WO2008125554A1 - Turbocharger and method for controlling the pressure of the turbocharger - Google Patents

Turbocharger and method for controlling the pressure of the turbocharger Download PDF

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WO2008125554A1
WO2008125554A1 PCT/EP2008/054240 EP2008054240W WO2008125554A1 WO 2008125554 A1 WO2008125554 A1 WO 2008125554A1 EP 2008054240 W EP2008054240 W EP 2008054240W WO 2008125554 A1 WO2008125554 A1 WO 2008125554A1
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WO
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turbine
guide vanes
pressure
gaseous medium
turbocharger
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/054240
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German (de)
French (fr)
Inventor
Frank Atzler
Schahier El-Garrahi
Roy Haworth
Francis Heyes
Achim Koch
Original Assignee
Napier Turbochargers Limited
Continental Automotive Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10Final actuators
    • F01D17/12Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/02Gas passages between engine outlet and pump drive, e.g. reservoirs
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B39/00Component parts, details, or accessories relating to, driven charging or scavenging pumps, not provided for in groups F02B33/00 - F02B37/00
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    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a turbocharger or turbocharger, wherein the turbocharger can be used for example in passenger car engines or truck engines, and a method for controlling the boost pressure of the turbocharger.
  • the boost pressure is, if necessary, limited by having your blow-off valve, i.
  • a bypass or a waste gate partially bypasses the hot exhaust gas at the turbine and thus reduces the power of the turbine.
  • the turbine is designed small, so that it works well well below the rated operating point of the engine.
  • opening the blow-off valve directly results in turbine power loss and eventually pressure drop. Therefore, for example, a pressure cell is provided, which is acted upon directly by the boost pressure and is adjusted by an intermediate control valve (timing valve) of an electronic control unit. This allows the boost pressure to be regulated to a specified setpoint.
  • variable turbine geometry with which the Aufstau the turbine continuously changes and thus each of the entire exhaust gas energy can be used.
  • variable turbine geometry the effective flow area of the turbine is varied so that the optimum inflow can be achieved for each operating point.
  • movable guide vanes are used, which are arranged between the turbine wheel and the volute, more precisely around the turbine wheel.
  • the vanes are moved to provide the necessary to gain energy from the exhaust gas.
  • the cross section of the exhaust gas flow from the turbine wheel is changed by the guide vanes and, depending on the system, also the inflow angle.
  • the exhaust gas energy in the turbine wheel is better utilized and generated in the episode on the compressor side, a higher boost pressure.
  • the position of the vanes is adapted to the respective operating point.
  • the flow cross-section and / or the inlet angle of the turbine is changed in order to control the energy supplied to the turbine and the required boost pressure.
  • the desired boost pressure is achieved with a more favorable turbine pressure ratio, the consumption of the engine may be reduced.
  • the maximum throughput of the turbine is revealed at high centripetal fraction of the velocity vector of the flow.
  • levers are used, for example, which are actuated via an adjusting ring housed in the turbine housing. This in turn can be driven by various pneumatic or electric actuators, for example by means of vacuum boxes and timing valves.
  • variable turbine geometry over the turbocharger with bypass is that the turbine efficiency is improved over a wide flow range, as always the full exhaust stream can be routed through the turbine and used for power conversion.
  • the turbine cross section can be varied by the movable guide vanes, according to a predetermined operating point.
  • Another object of the present invention is to provide an exhaust gas turbocharger, with a simplified structure for controlling the boost pressure. Another object of the invention is to provide an efficient method of controlling boost pressure.
  • a turbocharger is provided with a turbine disposed in a turbine housing, comprising:
  • Supply lines which are arranged in the turbine housing and / or the guide vanes, that the gaseous medium can be introduced at a predetermined pressure via the supply lines into respective spaces between the guide vanes, to regulate a boost pressure.
  • a method for controlling the boost pressure of a turbocharger comprising the steps of:
  • the effective flow cross section of the turbine can be increased or decreased, thereby controlling the boost pressure, wherein the guide vanes can be designed to be stationary.
  • the supply lines are at least preferably arranged substantially over the entire circumference of the turbine housing or at least in a portion thereof. This has the advantage that the pressurized gaseous medium can be introduced into the interstices over a large area and thereby the effective flow cross section of the turbine can be easily varied.
  • the supply lines are preferably arranged substantially perpendicular to the flow direction of the exhaust gas and / or at another suitable angle in order to introduce the gaseous medium into the intermediate space between the guide vanes.
  • the angle of attack of the supply lines is chosen so that the boost pressure can be controlled properly.
  • the supply lines need not all be aligned in the same direction, but may also have different orientations and positions, provided that the effective flow cross-section of the turbine can be suitably varied and the boost pressure can be adapted to a predetermined operating point.
  • the supply lines are designed in the form of tubes, in order thereby to introduce, for example, the gaseous medium in a particularly targeted manner into the intermediate spaces of the guide vanes.
  • the diameter of the tubes is adapted for example so that all have the same flow over the diameter and the length.
  • the tubes may also have a different flow, depending on the function and intended use of the tubes in the control of the boost pressure or depending on, for example, their position and angle of attack.
  • two or more groups of tubes can be formed.
  • the tubes need not have the same length and the same diameter, but may have different dimensions, depending on the function and intended use.
  • the tubes can be arranged in a wall of the turbine housing and / or the guide vanes.
  • the tubes may be formed as separate parts, which are inserted into corresponding openings of the turbine housing or the guide vanes.
  • the tubes may also be molded to the turbine housing or vanes.
  • openings or channels are provided as supply lines, for example, by holes in the turbine housing and / or the guide vanes are mounted. This has the advantage that such holes are easy to produce.
  • the supply lines are connected via at least one supply line to the device for providing the gaseous medium.
  • This supply line can be attached as a separate line, for example, to the turbine housing or the turbine housing can be formed with such a feed line.
  • the plurality of supply lines can be supplied very easily with the required gaseous medium become.
  • more than one supply line can also be provided, depending on where, for example, the individual supply lines are arranged.
  • the device for providing the gaseous medium is at least one pressure vessel and / or a pressure pump.
  • the gaseous medium for example compressed air, can also be provided via the compressor. Both alternatives provide a simple way to provide the gaseous medium.
  • the pressure of the gaseous medium is adjusted, for example via a pressure control valve. This has the advantage that the pressure can be very easily and inexpensively regulated for the supply lines.
  • the guide vanes are preferably arranged around the turbine wheel in such a way that the guide vanes each form a gap which is suitable for high throughputs. This has the advantage that, for example, at correspondingly high rotational speeds, the stationary guide vanes form an optimum flow cross-section of the turbine, so that no or substantially no gaseous medium has to be supplied in order to regulate the effective flow cross-section.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a first embodiment of the exhaust gas turbocharger according to the invention
  • FIG. 2 shows a detail of the exhaust gas turbocharger according to the second embodiment of the invention
  • Fig. 3 shows a detail of an exhaust gas turbocharger according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 1 a first embodiment of an exhaust gas turbocharger according to the invention is shown.
  • the illustration in Fig. 1 serves to explain the principle of the invention and is greatly simplified and not to scale.
  • the exhaust gas turbocharger has, for example, a radial turbine 10 and a compressor (not shown).
  • a compressor wheel is rotatably mounted and connected to a turbo shaft 12.
  • the turbo shaft 12 is also rotatably disposed and connected at its other end to a turbine wheel 14.
  • Hot exhaust gas 18 is thereby introduced from an internal combustion engine (not shown) via a turbine inlet 16 on the turbine housing or volute 17 into the turbine 10, wherein the turbine wheel 14 is rotated.
  • the exhaust stream 18 exits the turbine 10 through a turbine outlet.
  • the turbine wheel 14 is connected to the compressor wheel and thus drives the compressor.
  • air is sucked in through an air inlet and compressed and fed through the air outlet of the internal combustion engine.
  • variable turbine geometry VTG in which the guide vanes are designed to be movable, are according to the invention around the turbine wheel 14 fixed or rigid
  • the guide vanes 20 can be arranged in such a way that a flow cross-section is respectively formed between the guide vanes 20, which is preferably suitable for high engine speeds. Particularly preferably, the guide vanes 20 can be arranged such that a maximum flow cross-section is achieved between the guide vanes 20, which is tuned to the exhaust gas stream 18.
  • the present invention is not limited to this arrangement of the guide vanes 20, but the arrangement can be varied as desired, depending on the function and purpose, the vanes 20 can also form in areas around the turbine wheel 114 spaces 23 with different lent flow cross sections, depending on the function and purpose.
  • a fluid contraction or constriction is generated by a gaseous medium 24, such as compressed air , In each case in the intermediate space 23 and flow cross section between the guide vanes 20 is introduced or injected.
  • the turbocharger according to the invention with radial turbine 10 has for this purpose at least at least a portion of its circumference leads 26 in the form of tube 28, via which the compressed air between the guide vanes 20 is introduced or flowed.
  • the tubes 28 are preferably arranged on the circumference such that at least one tube 28 is assigned to a gap 23 of two guide vanes 20 in order to introduce the compressed air into this intermediate space 23, as shown in FIG. 1. In principle, however, it is also conceivable to assign more than one tube 28 to a gap 23. Thus, for example, two tubes 28 could also be assigned to a gap 23, which introduces compressed air into the intermediate space 23 from the same or a different angle and / or position in order in this way to vary the effective flow cross section.
  • the tubes 28 are arranged substantially completely circumferentially on the turbine housing 17 or a side wall.
  • the compressed air is preferably introduced perpendicular to the flow direction of the exhaust gas 18.
  • the tubes 28 can be arranged in this case, for example in the radial direction to the turbine wheel 14, in order to introduce the compressed air into the intermediate spaces 23 of the guide vanes 20.
  • the tubes 28 are preferably comparable to a heat-resistant material, for example, the turbine wheel 14, the guide vanes 20 or the turbine housing 17.
  • the tubes 28 may also be formed on the turbine housing 17 or each form a separate part.
  • the tubes 28 can also be arranged at any other angle to the flow direction of the exhaust gas 18, as shown by the dashed tube 28 in FIG. 1.
  • the tubes 28 are preferably arranged so that the compressed air can be suitably introduced into the interspaces 23 of the guide vanes 20 in order to vary the effective flow cross-section.
  • the tubes 28 are connected, for example, to a compressed air supply line 30.
  • the compressed air supply line 30 can be supplied with compressed air, for example, via a compressed air tank and / or fed with air from the compressor side or via another suitable source.
  • the aforementioned sources for providing compressed air are merely exemplary and their list is not exhaustive.
  • the effective flow area between the vanes 20 may be varied as follows, ie, increased or decreased. This is done on the one hand by the regulation of the pressure with which the compressed air in the respective space 23 of the guide vanes 20 is introduced and on the other hand, depending on the position of the tube 28 and the angle (with respect to the flow direction of the exhaust gas 18) under which the compressed air into the interstices 23 is initiated. As a result, the inflow velocity and the inflow angle at the turbine wheel inlet can be changed accordingly or the effective flow cross section can be varied in order to be adapted to a desired operating point.
  • At least one compressed air valve (not shown) can be used to regulate the pressure of the compressed air.
  • compressed air can be introduced via the tubes 28 into the intermediate spaces 23 of the guide vanes 20, for example, under a corresponding pressure in order to increase the boost pressure and to adapt it to a desired operating point.
  • the pressure of the compressed air is chosen such that a sufficient narrowing of the effective flow cross section of the intermediate space 23 or a contraction of the exhaust gas 18 is achieved in order to be adapted to the respective desired operating point.
  • the pressure of the compressed air can be reduced accordingly.
  • little or substantially no compressed air can be introduced into the intermediate spaces 23 of the guide vanes 20 when a correspondingly high engine speed is reached and the charge pressure should not rise any further.
  • the desired charge pressure is ensured by means of the respective flow cross-section, which is formed by the correspondingly arranged rigid guide vanes 20.
  • the boost pressure can be easily varied, similar to the movable vanes of the variable turbine Housing VTG according to the prior art.
  • the great advantage of the invention is that it can dispense with the very complicated and expensive mechanism for moving the vanes.
  • a second embodiment of the invention of the turbocharger differs from the first embodiment essentially in that no tubes 28 are used in the second embodiment, but the compressed air simply via correspondingly arranged holes 32, the openings or channels 22 in the side wall of the radial turbine 14th form, is introduced into the spaces 23 of the vanes 20. Otherwise, the embodiments of the first embodiment are to be applied according to the second embodiment.
  • the incoming exhaust gas 18 is shown schematically with arrows and correspondingly the compressed air, which is introduced via the bores 32 into the intermediate spaces 23 of the guide vanes 20.
  • the illustration in FIG. 2 is also greatly simplified and not to scale.
  • the bores 32 may also be disposed at another suitable location in a side wall of the turbine housing 17, provided that the flow area of the respective gap 23 may be suitably varied to adjust a boost pressure to a desired operating point.
  • the supply line 30 for supplying the compressed air can be fastened to the turbine housing 17 as a separate supply line 30 and compressed air can be introduced via the tubes 28 in the wall of the turbine housing 17. According to the representation in FIG. 2, however, it is also conceivable that the supply line 30 is formed on the turbine housing 17.
  • a third embodiment of the turbocharger according to the invention differs from the first and second embodiment essentially in that the supply lines 26 through which the compressed air is introduced into the respective intermediate spaces 23 of the guide vanes 20, are arranged in the guide vanes 20 itself. Otherwise, the comments on the first and second embodiments apply mutatis mutandis to the third embodiment.
  • the representation, in particular of the guide vanes 20 and the openings 22 are also greatly simplified in Fig. 3 and not shown to scale.
  • the illustration serves merely to explain the principle according to the invention.
  • the guide vanes 20 are hollow-drilled or each have at least one opening or channel 22 and are supplied with compressed air via a compressed air source (not shown), the compressed air being controlled by at least one pressure regulating valve (not shown).
  • the compressed air can be obtained via a pressure vessel, a pressure pump and / or via the compressor side or via another suitable compressed air source.
  • the hollow-bored guide vanes 20 are connected to the compressed air source via at least one compressed air supply line (not shown).
  • the exit of the openings 22 for the compressed air in the vanes 20 is selected so that the compressed air can be suitably introduced into the space 23 between the ladder blades 20 to vary the effective flow area of the turbine 10 to achieve a predetermined boost pressure.
  • more than one opening 22 can also be arranged in the conductor blade 20, wherein the openings 22 can be arranged on one side, as shown in FIG. 3, or on both sides of the conductor blade 20 (not illustrated).
  • the invention has the advantage that essentially the entire exhaust gas stream 18 can be used. Furthermore, the introduction of a pressurized gaseous medium, such as compressed air, whose pressure can be varied, allows the effective flow area between the vanes 20 to be varied very easily, with the vanes 20 being rigid and not variable Turbine housing VTG according to the prior art on a complicated, expensive and expensive mechanism must be designed to be movable.
  • a pressurized gaseous medium such as compressed air
  • turbocharger according to the invention Due to the significantly lower production costs of the turbocharger according to the invention, it is particularly suitable for passenger cars in economic terms. At the same time, the turbocharger according to the invention achieves the same advantages as the previous turbocharger with variable turbine housing VTG, since the entire exhaust gas flow can be used and a suitable boost pressure can be provided over a large rotational speed range.
  • openings 26 both openings or channels 22 or tubes 28 in the periphery or the side wall of the turbine housing 17 can be provided, or openings or Channels 22 or tubes 28 in the vanes 20.
  • the amount of gaseous medium, i. the compressed air, in addition to tune so that the catalyst is not affected by the resulting air / exhaust gas mixture and at the same time a suitable boost pressure can be set.

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Abstract

The invention relates to a turbocharger comprising a turbine that is arranged in a turbine housing. Said turbocharger comprises stationary guide blades that are disposed about the periphery of the turbine wheel of the turbine. Said turbocharger also comprises a device for distributing a pressurised gaseous medium, the pressure of said gaseous medium being varied by means of at least one pressure control device. Said turbocharger further comprises supply lines that are arranged in the turbine housing and/or the guide blades such that the gaseous medium can guided at a predetermined pressure through the supply lines in the respective intermediate chambers between the guide blades, in order to control the charge pressure.

Description

Beschreibungdescription
Turbolader und Verfahren zum Regeln des Ladedrucks des TurboladersTurbocharger and method for controlling turbocharger boost pressure
Die Erfindung betrifft einen Turbolader bzw. Abgasturbolader, wobei der Turbolader beispielsweise bei PKW-Motoren oder LKW- Motoren eingesetzt werden kann, und ein Verfahren zur Regelung des Ladedrucks des Turboladers.The invention relates to a turbocharger or turbocharger, wherein the turbocharger can be used for example in passenger car engines or truck engines, and a method for controlling the boost pressure of the turbocharger.
Bei herkömmlichen Turboladern wird der Ladedruck, wenn notwendig, dadurch begrenzt, dass mit deinem Abblasventil, d.h. einem Bypass bzw. einem Waste-Gate das heiße Abgas zum Teil an der Turbine vorbeigeführt und damit die Leistung der Tur- bine reduziert wird. Dafür wird die Turbine klein ausgelegt, so dass sie schon weit unterhalb des Nennarbeitspunktes des Motors gut arbeitet. Im Nennarbeitspunkt führt das Öffnen des Abblasventils unmittelbar zu einem Leistungsverlust der Turbine und schließlich zum Druckabfall. Daher wird beispiels- weise eine Druckdose vorgesehen, die direkt von dem Ladedruck beaufschlagt wird und durch ein zwischengeschaltetes Regelventil (Taktventil) von einem elektronischen Steuergerät eingestellt wird. Dadurch kann der Ladedruck auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt werden.In conventional turbochargers, the boost pressure is, if necessary, limited by having your blow-off valve, i. A bypass or a waste gate partially bypasses the hot exhaust gas at the turbine and thus reduces the power of the turbine. For this, the turbine is designed small, so that it works well well below the rated operating point of the engine. At the nominal operating point, opening the blow-off valve directly results in turbine power loss and eventually pressure drop. Therefore, for example, a pressure cell is provided, which is acted upon directly by the boost pressure and is adjusted by an intermediate control valve (timing valve) of an electronic control unit. This allows the boost pressure to be regulated to a specified setpoint.
Eine energetisch günstigere Regelung ermöglicht die so genannte variable Turbinengeometrie (VTG) , mit der das Aufstauverhalten der Turbine kontinuierlich verändert und damit jeweils die gesamte Abgasenergie genutzt werden kann. Bei der variablen Turbinengeometrie wird der effektive Strömungsquerschnitt der Turbine variiert, so dass für jeden Betriebspunkt die optimale Einströmung erzielt werden kann. Dabei werden bewegliche Leitschaufeln verwendet, die zwischen dem Turbinenrad und dem Spiralgehäuse angeordnet werden, genauer ge- sagt um das Turbinenrad herum.An energetically more favorable control allows the so-called variable turbine geometry (VTG), with which the Aufstauverhalten the turbine continuously changes and thus each of the entire exhaust gas energy can be used. With the variable turbine geometry, the effective flow area of the turbine is varied so that the optimum inflow can be achieved for each operating point. In this case, movable guide vanes are used, which are arranged between the turbine wheel and the volute, more precisely around the turbine wheel.
Während der Fahrzeugbeschleunigung aus niedrigen Motordrehzahlen werden die Leitschaufeln bewegt, um die notwendige E- nergie aus dem Abgas zu gewinnen. Dabei wird der Querschnitt des Abgasstromes von dem Turbinenrad durch die Leitschaufeln verändert und, je nach System, auch der Einströmwinkel. Dadurch wird die Abgasenergie im Turbinenrad besser ausgenutzt und in der Folge auf der Verdichterseite ein höherer Ladedruck erzeugt.During vehicle acceleration from low engine speeds, the vanes are moved to provide the necessary to gain energy from the exhaust gas. In this case, the cross section of the exhaust gas flow from the turbine wheel is changed by the guide vanes and, depending on the system, also the inflow angle. As a result, the exhaust gas energy in the turbine wheel is better utilized and generated in the episode on the compressor side, a higher boost pressure.
Mit zunehmender Motordrehzahl wird die Stellung der Leitschaufeln an den jeweiligen Betriebspunkt angepasst. Dabei wird der Strömungsquerschnitt und/oder der Einströmwinkel der Turbine verändert, um die der Turbine zugeführte Energie zu steuern und den benötigten Ladedruck. Der gewünschte Ladedruck wird dabei mit einem günstigeren Turbinendruckverhältnis erreicht, der Verbrauch des Motors wird möglicherweise verringert. In einer voll geöffneten Position der Leitschaufeln erschließt sich der maximale Durchsatz der Turbine bei hohem zentripetalem Anteil des Geschwindigkeitsvektors der Strömung.With increasing engine speed, the position of the vanes is adapted to the respective operating point. In this case, the flow cross-section and / or the inlet angle of the turbine is changed in order to control the energy supplied to the turbine and the required boost pressure. The desired boost pressure is achieved with a more favorable turbine pressure ratio, the consumption of the engine may be reduced. In a fully open position of the vanes, the maximum throughput of the turbine is revealed at high centripetal fraction of the velocity vector of the flow.
Zur Ansteuerung der Leitschaufeln werden beispielsweise Hebel verwendet, die über einen im Turbinengehäuse untergebrachten Verstellring angesteuert werden. Dieser wiederum kann über verschiedene pneumatische oder elektrische Steller angetrieben werden, beispielsweise mittels Unterdruckdosen und Takt- ventilen.For controlling the guide vanes, levers are used, for example, which are actuated via an adjusting ring housed in the turbine housing. This in turn can be driven by various pneumatic or electric actuators, for example by means of vacuum boxes and timing valves.
Der Vorteil der variablen Turbinengeometrie gegenüber dem Turbolader mit Bypass besteht darin, dass der Turbinenwirkungsgrad über einen weiten Durchsatzbereich verbessert ist, da immer der volle Abgasstrom über die Turbine geleitet und zur Leistungsumsetzung genutzt werden kann. Dabei kann der Turbinenquerschnitt durch die beweglichen Leitschaufeln variiert werden, gemäß einem vorbestimmten Betriebspunkt.The advantage of the variable turbine geometry over the turbocharger with bypass is that the turbine efficiency is improved over a wide flow range, as always the full exhaust stream can be routed through the turbine and used for power conversion. In this case, the turbine cross section can be varied by the movable guide vanes, according to a predetermined operating point.
Die Regelung des Ladedrucks mittels der beweglichen Leitschaufeln bei der variablen Turbinengeometrie hat jedoch den Nachteil, dass sie sehr aufwendig und teuer in der Herstellung ist. Die technische Komplexität und die damit verbünde- nen sehr hohen zusätzlichen Kosten resultieren darin, dass ein Einsatz von solchen Turboladern beispielsweise für die meisten Pkws mit Ottomotoren bisher nicht ökonomisch ist.However, the control of the boost pressure by means of the movable guide vanes in the variable turbine geometry has the disadvantage that it is very complicated and expensive to manufacture. The technical complexity and the associated NEN very high additional costs result in the fact that use of such turbochargers, for example, for most cars with gasoline engines is not yet economical.
Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abgasturbolader zu schaffen, mit einem vereinfachten Aufbau zum Regeln des Ladedrucks. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es ein effizientes Verfahren zum Regeln des Ladedrucks bereitzustellen.Accordingly, it is the object of the present invention to provide an exhaust gas turbocharger, with a simplified structure for controlling the boost pressure. Another object of the invention is to provide an efficient method of controlling boost pressure.
Diese Aufgabe wird durch einen Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 15.This object is achieved by a turbocharger having the features of patent claim 1 and a method according to claim 15.
Dem gemäß wird ein Turbolader bereitgestellt mit einer Turbine, die in einem Turbinengehäuse angeordnet ist, mit:Accordingly, a turbocharger is provided with a turbine disposed in a turbine housing, comprising:
Feststehenden Leitschaufeln, die um den Umfang des Turbinenrads der Turbine angeordnet sind; einer Einrichtung zum Bereitstellen eines unter Druck stehenden gasförmigen Mediums, wobei der Druck des gasförmigen Mediums über wenigstens eine Druckregeleinrichtung variierbar ist,Fixed vanes disposed about the circumference of the turbine wheel of the turbine; a device for providing a pressurized gaseous medium, wherein the pressure of the gaseous medium is variable via at least one pressure regulating device,
Zuleitungen die derart in dem Turbinengehäuse und/oder den Leitschaufeln angeordnet sind, dass das gasförmige Medium mit einem vorbestimmten Druck über die Zuleitungen in jeweilige Zwischenräume zwischen den Leitschaufeln eingeleitet werden kann, um einen Ladedruck zu regeln.Supply lines which are arranged in the turbine housing and / or the guide vanes, that the gaseous medium can be introduced at a predetermined pressure via the supply lines into respective spaces between the guide vanes, to regulate a boost pressure.
Außerdem wird ein Verfahren zum Regeln des Ladedrucks eines Turboladers bereitgestellt, mit den Schritten:In addition, a method is provided for controlling the boost pressure of a turbocharger, comprising the steps of:
Anordnen von feststehenden Leitschaufeln (20) innerhalb eines Turbinengehäuses (17), um den Umfang des Turbinenrads einer Turbine (14),Arranging fixed vanes (20) within a turbine housing (17) around the circumference of the turbine wheel of a turbine (14),
Einleiten von einem unter Druck stehenden gasförmigen Me- dium über Zuleitungen in dem Turbinengehäuse und/oder den Leitschaufeln (20) in die Zwischenräume (23) der Leitschaufeln (20), wobei der Druck des gasförmigen Mediums in Abhängigkeit von einem gewünschten Ladedruck eingestellt wird.Introduction of a pressurized gaseous medium into the intermediate spaces (23) of the guide vanes (20) via feed lines in the turbine housing and / or the guide vanes (20), wherein the pressure of the gaseous medium is adjusted in dependence on a desired boost pressure.
Durch das Einleiten bzw. Einspritzen eines gasförmigen Medi- ums in die Zwischenräume zwischen den Leitschaufeln kann der effektive Strömungsquerschnitt der Turbine vergrößert oder verkleinert werden und dadurch der Ladedruck geregelt werden, wobei die Leitschaufeln dabei feststehend ausgebildet werden können. Dies hat den Vorteil, dass auf bewegliche Leitschau- fein, wie sie bei dem aus dem Stand der Technik bekannten variablen Turbinengehäusen VTG verwendet werden, verzichtet werden kann und dadurch ganz erheblich Kosten eingespart werden können, so dass ein Einsatz des erfindungsgemäßen Turboladers nun insbesondere auch aus ökonomischer Sicht für PKWs mit Ottomotor geeignet ist.By introducing or injecting a gaseous medium into the intermediate spaces between the guide vanes, the effective flow cross section of the turbine can be increased or decreased, thereby controlling the boost pressure, wherein the guide vanes can be designed to be stationary. This has the advantage that it can be dispensed with movable Leitschau- fine, as used in the known from the prior art variable turbine housings VTG, and thereby very significant cost can be saved, so that use of the turbocharger according to the invention now in particular from an economic point of view is suitable for cars with gasoline engine.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Zuleitungen zumindest vorzugsweise im Wesentlichen über den gesamten Umfang des Turbinengehäuses angeordnet oder zumindest in einem Abschnitt davon. Dies hat den Vorteil, das über einen großen Bereich das unter Druck stehende gasförmige Medium in die Zwischenräume eingeleitet werden kann und dadurch der effektive Strömungsquerschnitt der Turbine leicht variiert werden kann .According to an advantageous embodiment, the supply lines are at least preferably arranged substantially over the entire circumference of the turbine housing or at least in a portion thereof. This has the advantage that the pressurized gaseous medium can be introduced into the interstices over a large area and thereby the effective flow cross section of the turbine can be easily varied.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Zuleitungen vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung des Abgases angeordnet und/oder in einem anderen geeigneten Winkel, um das gasförmige Medium in den Zwi- schenraum zwischen den Leitschaufeln einzuleiten. Der Anströmwinkel der Zuleitungen ist so gewählt, dass der Ladedruck geeignet geregelt werden kann. Die Zuleitungen müssen dabei nicht alle in der selben Richtung ausgerichtet sein, sondern können auch unterschiedliche Orientierungen und Posi- tionen aufweisen, sofern der effektive Strömungsquerschnitt der Turbine geeignet variiert werden kann und der Ladedruck an einen vorbestimmten Betriebspunkt angepasst werden kann. In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform sind die Zuleitungen in Form von Röhrchen ausgebildet, um dadurch beispielsweise das gasförmige Medium besonders gezielt in die Zwischenräume der Leitschaufeln einzuleiten. Der Durchmesser der Röhrchen ist dabei beispielsweise so angepasst, dass alle denselben Durchfluss über den Durchmesser und die Länge aufweisen. Grundsätzlich ist aber denkbar, dass die Röhrchen auch einen unterschiedlichen Durchfluss aufweisen können, je nach Funktion und Einsatzzweck der Röhrchen bei der Regelung des Ladedrucks bzw. abhängig beispielsweise von deren Position und Anströmwinkel. Dabei können beispielsweise zwei oder mehr Gruppen von Röhrchen gebildet werden. Grundsätzlich müssen die Röhren nicht dieselbe Länge und den selben Durchmesser aufweisen, sondern können hier unterschiedliche Abmessun- gen aufweisen, je nach Funktion und Einsatzzweck.In a further advantageous embodiment, the supply lines are preferably arranged substantially perpendicular to the flow direction of the exhaust gas and / or at another suitable angle in order to introduce the gaseous medium into the intermediate space between the guide vanes. The angle of attack of the supply lines is chosen so that the boost pressure can be controlled properly. The supply lines need not all be aligned in the same direction, but may also have different orientations and positions, provided that the effective flow cross-section of the turbine can be suitably varied and the boost pressure can be adapted to a predetermined operating point. In another advantageous embodiment, the supply lines are designed in the form of tubes, in order thereby to introduce, for example, the gaseous medium in a particularly targeted manner into the intermediate spaces of the guide vanes. The diameter of the tubes is adapted for example so that all have the same flow over the diameter and the length. In principle, however, it is conceivable that the tubes may also have a different flow, depending on the function and intended use of the tubes in the control of the boost pressure or depending on, for example, their position and angle of attack. In this case, for example, two or more groups of tubes can be formed. In principle, the tubes need not have the same length and the same diameter, but may have different dimensions, depending on the function and intended use.
Die Röhrchen können dabei in einer Wand des Turbinegehäuses und/oder den Leitschaufeln angeordnet sein. Dabei können die Röhrchen als separate Teile ausgebildet sein, die in entspre- chenden Öffnungen des Turbinengehäuses bzw. der Leitschaufeln eingeführt sind. Wahlweise können die Röhrchen auch an das Turbinengehäuse bzw. die Leitschaufeln angeformt sein.The tubes can be arranged in a wall of the turbine housing and / or the guide vanes. The tubes may be formed as separate parts, which are inserted into corresponding openings of the turbine housing or the guide vanes. Optionally, the tubes may also be molded to the turbine housing or vanes.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden statt der Röhrchen Öffnungen bzw. Kanäle als Zuleitungen vorgesehen, indem beispielsweise Bohrungen in dem Turbinengehäuse und/oder den Leitschaufeln angebracht werden. Dies hat den Vorteil, dass solche Bohrungen einfach herzustellen sind.In a further advantageous embodiment, instead of the tubes openings or channels are provided as supply lines, for example, by holes in the turbine housing and / or the guide vanes are mounted. This has the advantage that such holes are easy to produce.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung werden die Zuleitungen über wenigstens eine Zuführleitung mit der Einrichtung zum Bereitstellen des gasförmigen Mediums verbunden sind. Diese Zuführleitung kann dabei als separate Leitung beispielsweise an dem Turbinengehäuse befestigt werden oder das Turbinengehäuse mit einer solchen Zuführleitung ausgebildet werden. Entsprechendes gilt für die Zuleitungen in den Leitschaufeln. Dadurch können die Vielzahl von Zuleitungen sehr einfach mit dem benötigten gasförmigen Medium versorgt werden. Grundsätzlich kann aber auch mehr als eine Zuführleitung vorgesehen werden, je nachdem wo der wie beispielsweise die einzelnen Zuleitungen angeordnet sind.In another advantageous embodiment, the supply lines are connected via at least one supply line to the device for providing the gaseous medium. This supply line can be attached as a separate line, for example, to the turbine housing or the turbine housing can be formed with such a feed line. The same applies to the supply lines in the guide vanes. As a result, the plurality of supply lines can be supplied very easily with the required gaseous medium become. In principle, however, more than one supply line can also be provided, depending on where, for example, the individual supply lines are arranged.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Einrichtung zum Bereitstellen des gasförmigen Mediums wenigstens ein Druckbehälter und/oder eine Druckpumpe. Alternativ kann das gasförmige Medium, beispielsweise Druckluft, auch über den Verdichter bereitgestellt werden. Beide Alternativen stellen eine einfache Möglichkeit dar, um das gasförmige Medium bereitzustellen .In a further preferred embodiment, the device for providing the gaseous medium is at least one pressure vessel and / or a pressure pump. Alternatively, the gaseous medium, for example compressed air, can also be provided via the compressor. Both alternatives provide a simple way to provide the gaseous medium.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird der Druck des gasförmigen Mediums beispielsweise über ein Druckregel- ventil eingestellt. Dies hat den Vorteil, dass der Druck dadurch sehr einfach und kostengünstig für die Zuleitungen geregelt werden kann.In another preferred embodiment, the pressure of the gaseous medium is adjusted, for example via a pressure control valve. This has the advantage that the pressure can be very easily and inexpensively regulated for the supply lines.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Leit- schaufeln vorzugsweise derart um das Turbinenrad angeordnet, dass die Leitschaufeln jeweils einen Zwischenraum bilden, der für hohe Durchsätze geeignet ist. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise bei entsprechend hohen Drehzahlen, die feststehenden Leitschaufeln einen optimalen Strömungsquerschnitt der Turbine bilden, so dass kein oder im Wesentlichen kein gasförmiges Medium zugeführt werden muss, um den effektiven Strömungsquerschnitt zu regulieren.In a further preferred embodiment, the guide vanes are preferably arranged around the turbine wheel in such a way that the guide vanes each form a gap which is suitable for high throughputs. This has the advantage that, for example, at correspondingly high rotational speeds, the stationary guide vanes form an optimum flow cross-section of the turbine, so that no or substantially no gaseous medium has to be supplied in order to regulate the effective flow cross-section.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schemati- sehen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments shown in the schematic figures of the drawings. Show it:
Fig. 1 ein schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasturbola- ders;1 shows a schematic view of a first embodiment of the exhaust gas turbocharger according to the invention;
Fig. 2 ein Ausschnitt des Abgasturboladers gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 3 ein Ausschnitt eines Abgasturboladers gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform.2 shows a detail of the exhaust gas turbocharger according to the second embodiment of the invention; Fig. 3 shows a detail of an exhaust gas turbocharger according to a third embodiment of the invention.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen worden.In all figures, identical or functionally identical elements and devices have been provided with the same reference numerals, unless stated otherwise.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers gezeigt. Die Darstellung in Fig. 1 dient der Erläuterung des Prinzips der Erfindung und ist dabei stark vereinfacht und nicht maßstäblich.In Fig. 1, a first embodiment of an exhaust gas turbocharger according to the invention is shown. The illustration in Fig. 1 serves to explain the principle of the invention and is greatly simplified and not to scale.
Der erfindungsgemäße Abgasturbolader weist beispielsweise eine radiale Turbine 10 und einen Verdichter (nicht dargestellt) auf. Im Verdichter ist ein Verdichterrad drehbar angeordnet und mit einer Turbowelle 12 verbunden. Die Turbowelle 12 ist ebenfalls drehbar angeordnet und an ihrem anderen Ende mit einem Turbinenrad 14 verbunden. Heißes Abgas 18 wird dabei von einer Verbrennungskraftmaschine (nicht dargestellt) über einen Turbineneinlass 16 an dem Turbinengehäuse bzw. Spiralgehäuse (Volute) 17 in die Turbine 10 eingeführt, wobei das Turbinenrad 14 in Drehung versetzt wird. Der Abgasstrom 18 verlässt die Turbine 10 durch einen Turbinenauslass . Über die Turbowelle 12 ist das Turbinenrad 14 mit dem Verdichterrad verbunden und treibt damit den Verdichter an. In den Verdichter wird Luft durch einen Lufteinlass eingesaugt und verdichtet und über den Luftauslass der Verbrennungskraftmaschi- ne zugeführt.The exhaust gas turbocharger according to the invention has, for example, a radial turbine 10 and a compressor (not shown). In the compressor, a compressor wheel is rotatably mounted and connected to a turbo shaft 12. The turbo shaft 12 is also rotatably disposed and connected at its other end to a turbine wheel 14. Hot exhaust gas 18 is thereby introduced from an internal combustion engine (not shown) via a turbine inlet 16 on the turbine housing or volute 17 into the turbine 10, wherein the turbine wheel 14 is rotated. The exhaust stream 18 exits the turbine 10 through a turbine outlet. Via the turbo shaft 12, the turbine wheel 14 is connected to the compressor wheel and thus drives the compressor. In the compressor, air is sucked in through an air inlet and compressed and fed through the air outlet of the internal combustion engine.
Im Gegensatz zu der mit Bezug auf den Stand der Technik beschriebenen variablen Turbinengeometrie VTG, bei der die Leitschaufeln beweglich ausgebildet sind, werden gemäß der Erfindung um das Turbinenrad 14 feststehende bzw. starreIn contrast to the described with reference to the prior art variable turbine geometry VTG, in which the guide vanes are designed to be movable, are according to the invention around the turbine wheel 14 fixed or rigid
Leitschaufeln 20 angeordnet. Die Leitschaufeln 20 können dabei derart angeordnet werden, dass ein Strömungsquerschnitt jeweils zwischen den Leitschaufeln 20 gebildet wird, der vor- zugsweise für hohe Motordrehzahlen geeignet ist. Besonders bevorzugten können die Leitschaufeln 20 derart angeordnet werden, dass ein maximaler Strömungsquerschnitt zwischen den Leitschaufeln 20 erzielt wird, der auf den Abgasstrom 18 ab- gestimmt ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anordnung der Leitschaufeln 20 beschränkt, sondern die Anordnung kann beliebig variiert werden, je nach Funktion und Einsatzzweck, wobei die Leitschaufeln 20 dabei auch in Bereichen um das Turbinenrad 114 Zwischenräume 23 mit unterschied- liehen Strömungsquerschnitten bilden können, abhängig von der Funktion und dem Einsatzzweck.Guide vanes 20 arranged. The guide vanes 20 can be arranged in such a way that a flow cross-section is respectively formed between the guide vanes 20, which is preferably suitable for high engine speeds. Particularly preferably, the guide vanes 20 can be arranged such that a maximum flow cross-section is achieved between the guide vanes 20, which is tuned to the exhaust gas stream 18. However, the present invention is not limited to this arrangement of the guide vanes 20, but the arrangement can be varied as desired, depending on the function and purpose, the vanes 20 can also form in areas around the turbine wheel 114 spaces 23 with different lent flow cross sections, depending on the function and purpose.
Um das Aufstauverhalten der Turbine 10 bzw. den effektiven Strömungsquerschnitt der Turbine 10 zu verändern und dabei im Wesentlichen die gesamte Abgasenergie zu nutzen, wird gemäß der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform eine Fluid- Kontraktion bzw. Verengung erzeugt, indem ein gasförmiges Medium 24, wie beispielsweise Druckluft, jeweils in den Zwischenraum 23 bzw. Strömungsquerschnitt zwischen den Leit- schaufeln 20 eingeleitet bzw. eingespritzt wird.In order to change the Aufstauverhalten the turbine 10 and the effective flow cross-section of the turbine 10 and thereby to use substantially all of the exhaust gas energy, according to the first embodiment of the invention, a fluid contraction or constriction is generated by a gaseous medium 24, such as compressed air , In each case in the intermediate space 23 and flow cross section between the guide vanes 20 is introduced or injected.
Der erfindungsgemäß Turbolader mit radialer Turbine 10 weist hierzu zumindest an wenigstens einem Abschnitt seines Umfangs Zuleitungen 26 in Form von Röhrchen 28 auf, über die die Druckluft zwischen die Leitschaufeln 20 eingeleitet bzw. eingeströmt wird. Die Röhrchen 28 sind dabei vorzugsweise derart an dem Umfang angeordnet, dass dabei wenigstens ein Röhrchen 28 einem Zwischenraum 23 von zwei Leitschaufeln 20 zugeordnet ist, um die Druckluft in diesen Zwischenraum 23 einzuleiten, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, mehr als ein Röhrchen 28 einem Zwischenraum 23 zuzuordnen. So könnten beispielsweise auch zwei Röhrchen 28 einem Zwischenraum 23 zugeordnet sein, die aus demselben oder einem anderen Winkel und/oder Position Druckluft in den Zwischen- räum 23 einleiten, um auf diese Weise den effektiven Strömungsquerschnitt zu variieren. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Röhrchen 28 im Wesentlichen vollständig umlaufend am Turbinengehäuse 17 bzw. einer Seitenwand angeordnet. Die Druckluft wird dabei vorzugsweise senkrecht zu der Strömungsrichtung des Abgases 18 eingeleitet.The turbocharger according to the invention with radial turbine 10 has for this purpose at least at least a portion of its circumference leads 26 in the form of tube 28, via which the compressed air between the guide vanes 20 is introduced or flowed. The tubes 28 are preferably arranged on the circumference such that at least one tube 28 is assigned to a gap 23 of two guide vanes 20 in order to introduce the compressed air into this intermediate space 23, as shown in FIG. 1. In principle, however, it is also conceivable to assign more than one tube 28 to a gap 23. Thus, for example, two tubes 28 could also be assigned to a gap 23, which introduces compressed air into the intermediate space 23 from the same or a different angle and / or position in order in this way to vary the effective flow cross section. In a preferred embodiment, the tubes 28 are arranged substantially completely circumferentially on the turbine housing 17 or a side wall. The compressed air is preferably introduced perpendicular to the flow direction of the exhaust gas 18.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist können in der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform die Röhrchen 28 dabei, beispielsweise in radialer Richtung zu dem Turbinenrad 14 angeordnet sein, um die Druckluft in die Zwischenräume 23 der Leitschaufeln 20 einzuleiten. Die Röhrchen 28 sind dabei vorzugsweise aus einem hitzebeständigen Material vergleichbar beispielsweise dem Turbinenrad 14, den Leitschaufeln 20 oder dem Turbinengehäuse 17. Die Röhrchen 28 können dabei auch an dem Turbinengehäuse 17 angeformt sein oder jeweils ein separates Teil bilden.As shown in FIG. 1, in the first embodiment according to the invention, the tubes 28 can be arranged in this case, for example in the radial direction to the turbine wheel 14, in order to introduce the compressed air into the intermediate spaces 23 of the guide vanes 20. The tubes 28 are preferably comparable to a heat-resistant material, for example, the turbine wheel 14, the guide vanes 20 or the turbine housing 17. The tubes 28 may also be formed on the turbine housing 17 or each form a separate part.
Grundsätzlich können die Röhrchen 28 aber auch in jedem anderen Winkel zu der Strömungsrichtung des Abgases 18 angeordnet sein, wie anhand des gestrichelt eingezeichneten Röhrchens 28 in Fig. 1 gezeigt ist. Die Röhrchen 28 sind vorzugsweise so angeordnet, dass durch sie die Druckluft geeignet in die Zwischenräume 23 der Leitschaufeln 20 eingeführt werden kann, um den effektiven Strömungsquerschnitt zu variieren.In principle, however, the tubes 28 can also be arranged at any other angle to the flow direction of the exhaust gas 18, as shown by the dashed tube 28 in FIG. 1. The tubes 28 are preferably arranged so that the compressed air can be suitably introduced into the interspaces 23 of the guide vanes 20 in order to vary the effective flow cross-section.
Wie in Fig. 1 weiter gezeigt ist, sind die Röhrchen 28 beispielsweise mit einer Druckluft- Zuführleitung 30 verbunden. Die Druckluft- Zuführleitung 30 kann dabei mit Druckluft beispielsweise über einen Druckluftbehälter gespeister werden und/oder mit Luft von der Verdichterseite oder über eine an- dere geeignete Quelle gespeist werden. Die zuvor genannten Quellen zum Bereitstellen von Druckluft sind lediglich beispielhaft und ihre Aufzählung ist nicht abschließend.As further shown in FIG. 1, the tubes 28 are connected, for example, to a compressed air supply line 30. The compressed air supply line 30 can be supplied with compressed air, for example, via a compressed air tank and / or fed with air from the compressor side or via another suitable source. The aforementioned sources for providing compressed air are merely exemplary and their list is not exhaustive.
Der effektive Strömungsquerschnitt zwischen den Leitschaufeln 20 kann wie folgt variiert werden, d.h. vergrößert oder verkleinert werden. Dies geschieht einerseits durch die Regelung des Drucks mit der die Druckluft in den jeweiligen Zwischenraum 23 der Leitschaufeln 20 eingeführt wird und andererseits in Abhängigkeit von der Position der Röhrchen 28 und dem Winkel (bezüglich der Strömungsrichtung des Abgases 18) unter dem die Druckluft in die Zwischenräume 23 eingeleitet wird. Hierdurch kann entsprechend die Anströmgeschwindigkeit und der Anströmwinkel am Turbinenradeintritt verändert werden bzw. der effektive Strömungsquerschnitt variiert werden, um an einen gewünschten Be- triebspunkt angepasst zu werden.The effective flow area between the vanes 20 may be varied as follows, ie, increased or decreased. This is done on the one hand by the regulation of the pressure with which the compressed air in the respective space 23 of the guide vanes 20 is introduced and on the other hand, depending on the position of the tube 28 and the angle (with respect to the flow direction of the exhaust gas 18) under which the compressed air into the interstices 23 is initiated. As a result, the inflow velocity and the inflow angle at the turbine wheel inlet can be changed accordingly or the effective flow cross section can be varied in order to be adapted to a desired operating point.
Zum Regeln des Drucks der Druckluft kann dabei beispielsweise wenigstens ein Druckluftventil (nicht dargestellt) verwendet werden .For example, at least one compressed air valve (not shown) can be used to regulate the pressure of the compressed air.
Während der Fahrzeugbeschleunigung aus niedrigen Drehzahlen kann dabei Druckluft beispielsweise unter einem entsprechenden Druck über die Röhrchen 28 in die Zwischenräume 23 der Leitschaufeln 20 eingeleitet werden, um den Ladedruck zu er- höhen und an einen gewünschten Betriebspunkt anzupassen. Der Druck der Druckluft wird dabei derart gewählt, dass eine ausreichende Verengung des effektiven Strömungsquerschnitts des Zwischenraums 23 bzw. eine Kontraktion des Abgases 18 erzielt wird, um an den jeweiligen gewünschten Betriebspunkt ange- passt zu werden.During vehicle acceleration from low rotational speeds, compressed air can be introduced via the tubes 28 into the intermediate spaces 23 of the guide vanes 20, for example, under a corresponding pressure in order to increase the boost pressure and to adapt it to a desired operating point. The pressure of the compressed air is chosen such that a sufficient narrowing of the effective flow cross section of the intermediate space 23 or a contraction of the exhaust gas 18 is achieved in order to be adapted to the respective desired operating point.
Mit zunehmender Drehzahl kann der Druck der Druckluft entsprechend reduziert werden. Dabei kann beispielsweise wenig oder im Wesentlichen keine Druckluft in die Zwischenräume 23 der Leitschaufeln 20 eingeführt werden, wenn eine entsprechend hohe Motordrehzahl erreicht wird und der Ladedruck nicht weiter steigen soll. Der gewünschte Ladedruck wird hierbei dann mit Hilfe des jeweiligen Strömungsquerschnitts gewährleistet, der durch die entsprechend angeordneten star- ren Leitschaufeln 20 gebildet wird.With increasing speed, the pressure of the compressed air can be reduced accordingly. In this case, for example, little or substantially no compressed air can be introduced into the intermediate spaces 23 of the guide vanes 20 when a correspondingly high engine speed is reached and the charge pressure should not rise any further. In this case, the desired charge pressure is ensured by means of the respective flow cross-section, which is formed by the correspondingly arranged rigid guide vanes 20.
Hierdurch kann der Ladedruck leicht variiert werden, ähnlich wie bei den beweglichen Leitschaufeln des variablen Turbinen- gehäuse VTG gemäß dem Stand der Technik. Der große Vorteil der Erfindung ist es jedoch, dass auf den sehr komplizierten und teuren Mechanismus zum Bewegen der Leitschaufeln verzichtet werden kann.As a result, the boost pressure can be easily varied, similar to the movable vanes of the variable turbine Housing VTG according to the prior art. The great advantage of the invention, however, is that it can dispense with the very complicated and expensive mechanism for moving the vanes.
In dem Ausschnitt in Fig. 2 ist eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform des Turboladers gezeigt. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich dabei von der ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass in der zweiten Aus- führungsform keine Röhrchen 28 verwendet werden, sondern die Druckluft einfach über entsprechend angeordnete Bohrungen 32, die Öffnungen bzw. Kanäle 22 in der Seitenwand der radialen Turbine 14 bilden, in die Zwischenräume 23 der Leitschaufeln 20 eingeleitet wird. Ansonsten sind die Ausführungen zu der ersten Ausführungsform entsprechend auf die zweite Ausführungsform anzuwenden.In the section in Fig. 2, a second embodiment of the invention of the turbocharger is shown. The second embodiment differs from the first embodiment essentially in that no tubes 28 are used in the second embodiment, but the compressed air simply via correspondingly arranged holes 32, the openings or channels 22 in the side wall of the radial turbine 14th form, is introduced into the spaces 23 of the vanes 20. Otherwise, the embodiments of the first embodiment are to be applied according to the second embodiment.
In Fig. 2 ist schematisch mit Pfeilen das einströmende Abgas 18 dargestellt und entsprechend die Druckluft, die über die Bohrungen 32 in die Zwischenräume 23 der Leitschaufeln 20 eingeleitet wird. Die Darstellung in der Fig.2 ist dabei e- benfalls stark vereinfacht und nicht maßstäblich. So können die Bohrungen 32 auch an einer anderen geeigneten Stelle in einer Seitenwand des Turbinengehäuses 17 angeordnet werden, vorausgesetzt, der Strömungsquerschnitt des jeweiligen Zwischenraums 23 kann geeignet variiert werden, um einen Ladedruck an einen gewünschten Betriebspunkte anzupassen.In Fig. 2, the incoming exhaust gas 18 is shown schematically with arrows and correspondingly the compressed air, which is introduced via the bores 32 into the intermediate spaces 23 of the guide vanes 20. The illustration in FIG. 2 is also greatly simplified and not to scale. Thus, the bores 32 may also be disposed at another suitable location in a side wall of the turbine housing 17, provided that the flow area of the respective gap 23 may be suitably varied to adjust a boost pressure to a desired operating point.
Die Zuführleitung 30 zum Zuführen der Druckluft kann dabei wie in Fig. 1 gezeigt ist als separate Zuführleitung 30 an dem Turbinengehäuse 17 befestigt werden und Druckluft über die Röhrchen 28 in der Wand des Turbinengehäuses 17 eingeleitet werden. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 ist aber auch denkbar, dass die Zuführleitung 30 an dem Turbinengehäuse 17 ausgeformt wird.As shown in FIG. 1, the supply line 30 for supplying the compressed air can be fastened to the turbine housing 17 as a separate supply line 30 and compressed air can be introduced via the tubes 28 in the wall of the turbine housing 17. According to the representation in FIG. 2, however, it is also conceivable that the supply line 30 is formed on the turbine housing 17.
In Fig. 3 ist eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboladers dargestellt. Die dritte Ausführungsform un- terscheidet sich dabei von der ersten und zweiten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Zuleitungen 26 über die die Druckluft in die jeweiligen Zwischenräume 23 der Leitschaufeln 20 eingeleitet wird, in den Leitschaufeln 20 selbst angeordnet sind. Ansonsten gelten die Ausführungen zu der ersten und zweiten Ausführungsform entsprechend auch für die dritte Ausführungsform.In Fig. 3, a third embodiment of the turbocharger according to the invention is shown. The third embodiment differs from the first and second embodiment essentially in that the supply lines 26 through which the compressed air is introduced into the respective intermediate spaces 23 of the guide vanes 20, are arranged in the guide vanes 20 itself. Otherwise, the comments on the first and second embodiments apply mutatis mutandis to the third embodiment.
Die Darstellung insbesondere der Leitschaufeln 20 und der Öffnungen 22 sind dabei in Fig. 3 ebenfalls stark vereinfacht und nicht maßstäblich dargestellt. Die Darstellung dient lediglich dazu das erfindungsgemäße Prinzip zu erläutern. Die Leitschaufeln 20 sind hohlgebohrt bzw. weisen jeweils wenigstens eine Öffnung bzw. einen Kanal 22 auf und werden über ei- ne Druckluftquelle (nicht dargestellt) mit Druckluft versorgt, wobei die Druckluft über wenigstens ein Druckregelventil (nicht dargestellt) gesteuert wird. Die Druckluft kann wie in der ersten und zweiten Ausführungsform über einen Druckbehälter, eine Druckpumpe und/oder über die Verdichter- seite bezogen werden oder über eine andere geeignete Druck- luftquelle. Die hohlgebohrten Leitschaufeln 20 sind dabei mit der Druckluftquelle über wenigstens eine Druckluft- Zuführleitung (nicht dargestellt) verbunden.The representation, in particular of the guide vanes 20 and the openings 22 are also greatly simplified in Fig. 3 and not shown to scale. The illustration serves merely to explain the principle according to the invention. The guide vanes 20 are hollow-drilled or each have at least one opening or channel 22 and are supplied with compressed air via a compressed air source (not shown), the compressed air being controlled by at least one pressure regulating valve (not shown). As in the first and second embodiments, the compressed air can be obtained via a pressure vessel, a pressure pump and / or via the compressor side or via another suitable compressed air source. The hollow-bored guide vanes 20 are connected to the compressed air source via at least one compressed air supply line (not shown).
Der Austritt der Öffnungen 22 für die Druckluft in den Leitschaufeln 20 ist so gewählt, dass die Druckluft in den Zwischenraum 23 zwischen den Leiterschaufeln 20 geeignet eingeleitet werden kann, um den effektiven Strömungsquerschnitt der Turbine 10 zu variieren, um einen vorbestimmten Ladedruck zu erzielen. Grundsätzlich können auch mehr als eine Öffnung 22 in der Leiterschaufel 20 angeordnet sein, wobei die Öffnungen 22 auf einer Seite, wie in Fig.3 gezeigt ist, oder auf beiden Seiten der Leiterschaufel 20 (nicht dargestellt) angeordnet sein können.The exit of the openings 22 for the compressed air in the vanes 20 is selected so that the compressed air can be suitably introduced into the space 23 between the ladder blades 20 to vary the effective flow area of the turbine 10 to achieve a predetermined boost pressure. In principle, more than one opening 22 can also be arranged in the conductor blade 20, wherein the openings 22 can be arranged on one side, as shown in FIG. 3, or on both sides of the conductor blade 20 (not illustrated).
Die Erfindung, wie beispielhaft anhand der zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschrieben hat den Vorteil, dass im Wesentlichen der gesamte Abgasstrom 18 verwendet werden kann. Des Weiteren ermöglicht die Einleitung von einem unter Druck stehenden gasförmigen Medium, wie Druckluft, dessen Druck variiert werden kann, dass der effektive Strömungsquerschnitt zwischen den Leitschaufeln 20 sehr einfach variiert werden kann, wobei die Leitschaufeln 20 starr ausgebildet werden können und nicht wie bei dem Variablen Turbinengehäuse VTG gemäß dem Stand der Technik über einen komplizierten, aufwendigen und teueren Mechanismus beweglich gestaltet werden müssen .The invention, as described by way of example with reference to the previously described embodiments, has the advantage that essentially the entire exhaust gas stream 18 can be used. Furthermore, the introduction of a pressurized gaseous medium, such as compressed air, whose pressure can be varied, allows the effective flow area between the vanes 20 to be varied very easily, with the vanes 20 being rigid and not variable Turbine housing VTG according to the prior art on a complicated, expensive and expensive mechanism must be designed to be movable.
Aufgrund der deutlich niedrigeren Herstellungskosten des er- findungemäßen Turboladers, eignet sich dieser insbesondere auch unter ökonomischen Aspekten für Personenwagen. Gleichzeitig erzielt der erfindungsgemäße Turbolader dieselben Vor- teile wie die bisherigen Turbolader mit variablem Turbinengehäuse VTG, da der gesamte Abgasstrom verwendet werden kann und über einen großen Drehzahlbereich ein geeigneter Ladedruck bereitgestellt werden kann.Due to the significantly lower production costs of the turbocharger according to the invention, it is particularly suitable for passenger cars in economic terms. At the same time, the turbocharger according to the invention achieves the same advantages as the previous turbocharger with variable turbine housing VTG, since the entire exhaust gas flow can be used and a suitable boost pressure can be provided over a large rotational speed range.
Grundsätzlich ist auch eine Kombination der ersten, zweiten und/oder dritten Ausführungsform der Erfindung denkbar, bei dem als Zuleitungen 26 sowohl Öffnungen bzw. Kanäle 22 oder Röhrchen 28 im Umfang bzw. der Seitenwand des Turbinengehäuses 17 vorgesehen werden können, bzw. Öffnungen bzw. Kanäle 22 oder Röhrchen 28 in den Leitschaufeln 20.In principle, a combination of the first, second and / or third embodiment of the invention is conceivable in which as openings 26 both openings or channels 22 or tubes 28 in the periphery or the side wall of the turbine housing 17 can be provided, or openings or Channels 22 or tubes 28 in the vanes 20.
Bei Motoren mit Katalysatoren ist dabei die Menge des gasf- förmigen Mediums, d.h. der Druckluft, zusätzlich so abzustimmen, dass der Katalysator durch das entstehende Luft/Abgasgemisch nicht beeinträchtigt wird und gleichzeitig eine geeigneter Ladedruck eingestellt werden kann.For engines with catalysts, the amount of gaseous medium, i. the compressed air, in addition to tune so that the catalyst is not affected by the resulting air / exhaust gas mixture and at the same time a suitable boost pressure can be set.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar . Although the present invention has been described above with reference to the preferred embodiments, it is not limited thereto, but modified in many ways.

Claims

Patentansprüche claims
1. Turbolader mit einer Turbine (10), die in einem Turbinengehäuse (17) angeordnet ist, mit: a) Feststehenden Leitschaufeln (20), die um den Umfang des Turbinenrads (14) der Turbine angeordnet sind; b) einer Einrichtung zum Bereitstellen eines unter Druck stehenden gasförmigen Mediums, wobei der Druck des gasförmigen Mediums über wenigstens eine Druckregeleinrich- tung variierbar ist, c) Zuleitungen (26, 22, 28, 32) die derart in dem Turbinengehäuse (17) und/oder den Leitschaufeln (20) angeordnet sind, dass das gasförmige Medium mit einem vorbestimmten Druck über die Zuleitungen in jeweilige Zwischenräume (23) zwischen den Leitschaufeln (20) eingeleitet werden kann, um einen Ladedruck zu regeln.A turbocharger having a turbine (10) disposed in a turbine housing (17), comprising: a) fixed vanes (20) disposed about the circumference of the turbine wheel (14) of the turbine; b) a device for providing a pressurized gaseous medium, wherein the pressure of the gaseous medium can be varied via at least one pressure regulating device, c) supply lines (26, 22, 28, 32) which in the turbine housing (17) and / or or the guide vanes (20) are arranged so that the gaseous medium can be introduced at a predetermined pressure via the supply lines into respective intermediate spaces (23) between the guide vanes (20) in order to regulate a boost pressure.
2. Turbolader nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Zuleitungen (26) zumindest in einem Abschnitt des Umfangs des Turbinengehäuses (17) angeordnet sind, vorzugsweise im Wesentlichen über den gesamten Umfang des Turbinengehäuses (17) .2. A turbocharger according to claim 1, characterized in that the supply lines (26) are arranged at least in a portion of the circumference of the turbine housing (17), preferably substantially over the entire circumference of the turbine housing (17).
3. Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Zuleitungen (26) vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung des Abgases (18) angeordnet sind und/oder in einem anderen geeigneten Winkel, um das gas- förmige Medium in den Zwischenraum (23) zwischen den Leitschaufeln (20) einzuleiten zur Regelung des Ladedrucks, wobei die Zuleitungen (26) jeweils dieselbe Ausrichtung und/oder eine unterschiedliche Ausrichtung haben können.3. turbocharger according to claim 1 or 2, characterized in that the supply lines (26) are preferably arranged substantially perpendicular to the flow direction of the exhaust gas (18) and / or at another suitable angle to the gaseous medium in the intermediate space ( 23) between the guide vanes (20) to control the boost pressure, wherein the leads (26) may each have the same orientation and / or a different orientation.
4. Turbolader nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Zuleitungen (26) in Form von Röhrchen (28) ausgebildet sind, die in einer Wand des Turbinegehäuses (17) und/oder den Leitschaufeln (20) angeordnet sind und mit dem Turbinengehäuse (17) bzw. den Leitschaufeln (20) einteilig oder als separate Teile ausgebildet sind.4. turbocharger according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the supply lines (26) in the form of tubes (28) are formed in a wall of the turbine housing (17) and / or the guide vanes (20) are arranged and with the turbine housing (17) and the guide vanes (20) are formed integrally or as separate parts.
5. Turbolader nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Zuleitungen (26) in Form von Öffnungen bzw. Kanälen (22) in einer Wand des Turbinengehäuses (17) angeordnet sind.5. Turbocharger according to at least one of claims 1 to 4, d a d u c h e c e n e c e s in that the supply lines (26) in the form of openings or channels (22) in a wall of the turbine housing (17) are arranged.
6. Turbolader nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Zuleitungen (26) in Form von wenigstens einer Öffnung bzw. Kanal (22) in der jeweiligen Leitschaufel (20) ausgebildet sind.6. turbocharger according to at least one of claims 1 to 5, d a d e r c h e c e n e c e in that the supply lines (26) in the form of at least one opening or channel (22) in the respective guide vane (20) are formed.
7. Turbolader nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Zuleitungen (26) über wenigstens eine Zuführleitung (30) mit der Einrichtung zum Bereitstellen des gasförmigen Mediums verbunden sind.7. Turbocharger according to at least one of claims 1 to 6, d a d e r c h e c e n e c e in that the supply lines (26) via at least one feed line (30) are connected to the means for providing the gaseous medium.
8. Turbolader nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einrichtung zum Bereitstellen des gasförmigen Medi- ums wenigstens ein Druckbehälter und/oder eine Druckpumpe ist .8. The turbocharger according to claim 1, wherein the device for providing the gaseous medium is at least one pressure vessel and / or one pressure pump.
9. Turbolader nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als gasförmiges Medium beispielsweise Druckluft verwendet wird.9. Turbocharger according to at least one of claims 1 to 8, d a d e r c h e c e n e c e s in that, for example compressed air is used as the gaseous medium.
10. Turbolader nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als gasförmiges Medium Druckluft des Verdichters verwendet wird.10. Turbocharger according to at least one of claims 1 to 9, d a d u r c h e c e n e c e s in that there is used as the gaseous medium compressed air of the compressor.
11. Turbolader nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Druckregeleinrichtung ein Druckregelventil ist.11. Turbocharger according to at least one of claims 1 to 10, characterized in that the pressure regulating device is a pressure regulating valve.
12. Turbolader nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Leitschaufeln (20) vorzugsweise derart um das Turbinenrad (14) angeordnet sind, dass die Leitschaufeln jeweils einen Zwischenraum (23) bilden, der für hohe Drehzahlen geeignet ist.12. The turbocharger according to claim 1, wherein the guide vanes are preferably arranged around the turbine wheel in such a way that the guide vanes each form a gap, which is suitable for high rotational speeds.
13. Turbolader nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Turbine (10) eine Radialturbine oder eine Axialturbine ist.13. The turbocharger according to claim 1, wherein the turbine is a radial turbine or an axial turbine.
14. Brennkraftmaschine mit einem Turbolader gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13.14. Internal combustion engine with a turbocharger according to one of claims 1 to 13.
15. Verfahren zum Regeln des Ladedrucks eines Turboladers mit den Schritten: a) Anordnen von feststehenden Leitschaufeln (20) innerhalb eines Turbinengehäuses (17), um den Umfang des Turbinenrads einer Turbine (14), b) Einleiten von einem unter Druck stehenden gasförmigen Me- dium über Zuleitungen (26) in dem Turbinengehäuse (17) und/oder den Leitschaufeln (20) in die Zwischenräume (23) der Leitschaufeln (20), c) wobei der Druck des gasförmigen Mediums in Abhängigkeit von einem gewünschten Ladedruck eingestellt wird.A method of controlling turbocharger boost pressure comprising the steps of: a) placing fixed vanes (20) within a turbine housing (17) around the circumference of the turbine wheel of a turbine (14), b) introducing a pressurized gaseous Me - Dium via supply lines (26) in the turbine housing (17) and / or the guide vanes (20) in the intermediate spaces (23) of the guide vanes (20), c) wherein the pressure of the gaseous medium is set in dependence on a desired boost pressure.
16. Verfahren nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Druck des gasförmigen Mediums mit steigender Motordrehzahl abnimmt.16. The method of claim 15, wherein a pressure of the gaseous medium decreases with increasing engine speed.
17. Verfahren nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als gasförmiges Medium Druckluft in die Zwischenräume (23) zwischen die Leitschaufeln (20) eingeleitet wird. 17. The method according to claim 15, characterized that as a gaseous medium compressed air in the intermediate spaces (23) between the guide vanes (20) is introduced.
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