DE102017210168A1

DE102017210168A1 - Turbine mit variablem Turbinenradauslass und Verdichter mit variablem Verdichtereinlass

Info

Publication number: DE102017210168A1
Application number: DE102017210168.7A
Authority: DE
Inventors: Milen Georgiev Mihaylov; Frank Schmitt; Frank Dahinten
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2018-12-20
Also published as: CN208605273U

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine für eine Aufladevorrichtung mit einem Turbinengehäuse, das einen Turbinenradauslass definiert und einem Turbinenrad mit einer Mehrzahl an Turbinenradschaufeln, wobei das Turbinenrad in dem Turbinengehäuse angeordnet ist. Die Turbine umfasst außerdem eine Trimmeinrichtung zum Verändern des Querschnitts des Turbinenradauslasses in einem Bereich von Austrittskanten der Turbinenradschaufeln.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbine mit variablem Turbinenradauslass, einen Verdichter mit variablem Verdichtereinlass sowie Aufladevorrichtungen mit entsprechender Turbine und/oder entsprechendem Verdichter.
Hintergrund der Erfindung
Immer mehr Fahrzeuge der neueren Generation werden mit Aufladevorrichtungen ausgestattet. Um die Anforderungsziele und gesetzlichen Auflagen zu erreichen, gilt es die Entwicklung im gesamten Antriebsstrang voranzutreiben und sowohl die einzelnen Komponenten als auch das System als Ganzes bezüglich ihrer Zuverlässigkeit und Effizienz zu optimieren.
Bekannt sind zum Beispiel Abgasturbolader, bei denen eine Turbine mit einem Turbinenrad vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors angetrieben wird. Ein Verdichter mit einem Verdichterrad, das mit dem Turbinenrad auf einer gemeinsamen Welle angeordnet ist, verdichtet die für den Motor angesaugte Frischluft. Dadurch wird die Luft- bzw. Sauerstoffmenge, die der Motor zur Verbrennung zur Verfügung hat erhöht, was wiederum zu einer Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors führt.
Bekannte Turbinen umfassen ein Turbinengehäuse, in dem das Turbinenrad angeordnet ist. Der Abgasstrom des Verbrennungsmotors wird durch eine oder mehrere Spiralen des Turbinengehäuses zu dem und durch das Turbinenrad geleitet und verlässt die Turbinen durch den Turbinenradauslass. Jede Turbine wird für den jeweiligen Antriebsstrang und die zu erreichenden Ziele, zum Beispiel bezüglich Leistung und Verbrauch des Antriebsstrangs, ausgelegt. Große Turbinen erlauben zum Beispiel einen hohen Abgasdurchfluss, was insbesondere bei hohen Motordrehzahlen für eine Reduzierung des Abgasgegendrucks und damit des Kraftstoffverbrauchs führt. Kleinere Turbinen andererseits stellen dafür ein höheres Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen (Low End Torque = LET) sowie ein besseres Ansprechverhalten bereit. Dafür steigt bei kleineren Turbinen der Abgasgegendruck bei höheren Drehzahlen, was wiederum den Kraftstoffverbrauch steigen lässt.
Ein Ziel der vorliegen Erfindung ist es demnach eine Turbine bereitzustellen, die den vorangehend beschriebenen Zielkonflikt verringert oder auflöst.
Außerdem sind Turbinen mit variabler Turbinengeometrie (VTG) verbreitet. Es ist bekannt, dass die Effizient einer Turbine mit VTG sehr stark von der Stellung der Schaufeln der VTG abhängt, wobei die maximale Effizienz einer VTG-Turbine ungefähr zwischen 50% und 80% des maximal möglichen Durchflusses liegt. Bei Durchflussraten von über 80% oder unter 50% sinkt der Wirkungsgrad der Turbine mit dem Öffnen bzw. Schließen der Schaufeln sehr schnell. So liegt der Wirkungsgrad bei 100% geöffneten Schaufeln (also 100% des möglichen Durchflusses) oder bei minimal geöffneten Schaufeln (also minimalem Durchfluss) 20% bis 30% unter der höchsten Turbineneffizienz. Der Grund dafür ist, dass die Ausrichtung der Schaufeln sich ändert, um dem benötigten Durchfluss Rechnung zu tragen. Dadurch wird die Flusskinematik an den Anströmkanten der Turbinenradschaufeln des Turbinenrads negativ verändert. Im mittleren Öffnungsbereich der Schaufeln entspricht die Flusskinematik der Turbinenradgeometrie und die sogenannten Eintrittsverluste sind geringer und somit die Effizient der Turbine höher. Wenn man sich in Richtung komplett offenen oder geschlossenen Schaufeln bewegt, entspricht die Flusskinematik nicht mehr der Turbinenradgeometrie, was die erwähnten Eintrittsverluste und somit eine signifikante Reduzierung der Wirkungsgrad der Turbine mit sich bringt.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es demnach eine effizientere Turbine mit variabler Turbinengeometrie bereitzustellen.
Verdichter können in unterschiedlichen Aufladevorrichtungen zum Einsatz kommen: in herkömmlichen Abgasturboladern, in elektrisch unterstützten Abgasturboladern oder entkoppelt vom Abgasturbolader, beispielsweise in mechanisch oder elektrisch angetriebenen Verdichtern oder zum Beispiel in Kombination mit einer Luftversorgung für einen Brennstoffzellenmotor.
Bekannte Verdichter umfassen ein Verdichtergehäuse, in dem ein Verdichterrad angeordnet ist. Die Frischluft wird durch einen Verdichtereinlass angesaugt, von dem Verdichterrad beschleunigt und verlässt den Verdichter über eine Spirale. Jeder Verdichter weist ein verdichterspezifisches Verdichterkennfeld auf, wobei der Betrieb des Verdichters auf den Bereich des Verdichterkennfelds zwischen der Pumpgrenze und der Stopfgrenze beschränkt ist. Je nach Größe und Ausgestaltung des Verdichters kann der Betrieb bei geringen Volumentrömen durch den Verdichter ineffizient oder nicht mehr möglich sein, da die Pumpgrenze erreicht wird.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es demnach auch, einen effizienteren Verdichter mit einem breiteren nutzbaren Verdichterkennfeld bereitzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbine für eine Aufladevorrichtung gemäß Anspruch 1, einen Verdichter für Aufladevorrichtung gemäß Anspruch 12 und eine Aufladevorrichtung gemäß Anspruch 15.
Die erfindungsgemäße Turbine für eine Aufladevorrichtung umfasst ein Turbinengehäuse, das einen Turbinenradauslass definiert und ein Turbinenrad mit einer Mehrzahl an Turbinenradschaufeln, wobei das Turbinenrad in dem Turbinengehäuse angeordnet ist. Die Turbine umfasst außerdem eine Trimmeinrichtung zum Verändern des Querschnitts des Turbinenradauslasses in einem Bereich von Austrittskanten der Turbinenradschaufeln. Dadurch, dass der Querschnitt des Turbinenradauslasses verändert werden kann, können für eine Turbine mit fester Turbinengeometrie zwei unterschiedliche Durchflusscharakteristiken realisiert werden. Diese beiden unterschiedlichen Durchflusscharakteristiken entsprechen zwei verschiedenen Turbinen(stufen) mit unterschiedlichen Trimmverhältnissen. Diese Möglichkeit der Anpassung der Turbine bzw. des Turbinenradauslasses bringt eine Reihe an Vorteilen mit sich. Zum einen kann im geschlossenen Zustand der Trimmeinrichtung, also bei kleinerem Querschnitt des Turbinenradauslasses, ein höheres Drehmoment im niedrigen Drehzahlbereich (Low End Torque = LET) und ein verbessertes Ansprechverhalten bereitgestellt werden. Dadurch, dass der Ausgangsquerschnitt vergrößert werden kann (offene Zustand der Trimmeinrichtung) ergeben sich keine negativen Auswirkungen bekannter kleinerer Turbinen, wie zum Beispiel erhöhter Gegendruck vom Motor oder erhöhter Kraftstoffverbrauch, im Bereich der Nennleistung des Motors. Das Gleiche gilt auch umgekehrt, so dass insgesamt der normalerweise einzugehende Kompromiss zwischen hohem Drehmoment im niedrigen Drehzahlbereich sowie schnellem Ansprechverhalten und höherem Gegendruck und dadurch höherem Verbrauch aufgelöst werden kann.
Weitere Vorteile sind die Reduzierung der Aktivierungszeit für den Katalysator, eine flexiblere, leichtere und schnellere Auslegung und Anpassung der Aufladevorrichtung an die entsprechenden Bedürfnisse, Bereitstellen ausreichender Turbinenleistung auch ohne die in Zukunft abzuschaffenden Spülvorgänge bei Ottomotoren, Halten des Motorgegendrucks auf niedrigem Niveau, auch wenn in Zukunft weitere Komponenten (zur Abgasreinigung) im Abgasstrang vorgesehen sind, und dies ohne die Leistung des Motors bei niedrigen Drehzahlen zu verringern. Außerdem bietet die Erfindung eine preisgünstige Alternative zu einer Aufladevorrichtung mit variabler Turbinengeometrie. Zusätzlich erlaubt die Erfindung einen einfacheren, günstigeren und weniger Zeitaufwändigen Weg die Charakteristiken einer Turbine anzupassen, da die Prototypen, die zum Auslagen einer Turbine entsprechend der gewünschten Eigenschaften verwendet werden, a) weniger abhängig von den Toleranzen beim Giesen der Volute sind und b) die Prototypen schneller überarbeitet und an die Wünsche des Kunden angepasst werden können. Somit können zeit- und kostenaufwändige Hardware-Schleifen eingespart werden.
In Ausgestaltungen kann die Trimmeinrichtung die Größe des Querschnitts des Turbinenradauslasses variabel verändern.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, kann die Trimmeinrichtung eine Trimmanordnung mit einem Trimmring und einem Schaft umfassen. Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist, dass der Trimmring bei möglicherweise notwendigen Anpassungen sehr leicht ausgetauscht werden kann. Der Schaft kann an einem Seitenbereich mit dem Trimmring gekoppelt sein, so dass eine Drehung des Schafts ein Schwenken des Trimmrings verursacht. Der Schaft kann um ungefähr 90° gedreht werden, um den Trimmring von einer geschlossenen Stellung in eine offene Stellung zu bringen.
Die Trimmanordnung kann ein integrales Bauteil sein, das den Trimmring und den Schaft beinhaltet. Alternativ können der Trimmring und der Schaft zwei separate Bauteile sein, die miteinander gekoppelt sind.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, kann ein Teil des Schafts kann in einer Bohrung des Turbinengehäuses angeordnet sein und sich durch diese Bohrung hindurch erstrecken. Insbesondere kann der Schaft drehbar in der Bohrung gelagert sein.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, kann außerdem ein Aktuator zum Betätigen der Trimmeinrichtung und eine Koppeleinrichtung zum Verbinden des Aktuators mit dem Schaft vorgesehen sein. Die Koppeleinrichtung kann eine Koppelstange und einen Hebel umfassen, wobei die Koppelstange an einem ersten Ende mit dem Aktuator gekoppelt ist und an einem zweiten Ende mit einem ersten Ende des Hebels gekoppelt ist, und wobei der Hebel an einem zweiten Ende mit dem Schaft gekoppelt ist.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, kann der Trimmring in einer geschlossenen Stellung der Trimmeinrichtung an einer radialen Ringfläche des Turbinengehäuses aufliegen.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, kann ein innerer Durchmesser des Trimmrings kleiner sein als ein innerer Durchmesser des Turbinengehäuses im Bereich der Austrittskanten der Turbinenradschaufeln und ein äußerer Durchmesser des Trimmrings gleich groß oder größer sein als der innere Durchmesser des Turbinengehäuses im Bereich der Austrittskanten der Turbinenradschaufeln.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, kann eine Kontur einer radialen Seitenfläche des Trimmrings an die Kontur der Austrittskanten der Turbinenradschaufeln angepasst sein.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, kann die Turbine eine feste Turbinengeometrie aufweisen. Alternativ kann die Turbine eine variable Turbinengeometrie aufweisen. Wenn die Trimmeinrichtung in Kombination mit einer variablen Turbinengeometrie kombiniert wird, ist es möglich die widersprüchlichen Leistungsanforderungen an eine Turbine zu erfüllen. So kann der Wirkungsgrad der Turbine bei geringen Durchflussraten und somit geringer Öffnung der Schaufeln erhöht werden, ohne die maximale Durchflusskapazität der Turbine zu beschränken. Außerdem kann auch der minimal notwendige Durchfluss durch die Turbine bei komplett geschlossenen Schaufeln mit Hilfe der Trimmeinrichtung gesenkt werden, ohne die Turbinenleistung bei hohem Durchfluss zu beeinträchtigen.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar sind, kann eine Steuerung des Aktuators ausgelegt sein, den Aktuator und somit die Trimmeinrichtung zu betätigen, wodurch der Querschnitt des Turbinenradauslasses verändert wird, zumindest teilweise basierend auf einer oder mehreren Regelgrößen ausgewählt aus einer Drehzahl eines nachgelagerten Motors, einem Drehmoment eines nachgelagerten Motors, einer Drehzahl der Turbine, einer Drehzahl eines Verdichters, einem Volumenstrom durch die Turbine, einem Druckverhältnis in der Turbine, der Position eines Wastegates für die Turbine, der Position einer variablen Turbinengeometrie der Turbine und/oder einem Massenstrom durch eine Abgasrückführung.
Die Erfindung umfasst außerdem einen Verdichter für eine Aufladevorrichtung mit einem Verdichtergehäuse, das einen Verdichtereinlass definiert und einem Verdichterrad mit einer Mehrzahl an Verdichterradschaufeln, wobei das Verdichterrad in dem Verdichtergehäuse angeordnet ist. Der Verdichter umfasst außerdem eine Trimmeinrichtung zum Verändern des Querschnitts des Verdichtereinlasses, wobei die Trimmeinrichtung eine Trimmanordnung mit einem Trimmring und einem Schaft umfasst. Dadurch, dass der Querschnitt des Verdichtereinlasses variabel veränderbar ist, kann dieser entsprechend des jeweiligen Betriebsbereichs des Verdichters angepasst werden. Somit kann insgesamt ein breiteres Verdichterkennfeld mit einem einzigen Verdichter genutzt werden, da die Pumpgrenze des Verdichters im Verdichterkennfeld weiter nach links, also in Richtung eines geringeren Volumenstroms, verschoben werden kann. Dadurch wird die Pumpstabilität des Verdichters in bedeutendem Maße verbessert. Diese Vorteile werden dadurch erreicht, dass eine Verkleinerung des Querschnitts des Verdichtereinlasses zu einer optimalen Anströmung der Schaufeleintrittskanten der Verdichterradschaufeln führt. Außerdem kann eine homogenere Einströmung erzeugt werden, da durch die Verengung des Querschnitts eine Ablösung der Strömung im Bereich der Nabe des Verdichterrads verringert oder vermieden werden kann. Insgesamt führt die Trimmeinrichtung, die eine variable Gestaltung des Querschnitts des Verdichtereinlasses ermöglicht, zu einer Effizienzsteigerung des Verdichters, insbesondere bei niedrigen Motordrehzahlen, was sich wiederum positiv auf den Kraftstoffverbrauch und den Drehmomentaufbau im niedrigen Drehzahlbereich sowie das Ansprechverhalten für einen nachgelagerten Verbrennungsmotor auswirkt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass diese positiven Effekte erreicht werden können, ohne die Leistung des Motors bei hohen Drehzahlen (und damit die maximale Nennleistung des Motors) zu beeinträchtigen.
In Ausgestaltungen des Verdichters kann die Trimmeinrichtung die Größe des Querschnitts des Verdichtereinlasses variabel verändern.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen des Verdichters kombinierbar sind, kann in einem geschlossenen Zustand der Trimmeinrichtung eine radiale Seitenfläche des Trimmrings von Eintrittskanten der Verdichterradschaufeln beabstandet angeordnet sein. Der Abstand zwischen der radialen Seitenfläche und den Eintrittskanten kann zwischen 2 mm und 8 mm liegen, insbesondere zwischen 3 mm und 5mm liegen. Der Abstand ist dabei von dem Verdichterraddurchmesser, dem Verdichterradtrimm und dem Verdichterradtyp abhängig und kann entsprechend angepasst und optimiert werden.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen des Verdichters kombinierbar sind, kann der Schaft an einem Seitenbereich mit dem Trimmring gekoppelt sein, so dass eine Drehung des Schafts ein Schwenken des Trimmrings verursacht. Der Schaft kann um ungefähr 90° gedreht werden, um den Trimmring von einer geschlossenen Stellung in eine offene Stellung zu bringen.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen des Verdichters kombinierbar sind, kann die Trimmanordnung ein integrales Bauteil sein, das den Trimmring und den Schaft beinhaltet. Alternativ können der Trimmring und der Schaft zwei separate Bauteile sein, die miteinander gekoppelt sind.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen des Verdichters kombinierbar sind, kann ein Teil des Schafts in einer Bohrung des Verdichtergehäuses angeordnet sein und sich durch diese Bohrung hindurch erstrecken. Insbesondere kann der Schaft drehbar in der Bohrung gelagert sein.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen des Verdichters kombinierbar sind, kann außerdem ein Aktuator zum Betätigen der Trimmeinrichtung und eine Koppeleinrichtung zum Verbinden des Aktuators mit dem Schaft vorgesehen sein. Die Koppeleinrichtung kann eine Koppelstange und einen Hebel umfassen, wobei die Koppelstange an einem ersten Ende mit dem Aktuator gekoppelt ist und an einem zweiten Ende mit einem ersten Ende des Hebels gekoppelt ist, und wobei der Hebel an einem zweiten Ende mit dem Schaft gekoppelt ist.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen des Verdichters kombinierbar sind, kann der Trimmring in einer geschlossenen Stellung der Trimmeinrichtung an einer radialen Ringfläche des Verdichtergehäuses aufliegen.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen des Verdichters kombinierbar sind, kann ein innerer Durchmesser des Trimmrings kleiner sein als ein innerer Durchmesser des Verdichtergehäuses im Bereich vor den Eintrittskanten der Verdichterradschaufeln und ein äußerer Durchmesser des Trimmrings gleich groß oder größer sein als der innere Durchmesser des Verdichtergehäuses im Bereich vor den Eintrittskanten der Verdichterradschaufeln.
In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen des Verdichters kombinierbar sind, kann eine Steuerung des Aktuators ausgelegt sein, den Aktuator und somit die Trimmeinrichtung zu betätigen, wodurch der Querschnitt des Verdichtereinlasses verändert wird, zumindest teilweise basierend auf einer oder mehreren Regelgrößen ausgewählt aus einer Drehzahl eines nachgelagerten Motors, einem Drehmoment eines nachgelagerten Motors, einer Drehzahl des Verdichters, einem Volumenstrom durch den Verdichter, einem Druckverhältnis im Verdichter, der Position eines Wastegates für eine Abgasturbine, der Position einer variablen Turbinengeometrie einer Abgasturbine und/oder einem Massenstrom durch eine Abgasrückführung.
Die Erfindung umfasst außerdem eine Aufladevorrichtung mit einer Turbine gemäß irgendeiner der vorangehend beschriebenen Ausgestaltungen und/oder einem Verdichter gemäß irgendeiner der vorangehend beschriebenen Ausgestaltungen.
In Ausgestaltungen kann die Aufladevorrichtung ein Abgasturbolader sein. Der Abgasturbolader kann ein elektrisch unterstützter Abgasturbolader sein und einen Elektromotor umfassen. Alternativ kann die Aufladevorrichtung einen Elektromotor und keine Turbine umfassen und der Verdichter rein elektrisch angetrieben werden.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Turbine mit geschlossener Stellung der Trimmeinrichtung;
2 zeigt eine Seitenansicht des ersten Ausführungsbeispiels mit einem Teilschnitt;
3 zeigt eine Schnittansicht des ersten Ausführungsbeispiels mit offener Stellung der Trimmeinrichtung;
4 zeigt eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Turbine mit geschlossener Stellung der Trimmeinrichtung;
5 zeigt eine Schnittansicht des zweiten Ausführungsbeispiels mit offener Stellung der Trimmeinrichtung;
6 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verdichters mit geschlossener Stellung der Trimmeinrichtung;
7 zeigt eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verdichters aus 6.

Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße Turbine 10 und den erfindungsgemäßen Verdichter 40 beschrieben. Alle im Folgenden beschriebenen Details und Vorteile gelten sowohl für die Turbine 10 bzw. den Verdichter 40 als auch für eine Aufladevorrichtung mit einer entsprechenden Turbine 10 bzw. einem entsprechenden Verdichter 40. Im Rahmen dieser Anmeldung beziehen sich radiale Flächen/Seitenflächen/Ebenen auf Flächen/Ebenen, die im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse 400 der Turbine 10 bzw. des Verdichters 40 angeordnet sind.
1 zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Turbine 10. Die Turbine 10 umfasst ein Turbinengehäuse 100, das einen Turbinenradauslass 120 definiert und ein Turbinenrad 200 mit einer Mehrzahl an Turbinenradschaufeln 210, wobei das Turbinenrad 200 in dem Turbinengehäuse 100 angeordnet ist. Die Turbine 10 umfasst außerdem eine Trimmeinrichtung 20 zum Verändern des Querschnitts des Turbinenradauslasses 120. Die Trimmeinrichtung 20 ist in einem Bereich der Austrittskanten 212 der Turbinenradschaufeln 210 angeordnet. Dadurch, dass der Querschnitt des Turbinenradauslasses 120 verändert werden kann, können für eine Turbine mit fester Turbinengeometrie zwei unterschiedliche Durchflusscharakteristiken realisiert werden. Diese beiden unterschiedlichen Durchflusscharakteristiken entsprechen zwei verschiedenen Turbinen(stufen) mit unterschiedlichen Trimmverhältnissen. Diese Möglichkeit der Anpassung der Turbine bzw. des Turbinenradauslasses bringt eine Reihe an Vorteilen mit sich. Zum einen kann im geschlossenen Zustand der Trimmeinrichtung 20, also bei kleinerem Querschnitt des Turbinenradauslasses 120, ein höheres Drehmoment im niedrigen Drehzahlbereich (Low End Torque = LET) und ein verbessertes Ansprechverhalten bereitgestellt werden. Dadurch, dass der Ausgangsquerschnitt vergrößert werden kann (offene Zustand der Trimmeinrichtung 20) ergeben sich keine negativen Auswirkungen bekannter kleinerer Turbinen, wie zum Beispiel erhöhter Gegendruck vom Motor oder erhöhter Kraftstoffverbrauch, im Bereich der Nennleistung des Motors. Das Gleiche gilt auch umgekehrt, so dass insgesamt der normalerweise einzugehende Kompromiss zwischen hohem Drehmoment im niedrigen Drehzahlbereich sowie schnellem Ansprechverhalten und höherem Gegendruck und dadurch höherem Verbrauch aufgelöst werden kann.
Weitere Vorteile sind die Reduzierung der Aktivierungszeit für den Katalysator, eine flexiblere, leichtere und schnellere Auslegung und Anpassung der Aufladevorrichtung an die entsprechenden Bedürfnisse, Bereitstellen ausreichender Turbinenleistung auch ohne die in Zukunft abzuschaffenden Spülvorgänge bei Ottomotoren, Halten des Motorgegendrucks auf niedrigem Niveau, auch wenn in Zukunft weitere Komponenten (zur Abgasreinigung) im Abgasstrang vorgesehen sind, und dies ohne die Leistung des Motors bei niedrigen Drehzahlen zu verringern. Außerdem bietet die Erfindung eine preisgünstige Alternative zu einer Aufladevorrichtung mit variabler Turbinengeometrie. Zusätzlich erlaubt die Erfindung einen einfacheren, günstigeren und weniger Zeitaufwändigen Weg die Charakteristiken einer Turbine 10 anzupassen, da die Prototypen, die zum Auslagen einer Turbine entsprechend der gewünschten Eigenschaften verwendet werden, a) weniger abhängig von den Toleranzen beim Giesen der Volute 110 sind und b) die Prototypen schneller überarbeitet und an die Wünsche des Kunden angepasst werden können. Somit können zeit- und kostenaufwändige Hardware-Schleifen eingespart werden.
Wie bereits erwähnt, ändert die Trimmeinrichtung 20 den Querschnitt des Turbinenradauslasses 120. Die Änderung beinhaltet eine Änderung der Größe des Querschnitts des Turbinenradauslasses 120. Das heißt, der Durchmesser des Turbinenradauslasses 120 kann mit Hilfe der Trimmeinrichtung 20 von einem ersten, kleineren Durchmesser d1 bei geschlossener Trimmeinrichtung 20 zu einem zweiten, größeren Durchmesser d3 bei geöffneter Trimmeinrichtung 20 geändert werden. 1 und 2 zeigen eine Schnittansicht bzw. eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Turbine 10 mit geschlossener Trimmeinrichtung 20. 3 zeigt eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Turbine 10 mit geöffneter Trimmeinrichtung 20. Wenn die Trimmeinrichtung 20 offen ist, dann entspricht die Durchflusscharakteristik der Turbine 10 die einer entsprechenden Turbine ohne Trimmeinrichtung 20. Das heißt, im offenen Zustand beeinflusst die Trimmeinrichtung 20 die Durchflusseigenschaften der Turbine 10 nicht. Im geschlossenen Zustand der Trimmeinrichtung 20 ist die Größe des Querschnitts und somit der effektiv verfügbare Durchflussquerschnitt im Bereich der Austrittskanten 212 der Turbinenradschaufeln 210 verringert, da der Durchmesser d1 kleiner ist als der Durchmesser d3.
Weiterhin bezugnehmend auf 1 bis 3, weist die Trimmeinrichtung 20 eine Trimmanordnung 300 mit einem Trimmring 310 und einem Schaft 320 auf. Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist, dass der Trimmring 310 bei möglicherweise notwendigen Anpassungen sehr leicht ausgetauscht werden kann. Der Schaft 320 der Trimmanordnung 300 ist an einem Seitenbereich mit dem Trimmring 310 gekoppelt sein, so dass eine Drehung des Schafts 320 ein Schwenken des Trimmrings 310 verursacht. Somit kann durch ein Drehen des Schafts 320 der Trimmring 310 von der geschlossenen Stellung, mit kleinem Auslassquerschnitt der Turbine 10, in eine offene Stellung, mit großem Auslassquerschnitt der Turbine 10, geschwenkt werden. Der Schaft 320 wird dabei um ungefähr 90° gedreht, um den Trimmring 310 von der geschlossenen Stellung in die offene Stellung, und entsprechend umgekehrt, zu bringen. Die Trimmanordnung 300 kann ein integrales Bauteil sein, das den Trimmring 310 und den Schaft 320 beinhaltet. Alternativ können der Trimmring 310 und der Schaft 320 zwei separate Bauteile sein, die miteinander gekoppelt sind.
Wie in 1 gezeigt, liegt der Trimmring 310 in einer geschlossenen Stellung der Trimmeinrichtung 20 an einer radialen Ringfläche 140 (siehe 3) des Turbinengehäuses 100 auf. Ein innerer Durchmesser d1 des Trimmrings 310 ist kleiner als ein innerer Durchmesser d3 (siehe 1) des Turbinengehäuses 100 im Bereich der Austrittskanten 212 der Turbinenradschaufeln 210. Ein äußerer Durchmesser d2 (siehe 3) des Trimmrings 310 ist gleich groß oder größer sein als der innere Durchmesser d3 des Turbinengehäuses 100 im Bereich der Austrittskanten 212 der Turbinenradschaufeln 210. Außerdem kann eine Kontur einer radialen Seitenfläche 312 des Trimmrings 310 an die Kontur der Austrittskanten 212 der Turbinenradschaufeln 210 angepasst sein. Der Trimmring 310 sollte in der geschlossenen Stellung der Trimmeinrichtung 20 möglichst nahe an den Austrittskanten 212 der Turbinenradschaufeln 210 angeordnet sein. In anderen Worten, der Spalt zwischen der radialen Seitenfläche 312 und den Austrittskanten 212 der Turbinenradschaufeln 210 sollte in geschlossenem Zustand des Trimmrings 310 möglichst klein sein, um den Wirkungsgrad der Turbine 10 im Betriebsmodus mit geschlossener Trimmeinrichtung 20 zu maximieren.
Ein Teil des Schafts 320 ist in einer Bohrung 130 des Turbinengehäuses 100 angeordnet und erstreckt sich durch diese Bohrung 130 hindurch (siehe 2). Der Schaft 320 ist drehbar in der Bohrung 130 gelagert. Zwischen Schaft 320 und den Wänden der Bohrung 130 kann außerdem eine Lagerbuchse vorgesehen sein (nicht dargestellt). Zusätzliche können zwischen Lagerbuchse und Schaft 320 entsprechende Dichtmittel (z.B. Kolbenringe) vorgesehen sein.
Die Turbine 10 des in 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiels weist eine feste Turbinengeometrie auf. In diesem Fall gibt es zwei Arten, wie die erfindungsgemäße Turbine 10 eingesetzt werden kann, um entsprechende Vorteile zu generieren. Eine erste Möglichkeit besteht darin, auf einen möglichst niedrigeren Kraftstoffverbrauch abzuzielen. Dabei wird die Turbine so ausgelegt, einen hohen maximalen Durchfluss zuzulassen, um einen möglichst geringen Motorgegendruck bei hohen Drehzahlen des Motors sicherzustellen. Würde nun eine solche Turbine ohne die Trimmeinrichtung 20 verwendet, ergäben sich ein schlechtes Ansprechverhalten und ein geringes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen. Die geschlossene Trimmeinrichtung 20 sorgt nun bei geringeren Drehzahlen und beim Beschleunigen für eine geänderte Durchflusscharakteristik der Turbine 10, so dass genug Turbinenleistung und somit ein größeres Drehmoment auch bei niedrigen Drehzahlen und ein schnelleres Ansprechverhalten bereitsteht.
Eine zweite Möglichkeit besteht darin, auf ein höheres Drehmoment im niedrigen Drehzahlbereich und ein schnelleres Ansprechverhalten abzuzielen. In diesem Fall wird die Turbine 10 so ausgelegt, dass der Motorgegendruck bei hohen Drehzahlen einen maximalen Grenzwert nicht überschreitet. Auch hier sorgt die geschlossene Trimmeinrichtung 20 für eine höhere Turbinenleistung bei geringem Durchfluss und somit für ein höheres Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen sowie ein besseres Ansprechverhalten des Motors. Dadurch, dass die Trimmeinrichtung 20 bei höheren Drehzahlen öffnet, kann die Turbine 10 hohe Leistungen bereitstellen bei einem geringeren Motorgegendruck und deshalb geringeren Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu einer normalen Turbine ohne Trimmeinrichtung 20, die für eine geringe Durchflusskapazität ausgelegt wurde, um höhere Drehmomente bei geringen Drehzahlen und ein besseres Ansprechverhalten bereitzustellen.
4 und 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Turbine 10 mit einer variablen Turbinengeometrie. Die variable Turbinengeometrie ist im dargestellten Beispiel über eine Kartusche 900 mit einem Lagerring 910, an dem eine Mehrzahl an verstellbaren Schaufeln 920 drehbar gelagert sind, und einem Verstellring 930 zum Verstellen der Schaufeln 920 realisiert, wobei die Kartusche 900 radial um das Turbinenrad 200 im Bereich der Anströmkanten der Turbinenradschaufeln 210 angeordnet ist. Wenn die Trimmeinrichtung 20 in Kombination mit einer variablen Turbinengeometrie kombiniert wird, ist es möglich die widersprüchlichen Leistungsanforderungen an eine Turbine 10 zu erfüllen. So kann der Wirkungsgrad der Turbine 10 bei geringen Durchflussraten und somit geringer Öffnung der Schaufeln 920 erhöht werden, ohne die maximale Durchflusskapazität der Turbine 10 zu beschränken. Außerdem kann auch der minimal notwendige Durchfluss durch die Turbine 10 bei komplett geschlossenen Schaufeln 920 mit Hilfe der Trimmeinrichtung 20 gesenkt werden, ohne die Turbinenleistung bei hohem Durchfluss zu beeinträchtigen. Es ist bekannt, dass die Effizient einer Turbine mit variabler Turbinengeometrie (VTG) sehr stark von der Stellung der Schaufeln der VTG abhängt, wobei die maximale Effizienz einer VTG-Turbine ungefähr zwischen 50% und 80% des maximal möglichen Durchflusses liegt. Bei Durchflussraten von über 80% oder unter 50% sinkt der Wirkungsgrad der Turbine mit dem Öffnen bzw. Schließen der Schaufeln sehr schnell. So liegt der Wirkungsgrad bei 100% geöffneten Schaufeln (also 100% des möglichen Durchflusses) oder bei minimal geöffneten Schaufeln (also minimalem Durchfluss) 20% bis 30% unter der höchsten Turbineneffizienz. Der Grund dafür ist, dass die Ausrichtung der Schaufeln sich ändert, um dem benötigten Durchfluss Rechnung zu tragen. Dadurch wird die Flusskinematik an den Anströmkanten der Turbinenradschaufeln negativ verändert. Im mittleren Öffnungsbereich der Schaufeln entspricht die Flusskinematik der Turbinenradgeometrie und die sogenannten Eintrittsverluste sind geringer und somit die Effizient der Turbine höher. Wenn man sich in Richtung komplett offenen oder geschlossenen Schaufeln bewegt, entspricht die Flusskinematik nicht mehr der Turbinenradgeometrie, was die erwähnten Eintrittsverluste und somit eine signifikante Reduzierung der Effizienz der Turbine mit sich bringt. Die erfindungsgemäße Trimmeinrichtung 20 ermöglicht es nun den Wirkungsgrad der VTG-Turbinen im niedrigen Drehzahlbereich und bei geringer Öffnung der Schaufeln zu erhöhen und gleichzeitig einen hohen maximalen Durchfluss beizubehalten. Um dies zu realisieren, ist die Trimmeinrichtung 20 bei niedrigem Durchfluss durch die Turbine 10 geschlossen, wodurch der Querschnitt am Turbinenradauslass 120 verringert wird. Das heißt, die Trimmeinrichtung 20 ist ungefähr von einer minimalen Öffnung der Schaufeln der VTG bis zu 30% bis 50% der maximalen Öffnung, insbesondere ungefähr 40% der maximalen Öffnung geschlossen. Dadurch wird die Durchflusskapazität der VTG-Turbine mit Trimmeinrichtung 20 gegenüber einer normalen VTG-Turbine reduziert. Um nun die Durchflusskapazität einer normalen VTG-Turbine (ohne Trimmeinrichtung 20) zu erhalten, müssen die Schaufeln weiter geöffnet werden. Dies wiederrum bedeutet, dass die Schaufeln 920 ungefähr oder zumindest in der Nähe der mittleren Position sind, in dem die Eintrittsverluste geringer und der Wirkungsgrad der Turbine höher ist. Außerdem kann der minimal notwendige Durchfluss durch die Turbine 10 bei komplett geschlossenen Schaufeln 210 mit Hilfe der Trimmeinrichtung 20 gesenkt werden, ohne die Turbinenleistung bei hohem Durchfluss zu beeinträchtigen. Wenn nun ein höherer Durchfluss benötigt wird, öffnet die Trimmeinrichtung 20 mit Hilfe des Aktuators 500 und die Turbine verhält sich wie eine normale VTG-Turbine ohne Trimmeinrichtung 20.
Zum Betätigen der Trimmeinrichtung 20 aller hierin mit Bezug auf die 1 bis 5 beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Turbine 10 ist außerdem ein Aktuator 500 und eine Koppeleinrichtung 600 zum Verbinden des Aktuators 500 mit dem Schaft 320 vorgesehen (siehe 1, 3, 4 und 5). Der Aktuator 500 kann zum Beispiel außen an einem Verdichtergehäuse oder einem Lagergehäuse (nicht gezeigt) befestigt sein. Die Koppeleinrichtung 600 umfasst eine Koppelstange 610 und einen Hebel 620, wobei die Koppelstange 610 an einem ersten Ende mit dem Aktuator 500 gekoppelt ist und an einem zweiten Ende mit einem ersten Ende des Hebels 620 gekoppelt ist. Der Hebel 620 ist an einem zweiten Ende mit dem Schaft 320 gekoppelt. Der Hebel 620 ist mit dem Schaft 320 an einem Ende des Schafts 320 gekoppelt, das außerhalb des Turbinengehäuses 100 angeordnet ist. Der Schaft 320 überträgt somit eine lineare Bewegung des Aktuators 500, die über die Koppelstange 610 und den Hebel 620 als Drehbewegung an den Schaft 320 weitergegeben wird, von außerhalb des Turbinengehäuses 100 in eine Schwenkbewegung des Trimmrings 310 innerhalb des Turbinengehäuses 100.
Eine Steuerung des Aktuators 500 kann ausgelegt sein, den Aktuator 500 und somit die Trimmeinrichtung 20 zu betätigen, wodurch der Querschnitt des Turbinenradauslasses 120 verändert wird, zumindest teilweise basierend auf einer oder mehreren Regelgrößen ausgewählt aus einer Drehzahl eines nachgelagerten Motors, einem Drehmoment eines nachgelagerten Motors, einer Drehzahl der Turbine 10, einer Drehzahl eines Verdichters, einem Volumenstrom durch die Turbine 10, einem Druckverhältnis in der Turbine 10, der Position eines Wastegates für die Turbine, der Position einer variablen Turbinengeometrie der Turbine und/oder einem Massenstrom durch eine Abgasrückführung.
Die vorangehend mit Bezug auf eine Turbine 10 beschriebene Trimmeinrichtung 20 kann auch auf vorteilhafte Weise mit einem Verdichter 40 gekoppelt werden. Zur Veranschaulichung dieser analogen Anwendung, werden in der folgenden Beschreibung mit Bezug auf 6 und 7 für analog verwendbare Komponenten der Trimmeinrichtung 20 die Bezugszeichen beibehalten. Die Erfindung umfasst somit auch einen Verdichter 40 für eine Aufladevorrichtung. Der Verdichter umfasst ein Verdichtergehäuse 700, das einen Verdichtereinlass 720 definiert, und ein Verdichterrad 800 mit einer Mehrzahl an Verdichterradschaufeln 810. Das Verdichterrad 800 ist in dem Verdichtergehäuse 700 angeordnet. Der Verdichter 40 umfasst außerdem eine entsprechende Trimmeinrichtung 20 zum Verändern des Querschnitts des Verdichtereinlasses 720, wobei die Trimmeinrichtung 20 wiederum die Trimmanordnung 300 mit dem Trimmring 310 und dem Schaft 320 umfasst. Dadurch, dass der Querschnitt des Verdichtereinlasses 720 variabel veränderbar ist, kann dieser entsprechend des jeweiligen Betriebsbereichs des Verdichters 40 angepasst werden. Somit kann insgesamt ein breiteres Verdichterkennfeld mit einem einzigen Verdichter 40 genutzt werden, da die Pumpgrenze des Verdichters 40 im Verdichterkennfeld weiter nach links, also in Richtung eines geringeren Volumenstroms, verschoben werden kann. Dadurch wird die Pumpstabilität des Verdichters 40 in bedeutendem Maße verbessert. Diese Vorteile werden dadurch erreicht, dass eine Verkleinerung des Querschnitts des Verdichtereinlasses 720 zu einer optimalen Anströmung der Schaufeleintrittskanten der Verdichterradschaufeln 810 führt. Außerdem kann eine homogenere Einströmung erzeugt werden, da durch die Verengung des Querschnitts eine Ablösung der Strömung im Bereich der Nabe des Verdichterrads 810 verringert oder vermieden werden kann. Insgesamt führt die Trimmeinrichtung 20, die eine variable Gestaltung des Querschnitts des Verdichtereinlasses 720 ermöglicht, zu einer Wirkungsgradsteigerung des Verdichters 40, insbesondere bei niedrigen Motordrehzahlen, was sich wiederum positiv auf den Kraftstoffverbrauch und den Drehmomentaufbau im niedrigen Drehzahlbereich sowie das Ansprechverhalten für einen nachgelagerten Verbrennungsmotor auswirkt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass diese positiven Effekte erreicht werden können, ohne die Leistung des Motors bei hohen Drehzahlen (und damit die maximale Nennleistung des Motors) zu beeinträchtigen.
Entsprechend der Anwendung für die Turbine 10, verändert die Trimmeinrichtung 20 bei der Verwendung mit dem Verdichter 40 die Größe des Querschnitts des Verdichtereinlasses 720 variabel. Der Durchmesser (und entsprechend die Größe des Querschnitts) des Verdichtereinlasses 720 kann also mit Hilfe der Trimmeinrichtung 20 von einem ersten, kleineren Durchmesser d1 bei geschlossener Trimmeinrichtung 20 zu einem zweiten, größeren Durchmesser d4 (siehe 6) bei geöffneter Trimmeinrichtung 20 geändert werden. Wenn die Trimmeinrichtung 20 offen ist, dann entspricht die Durchflusscharakteristik des Verdichters 40 die eines entsprechenden Verdichters ohne Trimmeinrichtung 20. Das heißt, im offenen Zustand beeinflusst die Trimmeinrichtung 20 die Durchflusseigenschaften des Verdichters 40 nicht. Im geschlossenen Zustand der Trimmeinrichtung 20 ist die Größe des Querschnitts und somit der effektiv verfügbare Durchflussquerschnitt im Bereich vor den Eintrittskanten 812 der Schaufeln 810 des Verdichterrads 800 verringert, da der Durchmesser d1 kleiner ist als der Durchmesser d4.
Wie in 6 zu erkennen, ist in einem geschlossenen Zustand der Trimmeinrichtung 20 eine radiale Seitenfläche 312 des Trimmrings 310 von Eintrittskanten 812 der Verdichterradschaufeln 810 beabstandet angeordnet. Der Abstand zwischen der radialen Seitenfläche 312 und den Eintrittskanten 812 kann zum Beispiel zwischen 2 mm und 8 mm liegen, insbesondere zwischen 3 mm und 5 mm liegen. Der Abstand ist dabei von dem Verdichterraddurchmesser, dem Verdichterradtrimm und dem Verdichterradtyp abhängig und kann entsprechend angepasst und optimiert werden.
Analog zur Anwendung in einer Turbine 10 ist der Schaft 320 der Trimmanordnung 300 an einem Seitenbereich mit dem Trimmring 310 gekoppelt sein, so dass eine Drehung des Schafts 320 ein Schwenken des Trimmrings 310 verursacht. Durch ein Drehen des Schafts (320) wird der Trimmring 310 also von der geschlossenen Stellung, mit kleinem Einlassquerschnitt des Verdichters 40, in eine offene Stellung, mit großem Einlassquerschnitt des Verdichters 40, geschwenkt. Dabei wird der Schaft 320 um ungefähr 90° gedreht, um den Trimmring 310 von der geschlossenen Stellung in die offene Stellung zu bringen. In einer geschlossenen Stellung der Trimmeinrichtung 20 liegt der Trimmring 310 an einer radialen Ringfläche 740 des Verdichtergehäuses 700 auf.
Wie in 6 dargestellt, ist ein innerer Durchmesser d1 des Trimmrings 310 kleiner als ein innerer Durchmesser d4 des Verdichtergehäuses 700 im Bereich vor den Eintrittskanten 812 der Verdichterradschaufeln 810. Ein äußerer Durchmesser d2 des Trimmrings 310 ist gleich groß oder größer als der innere Durchmesser d4 des Verdichtergehäuses 700 im Bereich vor den Eintrittskanten 812 der Verdichterradschaufeln 810.
Ebenfalls analog zur Anwendung in einer Turbine 10 kann die Trimmanordnung 300 ein integrales Bauteil sein, das den Trimmring 310 und den Schaft 320 beinhaltet. Alternativ können der Trimmring 310 und der Schaft 320 zwei separate Bauteile sein, die miteinander gekoppelt sind. Wie in 7 zu erkennen, ist ein Teil des Schafts 320 in einer Bohrung 730 des Verdichtergehäuses 700 angeordnet und erstreckt sich durch diese Bohrung 730 hindurch. Der Schaft 320 ist in der Bohrung 730 drehbar gelagert. Zwischen Schaft 320 und den Wänden der Bohrung 730 kann wiederum außerdem eine Lagerbuchse vorgesehen sein (nicht dargestellt).
Für die Betätigung der Trimmeinrichtung 20 in Kombination mit einem Verdichter 40 ist wiederum ein Aktuator 500 und eine Koppeleinrichtung 600 zum Verbinden des Aktuators 500 mit dem Schaft 320 vorgesehen (siehe 7). Der Aktuator 500 kann zum Beispiel außen am Verdichtergehäuse 700 oder einem Lagergehäuse oder einem Turbinengehäuse befestigt sein. Die Koppeleinrichtung 600 umfasst wiederum eine Koppelstange 610 und einen Hebel 620, wobei die Koppelstange 610 an ihrem ersten Ende mit dem Aktuator 500 gekoppelt ist und an ihrem zweiten Ende mit einem ersten Ende des Hebels 620 gekoppelt ist. Der Hebel 620 ist an einem zweiten Ende mit dem Schaft 320 gekoppelt. Der Hebel 620 ist mit dem Schaft 320 an dem Ende des Schafts 320 gekoppelt, das außerhalb des Verdichtergehäuses 700 angeordnet ist. Der Schaft 320 überträgt somit eine lineare Bewegung des Aktuators 500, die über die Koppelstange 610 und den Hebel 620 als Drehbewegung an den Schaft 320 weitergegeben wird, von außerhalb des Verdichtergehäuses 700 in eine Schwenkbewegung des Trimmrings 310 innerhalb des Verdichtergehäuses 700.
Auch bei der Verwendung der Trimmeinrichtung 20 in Kombination mit einem Verdichter 40 kann eine Steuerung des Aktuators 500 ausgelegt sein, den Aktuator 500 und somit die Trimmeinrichtung 20 zu betätigen, wodurch der Querschnitt des Verdichtereinlasses 720 verändert wird, zumindest teilweise basierend auf einer oder mehreren Regelgrößen ausgewählt aus einer Drehzahl eines nachgelagerten Motors, einem Drehmoment eines nachgelagerten Motors, einer Drehzahl des Verdichters 40, einem Volumenstrom durch den Verdichter 40, einem Druckverhältnis im Verdichter 40, der Position eines Wastegates für eine Abgasturbine, der Position einer variablen Turbinengeometrie einer Abgasturbine und/oder einem Massenstrom durch eine Abgasrückführung.
Die Erfindung umfasst außerdem eine Aufladevorrichtung mit einer Turbine 10, 30 gemäß irgendeiner der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen und/oder einem Verdichter 40 gemäß irgendeiner der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen. Die Aufladevorrichtung kann zum Beispiel ein Abgasturbolader sein. Der Abgasturbolader kann zum Beispiel auch ein elektrisch unterstützter Abgasturbolader sein und dann zusätzlich einen Elektromotor umfassen. Alternativ kann die Aufladevorrichtung keine Turbine und nur einen erfindungsgemäßen Verdichter 40 umfassen, wobei die Aufladevorrichtung einen Elektromotor aufweist und der Verdichter 40 rein elektrisch angetrieben wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung oben beschrieben wurde und in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, sollte verstanden werden, dass die Erfindung alternativ auch entsprechend der folgenden Ausführungsformen definiert werden kann:

1. Turbine (10) für eine Aufladevorrichtung mit einem Turbinengehäuse (100), das einen Turbinenradauslass (120) definiert; einem Turbinenrad (200) mit einer Mehrzahl an Turbinenradschaufeln (210), wobei das Turbinenrad (200) in dem Turbinengehäuse (100) angeordnet ist; gekennzeichnet durch eine Trimmeinrichtung (20) zum Verändern des Querschnitts des Turbinenradauslasses (120) in einem Bereich von Austrittskanten (212) der Turbinenradschaufeln (210).
2. Turbine gemäß Ausführungsform 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trimmeinrichtung (20) die Größe des Querschnitts des Turbinenradauslasses (120) variabel verändern kann.
3. Turbine gemäß Ausführungsform 1 oder Ausführungsform 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trimmeinrichtung (20) eine Trimmanordnung (300) mit einem Trimmring (310) und einem Schaft (320) umfasst.
4. Turbine gemäß Ausführungsform 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (320) an einem Seitenbereich mit dem Trimmring (310) gekoppelt ist, so dass eine Drehung des Schafts (320) ein Schwenken des Trimmrings (310) verursacht.
5. Turbine gemäß Ausführungsform 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (320) um ungefähr 90° gedreht wird, um den Trimmring (310) von einer geschlossenen Stellung in eine offene Stellung zu bringen.
6. Turbine gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trimmanordnung (300) ein integrales Bauteil ist, das den Trimmring (310) und den Schaft (320) beinhaltet; oder dadurch gekennzeichnet, dass der Trimmring (310) und der Schaft (320) zwei separate Bauteile sind, die miteinander gekoppelt sind.
7. Turbine gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Schafts (320) in einer Bohrung (130) des Turbinengehäuses (100) angeordnet ist und sich durch diese Bohrung (130) hindurch erstreckt, insbesondere wobei der Schaft (320) drehbar in der Bohrung (130) gelagert ist.
8. Turbine gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass außerdem ein Aktuator (500) zum Betätigen der Trimmeinrichtung (20) und eine Koppeleinrichtung (600) zum Verbinden des Aktuators (500) mit dem Schaft (320) vorgesehen sind.
9. Turbine gemäß Ausführungsform 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinrichtung (600) eine Koppelstange (610) und einen Hebel (620) umfasst, wobei die Koppelstange (610) an einem ersten Ende mit dem Aktuator (500) gekoppelt ist und an einem zweiten Ende mit einem ersten Ende des Hebels (620) gekoppelt ist, und wobei der Hebel (620) an einem zweiten Ende mit dem Schaft (320) gekoppelt ist.
10. Turbine gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Trimmring (310) in einer geschlossenen Stellung der Trimmeinrichtung (20) an einer radialen Ringfläche (140) des Turbinengehäuses (100) aufliegt.
11. Turbine gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein innerer Durchmesser (d1) des Trimmrings (310) kleiner ist als ein innerer Durchmesser (d3) des Turbinengehäuses (100) im Bereich der Austrittskanten (212) der Turbinenradschaufeln (210) und ein äußerer Durchmesser (d2) des Trimmrings (310) gleich groß oder größer ist als der innere Durchmesser (d3) des Turbinengehäuses (100) im Bereich der Austrittskanten (212) der Turbinenradschaufeln (210).
12. Turbine gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontur einer radialen Seitenfläche (312) des Trimmrings (310) an die Kontur der Austrittskanten (212) der Turbinenradschaufeln (210) angepasst ist.
13. Turbine gemäß irgendeiner der vorangehenden Ausführungsformen, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine eine feste Turbinengeometrie aufweist.
14. Turbine gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine eine variable Turbinengeometrie aufweist.
15. Turbine gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung des Aktuators (500) ausgelegt ist, den Aktuator (500) und somit die Trimmeinrichtung (20) zu betätigen, wodurch der Querschnitt des Turbinenradauslasses (120) verändert wird, zumindest teilweise basierend auf einer oder mehreren Regelgrößen ausgewählt aus einer Drehzahl eines nachgelagerten Motors, einem Drehmoment eines nachgelagerten Motors, einer Drehzahl der Turbine (10), einer Drehzahl eines Verdichters, einem Volumenstrom durch die Turbine (10), einem Druckverhältnis in der Turbine (10), der Position eines Wastegates für die Turbine, der Position einer variablen Turbinengeometrie der Turbine und/oder einem Massenstrom durch eine Abgasrückführung.
16. Verdichter (40) für eine Aufladevorrichtung mit einem Verdichtergehäuse (700), das einen Verdichtereinlass (720) definiert; einem Verdichterrad (800) mit einer Mehrzahl an Verdichterradschaufeln (810), wobei das Verdichterrad (800) in dem Verdichtergehäuse (700) angeordnet ist; gekennzeichnet durch eine Trimmeinrichtung (20) zum Verändern des Querschnitts des Verdichtereinlasses (720), wobei die Trimmeinrichtung (20) eine Trimmanordnung (300) mit einem Trimmring (310) und einem Schaft (320) umfasst.
17. Verdichter gemäß Ausführungsform 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Trimmeinrichtung (20) die Größe des Querschnitts des Verdichtereinlasses (720) variabel verändern kann.
18. Verdichter gemäß Ausführungsform 16 oder Ausführungsform 17, dadurch gekennzeichnet, dass in einem geschlossenen Zustand der Trimmeinrichtung (20) eine radiale Seitenfläche (312) des Trimmrings (310) von Eintrittskanten (812) der Verdichterradschaufeln (810) beabstandet angeordnet ist.
19. Verdichter gemäß Ausführungsform 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der radialen Seitenfläche (312) und den Eintrittskanten (812) zwischen 2 mm und 8 mm liegt, insbesondere zwischen 3 mm und 5mm liegt.
20. Verdichter gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (320) an einem Seitenbereich mit dem Trimmring (310) gekoppelt ist, so dass eine Drehung des Schafts (320) ein Schwenken des Trimmrings (310) verursacht.
21. Verdichter gemäß Ausführungsform 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (320) um ungefähr 90° gedreht wird, um den Trimmring (310) von einer geschlossenen Stellung in eine offene Stellung zu bringen.
22. Verdichter gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Trimmanordnung (300) ein integrales Bauteil ist, das den Trimmring (310) und den Schaft (320) beinhaltet; oder dadurch gekennzeichnet, dass der Trimmring (310) und der Schaft (320) zwei separate Bauteile sind, die miteinander gekoppelt sind.
23. Verdichter gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Schafts (320) in einer Bohrung (730) des Verdichtergehäuses (700) angeordnet ist und sich durch diese Bohrung (730) hindurch erstreckt, insbesondere wobei der Schaft (320) drehbar in der Bohrung (730) gelagert ist.
24. Verdichter gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass außerdem ein Aktuator (500) zum Betätigen der Trimmeinrichtung (20) und eine Koppeleinrichtung (600) zum Verbinden des Aktuators (500) mit dem Schaft (320) vorgesehen sind.
25. Verdichter gemäß Ausführungsform 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinrichtung (600) eine Koppelstange (610) und einen Hebel (620) umfasst, wobei die Koppelstange (610) an einem ersten Ende mit dem Aktuator (500) gekoppelt ist und an einem zweiten Ende mit einem ersten Ende des Hebels (620) gekoppelt ist, und wobei der Hebel (620) an einem zweiten Ende mit dem Schaft (320) gekoppelt ist.
26. Verdichter gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Trimmring (310) in einer geschlossenen Stellung der Trimmeinrichtung (20) an einer radialen Ringfläche (740) des Verdichtergehäuses (700) aufliegt.
27. Verdichter gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein innerer Durchmesser (d1) des Trimmrings (310) kleiner ist als ein innerer Durchmesser (d4) des Verdichtergehäuses (700) im Bereich vor den Eintrittskanten (812) der Verdichterradschaufeln (810) und ein äußerer Durchmesser (d2) des Trimmrings (310) gleich groß oder größer ist als der innere Durchmesser (d4) des Verdichtergehäuses (700) im Bereich vor den Eintrittskanten (812) der Verdichterradschaufeln (810).
28. Verdichter gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung des Aktuators (500) ausgelegt ist, den Aktuator (500) und somit die Trimmeinrichtung (20) zu betätigen, wodurch der Querschnitt des Verdichtereinlasses (720) verändert wird, zumindest teilweise basierend auf einer oder mehreren Regelgrößen ausgewählt aus einer Drehzahl eines nachgelagerten Motors, einem Drehmoment eines nachgelagerten Motors, einer Drehzahl des Verdichters (40), einem Volumenstrom durch den Verdichter (40), einem Druckverhältnis im Verdichter (40), der Position eines Wastegates für eine Abgasturbine, der Position einer variablen Turbinengeometrie einer Abgasturbine und/oder einem Massenstrom durch eine Abgasrückführung.
29. Aufladevorrichtung mit einer Turbine (10; 30) gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 1 bis 15 und/oder einem Verdichter (40) gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 16 bis 28.
30. Aufladevorrichtung gemäß Ausführungsform 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladevorrichtung ein Abgasturbolader ist.
31. Aufladevorrichtung gemäß Ausführungsform 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader ein elektrisch unterstützter Abgasturbolader ist und einen Elektromotor umfasst.
32. Aufladevorrichtung gemäß Ausführungsform 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladevorrichtung einen Elektromotor und keine Turbine umfasst und der Verdichter (30) rein elektrisch angetrieben wird.

Claims

Turbine (10) für eine Aufladevorrichtung mit einem Turbinengehäuse (100), das einen Turbinenradauslass (120) definiert; einem Turbinenrad (200) mit einer Mehrzahl an Turbinenradschaufeln (210), wobei das Turbinenrad (200) in dem Turbinengehäuse (100) angeordnet ist; gekennzeichnet durch eine Trimmeinrichtung (20) zum Verändern des Querschnitts des Turbinenradauslasses (120) in einem Bereich von Austrittskanten (212) der Turbinenradschaufeln (210).
Turbine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trimmeinrichtung (20) eine Trimmanordnung (300) mit einem Trimmring (310) und einem Schaft (320) umfasst.
Turbine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (320) an einem Seitenbereich mit dem Trimmring (310) gekoppelt ist, so dass eine Drehung des Schafts (320) ein Schwenken des Trimmrings (310) verursacht.
Turbine gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (320) um ungefähr 90° gedreht wird, um den Trimmring (310) von einer geschlossenen Stellung in eine offene Stellung zu bringen.
Turbine gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Schafts (320) in einer Bohrung (130) des Turbinengehäuses (100) angeordnet ist und sich durch diese Bohrung (130) hindurch erstreckt, insbesondere wobei der Schaft (320) drehbar in der Bohrung (130) gelagert ist.
Turbine gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass außerdem ein Aktuator (500) zum Betätigen der Trimmeinrichtung (20) und eine Koppeleinrichtung (600) zum Verbinden des Aktuators (500) mit dem Schaft (320) vorgesehen sind.
Turbine gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinrichtung (600) eine Koppelstange (610) und einen Hebel (620) umfasst, wobei die Koppelstange (610) an einem ersten Ende mit dem Aktuator (500) gekoppelt ist und an einem zweiten Ende mit einem ersten Ende des Hebels (620) gekoppelt ist, und wobei der Hebel (620) an einem zweiten Ende mit dem Schaft (320) gekoppelt ist.
Turbine gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein innerer Durchmesser (d1) des Trimmrings (310) kleiner ist als ein innerer Durchmesser (d3) des Turbinengehäuses (100) im Bereich der Austrittskanten (212) der Turbinenradschaufeln (210) und ein äußerer Durchmesser (d2) des Trimmrings (310) gleich groß oder größer ist als der innere Durchmesser (d3) des Turbinengehäuses (100) im Bereich der Austrittskanten (212) der Turbinenradschaufeln (210).
Turbine gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontur einer radialen Seitenfläche (312) des Trimmrings (310) an die Kontur der Austrittskanten (212) der Turbinenradschaufeln (210) angepasst ist.
Turbine gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine eine feste Turbinengeometrie aufweist; oder dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine eine variable Turbinengeometrie aufweist.
Turbine gemäß irgendeinem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung des Aktuators (500) ausgelegt ist, den Aktuator (500) und somit die Trimmeinrichtung (20) zu betätigen, wodurch der Querschnitt des Turbinenradauslasses (120) verändert wird, zumindest teilweise basierend auf einer oder mehreren Regelgrößen ausgewählt aus einer Drehzahl eines nachgelagerten Motors, einem Drehmoment eines nachgelagerten Motors, einer Drehzahl der Turbine (10), einer Drehzahl eines Verdichters, einem Volumenstrom durch die Turbine (10), einem Druckverhältnis in der Turbine (10), der Position eines Wastegates für die Turbine, der Position einer variablen Turbinengeometrie der Turbine und/oder einem Massenstrom durch eine Abgasrückführung.
Verdichter (40) für eine Aufladevorrichtung mit einem Verdichtergehäuse (700), das einen Verdichtereinlass (720) definiert; einem Verdichterrad (800) mit einer Mehrzahl an Verdichterradschaufeln (810), wobei das Verdichterrad (800) in dem Verdichtergehäuse (700) angeordnet ist; gekennzeichnet durch eine Trimmeinrichtung (20) zum Verändern des Querschnitts des Verdichtereinlasses (720), wobei die Trimmeinrichtung (20) eine Trimmanordnung (300) mit einem Trimmring (310) und einem Schaft (320) umfasst.
Verdichter gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einem geschlossenen Zustand der Trimmeinrichtung (20) eine radiale Seitenfläche (312) des Trimmrings (310) von Eintrittskanten (812) der Verdichterradschaufeln (810) beabstandet angeordnet ist; insbesondere wobei der Abstand zwischen der radialen Seitenfläche (312) und den Eintrittskanten (812) zwischen 2 mm und 8 mm liegt, insbesondere zwischen 3 mm und 5mm liegt.
Verdichter gemäß Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (320) an einem Seitenbereich mit dem Trimmring (310) gekoppelt ist, so dass eine Drehung des Schafts (320) ein Schwenken des Trimmrings (310) verursacht; insbesondere wobei der Schaft (320) um ungefähr 90° gedreht wird, um den Trimmring (310) von einer geschlossenen Stellung in eine offene Stellung zu bringen.
Aufladevorrichtung mit einer Turbine (10; 30) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11 und/oder einem Verdichter (40) gemäß irgendeinem der Ansprüche 12 bis 14.