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Die
Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein
Verfahren zur Herstellung eines Abgasturboladers gemäß dem
Anspruch 4.
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Einhergehend
mit steigenden Emissionsgrenzwerten steigen die Anforderungen an
Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen. Lösungen
zur Reduzierung der Gesamtemissionen der Brennkraftmaschine bietet
zum einen eine Abgasrückführung, die sich allerdings
auf einen Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader
nachteilig auswirken kann, da in bestimmten Betriebspunkten dem Abgasturbolader
keine ausreichend hohe Abgasmenge zur Verfügung steht,
mit der ein geforderter Ladedruck erzielbar wäre.
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Eine
weitere negative Beeinflussung der Leistung des Abgasturboladers
ergibt sich aus einer abgasseitig und stromab des Abgasturboladers
angeordneten Abgasnachbehandlungseinheit, beispielsweise ein Rußfilter.
Aufgrund der Abgasnachbehandlungseinheit ergibt sich eine Druckerhöhung an
einem Austritt des Abgasturboladers. Diese bewirkt die Reduzierung
eines die Leistung des Abgasturboladers beschreibenden Turbinendruckgefälles, wobei
das Turbinendruckgefälle als Quotient eines Druckes vor
einem Turbinenrad des Abgasturboladers und eines Druckes nach dem
Turbinenrad ermittelbar ist. Das Turbinenrad ist im Abgasführungsabschnitt
drehbar gelagert.
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Maßgebend
für den Druck vor dem Turbinenrad ist generell ein Düsenquerschnitt,
welcher als Übergang von einem Spiralkanal des Abgasführungsabschnitts
auf eine das Turbinenrad aufnehmende Radkammer ausgebildet ist.
Je kleiner dieser Düsenquerschnitt ausgebildet ist, desto
größer ist der vor dem Turbinenrad anliegende
Druck.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE 10 2005 021 172 A1 geht ein Abgasturbolader
hervor, welcher einen zweiflutig ausgestalteten Abgasführungsabschnitt
aufweist, d. h. der Abgasführungsabschnitt des Abgasturboladers
weist einen ersten Spiralkanal und eine zweiten Spiralkanal auf.
Die Spiralkanäle sind mit Hilfe einer Zwischenwandung voneinander getrennt.
Zur Gestaltung der Spiralform der Spiralkanäle weisen der
erste Spiralkanal eine erste Zunge mit einem ersten Zungenende beziehungsweise
der zweite Spiralkanal eine zweite Zunge mit einem zweiten Zungenende
auf. Bezogen auf eine Drehachse des Laufzeugs weisen diese Zungenenden
einen ersten kleinsten Radius beziehungsweise einen zweiten kleinsten
Radius auf. Zur kostengünstigen Herstellung des Abgasführungsabschnitts
im Gussverfahren weist die Zwischenwandung bezogen auf die Drehachse
einen dritten kleinsten Radius auf, welcher größer
ist als der erste und/oder der zweite kleinste Radius.
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Der
Abgasführungsabschnitt mit zwei Spiralkanälen
weist somit einen ersten Düsenquerschnitt und einen zweiten
Düsenquerschnitt auf, die in Abhängigkeit der
Zwischenwandung ausgebildet sind. Je kleiner mindestens einer dieser
Düsenquerschnitte ausgestaltet ist, desto höher
ist der erzielbare Druck vor dem Turbinenrad.
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Die
Düsenquerschnitte sind entsprechend den Anforderungen an
den Abgasturbolader zu dimensionieren. Im Falle einer Abgasrückführung
sind diese Düsenquerschnitte idealerweise asymmetrisch ausgelegt,
wobei der Düsenquerschnitt dessen Spiralkanal mit einem
Abgasrückführsystem verbunden ist, kleiner ausgelegt
ist als der andere Düsenquerschnitt. Damit ist auch bei
geringer Abgasmasse infolge einer hohen Abgasrückführrate
ein hoher Druck stromauf des Turbinenrades erzielbar.
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Verfahrenstechnisch
bedingt sind die Düsenquerschnitte allerdings in Abhängigkeit
entsprechender fertigungstechnischer Toleranzen des Gussverfahrens
nur bis zu einer bestimmten Größe herstellbar,
welche den heutigen Anforderungen nicht genügt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Abgasturbolader
für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, mit Hilfe
dessen hohen Abgasrückführraten bei einer hoher
Abgasturboladerleistung realisierbar ist. Ferner ist es Aufgabe
ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Abgasturboladers anzugeben.
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Diese
Aufgaben werden mit einem Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren zur Herstellung
des Abgasturboladers mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.
Die Unteransprüche geben zweckmäßige
Weiterbildungen an.
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Der
erfindungsgemäße Abgasturbolader für eine
Brennkraftmaschine weist einen Abgasführungsabschnitt mit
einem ersten Spiralkanal und einem zweiten Spiralkanal auf, wobei
bezogen auf eine Drehachse eines Laufzeugs des Abgasturboladers ein
erster kleinster Radius eines Zungenendes einer ersten Zunge des
ersten Spiralkanals und/oder ein zweiter kleinster Radius eines
Zungenendes einer zweiten Zunge des zweiten Spiralkanals größer
ausgebildet ist als ein dritter kleinster Radius einer den ersten
Spiralkanal vom zweiten Spiralkanal trennenden Zwischenwandung.
Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass mit dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung
des Abgasführungsabschnitts ein Abgasführungsabschnitt
herstellbar ist, welcher entsprechend kleine Düsenquerschnitte
aufweist, damit selbst bei hohen Abgasrückführraten
eine hohe Abgasturboladerleistung realisierbar ist. Der Abgasführungs abschnitt
ist nun mit einer entsprechend dimensionierten Bearbeitungszugabe
in einem relevanten Düsenquerschnittsbereich eines ersten
Düsenquerschnitts des ersten Spiralkanals und eines zweiten Düsenquerschnitts
des zweiten Spiralkanals herzustellen, so dass durch eine nachfolgende
Bearbeitung des entsprechenden Düsenquerschnittsbereichs
die Herstellung eines kleinstmöglichen Düsenquerschnitts
realisierbar ist. Mit Hilfe des kleinstmöglichen Düsenquerschnitts
ist auch bei hohen Abgasrückführraten eine hohe
Abgasturboladerleistung erzielbar.
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In
einer Ausgestaltung entspricht der kleinste erste Radius dem kleinsten
zweiten Radius, wodurch eine einfache und kostengünstige
Bearbeitung der Spiralkanäle möglich ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist zur kostengünstigen Bearbeitung
ein relevanter erster Düsenquerschnittsbereich des ersten
Spiralkanals und/oder ein relevanter zweiter Düsenquerschnittsbereich
des zweiten Spiralkanals mit Hilfe eines Trennverfahrens herstellbar,
wobei das Trennverfahren vorteilhafterweise ein zerspanendes Verfahren, insbesondere
ein Drehverfahren ist.
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In
dem Verfahren zur Herstellung des Abgasturboladers gemäß den
Ansprüchen 1 bis 5 wird erfindungsgemäß der
Abgasführungsabschnitt in einem ersten Schritt in einem
Gussverfahren hergestellt und in einem zweiten Schritt erfolgt eine
Bearbeitung des ersten und des zweiten Spiralkanals sowie der Zwischenwandung
mit Hilfe eines Trennverfahrens. Das Trennverfahren ermöglicht
die Herstellung eines kleinstmöglichen Düsenbereiches.
Der Vorteil des Trennverfahrens, insbesondere wenn es sich dabei
um ein zerspanendes Verfahren wie das Drehverfahren oder ein abtragendes
Verfahren wie das Laserschneiden handelt, ist in der Realisierung kleinster
Toleranzen zu sehen.
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Insbesondere
kostengünstig ist das Verfahren bei gleichzeitiger Bearbeitung
einer Oberfläche der Radkammer.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
der Erfindung sind den Ansprüchen, der Figurenbeschreibung
und den Zeichnungen zu entnehmen. Dabei zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Abgasturbolader,
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2 in
einem Längsschnitt einen Abgasführungsabschnitt
des Abgasturboladers gemäß dem Stand der Technik,
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3 in
einem Längsschnitt den Abgasführungsabschnitt
des erfindungsgemäßen Abgasturboladers und
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4 in
einer Prinzipdarstellung einen Ausschnitt des Abgasführungsabschnitts
gemäß 3.
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In
den Figuren sind alle gleichen oder gleich wirkenden Bauteile mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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Die
in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 weist
einen Frischluftstrang 2 und einen Abgastrakt 3 auf.
Im Betrieb saugt die Brennkraftmaschine 1 über
den Frischluftstrang 2 Verbrennungsluft an, die nach einer
unter Zufuhr von Kraftstoff erfolgten Verbrennung in der Brennkraftmaschine 1 als
Abgas über den Abgastrakt 3 abgeführt
wird.
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Der
Frischluftstrang 2 weist eine Ladeluftleitung 4 auf,
welche an ihrem der Brennkraftmaschine 1 zugewandt angeordneten
Ende mit der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist. Stromauf
der Brennkraftmaschine 1 ist zweckmäßigerweise
in der Ladeluft leitung 4 ein Ladeluftkühler 5 zur
Kühlung angesaugter Verbrennungsluft angeordnet.
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Der
Abgastrakt 3 weist eine Abgasleitung 6 mit einem
ersten Abgasstrang 6a und einem zweiten Abgasstrang 6b auf,
wobei der erste Abgasstrang 6a an seinem der Brennkraftmaschine 1 zugewandt
angeordneten Ende mit einem ersten Abgaskrümmer 7 der
Brennkraftmaschine 1 und der zweite Abgasstrang 6b an
seinem der Brennkraftmaschine 1 zugewandt angeordneten
Ende mit einem zweiten Abgaskrümmer 8 der Brennkraftmaschine 1 verbundenen ist.
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An
einem von der Brennkraftmaschine 1 abgewandt angeordneten
Ende der Abgasleitung 6 ist zur Abgasnachbehandlung eine
Abgasnachbehandlungseinheit 9 angeordnet, welches in Form
eines Rußfilters und/oder Katalysators und/oder SCR-Anlage
ausgebildet ist.
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Des
Weiteren ist der Brennkraftmaschine 1 eine Regel- und Steuereinheit 10 zur
Regelung und Steuerung zahlreicher Funktionen zugeordnet. Über die
Regel- und Steuereinheit 10 ist insbesondere die Kraftstoffzufuhr
regelbar.
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Die
Brennkraftmaschine 1 weist weiterhin ein Abgasrückführsystem 41 auf,
wobei stromab des ersten Abgaskrümmers 7 zur Abgasrückführung
die Abgasleitung 6a mit der Ladeluftleitung 4 mit
Hilfe einer Abgasrückführleitung 42 verbunden
ist. Die Abgasrückführleitung 42 weist
ein Abgasrückführventil 43 und ein vorzugsweise
stromab des Abgasrückführventils 43 angeordneter
Abgaskühler 44 auf.
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Der
Brennkraftmaschine 1 ist ein Abgasturbolader 11 zugeordnet,
welcher ein Gehäuse 12 aufweist, das einen durchströmbaren
Abgasführungsabschnitt 13, einen durchströmbaren
Luft führungsabschnitt 14 und einen Lagerabschnitt 15 umfasst,
wobei der Luftführungsabschnitt 14 im Frischluftstrang 2 und
der Abgasführungsabschnitt 13 im Abgastrakt 3 angeordnet
ist. Der Lagerabschnitt 15 ist zwischen dem Luftführungsabschnitt 14 und
dem Abgasführungsabschnitt 13 positioniert.
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Der
Abgasturbolader 11 weist ein im Gehäuse 12 gelagertes
Laufzeug 16 auf, welches ein Verdichterrad 17 zum
Ansaugen und Verdichten von Verbrennungsluft, ein Turbinenrad 18 zur
Expansion von Abgas und eine das Verdichterrad 17 mit dem
Turbinenrad 18 drehfest verbindende Welle 19 mit
einer Drehachse 20 umfasst. Das Verdichterrad 17 ist
im Luftführungsabschnitt 14, das Turbinenrad 18 ist
im Abgasführungsabschnitt 13 und die Welle 19 ist
im Lagerabschnitt 15 drehbar angeordnet.
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In
einer Variante des Abgasturboladers 11 weist der Luftführungsabschnitt 14 eine
so genannte variabler Verdichtergeometrie auf, welche eine Vorrichtung
zur Veränderung einer Verdichtergeometrie ist.
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Der
in 2 dargestellte Abgasführungsabschnitt 13 gemäß dem
Stand der Technik ist zweiflutig ausgestaltet und weist einen ersten
Spiralkanal 21 und einen zweiten Spiralkanal 22 auf,
wobei der erste Spiralkanal 21 mit Hilfe einer Zwischenwandung 23 vom
zweiten Spiralkanal 22 getrennt ist. Stromauf des ersten
Spiralkanals 21 und des zweiten Spiralkanals 22 ist
ein erster Turbineneintritt 24 beziehungsweise ein nicht
näher dargestellter zweiter Turbineneintritt ausgebildet,
welcher mit dem ersten Abgasstrang 6a beziehungsweise dem
zweiten Abgasstrang 6b verbunden ist.
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Stromab
der Spiralkanäle 21, 22 ist im Abgasführungsabschnitt 13 eine
Radkammer 26 ausgebildet, in welcher das Turbinenrad 18 drehbar
positioniert ist. Stromab der Radkammer 26 ist zum Entweichen
des Abgases aus dem Abgasführungsabschnitt 13 ein
Turbinenaustritt 27, im Allgemeinen senkrecht zur Drehachse 20,
angeordnet.
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Zur
Gestaltung der Spiralform des ersten Spiralkanals 21 beziehungsweise
des zweiten Spiralkanals 22 weist der erste Spiralkanal 21 eine
erste Zunge 28 mit einem ersten Zungenende 29 beziehungsweise
der zweite Spiralkanal 22 eine zweite Zunge 30 mit
einem zweiten Zungenende 31 auf. Wie in 2 dargestellt,
ist ein erster kleinster Radius rSZ1 des ersten Zungenendes 29 beziehungsweise ein
zweiter kleinster Radius rSZ2 des zweiten Zungenendes 31 kleiner
als ein dritter kleinster Radius rZW der Zwischenwandung 23,
jeweils ausgehend von der Drehachse 20. Diese Darstellung
entspricht dem Stand der Technik, wodurch eine verfahrenstechnisch
günstige Gestalt des Abgasführungsabschnitts 13 zur
Herstellung im üblichen Gussverfahren realisiert ist.
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Die
Spiralkanäle 21, 22 weisen stromab der Zungen 28, 30 einen
ersten Düsenquerschnitt 32 beziehungsweise einen
zweiten Düsenquerschnitt 33 auf. Diese Düsenquerschnitte 32, 33 bestimmen maßgeblich
einen Druck vor dem Turbinenrad 18.
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Zur
Erzielung einer hohen Abgasturboladerleistung bei einer hohen Abgasrückführrate
ist es erforderlich den ersten Düsenquerschnitt 32,
welcher mit der Abgasrückführleitung 42 in
Verbindung steht, so klein wie möglich zu gestalten.
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In 3 ist
der Abgasführungsabschnitt 13 des erfindungsgemäßen
Abgasturboladers 11 dargestellt. Der Radius rZW der Zwischenwandung 23, ausgehend
von der Drehachse 20 ist kleiner als der kleinste Radius
rSZ1 beziehungsweise kleiner als der kleinste Radius rSZ2.
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Die 4 zeigt
einen Ausschnitt aus dem Abgasführungsabschnitt 13 des
erfindungsgemäßen Abgasturboladers 11.
Eine erste Kontur 34, strichpunktiert dargestellt, des
ersten Spiralkanals 21, des zweiten Spiralkanals 22 sowie
der Zwischenwandung 23 entspricht einer Grobkontur nach
der Herstellung des Abgasführungsabschnitts 13 im
Gussverfahren.
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Eine
zweite Kontur 35, durchgezogen liniert dargestellt, des
ersten Spiralkanals 21, des zweiten Spiralkanals 22 sowie
der Zwischenwandung 23 entspricht einer Endkontur nach
der Fertigbearbeitung des Abgasführungsabschnitts 13 mit
Hilfe eines zerspanenden Trennverfahrens, insbesondere mit Hilfe eines
Drehverfahrens.
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Der
Herstellungsprozess des Abgasführungsabschnitts 13 bezogen
auf die Formgebung im Bereich der Düsenquerschnitte 32, 33 erfolgt
somit in zwei Schritten:
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1.
Schritt: Die Herstellung des Abgasführungsabschnitts 13 im
Gussverfahren, wobei insbesondere eine entsprechende Materialzugabe
im Bereich der Düsenquerschnitte 32, 33 zur
nachfolgenden Bearbeitung mit Hilfe eines Trennverfahrens einzukalkulieren
ist, und
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2.
Schritt: Die Fertigstellung des Abgasführungsabschnitts 13 im
Bereich der Düsenquerschnitte 32, 33 mit
Hilfe des Trennverfahrens, wobei idealerweise die Bearbeitung in
einem zerspanenden oder abtragenden Verfahren, bevorzugterweise
in einem Drehverfahren oder Laserschneideverfahren erfolgt.
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Die
Bearbeitung der Düsenquerschnitte 32, 33 mit
Hilfe des Trennverfahrens erfolgt idealerweise gleichzeitig mit
der Bearbeitung einer Oberfläche 36 der Radkammer 26.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A1 [0005]