9.3 zugeführt. Die verdichtete Frischluft gelangt sodann in eine Vorrichtung zum Herstellen eines Kraftstoff-Luft-Gemisches (hier nicht dargestellt).
Die Welle 3 ist in einem Lagergehäuse 10 gelagert. Dieses weist einen Öleinlass 10.1 und einen Ölauslass 10.2 auf. Ölkanäle (nicht dargestellt) versorgen die genannten Lager mit Öl.
Es ist eine Regelungseinrichtung zum Regeln des Druckes der verdichteten Luft vorgesehen. Diese umfasst einen Drucksensor 4.1 und dieser Drucksensor 4.1 weist den Druck im Ausgang des Spiralkanales 9.3 des Verdichtergehäuses 9 unmittelbar ab und speist diesen einer zentralen Prozesseinheit (CPU) 4.2 ein. Die zentrale Prozesseinheit 4.2 steuert einen Mediumverdichter 4.3. Dieser führt ein Medium über einen Mediumanschluss 4.4 dem Einlassstutzen 8.1 für Abgas aus dem Verbrennungsprozess eines Verbrennungsmotors zu. Damit vermag die genannte Regeleinrichtung den Druck des verdichteten Frischluftstromes auf einen gewünschten Wert einzustellen. Figur 2 veranschaulicht den Aufbau der Regeleinrichtung nochmals in schematischer Darstellung. Man sieht wiederum das Turbinenrad 1 , das Verdichterrad 2 und die Welle 3.
Der vom Motor kommende Abgasstrom 20 beaufschlagt das Turbinenrad 1 und verlässt dieses wieder nach geleisteter Arbeit als Abgasstrom 21. Das Turbinenrad 1 wird außerdem von einem erfindungsgemäßen Mediumstrom 22 definierten Durchsatzes und definierten Druckes beaufschlagt.
Das Verdichterrad 2 saugt einen Frischluftstrom 23 an. Dieser wird als verdichteter Frischluftstrom 24 an das Verdichtergehäuse abgegeben.
Bezugszeichenliste
1 Turbinenrad
2 Verdichterrad
3 Welle
4.1 Drucksensor
4.2 zentrale Prozesseinheit (CPU)
4.3 Mediumverdichter
4.4 Mediumanschluss
5 Gleitlager
6 Gleitlager
7 Axiallager
8 Turbinengehäuse
8.1 Einlassstutzen
8.2 Auslassstutzen
8.3 Spiralkanal
9 Verdichtergehäuse
9.1 Ansaugstutzen
9.2 Ringspalt
9.3 Spiralkanal
10 Lagergehäuse
10.1 Öleinlass
10.2 Ölauslass
20 eintretender Abgasstrom
21 austretender Abgasstrom
22 Mediumstrom
23 eintretender Frischluftstrom
24 austretender Frischluftstrom

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Regeln oder Betreiben eines Abgasturboladers eines
Verbrennungsmotors, bei dem auf der Abgasseite ein Abgasstrom geführt wird und auf der Frischluftseite ein Frischluftstrom, mit wenigstens einem
Turbinenrad (1) und mit wenigstens einem Verdichterrad (2), umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
1.1 das Turbinenrad (1) wird vom Abgasstrom (20) beaufschlagt;
1.2 dem Verdichterrad wird Frischluft (23) zugeführt; 1.3 es werden aktuelle Betriebsparameter des Abgasturboladers erfasst; gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: 1.4 es ist ein weiterer Mediumstrom (22) der Abgasseite und/oder der Frischluftseite zuführbar.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der weitere
Mediumstrom der Frischluftseite vor dem ersten Verdichter, oder zwischen zwei Verdichtern, oder zwischen dem letzten Verdichter und dem Verbrennungsmotor zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgenden
Merkmale:
3.1 als Betriebsparameter werden eine oder mehrere der folgenden Größen herangezogen: die Leistung des Turbinenrades (1); - der Durchsatz oder der Druck oder die Temperatur des dem
Turbinenrad (1) zugeführten Abgasstromes (20); die Leistung des Verdichterrades (2); der Durchsatz oder der Druck oder die Temperatur des verdichteten Frischluftstromes (24).
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als
Medium Luft oder ein anderes Gas oder ein Gasgemisch oder ein Abgas verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Medium Druckluft aus dem Kompressor oder aus dem Druckluftnetz des Fahrzeuges verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium während der Beschleunigungsphasen des Fahrzeuges oder während des sogenannten Turboloches dem Turbinenrad (1) und/oder dem Verdichterrad (2) zugeführt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung von Betriebsparametern des Abgasturboladers der
Durchsatz oder der Druck oder die Temperatur des Mediumstromes (22) verändert werden.
8. Abgasturbolader 8.1 mit einem Turbinenrad (1):
8.2 mit einem dieses umgebenden Turbinengehäuse (8) das einen Abgaseinlass (8.1) und einen Abgasauslass (8.2) aufweist;
8.3 mit einem Verdichterrad (2);
8.4 mit einem dieses umgebenden Verdichtergehäuses (9), das einen Frischlufteinlass (9.1) und einen Frischluftauslass (9.2) aufweist;
8.5 Turbinenrad (1) und Verdichterrad (2) stehen miteinander in Triebverbindung;
8.6 mit einer Einrichtung (4.1) zum Erfassen von Betriebsparametern des Abgasturboladers; gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
8.7 es sind Anschlüsse (4.4) vorgesehen, mit welchen ein zusätzliches Medium dem Turbinengehäuse (8) beziehungsweise dem Verdichtergehäuse (9) zugeführt werden.
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