DE102005006427A1

DE102005006427A1 - Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005006427A1
Application number: DE102005006427A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. Finger; Peter Dipl.-Ing. Fledersbacher; Siegfried Dipl.-Ing. Sumser
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-02-12
Filing date: 2005-02-12
Publication date: 2006-08-24

Abstract

Ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine weist eine Abgasturbine im Abgasstrang und einen Verdichter im Ansaugtrakt auf, wobei ein Turbinenrad über eine Welle mit einem Verdichterrad gekoppelt ist. Die Außenkontur der Verdichterradschaufeln ist in der Weise geformt, dass der Eintrittsaußendurchmesser der Verdichterradschaufeln einen Mindestwert, bezogen auf den Austrittsaußendurchmesser, einnimmt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Abgasturbolader wird in der Druckschrift DE 100 49 198 A1 beschrieben. Der Abgasturbolader umfasst einen Verdichter im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine, der über eine Welle von einer Abgasturbine im Abgasstrang angetrieben wird. In der Abgasturbine wird die Energie des Abgases in eine Drehbewegung des Turbinenrades umgesetzt. Auf der Luftseite erzeugt der Verdichter einen erhöhten Ladedruck, unter dem die Verbrennungsluft den Zylindern der Brennkraftmaschine zuzuführen ist.

Um insbesondere bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine einen Drehzahlabfall im Abgasturbolader zu vermeiden oder zumindest gering zu halten, kann der Verdichter der Brennkraftmaschine auch im sogenannten Kaltluft-Turbinenbetrieb betrieben werden, bei dem ein Druckgefälle über dem Verdichter für einen zusätzlichen Antrieb des Verdichterrades ausgenutzt wird. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist im Verdichtergehäuse ein Zusatzkanal vorgesehen, welcher sich etwa parallel zum Verdichtereinlasskanal erstreckt und der in Höhe der Verdichterradschaufeln radial in den Verdichtereinlasskanal einmündet. Dieser Zusatzkanal wird bei niedrigen Lasten und Drehzahlen geöffnet, so dass die Verbrennungsluft mit einem definierten Drall auf die Verdichterradschaufeln auftrifft und diesen einen zusätzlichen antreibenden Impuls versetzt.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, einen Abgasturbolader zu schaffen, dessen Laderdrehzahl auch bei wechselnden Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine auf einem Mindestniveau gehalten werden kann.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

Das Verdichterrad im Verdichter des erfindungsgemäßen Abgasturboladers wird in der Weise ausgeführt, dass die Außenkontur der Verdichterradschaufeln einem definierten Schaufelgrößenwert entspricht. Dieser Schaufelgrößenwert wird aus dem Verhältnis des Eintrittsaußendurchmessers der Verdichterradschaufeln zum Austrittsaußendurchmesser bestimmt, wobei das Quadrat dieses Verhältnisses in einem Wertebereich zwischen 85% und 115% liegt. Dies bedeutet, dass der Eintrittsaußendurchmesser der Verdichterradschaufeln – im Bereich der Anströmseite des Verdichterrades – bezogen auf den Austrittsaußendurchmesser – im Bereich der Abströmseite des Verdichterrades – aufgrund der Leistungscharakteristik der Kaltluft-Turbinenbetriebsweise eine Mindestgröße aufweisen muss, die zwischen etwa 92% und etwa 107% des Austrittsaußendurchmessers beträgt.

Der Eintrittsaußendurchmesser der Verdichterradschaufeln ist bedeutend größer als dies aus dem Stand der Technik bekannt ist, was dazu führt, dass die Blattspitzengeschwindigkeit der Verdichterradschaufeln im Bereich der Anströmseite auch im unteren Last- und Drehzahlbereich des Motors deutlich angehoben wird. Die Begrenzung des Eintrittsaußendurchmessers auf einen oberen Grenzwert stellt andererseits sicher, dass die Blattspitzengeschwindigkeit keine unzulässig hohen Werte einnimmt, insbesondere nicht in den Bereich hoher Überschallgeschwindigkeiten gelangt.

Die höheren Blattspitzengeschwindigkeiten gehen mit einer höheren Laderdrehzahl einher. Die Erhöhung des Trägheitsmomentes des Verdichterrades, hervorgerufen durch die Vergrößerung des Eintrittsaußendurchmessers der Verdichterradschaufeln und des Nabenkörpers, wird durch die geringen Drehzahlschwankungen kaum wirksam.

Ein Vorteil des vergrößerten Eintrittsdurchmessers liegt darin, dass der Wirkungsgrad in der Kaltluft-Turbinenbetriebsweise durch die gesteigerte Umfangsgeschwindigkeit bzw. angehobene Schnelllaufzahl deutlich verbessert wird.

Das Impuls- bzw. Momentenverhalten der Kaltluft-Turbine führt mit der Eintrittsdurchmesser-Anhebung zu der gewünschten Charakteristik, gemäß der sich auch bei niederen Motorlasten hohe Turboladerdrehzahlen einstellen können.

Der Spalt zwischen Außenkontur des Verdichterrades und der begrenzenden Wandung des Verdichtereinlasskanals kann insbesondere für den Fall eines walzenförmigen Verdichterrades klein gehalten werden. Ein walzenförmiges Verdichterrad wird für den Fall erzielt, dass der Eintrittsaußendurchmesser und der Austrittsaußendurchmesser der Verdichterradschaufeln gleich groß sind, so dass die Einhüllende des Verdichterrades Zylinderform besitzt. Der erfindungsgemäße Schaufelgrößenwert beträgt in diesem Fall 100.

Derartige walzenförmige Verdichterräder sind außerdem einfach und kostengünstig zu bearbeiten bzw. herzustellen. Weitere Vorteile ergeben sich insbesondere auch bei einer Ausgestaltung des Turbinenrades in Walzenform.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass zur Vermeidung unzulässig hoher Blattspitzengeschwindigkeiten, welche im oberen Laderdrehzahlbereich auftreten, dem Verdichterrad im Verdichtereinlasskanal ein Mitdrallgitter vorgelagert ist. Dieses Mitdrallgitter besitzt Drallschaufeln, die die zuzuführende Verbrennungsluft in Mitdrallrichtung des umdrehenden Verdichterrades lenkt, wodurch die resultierenden Geschwindigkeitsvektoren im Bereich der Blattspitzen auf Werte unterhalb des Überschallbereiches reduziert werden. Das Mitdrallgitter lenkt die axiale Radzuströmung ab, zugleich bleibt die Umfangsgeschwindigkeit des Verdichterrades gleich, wobei in der Summe beider Geschwindigkeitsvektoren im Vergleich zur unbeeinflussten axialen Radzuströmung eine Reduzierung des resultierenden Geschwindigkeitsvektors erzielt wird.

Aufgrund einer vorteilhaften Schaufelkanalgestaltung bei gewünschtem Schaufeleintrittswinkel beträgt der Nabendurchmesser der Verdichterradnabe mindestens 40% des Eintrittsaußendurchmessers der Verdichterradschaufeln. Diese verhältnismäßig große Ausführung des Nabendurchmessers hat eine Anhebung des Massenträgheitsmomentes zur Folge, wodurch mehr Rotationsenergie im umdrehenden Lader gespeichert werden kann. Andererseits wird das größere Massenträgheitsmoment bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine durch die Wirkungsgradverbesserung in der Kaltluft- Turbinenbetriebsweise aufgrund der neuartigen Schaufelaußenkontur ausgeglichen.

Für den Fall, dass der Schaufelgrößenwert größer als 100% ist – Eintrittsaußendurchmesser der Verdichterradschaufeln größer als Austrittsaußendurchmesser –, kann das Verdichterrad zweiteilig aufgebaut und im Bereich der Anströmseite mit einem Vorsatz-Läuferrad ausgestattet sein, das einen größeren Schaufeldurchmesser als die auf der Verdichterradnabe angeordneten Verdichterradschaufeln aufweist. Ein derartiges, zweiteilig aufgebautes Verdichterrad ist mit einfachen Maßnahmen zu realisieren.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine,
2 einen Schnitt durch den Verdichter in einem Abgasturbolader, dessen Verdichterrad einen vergrößerten Eintrittsaußendurchmesser aufweist,
3 eine vergrößerte Darstellung des Verdichterrades.
Die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 – ein Ottomotor oder ein Dieselmotor – ist mit einem Abgasturbolader 2 ausgestattet, der eine Abgasturbine 3 im Abgasstrang 4 und einen Verdichter 5 im Ansaugtrakt 6 umfasst. Das Turbinenrad in der Abgasturbine 3 ist über eine Welle 7 drehfest mit dem Verdichterrad im Verdichter 5 verbunden. Die Abgasturbine 3 ist mit einer variablen Turbinengeometrie 8 zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnittes zwischen einer minimalen Stauposition und einer maximalen Öffnungsposition versehen.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird das Turbinenrad in der Abgasturbine 3 von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben. Die Drehbewegung des Turbinenrades wird über die Welle 7 auf das Verdichterrad im Verdichter 5 übertragen, woraufhin Verbrennungsluft unter Umgebungsdruck angesaugt und auf einen erhöhten Druck verdichtet wird. Stromab des Verdichters 5 befindet sich im Ansaugtrakt 6 ein Ladeluftkühler 9, in welchem die verdichtete Luft gekühlt wird. Anschließend wird die Luft unter Ladedruck den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zugeführt.
Der Brennkraftmaschine 1 ist außerdem eine Abgasrückführungseinrichtung 10 zugeordnet, die eine Abgasrückführleitung 11 umfasst, welche vom Abgasstrang 4 stromauf der Abgasturbine 3 abzweigt und in den Ansaugtrakt 6 stromab des Ladeluftkühlers 9 einmündet. In der Abgasrückführleitung 11 befindet sich ein einstellbares Sperrventil 12 und ein Abgaskühler 13.
Sämtliche Aggregate der Brennkraftmaschine 1 werden in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine sowie der Aggregate selbst von Stellsignalen einer Regel- und Steuereinheit 14 eingestellt. Dies betrifft insbesondere die variable Turbinengeometrie 8 und das Sperrventil 12 in der Abgasrückführleitung 11.
Wie 2 zu entnehmen, ist das Verdichterrad 16 mit der Verdichterradnabe 18 und den Verdichterradschaufeln 19 drehbar im Verdichtereinlasskanal 17 im Verdichtergehäuse 15 gelagert. Der Antrieb des Verdichterrades erfolgt über die Welle 7. In der unteren Bildhälfte von 2 – unterhalb der Längsachse 20 – ist das Verdichterrad 16 wie aus dem Stand der Technik bekannt dargestellt. In der oberen Bildhälfte ist das Verdichterrad 16 dagegen mit der erfindungsgemäßen Ausbildung dargestellt. Zu erkennen ist, dass die Außenkontur der Verdichterradschaufeln 19 des erfindungsgemäßen Verdichterrades eine zylindrische Einhüllende bildet, bei der der Zylindermantel parallel zur Längsachse 20 verläuft. Dies bedeutet, dass die Außenkontur der Verdichterradschaufeln 19 über ihre axiale Länge gesehen parallel zur Längsachse 20 liegt und jeder Punkt auf der Außenkontur den gleichen Abstand zur Längsachse besitzt. Im Stand der Technik dagegen, wie auf der unteren Bildhälfte dargestellt, besitzt die Außenkontur der Verdichterradschaufeln im Bereich der Anströmseite einen kleineren Durchmesser als im Bereich der Abströmseite.
Im Verdichtereinlasskanal 17 ist eine hülsenförmige, axial verschiebliche Trennwand 21 angeordnet, die einen ringförmigen Zusatzkanal 22 von dem Verdichtereinlasskanal 17 abteilt. Eine Stirnseite der Trennwand 21 wird von einem Stempel 23 beaufschlagt, wodurch die Trennwand 21 in Richtung auf den dam Verdichterrad benachbarten Gehäusewandabschnitt gedrückt wird. Die Trennwand 21 ist von einem nicht dargestellten Federelement in die Gegenrichtung kraftbeaufschlagt, so dass bei zurückgezogenem Stempel 23 eine Mündungsöffnung des Zusatzkanals 22 in den Verdichtereinlasskanal 17 freigegeben wird, die sich axial in Höhe der Verdichterradschaufeln 19 befindet und in der gegebenenfalls ein Drallgitter angeordnet sein kann. Die über den Zusatzkanal 22 und die freigegebene Mündungsöffnung einströmende Verbrennungsluft trifft nahezu in Umfangsrichtung auf die Verdichterradschaufeln 19 auf und versetzt diesen einen Drehimpuls. Diese Betriebsweise wird insbesondere im unteren Last- und Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine durchgeführt, in der über dem Verdichter ein Druckabfall herrscht, der es ermöglicht, den Verdichter im so genannten Kaltluft-Turbinenbetrieb zu betreiben, bei dem über das Verdichterrad Antriebsleistung aufgenommen wird, wodurch die Laderdrehzahl auch in diesen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine auf einem Mindestniveau gehalten werden kann.
Mit zunehmender Last- und Drehzahl wird der Stempel 23 soweit zurückgefahren, bis ein unmittelbarer Strömungsweg an der dem Stempel benachbarten Stirnkante der Trennwand 21 vorbei in Richtung auf die axiale Stirnseite des Verdichterrades freigegeben ist. Der Großteil der heranzuführenden Verbrennungsluft strömt in dieser Situation axial auf das Verdichterrad zu, das über die Welle 7 von dem Turbinenrad angetrieben wird. Die Verbrennungsluft wird von dem Verdichterrad in diesen Betriebszuständen auf einen erhöhten Ladedruck komprimiert.
In 2 ist außerdem ein den Verdichterradschaufeln 19 axial vorgelagertes Mitdrallgitter 28 dargestellt. Dieses Mitdrallgitter 28 umfasst über den Umfang verteilte Drallschaufeln, welche auf der Innenseite der hülsenförmigen Trennwand 21 angeordnet sind und in den Verdichtereinlasskanal 17 einragen. Die Drallschaufeln des Mitdrallgitters 28 besitzen in Radialrichtung gesehen nur eine geringe Erstreckung. Die axial herangeführte Verbrennungsluft erfährt beim Vorbeiströmen an den Drallschaufeln des Mitdrallgitters 28 einen in Umfangsrichtung weisenden Drall, wodurch der Geschwindigkeitsvektor der Verbrennungsluft im Bereich der Abströmseite, der sich durch Vektoraddition der Strömungsgeschwindigkeiten in Axialrichtung und in Umfangsrichtung zusammensetzt, reduziert wird. Aus diese Weise werden Strömungen im hohen Überschallbereich vermieden.
In 3 ist eine vergrößerte Darstellung des Verdichterrades 16 gezeigt. Die heranzuführende Verbrennungsluft wird axial in Pfeilrichtung 24 auf die axiale Anströmseite 25 der Verdichterradschaufeln 19 geleitet. Über die Abströmseite 26, die die Außenkontur der Verdichterradschaufeln darstellt, wird die Verbrennungsluft radial in Pfeilrichtung 27 abgeleitet.
Aus einer Verknüpfung des Eintrittsaußendurchmessers d_1t der Verdichterradschaufeln, gemessen im Bereich der Anströmseite, mit dem Austrittsaußendurchmesser d₂ der Verdichterradschaufeln, gemessen im Bereich der Abströmseite, wird ein Schaufelgrößenwert Trim als Quadrat des Verhältnisses von Eintrittsaußendurchmesser d_1t zu Austrittsaußendurchmesser d₂ nach folgendem Zusammenhang berechnet:
wobei der Schaufelgrößenwert Trim idealerweise in folgendem Wertebereich liegt:
85% ≤ Trim ≤ 115%.
Dies bedeutet, dass der Eintrittsaußendurchmesser d_1t im Bereich der Anströmseite 25 mindestens etwa 92% und höchstens etwa 107% des Austrittsaußendurchmessers d₂ im Bereich der Abströmseite 26 betragen muss bzw. darf.
In einer bevorzugten Ausführung beträgt der Schaufelgrößenwert Trim 100, was bedeutet, dass der Eintrittsaußendurchmesser d_1t und der Austrittsaußendurchmesser d₂ gleich groß sind und die Verdichterradschaufeln 19 eine walzenförmige Kontur besitzen, was in 3 mit durchgezogener Linie dargestellt ist. Mit gestrichelten Linien sind dagegen ein kleinerer Wert und ein größerer Wert für die Kennzahl Trim und für den Eintrittsaußendurchmesser d_1t dargestellt.
Als weiteres, die Größenverhältnisse im Verdichterrad bestimmendes Merkmal wird das Verhältnis von Nabendurchmesser d_1N der Verdichterradnabe zum Eintrittsaußenmesser d_1t der Verdichterradschaufeln auf einen Mindestwert gesetzt. Zweckmäßig beträgt das Verhältnis mindestens 40%:
was bedeutet, dass der Nabendurchmesser d_1N mindestens 40% des Wertes des Eintrittsaußendurchmessers d_1t beträgt. Durch die Wahl dieser verhältnismäßig großen Verdichterradnabe wird das Trägheitsmoment des Verdichterrades erhöht, wodurch das Verdichterrad in der Lage ist, mehr Rotationsenergie speichern zu können.

Claims

Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einer Abgasturbine (3) im Abgasstrang (4) und einem Verdichter (5) im Ansaugtrakt (6) der Brennkraftmaschine (1), wobei ein Turbinenrad in der Abgasturbine über eine Welle (7) mit einem Verdichterrad (16) im Verdichter (5) gekoppelt ist und das Verdichterrad (16) eine Verdichterradnabe (18) und Verdichterradschaufeln (19) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur der Verdichterradschaufeln (19) in der Weise geformt ist, dass ein Schaufelgrößenwert (Trim), der gemäß der Beziehung
zu ermitteln ist, in folgendem Bereich liegt: 85%≤ Trim≤ 115%, wobei mit d_1t der Eintrittsaußendurchmesser der Verdichterradschaufeln (19) im Bereich der Anströmseite (25), d₂ der Austrittsaußendurchmesser der Verdichterradschaufeln (19) im Bereich der Abströmseite (26) bezeichnet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelgrößenwert (Trim) gleich 100% ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Schaufelgrößenwert (Trim) größer als 100% das Verdichterrad (16) zweiteilig aufgebaut und im Bereich der Anströmseite ein Vorsatz-Läuferrad mit größerem Schaufeldurchmesser angeordnet ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Nabendurchmesser (d_1N) der Verdichterradnabe (18) zum Eintrittsaußendurchmessers (d_1t) der Verdichterradschaufeln (19), jeweils im Bereich der Anströmseite (25) gemessen, mindestens 40% beträgt:
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdichterrad (16) ein Mitdrallgitter (28) im Verdichtereinlasskanal (17) vorgelagert ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mitdrallgitter (28) als Drallgitterring mit Drallschaufeln ausgebildet ist, die radial in den Verdichtereinlasskanal (17) einragen.
Abgasturbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallschaufeln radial bis zum Erreichen der Außenkontur der Verdichterradschaufeln (19) in den Verdichtereinlasskanal (17) einragen.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mitdrallgitter (28) an einer axial verschieblichen Matrize gehalten ist, die einen Zusatzkanal (22), über den dem Verdichterrad (16) Zusatzluft zuführbar ist, vom Verdichtereinlasskanal (17) trennt.