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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Nutzturbine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus
der Patentschrift
EP
0 171 882 B1 ist eine Brennkraftmaschine mit einer axial
angeströmten
Nutzturbine bekannt. Die Brennkraftmaschine weist einen Abgasturbolader
auf, dessen Abgasturbine einem Abgastrakt und dessen Verdichter
einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zugeordnet sind. Die Nutzturbine
ist über
eine Verbindungsleitung mit der Abgasturbine verbunden, wobei die Nutzturbine
stromab der Abgasturbine vorgesehen ist. Die Nutzturbine ist über ein
Getriebe an die Brennkraftmaschine angekoppelt. In der Verbindungsleitung
ist vor der Nutzturbine ein Strömungsleitkegel
vorgesehen. Ein Ringkanal zwischen der Verbindungsleitung und dem
Strömungsleitkegel
leitet das Abgas zu der axial angeströmten Nutzturbine. Das Abgas
treibt die Abgasturbine an, die über
eine gemeinsame Welle den Verdichter antreibt. Der Verdichter saugt
Luft an und befördert
die verdichtete Luft in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine.
Das Abgas der Brennkraftmaschine strömt zunächst in die Abgasturbine des
Abgasturboladers und dann weiter in die Nutzturbine, welche die
restliche Energie aus dem Abgas entnimmt und über das Getriebe an die Brennkraftmaschine
wieder abgibt. Die Nutzturbine steigert den Gesamtwirkungsgrad der
Brennkraftmaschine, sofern der Energiegehalt im Abgas ausreicht,
die Verlustleistungen der Nutzturbine und des Getriebes zu überwinden.
Bei niedrigen Lasten und/oder Drehzahlen kann der Energiegehalt
im Abgas so niedrig sein, dass der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine
sinkt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, eine
Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zur Verfügung zu
stellen, bei der die Leistungsabgabe der Nutzturbine gesteigert
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist
gekennzeichnet durch den Strömungsleitkegel, der
axial verschiebbar in der Verbindungsleitung geführt ist und mit der Verbindungsleitung
einen im Strömungsquerschnitt
veränderbaren
Ringkanal bildet. Die Brennkraftmaschine weist eine axial angeströmte Nutzturbine
auf, die stromabwärts
einer Abgasturbine eines Abgasturboladers vorgesehen ist. Die Abgasturbine
ist über
eine Welle mit einem Verdichter verbunden und über eine Verbindungsleitung mit
der Nutzturbine. Die Abgasturbine ist einem Abgastrakt und der Verdichter
einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zugeordnet. In der Verbindungsleitung
ist der Nutzturbine ein Strömungsleitkegel
zugeordnet. Der Strömungsleitkegel
und die Verbindungsleitung bilden einen Ringkanal, der das Abgas zu
der Nutzturbine leitet. Der Strömungsleitkegel
ist axial verschiebbar in der Verbindungsleitung geführt, wodurch
ein radial umlaufender Strömungsquerschnitt
vor der Nutzturbine verkleinert werden kann. Durch eine Verkleinerung
des Strömungsquerschnitts
steigt der Abgasdruck vor der Nutzturbine, wodurch die Druckdifferenz
zwischen dem Abgasdruck vor der Nutzturbine und dem Abgasdruck nach der
Nutzturbine steigt. Vorteilhafterweise führt eine erhöhte Druckdifferenz
an der Nutzturbine zu einer erhöhten
Leistungsabgabe der Nutzturbine.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist der Strömungsleitkegel von einer Durchgangsstellung
in eine Staustellung bringbar und weist in der Staustellung unmittelbar
vor dem Leitgitter seinen kleinsten Strömungsquerschnitt auf. Vorteilhafterweise
tritt das Abgas ohne Abfall des Abgasdruckes und somit ohne Energieverlust
in die Nutzturbine ein.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Strömungsleitkegel in mehreren
Stufen oder stufenlos zwischen der Staustellung und der Durchgangsstellung
verstellbar. Vorteilhafterweise ist die Leistungsabgabe der Nutzturbine
in optimaler Weise an die Betriebszustände der Brennkraftmaschine
anpassbar.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Ringkanal unabhängig von
der Verstellung des Strömungsleitkegels
seinen kleinsten Strömungsquerschnitt
unmittelbar vor der Nutzturbine auf. Vorteilhafterweise tritt das
Abgas unabhängig von
der Verstellung des Strömungsleitkegels
ohne Abfall des Abgasdruckes und somit ohne Energieverlust nach
durchströmen
des kleinsten Strömungsquerschnitts
des Ringkanals in die Nutzturbine ein.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Verbindungsleitung,
die Nutzturbine und die Abgasturbine eine gemeinsame Längsachse
auf. Die Verbindungsleitung verbindet die Nutzturbine mit der Abgasturbine.
Vorteilhafterweise kann das Abgas aus der Abgasturbine unbeeinflusst
zu der Nutzturbine strömen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Leitgitter stromaufwärts der
Nutzturbine vorgesehen, das das Abgas gezielt auf die Nutzturbine
leitet. Vorteilhafterweise steigt der Wirkungsgrad der Nutzturbine
mit der Verwendung eines Leitgitters.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Strömungsleitkegel an dem Leitgitter
axial verschiebbar geführt.
Der axial verschiebbare Strömungsleitkegel
ist stromaufwärts
direkt vor dem Leitgitter vorgesehen. Vorteilhafterweise ist der
kleinste Strömungsquerschnitt
des im Strömungsquerschnitt veränderbaren
Ringkanals unmittelbar vor dem Leitgitter positionierbar.
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Weitere
Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung
sowie den Zeichnungen. Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
schematisch vereinfachte Darstellung einer Brennkraftmaschine mit
einer Nutzturbine und einem Abgasturbolader und
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2 einen
Längsschnitt
einer Verbindungsleitung zwischen dem Abgasturbolader und der Nutzturbine
mit einem im Strömungsquerschnitt
veränderbaren
Ringkanal.
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In 1 ist
schematisch vereinfacht eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt,
die mit einer Nutzturbine 2 und einem Abgasturbolader 3 ausgestattet ist.
Der Abgasturbolader 3 weist eine Abgasturbine 4 und
einen Verdichter 5 auf, die über eine Welle 6 miteinander
verbunden sind. Die Abgasturbine 4 ist einem Abgastrakt 7 und
der Verdichter 5 ist einem Ansaugtrakt 8 der Brennkraftmaschine 1 zugeordnet. Die
axial angeströmte
Nutzturbine 2 ist stromab der Abgasturbine 4 vorgesehen
und über
eine Verbindungsleitung 9 mit der Abgasturbine 4 verbunden.
In der Verbindungsleitung 9 ist ein Leitgitter 10 mit
einem axial verschiebbaren Strömungsleitkegel 11 der Nutzturbine 2 zugeordnet.
Die Nutzturbine 2 ist über eine
Getriebe 12 an die Brennkraftmaschine 1 angekoppelt.
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Das
Abgas der Brennkraftmaschine 1 strömt zunächst durch die Abgasturbine 4 und
treibt über
die Welle 6 den Verdichter 5 an. Das Abgas strömt weiter durch
die Verbindungsleitung 9 an dem Strömungsleitkegel 11 vorbei
zu dem Leitgitter 10. Das Leitgitter 10 leitet
das Abgas gezielt auf die Nutzturbine 2. Das Abgas durchströmt die Nutzturbine 2 und
die Nutzturbine 2 nimmt Energie aus dem Abgas auf und gibt
sie als mechanische Leistung über
das Getriebe 12 an die Brennkraftmaschine 1 weiter.
Das Abgas gelangt weiter in eine Abgasleitung 13 und von
dort aus in die Atmosphäre.
In der Abgasleitung 13 kann eine nicht gezeigte Abgasanlage
vorgesehen sein. Der über
die Welle 6 angetriebene Verdichter 5 saugt Luft über eine
Saugleitung 14 an und stellt der Brennkraftmaschine 1 in
dem Ansaugtrakt 8 vorverdichtete Luft zur Verfügung. In
dem Ansaugtrakt 8 kann eine nicht gezeigte Ladeluft-Kühlung vorgesehen
sein.
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Die 2 zeigt
einen Längsschnitt
der Verbindungsleitung 9 mit dem erfindungsgemäßen, im Strömungsquerschnitt
veränderbaren
Ringkanal 15. In der 2 ist oberhalb
der Mittellinie 16 der Strömungsleitkegel 11 in
seiner Durchgangsstellung und unterhalb der Mittellinie 16 in
seiner Staustellung gezeigt. Es ist selbstverständlich, dass der Strömungsleitkegel 11 als
eine Einheit zwischen der Durchgangsstellung und der Staustellung
verstellbar ist. Die Verbindungsleitung 9 verbindet die
in der 2 nicht gezeigte Nutzturbine 2 mit der
in der 2 nicht gezeigten Abgasturbine 4. Die
axial angeströmte Nutzturbine 2 ist
stromabwärts
unmittelbar nach dem Leitgitter 10 angeordnet. Die Nutzturbine 2,
die Verbindungsleitung 9 und die Abgasturbine 4 weisen eine
gemeinsame Längsachse 17 auf,
die mit der in der 2 gezeigten Mittelinie 16 identisch
ist. Die Verbindungsleitung 9 ist strömungsgünstig zu gestalten.
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Die
Verbindungsleitung 9 weist einen Führungsabschnitt 18 auf,
der mit der Abgasturbine 4 verbunden ist. Der Führungsabschnitt 18 ist
rohrförmig
ausgeformt und konzentrisch zu der Längsachse 17 angeordnet.
An dem Führungsabschnitt 18 ist eine
Betätigungseinrichtung 19 für den axial
verschiebbaren Strömungsleitkegel 11 vorgesehen.
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Stromabwärts des
Führungsabschnitts 18 und
der Betätigungseinrichtung 19 folgt
ein Ringkanalabschnitt 20 der Verbindungsleitung 9.
Der Ringkanalabschnitt 20 ist vasenförmig bzw. amphorenförmig und
konzentrisch zur Längsachse 17 ausgebildet.
Ausgehend von einer Verbindungsstelle 21, an der der Führungsabschnitt 18 und
der Ringkanalabschnitt 20 der Verbindungsleitung 9 aneinander
stoßen,
nimmt ein Durchmesser des Ringkanalabschnitts 20 über etwa
dreiviertel der axialen Erstreckung des Ringkanalabschnitts 20 stetig
zu, bis der Durchmesser des Ringkanalabschnitt 20 ab dem letzten
Viertel der axialen Erstreckung des Ringkanalabschnitts 20 wieder
abnimmt. Die Einschnürung des
Ringkanalabschnitts 20 endet in einem kurzen hülsenförmigen Anschlussstück 22 der
Verbindungsleitung 9.
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Die
Verbindungsleitung 9 ist über das Anschlussstück 22 mit
der Nutzturbine 2 verbunden.
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In
dem Anschlussstück 22 ist
das Leitgitter 10 untergebracht. Das Leitgitter 10 weist
einen Leitgitterring 23 auf, über den das Leitgitter 10 mit
dem Anschlussstück 22 vorzugsweise
mittels einer nicht gezeigten Verschraubung angebracht ist. Der
Leitgitterring 23 fasst Leitgitterschaufeln 24 ein,
die radial angeordnet zwischen dem Leitgitterring 23 und
einer Leitgitternabe 25 angeordnet sind. Die Leitgitternabe 25 weist
eine konzentrisch zur Längsachse 17 eingebrachte,
stromaufwärts
gerichtete, umlaufende Nut 26 auf.
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In
der Nut 26 ist ein Hülsenabschnitt 27 des Strömungsleitkegels 11 axial
verschiebbar geführt. Die
Gestaltung bzw. Form des Strömungsleitkegels 11 entspricht
im Wesentlichen der Gestaltung bzw. Form des Ringkanalabschnitts 20,
wobei abweichend der Strömungsleitkegel 11 stromaufwärts zu einer
Spitze 28 zusammenläuft,
derart, dass der Strömungsleitkegel 11 insgesamt
eine Tropfenform aufweist.
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Zwischen
dem Ringkanalabschnitt 20 und dem Strömungsleitkegel 11 ist
der Ringkanal 15 so ausgeformt, dass in Durchgangsstellung
des Strömungsleitkegels 11 das
Abgas, wie oberhalb der Mittellinie 16 gezeigt, unbeeinflusst
durch den Ringkanal 15 zu dem Leitgitter 10 strömen kann.
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Wie
unterhalb der Mittellinie 16 gezeigt ist, ist der Strömungsleitkegel 11 stromabwärts in die
Stauposition verschoben. Der Ringkanal 15 zwischen dem
Strömungsleitkegel 11 und
dem Ringkanalabschnitt 20 ändert sich dabei derart, dass
sich der Strömungsquerschnitt
des Ringkanals 15 bis unmittelbar vor dem Leitgitter 10 zu
einem kleinsten Strömungsquerschnitt
a des Ringkanals 15 verkleinert.
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Ausgehend
von der Spitze 28 sind mindestens zwei Strömungsleitflügel 29 an
dem Strömungsleitkegel 11 angebracht,
die den Strömungsleitkegel 11 mit
einer axial im Führungsabschnitt 18 verschiebbaren
Laufbüchse 30 verbinden.
Die Laufbüchse 30 ist
in einer radialen Ausnehmung 31 einer Innenkontur 32 bzw.
Innenwandung des Führungsabschnitts 18 geführt. Die
radiale Ausnehmung 31 erstreckt sich axial etwa hälftig in
dem Führungsabschnitt 18 und bildet
in dem Führungsabschnitt 18 einen
Anschlag 33 für
die Durchgangsstellung des Strömungsleitkegels 11.
Ein Innendurchmesser der Innenkontur 32 und ein Innendurchmesser
der Laufbüchse 30 sind etwa
gleich groß.
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Die
Betätigungseinrichtung 19 für den axial verschiebbaren
Strömungsleitkegel 11 greift
an der Laufbuchse 30 an. Die Betätigungseinrichtung 19 weist
zwei Wellen 34, 35 mit einer gemeinsamen Drehachse 36 auf,
wobei die Drehachse 36 die Längsachse 17 senkrecht
schneidet. Die Wellen 34, 35 sind jeweils in einer
an dem Führungsabschnitt 18 ausgebildete
flanschartigen Lageraufnahme 37, 38 drehbar gelagert.
Die Wellen 34, 35 sind über ein nicht dargestelltes
Mittel außerhalb
des Führungsabschnittes 18 so
miteinander verbunden, dass die Wellen 34, 35 sich
gemeinsam über
einen Hebel 39 drehen lassen. Die Wellen 34, 35 ragen
etwas in den Führungsabschnitt 18 hinein
und weisen endseitig jeweils einen Nocken 40, 41 auf,
der senkrecht zur Drehachse 36 an den Wellen 34, 35 angebracht
ist. Die Nocken 40, 41 greifen jeweils in eine
nicht näher gezeigte
Kontur in der Laufbuchse 30 ein, so dass bei einer Drehbewegung
der Wellen 34, 35 bzw. der Nocken 40, 41,
die Laufbuchse 30 und damit der Strömungsleitkegel 11 axial
verschoben wird.
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In
der 2 ist unterhalb der Mittellinie 16 der
erfindungsgemäße, im Strömungsquerschnitt veränderbare
Ringkanal 15 mit dem Strömungsleitkegel 11 in
der Staustellung gezeigt. Der Strömungsleitkegel 11 kann
elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch in mehreren Stufen oder
stufenlos über
den Hebel 39 der Betätigungseinrichtung 19 axial
verstellt werden. Der kleinste Strömungsquerschnitt a des Ringkanals 15 ist
durch die Formgebung von dem Ringkanalabschnitt 20 und
durch die Formgebung des Strömungsleitkegels 11 vorgegeben,
so dass er in der Staustellung des Strömungsleitkegels 11 unmittelbar
vor dem Leitgitter 10 liegt, derart, dass das Abgas ohne
ein Absinken des Abgasdruckes und somit ohne Energieverlust aus
dem kleinsten Strömungsquerschnitt
a weiter in das Leitgitter 10 und die Nutzturbine 2 strömt.
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Durch
die Formgebung von dem Ringkanalabschnitt 20 und durch
die Formgebung des Strömungsleitkegels 11 weist
der Ringkanal 15 in der Durchgangsstellung der Strömungsleitkegels 11 keine Änderung
des Strömungsquerschnittes
auf und das Abgas strömt
unbeeinflusst durch Ringkanal 15 in das Leitgitter 10 und
die Nutzturbine 2. Bei Verstellung des Strömungsleitkegels 11 aus
seiner Durchgangsstellung in seine Staustellung verkleinert sich der
Strömungsquerschnitt
des Ringkanals 15 kontinuierlich bis der kleinste Strömungsquerschnitt
a in der Staustellung des Strömungsleitkegels 11 erreicht ist.
Der kleinste Strömungsquerschnitt
a und der Strömungsquerschnitt
in den Zwischenstellungen des Strömungsleitkegels 11 liegen
an derselben Position unmittelbar vor dem Leitgitter 10.
Das Abgas strömt
in jeder Stellung des Strömungsleitkegels 11 ohne
ein Absinken des Abgasdruckes und somit ohne Energieverlust aus
dem Ringkanal 15 in das Leitgitter 10 und die
Nutzturbine 2.
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Durch
entsprechende Gestaltung des Strömungsquerschnittes
des Ringkanals 15 ist der Abgasdruck vor der Nutzturbine 2 steigerbar.
Der Strömungsquerschnitt
des Ringkanals 15 ist in mehreren Stufen oder stufenlos
bis zu dem kleinsten Strömungsquerschnitt
a verstellbar und wirkt wie eine im Strömungsquerschnitt veränderbare
Drossel bzw. Düse,
wodurch der Abgasdruck vor dem Leitgitter 10 und der Nutzturbine 2 veränderbar
ist. Aufgrund der Drosselwirkung des verkleinerten Strömungsquerschnitts
erhöht
sich die Druckdifferenz zwischen dem Abgasdruck vor der Nutzturbine 2 und
dem Abgasdruck nach der Nutzturbine 2. Damit steht der
Nutzturbine 2 Abgas mit einem höheren Energiegehalt zur Energierückgewinnung
zur Verfügung,
wodurch sich die Leistungsabgabe an die Brennkraftmaschine 1 steigern
lässt.
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Denkbar
ist auch eine Ausführung
des erfindungsgemäßen, im
Strömungsquerschnitt
veränderbaren
Ringkanals 15 ohne Leitgitter. Der kleinste bzw. engste
Strömungsquerschnitt
des Ringkanals 15 wäre
dann unmittelbar vor der Nutzturbine 2 vorzusehen.