AT501234B1

AT501234B1 - GAS TURBINE FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Info

Publication number: AT501234B1
Application number: AT5522006A
Authority: AT
Inventors: Kurt Ing Prevedel
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2008-02-15
Also published as: AT501234A2

Description

2 AT 501 234 B12 AT 501 234 B1

Die Erfindung betrifft eine Abgasturbine für eine Brennkraftmaschine, mit einem doppelflutigen Spiralgehäuse mit einer ersten und einer zweiten Einlaufspirale und einem um eine Drehachse drehbaren Laufrad, wobei zwischen den beiden Einlaufspiralen zumindest eine Trennwand angeordnet ist, wobei die Einlaufspiralen in Bezug auf die Drehachse des Laufrades verdreht 5 zueinander angeordnet sind.The invention relates to an exhaust gas turbine for an internal combustion engine, with a double-spiral housing having a first and a second inlet spiral and an impeller rotatable about a rotation axis, wherein between the two inlet spirals at least one partition wall is arranged, wherein the inlet spirals rotated with respect to the axis of rotation of the impeller 5 are arranged to each other.

Um die den Ladungswechsel beeinträchtigenden Abgasströme der einzelnen Zylinder trennen zu können, ohne einen weiteren Turbolader verbauen zu müssen, werden üblicherweise Turbinengehäuse in Zwillingsstromausführung umgesetzt. 10In order to be able to separate the exhaust gas flows of the individual cylinders, which adversely affect the charge exchange, without having to install another turbocharger, turbine housings are usually implemented in a twin-flow design. 10

Bedingt durch die großflächige ungekühlte Trennwand zwischen den beiden Einlaufspiralen sind diese Turbinengehäuse allerdings nur begrenzt temperaturfest, so dass, speziell bei Otto-Motoren, eine den Wirkungsgrad beeinträchtigende Absenkung der Abgastemperaturen vorgenommen werden oder extrem teuere Materialien verwendet werden müssen, um eine dauer-15 haltbare Verwendung deutlich über den Bereich von 950° bis 1000°C hinaus zu ermöglichen. Derartig hohe Temperaturen sind zwar für den Motor wirkungsgradvorteilhaft, können aber für den stromabwärts der Turbine angeordneten Katalysator problematisch werden. Konstruktiv sind Zwillingsstromturbinen zwar vorteilhaft kompakt, die zur Zündfolgetrennung erforderliche Gasführung zwischen Motor und Turbine aber speziell bei 4-Zylinder-Motoren ungünstig verwi-20 ekelt. Bei Brennkraftmaschinen mit zwei Zylinderbänken und einer zentral angeordneten Turbine sind hingegen starke Umlenkungen in das Turbinengehäuse erforderlich.Due to the large uncooled partition between the two inlet spirals, these turbine housing are limited temperature resistant, so that, especially in gasoline engines, the efficiency impairing lowering of the exhaust gas temperatures are made or extremely expensive materials must be used to a durable 15 durable Use well beyond the range of 950 ° to 1000 ° C addition. Although such high temperatures are advantageous for the engine efficiency, but can be problematic for the catalyst arranged downstream of the turbine. Although twin-flow turbines are structurally advantageously compact, the gas conduction between the engine and the turbine, which is necessary for igniting the ignition, is unfavorable, especially in the case of 4-cylinder engines. In internal combustion engines with two cylinder banks and a centrally located turbine, however, strong deflections are required in the turbine housing.

Abgasturbinen mit doppelflutigen Spiralgehäusen sind beispielsweise aus den Veröffentlichungen US 6,715,288, JP 63-134815 A und WO 00/73630 A1 bekannt. Obwohl die Einlaufspiralen 25 zum Teil mit unterschiedlichen Geometrien ausgeführt sind, ist insbesondere im Bereich der Trennwand zwischen den beiden Einlaufspiralen die Wärmeabfuhr problematisch.Exhaust gas turbines with double-flow spiral housings are known for example from the publications US 6,715,288, JP 63-134815 A and WO 00/73630 A1. Although the inlet spirals 25 are partly designed with different geometries, the heat dissipation is problematic, especially in the region of the partition wall between the two inlet spirals.

Die WO 2002/27164 A1 offenbart eine Abgasturbine für eine Brennkraftmaschine mit einem doppelflutigen Spiralgehäuse mit zwei separaten Einlaufspiralen, wobei zwischen den Einlauf-30 spiralen eine Trennwand angeordnet ist. Die Einlaufspiralen sind im Bezug auf die Drehachse des Laufrades verdreht und weisen getrennte Eintrittsflansche auf. Ähnliche Abgasturbinen sind auch aus der WO 2003/080999 A1 und WO 2005/040560 A1 bekannt.WO 2002/27164 A1 discloses an exhaust gas turbine for an internal combustion engine with a double-spiral housing with two separate inlet spirals, wherein between the inlet 30 spirals a partition wall is arranged. The inlet spirals are twisted with respect to the axis of rotation of the impeller and have separate inlet flanges. Similar exhaust gas turbines are also known from WO 2003/080999 A1 and WO 2005/040560 A1.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und bei einer Abgasturbine mit 35 einem doppelflutigen Spiralgehäuse die thermische Bauteilbeanspruchung zu verbessern, um den Betrieb mit hoher Abgastemperatur zu ermöglichen.The object of the invention is to avoid these disadvantages and to improve the thermal component stress in an exhaust gas turbine with a double-flow volute casing in order to enable operation with a high exhaust gas temperature.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass das Spiralgehäuse vorzugsweise im Bereich der Trennwand zwischen den beiden Einlaufspiralen zumindest einen Kühlkanal für ein Kühl-40 medium aufweist.According to the invention this is achieved in that the spiral housing preferably has at least one cooling channel for a cooling medium in the region of the partition wall between the two inlet spirals.

Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr kann vorgesehen sein, dass der Waste-Gate-Kanal von zumindest einem Kühlwasserkanal umgeben ist. Die Gestaltung des Kühlwassermantels ist derart gewählt, dass die Verwendung von Leichtmetall anstelle von Hochtemperaturmaterialien 45 möglich wird.To improve the heat dissipation can be provided that the waste gate channel is surrounded by at least one cooling water channel. The design of the cooling water jacket is chosen such that the use of light metal instead of high temperature materials 45 is possible.

Die Einlaufspiralen sind zueinander um einen solchen Winkel verdreht, dass zumindest ein Bereich mit größerer radialer Weite der einen Einlaufspirale neben zumindest einem Bereich mit geringerer radialer Weite der anderen Einlaufspirale angeordnet ist. Dadurch wird die üblicher-50 weise kritische Trennwand zwischen den Einlaufspiralen auf wesentlichen Bereichen ihrer Fläche nicht mehr beidseitig dem heißen Abgas ausgesetzt. Die radiale Erstreckung der beidseitig beheizt verbleibenden Trennwand ist wesentlich geringer und die der Umgebung zugewandten kühlenden, bzw. aktiv mit Wasserdurchtritten gekühlten Außenflächen größer. 55 Dadurch, dass die Waste-Gate-Kanäle ebenfalls vom Kühlwassermantel umgeben sind, kann 3 AT 501 234 B1 bei Abblasebetrieb (hohe Leistung) die thermische Last des Katalysators reduziert werden, ohne zusätzliche Anfettung im Zylinder.The inlet spirals are rotated relative to one another at such an angle that at least one region with a greater radial width of one inlet spiral is arranged next to at least one region with a smaller radial width of the other inlet spiral. As a result, the usual-50-wise critical partition wall between the inlet spirals on essential areas of their surface is no longer exposed on both sides of the hot exhaust gas. The radial extent of the partition wall which is heated on both sides is substantially lower and the cooling surfaces facing the surroundings or actively cooled with water passages are larger. 55 Because the wastegate channels are also surrounded by the cooling water jacket, the thermal load of the catalytic converter can be reduced during blowdown operation (high power) without additional enrichment in the cylinder.

Die getrennte Ausführung der Eintrittsflansche hat den Vorteil, dass thermomechanisch kritische 5 doppelnierenförmige Eintrittsflansche vermieden werden können.The separate design of the inlet flanges has the advantage that thermo-mechanically critical 5 double-kidney-shaped inlet flanges can be avoided.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Zuläufe zu den einzelnen Einlaufspiralen gemäß den konstruktiven Gegebenheiten des Motors und unter Berücksichtigung der Zündfolgetrennung strömungsgünstig gestaltet werden können. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Einlaufspiralen io um einen Winkel von mindestens 90°, vorzugsweise mindestens 120°, besonders vorzugsweise 180° in Bezug auf die Drehachse des Laufrades verdreht angeordnet sind.Another advantage is that the inlets to the individual inlet spirals can be made aerodynamic according to the structural conditions of the engine and taking into account the Zündfolgetrennung. It is particularly advantageous if the inlet spirals are arranged rotated by an angle of at least 90 °, preferably at least 120 °, particularly preferably 180 °, with respect to the axis of rotation of the impeller.

Um bei einer Reihen-Brennkraftmaschine möglichst gleiche Strömungslängen zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn ein erster Zulauf zur ersten Einlaufspirale kürzer ausgebildet ist als ein 15 zweiter Zulauf zur zweiten Einlaufspirale, wobei vorzugsweise der erste Zulauf mit den äußersten Zylindern und der zweite Zulauf mit den zwischen den äußersten Zylindern angeordneten inneren Zylindern verbunden ist.In order to achieve the same as possible flow lengths in a series internal combustion engine, it is advantageous if a first inlet to the first inlet spiral is shorter than a second inlet to the second inlet spiral, wherein preferably the first inlet with the outermost cylinders and the second inlet with the is connected between the outermost cylinders arranged inner cylinders.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. 20The invention will be explained in more detail below with reference to FIGS. 20

Es zeigen schematisch Fig. 1 die Einlaufspiralen einer erfindungsgemäßen Abgasturbine in einer ersten Ausführungsvariante für eine V-Brennkraftmaschine, Fig. 2 die Einlaufspiralen einer erfindungsgemäßen Abgasturbine in einer zweiten Ausführungsvariante für eine Reihenbrennkraftmaschine mit Zündfolgetrennung, Fig. 3 die Abgasturbine in einem Schnitt gemäß der 25 Linien lll-lll in Fig. 1, bzw. Fig. 2 und Fig. 3a eine Variante der in Fig. 3 dargestellten Abgasturbine.1 shows the inlet spirals of an exhaust gas turbine according to the invention in a first embodiment variant for a V-type internal combustion engine, FIG. 2 shows the inlet spirals of an exhaust gas turbine according to the invention in a second embodiment for a row internal combustion engine with ignition sequence separation, FIG. 3 shows the exhaust gas turbine in a section according to FIG Lines III-III in Fig. 1, and Fig. 2 and Fig. 3a shows a variant of the exhaust gas turbine shown in Fig. 3.

Funktionsgleiche Bauteile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen. 30Functionally identical components are provided in the embodiment variants with the same reference numerals. 30

Fig. 1 zeigt eine Abgasturbine 10 für eine Brennkraftmaschine mit einem doppelflutigen Spiralgehäuse 12 mit einer ersten und einer zweiten Einlaufspirale 14, 16. Die beiden Einlaufspiralen 14, 16 sind in Bezug auf die Drehachse 34a eines Laufrades 34 um einen Winkel α von etwa 180° verdreht zueinander angeordnet. 35Fig. 1 shows an exhaust gas turbine 10 for an internal combustion engine with a double-spiral housing 12 having a first and a second inlet spiral 14, 16. The two inlet spirals 14, 16 are with respect to the axis of rotation 34a of an impeller 34 by an angle α of about 180 ° twisted to each other. 35

In die erste Einlaufspirale 14 mündet der durch den Pfeil 18 angedeutete Abgasstrom einer ersten Zylinderbank A und in die zweite Einlaufspirale 16 der Abgasstrom 20 einer zweiten Zylinderbank B. In Folge der gegenseitigen Verdrehung der Einlaufspiralen 14, 16 um etwa 180° sind die Eintrittsflansche 22, 24 getrennt und auf verschiedenen Seiten der Abgasturbine 40 10 angeordnet, was besonders bei V-Brennkraftmaschinen mit zentraler Anordnung des Abgas turboladers von Vorteil für die Gasführung sein kann.The exhaust stream of a first cylinder bank A indicated by the arrow 18 opens into the first inlet spiral 14 and the exhaust stream 20 of a second cylinder bank B flows into the second inlet spiral 16. As a result of the mutual rotation of the inlet spirals 14, 16 by about 180 °, the inlet flanges 22, 24 separated and arranged on different sides of the exhaust gas turbine 40 10, which may be especially for V-type internal combustion engines with a central arrangement of the exhaust gas turbocharger advantage for the gas guide.

Mit Bezugszeichen 26, 28 sind Waste-Gate-Kanäle zur Umgehung des Laufrades 34 angedeutet. Die Trennwand 30 zwischen den beiden Einlaufspiralen 14, 16, sowie die Waste-Gate-45 Kanäle 26, 28 werden mittels in Fig. 1 durch strichlierte Linien angedeutete Kühlwasserkanäle 32 gekühlt.With reference numerals 26, 28 waste gate channels for bypassing the impeller 34 are indicated. The partition wall 30 between the two inlet spirals 14, 16, and the waste gate 45 channels 26, 28 are cooled by means of indicated in Fig. 1 by dashed lines cooling water channels 32.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Abgasturbine 10 für eine Reihenbrennkraftmaschine mit vier in Reihe angeordneten Zylindern 1, 2, 3, 4. Mit Bezugszeichen 38, 40, 42, 44 sind in die so erste, bzw. zweite Einlaufspirale 14, 16 mündende Abgasströme bezeichnet, wobei eine Zündfolgetrennung der Abgasströme durchgeführt wird. Auch hier sind die beiden Einlaufspiralen 14, 16 gegeneinander um einen Winkel α von etwa 120° bis 180° verdreht, um die Trennwand 30 freizustellen. Der Zulaufteil 16c der Einlaufspirale 16 ist jedoch so gestaltet, dass die Eintrittsflansche 22, 24 der beiden Turbinenaustritte 22a, 24a so zu liegen kommen, dass sich eine 55 vorteilhafte Gestaltung des Auspuffkrümmers ergibt. Dabei erfolgt die Verschaltung der Einlauf-Fig. 2 shows an embodiment of an exhaust gas turbine 10 for a series internal combustion engine with four cylinders arranged in series 1, 2, 3, 4. By reference numerals 38, 40, 42, 44 are in the first, respectively second inlet spiral 14, 16 exhaust gas streams opening designated, wherein a Zündfolgetrennung the exhaust gas streams is performed. Again, the two inlet spirals 14, 16 against each other by an angle α of about 120 ° to 180 ° rotated to indemnify the partition 30. However, the inlet part 16c of the inlet spiral 16 is designed so that the inlet flanges 22, 24 of the two turbine outlets 22a, 24a come to lie so that there is a favorable design of the exhaust manifold. The interconnection of the inlet

Claims

4 AT501 234B1 spirals 14, 16 with the cylinder groups preferably such that the very short running inlet 14c with the outer cylinders 1, 4 and the comparatively long inlet 16c with the inner cylinders 2, 3 is connected. As a result, the flow lengths between the cylinders 1, 2, 3, 4 and the impeller entries equalize beyond a level 5 which is usual today. Due to the rotation of the two inlet spirals 14, 16 by an angle α of about 120 ° to 180 °, the inlets 14c, 16c to the individual inlet spirals 14, 16 aerodynamically and taking into account the Zündfolgetrennung constructively simple and space-saving. The inlet flanges 22, 24 are formed separately from each other, whereby a thermomechanical with respect to cracking critical double kidney-shaped inlet flange can be avoided. The two spirals 14, 16 are rotated by an angle α such that regions 16a, 14a with a larger radial width W of an inlet spiral 16, 14 can be positioned next to regions 14b, 16b with a small radial width w of the other inlet spiral 14, 16. This has the effect that the thermally critical partition wall 30 between the two inlet spirals 14, 16 is no longer exposed on both sides to the hot exhaust gases on essential areas of its surface and the radial extent of the partition wall 30 remaining heated on both sides is substantially lower. 2, the inlet spirals 14, 16 can be provided, in particular in the region of the dividing wall 30, with a cooling water jacket formed by cooling channels 32. The design of the cooling water jacket is chosen so that light metal instead of costly high-20 temperaturwerstoffen can be used as the material for the spiral housing 12. 1. Exhaust gas turbine (10) for an internal combustion engine, with a double-spiral housing (12) having a first and a second inlet spiral (14,16) and about an axis of rotation (34a) rotatable impeller (34), wherein between the two inlet spirals (14, 16) at least one partition wall (30) is arranged, wherein the inlet spirals (14, 16) with respect to the rotational axis (34a) of the impeller (34) are arranged rotated to each other, characterized in that the spiral housing (12) preferably in the region of the partition wall (30) between the two inlet spirals (14, 16) has at least one cooling channel (32) for a cooling medium.

2. Exhaust gas turbine (10) according to claim 1, characterized in that at least one region 35 (14 a, 16 a) with a larger radial width (W) of an inlet spiral (14, 16) next to at least one area (16 b, 14 b) with lesser radial width (w) of the other inlet spiral (16, 14) is arranged.

3. Exhaust gas turbine (10) according to claim 1 or 2, characterized in that the inlet spiral len len (14, 16) by an angle (α) of at least 90 °, preferably at least 120 °, particularly preferably 180 ° with respect to the axis of rotation (34a) of the impeller (34) are arranged rotated.

4. Exhaust gas turbine (10) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the 45 two inlet spirals (14,16) separate inlet flanges (22, 24).

5. exhaust gas turbine (10) according to one of claims 1 to 4 for an internal combustion engine having at least three cylinders arranged in series (1, 2, 3, 4), characterized in that a first inlet (14c) to the first inlet spiral (14) shorter is formed as a second so inlet (16c) to the second inlet spiral (16), wherein preferably the first inlet (14c) with the outermost cylinders (1, 4) and the second inlet (16c) with the between the outermost cylinders (1, 4) arranged inner cylinders (2, 3) is connected.

6. exhaust gas turbine (10) according to one of claims 1 to 5 with at least one waste gate 55 channel (26, 28) for bypassing the impeller (34), characterized in that the 5 AT 501 234 B1 waste gate channel (26, 28) is surrounded by at least one cooling channel (32).

7. Exhaust gas turbine (10) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the spiral housing (12) consists of light metal. For this purpose 1 sheet of drawings 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55