WO2008125384A1

WO2008125384A1 - Abgasturbolader

Info

Publication number: WO2008125384A1
Application number: PCT/EP2008/052360
Authority: WO
Inventors: Andre Kaufmann; Tobias Dettmann
Original assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Current assignee: Aumovio Germany GmbH
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2009-10-16
Also published as: US20100254816A1; EP2147216B1; EP2147216A1; DE102007017822A1; US8512000B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbolader für ein oder in einem Kraftfahrzeug aufweisend ein Laufrad mit einer zwischen zwei Hauptschaufeln liegender Zwischenschaufel. Die Zwischenschaufel weist wenigstens teilweise einen gegenüber der Hauptschaufeln unterschiedlichen Winkelverlauf auf.

Description

Beschreibung

Abgasturbolader

Bei herkömmlichen, nicht aufgeladenen Brennkraftmaschinen wird beim Ansaugen von Luft ein Unterdruck im Ansaugtrakt erzeugt, der mit wachsender Drehzahl des Motors ansteigt und die theoretisch erreichbare Leistung des Motors begrenzt. Eine Möglichkeit, dem entgegenzuwirken und damit eine Leis- tungssteigerung zu erzielen, ist die Verwendung eines Abgasturboladers (ATL) . Ein Abgasturbolader oder kurz Turbolader ist ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine, mittels dem die Zylinder der Brennkraftmaschine mit einem erhöhten Ladedruck beaufschlagt werden.

Der detaillierte Aufbau und die Funktionsweise ist allgemein bekannt und beispielsweise beschrieben in der Druckschrift: "Aufladung von PKW DI Ottomotoren mit Abgasturboladern mit variabler Turbinengeometrie", Sep. 2006, Peter Schmalzl und wird daher nachfolgend nur kurz erläutert. Ein Turbolader besteht aus einer Abgasturbine im Abgasstrom (Abstrompfad) , die über eine gemeinsame Welle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt (Anstrompfad) verbunden ist. Die Turbine wird vom Abgasstrom des Motors in Rotation versetzt und treibt so den Verdichter an. Der Verdichter erhöht den Druck im Ansaugtrakt des Motors, sodass durch diese Verdichtung wahrend des Ansaugtaktes eine größere Menge Luft in die Zylinder der Brennkraftmaschine gelang als bei einem herkömmlichen Saugmotor. Damit steht mehr Sauerstoff zur Verbrennung zur Verfugung. Durch den ansteigenden Mitteldruck des Motors wird das Drehmoment und die Leistungsabgabe merklich erhöht. Das Zufuhren einer größeren Menge an Frischluft verbunden mit dem einlass- seitigen Verdichtungsprozess nennt man Aufladen. Da die Energie für die Aufladung von der Turbine den schnell stromenden, sehr heißen Abgasen entnommen wird, erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine.

An die ATLs werden hohe Anforderungen gestellt. Dies sind vor allem die hohen Abgastemperaturen von bis über 1000⁰C und den je nach Drehzahlbereich völlig unterschiedlichen Gasmengen und die dadurch bedingten hohen maximalen Drehzahlen bis zu 300.000 Umdrehungen je Minute. Um den Einsatzbereich des Tur- boladers und das Ansprechverhalten zu verbessern werden zwischen den Hauptschaufeln eines Verdichters sogenannte Zwischenschaufeln (Splitter Baldes) angeordnet. Diese weisen einen mit den Hauptschaufeln identischen Winkelverlauf auf, sind aber gegenüber diesen zurückgesetzt, d.h. die Große der Flache der Zwischenschaufel ist gegenüber der Große der Flache der Hauptschaufel verringert. Durch den Einsatz von Zwischenschaufeln lasst sich die Stromfuhrung in den Schaufelka- nalen insbesondere bei kleinen Durchmessern verbessern und der Druckgradient von Schaufelrucken zur Schaufelvorderseite verringern. Eine beispielhafte Ausfuhrungsform eines Laufrades mit Zwischenschaufeln findet sich auf Seite 59 in der Druckschrift: "Stromungsmaschinen" Herbert Siegloch, 3 Auflage, 2006.

Nachteilig an den der bisherigen Ausfuhrungsformen der Zwischenschaufeln ist, dass es im Schaufelkanal zur voraneilenden Hauptschaufel im Vergleich zum Schaufelkanal zur nacheilenden Hauptschaufel zu unterschiedlichen Geschwindigkeitsprofilen kommt. Damit erhohen sich die Wirkungsgradverluste innerhalb der Turbine.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile zu verringern.

Erfindungsgemaß wird diese Aufgabe durch einen Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruch 1 gelost.

Demgemäß ist vorgesehen:

- Turbolader für ein oder in einem Kraftfahrzeug aufweisend ein Laufrad mit einer zwischen zwei Hauptschaufeln liegender Zwischenschaufel bereitzustellen bei dem die Zwischen- schaufei wenigstens teilweise einen gegenüber der Hauptschaufeln unterschiedlichen Winkelverlauf aufweist.

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee be- steht darin, im Anstrompfad oder Abstrompfad einer Brennkraftmaschine, eine Vorrichtung bereitzustellen mit der ein ankommende Gasstrom möglichst gleichmaßig durch ein verdich- ter- bzw. turbinenseitiges Laufrad zu leiten. Ein Vorteil der erfindungsgemaßen Vorrichtung ist es, mittels einer von der Hauptschaufel abweichenden Winkelstellung der Zwischenschaufel die Stromungskanale an der Vorderseite bzw. an der Ruckseite der Zwischenschaufel so ausgestaltet werden können, dass der Wirkungsgradverlust verringert wird. Ferner wird die Gerauschentwicklung des Turboladers vermindert und er Einsatzbereich des Turboladers erhöht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteranspruchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Zeichnungen.

In einer typischen Ausgestaltung des Turboladers ist der Winkelverlauf der Zwischenschaufel derart ausgebildet ist, dass der Querschnitt des Stromungskanals an der Ruckseite der Zwischenschaufel dem Querschnitt des Stromungskanals an der Vor- derseite der Zwischenschaufel im Wesentlichen gleich ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist bei einem vorgegeben Abstand von der Drehachse die Lange des Kreisbogenabschnitts von der Zwischenschaufel zur nacheilenden Hauptschaufel ge- ringer, als die Lange des Kreisbogenabschnitts zur vorauseilenden Hauptschaufel.

In einer alternativen Ausgestaltung sind am drehachsenseiti- gen Ende der Zwischenschaufel die Langen der Kreisbogenab- schnitte von der Vorderseite und der Ruckseite der Zwischenschaufel zur nacheilenden und vorauseilenden Hauptschaufel im Wesentlichen gleich. In einer weiteren Ausgestaltung ist das Laufrad des Abgasturboladers als Turbinenrad (108) oder Verdichterrad (104) ausgebildet .

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der in den Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausfuhrungsbeispiele naher erläutert. Es zeigen dabei:

Fig. 1 einen Aufriss eines Turboladers mit einem erfindungs- gemäßen Laufrad;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine verdichterseiti- gen Schaufelanordnung;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf den Verlauf der Meridiankoordinate;

Fig. 4 eine schematische Darstellung des axialen Winkels der

Schaufeln als Funktion einer normierten Meridialkoordi- nate.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente, Merkmale und Großen - sofern nichts Abweichendes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen.

Fig.l zeigt einen Aufriss eines Turboladers 102 mit einer Turbine 118 und einem Verdichter 116. Innerhalb eines Turbinengehauses 106 der Turbine 118 ist ein erfindungsgemaßes Turbinenrad 108 drehbar gelagert und mit einem Ende einer Welle 110 verbunden. Innerhalb des Verdichtergehauses 100 des Verdichters 116 ist ein erfindungsgemaßes Verdichterrad 104 ebenfalls drehbar gelagert und mit dem anderen Ende der Welle 110 verbunden. Das Verdichterrad 104 weist eine Hauptschaufel 203 und eine Zwischenschaufel 204, deren Schaufelflache ge- genuber der Hauptschaufel zurückgesetzt ist. Über einen Tur- bineneinlass 112 wird heißes Abgas von einem hier nicht dargestellten Verbrennungsmotor in die Turbine 118 eingelassen, wodurch das Turbinerad 118 in Drehung versetzt wird. Das Tur- binenrad 108 weist eine Hauptschaufel 120 und eine Zwischenschaufel 102 auf. Die auslassseitige Schaufelkante der Zwischenschaufel 102 ist gegenüber der auslassseitigen Kante der Hauptschaufel zurückgesetzt. Der Abgasstrom verlasst die Tur- bine 118 durch einen Turbinenauslass 114. Über die Welle 110, die das Turbinerad 108 an das Verdichterrad 104 koppelt, treibt die Turbine 118 den Verdichter 116. Mittels des Verdichterrades 104 wird im Anstrompfad die angesaugte Luft verdichtet .

Fig. 2. zeigt eine schematische Draufsicht auf eine erfin- dungsgemaße Schaufelanordnung beispielsweise eines Verdichterrades mit einer Drehrichtung im Uhrzeigersinn, aufweisend eine nacheilende Hauptschaufel 202, eine Zwischenschaufel 204 und eine voreilende Hauptschaufel 203. Die Schaufeln sind auf einem Abschnitt einer Drehachse mit einem Winkel θ angeordnet, wobei die Zahlrichtung des Winkels θ entgegen der Drehrichtung ist. Erfindungsgemaß ist die Lange des Kreisbogenabschnitts 206 von der Zwischenschaufel 204 zur nacheilenden Hauptschaufel 202 kleiner als die Lange des Kreisbogenabschnitts 207 zwischen der Zwischenschaufel 204 zur voreilenden Hauptschaufel 203. Ein Vorteil der erfindungsgemaßen Anordnung ist es, dass durch die Unterschiede in den Langen der Kreisbogenabschnitte die Unterschiede der Flachen senkrecht zur Stromungs fuhrung zwischen der voreilenden und nacheilenden Hauptschaufel verringert werden. Des Weiteren werden die Unterschiede in den Geschwindigkeitsprofilen im Schaufelkanal an der Vorder- und Ruckseite der Zwischenschaufel verkleinert und der Wirkungsgrad erhöht.

Fig. 3 zeigt schematisch den Unterschied im Verlauf der Meri- dialkoordinate m der Zwischenschaufel 204 und der Hauptschaufel 202.

Demgemäß ist die Krümmung der Hauptschaufel 202 in axialer

Richtung bei einem gegebenen Achsabstand unterschiedlich und vorzugsweise großer als die Krümmung der Zwischenschaufel 204. Ein Vorteil der unterschiedlichen Krümmung ist es, dass es möglich wird, in Zusammenschau mit den unterschiedlichen Langen in den Kreisbogenabschnitten, die Unterschiede in den Querschnittesflachen der Schaufelkanale an der Vorder- und Ruckseite einer Zwischenschaufel wirkungsvoll zu minimieren.

Fig. 4 zeigt eine schematische Auftragung des axialen Winkels θ in Abhängigkeit der auf den Drehachsabstand r normierten Meridialkoordinate m' . Die Lage einer Zwischenschaufel gemäß dem Stand der Technik wird durch die gestrichelte Linie 210 wiedergegeben.

Eine Zwischenschaufel mit geändertem Winkelverlauf ist mit der durchgezogenen Linie dargestellt. Damit lasst sich das Verhältnis der Stromungsquerschnitte zwischen vorhergehender und nachfolgend Hauptschaufel einstellen.

Ein Vorteil der erfindungsgemaßen Vorrichtung ist es, dass sich durch die besondere Ausbildung d.h. der unterschiedlichen Winkelanordnung der Zwischenschaufeln sowohl in axialer als auch in radialer Richtung im Vergleich zu den Hauptschau- fei die Querschnitte der Stromungskanale entlang der Vorder- und Ruckseite der Zwischenschaufeln zuverlässig angleichen lassen. Neben der Erhöhung des Wirkungsgrades wird auch die Laufruhe des Turboladers verbessert.

Claims

Patentansprüche

1. Turbolader für ein oder in einem Kraftfahrzeug aufweisend ein Laufrad mit einer zwischen zwei Hauptschaufeln (202) lie- gender Zwischenschaufel (204) , dadurch gekennzeichnet , das s die Zwischenschaufel (204) wenigstens teilweise einen gegenüber der Hauptschaufeln (202) unterschiedlichen Winkelverlauf aufweist .

2. Turbolader nach Anspruch 1, da du r ch ge ke n n z e i chn e t , da s s der Winkelverlauf der Zwischenschaufel (204) derart ausgebildet ist, das der Querschnitt des Stromungskanals an der Ruck- seite der Zwischenschaufel (204) dem Querschnitt des Stromungskanals an der Vorderseite der Zwischenschaufel (204) im Wesentlichen gleich ist.

3. Turbolader nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da du r ch ge ken n z e i chn e t , da s s bei einem vorgegeben Abstand von der Drehachse die Lange des Kreisbogenabschnitts (206) von der Zwischenschaufel (204) zur nacheilenden Hauptschaufel (202) geringer ist, als die Lange des Kreisbogenabschnitts (207) zur vorauseilenden Hauptschau- fei (202) .

4. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da du r ch ge ken n z e i chn e t , da s s am drehachsenseitigen Ende der Zwischenschaufel (204) die Langen der Kreisbogenabschnitte (206, 207) von der Vorderseite und der Ruckseite der Zwischenschaufel (204) zur nacheilenden und vorauseilenden Hauptschaufel (202) im Wesentlichen gleich sind.

5. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , das s das Laufrad als Turbinenrad (108) oder Verdichterrad (104) ausgebildet ist.