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Dokumentenidentifikation DE102005047942A1 12.04.2007
Titel Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Büdke, Wolfram, Dipl.-Ing., 70199 Stuttgart, DE
DE-Anmeldedatum 06.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005047942
Offenlegungstag 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse F02B 37/22(2006.01)A, F, I, 20051006, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einem Gehäuse (1), welches einen Abgasführungsabschnitt (5) und einen Frischluftführungsabschnitt (6) aufweist, wobei der Abgasführungsabschnitt (5) einen ersten Spiralkanal (8) aufweist und der Frischluftführungsabschnitt (6) einen zweiten Spiralkanal (11) aufweist, wobei ein Querschnitt (15a) des ersten Spiralkanals (8) und/oder ein Querschnitt (15b) des zweiten Spiralkanals (11) mittels einer Leitvorrichtung (14a; 14b) veränderbar ist.
Erfindungsgemäß weist die Leitvorrichtung (14a; 14b) ein verstellbares und/oder elastisch verformbares Leitelement (13a; 13b) zur Strömungsführung auf.
Die Erfindung wird zur Steigerung des Aufladegrades und zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Abgasturboladers überwiegend im Kraftfahrzeugbau eingesetzt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Abgasturbolader werden sowohl bei fremdgezündeten als auch bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen zur Erhöhung der Zylinderladung eingesetzt. Die Erhöhung der Zylinderladung kann zu einer Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine führen.

Abgasturbolader umfassen in der Regel zwei Strömungsmaschinen, eine Turbine und einen Verdichter, die über eine Welle miteinander drehfest gekoppelt sind. Die Turbine wird über das in ihr expandierende Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagt. Der Verdichter wird von der Turbine über die feste Welle angetrieben, wobei der Verdichter Verbrennungsluft ansaugt und komprimiert. Der Abgasturbolader und/oder seine Peripherie sind so zu gestalten, dass der Brennkraftmaschine in jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ausreichend Luft zur Verfügung gestellt wird.

Der Abgasturbolader reagiert aufgrund seines Massenträgheitsmomentes bei plötzlicher Steigerung der Last und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine verzögert. Dieses verzögerte Ansprechverhalten ist unter dem geläufigen Namen "Turboloch" bekannt. Der Brennkraftmaschine wird für den entsprechenden bekannt. Der Brennkraftmaschine wird für den entsprechenden Betriebspunkt vom Abgasturbolader zu wenig Verbrennungsluft zur Verfügung gestellt. Das schlechte Ansprechverhalten bewirkt im Instationärbetrieb der Brennkraftmaschine eine zu geringe Leistungsabgabe.

Wird der Abgasturbolader für den Nennleistungspunkt der Brennkraftmaschine ausgelegt, so ist er in der Regel für ein schnelles Ansprechen im unteren und mittleren Last- und Drehzahlbereich zu groß ausgelegt. Über unterschiedliche Ansätze wird versucht, das Ansprechverhalten des Abgasturboladers im gesamten Betriebsbereich zu verbessern.

Das Ansprechverhalten kann durch Verbesserung des Wirkungsgrades und durch Erhöhung des Verhältnisses des Druckes am Eintritt der Turbine und des Druckes am Austritt der Turbine erreicht werden. Der Abgasturboladerwirkungsgrad kann über die Steigerung des Turbinenwirkungsgrades und/oder die Steigerung des Verdichterwirkungsgrades erreicht werden. Der Turbinenwirkungsgrad ist u. a. abhängig von der Anströmung von Schaufeln am Turbinenrad, d.h. vom Verhältnis einer Umfangskomponente einer Gasgeschwindigkeit zur Umfangsgeschwindigkeit des Turbinenrades. Das Druckgefälle wird ermittelt als die Differenz eines Druckes in einem Turbinenradeintrittsbereich und eines Druckes in einem Turbinenradaustrittsbereich. Je größer dieses Druckgefälle ist, desto höher ist das Moment am Turbinenrad der Turbine.

Eine Möglichkeit den Druck im Turbinenradeintrittsbereich zu steigern, ist eine Veränderung der effektiven Turbinengeometrie durch verstellbare Turbinenschaufeln oder Leitgitter.

Entsprechend gilt für den Verdichterwirkungsgrad eine Abhängigkeit von einem Druckanstieg an einem Verdichterrad des Verdichters. Der Druckanstieg wird ermittelt als die Differenz eines Druckes in einem Verdichterradaustrittsbereich und eines Druckes in einem Verdichterradeintrittsbereich. Je größer dieser Druckanstieg ist, desto höher ist der Verdichterwirkungsgrad. Prinzipiell gilt es, den Druck im Verdichterradaustrittsbereich anzuheben.

Der zulässige Betriebsbereich des Verdichters ist zum einen durch eine Pumpgrenze und zum anderen durch eine Stopfgrenze begrenzt. Die Pumpgrenze kennzeichnet den zulässigen Betriebsbereich bei kleinen Verbrennungsluftmassen. Die Stopfgrenze kennzeichnet den möglichen Betriebsbereich bei großen Verbrennungsluftmassen und großen Verdichterdruckverhältnissen. Insbesondere die Pumpgrenze sollte im Betrieb nicht erreicht werden, da dies zu Schäden an den Verdichterradschaufeln führen kann.

Um den Betriebsbereich des Verdichters hin zu kleineren Verbrennungsluftmassen und höheren Verdichterdruckverhältnissen zu erweitern, können verstellbare Leitgitter eingesetzt werden. Durch das verstellbare Leitgitter ist allerdings der maximal mögliche Durchsatz verringert, da das Leitgitter eine Strömungsquerschnittsverkleinerung darstellt. Auch sind die Wirkungsgrade im Auslegungsbereich des Verdichters mit verstellbaren Leitgittern aufgrund der Strömungsverluste am Leitgitter geringer als bei vergleichbaren Verdichtern ohne Leitgitter.

Ein weiterer Ansatz zur Steigerung des Druckes im Turbinenradeintrittsbereich geht aus der gattungsgemäßen Patentschrift DE 38 31 687 C2 hervor. Es ist ein Abgasturbolader mit einer Turbine bekannt, deren Spiralkanal einen veränderbaren effektiven Strömungsquerschnitt aufweist. Der Spiralkanal weist axial verschiebbare Wandteile auf. Die Wandteile sind mit einer axialen Führung verbunden. Die verschiebbaren Wandteile sind in Form des Spiralkanals ausgebildet. Der Strömungsquerschnitt und der Außendurchmesser der verschiebbaren Wandteile sind kleiner als der Strömungsquerschnitt und, der Außendurchmesser des Spiralkanals. Die Wandteile können zwei Positionen im Spiralkanal einnehmen, so dass der Abgasturbolader für zwei Betriebspunkte einer Brennkraftmaschine auslegbar ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Abgasturbolader bereitzustellen, dessen Turbine und/oder Verdichter in jedem Betriebspunkt einen hohen Wirkungsgrad aufweisen, damit insbesondere im instationären Betrieb einer Brennkraftmaschine das Ansprechverhalten des Abgasturboladers wesentlich verbessert ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

Der erfindungsgemäße Abgasturbolader weist zur Strömungsführung ein Leitelement auf, das verstellbar und/oder elastisch verformbar ist. Bevorzugt ist ein Leitelement im Spiralkanal einer Turbine oder im Spiralkanal eines Verdichters des Abgasturboladers angeordnet. Alternativ sind ein Leitelement im Spiralkanal der Turbine und ein Leitelement im Spiralkanal des Verdichters angeordnet. Ein effektiver Strömungsquerschnitt in dem jeweiligen Spiralkanal ist mittels des jeweiligen Leitelementes veränderbar. Vorteilhafterweise kann auf Verluste erzeugende Leitgitter oder veränderliche Turbinenschaufeln verzichtet werden. Ein effektiver Strömungsquerschnitt des jeweiligen Spiralkanals kann mit Hilfe des jeweiligen Leitelementes auf einfache Art jedem Betriebspunkt angepasst werden. Dadurch ist ein hoher Wirkungsgrad der Turbine und/oder des Verdichters und damit des gesamten Abgasturboladers in jedem Betriebspunkt erreichbar.

In einer Ausgestaltung nach Anspruch 2 ist das Leitelement zur einfachen Verstellbarkeit an einer Wandung des Spiralkanals befestigt. Zur Verstellung des Leitelementes ist es ausreichend, an einem Stützpunkt des Leitelementes mit Hilfe einer entsprechenden Betätigungsvorrichtung Druck oder Zug auszuüben.

In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 3 ist das Leitelement vorzugsweise im Bereich eines kleinsten Querschnitts des Spiralkanals gelagert. Liegt beispielsweise der Stützpunkt des Leitelementes im Bereich eines größten Querschnitts des Spiralkanals, so kann durch Ausübung von Zug- oder Druckkräften da Leitelement verstellt und so am Stützpunkt über eine Gesamtlänge des Spiralkanals der Querschnitt des Spiralkanals verändert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 4 ist die Wanddicke des Leitelementes über eine Länge des Leitelementes unterschiedlich ausgeführt. Das Leitelement ist vorzugsweise entsprechend dem auftretenden Biegemoment dimensioniert. So weist das Leitelement zum Beispiel an einer Stelle eines kleinsten Biegemomentes eine kleine Dicke auf und weist an einer Stelle eines größten Biegemomentes eine große Dicke auf. Eine Überdimensionierung des Leitelementes wird vermieden, da über die Dicke gezielt auf das auftretende Biegemoment Rücksicht genommen ist.

In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 5 ist dem Leitelement eine Verstellvorrichtung mit einem Führungselement und einer Führungsvorrichtung zugeordnet. Mittels der Verstellvorrichtung ist die Position des Leitelementes einstellbar, so dass zu einem bestimmten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine gezielt der bestmögliche Wirkungsgrad der Turbine oder des Verdichters einstellbar ist.

In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 6 ist das Führungselement an einer von der geführten Strömung abgewandten Seite des Leitelementes zur Vermeidung von Störungen der Strömung vorgesehen.

In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 7 ist die Führungsvorrichtung am Gehäuse drehbar und/oder schwenkbar so gelagert, dass allein durch eine Verstellung der Führungsvorrichtung das Leitelement verstellbar ist.

In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 8 weist die Führungsvorrichtung zur Aufnahme des Führungselementes eine schlitzförmige, insbesondere gekrümmte Nut auf. Das Führungselement ist in der Nut zwangsgeführt, ähnlich einer Kulissenführung.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 9 ist die Führungsvorrichtung in Form einer Scheibe ausgebildet. In der Führungsvorrichtung ist die schlitzförmige Nut vorgesehen. Die Scheibe ist am Gehäuse verstellbar, zum Beispiel drehbar oder schwenkbar gelagert, so dass durch eine Verstellung der Scheibe, zum Beispiel einer Verdrehung das Leitelement verschiebbar ist.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen der Erfindung sind der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:

1a eine schematische Darstellung eines ersten Spiralkanals eines Abgasturboladers mit einer Leitvorrichtung in einer ersten Funktionsposition,

1b eine schematische Darstellung eines ersten Spiralkanals eines Abgasturboladers mit einer Leitvorrichtung in einer zweiten Funktionsposition,

2a eine schematische Darstellung eines zweiten Spiralkanals eines Abgasturboladers mit einer Leitvorrichtung in der ersten Funktionsposition,

2b eine schematische Darstellung eines zweiten Spiralkanals eines Abgasturboladers mit einer Leitvorrichtung in der zweiten Funktionsposition,

3a eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des Abgasturboladers mit einer scheibenförmigen Verstellvorrichtung,

3b einen Schnitt durch den Abgasturbolader nach 3a entlang der Linie I-I,

4a eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des Abgasturboladers mit einer scheibenförmigen Verstellvorrichtung,

4b einen Schnitt durch den Abgasturbolader nach 4a entlang der Linie II-II,

5a eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des Abgasturboladers mit einer scheibenförmigen Verstellvorrichtung und

5b einen Schnitt durch den Abgasturbolader nach 5a entlang der Linie III-III.

In den Figuren sind alle gleichen oder gleich wirkenden Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Eine Brennkraftmaschine weist einen Ansaugtrakt und einen Abgasstrang auf. Die Brennkraftmaschine ist zum Beispiel als Ottomotor ausgeführt. Der Brennkraftmaschine ist ein Abgasturbolader zugeordnet, der einen Verdichter und eine Turbine aufweist.

Im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine ist der Verdichter angeordnet. Im Abgasstrang der Brennkraftmaschine ist die Turbine vorgesehen. Die Turbine weist ein Turbinenrad 2 auf, und der Verdichter weist ein Verdichterrad 3 auf, wobei Turbinen- und Verdichterräder als technisch weitgehend äquivalent angesehen werden können.

Der Abgasturbolader umfasst ein Gehäuse 1, in dem ein Laufzeug untergebracht ist. Das Laufzeug beinhaltet das Turbinenrad 2, das Verdichterrad 3 und eine Welle 4. Das Turbinenrad 2 ist mit dem Verdichterrad 3 über die Welle 4 drehfest verbunden.

Im Betrieb der Brennkraftmaschine strömt Abgas über den Abgasstrang in die Turbine und versetzt das Turbinenrad 2 in eine Drehbewegung. Diese Drehbewegung wird über die Welle 4 auf das Verdichterrad 3 übertragen, so dass dieses Verbrennungsluft ansaugt und verdichtet. Die verdichtete Verbrennungsluft strömt über den Ansaugtrakt in die Brennkraftmaschine.

Das Gehäuse 1 umfasst einen der Turbine zugeordneten Abgasführungsabschnitt 5, einen dem Verdichter zugeordneten Frischluftführungsabschnitt 6 sowie einen Lagerabschnitt. Der Abgasführungsabschnitt 5 weist einen Kanaleintrittsbereich 7, einen ersten Spiralkanal 8, das vom ersten Spiralkanal 8 umschlossene Turbinenrad 2 und einen Austrittsbereich 9 auf. Der Abgasführungsabschnitt 5 ist in 1a und 1b schematisch dargestellt.

Der Frischluftführungsabschnitt 6 weist einen Eintrittsbereich 10, einen zweiten Spiralkanal 11, das vom zweiten Spiralkanal 11 umschlossene Verdichterrad 3 und einen Kanalaustrittsbereich 12 auf. Der Frischluftführungsabschnitt 6 ist in den 2a und 2b schematisch dargestellt.

Im Lagerabschnitt ist die Welle 4 mit Hilfe eines Wälz- oder Gleitlagers drehbar gelagert.

Im ersten Spiralkanal 8 ist eine erste Leitvorrichtung 14a vorgesehen. Die Leitvorrichtung 14a umfasst ein Leitelement 13a und eine Verstellvorrichtung 20a. Das Leitelement 13a liegt so im Spiralkanal 8 vor, dass ein Querschnitt 15a des Spiralkanals 8 von dem Leitelement 13a in einen durchströmten Querschnitt 16a und einen nicht durchströmten Querschnitt 17a geteilt ist. Der durchströmte Querschnitt 16a ist im Folgenden effektiver Strömungsquerschnitt 16a genannt. Der nicht durchströmte Querschnitt 17a ist im Folgenden Totquerschnitt 17a genannt.

Das in Form eines Leitbandes gestaltete Leitelement 13a, besitzt eine zum Turbinenrad 2 weisende Krümmung, wobei das Leitelement 13a in einem Bereich eines kleinsten Querschnittes 18a des Spiralkanals 8 befestigt ist.

Das Leitelement 13a ist aus einem hitzebeständigen Material hergestellt und es ist elastisch verformbar ausgeführt. Als Material kann zum Beispiel ein Edelstahl gewählt sein. Bei der Wahl des Materials sollte berücksichtigt werden, dass das erste Leitelement 13a sehr hohe Abgastemperaturen ausgesetzt ist, die Werte über 800°C annehmen können. Das Material sollte entsprechend hochtemperaturfest sein.

Das erste Leitelement 13a weist eine Dicke D1 und eine Länge L1 auf. Die Dicke D1 kann über die Länge L1 unterschiedlich sein. Die größte Dicke D1 ist an der Stelle des größten, auf das erste Leitelement 13a wirkenden Biegemoments vorgesehen. Der exakte Verlauf der Dicke D1 über die Länge L1 kann mit Hilfe von Simulationsberechnungen anhand der auf das Leitelement 13a wirkenden Belastungen bestimmt werden.

In 1a ist das erste Leitelement 13a in einer ersten Funktionsposition dargestellt, bei der der effektive Strömungsquerschnitt 16a einen besonders kleinen Wert annimmt. Diese Position ist bei kleinen Abgasmassendurchsätzen, z.B. bei geringen Motordrehzahlen einzustellen.

In 1b ist das erste Leitelement 13a in einer zweiten Funktionsposition dargestellt, bei der der effektive Strömungsquerschnitt 16a einen mittleren Wert aufweist. Diese Position ist bei mittleren Abgasmassendurchsätzen, z.B. bei mittleren Motordrehzahlen einzustellen.

Im zweiten Spiralkanal 11 ist eine zweite Leitvorrichtung 14b vorgesehen. Die Leitvorrichtung 14b umfasst ein zweites Leitelement 13b und eine zweite Verstellvorrichtung 20b. Das zweite Leitelement 13b ist derart im Spiralkanal 11 angeordnet, dass ein zweiter Querschnitt 15b des zweiten Spiralkanals 11 von dem zweiten Leitelement 13b in einen durchströmten Querschnitt 16b und einen nicht durchströmten Querschnitt 17b geteilt ist. Der durchströmte Querschnitt 16b ist im Folgenden effektiver Strömungsquerschnitt 16b genannt. Der nicht durchströmte Querschnitt 17b ist im Folgenden Totquerschnitt 17b genannt. Eine Strömungsrichtung des Abgases ist durch den Pfeil 33 gekennzeichnet.

Das in Form eines Leitbandes gestaltete zweite Leitelement 13b, besitzt eine zum Verdichterrad 3 weisende Krümmung, wobei in einem Bereich eines kleinsten Querschnittes 18b des Spiralkanals 11 das zweite Leitelement 13b befestigt ist.

Das zweite Leitelement 13b ist aus einem hitzebeständigen und korrosionsfesten Material hergestellt und es ist elastisch verformbar ausgeführt. Als Material kann zum Beispiel ein Edelstahl gewählt sein. Die im zweiten Spiralkanal 11 aufgrund einer Kompression auftretenden Gastemperaturen liegen im Allgemeinen in einem Bereich zwischen 100 und 250°C. Ein hochtemperaturfestes Material des Leitelementes 13b ist nicht erforderlich.

Das zweite Leitelement 13b weist eine Dicke D2 und eine Länge L2 auf. Die Dicke D2 kann über die Länge L2 unterschiedlich sein, wie in 2a dargestellt. Die größte Dicke D2 liegt an der Stelle des größten, auf das Leitelement 13b wirkenden Biegemomentes vor. Der exakte Verlauf der Dicke D2 über die Länge L2 kann mittels Simulationsberechnungen anhand der einwirkenden Belastungen bestimmt werden.

In 2a ist das zweite Leitelement 13b in einer ersten Funktionsposition dargestellt, bei der der effektive Strömungsquerschnitt 16b einen besonders kleinen Wert annimmt. Diese Stellung ist bei kleinen Abgasmassendurchsätzen, z.B. bei geringen Motordrehzahlen einzustellen. Eine Strömungsrichtung der angesaugten Verbrennungsluft ist durch den Pfeil 34 gekennzeichnet.

In 2b ist das zweite Leitelement 13b in einer zweiten Funktionsposition dargestellt, bei der der effektive Strömungsquerschnitt 16b einen mittleren Wert annimmt. Diese Position ist bei mittleren Abgasmassendurchsätzen, z.B. bei mittleren Motordrehzahlen einzustellen.

Im Nennleistungsbereich der Brennkraftmaschine liegt das zweite Leitelement 13b in einer Ausgangsstellung an einer zweiten Außenwandung 19b des zweiten Spiralkanals 11 an und gibt einen Nennleistungsquerschnitt frei.

In den 3a und 3b ist die erste Verstellvorrichtung 20a in einer ersten Ausführungsform der ersten Leitvorrichtung 14a dargestellt. Die erste Verstellvorrichtung 20a weist Führungselemente 21a in Form von Bolzen auf. Es sind vier Führungselemente 21a vorgesehen. Die Führungselemente 21a sind an einer der Strömung abgewandten Seite 22a des Leitelementes 13a befestigt.

Des Weiteren weist die Verstellvorrichtung 20a eine Führungsvorrichtung 23a in Form einer runden Scheibe auf. In der Führungsvorrichtung 23a sind schlitzförmige Nuten 24a, insbesondere gekrümmte Nuten 24a vorgesehen. In dieser Ausführungsform sind drei Nuten 24a in der Führungsvorrichtung 23a vorgesehen. Drei der insgesamt vier Führungselemente 21a sind in den drei schlitzförmigen Nuten 24a der Führungsvorrichtung 23a aufgenommen. Dabei sind die der Führungsvorrichtung 23a zugewandten Enden der Führungselemente 21a, ähnlich einer Kulissenführung, in den Nuten 24a aufgenommen.

Eine weitere Nut 25a zur Aufnahme des vierten Führungselementes 21a ist im Kanaleintrittsbereich 7 des Abgasführungsabschnitts 5 an einer Gehäusewandung 26a des Gehäuses 1 an der Außenwandung 19a des Spiralkanals 8 vorgesehen. Dieser Bereich 7 weist den größten Querschnitt des Spiralkanals 8 auf. Das der Gehäusewandung 26a zugewandte Ende des vierten Führungselementes 21a wird von der Nut 25a aufgenommen. Das vierte Führungselement 21a wird im Folgenden als Stützelement 31a bezeichnet.

In den 4a und 4b ist die erste Verstellvorrichtung 20a in einer zweiten Ausführungsform der ersten Leitvorrichtung 14a dargestellt. Die erste Ausführungsform der Verstellvorrichtung 20a unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform dadurch, dass die Führungsvorrichtung 23a die Form einer abschnittsweise runden Scheibe aufweist. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht in einer massereduzierten, kompakteren Bauweise.

In der ersten und der zweiten Ausführungsform ist die Führungsvorrichtung 23a drehbar im ersten Spiralkanal 8 gelagert. Zur Verkleinerung des effektiven Strömungsquerschnittes 16a des ersten Spiralkanals 8 wird die erste Führungsvorrichtung 23a um zum Beispiel einen Winkel &ggr; gedreht. Da das erste Leitelement 13a an der Innenwandung 28a des kleinsten Querschnitts 18a des ersten Spiralkanals 8 befestigt ist, werden die Führungselemente 21a in ihren Nuten 24a zwangsgeführt. Das Stützelement 31a ist ebenfalls in der Nut 25a zwangsgeführt.

Im ersten Spiralkanal 8 ergibt sich der größte effektive Strömungsquerschnitt 16a, auch als Nennleistungsquerschnitt bezeichnet, dann, wenn das in der Nut 25a geführte Stützelement 21a durch Verdrehen der Führungsvorrichtung 23a ein erstes Nutende 29a der Nut 25a erreicht. Der kleinste effektive Strömungsquerschnitt 16a liegt im ersten Spiralkanal 8 dann vor, wenn das in der Nut 25a geführte Stützelement 21a durch Verdrehen der Führungsvorrichtung 23a ein zweites Nutende 30a der Nut 25a erreicht. Durch das Verdrehen der Führungsvorrichtung 23a um einen jeweiligen Winkel &ggr; kann jeder beliebige effektive Strömungsquerschnitt 16a des ersten Spiralkanals 8 zwischen dem kleinsten Strömungsquerschnitt und dem Volllastquerschnitt eingestellt werden.

Die Krümmungen der Nuten 24a bestimmen die Auslenkung des Leitelementes 13a. Sie sind z.B. mittels Simulationsberechnungen zu ermitteln.

In den 5a und 5b ist die erste Verstellvorrichtung 20a in einer dritten Ausführungsform der ersten Leitvorrichtung 14a dargestellt. In dieser Ausführungsform sind die Nuten 24a nicht in die Verstellvorrichtung 23a eingebracht, sondern in der Gehäusewandung 26a des ersten Spiralkanals 8.

Die Verstellung des ersten Leitelementes 13a erfolgt in der dritten Ausführungsform dadurch, dass das von der Nut 25a aufgenommene Stützelement 31a in der Nut 25a verschoben wird. Diese Weise der Verstellung des Leitelementes 13a ist auch ohne drehbar gelagerte Verstellvorrichtung 23a möglich. Durch das Hin- und Herschieben des Stützelementes 21a in der Nut 25a kann jeder beliebige effektive Strömungsquerschnitt 16a zwischen dem kleinsten Strömungsquerschnitt und dem Volllastquerschnitt eingestellt werden.

Das erste Leitelement 13a ist im ersten Spiralkanal 8 im Bereich des größten Querschnitts an der Außenwandung 19a über das Stützelement 31a verstellbar gelagert. Im Bereich des kleinsten Querschnitts 18a ist das erste Leitelement 13a an der Innenwandung 28a befestigt. Durch die Anordnung des Stützelementes 31a und der Befestigung an der Innenwandung 28a weist von dem ersten Leitelement 13a einstellbare effektive Strömungsquerschnitt 16a eine spiralförmige, strömungsgünstige Form auf.

Wie in den 3b, 4b und 5b dargestellt, ist zur Führung des ersten Leitelementes 13a in allen Ausführungsformen ein rechteckiger Querschnitt des ersten Spiralkanals 8 vorgesehen. Der erste Spiralkanal 8 könnte auch einen üblichen runden Querschnitt aufweisen, wobei das erste Leitelement 13a dann, zusätzlich zu der zum Turbinenrad 2 weisenden Krümmung, eine Biegung senkrecht zu dieser Krümmung aufweisen würde.

Eine weitere Möglichkeit zur Verschiebung des ersten Leitelementes 13a im Spiralkanal 8 stellt der Einsatz von Piezokristallen dar. Auf der der Strömung abgewandten Seite 22a des ersten Leitelementes 13a sind dann Piezokristalle vorgesehen, durch deren Ausdehnung die Krümmung des Leitelementes 13a und damit der effektive Querschnitt 16 veränderbar ist. Die zur Verschiebung der Piezokristalle benötigte elektrische Spannung wird von einer elektrischen Vorrichtung eingebracht, welche im ersten Spiralkanal 8a an der Außenwandung 19a vorgesehenen ist.

In den 3a, 3b, 4a, 4b, 5a und 5b sind jeweils zwei Funktionspositionen der ersten Leitvorrichtung 14a dargestellt. Die Funktionsposition, welche einen kleinen effektiven Strömungsquerschnitt 16a ergibt, ist mit strichpunktierten Linien dargestellt. Die Funktionsposition, welche einen großen effektiven Strömungsquerschnitt 16a ergibt, ist mit durchgezogenen Linien dargestellt.

Der in den 3a, 3b, 4a, 4b, 5a und 5b beschriebene Aufbau der Leitvorrichtung 14a ist auf den Aufbau der Leitvorrichtung 14b prinzipiell übertragbar. Die beiden Leitvorrichtungen 14a und 14b unterscheiden sich beispielsweise hinsichtlich der Materialien und/oder hinsichtlich der Dimensionierung des Leitbandes. Da die Leitvorrichtung 14a im Abgasführungsabschnitt 5 vorliegt, sind bevorzugt hochtemperaturfeste Materialien für die einzelnen Komponenten Führungsvorrichtung 23a, Führungselemente 21a und Stützelement 31a einzusetzen.


Anspruch[de]
Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einem Gehäuse (1), welches einen Abgasführungsabschnitt (5) und einen Frischluftführungsabschnitt (6) aufweist, wobei der Abgasführungsabschnitt (5) einen ersten Spiralkanal (8) aufweist und der Frischluftführungsabschnitt (6) einen zweiten Spiralkanal (11) aufweist, wobei ein Querschnitt (15a) des ersten Spiralkanals (8) und/oder ein Querschnitt (15b) des zweiten Spiralkanals (11) mittels einer Leitvorrichtung (14a; 14b) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung (14a; 14b) ein verstellbares und/oder elastisch verformbares Leitelement (13a; 13b) zur Strömungsführung aufweist. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement (13a; 13b) an einer Wandung (19; 28) des Spiralkanals (8; 11) befestigt ist. Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement (13a; 13b) im Bereich eines kleinsten Querschnitts (18a ; 18b) des Spiralkanals (8; 11) gelagert ist. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke (D1; D2) des Leitelementes (13a; 13b) über eine Länge (L1; L2) des Leitelementes (13a; 13b) unterschiedlich ist. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Leitelement (13a; 13b) eine Verstellvorrichtung (20a; 20b) mit einem Führungselement (21a; 21b) und einer Führungsvorrichtung (23a; 23b) zugeordnet ist, mittels dessen die Position des Leitelementes (13a; 13b) festlegbar ist. Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (21a; 21b) an einer von der geführten Strömung abgewandten Seite (22a; 22b) des Leitelementes (13a; 13b) vorgesehen ist. Abgasturbolader nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsvorrichtung (23a; 23b) am Gehäuse (1) drehbar und/oder schwenkbar gelagert ist. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsvorrichtung (23a; 23b) zur Aufnahme des Führungselementes (21a; 21b) eine schlitzförmige, insbesondere gekrümmte Nut (24a, 25a; 24b, 25b) aufweist. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsvorrichtung (23a; 23b) in Form einer am Gehäuse (1) verstellbar gelagerten, eine schlitzförmige Nut (24a; 24b) aufweisenden Scheibe ausgebildet ist.






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