Abgasturbolader

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Abgasturbolader. Siehe zum Beispiel WO 00/73630 A1.

Abgasturbolader sind bei modernen Kraftfahrzeugen unverzichtbar. Sie umfassen als wichtigste Bauteile eine Turbine und einen Verdichter. Diese beiden Bauteile sitzen gemeinsam auf ein und derselben Welle. Der Turbine wird das Abgas des Verbrennungsmotors zugeleitet. Das Abgas treibt die Turbine an. Die Turbine ihrerseits treibt den Verdichter an. Dieser saugt Luft aus der Umgebung an und verdichtet diese. Die verdichtete Luft wird sodann für die Verbrennung im Motor ausgenutzt. Abgasturbolader haben den Zweck, die Abgasemissionen zu verringern sowie den Wirkungsgrad des Motors und dessen Drehmoment zu erhöhen. Sie haben außerdem eine wichtige Funktion bezüglich der Wirkungsweise des Katalysators.

An Abgasturbolader werden allgemein die folgenden Anforderungen gestellt: Sie sollen die genannten Funktionen bezüglich der Abgasemission, des Wirkungsgrades und des Drehmomentes des Motors in möglichst perfekter Weise erfüllen. Sie sollen dabei ein geringes Gewicht und ein geringes Bauvolumen haben. Die Konstruktion soll einfach im Aufbau sowie montagefreundlich sein, so dass sich die Herstellungskosten in Grenzen halten. Sie sollen katalysatorfreundlich sein.

Ein wichtiges Erfordernis ist es ferner, die Frischluft auf einen akzeptablen

Druckwert anzuheben. Dieser muss hoch genug sein, um den Anforderungen des Verbrennungsprozesses zu genügen. Er darf aber nicht zu hoch sein, um nicht nachgeschaltete Bauteile zu gefährden.

Es sind zahlreiche Einrichtungen bekannt geworden, mit denen der Druck der Frischluft geregelt wird. So lässt sich beispielsweise die Turbinengeometrie verändern, um die Leistung der Turbine auf einen gewünschten Wert einzustellen.

Auch sind Schieber bekannt, mit welchen der Volumenstrom des der Turbine zugeführten Abgases einstellbar ist. Ferner ist es bekannt, im Abgas-Zufuhrkanal ein Ventil vorzusehen (sogenanntes Wastegate), das im Hinblick auf den gewünschten Druck der verdichteten Luft einstellbar ist. Dieses Ventil wird von einem Aktuator gesteuert, der den Druck der verdichteten Frischluft erfasst.

Diese Mechanismen zum Regeln des Druckes der verdichteten Luft haben nicht voll befriedigt. Sie sind aufwendig, kostspielig, beanspruchen relativ viel Raum, und arbeiten bezüglich ihrer Funktion nicht immer optimal. Besonders nachteilig ist bei allen bekannten Lösungen, dass mechanische Bauteile bewegt werden müssen, wobei Fehler auftreten können, die auf ein unerwünschtes Spiel zurückgehen, auf Verschleiß oder Verklemmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Regeln eines Abgasturboladers sowie einen Abgasturbolader der genannten Bauart derart zu gestalten, dass sich Betriebsparameter des Abgasturboladers auf eine Weise regeln lassen, die in jeder Beziehung günstiger als bisher ist. Dies betrifft unter anderem die Funktion, die Herstellungskosten und den Raumbedarf.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Demgemäß wird die Möglichkeit geschaffen, auf der Abgasseite oder auf der Frischluftseite oder auf beiden Seiten einen (weiteren) Mediumstrom zu injizieren. Besonders interessant ist das Einleiten eines Mediumstromes auf der Frischluftseite vor dem Verbrennungsmotor, zum Beispiel zwischen dem letzten Verdichter und dem Verbrennungsmotor. Auch käme ein Einleiten eines Mediumstromes zwischen den Verdichtern oder vor dem ersten Verdichter in Betracht. Dabei kann es sich um einen Druckluftstrom handeln. Dieser kann zum Beispiel aus einem bereitgestellten Druckluftbehälter in die Frischluftleitung eingeleitet werden. Das Einleiten kann während ausgewählter Betriebsphasen vorgenommen werden, ganz besonders während der Startphase. Das Anzugsmoment des Motors kann hierdurch stark vergrößert werden.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit der Abgasseite und/oder der Frischluftseite zwecks Regeins von Betriebsparametern des Abgasturboladers jeweils ein weiterer Mediumstrom zuführbar. Entsprechend weist ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader zusätzlich zu dem Abgaseinlass beziehungsweise zusätzlich zu dem Frischlufteinlass einen Anschluss zum Einleiten eines Mediums in Abhängigkeit von aktuellen Betriebsparametern auf.

Dabei können unter der Ausdrucksweise „Betriebsparameter des Abgasturboladers" jegliche Parameter verstanden werden, wie beispielsweise die Leistung des Turbinenrades, der Durchsatz oder der Druck oder die Temperatur des Abgasstromes, oder die Leistung des Verdichterrades, oder der Durchsatz oder der Druck oder die Temperatur des Frischluftstromes.

So lässt sich beispielsweise die abgegebene Leistung des Turbinenrades mittels eines Mediumstromes verändern, der dem Abgasstrom zugeführt wird. Als Medium kommen jegliche Gase in Betracht, wie beispielsweise Luft oder ein anderes Gas oder ein Gemisch aus solchen Gasen. Auch können Parameter des Mediumstromes selbst verändert werden, beispielsweise Durchsatz oder Druck oder Temperatur.

Auch ist es möglich, als Medium einen Teil-Abgasstrom selbst zu verwenden. So kann beispielsweise das Turbinen-Laufrad mit einem konstanten Abgasstrom beaufschlagt werden, und außerdem -je nach Bedarf zum Zwecke des Regeins der Leistung oder des Druckes des verdichteten Frischluftstromes - ein entsprechender Teil-Abgasstrom zusätzlich verwendet werden.

Die Idee ist genial einfach. Hierdurch werden jegliche (zusätzlichen) bewegten Bauteile vermieden. Die Regelung erfolgt somit auf die elegante Weise, nämlich aerodynamisch.

Die genannten zusätzlichen Medienströme können auf jegliche Weise erzeugt werden. So kann beispielsweise über einen Nebenabtrieb vom Motor ein Frischluftverdichter vorgesehen werden, der eine entsprechende Frischluftmenge erzeugt und damit beispielsweise das Turbinenlaufrad beaufschlagt.

Das Regeln eines Abgasturboladers besteht häufig darin, den Druck im Spiralkanal des Verdichtergehäuses einzustellen. Ist in einem solchen Falle der Druck im Spiralgehäuse des Verdichtergehäuses zu gering, so wird ein Mediumstrom - zusätzlich zu dem Abgasstrom - dem Turbinenrad zugeführt. Dieses erzeugt sodann eine höhere Leistung und gibt ein höheres Drehmoment an das Verdichterlaufrad ab, so dass dieses einen höheren Druck im Spiralkanal des Verdichtergehäuses erzeugt. Ist hingegen der Druck im Spiralkanal des Verdichtergehäuses zu hoch, so wird darauf verzichtet, einen Mediumstrom zusätzlich zum Abgasstrom dem Turbinenlaufrad zuzuführen.

Auch ist es denkbar, das Turbinenrad derart auszulegen, dass es weniger Drehmoment erzeugt und an das Verdichterrad abgibt, als eigentlich notwendig wäre. Das Einstellen der „richtigen" Leistung des Turbinenrades wird dann dadurch bewirkt, dass der zusätzliche Mediumstrom entsprechend verändert wird, beispielsweise dadurch, dass dieses mit einem höheren beziehungsweise einem niedrigeren Durchsatz das Turbinenrad beaufschlagt.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Figur 1 zeigt in einem Axialschnitt einen Abgasturbolader, bei welchem die

Erfindung anwendbar ist.

Figur 2 veranschaulicht in einer schematischen Darstellung die Funktionsweise eines Abgasturboladers.

Der in der Figur 1 gezeigte Abgasturbolader umfasst die folgenden Bauteile:

Ein Turbinenrad 1 sowie ein Verdichterrad 2 sind auf einer gemeinsamen Welle 3 gelagert. Die Welle 3 ist axial nicht verschiebbar. Verdichterrad 2 ist auf der Welle fixiert, so dass eine drehfeste Verbindung zwischen diesen beiden hergestellt ist, aber auch eine Fixierung gegen Verschieben in axialer Richtung.

Die Welle 3 ist auf zwei Radiallagern 5, 6 gelagert. Außerdem ist ein Axiallager 7 vorgesehen.

Das Turbinenrad 1 ist von einem Turbinengehäuse 8 umschlossen. Dieses weist einen Einlassstutzen 8.1 für Abgas aus dem Verbrennungsprozess eines

Verbrennungsmotors auf, ferner einen Auslassstutzen 8.2. Das Turbinengehäuse 8 bildet einen Spiralkanal 8.3, der das Turbinenrad 1 umgibt.

Es ist ferner ein Verdichtergehäuse 9 vorgesehen. Dieses weist einen Einlassstutzen 9.1 für das Ansaugen von Frischluft auf. Die angesaugte und verdichtete Frischluftmenge wird durch einen radialen Ringspalt 9.2 einem Spiralkanal 9.3 zugeführt. Die verdichtete Frischluft gelangt sodann in eine Vorrichtung zum Herstellen eines Kraftstoff-Luft-Gemisches (hier nicht dargestellt).

Die Welle 3 ist in einem Lagergehäuse 10 gelagert. Dieses weist einen öleinlass 10.1 und einen ölauslass 10.2 auf. ölkanäle (nicht dargestellt) versorgen die genannten Lager mit öl.

Es ist eine Regelungseinrichtung zum Regeln des Druckes der verdichteten Luft vorgesehen. Diese umfasst einen Drucksensor 4.1 und dieser Drucksensor 4.1 weist den Druck im Ausgang des Spiralkanales 9.3 des Verdichtergehäuses 9 unmittelbar ab und speist diesen einer zentralen Prozesseinheit (CPU) 4.2 ein. Die zentrale Prozesseinheit 4.2 steuert einen Mediumverdichter 4.3. Dieser führt ein Medium über einen Mediumanschluss 4.4 dem Einlassstutzen 8.1 für Abgas aus dem Verbrennungsprozess eines Verbrennungsmotors zu. Damit vermag die genannte Regeleinrichtung den Druck des verdichteten Frischluftstromes auf einen gewünschten Wert einzustellen.

Figur 2 veranschaulicht den Aufbau der Regeleinrichtung nochmals in schematischer Darstellung. Man sieht wiederum das Turbinenrad 1 , das Verdichterrad 2 und die Welle 3.

Der vom Motor kommende Abgasstrom 20 beaufschlagt das Turbinenrad 1 und verlässt dieses wieder nach geleisteter Arbeit als Abgasstrom 21. Das Turbinenrad 1 wird außerdem von einem erfindungsgemäßen Mediumstrom 22 definierten Durchsatzes und definierten Druckes beaufschlagt.

Das Verdichterrad 2 saugt einen Frischluftstrom 23 an. Dieser wird als verdichteter Frischluftstrom 24 an das Verdichtergehäuse abgegeben.

Bezugszeichenliste

1 Turbinenrad

2 Verdichterrad

3 Welle

4.1 Drucksensor

4.2 zentrale Prozesseinheit (CPU)

4.3 Mediumverdichter

4.4 Mediumanschluss

5 Gleitlager

6 Gleitlager

7 Axiallager

8 Turbinengehäuse

8.1 Einlassstutzen

8.2 Auslassstutzen

8.3 Spiralkanal

9 Verdichtergehäuse

9.1 Ansaugstutzen

9.2 Ringspalt

9.3 Spiralkanal

10 Lagergehäuse

10.1 öleinlass

10.2 ölauslass

20 eintretender Abgasstrom

21 austretender Abgasstrom

22 Mediumstrom

23 eintretender Frischluftstrom

24 austretender Frischluftstrom