DE4307098C2

DE4307098C2 - Abgasturbolader

Info

Publication number: DE4307098C2
Application number: DE4307098A
Authority: DE
Inventors: Johannes Werner
Original assignee: Individual
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1993-03-06
Filing date: 1993-03-06
Publication date: 2000-03-16
Anticipated expiration: 2013-03-07
Also published as: DE4307098A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader ge mäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei einem gattungsgemäßen, aus der DE-OS 38 03 010 be kannten Abgasturbolader ist vorgesehen, stromauf der Tur bine vom Abgasstrom einen Abgasteilstrom abzuzweigen und diesen an der Turbine vorbei und über einen Spiralkanal stromab der Turbine und tangential wieder in den das Turbi nenlaufrad verlassenden Abgasstrom zurückzuführen. Die Bypass-Gase üben aufgrund der Tangentialeinführung eine besonders hohe Injektorwirkung auf die Abgase aus dem Tur binenrad aus. Welche Wirkung jedoch der der Abgasströmung dadurch im weiteren Verlauf des Abgasrohres aufgeprägte Tangentialdrall dort entfaltet - darüber wird in der Schrift nichts ausgesagt.

Aus der GB-PS 10 43 112 ist ein Abgasturbolader bekannt, bei welchem ebenfalls stromauf der Turbine ein Abgasteil strom abgezweigt und - jedoch auf kürzestem Wege - am Turbi nenlaufrad vorbei und auf dessen Saugseite geführt wird. Die hierzu dienende Bypassleitung weist eine sehr starke Umleitung auf, welche das Turbinengehäuse erwärmt.

Aus der EP-PS 78 637 ist ein Abgasturbolader bekannt, bei welchem - in Gegensatz zu der zuvor genannten Schrift - die Bypassleitung zwar stromauf des Turbinenlaufrades abzweigt, jedoch im weiteren Verlauf gestreckt und ohne nennens werte Richtungsänderung hinter das Turbinenlaufrad gelei tet ist. Da somit der Abgasteilstrom keine bedeutende Umlenkung mehr erfährt, wird dessen Strömungsgeschwindig keit wenig vermindert, welches sich günstig auf die Küh lung der den heißen Motorabgasen ausgesetzten Bauteile auswirkt. Ferner wird dadurch eine Reduzierung des Ab gasgegendruckes, gegen welchen die Brennkraftmaschine ausschieben muß, erreicht.

Aus der DE-OS 20 21 602 ist ein weiterer Abgasturbolader bekannt, welcher auf der Saugseite des Turbinenlaufrades einen Radialdiffusor mit einem zentral angeordneten Flansch oder Stutzen aufweist, durch den das Turbinen laufrad hinein- und herausgenommen werden kann. Damit die durch Auflösung der Umfangskomponente des Abgasstromes den Druck hinter dem Turbinenrad vermindernde Diffusorwirkung sich einstellt, ist es nun notwendig, den Flansch oder Stutzen hinter dem Turbinenrad mit einem Deckel verschlos sen zu halten. Auch muß das im weiteren Verlauf der Abgas leitung vorzusehende Abgasrohr in ganzer Länge im Quer schnitt vergrößert ausgeführt sein. Weiterhin ist es auch so, daß in manchen Betriebsbereichen - zum Beispiel im Auslegepunkt - der Abgasstrom drallfrei, also ohne Um fangskomponente, aus dem Turbinenlaufrad in den Radial diffusor eintreten kann, sodaß dessen Wirkung - bedingt durch die Umlenkung des Axialstromes am Flansch oder Stutzen - hierdurch vermindert wird.

Schließlich ist es aus der US-PS 50 25 629 bekannt, ein Kennfeld einer Turbine eines Abgasturboladers dadurch zu verändern, daß mit Hilfe eines betriebsparameterabhängig verstellbaren Abgasrohrschiebers der Austrittsquerschnitt eines stromauf angeordneten Leitkanals ins Turbinen laufrad geöffnet und geschlossen werden kann, während ein anderer Leitkanal vor dem Turbinenlaufrad ungeregelt verbleibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ab gasturbolader der im Oberbegriff der Patentansprüche angezeigten Art derart weiterzubilden, daß eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades des Abgasturboladers in Verbindung mit der daran angeschlossenen Abgasleitung und damit des Gesamtwirkungsgrades der Brennkraftma schine erreicht werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kenn zeichnenden Teiles des Anspruches 1 gelöst.

Dadurch, daß konventionelle, ungeregelte Abgasturbolader immer auf einen bestimmten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine aus gelegt sind, ist außerhalb dieses Betriebsbereiches immer eine nachdrallbehaftete Abströmung der Abgase von der Turbine ge geben. Eine drallfreie Abströmung über einen größeren Be triebsbereich kann erreicht werden mit einem geregelten Abgasturbolader, wie z. B. mit der Verwendung eines Laders mit variabler Turbinengeometrie ("mot(technik) 22/1985, S. 128") oder mit der Verwendung eines aus der älteren Anmeldung P 41 33 736.0-13 bekannten Laders mit einem Regelleitrad. Jedoch auch bei derartigen Ladern sind im Normalfall immer noch Betriebs bereiche gegeben, in welchen das Abgas die Turbine drallbehaf tet verläßt. Dies gilt insbesondere für den Instationärbetrieb, also z. B. beim Beschleunigen, wenn aufgrund des plötzlich er höhten Abgasmassenstromes, welcher in die Turbine eintritt und aufgrund der Massenträgheit des Turbinenlaufrades am Eintritt in das Turbinenlaufrad Stoßverluste auftreten. Dieser Drall in der das Turbinenlaufrad verlassenden Strömung führt zu einer Erhöhung des Gegendruckes stromab der Turbine und damit zu ei ner Erhöhung des Abgasgegendruckes, gegen welche die Brenn kraftmaschine ausschieben muß. Darüber hinaus muß eine drall behaftete Strömung einen längeren Weg zurücklegen, wodurch sich Reibungsverluste erhöhen. Bei dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader wird nun erreicht, daß in den Betriebsbe reichen, in denen die Abgasströmung das Turbinenlaufrad drall behaftet verläßt, ein Teil des Abgasstromes infolge von Zen trifugalkräften in einen erfindungsgemäßen, vom weiterführenden Axialkanal abgezweigten und bereichsweise als Radialkanal ausgebildeten zusätzlichen Kanal gelangt. Durch dieses Abzweigen der stark drallbehafteten Anteile der Abgasströmung wird erreicht, daß derjenige Teil der Abgasströmung, welcher nicht in den Radialkanal gelangt, sondern entlang des Axialkanals weiterströmt, keinen oder nur noch einen relativ ge ringen Drall aufweist. Dadurch, daß der Teil der Abgasströmung, welcher im Axialkanal noch stark drallbehaftet ist, über den erfindungsgemäßen Radialkanal abgeführt wird, wird die ser Anteil ebenfalls nahezu drallfrei, d. h. diese in den Radialkanal abgezweigte Teilströmung besitzt keinen inneren Drall mehr. Durch diese Drallauslöschung kann der Abgasgegen druck reduziert und somit der Turbinenwirkungsgrad bzw. der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine erhöht werden. Eben falls verringert sich der Weg, welchen die nun nicht mehr bzw. nur noch geringfügig drallbehaftete Strömung zurücklegen muß, so daß auch die Reibungsverluste kleiner werden, was sich ebenfalls wirkungsgradverbessernd auswirkt. Die Vermeidung ei ner drallbehafteten Abgasströmung hat darüber hinaus den Vor teil, daß nachgeschaltete Abgas-Regelorgane, wie z. B. Brems klappen und/oder Abgasreinigungseinrichtungen, vor schädlichen Turbulenzen geschützt sind.

Da nun mit dem erfindungsgemäßen, vom Axialkanal abge zweigten Radialkanal nicht in jedem Be triebsbereich eine vollständige Drallauslöschung erreicht wer den kann, ist es, - wie mit Anspruch 3 vorgeschlagen - vorteil haft, die in dem abgezweigten Radialkanal geführten Abgase zunächst in einen im wesentlichen parallel zum Axialkanal verlaufenden Leitungsabschnitt zu führen, welcher dann schließlich wieder mit dem Axialkanal zusammengeführt wird. Der vom Axialkanal abgezweigte Radialkanal ist dabei derart ausgebildet, daß nach Umlenkung des Teilstromes in den parallel zum Axialkanal verlaufenden Abschnitt des Radialkanals der Drall des Teilstromes entgegengesetzt ge richtet ist zu dem in dem Axialstrom noch vorhandenen Nachdrall. Werden nun die beiden Abgasströmungen im oder nach dem Turbinengehäuse wieder zusammengeführt, so kommt es aufgrund der unterschiedlichen Drallrichtungen der beiden zu sammentreffenden Strömungen ebenfalls zu einer Auslöschung des Dralls, d. h. mit anderen Worten, die nun wieder in einer ein zelnen Abgasleitung geführte Abgasströmung ist drallfrei. Mit der Ausgestaltung gemäß Anspruch 5 und 7 ist es dabei möglich, die Stärke des sich in dem Radialkanal ausbildenden Sekundär dralls zu beeinflussen, so daß je nach Restdrall in der Axial strömung, welcher ja vom jeweiligen Betriebspunkt der Brenn kraftmaschine abhängt, der entsprechende Gegendrall in dem ab gezweigten Teilstrom erzeugt werden kann, so daß nach Zusam menführung dieses Teilstromes mit dem Axialstrom immer eine drallfreie Strömung vorliegt.

Die Steuerung der Gegendrallstärke in dem Radialkanal kann, wie mit den Ansprüchen 7 bis 11 angegeben, in vorteilhafter Weise auch durch eine gesteuerte, die Turbine umgehende Bypassleitung erfolgen, welche gleichzeitig zur Regelung des Ladedruckes eingesetzt wird.

In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand mehrerer Ausfüh rungsbeispiele näher erläutert.

Im einzelnen zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers in einer Vorderansicht,

Fig. 2 eine turbinenseitige, in der Zeichenebene der Fig. 1 längsgeschnittene Darstellung des Abgasturboladers der Fig. 1,

Fig. 3a die Geschwindigkeitsverhältnisse am Turbinen laufrad des Abgasturboladers der Fig. 1 bei stationär nachdrallfreier Abströmung im Ausle gepunkt,

Fig. 3b die Geschwindigkeitsverhältnisse am Turbinen laufrad des Abgasturboladers der Fig. 1 bei stationär nachdrallbehafteter Abströmung (au ßerhalb Auslegepunkt),

Fig. 3c die Geschwindigkeitsverhältnisse am Turbinen laufrad des Abgasturboladers der Fig. 1 im Instationärbetrieb (beim Beschleunigen),

Fig. 4 eine turbinenseitige Seitenansicht des Abgasturboladers der Fig. 1,

Fig. 5a, 5b ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers in einer turbinenseitigen längsgeschnittenen Darstellung,

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers in einer turbinenseitigen, längsgeschnittenen Darstel lung,

Fig. 7 eine turbinenseitige Seitenansicht des Abgasturboladers der Fig. 6.

Fig. 1 zeigt in einer Vorderansicht einen Abgasturbolader 1 reiner Brennkraftmaschine mit einem Turbinengehäuse 2 radialer Bauart, dessen Turbinenlaufrad 3 (s. Fig. 2) über einen zweiflutig ausgebildeten spiralförmigen Turbinenleitkanal 4 vom Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagt wird (Pfeile 62 in den Fig. 1 und 2). Seine Arbeit gibt das Turbinenlaufrad 3 ab an ein mit ihm über eine Welle 6 drehfest verbundenes, im Verdich tergehäuse 7 des Laders 1 gelagertes Verdichterlaufrad (nicht dar gestellt), welches über die Leitung 9 Frischluft ansaugt und diese über einen im Verdichtergehäuse 7 angeord neten Verdichterleitkannal an die Brennkraftmaschine weiterfördert.

Als zusätzlicher, äußerer Regeleingriff ist das Turbinenlaufrad 3 von einem Turbinenleitrad 12 konzentrisch umgeben, welches auf der Turboladerwelle 6 relativ verdrehbar zu letzterer ge lagert ist (s. Fig. 2). Die Drehzahl dieses Turbinenleitrades 12 und damit die Geschwindigkeitsverhältnisse an dem Turbinen laufrad 3 können über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung gesteuert werden.

Mit den Fig. 3a-3c sind die Geschwindigkeitsverhältnisse an dem Turbinenlaufrad 3 sowohl am Ein- als auch am Austritt in unterschiedlichen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine dar gestellt und zwar im Auslegepunkt (Fig. 3a), bei Stationärbe trieb außerhalb des Auslegepunktes (Fig. 3b) sowie im Instationärbetrieb während eines Beschleunigungsvorganges (Fig. 3c). Dargestellt sind diese Geschwindigkeitsverhältnisse je weils an einem einzelnen Schaufelprofil 50. Die Beschaufelung ist so gewählt, daß sich das Turbinenlaufrad 3 in Richtung des Pfeiles 13 dreht. In Fig. 3a sind die Geschwindigkeitsver hältnisse an dem Turbinenlaufrad 3 im Auslegungspunkt bei Teillast aufgezeigt. Die den spiralförmigen Turbinenleitkanal 4 sowie das Turbinenleitrad 12 passierende Strömung tritt mit einer Abso lutgeschwindigkeit c_E und unter einem bestimmten Winkel α in das Turbinenlaufrad 3 ein. Im Stationärbetrieb stellt sich eine be stimmte Drehzahl des Turbinenlaufrades 3 ein, so daß am Ein tritt in das Turbinenlaufrad 3 die Strömung eine Ge schwindigkeitskomponente u_E in Umfangsrichtung aufweist. Unter der Annahme des Stationärbetriebes ergibt sich dann die schaufelparallele Komponente w_E des Geschwindigkeitsdreiecks. Am Austritt aus dem Turbinenlaufrad 3 ist dann entsprechend des an dieser Stelle kleineren Radius' eine entsprechend geringere Umfangskomponente u_A gegeben. Da am Austritt aus dem Laufrad 3 ebenfalls eine schaufelkongruente Strömung vorliegt, ist auch hier eine Geschwindigkeitskomponente w_A parallel zur Schaufel gegeben. Unter der Voraussetzung einer schaufelkongruenten Strömung verhält sich normalerweise der Betrag der schaufelparallelen Komponente w umgekehrt proportional zu den Strömungsverhältnissen (Strömungsquerschnitt) entlang einer Leitschaufel. Der Betrag der schaufelparallelen Komponente w am Austritt aus dem Turbinenlaufrad 3 ergibt sich somit aus der Kontinui tätsbedingung. Durch geometrische Addition dieser beiden Kom ponenten u_A und w_A am Laufradaustritt ergibt sich die resul tierende Geschwindigkeit c_A, mit welcher die Strömung das Tur binenlaufrad 3 verläßt. Dadurch, daß die Schaufeln des Turbi nenlaufrades 3 räumlich gekrümmt sind, verlaufen die schaufelparallele Geschwindigkeitskomponente w_A sowie die re sultierende Geschwindigkeit c_A am Austritt aus dem Turbinen laufrad 3 natürlich nicht parallel zur Zeichenebene. Es ist zu sehen, daß im Auslegepunkt die Austrittsgeschwindigkeit c_A aus dem Turbinenlaufrad 3 genau auf die Drehachse 14 des Abgasturboladers 1 gerichtet ist, was bedeutet, daß die Strömung in diesem Be triebszustand drallfrei aus dem Turbinenlaufrad 3 austritt. Liegt Stationärbetrieb außerhalb des Auslegepunktes vor (Fig. 3b), so ist zu sehen, daß die resultierende Geschwindigkeit c_A am Austritt aus dem Turbinenlaufrad 3 nicht auf die Drehachse 14 des Abgasturboladers 1 bzw. des Turbinenlaufrades 3 gerichtet ist, so daß die Strömung hier also das Turbinenlaufrad 3 drallbehaftet verläßt. Eine mögliche Richtung des Dralls ist durch den Pfeil 15 gekennzeichnet. Das gleiche gilt für den in Fig. 3c darge stellten Fall, daß Instationärbetrieb vorliegt, d. h. daß das Turbinenlaufrad 3 z. B. infolge eines plötzlich erhöhten Abgas massenstromes (nach einem positiven Lastwechsel) beschleunigt werden soll. Aufgrund der Massenträgheit des Turbinenlaufrades 3 stellt sich am Laufradeintritt während des Instationarbetriebes keine schaufelparallele Strömung ein (Stoßverluste). Das Ergebnis ist auch hier eine nicht auf die Drehachse des Laders gerichtete resultierende Geschwindigkeit c_A am Laufradaustritt und demzu folge eine drallbehaftete Abströmung aus dem Turbinenlaufrad 3 (Rich tung des Dralls angedeutet durch den Pfeil 16). Die Richtung der resultierenden Geschwindigkeit c_A am Austritt aus dem Turbinen laufrad 3 wird bestimmt durch den Anströmwinkel α sowie durch den Betrag der Eintrittsgeschwindigkeit c_E (Länge des Pfeiles). Der Betrag der Anströmgeschwindigkeit c_E wird durch die Last und die Drehzahl der Brennkraftmaschine beeinflußt, der An strömwinkel α u. a. durch zusätzliche Regeleingriffe am Aufla desystem, z. B. hier durch die Drehzahl des abbremsbaren Leit rades 12. Durch entsprechende Steuerung dieser Regelleitraddrehzahl läßt sich im Stationärbetrieb über weite Betriebsbereiche sehr wohl ein drallfreies Abströmen der Abgase erreichen. Um jedoch über den gesamten, auch instationären Be triebsbereich ein drallfreies bzw. zumindest ein deutlich drallreduziertes Abströmen der Abgase realisieren zu können, ist erfindungsgemäß stromab des Turbinenlaufrades 3 (Fig. 2) noch im Turbinengehäuse 2 von dem Axialkanal 17 ein als Radialkanal 18 ausgebildeter, den Axial kanal 17 konzentrisch umgebender Nebenkanal abgezweigt, welcher in einen im wesentlichen parallel zum Axialkanal 17 verlaufenden Kanal 19 übergeht (Fig. 4). Liegt nun eine drallbehaftete Strömung vor, so wird ein Teilstrom 48 des Abgasstromes 46 aufgrund von Fliehkräften in den von dem Axialkanal 17 abgezweigten Radialkanal 18 gelangen. Durch dieses Abzweigen eines Teilstromes 48 über den erfindungsgemäßen Radialkanal 18 verliert der im Axialkanal 17 weiterfließende restliche Teilstrom 47 des Abgasstromes 46 seinen Drall je nach Betriebs zustand der Brennkraftmaschine entweder ganz oder teilweise. Würde der Radialkanal 18 direkt ins Freie geführt werden, wäre lediglich in bestimmten Betriebspunkten eine vollkommene Drallauslöschung im Abgashauptstrom gegeben. In den übrigen Betriebsbereichen würde jedoch, wenn auch nur in geringem Aus maße, immer noch ein minimaler Restdrall (Fig. 4, Pfeil 21) üb rig bleiben. Um auch in diesen Betriebsbereichen eine nahezu vollkommene Drallauslöschung gewährleiten zu können, ist bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, den Radialkanal 18 in den parallel zum Axialkanal 17 verlaufenden Kanal 19 zu über führen. Dem in den erfindungsgemäßen Radialkanal 18 abgezweigten Teilstrom 48 wird durch entsprechende Ausbildung des Abzwei gungsbereiches ein Drall in der durch die Pfeile 22 oder 22' aufge zeigten Richtung aufgeprägt, welcher in Ebenen 57 senkrecht zur Kanal achse 58 gerichtet verläuft (Fig. 2). Dies bewirkt, daß nach dem Über gang des Radialkanals 18 in den parallel zum Axialkanal 17 verlaufenden Kanal 19 der in diesem weitergeführte Teilstrom 48 einen Drall besitzt (Pfeil 23, Fig. 4), welcher entgegengerichtet zu dem Drall (Pfeil 21) in dem Axialkanal 17 (Pfeil 21 in Fig. 4 entspricht den Pfeilen 15 und 16 der Fig. 3b und 3c) ist. Die beiden Abgasströme (axialer Teilstrom 47 und radialer Teil strom 48) treten durch getrennte Austrittsöffnungen 53, 55 aus dem Abgasturbolader 1 heraus und werden mittels eines an das Turbinengehäuse 2 angeschlossenen, in der Zeichnung nicht explizit dargestellten Hosenrohres wieder in eine gemeinsame Leitung zusammengeführt. Diese Zusammenführung bewirkt nun aufgrund der entgegengesetzten Drallrichtungen der beiden Kanäle 17 und 19 eine Reduzierung bzw. eine Aus löschung des Gesamtdralls, so daß nach der Zusammenführung wieder eine drallfreie Abgasströmung vorliegt. Der Querschnitt dieser gemeinsamen Leitung kann den gleichen Querschnitt auf weisen wie die Eintrittsöffnung 52 des Axialkanals 17 unmittel bar am Laufradaustritt. Ein zur Drallverringerung dem Axialkanal 17 nachgeschalteter Diffusor mit anschließendem großvolumigen Ab gasrohr ist damit nicht erforderlich, wodurch Bauraum eingespart werden kann.

Sowohl die Drallrichtung als auch die Drallstärke, die sich in dem von dem Axialkanal 17 abgezweigten Radialkanal 18 einstellt, hängt dabei davon ab, wie weit die den Radialkanal 18 und den Axialkanal 17 voneinander trennende Wandung (Lippe 24, Fig. 2), welche die Eintrittsöffnung 52 des Axialkanals 17 umgibt, in den Abzweigungsbereich hineinragt. Bei der Ausführungsform gemäß der beiden Fig. 5a und 5b ist da her vorgesehen, daß an das Turbinengehäuse 2 ein Rohr 25 ange schlossen ist, welches in dem im Turbinengehäuse 2 angeordneten Teil des Axialkanals 17 bis in den Bereich der Eintrittsöffnung 54 des Radialkanals 18 hinein axial verschiebbar gehalten ist. Im Fall der Fig. 5a ist dieses Rohr 25 maximal in den Abzweigungsbereich hineinverschoben. Hierbei sind die gleichen Verhältnisse wie bei der Ausfüh rungsform nach Fig. 2 gegeben, d. h. es bildet sich ein Sekundär drall mit maximaler Stärke (Pfeil 22) aus. Wird nun das Rohr 25 in Richtung des Pfeiles 26 (Fig. 5b) aus dem Turbi nengehäuse 2 herausgezogen, so schwächt sich zunächst die Stärke des Sekundärdralls 22 ab und zwar bis zu einer bestimmten Stellung des Rohres 25, ab welcher sich dann schließlich die Drallrichtung umkehrt. Anstelle des anfänglichen Sekundärdralls 22 entsteht ein gegenläufiger Sekundärdrall 22'. Die Fig. 5b zeigt diejenige Stellung des Rohres 25, ab welcher sich die Richtung des Dralls im Radialkanal 18 gerade umgekehrt hat. Würde man die beiden Abgasströmungen (Axial- (47) und Radialstrom (48)) mit gleichen Drallrichtungen zusammenführen, würde dies natürlich zu einer Verstärkung des Dralls im Axialstrom führen.

Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, das Rohr 25 lediglich innerhalb des Bereiches zu verschieben, in welchem dem abgezweigten Teilstrom ein Drall in Richtung des Pfeiles 22 aufgeprägt wird (also zwischen den beiden Stellungen der Fig. 5a und 5b), wobei die Grenzstellung, ab welcher sich die Drallrichtung im Radialkanal 18 gerade umkehrt, genau dann ge wählt wird, wenn die Abgasströmung im Axialkanal 17 nach Abzweigung des Teilstromes keinen Restdrall mehr aufweist. Das Verschieben des Rohres 25 erfolgt in Abhängigkeit von Be triebsparametern der Brennkraftmaschine über einen in der Zeichnung nicht explizit dargestellten, von einer elektro nischen Steuereinheit angesteuerten Stellantrieb.

Eine weitere Möglichkeit, den nach Abzweigung des Teilstromes 48 über den erfindungsgemäßen Radialkanal 18 in der Axialströmung noch vorhandenen Drall auszulöschen, ist mit dem in den Fig. 6 und 7 aufgezeigten Ausführungsbeispiel gegeben. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, von dem die Abgase auf das Turbinenlaufrad 3 führenden Turbinenleitkanal 4 eine Bypassleitung 28 abzuzweigen, welche sich im wesentlichen senkrecht zu der Ebene 44, in welcher der Turbinenleitkanal 4 liegt und im wesentlichen parallel zum Axialkanal 17 erstreckt. Der Querschnitt 65 der Bypassleitung 28 ist über ein Ventil 29 steuerbar. Stromab dieses Ventils 29 mündet der vom Axial kanal 17 abgezweigte erfindungsgemäße Radialkanal 18 in die Bypassleitung 28 ein. Über die steuerbare Bypassleitung 28 kann nun zum einen der Ladedruck beeinflußt werden und zum anderen kann dem diese Bypassleitung 28 passierenden Teilstromes 63 des zum Turbinenlaufrad 3 geleiteten Abgasstromes 62 und damit dem vom Axialstrom über den Radialkanal 18 abgezweigten Teilstrom 48 ein Sekundärdrall in Richtung des Pfeiles 30 auf geprägt werden, welcher entgegengerichtet zu dem in der Axialströmung (im Axialkanal 17) vorhandenen Nachdrall (Pfeil 31) ist (s. auch Fig. 7, welche wiederum den Abgasturbolader in einer turbinenseitigen Seitenansicht zeigt). Die Drallrichtung sowie die Drallstärke hängt ab von der außermittigen Anordnung des druckseitigen Teils 28' der Bypassleitung 28 und des Ventils 29, d. h. also vom Abstand der Ventil längsachse 32 zu der Linie 33, welche die Kanalachsen 60 und 61 der beiden Turbinenleitkanäle 4 in der Zeicheneben miteinander ver bindet. Die Drallstärke wird darüber hinaus noch beeinflußt von der momentanen Öffnungsstellung des in der Bypassleitung 28 angeordneten Ventils 29. Das Ventil 29 besteht aus einem den Querschnitt der Bypassleitung 28 steuernden Ventilteller 34, welcher mit einem Ventilschaft 35 verbunden ist, der in einem Gehäuse 43 des Abgasturboladers geführt wird. Im oberen Bereich ist der Ventilschaft 35 mit einer ein Außengewinde 36 tragende Hülse 38 versehen, über welches der Ventilschaft 35 und damit das gesamte Ventil 29 in einem im Gehäuse 43 angeordneten Innengewinde 37 durch ent sprechendes Verdrehen des Ventilschaftes 35 - über den mit letzterem drehfest verbundenen Hebel 51 - axial verschoben wer den kann. Die Fig. 6 zeigt das Ventil 29 in seinen beiden Grenzstellungen, also in der Schließstellung (Darstellung rechts der Ventillängsachse 32) und in der maximalen Öffnungs stellung (Darstellung links der Ventillängsachse 32), in welcher dem die Turbine umgehenden Teilstrom 63 ein maximaler Sekundär drall in Richtung des Pfeiles 30 (Fig. 7) aufgeprägt wird. In Schließstellung des Ventils 29 wird selbstverständlich der in erfindungsgemäßer Weise vom Axialkanal 17 in den Radialkanal 18 abgezweigte Teilstrom 48 nicht beeinflußt. Erfindungsgemäß wird nun das Ventil 29 derart betätigt, daß jeweils immer solch ein Gegendrall erzeugt wird, daß der im Radialkanal 17 noch vorhandene Restdrall nach dem Zusammenführen der beiden Kanäle ganz oder nahezu ganz ausgelöscht wird. Auch bei diesem Aus führungsbeispiel ist vorgesehen, den Radialkanal 18 und den Axialkanal 17 mittels eines in der Zeichnung nicht explizit dargestellten Hosenrohrs wieder in eine gemeinsame Leitung zu sammenzuführen, welche den gleichen Querschnitt besitzen kann wie die Eintrittsöffnung 52 des Axialkanals 17 am Turbinenlauf radaustritt.

Wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ist auch hier vorgesehen, das Abgas dem Turbinenlaufrad 3 über einen zweiflutigen Turbinenleitkanal 4 zuzuführen. Wird Stoßauf ladung verwendet, sind in der Trennwand zwischen den beiden Fluten Verbindungsöffnungen möglich. Für alle Ausführungs beispiele gilt, daß, um eine thermische Überbeanspruchung ver meiden zu können, im Turbinengehäuse 2 im Bereich des Kanals 19 bezw. der Bypassleitung 28 Flüssigkeitskühlkänale 39 vorgesehen sind, welche vom Kühlmittel der Brennkraftmaschine durchströmt werden. Weitere, vorteilhafte Merkmale einer derartigen Ausgestaltung gemäß Fig. 6 u. 7 sind den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 9 bis 12 zu entnehmen.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf geregelte Turbolader mit einer Radial- oder einer Halbaxialturbine. Die erfindungsgemäße Abzweigung eines Radialkanals 18 vom Axialkanal 17 stromab der Turbine als Drallkanal ist auch denkbar bei einem ungeregelten Abgasturbolader mit einer Radial- oder Axialtur bine.

Es ist ferner möglich, die einzelnen zur Drallauslöschung ein gesetzten Komponenten gemäß Anspruch 13 in einem gemeinsamen Turbinengehäuse 2 oder aber - gemäß Anspruch 14 - nicht un mittelbar im Turbinengehäuse 2 selbst, sondern in einem separaten Bauteil anzuordnen.

Das gemäß Fig. 4 und 7 eingangs im Radialkanal 18 an geordnete Teilstück 18' kann - je nach vorgesehenem Betriebsbe reich und zusätzlicher, weiterer Regeleingriffe am Gesamtsystem - zum Auffangen von Gegendrall nach dem Turbinenlaufrad 3 dem spiralförmigen Turbinenleitkanal 4 gleichgerichtet, zum Auffangen von Mit drall nach dem Turbinenlaufrad 3 dem Turbinenleitkanal 4 ent gegengerichtet gesunden ausgeführt sein, wobei eine gewählte Ausführungsart den Wirk- und Arbeitsbereich festlegt und die andere somit bauartgemäß ausschließt.

Ferner kann das gezeigte Verfahren der Nachdrallauslöschung mit zusätzlich nachgeschaltetem Radialkanal auch bei allgemeinen Strömungsmaschi nen, z. B. Gasturbinen, Pumpen oder Verdichtern zur Verbesserung des Systemwirkungsgrades bzw. Erweiterung des Betriebsbereiches vorteilhaft eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste

1

Abgasturbolader

2

Turbinengehäuse

3

Turbinenlaufrad

4

Turbinenleitkanal

6

Welle

7

Verdichtergehäuse

9

Saugleitung

12

Turbinenleitrad

13

Pfeil

14

Drehachse

15

Pfeil

16

Pfeil

17

Axialkanal

18

Radialkanal

18

'Teilstück

19

Kanal

21

Pfeil

22

Sekundärdrall, Pfeil

22

'Sekundärdrall, Pfeil

23

Pfeil

24

Wand, Lippe

25

Rohr

26

Pfeil

28

Bypassleitung

28

'druckseitiger Teil

29

Ventil

30

Sekundärdrall, Pfeil

31

Pfeil

32

Ventillängsachse

33

Linie

34

Ventilteller

35

Ventilschaft

36

Außengewinde

37

Innengewinde

38

Hülse

39

Flüssigkeitskühlkanal

43

Gehäuse

44

Ebene

46

Abgasstrom

47

Teilstrom

48

Teilstrom

50

Schaufelprofil

51

Hebel

52

Eintrittsöffnung

53

Austrittsöffnung

54

Eintrittsöffnung

55

Austrittsöffnung

57

Ebene

58

Kanalachse

60

Kanalachse

61

Kanalachse

62

Abgasstrom

63

Teilstrom

65

Querschnitt

67

Ebene

Claims

1. Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit einem einen angesaugten Frischluftstrom fördernden Verdichter und einer vom Abgasstrom beaufschlagten Turbine mit einem den Abgasstrom in ein Turbinenlaufrad leitenden, ein- oder mehrflutigen Leitkanal, gekennzeichnet durch Kombination folgender Merkmale:

a) Ein Teilstrom (47) des aus dem Turbinenlaufrad (3) austretenden Abgasstromes (46) tritt durch einen stromab des Turbinenlaufrades (3) angeord neten Axialkanal (17) aus dem Abgasturbolader (1) heraus.
b) Ein weiterer Teilstrom (48) des aus dem Turbinenlauf rad (3) austretenden Abgasstromes (46) tritt durch einen stromab des Turbinenlaufrades (3) an geordneten, zum Axialkanal (17) konzentrischen Ra dialkanal (18) aus dem Abgasturbolader (1) heraus.
c) Im Abzweigungsbereich des Radial- (18) vom Axialkanal (17) ist eine in die Eintrittsöffnung (54) des Radial kanals (18) hineinragende Wand oder Lippe (24) ange ordnet.
d) Im Radialkanal (18) weist der weitere Teilstrom (48) des aus dem Turbinenrad (3) austretenden Abgasstromes (46) einen in Ebenen (57) senkrecht zur Kanalachse (58) verlaufenden, mehr oder minder mächtigen Sekundärdrall (22) oder (22') auf.
e) Die Teilströme (47), (48) des aus dem Turbinenlaufrad (3) austretenden Abgasstromes (46) treten durch ge trennte Austrittsöffnungen (53), (55) aus dem Abgas turbolader (1) heraus und werden in einer nachgeschal teten Abgasleitung wiedervereinigt.

2. Abgasturbolader nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teilstück (18') des Radialkanals (18) spiralförmig gewunden ist und in einen daran anschließenden, parallel zum Axialkanal (17) geführten Kanal (19) über geht.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teilstück (18') des Radialkanals (18) spiralförmig und in gleicher Richtung wie der Turbinen leitkanal (4) gewunden ist.

4. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teilstück (18') des Radialkanals (18) spiralförmig und in entgegengesetzter Richtung wie der Turbinenleitkanal (4) gewunden ist.

5. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, oder nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die hineinragende Wand (24) ein Ruhr (25) ist, welches im Axialkanal (17) bis in den Bereich der Eintrittsöffnung (54) des Radialkanals (18) hinein axial verschiebbar ist.

6. Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (25) betriebsparameterabhängig verschiebbar ist.

7. Abgasturbolader nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, gekennzeichnet durch die Kombination der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale a) bis e) mit folgenden, weiteren Merkmalen:

a) Ein Teilstrom (63) des zum Turbinenlaufrad (3) gelei teten Abgasstromes (62) tritt durch eine Bypasslei tung (28) aus dem auf der Druckseite des Turbinenlauf rades (3) angeordneten Leitkanal (4) in den stromab des Turbinenlaufrades (3) angeordneten Ra dialkanal (18) ein.
b) Der Querschnitt (65) der Bypassleitung (28) ist mit einem Ventil (29) regel- und verschließbar.
c) Der druckseitige Teil (28') der Bypassleitung (28) vor dem Ventil (29) und das Ventil (29) selbst sind - gemessen zu einer die Kanalachsen (60), (61) des Tur binenleitkanals (4) verbindenden Linie (33) - außer mittig angeordnet.
d) Der Teilstrom (63) weist in der Bypassleitung (28) ei nen in Ebenen (67) senkrecht zur Ventillängsachse (32) verlaufenden Sekundärdrall (30) auf.
e) Die Stärke des Sekundärdralls (30) ist mit der Öff nungsstellung des Ventils (29) regelbar.

8. Abgasturbolader nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (29) auf dem Ventilschaft (35) eine ein Außengewinde (36) tragende Hälse (38) aufweist, daß ein Gehäuse (43) ein Innengewinde (37), in welches das Außen gewinde (36) eingreift, besitzt, und daß das Ventil (29) beim Hinein- und Herausdrehen des Außen- (36) ins Innen gewinde (37) geöffnet und geschlossen wird.

9. Abgasturbolader nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellantrieb zur Drehung des Ventils (29) an dem aus dem Gehäuse (43) herausragenden äußeren Ende des Ventilschaftes (35) angeordnet ist.

10. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsquerschnitt des Ventils (29) betriebs parameterabhängig regelbar ist.

11. Abgasturbolader nach Anspruch 1 bis 6 oder nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Axial- (17) und der Radialkanal (18) von we nigstens einem Flüssigkeitskühlkanal (39) umgeben ist.

12. Abgasturbolader nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitskühlkanal (39) von Kühlmittel der Brennkraftmaschine durchströmt wird.

13. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenleitkanal (4) und die in den kennzeich nenden Teilen der vorangestellten Ansprüche genannten Komponenten im Turbinengehäuse (2) angeordnet sind.

14. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder nach einem der An sprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenleitkanal (4) im Turbinengehäuse (2) und die in den kennzeichnenden Teilen der vorangestellten Ansprüche genannten Komponenten in mindestens einem daran angeschlossenen, separaten Bauteil angeordnet sind.