DE102007011508A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasturbine und Abgasrückführung - Google Patents

Brennkraftmaschine mit Abgasturbine und Abgasrückführung Download PDF

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Abstract

Brennkraftmaschine (1) mit einer im Abgasstrang (4) angeordneten Abgasturbine (3) und einer Abgasrückführung (9), wobei der Abgasstrang (4) eine erste und eine zweite Abgasleitung (4a, 4b) aufweist, die Abgasrückführung (9) mit einer der Abgasleitungen (4a) verbunden ist und ein Turbinengehäuse (18) der Abgasturbine (3) eine erste Flut (16), die mit der ersten Abgasleitung (4a) verbunden ist, und eine zweite Flut (17), die mit der zweiten Abgasleitung (4b) verbunden ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Turbinenrad (19) der Abgasturbine (3) mit einer ersten und einer zweiten Turbinenradschaufel (20, 21) versehen ist, die in axialer Richtung des Turbinenrades (19) auf einander abgewandten Seiten ausgebildet sind, wobei die erste Flut (16) einen Abgasstrom der ersten Abgasleitung (4a) zur ersten Turbinenradschaufel (20) leitet und die zweite Flut (17) einen Abgasstrom der zweiten Abgasleitung (4b) zur zweiten Turbinenradschaufel (21) leitet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbine und Abgasrückführung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Eine derartige Brennkraftmaschine ist zum Beispiel aus der DE 10 2005 021 172 A1 der Anmelderin bekannt. Diese Brennkraftmaschine weist insbesondere eine im Abgasstrang angeordnete Abgasturbine als Teil eines Abgasturboladers und eine mit dem Abgasstrang verbundene Abgasrückführung (AGR) auf. Der Abgasstrang enthält zwei Abgasleitungen, die jeweils mit den Zylinderauslässen einer Zylinderbank der Brennkraftmaschine verbunden sind. Das Turbinengehäuse der Abgasturbine ist mit einer ersten und einer zweiten Flut ausgebildet, die mit der ersten bzw. der zweiten Abgasleitung verbunden sind und jeweils einen Abgasstrom zum Turbinenrad der Abgasturbine leiten. Die Abgasrückführung ist an die eine Abgasleitung angeschlossen, die mit der kleineren Flut der Abgasturbine verbunden ist. Zusätzlich sind die beiden Abgasleitungen über eine Überbrückungsleitung stromauf der Abgasturbine und stromab der Abgasrückführungsleitung miteinander verbunden, um den Abgasturbolader besser an die verschiedenen Betriebszustände der Brennkraftmaschine anpassen zu können.
  • Es ist bei einer derart aufgebauten herkömmlichen Brennkraftmaschine bekannt, dass die kleinere Flut der asymmetrischen Abgasturbine einen geringeren Turbinenwirkungsgrad aufweist. Dieser geringere Wirkungsgrad ist durch den niedrigeren Reaktionsgrad der Abgasturbine bei den geringeren Abgasmassenströmen der kleinen Flut begründet. Der Nachteil dieses geringeren Turbinenwirkungsgrades tritt insbesondere dann auf, wenn bei bestimmten Betriebspunkten der Brennkraftmaschine eine Verschaltung beider Abgasleitungen auf die kleine Flut erfolgt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die oben beschriebenen Nachteile eines geringeren Turbinenwirkungsgrades der kleinen Flut vermieden oder zumindest deutlich vermindert werden.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist eine im Abgasstrang angeordnete Abgasturbine und eine Abgasrückführung auf, wobei der Abgasstrang eine erste und eine zweite Abgasleitung aufweist, die Abgasrückführung mit einer der Abgasleitungen verbunden ist und ein Turbinengehäuse der Abgasturbine eine erste Flut, die mit der ersten Abgasleitung verbunden ist, und eine zweite Flut, die mit der zweiten Abgasleitung verbunden ist, aufweist. Das Turbinenrad der Abgasturbine ist ferner mit einer ersten und einer zweiten Turbinenradschaufel versehen, die in axialer Richtung des Turbinenrades auf einander abgewandten Seiten ausgebildet sind, wobei die erste Flut einen Abgasstrom der ersten Abgasleitung zur ersten Turbinenradschaufel leitet und die zweite Flut einen Abgasstrom der zweiten Abgasleitung zur zweiten Turbinenradschaufel leitet.
  • Durch die Kombination einer asymmetrischen Abgasturbine mit zwei Fluten und zwei Turbinenradschaufeln und des Anschlusses der Abgasrückführung an eine Abgasleitung (üblicherweise die mit der kleinen Flut verbundene) besteht die Möglichkeit, die Turbinenradschaufel der (kleinen) Flut, die mit der Abgasrückführung gekoppelt ist, optimal auszulegen und damit den Turbinenwirkungsgrad auch auf der Seite der (kleinen) Flut zu verbessern. Die Turbinenradschaufel bildet zusammen mit dem Aufstauverhalten der (kleinen) Flut praktisch die AGR-Pumpe auf der Hochdruckseite der Abgasrückführung.
  • Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Brennkraftmaschine gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine schematische Teilschnittdarstellung einer Abgasturbine der Brennkraftmaschine von 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 3 eine schematische Teilschnittansicht der Abgasturbine in einem weiteren Ausführungsbeispiels.
  • 1 zeigt in schematischer und vereinfachter Darstellungsweise eine Brennkraftmaschine 1 (Dieselmotor, Ottomotor) mit einem Abgasturbolader 2. Der Abgasturbolader 2 hat in an sich bekannter Weise eine Abgasturbine 3 im Abgasstrang 4 der Brennkraftmaschine 1 sowie einen Verdichter 5 im Ansaugtrakt 6 der Brennkraftmaschine 1, die über eine Welle 7 miteinander gekoppelt sind.
  • Der Abgasstrang 4 enthält eine erste Abgasleitung 4a und eine zweite Abgasleitung 4b, die jeweils mit Zylinderauslässen einer ersten bzw. einer zweiten Zylinderbank 1a, 1b der Brennkraftmaschine 1 verbunden sind. Die Abgasströme der Brennkraftmaschine 1 werden über diese zwei Abgasleitungen 4a, 4b den zwei Fluten der später zu beschreibenden asymmetrisch gestalteten Abgasturbine 3 zugeführt.
  • Die Brennkraftmaschine 1 weist ferner eine Abgasrückführung (AGR) 9 auf, die eine Abgasrückführungsleitung 10, einen Abgaskühler 11 und ein AGR-Ventil 12 umfasst. Die Abgasrückführungsleitung 10 verbindet die erste Abgasleitung 4a des Abgasstrangs 4 mit dem Ansaugtrakt 6 stromab eines Ladeluftkühlers 8. Die beiden Abgasleitungen 4a, 4b sind ferner über ein geeignetes Steuerelement 13 mit einer Bypassleitung 14 zur Umgehung der Abgasturbine 3 verbunden. Obwohl nicht dargestellt, können die beiden Abgasleitungen 4a, 4b auch noch über eine Überbrückungsleitung miteinander verbunden sein, wie dies z.B. aus der DE 10 2005 021 172 A1 bekannt ist.
  • Die verschiedenen Steuerelemente der Brennkraftmaschine werden über eine geeignete Motorsteuerung 15 gesteuert, die hierzu auch mit der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist.
  • Bezug nehmend auf 2 wird nun der Aufbau einer Abgasturbine 3 des Abgasturboladers 2 näher erläutert, wie er für die oben beschriebene Brennkraftmaschine 1 eingesetzt werden kann.
  • Die Abgasturbine 3 ist asymmetrisch ausgestaltet und weist eine erste (kleine) Flut 16 und eine zweite (große) Flut 17 auf, die in einem Turbinengehäuse 18 ausgebildet sind. Die kleine Flut 16 ist mit der ersten Abgasleitung 4a verbunden, an welche die Abgasrückführung 9 angeschlossen ist, und die große Flut 17 ist mit der zweiten Abgasleitung 4b verbunden.
  • Das im Turbinengehäuse 18 angeordnete Turbinenrad 19 weist eine erste Turbinenradschaufel 20 und eine zweite Turbinenradschaufel 21 auf, die in axialer Richtung des Turbinenrades auf einander abgewandten Seiten angeordnet sind. Die erste Flut 16 leitet den Abgasstrom der ersten Abgasleitung 4a über einen radialen Einströmkanal auf die erste Turbinenradschaufel 20, und die zweite Flut 17 leitet den Abgasstrom der zweiten Abgasleitung 4b über einen radialen Einströmkanal auf die zweite Turbinenradschaufel 21. Die Abgasturbine 3 ist ferner mit entsprechenden ersten und zweiten Abströmkanälen 22, 23 versehen.
  • Die Abgasturbine 3 ist somit eine Kombination eines asymmetrischen Turbinengehäuses 18 mit erster und zweiter Flut 16, 17 und eines asymmetrischen Turbinenrades 19 mit erster und zweiter Turbinenradschaufel 20, 21.
  • Bei der anhand von 1 und 2 veranschaulichten Brennkraftmaschine ist die Abgasrückführung 9 an die kleine Flut 16 mit entsprechend geringerem Massendurchsatz angeschlossen. Diese kleine Flut 16 steht aber mit einer eigenen Turbinenradschaufel 20 der asymmetrischen Abgasturbine 3 in Verbindung, welche entsprechend wirkungsgradgünstig ausgelegt werden kann. Auf diese Weise kann der Turbinenwirkungsgrad bei einer Beaufschlagung der kleinen Flutseite, die mit der Abgasrückführung gekoppelt ist, deutlich angehoben werden, da sowohl die Zuströmung im Eintritt als auch die Beschleunigung in der Abgasturbine verbessert werden. Beiden Fluten 16, 17 steht eine Radialtrubine zur Verfügung, die optimal ausgelegt werden kann.
  • Das Aufstauverhalten der kleinen Flut 16 und die relativ kleinen Kanalquerschnitte im Nabenkörper des Turbinenrades 19 bilden zusammen mit dem Motorverhalten praktisch die AGR-Pumpe auf der Hochdruckseite des AGR-Systems. Die Basisturbine ist bei Beaufschlagung der kleinen Flutseite 16 praktisch eine Impulsturbine mit niederen Wirkungsgraden.
  • Zum Vergleich zeigt 3 den Aufbau einer weiteren Abgasturbine 3 mit asymmetrischem Turbinengehäuse 18 als Vergleichsbeispiel. Dabei sind gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern wie bei dem Ausführungsbeispiel von 2 gekennzeichnet.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Abgasturbine 3 gem. 3 ist bei dieser Abgasturbine 3 die erste Turbinenradschaufel 20 am Turbinenrad 19 derart angeordnet, dass ein ringförmiger Durchbruch in Form eines Ringkanals an einem von der zweiten Turbinenradschaufel 21 abgewandt angeordneten Radrücken 30 vorliegt, wie dies z.B. aus der DE 10 2005 019 937 B3 bekannt ist. Die erste kleine Flut 16 leitet den Abgasstrom der ersten Abgasleitung 4a über ein zusätzliches Drallgitter 24 in axialer Richtung der Turbinenradschaufel 20 zu, während die zweite große Flut 17 den Abgasstrom der zweiten Abgasleitung 4b in radialer Richtung der Turbinenradschaufel 21 zuleitet.

Claims (1)

  1. Brennkraftmaschine mit einer im Abgasstrang (4) angeordneten Abgasturbine (3) und einer Abgasrückführung (9), wobei der Abgasstrang (4) eine erste und eine zweite Abgasleitung (4a, 4b) aufweist, die Abgasrückführung (9) mit einer der Abgasleitungen (4a) verbunden ist und ein Turbinengehäuse (18) der Abgasturbine (3) eine erste Flut (16), die mit der ersten Abgasleitung (4a) verbunden ist, und eine zweite Flut (17), die mit der zweiten Abgasleitung (4b) verbunden ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Turbinenrad (19) der Abgasturbine (3) mit einer ersten und einer zweiten Turbinenradschaufel (20, 21) versehen ist, die in axialer Richtung des Turbinenrades (19) auf einander abgewandten Seiten ausgebildet sind, wobei die erste Flut (16) einen Abgasstrom der ersten Abgasleitung (4a) zur ersten Turbinenradschaufel (20) leitet und die zweite Flut (17) einen Abgasstrom der zweiten Abgasleitung (4b) zur zweiten Turbinenradschaufel (21) leitet.
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EP2921688A1 (de) * 2014-03-20 2015-09-23 ABB Turbo Systems AG Aufladesystem mit Abgas-Rezirkulation
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