Ein solches Brennkraftmaschinen-Turbolader-System ist beispielsweise aus der DE 4330487 C1 bekannt. In dem ringdüsenförmigen, vom Strömungskanai ausgehenden und auf das Turbinenrad ausmündenden Bereich ist dort ein Leitapparat angeordnet, der ein variables, mit verstellbaren Leitschaufeln versehenes Leitgitter umfaßt, das unterschiedlich große, freie Strömungsquerschnitte ermöglicht und über das im Bremsbetrieb als Drossel der jeweils engste Strömungsquerschnitt im Abgasweg zur Turbine bestimmbar und in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine einstellbar ist. Mit einem solchen System lassen sich hohe Bremsieistungen erzielen, Schwierigkeiten bereitet es aber, diese Bremsleistungen bei geringer thermischer Belastung der Brennkraftmaschine zu realisieren und ein jeweils geeignetes Brennkraftmaschinen-Turbolader-System zu bestimmen.

Diesem Ziel dient die Erfindung, durch die Brennkraftmaschinen-Turbolader-Systeme geschaffen werden sollen, die für den Bremsbetrieb hohe Bremsieistungen bei relativ niedrigen thermischen Belastungen der Brennkraftmaschine ermöglichen sollen.

Erreicht wird dies bei Brennkraftmaschinen-Turbotader-Systemen durch eine Ausgestaltung gemäß den Merkmalen des Anspruches 1, durch die die Turbine in ihren Hauptparametern in Bezug auf das Gesamt-Hubvolumen der Brennkraftmaschine derart festgelegt ist, daß maximale Bremsleistungen enmöglicht werden, und zwar bei vergleichsweise geringer thermischer Belastung der Brennkraftmaschine.

Hierbei gilt die Beziehung <BR> <BR> <BR> <BR> TBF = AT x V T<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> VU wobei mit AT der bei maximaler Bremsleistung gegebene freie Strömungsquerschnitt im Abgasweg der Turbine bezeichnet ist, mit DT der Eintrittsdurchmesser des Turbinenrades (bei Radialturbinen, der geometrische Eintrittsdurchmesser ; bei Axialturbinen, der mittlere Strömungsdurchmesser der Auslegung) und mit VH das Hubvolumen der Brennkraftmaschine. TBF bildet einen Turbo-Brems-Faktor, der im Rahmen der Erfindung kleiner als 0,005 (5 %o) ist und der bevorzugt bei 0,001 bis 0,003 (1-3 % o) liegt.

Bezogen auf den Auslegungspunkt der maximalen Bremsieistung ist im Rahmen der Erfindung der bei maximaler Bremsleistung gegebene freie Strömungsquerschnitt im Abgasweg zur Turbine gebildet durch einen einen unteren Drehzahlbereich abdeckenden, als Restströmungsquerschnitt bei geschlossenem Leitgitter verbleibenden Querschnitt und einen variablen Strömungsquerschnittsanteil, der gegen den Auslegungspunkt maximaler Bremsleistung größer wird, wobei das Verhältnis des zusätzlichen, variabel gegen die maximale Bremsleistung anwachsenden Strömungsquerschnittes zu dem bei geschlossenem Leitgitter verbleibenden Restströmungsquerschnitt für den Auslegungspunkt maximaler Bremsleistung größer 0,2 ist, und bevorzugt im Bereich zwischen 0,2 und 1 liegt. Bei kleiner Verhättniszaht ist die Bremsleistung im unteren Drehzahlbereich verhältnismäßig klein und wächst im oberen Drehzahlbereich verhältnismäßig steil an, bei großer Verhältniszahl ergibt sich eine höhere Bremsleistung im unteren Drehzahlbereich mit einem, im Vergleich zur kleineren Verhältniszahl, flacheren Anstieg der Bremsleistung gegen den Punkt maximaler Bremsleistung als Auslegungspunkt. Bezogen auf das Drehzahlband des Motores beginnt der obere Drehzahlbereich, in dem ein zusätzlicher variabler Strömungsquerschnitt freigegeben ist, bei etwa 2/3 bis 3/4 der bei maximaler Bremsleistung gegebenen Drehzahl, wobei die Drehzahl, die bei maximaler Bremsleistung gegeben ist, in einem Bereich liegt, der um etwa 1/4 bis 1/3 größer als die Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine ist, also die Drehzahl bei maximaler Leistung der Brennkraftmaschine.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen.

Ferner wird die Erfindung nachfolgend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert, wobei Figur 1 einen Schnitt durch die Turbinenseite eines Turboladers zeigt, Figur 2 eine Schnittdarstellung gemäß Linie ll-ll in Figur 1, die insbesondere den mit verstellbaren Leitschaufeln versehenen Leitapparat der Turbine zeigt, Figur 3 eine im wesentlichen der Figur 1 entsprechende Schnittdarstellung durch einen Turbolader mit der Turbine zugeordnetem, zweiteiligem Leitapparat, und Figur 4 eine schematisierte Prinzipdarstellung zeigen, bei der der grundsätzliche Verlauf der Bremsleistung über der Motordrehzahl bei unterschiediichen Verhaltnissen von variablem, bei maximaler Bremsleistung zusätzlich freigegebenem Strömungsquerschnitt zu bei geschlossenem Leitgitter gegebenem Rest-Strömungsquerschnitt dargestellt ist.

In der schematischen Darstellung gemäß Figuren 1 und 2 ist mit 1 der Turbolader insgesamt bezeichnet, von dem aber nur die Turbine 2 und teilweise die in der Verbindung der Turbine 2 zum nicht dargestellten Verdichterteil liegende Antriebsverbindung 3 gezeigt sind. Auf der Verbindungswelle 4 sitzt das Turbinenrad 5 mit seinen Turbinenschaufeln 6, die radial mit Abgas beaufschlagt werden.

Über den Flansch 7 ist die Turbine mit der hier nur schematisch angedeuteten Brennkraftmaschine 8 verbunden, von der das Abgas dem Strömungskanal 9 der Turbine zugeleitet wird, aus dem es über eine radial verlaufende Ringdüse 10 auf die Turbinenradschaufeln 6 ausströmt. In dem Düsenkanal der Ringdüse 10 liegen, wie in Verbindung mit Figur 2 zeigt, die verstellbaren Leitschaufeln 11 eines Leitapparates 12, wobei die Verstellmechanik für die Schaufeln 11 in Figur 1 bei 13 angedeutet ist, hier aber nicht weiter eriäutert wird. Über die Verstellmechanik 13 können die Leitschaufeln 11, wie aus Figur 2 ersichtlich, aus einer geschlossenen Lage, in der sie in Umfangsrichtung aufeinander folgend mit Überdeckung zueinander liegen und den Querschnitt der Ringdüse 10 im wesentlichen abdecken, in eine geöffnete Stellung verschwenkt werden, wie dies für die Schaufel 11 a angedeutet ist, in der sie nahezu tangential zu dem die Turbinenschaufeln 6 umschließenden Kreis liegen.

Befinden sich die Leitschaufeln 11 in ihrer in Figur 2 gezeigten, geschlossenen Lage, so ist der Querschnitt der Ringdüse 11 bis auf bestehende Spalte nahezu geschlossen, so daß der im Obergang vom Strömungskanal 9 auf die Turbine 2 im Bereich der Ringdüse 10 verbleibende Rest-Strömungsquerschnitt sehr klein ist.

Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Turboladers, wobei dieser insgesamt mit 21 bezeichnet ist und eine Turbine 22 umfaßt, zwischen der und einem gegenüberliegenden Verdichterteil eine Antriebsverbindung 23 liegt, die eine Welle 24 umfaßt, auf der das Turbinenrad 25 gleichachsig zu dem gegenüberliegenden Verdichterrad angeordnet ist. Wie schon anhand der Figuren 1 und 2 erläutert und hier nicht weiter gezeigt ist der Turbolader 21 mit einer Brennkraftmaschine verbunden und wird mit deren Abgasen beaufschlagt, die über hier nicht weiter dargestellte Strömungswege von der Brennkraftmaschine dem Strömungskanal 29 zugeführt werden, der über einen ringdüsenförmigen Bereich 30 mit dem Aufnahmeraum für das Turbinenrad 25 verbunden ist, dessen Turbinenradschaufeln mit 26 bezeichnet sind.

Die insgesamt mit 30 bezeichnete Ringdüse, die bei dem Turboiader gemäß Figur 3 über einen Ringkörper 35 in einen radialen Kanalteil 36 und einen halbaxialen Kanalteil 37 unterteilt ist, nimmt in den beiden Kanalteilen einen Leitapparat 32 auf, der im Kanalteil 36 ein Leitgitter 38 mit verstellbaren Leitschaufeln und im Kanalteil 37 ein Leitgitter 39 mit feststehenden Leitschaufein umfaßt.

Das Leitgitter 39 ist in seinem Strömungsquerschnitt unveränderlich, das Leitgitter 38 in Abhängigkeit von der Stellung der zugehörigen, hier nicht weiter dargestellten Leitschaufeln im Strömungsquerschnitt veränderlich. Die Leitschaufeln des Leitgitters 38 sind in bekannter Weise angeordnet und verstellbar, beispielsweise analog zur Darstellung in Figur 2.

Entsprechend der unterschiedlichen Gestaltung des Leitapparates 12 bzw. 32 in Figuren 1 und 2 bzw. in Figur 3 ergeben sich unterschiedliche Eintrittsdurchmesser für das Abgas im Übergang vom Leitapparat 12 bzw. 32 auf das Turbinenrad 5 bzw. 25.

Der entsprechende Eintrittsdurchmesser entspricht beim Ausführungsbeispiel gemäß Figuren 1 und 2 praktisch dem Umkreis der Turbinenradschaufeln 6 des Turbinenrades 5und ist mit DT bezeichnet.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist die Ringdüse 30 geteilt und umfaßt einen radialen Kanalteil 36 und einen halbaxialen Kanalteil 37, die auf unterschiedlichem Durchmesser auf die Schaufeln 26 des Turbinenrades ausmünden. Hierbei entspricht der Eintrittsdurchmesser bezüglich des radialen Kanalteils wiederum etwa dem Umkreis der Turbinenradschaufeln 26 in dem diesem Kanalteil 36 gegenüberliegenden Bereich und ist mit DTR bezeichnet. Der Eintrittsdurchmesser des halbaxialen Kanalteiles 37 ist kleiner, da dieser Kanalteil sich mit den Turbinenradschaufeln 26 auf einem Ringquerschnitt überdeckt, der radial innerhalb des Umkreises liegt. Der mittlere Ringdurchmesser dieses Ringquerschnittes ist im wesentlichen als der Eintrittsdurchmesser für diesen halbaxialen Kanalteil 37 anzusehen und in der Darstellung gemäß Figur 3 mit DTX bezeichnet. Der Strömungsquerschnitt, der bei maximaler Bremsleistung freigegeben ist, ist mit AT bezeichnet. Er besteht aus einem Restströmungsquerschnitt, der bei geschlossenen Leitschaufeln des Leitgitters 38 verbleibt, und entspricht für dieses Leitgitter 38 etwa den verbleibenden Spaltquerschnitten. Bei maximaler Bremsleistung ist zusatzlich zu dem in seinem Strömungsquerschnitt unveränderlichen, also in allen Betriebsphasen offenen Leitgitter 39 durch Öffnen der Leitschaufeln des Leitgitters 38 ein variabler Strömungsquerschnitt zugeschaltet.

Bei ungeteilter Ringdüse 10 (Figur 1 und 2) wirkt die über den Querschnitt AT zuströmende Gasmenge insgesamt auf einem dem Eintrittsdurchmesser DT des Turbinenrades entsprechenden Durchmesser auf das Turbinenrad.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ergeben sich entsprechende, freie Strömungsquerschnittsanteile im Abgasweg zur Turbine sowohl für den radialen Kanalteil 36 wie auch für den halbaxialen Kanalteil 37. Letzterer ist dabei unveränderlich, da das Leitgitter 39 dieses Kanalteiles mit feststehenden Leitschaufeln versehen ist. Der Strömungsquerschnitt des radialen Kanalteiles ist veränderlich, da das dort vorgesehene Leitgitter 38 mit verstellbaren Leitschaufeln versehen ist. Sind diese Leitschaufeln geschlossen, so ist analog zur Darstellung gemäß Figuren 1 und 2 der für diese Leitgitter 38 verbleibende freie Restströmungsquerschnitt praktisch durch die Spaitmaße bestimmt.

Entsprechend den unterschiedlichen freien Strömungsquerschnitten ergeben sich unterschiedliche durchströmende Gasmengen, wobei sich diese analog zu den Querschnitten verhalten.

Wird, wie bereits angegeben, der bei maximaler Bremsieistung gegebene freie Strömungsquerschnitt im Abgasweg zur Turbine mit AT bezeichnet, so setzt sich dieser bei einer zweiteiligen Ringdüse 30 mit einem radialen Kanalteil 36 und einem halbaxialen Kanalteil 37 aus einemradialen Querschnittsanteil ATR und einem halbaxialen Querschnittsanteil ATx wie folgt zusammen: AT = ATx + ATR .

Ein die unterschiedlichen durchströmenden Mengen in den Kanalteilen 36 und 37 gewichtend berücksichtigender Eintrittsdurchmesser des Turbinenrades DT errechnet sich wie folgt : <BR> <BR> <BR> ATxATR<BR> <BR> xDTx+DTRDT= <BR> <BR> <BR> <BR> AT T In Berücksichtigung vorstehender Festlegungen gilt für ein Brennkraftmaschinen- Turbolader-System, bei dem für den Bremsbetrieb hohe Bremsleistungen mit relativ geringen thermischen Belastungen verbunden sind, die Formel TBF = AT x VT' VU wobei der Turbo-Brems-Faktor TBF kleiner 0,005 ist, bevorzugt zwischen 0,001 und 0,003, insbesondere bei 0,002 liegt undVH das Hubvolumen der Brennkraftmaschine bezeichnet.

Bezogen auf eine Turbine mit einem Leitgitter mit verstellbaren Leitschaufeln, bei der bei maximaler Bremsleistung über den Restströmungsquerschnitt hinaus durch (teilweises) Öffnen der Leitschaufeln ein zusätzlicher variabler Querschnittsanteil freigegeben wird, gilt für den bei maximaler Bremsleistung gegebenen freien Querschnitt im Abgasweg zur Turbine : AD+dAv,max,AT= wobei AD der bei geschlossenem Leitgitter verbleibende Rest-Strömungsquerschnitt und dAv,max der zusätzlich durch das Leitgitter bei maximaler Bremsleistung freigegebene Strömungsquerschnitt ist.

Das Verhältnis VF von dav, max zu AD ist bevorzugt größer 0,2, und es liegt insbesondere im Bereich zwischen 0,2 und 1, wobei diese mit VF bezeichnete Verhältniszahl um so größer gewähit wird, je höher die Bremsleistung schon bei niedrigen Motordrehzahlen sein soll.

Figur 4 veranschaulicht dies in einem schematisierten Diagramm, in dem die Bremsieistung P über der Motordrehzahl n aufgetragen ist und wobei die Kurve a die Verhältnisse in Bezug auf ein Brennkraftmaschinen-Turbolader-System beschreibt, bei dem das Leitgitter über den gesamten Drehzahlbereich konstanten Querschnitt aufweist, die Verhältniszahl der Av,max zu AD also 0 ist. Der Kurvenzug b schneidet sich mit dem Kurvenzug a im Auslegungspunkt Pmax auf maximale Bremsleistung, liegt aber über dem Kurvenzug a und veranschaulicht eine Maschinenauslegung, bei der im niedrigen Motordrehzahlbereich schon eine höhere Bremsleistung gegeben ist, und die somit, bezogen auf eine analoge Maschinenkonfiguration und gleiche Abgasmengen im unteren Drehzahlbereich einen kleineren Strömungsquerschnitt im Abgasweg zur Turbine aufweisen muß. Dieser Düsenauslegung mit kleinerem Strömungsquerschnitt im unteren Motordrehzahlbereich entspricht eine variable Vergrößerung des freien Strömungsquerschnittes im oberen Drehzahlbereich, da ansonsten die maximale Bremsleistung bei einem niedrigen Motordrehzahlniveau erreicht werden würde. Der Beginn der Öffnung der Leitschaufein ist bei Po angedeutet ; ohne Zuschalten des variablen Querschnittsanteiles ergäbe sich, von PO ausgehend, der strichlierte Kurvenverlauf.

Der Kurvenzug c stellt eine weitere Variante mit noch höherer Bremsleistung im unteren Drehzahlbereich dar, und gleiche Grundauslegung der Maschine unterstellt muß der variable Anteil des Strömungsquerschnittes im oberen Drehzahlbereich größer sein als im Falle b, wenn die maximale Bremsleistung PmaX bei der gleichen Motordrehzahl erreicht werden soll. Auch hier ist, analog zum Kurvenzug b, der Zuschaltpunkt für den variablen Anteil mit PO bezeichnet.

Die Zuschaltung des variablen Strömungsquerschnittes erfolgt also mit zunehmendem variablen Anteil am Gesamtöffnungsquerschnitt bzw. höher liegender Bremsleistung im unteren Drehzahlbereich bevorzugt jeweils bei niedrigeren Drehzahlen, um eine gleichmäßige Steigerung der Bremsleistung über der Motordrehzahl zu gewährleisten.

In Bezug auf das Brennkraftmaschinen-Turbolader-System wird die maximale Bremsleistung zweckmäßigerweise in einem Motordrehzahlbereich erreicht, der oberhalb des Bereiches der Nenndrehzahl des Motores, also der Drehzahl des Motores bei maximaler Leistung liegt. Liegt die Nenndrehzahl bei 1800 Umdrehungen, so kann die Motordrehzahl bei maximaler Bremsleistung beispielsweise im Bereich von 2300 Umdrehungen pro Minute liegen. Der obere Drehzahlbereich, in dem ein zusätzlicher, variabler Strömungsquerschnitt freigegeben ist, beginnt zweckmäßigerweise etwa bei 2/3 bis 3/4 der bei maximaler Bremsleistung gegebenen Drehzahl, wobei die Größe des variablen Querschnittsanteils bevorzugt kontinuierlich drehzahlabhängig bis zum Erreichen der maximalen Bremsleistung anwächst, die den Bezugspunkt für die vorstehend erlauterte Auslegung des Systemes auf maximale Bremsleistung bei möglichst geringer thermischer Belastung bildet.

Als Leitapparat mit variablem Leitgitter wurden vorstehend Leitgitterausführungen erläutert, bei denen die Leitschaufeln innerhalb des Leitgitters verstellbar sind, das Leitgitter insgesamt aber seine Lage beibehält.

Bekannt sind auch Leitgitter, bei denen die Leitschaufeln innerhalb des Leitgitters nicht verstellbar sind, aber das Leitgitter als ganzes, so daß gegeneinander versetzten Bereichen des Leitgitters zugeordnete, unterschiedlich angeordnete und/oder ausgebildete Leitschaufeln durch Verstellen des Leitgitters (beispielsweise durch axiales Verstellen des Leitgitters entsprechend der DE 42 32 400 C1) im Bremsbetrieb in Einsatz gebracht werden können, und somit für den Bremsbetrieb im Sinne der Erfindung den unterschiedlich angeordneten und/oder ausgebildeten Leitschaufeln entsprechende, unterschiedliche freie Strömungsquerschnitte durch Verstellen des Leitgitters als solchem realisiert werden können.

Die Erfindung ist insbesondere für in Nutzfahrzeugen eingesetzte Brennkraftmaschinen-Turbolader-Systeme von Interesse, also Fahrzeuge, die auch für den Bremsbetrieb auf hohe Motorbremsleistungen angewiesen sind und die mit verhältnismäßig großvolumigen Motoren ausgerüstet sind.

Der Erfindung kann aber auch in Verbindung mit kleinvolumigen Motoren und leichten Fahrzeugen, so z. B. Personenkraftwagen Bedeutung zukommen, wenn die dort verwendeten Motoren an sich nur geringe Bremsleistungen, beispielsweise aufgrund der dort verwendeten Gaswechselsteuersysteme aufbringen können.

Ergänzend zum bezogen auf den Bremsbetrieb verstellbaren Leitgitter kann es in Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig sein, ein Abblaseventil-wie an sich bekannt -vorzusehen, sei es zum Zwecke der Druckbegrenzung als Notventil, sei es als ergänzend zum verstellbaren Leitigtter ebenfalls in seinem Öffnungsquerschnitt veränderliches Drosselelement, das beispielsweise im gegen den Punkt maximaler Bremsleistung oberen Drehzahlbereich bevorzugt allmählich geöffnet wird, falls es beispielsweise Schwieirigkeiten bereitet, den erforderlichen variablen Querschnittsanteil allein und/oder im geforderten Zeitinterwall durch die Verstellung des Leitapparates zu realisieren.