DE19956896C1 - Abgasturbolader - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht von einem Abgasturbolader mit einer Abgasturbine und einem Radialverdichter aus, dessen Laufrad Luft über Leitschaufeln oder Keilschaufelelemente in einen Spiralenkanal fördert. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß die Leitschaufeln oder Keilschaufelelemente axial verschiebbar im Gehäuse des Radialverdichters geführt sind und quer zum Förderstrom des Laufrads verstellt werden können.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Abgasturbolader werden sowohl für selbstzündende Hubkolben­ brennkraftmaschinen mit Qualitätsregelung als auch fremdgezün­ dete Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Qualitätsregelung oder Quantitätsregelung eingesetzt, um die Leistung zu steigern oder die Abgasqualität zu verbessern, indem durch komprimierte Luft die Zylinderladung verbessert und die Expansionsenergie der Verbrennungsgase vermehrt genutzt wird.

Abgasturbolader sind bewährte Hilfsaggregate mit einem einfa­ chen Aufbau und einer langen Lebensdauer. Sie bestehen in der Regel aus einer Abgasturbine mit einer konstanten Schaufelgeo­ metrie, die einen Kreiselverdichter mit einer radialen Schau­ felgeometrie antreibt. Während die Abgasturbine als Strömungs­ maschine gut mit dem Kreiselverdichter zusammenarbeitet, zei­ gen beide Aggregate als Abgasturbolader ein anderes Betriebs­ verhalten als die Hubkolbenbrennkraftmaschine und sind nur schwer an die Bedürfnisse der Hubkolbenbrennkraftmaschine an­ zupassen. Legt man den Abgasturbolader für den Nennpunkt der Hubkolbenbrennkraftmaschine aus, ist der Förderdruck im unte­ ren Drehzahlbereich aufgrund der relativ großen Abgasturbine unzureichend. Legt man dagegen den Abgasturbolader für einen Teillastpunkt der Hubkolbenbrennkraftmaschine aus, so ist im Nennleistungspunkt die Turbine zu klein. Dies hat erhebliche Wirkungsgradverluste zur Folge.

Es ist bekannt, den Kreiselverdichter im unteren Drehzahlbe­ reich der Hubkolbenbrennkraftmaschine zusätzlich zur Abgastur­ bine mechanisch durch einen Elektromotor oder eine Gasturbine anzutreiben oder die Abgasturbine zusätzlich mit den Brennga­ sen einer Brennkammer zu beaufschlagen. Diese Lösungen erfor­ dern einen großen Bauaufwand und Regelungsbedarf.

Es sind ferner Abgasturbolader mit einer variablen Schaufel­ geometrie bekannt. Die EP 0 598 174 A1 beschreibt einen Abga­ sturbolader für eine Brennkraftmaschine, dessen Abgasturbine ein Laufrad hat, das von einem mindestens teilweise diagonal durchströmten Leitapparat mit einem spiralförmigen Leitkanal umgeben ist. Dieser besitzt einen ringdüsenförmigen Mündungs­ bereich, in dem ein variables Leitgitter mit Leitschaufeln an­ geordnet ist. Bei Vollast der Brennkraftmaschine sind die Strömungsquerschnitte des Leitgitters teilweise geöffnet, wäh­ rend für einen abnehmenden Teillastbetrieb der Brennkraftma­ schine die Strömungskanäle des Leitgitters durch Verdrehen ei­ nes Teils des Leitgitters zunehmend geöffnet werden. Schließt man im Teillastbereich der Brennkraftmaschine das Turbinen­ leitgitter, kann die Drehzahl der Abgasturbine trotz des ver­ ringerten Massenstroms auf einem hohen Niveau gehalten werden. Das verfügbare Kennfeld auf der Seite der Abgasturbine des Ab­ gasturboladers wird über die Leitgittervariation verbreitert. Allerdings bleibt das Kennfeld des Kreiselverdichters mit kon­ stanter Schaufelgeometrie prinzipiell unverändert.

Aus der DE 31 51 414 A1 ist eine Abgasturbine für eine Brenn­ kraftmaschine bekannt. Zur Strömungsverbindung zwischen einem Spiralkanal im Turbinengehäuse und einem Laufrad der Turbine ist ein radialer Ringraum angeordnet. Im Turbinengehäuse ist ein Leitgitter mit Leitschaufeln vorgesehen, die über Kolben entgegen der Kraft einer Rückstellfeder axial verstellbar sind und quer zur Strömungsrichtung des Abgases in den Ringraum hinein ragen. Das Leitgitter ist in zwei Stellungen schiebbar, und zwar in eine erste Stellung, in der es den Ringraum so durchsetzt, dass seine inneren Seitenflächen an der Innenwand des Ringraums anliegen, und in eine zweite Stellung, in der es in eine an den Ringraum angrenzende Ringkammer eintaucht und seine innere Seitenflächen bündige Wandteile der Innenwand des Ringraums bilden. Das Leitgitter dient dazu, das Abgasturbi­ nenkennfeld zu geringeren Massenströmen hin zu erweitern.

Um den Vorteil auf der Seite der Abgasturbine möglichst gut nutzen zu können, ist es erforderlich, bis an die Grenzen des Betriebskennfelds des Kreiselverdichters zu gehen, die durch die Pumpgrenze und die Stopfgrenze des Verdichters bestimmt sind. Unter "Pumpen" bei Kreiselverdichtern versteht man ein Rückströmen des komprimierten gasförmigen Mediums aus einem Speichervolumen auf der Druckseite des Kreiselverdichters, wenn der Massenstrom durch den Kreiselverdichter soweit ab­ fällt, dass der Kreiselverdichter den erforderlichen Förder­ druck gegen den Speicherdruck nicht mehr erzeugen kann. Ist der Druck auf der Druckseite des Kreiselverdichters durch die Rückströmung soweit abgefallen, dass der Kreiselverdichter wieder einen entsprechenden Förderdruck liefert, setzt die Förderung in Förderrichtung wieder ein, bis sich der Speicher wieder aufgeladen hat und sich der Pumpvorgang wiederholt. Das "Pumpen" führt zu hohen mechanischen Belastungen des Abgastur­ boladers und ist mit einem für den Fahrer störenden Geräusch verbunden.

Stärker noch als von den maximal erreichbaren Werten für Drehmoment und Leistung wird der Fahrleistungseindruck eines Kraftfahrzeugs von der Spontanität der Reaktion auf Gaspedal­ bewegungen und - vor allem bei aufgeladenen Brennkraftmaschi­ nen - vom Drehmomentaufbau bei Beschleunigung aus niedrigen Drehzahlen geprägt. Da die Geschwindigkeit des Drehmomentauf­ baus davon abhängt, wie schnell der Ladedruck aufgebaut wird, können hierfür Abgasturbolader mit einer variablen Schaufel­ geometrie auf der Abgasturbinenseite vorteilhaft eingesetzt werden, indem die Leitschaufeln am Beginn eines Beschleuni­ gungsvorgangs aus dem Teillastbereich weitgehend geschlossen werden, so daß die Abgasturbine sehr stark beschleunigt.

Obwohl ein ausreichender Abstand zur Pumpgrenze des Kreisel­ verdichters im stationären Betrieb eingehalten wird, können instationär kurzzeitig Pumpvorgänge auftreten. Diese Gefahr besteht insbesondere, wenn der Fahrer des Kraftfahrzeugs aus einem Fahrzustand mit einem hohen Verdichterdruckverhältnis schnell das Gaspedal zurücknimmt und die Drehzahl der Brenn­ kraftmaschine, z. B. bei Fahrzeugen mit hydrodynamischen Kupp­ lungen, bzw. Wandlern oder bei Schaltungen mit Zugkraftunter­ brechung, schnell sinkt.

Es konnten deutliche Fortschritte betreffend die Breite des Verdichterkennfelds gemacht werden, indem die Laufschaufeln im Austrittsbereich des Laufrads rückwärts gekrümmt wurden. Fer­ ner wurden bei Nutzkraftfahrzeugen besondere Gehäusegestaltun­ gen eingesetzt, um die Pumpgrenze hin zu niedrigen Massen­ durchsätzen zu verschieben. Entscheidenden Einfluß auf das Be­ triebsverhalten des Radialverdichters hat die Auslegung des dem Laufrad nachgeschalteten Diffusors, dessen Aufgabe es ist, die Geschwindigkeit, also die kinetische Energie, der aus dem Laufrad austretenden Strömung auf möglichst verlustarme Weise in statischen Druck bzw. potentielle Energie umzuwandeln. Die­ se Verzögerung der absoluten Austrittsgeschwindigkeit aus dem Laufrad kann entweder durch einen schaufellosen oder beschau­ felten Diffusor erfolgen.

Beim beschaufelten Diffusor ist zwischen dem Laufrad und dem Spiralenkanal ein Leitgitter mit Leitschaufeln angeordnet, die Kräfte auf das Strömungsmedium ausüben und eine größere Verzö­ gerung der Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit er­ möglichen, als dies durch alleinige Zunahme des Halbmessers aufgrund des Drallsatzes beim unbeschaufelten Diffusor der Fall ist.

Ein beschaufelter Diffusor mit starrer Schaufelgeometrie kann jedoch nur für einen bestimmten Anströmwinkel optimal ausge­ legt werden. Ändert sich beispielsweise der Massendurchsatz bei konstanter Verdichterdrehzahl, so ändert sich auch der Strömungswinkel am Laufradaustritt. Eine Anströmung des Diffu­ sors unter falschem Winkel hat Stoßverluste und damit verbun­ dene Wirkungsgradverluste zur Folge. Der mit einem beschaufel­ ten Diffusor erzielbare Spitzenwirkungsgrad ist daher zwar hö­ her, er bricht bei Änderung des Massendurchsatzes jedoch auch schneller und deutlicher ein als mit einem unbeschaufelten Diffusor. Ferner ist es möglich, durch die Auslegung des Schaufeldiffusors die Lage der Pumpgrenze deutlich zu beein­ flussen. Da aber aus den oben genannten Gründen bei Turbola­ derverdichtern die Breite des Kennfelds eine entscheidende Rolle spielt, kommen dort in der Regel unbeschaufelte Diffuso­ ren zum Einsatz, welche ein insgesamt breiteres Kennfeld er­ lauben.

Aus der DE 195 48 852 A1 ist ein Abgasturbolader mit einem Ra­ dialverdichter bekannt, der einen beschaufelten Diffusor hat. Um das Kennfeld des Verdichters zu verbessern, besitzen die Leitschaufeln an der Anströmseite einen Verbindungskanal zwi­ schen der Druckseite und der Saugseite.

Ferner ist aus der DE 43 34 466 A1 ein Radialverdichter mit einem beschaufelten Diffusor bekannt, wobei dem Leitgitter auf der Anströmseite Hilfsluft zugeführt werden kann.

Aus der US 54 52 986 A ist ein Radialverdichter mit einem be­ schaufelten Spiralkanal bekannt, wobei an einem Ringkolben be­ festigte Leitschaufeln axial verstellbar sind und quer zur Strömungsrichtung der geförderten Luft in den Spiralkanal ein­ geschoben werden können. Die Leitschaufeln, die in kreisförmi­ gen, drehbaren Matrizenscheiben im Verdichtergehäuse geführt sind, besitzen über ihre Länge eine unterschiedliche Schaufel­ geometrie, so dass sich je nach Eintauchtiefe der den Ringraum durchsetzenden Leitschaufeln unterschiedliche Anström- und Ab­ strömwinkel ergeben.

Schließlich ist aus der DE 43 12 078 A1 ein Abgasturbolader bekannt, der einen Radialverdichter mit einem unbeschaufelten Diffusor aufweist. Über eine Abgasrückführungsleitung kann vom Gehäuse der Abgasturbine über ein Regelventil Abgas in den Diffusor eingespeist werden. Da eine Abgasrückführung nur mög­ lich ist, wenn der Abgasdruck am Einlaß der Abgasturbine grö­ ßer ist als der Ladedruck am Auslaß des Radialverdichters, muß das Leitgitter an der Abgasturbine weit geschlossen werden, so dass sich die Betriebskennlinie des Radialverdichters weiter in Richtung Pumpgrenze verlagert. Der Radialverdichter läuft in diesem Fall in einem Kennfeldbereich mit relativ schlechten Wirkungsgraden. Hohe Rückführraten von Abgas haben deshalb ei­ nen Einbruch des Luftverhältnisses zur Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Breite des Kenn­ felds und das Betriebsverhalten des Radialverdichters zu ver­ bessern. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen erge­ ben sich aus den Unteransprüchen.

Nach der Erfindung sind die Leitschaufeln axial verschiebbar im Gehäuse des Radialverdichters geführt und können quer zum Förderstrom des Laufrads verstellt werden. Ausgehend von der Erkenntnis, dass sich das Verdichterverhalten durch die Ausle­ gung des Diffusors stark beeinflussen lässt, ist der Grundge­ danke dieser Erfindung, bei Bedarf zwischen einer Konfigurati­ on eines Radialverdichters mit unbeschaufeltem Diffusor und einer Konfiguration mit beschaufeltem Diffusor umzuschalten, um die Pumpgrenze zu kleineren Massendurchsätzen hin zu ver­ schieben. Zweckmäßigerweise steuert eine elektronische Steuer­ einheit die Stellvorrichtung der Leitschaufeln in Abhängigkeit von Antriebsparametern, z. B. von Motorparametern, Stellung des Fahrpedals, Betätigungsparametern, Umgebungstemperaturen, Ver­ änderungen der Parameter über der Zeit und dgl. Dabei werden die Leitschaufeln bei niedrigen Massendurchsätzen zugeschaltet und bei hohen Massendurchsätzen zurückgezogen. Bei Betriebs­ punkten, die sowohl mit Leitschaufeln als auch ohne Leitschau­ feln gefahren werden können, ist es zweckmäßig, die Leitschau­ feln so zu betätigen, daß für den jeweiligen Betriebspunkt der günstigere Wirkungsgrad und/oder das günstigere Verdichter­ druckverhältnis erreicht wird. Durch den erfindungsgemäßen Ab­ gasturbolader ergibt sich somit die Möglichkeit, einerseits die Pumpgrenze zu kleineren Massendurchsätzen zu verschieben und andererseits den Wirkungsgrad sowie das Druckverhältnis im Kennfeldbereich des Radialverdichters in Bezug auf die Abgas­ rückführung zu optimieren.

Die Leitschaufeln werden zweckmäßigerweise an einer Stirnseite mit einem Führungsring einer Stellvorrichtung zu einem Leit­ gitter verbunden, während sie zur anderen Stirnseite hin in einer Matrize mit einem engen Dichtspalt geführt sind. Um die Strömung in dem angrenzenden Strömungskanal zwischen dem Lauf­ rad und dem Diffusor nicht zu stören, ist es zweckmäßig, daß die Leitschaufeln mit ihrer anderen Stirnseite in ihrer zu­ rückgezogenen Position mit Durchgangsöffnungen der Matrize bündig abschließen. Um die Leitschaufeln stabiler aneinander zu koppeln und um Schwingungen zu vermeiden, kann es zweckmä­ ßig sein, die Leitschaufeln an ihrer anderen Stirnseite unter­ einander durch eine Deckscheibe zu verbinden, die in den End­ lagen der Leitschaufeln in Ausnehmungen des Gehäuses bzw. der Matrize eintauchen und zum Strömungskanal hin bündig abschlie­ ßen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe­ schreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche ent­ halten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematisch dargestellte Hubkolbenbrennkraftma­ schine mit einem Abgasturbolader und

Fig. 2 einen Radialverdichter nach Fig. 1 in vergrößerter Darstellung mit zurückgezogenen Leitschaufeln und

Fig. 3 ein Diagramm mit jeweils einem Kennfeld des Radial­ verdichters mit zugeschalteten und zurückgezogenen Leitschaufeln.

Eine Brennkraftmaschine 1 ist über eine Ladeluftleitung 21 mit einem Radialverdichter 9 und über eine Abgasleitung 22 mit ei­ ner Abgasturbine 18 verbunden. Die Abgasturbine 18 besitzt ein ansteuerbares Leitgitter 20, das bei kleineren Abgasmengen zu­ nehmend geschlossen wird, um die Breite des Kennfelds der Ab­ gasturbine 18 zu kleineren Durchsätzen hin zu vergrößern. Fer­ ner kann das Leitgitter 20 zum Bremsen genutzt werden, indem bei relativ weit geschlossenem Leitgitter 20 ein höherer Ab­ gasgegendruck in der Abgasleitung 22 erzeugt wird. Die Abgas­ turbine 18 treibt über eine Welle 19 ein Laufrad 13 mit Lauf­ schaufeln 14 des Radialverdichters 9 an, das in Strömungsrich­ tung 12 über einen Einlaß 11 im Gehäuse 10 Luft ansaugt und über einen Diffusorkanal 32 sowie einem Spiralenkanal 15 Lade­ luft in die Ladeluftleitung 21 fördert. Der Ladeluft kann in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 1 über eine Abgasrückführeinrichtung 31 Abgas aus der Abgaslei­ tung 22 zugemischt werden.

Der Radialverdichter 9 besitzt axial verschiebbare Leitschau­ feln 17, die seitlich durch eine Matrize 16 in den freien Dif­ fusorkanal 32 geschoben werden können. Hierzu sind die Leit­ schaufeln 17 oder ggf. Keilschaufelelemente an einer Stirnsei­ te mit einem Führungsring 7 zu einem Leitgitter verbunden. Der Führungsring 7 wird über ein Gestänge 6 einer Stellvorrichtung 5 betätigt. Die Stellvorrichtung 5 wird mit einer Druckluft­ quelle 3 betrieben, mit der sie über ein elektrisch ansteuer­ bares Ventil 4 verbunden ist. Eine zentrale, elektronische Steuereinheit 2, die zweckmäßigerweise einen Mikroprozessor umfaßt, steuert über Signalleitungen 23 in Abhängigkeit von Fahr- und Betriebsparametern das Ventil 4 und damit die Zu­ schaltung der Leitschaufeln 17 des Radialverdichters 9, das Leitgitter 20 der Abgasturbine 18 und die Abgasrückführein­ richtung 31.

Mit 24 ist die Stellrichtung der Leitschaufeln 17 angedeutet. Fig. 1 zeigt die Leitschaufeln 17 in eingerückter Stellung, während Fig. 2 die Leitschaufeln 17 in zurückgezogener Stel­ lung zeigt, so daß der Diffusorkanal 32 frei von Leitschaufeln 17 ist.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in dem über dem Massendurchsatz m^* das Druckverhältnis π des Drucks hinter dem Radialverdichter 9 zu dem Druck vor dem Radialverdichter 9 aufgetragen ist. Ein Kennfeld 27 ist mit durchgezogenen Linien für den Radialver­ dichter 9 mit zurückgezogenen Leitschaufeln 17 gemäß Fig. 2, und ein Kennfeld 25 ist mit gestrichelten Linien für den Ra­ dialverdichter 9 mit eingerückten Leitschaufeln 17 darge­ stellt. Zu dem Kennfeld 25 gehört eine Pumpgrenze 26, während zu dem Kennfeld 27 die Pumpgrenze 28 gehört. Der Radialver­ dichter 9 kann ohne Leitschaufeln 17 bis zu einer Betriebsli­ nie 30 betrieben werden. Soll er im Bereich kleinerer Massen­ ströme m^* links der Betriebslinie 30 betrieben werden, werden die Leitschaufeln 17 im Schaltpunkt 33 zugeschaltet, so daß der Radialverdichter 9 bis zur Betriebslinie 29 betrieben wer­ den kann. In dem Bereich rechts der Betriebslinie 30, in dem der Radialverdichter 9 sowohl mit Leitschaufeln 17 als auch ohne Leitschaufeln 17 betrieben werden kann, werden die Leit­ schaufeln 17 so betätigt, daß für den jeweiligen Betriebspunkt der günstigere Wirkungsgrad und/oder das günstigere Verdich­ terdruckverhältnis π erreicht wird.

Während der Beschleunigungsphase kann das Leitgitter 20 der Abgasturbine 18 nur soweit geschlossen werden, bis der Radial­ verdichter 9 an die Pumpgrenze 26 bzw. 28 gelangt. Bei dem er­ findungsgemäßen Abgasturbolader liegt die Pumpgrenze 26 bei zugeschalteten Leitschaufeln 17 zu niedrigeren Massendurchsät­ zen hin verschoben, so daß die Betriebslinie 29 mit entspre­ chenden Vorteilen bezüglich des Ladedrucks und des Ansprech­ verhaltens möglich ist.

Falls während der Verzögerungsphase der Brennkraftmaschine 1 das Leitgitter 20 der Abgasturbine 18 nicht schnell genug ge­ öffnet werden kann, sinkt die Drehzahl der Abgasturbine 18 ge­ genüber der Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 zu langsam und der Radialverdichter 9 kann ins Pumpen kommen. Da bei dem er­ findungsgemäßen Abgasturbolader die Pumpgrenze 26 zu kleineren Massenströmen nach links verlagert ist, ist die Gefahr des Pumpens vermindert. Ferner kann bei einer Abgasrückführung das Leitgitter 20 der Abgasturbine 18 relativ weit geschlossen werden, ohne daß die Betriebskennlinie des Motors über die Pumpgrenze 26 des Radialverdichters 9 hinaus gerät.

Claims (6)

1. Abgasturbolader mit einer Abgasturbine und einem Radialver­ dichter, dessen Laufrad Luft über Leitschaufeln oder Keil­ schaufelelemente in einen Diffusorkanal fördert, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Leitschaufeln oder Keilschaufelelemente (17) axial verschiebbar im Gehäuse (10) des Radialverdichters (9) geführt sind und quer zum Förderstrom des Laufrads (13) verstellt werden können, wobei die Leitschaufeln (17) bei niedrigen Massendurchsätzen zugeschaltet und bei hohen Massen­ durchsätzen zurückgezogen sind und bei Betriebspunkten, die sowohl mit Leitschaufeln (17) als auch ohne Leitschaufeln (17) gefahren werden können, die Leitschaufeln (17) so betätigt werden, dass für den jeweiligen Betriebspunkt der günstigere Wirkungsgrad und/oder das günstigere Verdichterdruckverhältnis erreicht wird.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (17) an einer Stirnseite mit einem Füh­ rungsring (7) einer Stellvorrichtung (5) verbunden, zur ande­ ren Stirnseite hin in einer Matrize (16) mit einem engen Dichtspalt geführt und an dieser Stirnseite untereinander durch eine Deckscheibe (8) verbunden sind, die in den Endlagen der Leitschaufeln (17) in Ausnehmungen des Gehäuses (10) bzw. der Matrize (16) eintaucht und zum freien Diffusorkanal (32) hin bündig abschließt.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (17) mit ihrer anderen Stirnseite in ih­ rer zurückgezogenen Position mit Durchgangsöffungen der Matri­ ze (16) bündig abschließen.

4. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Steuereinheit (2) die Stellvorrichtung (24) in Abhängigkeit von Antriebspa­ rametern steuert.

5. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (17) entweder voll­ ständig in den freien Diffusorkanal (32) eingefahren werden oder diesen vollständig freigeben.

6. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Abgasrückführeinrichtung (31) der Druckseite des Radialverdichters (9) Abgas zugeführt werden kann.