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EP1488079A1 - Abgasturbolader in einer brennkraftmaschine - Google Patents

Abgasturbolader in einer brennkraftmaschine

Info

Publication number
EP1488079A1
EP1488079A1 EP03706391A EP03706391A EP1488079A1 EP 1488079 A1 EP1488079 A1 EP 1488079A1 EP 03706391 A EP03706391 A EP 03706391A EP 03706391 A EP03706391 A EP 03706391A EP 1488079 A1 EP1488079 A1 EP 1488079A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
exhaust gas
section
inlet cross
flow inlet
turbine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03706391A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Erdmann
Helmut Finger
Peter Fledersbacher
Siegfried Sumser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP1488079A1 publication Critical patent/EP1488079A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • F01D17/141—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path
    • F01D17/143—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path the shiftable member being a wall, or part thereof of a radial diffuser
    • 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
    • F01D17/167—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes of vanes moving in translation
    • 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
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/026—Scrolls for radial machines or engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F02B37/02—Gas passages between engine outlet and pump drive, e.g. reservoirs
    • F02B37/025—Multiple scrolls or multiple gas passages guiding the gas to the pump drive
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
    • F01N13/10—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of exhaust manifolds
    • F01N13/107—More than one exhaust manifold or exhaust collector
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/22—Control of the pumps by varying cross-section of exhaust passages or air passages, e.g. by throttling turbine inlets or outlets or by varying effective number of guide conduits
    • 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
    • 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 an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • turbocharger comprises an exhaust gas turbine, which in a turbine housing has a turbine wheel which is to be driven by the exhaust gases of the internal combustion engine.
  • the exhaust gas is supplied to the turbine wheel via a plurality of spiral channels, which guide the exhaust gas to the turbine wheel via a respective radial flow inlet cross-section.
  • DE 42 42 494 Cl embodiments are described with two, three and four spiral channels, each of which radial flow inlet cross sections are assigned distributed in different angular intervals over the circumference of the turbine wheel.
  • each flow inlet cross-section is a guide grid, which allows a defined flow of the turbine wheel with adjustable swirl and volume flow.
  • a guide grille with a narrow flow cross section can be used to generate a high back pressure.
  • a guide grid with a larger flow cross-section may be provided in order to enable a largely throttle-free exhaust gas flow to the turbine wheel, in particular during partial load operation of the internal combustion engine.
  • the different baffles are arranged on a common, sleeve-shaped flow control.
  • the Strömungsleitapparat is designed to be axially displaceable, which closed-formed, continuous or interruption-free wall sections of the Strömungsleitapparates can be inserted into individual flow inlet cross-sections and the effective flow area can be reduced accordingly.
  • the flow conditions in the case of a guide grille which is only partially exposed and an inlet cross section partially closed by the wall of the flow control device can deteriorate significantly, which in particular impairs the efficiency of the exhaust gas turbocharger.
  • the flow control device is usually either placed in a position in which the flow inlet cross section is completely closed or in a position in which the guide grid extends over the entire axial width of the flow inlet cross section.
  • the invention is based on the problem to provide with simple structural measures additional adjustment options for a generic exhaust gas turbocharger.
  • intermediate positions at the axial width of the flow inlet cross-section to the turbine wheel should be infinitely adjustable without impairing the flow conditions.
  • the guide-grid ring is held between two walls which delimit the flow-inlet cross-section axially, one of the walls a- xial is carried out slidably and has a receiving opening into which the guide grid is to be pushed or pushed out during an axial movement of this wall. Due to the axial displacement of the movable wall, the axial width of the flow inlet cross sections can be adjusted. In contrast to the state of the art, any intermediate positions are possible without affecting the flow conditions in the turbine flow, since in each position of the axially displaceable wall, the guide grid is effective in the free, effective flow inlet cross section with its defined guide grid geometry influencing the flow.
  • sliding wall can be adjusted by the variation of the axial position of the wall of the optimal for each operating point of the engine radial Str ⁇ mungseintrittsquerites without thereby affecting the arrangement of the turbine wheel negative.
  • the depth of the receiving opening on the displaceable wall is advantageously adapted to the axial extent of the guide grid, so that the guide grid can be inserted into the receiving opening until the radial flow inlet cross-section is closed and the flow inlet cross-section is completely closed or except for a residual gap.
  • an exhaust turbine designed as a combination turbine which also has a semi-axial flow inlet cross-section in addition to the radial flow inlet cross-section, a complete decoupling from the semi-axial inlet cross-section is possible when the radial inlet cross-sections are closed.
  • the combination turbine can thereby be reduced to an axial turbine in certain operating states of the internal combustion engine. the, whereby an increase in efficiency is possible.
  • the exhaust gas turbocharger described can be used both in four-cylinder internal combustion engines and in six-cylinder internal combustion engines.
  • the exhaust gases of the two middle cylinders are advantageously summarized and fed to a spiral channel and summarized in the same way the exhaust gases of the outer cylinder and fed to the second spiral channel.
  • two spiral channels can also be provided, wherein each three cylinders arranged one behind the other are each connected to a spiral channel.
  • a separate charge for driving the turbine wheel can advantageously be utilized by the separate combination of the exhaust gases of individual cylinders of the internal combustion engine.
  • a high proportion of the kinetic energy can be utilized by passing a pre-charge pressure pulse over the respective spiral channel onto the turbine wheel when opening the exhaust valves.
  • FIG. 1 shows a section through an exhaust gas turbine of an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine, with a radial and a semi-axial Str ⁇ mungseintritts- cross section to the turbine wheel, wherein in the radial flow inlet cross section, a guide grid is designed with an axially displaceable wall,
  • FIG. 2 is a schematic representation of a four-cylinder internal combustion engine with turbocharger, the exhaust gas turbine is shown in cross section, with two separate spiral channels for supplying exhaust gas to the turbine wheel,
  • FIG. 3 is a representation corresponding to FIG. 2, but with a six-cylinder internal combustion engine
  • FIG. 4 shows a longitudinal section through an exhaust gas turbine with exclusively radial flow inlet cross section.
  • the exhaust gas turbine 1 shown in longitudinal section in FIG. 1 is part of an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine.
  • the exhaust gas turbine 1 is arranged in the exhaust line of the internal combustion engine and is driven by the exhaust gases of the internal combustion engine.
  • the exhaust gas turbine in turn drives a compressor in the intake tract of the internal combustion engine, compressed via the intake combustion air to an increased boost pressure. tet, under which the combustion air is introduced into the cylinder inlets of the internal combustion engine.
  • the exhaust gas turbine 1 is designed as a combination turbine with a semi-axial and a radial flow inlet cross-section.
  • the exhaust gas turbine 1 has two separately executed spiral channels 4 and 5, which communicate with the exhaust gas line of the internal combustion engine and can be supplied to the turbine wheel 3 via the exhaust gas of the internal combustion engine.
  • Each spiral channel 4, 5 is expediently connected via separate exhaust gas lines to a respective part of the cylinders of the internal combustion engine, so that only the exhaust gas of the relevant cylinder is introduced into the respective spiral channel 4 or 5. This makes it possible to exploit in certain operating states of the internal combustion engine, a supercharger to increase the performance of the exhaust gas turbine.
  • the two spiral channels 4 and 5 are advantageously carried out mutually almost str ⁇ mungs- or pressure-tight and each have a radial flow inlet cross-section 6 and 7 and a semi-axial flow inlet cross-section 8 and 9, via which the exhaust gas from the spiral channels 4 and 5 impinges on the turbine wheel 3 and this drives.
  • the rotational movement of the turbine wheel 3 about the longitudinal loader axis 12 is transmitted via a shaft 13 to the compressor wheel in the exhaust gas turbocharger. After hitting the turbine wheel 3, the exhaust gas flows axially from the exhaust gas turbine 1 via an outflow channel 14.
  • the first spiral channel 4 is assigned a radial flow inlet cross section 6 and a semi-axial flow inlet cross section 8.
  • the second spiral channel 5 is assigned a radial flow inlet cross-section 7 and a semi-axial flow inlet cross-section 9.
  • the flow inlet cross sections of each spiral channel extend in each case over an angular range of 180 ° about the turbine wheel 3rd
  • a radial, extending over the entire circumference Leitgitterring 10 is arranged, which in particular has a plurality of evenly distributed over the circumference guide vanes, via which the flow of the exhaust gas can be positively influenced on the turbine wheel.
  • the radial guide-grid ring 10 covers both the radial flow inlet cross section 6 of the first spiral channel 4 and the radial flow inlet cross section 7 of the second spiral channel 5.
  • a circumferential, semi-axial Leitgitterring 11 is also in the semi-axial flow inlet cross sections 8 and 9 of the two spiral channels 4 and 5 introduced.
  • the semi-axial Leitgitterring improves the flow of the turbine wheel 3 and can be performed either similar or different over both semi-axial flow inlet cross sections.
  • the two Leitgitterringe 10 and 11 are advantageously fixed or invariable. However, it may also be expedient to design at least one of the guide ring rings to realize a variable turbine geometry adjustable, in particular to carry out with adjustable guide vanes.
  • the two Leitgitterringe 10 and 11 are held on a circumferential, fixed housing wall 15, which is radially in the two spiral channels 4 and 5 extends and is arranged in the intermediate region between the two Leitgitterringen.
  • the radially outer region of the housing-fixed wall 15 has a streamlined contour in order to allow optimum inflow into the radial or semi-axial flow inlet cross sections 6 and 7 or 8 and 9.
  • the radial flow inlet cross sections 6 and 7 are axially limited on the housing-fixed wall 15 opposite end face of a second axially displaceable wall 16 which is designed to be displaceable in the direction of the longitudinal axis of the loader.
  • the displaceable wall 16 is connected to a sliding sleeve 17, which is disposed in the Abstr ⁇ mkanal 14 a- xial displaceable and actuated via an actuating element.
  • the displaceable wall 16 has on its side facing the housing 15 fixed side one or a plurality of receiving openings 18 which extend over the circumference of the wall 16 and extend in the axial direction.
  • These receiving openings 18 are used in an axial approximation of the sliding wall 16 to the housing-fixed wall 15 for receiving the Leitgitterringes 10 and the vanes of the Leitgitterringes 10. In this way it is possible to reduce the distance between the walls 15 and 16 so far that both walls 15 and 16 are in contact with each other and the radial flow inlet cross-sections 6 and 7 are completely closed or up to a remaining gap. This allows the combination turbine to be reduced to a semi-axial turbine. About the insertion of the radial Leitgitterringes 10 in the receiving openings 18, the radial flow inlet cross sections 6 and 7 are continuously adjusted. In order to ensure an optimum flow onto the radial guide-grid ring 10 and the turbine wheel 3, regardless of the axial position of the adjustable wall 16, the adjustable bare wall 16 on its radially outer side a streamlined contour.
  • the adjustable wall 16 can be displaced so far axially outward that the radial Leitgitterring 10 is not in contact with the wall 16 and given a direct obstacle-free flow path between the two spiral channels 4 and 5 and the discharge channel 14 is. In this way, a blow-off function can be realized, bypassing the flow path via the Leitgitterringe.
  • the exhaust gas turbine 1 of the exhaust gas turbocharger is shown in section, the associated, connected via the shaft 13 to the turbine wheel compressor 20, however, is shown only schematically.
  • the exhaust gas of the internal combustion engine 19 is supplied to the spiral channels 4 and 5 of the exhaust gas turbine 1, whereby the turbine wheel is set in motion and the Turbinenradamba is transmitted via the shaft 13 to the compressor wheel in the compressor 20.
  • the intake combustion air is compressed to an increased pressure, then cooled in a charge air cooler 21 and finally fed to the cylinder inlets of the internal combustion engine 19 with a desired charge pressure.
  • the engine 19 is designed as a four-cylinder engine with cylinders Z lr Z 2 , Z 3 and Z 4 , which are arranged in series.
  • the exhaust gas of the outer cylinder Zi and Z 4 is combined and fed together to the first spiral channel 4 of the exhaust gas turbine 1.
  • the exhaust gas of the middle cylinder Z 2 and Z 3 is summarized and fed to the second spiral channel 5.
  • the two spiral channels 4 and 5 are fluid-tight against each other separated.
  • a housing-fixed ring 22 is arranged coaxially to the loader axis in the turbine housing, on which radially outward separating tongues 23 and 24 extend in front of the Halbaxialgitter 11, via which a separation of Str ⁇ mungswege in the spiral channels 4 and 5 is to produce. Furthermore, with the separating tongues 23 and 24 cooperating separating tongues 25 and 26 are provided, which are integrally formed with the spiral channels 4 and 5 and have the function of mutual sealing by means of a minimum gap to the wall 16. Each spiral channel 4 or 5 opens over an angular section of 180 ° in the inflow region to the turbine wheel.
  • Fig. 3 corresponds to that of FIG. 2, but with the difference that in Fig. 3, the internal combustion engine 19 is designed as a six-cylinder in-line engine with cylinders ___, to Z 6 .
  • the exhaust gases of the first three consecutive cylinders Z_ . to Z 3 are summarized and fed to the first spiral channel 4 of the exhaust gas turbine 1.
  • the exhaust gases of the successive, remaining cylinders Z to Z s are also combined and fed to the second spiral channel 5. Also on this summary is a cheap shock charge to realize.
  • a further exhaust gas turbine 1 is shown in a modified embodiment.
  • the exhaust gas turbine 1 is designed as a radial turbine with two radial flow inlet cross sections 6 and 7, which are respectively associated with the spiral channels 4 and 5.
  • both radial flow inlet cross sections 6 and 7 there is a radial Leitgitterring 10 which is held on the housing-fixed wall 15 and received in a receiving opening 18 in the axially displaceable wall 16.
  • the wall 16 is axially displaceable and coupled to the sliding sleeve 17.
  • the displaceable wall 16 is to be adjusted between a closed position, in which both radial flow inlet cross sections 6 and 7 are closed, and a maximum opening position, in which the radial flow inlet cross sections with the guide grid ring 10 therein occupy their maximum cross section.
  • the guide grid 16 can also be moved so far outward that the radial guide-grid ring 10 without contact to the sliding wall 16, whereby a direct Str ⁇ mungsweg between the spiral channels 4 and 5 and the Abstr ⁇ mkanal 14 is formed to realize a Abblasungs- function.
  • more than two spiral channels are provided in the exhaust gas turbine, for example, three spiral channels, each of which the exhaust gas of a certain number of cylinders of the internal combustion engine is to be supplied and each of which opens a defined angle segment in the Str ⁇ mungseintrittsquer- section to the turbine wheel.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
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  • Control Of Turbines (AREA)

Abstract

Ein Abgasturbolader in einer Brennkraftmaschine weist einen Verdichter (20) im Ansaugtrakt und eine Abgasturbine (1) im Abgasstrang auf. Die Abgasturbine (1) besitzt mindestens zwei Spiralkanäle (4,5), die jeweils in einen radialen Strömungseintrittsquerschnitt (6,7) münden. In den radialen Strömungseintrittsquerschnitten (6,7) ist ein Leitgitterring (10) angeordnet, der zwischen zwei axial begrenzenden Wandungen (15,16) gehalten ist. Eine der Wandungen (16) ist axial verschieblich ausgeführt.

Description

Abgasturbolader in einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
In der Druckschrift DE 42 42 494 Cl wird ein derartiger Abgasturbolader beschrieben. Der Turbolader umfasst eine Abgasturbine, welche in einem Turbinengehäuse ein Turbinenrad aufweist, welches -von den Abgasen der Brennkraftmaschine anzutreiben ist. Das Abgas wird dem Turbinenrad über mehrere Spiralkanäle zugeführt, welche über jeweils einen radialen Strömungseintrittsquerschnitt das Abgas auf das Turbinenrad leiten. In der DE 42 42 494 Cl werden Ausführungsbeispiele mit zwei, drei und vier Spiralkanälen beschrieben, denen jeweils radiale Strömungseintrittsquerschnitte in verschiedenen Winkelabschnitten über den Umfang des Turbinenrades verteilt zugeordnet sind. In jedem Strömungseintrittsquerschnitt befindet sich ein Leitgitter, welches eine definierte Anströmung des Turbinenrades mit einstellbarem Drall und Volumenstrom ermöglicht. Auf Grund der verschiedenartig ausgebildeten Leitgitter in jedem Strömungseintrittsquerschnitt kann das unterschiedliche Aufstauverhalten in den einzelnen Spiralkanälen für unterschiedliche Einsatzzwecke ausgenutzt werden. Beispielsweise kann zur Unterstützung einer Abgasrückführung in einem ersten Spiralkanal ein Leitgitter mit engem Durchflussquerschnitt zur Erzeugung eines hohen Staudruckes eingesetzt werden. In einem zweiten Spiralkanal kann dagegen ein Leitgitter mit größerem Durchflussquerschnitt vorgesehen sein, um insbesondere im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine einen weitgehend drosselfreien Abgaszustrom auf das Turbinenrad zu ermöglichen. Die unterschiedlichen Leitgitter sind an einem gemeinsamen, hülsenförmigen Strömungsleitapparat angeordnet. Der Strömungsleitapparat ist axial verschieblich ausgeführt, wodurch geschlossen ausgebildete, durchgehende bzw. unterbrechungs- freie Wandabschnitte des Strömungsleitapparates in einzelne Strömungseintrittsquerschnitte eingeschoben werden können und der wirksame Strömungsquerschnitt entsprechend reduziert werden kann. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass die Strömungsverhältnisse bei einem nur teilweise frei liegenden Leitgitter und einem teilweise von der Wandung des Strömungsleitapparates verschlossenen Eintrittsquerschnitt sich signifikant verschlechtern können, wodurch insbesondere der Wirkungsgrad des Abgasturboladers beeinträchtigt wird. Aus diesem Grund wird der Strömungsleitapparat üblicherweise entweder in eine Stellung versetzt, in der der Strömungseintrittsquerschnitt vollständig geschlossen ist oder in eine Stellung versetzt, in der das Leitgitter sich über die gesamte axiale Breite des Strömungseintrittsquerschnitts erstreckt .
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen zusätzliche Einstellmöglichkeiten für einen gattungsgemäßen Abgasturbolader zu schaffen. Es sollen insbesondere ohne Beeinträchtigung der Strömungsverhältnisse stufenlos Zwischenpositionen bei der axialen Breite des Strömungseintrittsquerschnittes zum Turbinenrad einstellbar sein.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Bei dem er indungsgemäßen Abgasturbolader ist der Leitgitterring zwischen zwei den Strömungseintrittsquerschnitt axial begrenzenden Wandungen gehalten, wobei eine der Wandungen a- xial verschieblich ausgeführt ist und eine Aufnahmeoffnung aufweist, in die das Leitgitter bei einer Axialbewegung dieser Wandung einzuschieben bzw. herauszuschieben ist. Durch die Axialverschiebung der beweglichen Wandung kann die axiale Breite der Strömungseintrittsquerschnitte eingestellt werden. Im Unterschied zum Stand der Technik sind hierbei beliebige Zwischenpositionen ohne Beeinträchtigung der Strόmungsver- hältnisse bei der Anströmung des Turbinenrades möglich, da in jeder Position der axial verschieblichen Wandung das Leitgitter im freien, wirksamen Strömungseintrittsquerschnitt mit seiner definierten, die Strömung beeinflussenden Leitgittergeometrie wirksam ist . Eine negative Beeinflussung der Strömungsverhältnisse kann ausgeschlossen werden. Insbesondere bei einer strömungsgünstig konturierten, verschieblichen Wandung kann durch die Variation der axialen Position der Wandung der für den jeweiligen Betriebspunkt des Motors optimale radiale Strδmungseintrittsquerschnitt eingestellt werden, ohne dadurch die Anordnung des Turbinenrades negativ zu beeinflussen.
Die Tiefe der Aufnahmeoffnung an der verschieblichen Wandung ist vorteilhaft an die axiale Erstreckung des Leitgitters an- gepasst, so dass das Leitgitter bis zum Verschließen des radialen Strömungseintrittsquerschnitts in die Aufnahmeoffnung eingeschoben werden kann und der Strömungseintrittsquerschnitt vollständig bzw. bis auf einen Restspalt verschlossen ist. Insbesondere in Verbindung mit einer als Kombinationsturbine ausgeführten Abgasturbine, die zusätzlich zum radialen Strömungseintrittsquerschnitt auch einen halbaxialen Strömungseintrittsquerschnitt aufweist, ist beim Verschließen der radialen Eintrittsquerschnitte eine vollständige Entkopplung zum halbaxialen Eintrittsquerschnitt möglich. Die Kombinationsturbine kann dadurch in bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine auf eine Axialturbine reduziert wer- den, wodurch eine Wirkungsgradsteigerung möglich ist. Dies erfolgt insbesondere bei niedrigen Abgasmassendurchsätzen im Bereich kleiner Drehzahlen und hoher Lasten der Brennkraftmaschine, wodurch der Wirkungsgradvorteil der Axialturbine gegenüber einer Radialturbine zum Tragen kommt . Zweckmäßig ist hierbei jeweils einem Spiralkanal und einem radialen Strömungseintrittsquerschnitt auch genau ein halbaxialer Strömungseintrittsquerschnitt zugeordnet, wodurch auch bei niedrigen Abgasmassendurchsätzen durch eine gewünschte Zuordnung einzelner Zylinder der Brennkraftmaschine zu jedem Spiralkanal der Druckimpuls, der bei Auslass-Öffnen des jeweiligen Zylinders auftritt, ausgenutzt werden kann.
Der beschriebene Abgasturbolader kann sowohl bei Vierzylinder-Brennkraftmaschinen als auch bei Sechszylinder- Brennkraftmaschinen eingesetzt werden. Bei Vierzylinder- Reihenmotoren werden zweckmäßig die Abgase der beiden mittleren Zylinder zusammengefasst und einem Spiralkanal zugeführt und in gleicher Weise die Abgase der äußeren Zylinder zusammengefasst und dem zweiten Spiralkanal zugeführt. Bei einem Sechszylinder-Reihenmotor können ebenfalls zwei Spiralkanäle vorgesehen sein, wobei jeweils drei hintereinander angeordnete Zylinder mit jeweils einem Spiralkanal verbunden sind.
Bei radialen Abgasturbinen, gegebenenfalls auch bei Kombinationsturbinen mit zusätzlichem halbaxialem Strömungseintrittsquerschnitt, kann durch die getrennte Zusammenfassung der Abgase einzelner Zylinder der Brennkraftmaschine eine Stoßaufladung für den Antrieb des Turbinenrades vorteilhaft ausgenutzt werden. Bei der Stoßaufladung kann ein hoher Anteil der kinetischen Energie dadurch ausgenutzt werden, dass beim Öffnen der Auslassventile ein Vorauslass-Druckimpuls ü- ber den jeweiligen Spiralkanal auf das Turbinenrad geleitet wird. Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Abgasturbine eines Abgas- turboladers für eine Brennkraftmaschine, mit einem radialen und einem halbaxialen Strδmungseintritts- querschnitt zum Turbinenrad, wobei im radialen Strömungseintrittsquerschnitt ein Leitgitter mit einer axial verschieblichen Wandung ausgeführt ist,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vierzylinder- Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader, dessen Abgasturbine im Querschnitt dargestellt ist, mit zwei separaten Spiralkanälen zur Zufuhr von Abgas zum Turbinenrad,
Fig. 3 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung, jedoch mit einer Sechszylinderbrennkraftmaschine,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Abgasturbine mit ausschließlich radialem Strömungseintrittsquerschnitt.
In den folgenden Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellte Abgasturbine 1 ist Teil eines Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine. Die Abgasturbine 1 ist im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordnet und wird von den Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben. Die Abgasturbine treibt ihrerseits einen Verdichter im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine an, über den angesaugte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck verdich- tet wird, unter dem die Verbrennungsluft in die Zylinderein- lässe der Brennkraftmaschine eingeleitet wird.
Die Abgasturbine 1 ist als Kombinationsturbine mit einem halbaxialen und einem radialen Strömungseintrittsquerschnitt ausgebildet. Die Abgasturbine 1 weist zwei separat ausgeführte Spiralkanäle 4 und 5 auf, welche mit dem Abgasstrang der Brennkraftmaschine kommunizieren und über die Abgas der Brennkraftmaschine auf das Turbinenrad 3 zuzuführen ist. Zweckmäßig ist jeder Spiralkanal 4, 5 über separate Abgaslei- tungen mit jeweils einem Teil der Zylinder der Brennkraftmaschine verbunden, so dass auch nur das Abgas der betreffenden Zylinder in den jeweiligen Spiralkanal 4 bzw. 5 eingeleitet wird. Dies ermöglicht es, in bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine eine Stoßaufladung zur Leistungssteigerung der Abgasturbine auszunutzen.
Die beiden Spiralkanäle 4 und 5 sind vorteilhaft gegenseitig nahezu strδmungs- bzw. druckdicht ausgeführt und besitzen jeweils einen radialen Strömungseintrittsquerschnitt 6 bzw. 7 sowie einen halbaxialen Strömungseintrittsquerschnitt 8 bzw. 9 , über die das Abgas aus den Spiralkanälen 4 und 5 auf das Turbinenrad 3 trifft und dieses antreibt. Die Drehbewegung des Turbinenrades 3 um die Laderlängsachse 12 wird über eine Welle 13 auf das Verdichterrad im Abgasturbolader übertragen. Nach dem Auftreffen auf das Turbinenrad 3 strömt das Abgas a- xial über einen Abströmkanal 14 aus der Abgasturbine 1 ab.
Dem ersten Spiralkanal 4 ist ein radialer Strömungseintrittsquerschnitt 6 und ein halbaxialer Strömungseintrittsquerschnitt 8 zugeordnet. Dem zweiten Spiralkanal 5 ist ein radialer Strömungseintrittsquerschnitt 7 und ein halbaxialer Strömungseintrittsquerschnitt 9 zugeordnet. Die Strömungseintrittsquerschnitte jedes Spiralkanals erstrecken sich jeweils über einen Winkelbereich von 180° um das Turbinenrad 3.
Im Bereich der beiden radialen Strömungseintrittsquerschnitte 6 und 7 ist ein radialer, sich über den gesamten Umfang erstreckender Leitgitterring 10 angeordnet, welcher insbesondere eine Mehrzahl von über den Umfang gleichmäßig verteilter Leitschaufeln aufweist, über die die Strömung des Abgases auf das Turbinenrad positiv beeinflusst werden kann. Der radiale Leitgitterring 10 deckt sowohl den radialen Strömungseintrittsquerschnitt 6 des ersten Spiralkanals 4 als auch den radialen Strömungseintrittsquerschnitt 7 des zweiten Spiral- kanals 5 ab. Hierbei kann es sowohl zweckmäßig sein, im Bereich beider radialer Strδmungseintrittsquerschnitte 6 und 7 gleichartig ausgebildete Leitgitterabschnitte vorzusehen als auch unterschiedlich ausgeführte Leitgitterabschnitte, beispielsweise einen Leitgitterabschnitt mit kleineren Strömungsdurchflüssen und einen Leitgitterabschnitt mit größeren Strömungsdurchflüssen.
In entsprechender Weise ist auch in die halbaxialen Strömungseintrittsquerschnitte 8 und 9 der beiden Spiralkanäle 4 und 5 ein umlaufender, halbaxialer Leitgitterring 11 eingebracht . Auch der halbaxiale Leitgitterring verbessert die Anströmung des Turbinenrades 3 und kann entweder über beide halbaxiale Strömungseintrittsquerschnitte gleichartig oder unterschiedlich ausgeführt sein. Die beiden Leitgitterringe 10 und 11 sind vorteilhaft fest bzw. unveränderlich ausgeführt. Es kann aber auch zweckmäßig sein, zumindest einen der Leitgitterringe zur Realisierung einer variablen Turbinengeometrie verstellbar auszubilden, insbesondere mit verstellbaren Leitschaufeln auszuführen.
Die beiden Leitgitterringe 10 und 11 sind an einer umlaufenden, gehäusefesten Wandung 15 gehalten, die sich radial in die beiden Spiralkanäle 4 bzw. 5 erstreckt und im zwischenliegenden Bereich zwischen beiden Leitgitterringen angeordnet ist. Der radial außen liegende Bereich der gehäusefesten Wandung 15 weist eine strömungsgünstige Kontur auf, um eine optimale Zuströmung in die radialen bzw. halbaxialen Strömungseintrittsquerschnitte 6 und 7 bzw. 8 und 9 zu ermöglichen.
Die radialen Strömungseintrittsquerschnitte 6 und 7 sind axial auf der der gehäusefesten Wandung 15 gegenüberliegenden Stirnseite von einer zweiten axial verschieblichen Wandung 16 begrenzt, die in Richtung der Laderlängsachse verschieblich ausgeführt ist. Hierfür ist die verschiebliche Wandung 16 mit einer Schiebehülse 17 verbunden, welche im Abstrδmkanal 14 a- xial verschieblich angeordnet und über ein Stellelement betätigbar ist. Die verschiebliche Wandung 16 weist auf ihrer der gehäusefesten Wandung 15 zugewandten Seite eine bzw. eine Mehrzahl von Aufnahmeoffnungen 18 auf, die sich über den Umfang der Wandung 16 erstrecken und in Axialrichtung verlaufen. Diese Aufnahmeoffnungen 18 dienen bei einem axialen Annähern der verschieblichen Wandung 16 an die gehäusefeste Wandung 15 zur Aufnahme des Leitgitterringes 10 bzw. der Leitschaufeln des Leitgitterringes 10. Auf diese Weise ist es möglich, den Abstand zwischen den Wandungen 15 und 16 so weit zu verringern, dass beide Wandungen 15 und 16 auf Kontakt zueinander liegen und die radialen Strömungseintrittsquerschnitte 6 und 7 vollständig bzw. bis auf ein verbleibendes Spaltmaß verschlossen sind. Hierdurch kann die Kombinations- turbine auf eine halbaxiale Turbine reduziert werden. Über das Einschieben des radialen Leitgitterringes 10 in die Aufnahmeöffnungen 18 können die radialen Strömungseintrittsquerschnitte 6 bzw. 7 stufenlos verstellt werden. Um unabhängig von der axialen Position der verstellbaren Wandung 16 eine optimale Anströmung auf den radialen Leitgitterring 10 sowie das Turbinenrad 3 sicherzustellen, besitzt auch die verstell- bare Wandung 16 auf ihrer radial außen gelegenen Seite eine strömungsgünstige Kontur.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass die verstellbare Wandung 16 so weit axial nach außen verschoben werden kann, dass der radiale Leitgitterring 10 ohne Kontakt zur Wandung 16 ist und ein unmittelbarer, hindernisfreier Strömungsweg zwischen den beiden Spiralkanälen 4 und 5 und dem Abströmkanal 14 gegeben ist. Auf diese Weise kann eine Abblasefunktion unter Umgehung des Strömungswegs über die Leitgitterringe realisiert werden.
In der schematischen Darstellung einer Brennkraftmaschine mit zugehörigen Aggregaten gemäß Fig. 2 ist die Abgasturbine 1 des Abgasturboladers im Schnitt dargestellt, der zugehörige, über die Welle 13 mit dem Turbinenrad verbundene Verdichter 20 ist dagegen nur schematisch dargestellt. Das Abgas der Brennkraftmaschine 19 wird den Spiralkanälen 4 und 5 der Abgasturbine 1 zugeführt, wodurch das Turbinenrad in Bewegung gesetzt wird und die Turbinenradbewegung über die Welle 13 auf das Verdichterrad im Verdichter 20 übertragen wird. Die angesaugte Verbrennungsluft wird auf einen erhöhten Druck verdichtet, anschließend in einem Ladeluftkühler 21 gekühlt und schließlich mit einem gewünschten Ladedruck den Zylinder- einlässen der Brennkraftmaschine 19 zugeführt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist die Brennkraftmaschine 19 als Vierzylinder-Motor mit Zylindern Zl r Z2, Z3 und Z4 ausgeführt, die in Reihe angeordnet sind. Das Abgas der außen liegenden Zylinder Zi und Z4 wird zusammengefasst und gemeinsam dem ersten Spiralkanal 4 der Abgasturbine 1 zugeführt . In gleicher Weise wird das Abgas der mittleren Zylinder Z2 und Z3 zusammengefasst und dem zweiten Spiralkanal 5 zugeführt . Die beiden Spiralkanäle 4 und 5 sind gegeneinander strömungsdicht separiert. Hierfür ist ein gehäusefester Ring 22 koaxial zur Laderachse im Turbinengehäuse angeordnet, an welchem sich radial nach außen Trennzungen 23 und 24 vor dem Halbaxialgitter 11 erstrecken, über die eine Separierung der Strδmungswege in den Spiralkanälen 4 und 5 herzustellen ist . Desweiteren sind mit den Trennzungen 23 und 24 zusammenwirkende Trennzungen 25 und 26 vorgesehen, die einteilig mit den Spiralkanälen 4 und 5 ausgebildet sind und die die Funktion der gegenseitigen Abdichtung mittels eines Minimalspalts zur Wandung 16 haben. Jeder Spiralkanal 4 bzw. 5 mündet über einen Winkelabschnitt von 180° in den Anströmbereich zum Turbinenrad.
Die Zusammenfassung der Abgase von jeweils zwei Zylindern der Brennkraftmaschine ermöglicht eine optimale Nutzung des Stoßaufladeeffekts beim Vierzylinder-Reihenmotor.
Die in Fig. 3 dargestellte Ausführung entspricht derjenigen aus Fig. 2, jedoch mit dem Unterschied, dass in Fig. 3 die Brennkraftmaschine 19 als Sechszylinder-Reihenmotor mit Zylindern ___, bis Z6 ausgeführt ist. Die Abgase der ersten drei aufeinander folgenden Zylinder Z_. bis Z3 werden zusammenge- fasst und dem ersten Spiralkanal 4 der Abgasturbine 1 zugeführt. Die Abgase der aufeinander folgenden, verbleibenden Zylinder Z bis Zs werden ebenfalls zusammengefasst und dem zweiten Spiralkanal 5 zugeführt. Auch über diese Zusammenfassung ist eine günstige Stoßaufladung zu realisieren.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist eine weitere Abgasturbine 1 in einer modifizierten Ausführung gezeigt. Die Abgasturbine 1 ist als Radialturbine ausgeführt mit zwei radialen Strömungseintrittsquerschnitten 6 und 7, die jeweils den Spiralkanälen 4 und 5 zugeordnet sind. Eine halbaxiale Anströmung des Turbinenrades 3 ist dagegen nicht vorgesehen. In beiden radialen Strömungseintrittsquerschnitten 6 und 7 be- findet sich ein radialer Leitgitterring 10, der an der gehäusefesten Wandung 15 gehalten und in eine Aufnahmeoffnung 18 in der axial verschieblichen Wandung 16 aufgenommen ist. Die Wandung 16 ist axial verschieblich und mit der Schiebehülse 17 gekoppelt. Die verschiebliche Wandung 16 ist zwischen einer Schließposition, in welcher beide radiale Strömungseintrittsquerschnitte 6 und 7 verschlossen sind, und einer maximalen Öffnungsposition zu verstellen, in welcher die radialen Strömungseintrittsquerschnitte mit dem darin befindlichen Leitgitterring 10 ihren maximalen Querschnitt einnehmen. Gegebenenfalls kann das Leitgitter 16 auch so weit nach außen verschoben werden, dass der radiale Leitgitterring 10 ohne Kontakt zur verschieblichen Wandung 16 ist, wodurch ein unmittelbarer Strδmungsweg zwischen den Spiralkanälen 4 bzw. 5 und dem Abstrδmkanal 14 zur Realisierung einer Abblasungs- funktion gebildet wird.
Gegebenenfalls sind auch mehr als zwei Spiralkanäle in der Abgasturbine vorgesehen, beispielsweise drei Spiralkanäle, denen jeweils das Abgas einer bestimmten Zylinderanzahl der Brennkraftmaschine zuzuführen ist und die jeweils über ein definiertes Winkelsegment in den Strδmungseintrittsquer- schnitt zum Turbinenrad münden.

Claims

Patentansprüche
1. Abgasturbolader in einer Brennkraftmaschine, mit einem Verdichter (20) im Ansaugtrakt und einer Abgasturbine (1) im Abgasstrang, wobei die Abgasturbine (1) in einem Turbinengehäuse (2) mindestens zwei Spiralkanäle (4, 5) aufweist, die jeweils in einen radialen Strömungseintrittsquerschnitt (6, 7) münden, über den dem Turbinenrad (3) der Abgasturbine (1) Abgas zuzuführen ist, wobei in den radialen Strömungseintrittsquerschnitten (6, 7) ein radialer Leitgitterring (10) angeordnet und der wirksame Strömungseintrittsquerschnitt (6, 7) veränderlich einstellbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der radiale Leitgitterring (10) zwischen zwei den Strömungseintrittsquerschnitt (6, 7) axial begrenzenden Wandungen
(15, 16) gehalten ist, von denen eine Wandung (16) axial verschieblich ausgeführt ist und eine Aufnahmeöffnung (18) aufweist, in die der Leitgitterring (10) bei einer Axialbewegung der Wandung (16) einschiebbar bzw. aus der der Leitgitterring
(10) zu entfernen ist.
2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Wandung (15) gehäusefest angeordnet und das Leit- gitter (10) mit dieser gehäusefesten Wandung (15) verbunden ist .
3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die verschiebbare Wandung (16) über eine axial verstellbare Schiebehülse (17) zu verstellen ist.
4. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Leitgitterring (10) bis zum Verschließen der radialen Strömungseintrittsquerschnitte (6, 7) in die Aufnahmeoff- nung (18) in der axialen verstellbaren Wandung (16) einschiebbar ist.
5. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Abgasturbine (1) als Kombinationsturbine mit radialem und mit halbaxialem Strömungseintrittsquerschnitt (6, 7, 8, 9) ausgeführt ist.
6. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 5 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass jedem radialen Strömungseintrittsquerschnitt (6, 7) ein halbaxialer Strömungseintrittsquerschnitt (8, 9) zugeordnet ist.
7. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwei Spiralkanäle (4, 5) vorgesehen sind, die jeweils in einen sich über 180° erstreckenden radialen Strömungseintrittsquerschnitt (6, 7) münden.
8. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen der verschiebbaren Wandung (16) und Trennzungen (26, 27) ein Minimalspalt für die Bewegungsfunktion und Abdichtung der Kanäle (3, 4) zueinander vorliegt.
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