-
Die
Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine eines
Kraftfahrzeugs der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen
Art sowie eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Otto- und/oder
Dieselmotor, für
ein Kraftfahrzeug der im Oberbegriff des Patentanspruchs 9 angegebenen
Art.
-
Durch
die fortwährende
Verschärfung
der Emissionsgrenzwerte, beispielsweise der NOX-
und Rußemissionsgrenzwerte,
steigen auch die Anforderungen an Abgasturbolader bzw. an aufgeladene Brennkraftmaschinen.
So ergeben sich beispielsweise wachsende Anforderungen hinsichtlich
der Ladedruckbereitstellung über
mittlere bis hohe Lastanforderungsbereiche der Brennkraftmaschine,
wodurch Abgasturbolader geometrisch zunehmend verkleinert werden
müssen.
Die geforderten hohen Turbinenleistungen von Abgasturboladern werden
mit anderen Worten durch eine Steigerung der Aufstaufähigkeit bzw.
durch die Reduktion der Schluckfähigkeit
der Abgasturbolader im Zusammenspiel mit der jeweiligen Brennkraftmaschine
realisiert, was jedoch zu geringeren Wirkungsgraden führt. Eine
weitere Beeinflussung der Leistung von Abgasturboladern ergibt sich
durch im Abgastrakt stromab der Turbine angeordnete Abgasnachbehandlungssysteme
wie beispielsweise Rußfilter,
Katalysatoren oder SCR-Anlagen. Diese Abgasnachbehandlungssysteme
führen zu
einer Druckerhöhung
an einem Abgasaustritt des Abgasturboladers. Dies bewirkt eine Reduzierung
eines die Leistung des Abgasturboladers beschreibenden Turbinendruckgefälles, wobei
das Turbinendruckgefälle
als Quotient eines Druckes vor dem Turbinenrad bzw. einem Abgaseintritt
des Turbinengehäuses
und eines Druckes nach dem Turbinenrad bzw. eines Abgasaustritts
des Turbinengehäuses
ermittelbar ist. Auch aus diesem Grund muss die Turbinengröße nochmals
zu kleineren Werten und damit geringeren Wirkungsgraden ausgelegt
werden, um die Leistungsanforderung der Verdichterseite des Abgasturboladers
befriedigen zu können.
Eine gewisse Verbesserung bieten hierbei aus dem Stand der Technik
bekannte Abgasturbolader, deren Turbinengehäuse zwei unabhängig voneinander
durchströmbare
und üblicherweise
asymmetrisch ausgebildete Spiralkanäle umfassen, die jeweils mit
unterschiedlichen Abgasleitungen eines Abgastrakts der Brennkraftmaschine
gekoppelt werden. Die Abgasleitungen sind dabei ihrerseits unterschiedlichen
Zylindern bzw. Zylindergruppen der Brennkraftmaschine zugeordnet.
Der Abgasturbolader kann hierbei für eine sogenannte Stoßaufladung
ausgebildet sein, indem die Spiralkanäle vergleichsweise große Strömungsquerschnitte
für die
Verwertung der in den Ausstoßtakten
der einzelnen Zylinder erzeugten Druckpulsationen im Abgasstrom
aufweisen. Dies ermöglicht
es, ein innerhalb eines Aufnahmeraums des Turbinengehäuses angeordnetes
Turbinenrad derart mit Abgas zu beaufschlagen, dass ein Teil der
ansonsten nicht nutzbaren Expansionsenergie der Zylinder zurückgewonnen
werden kann und somit der Gesamtwirkungsgrad des Abgasturboladers
verbessert wird. Ein über
eine Lagerwelle drehfest mit dem Turbinenrad gekoppeltes Verdichterrad
des Abgasturboladers kann in Folge mit einer verbesserten Leistung
betrieben werden, so dass auch in mittleren Last- und Drehzahlbereichen
der Brennkraftmaschine eine entsprechend verbesserte Frischluftlieferung an
die Zylinder bzw. Zylindergruppen ermöglicht ist.
-
Bei
den Auslegungsrandbedingungen von Abgasturboladern, die üblicherweise
vom Nennpunkt, der Ladungswechselseite und der Verbrauchsseite der
Brennkraftmaschine her definiert werden, kann jedoch auch durch
derartige Abgasturbolader mit zwei Spiralkanälen insbesondere der untere
Last- und Drehzahlbereich von Brennkraftmaschinen nicht optimal
bedient werden.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine
bzw. eine Brennkraftmaschine mit einem derartigen Abgasturbolader
bereitzustellen, welche eine Wirkungsgradverbesserung in einem größeren Betriebsbereich
ermöglichen.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
einen Abgasturbolader für
eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 sowie durch eine Brennkraftmaschine, insbesondere
einen Otto- und/oder Dieselmotor, für ein Kraftfahrzeug mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
mit zweckmäßigen und
nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen
Unteransprüchen
angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Abgasturboladers
als vorteilhafte Ausgestaltungen der Brennkraftmaschine und umgekehrt
anzusehen sind.
-
Ein
Abgasturbolader, welcher eine Wirkungsgradverbesserung in einem
größeren Betriebsbereich
ermöglicht,
ist erfindungsgemäß dadurch
geschaffen, dass wenigstens einer der Spiralkanäle zumindest zwei fluidisch
getrennte Spiralsegmentkanäle
umfasst, die mit unterschiedlichen Abgasleitungen der Brennkraftmaschine
koppelbar sind. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
dass wenigstens einer der Spiralkanäle in wenigstens zwei Spiralsegmentkanäle aufgeteilt
ist, welche ihrerseits mit unterschiedlichen Abgasströmen gespeist
werden können.
Auf diese Weise ist ein Abgasturbolader mit einer wenigstens dreiflutig
ausgebildeten Turbine geschaffen, welcher über die Spiralsegmentkanäle einen
Stoßaufladungs-Betrieb
mit einer effektiveren Nutzung der Expansionsarbeit einzelner Zylinder bzw.
Zylindergruppen ermöglicht.
Hierdurch können im
Gegensatz zum Stand der Technik auch untere Last- und Drehzahlbereiche
der Brennkraftmaschine optimal bedient werden, so dass eine erhebliche
Wirkungsgradverbesserung über
einen größeren Betriebsbereich
der Brennkraftmaschine gewährleistet ist.
Die Anzahl der Spiralsegmentkanäle
kann dabei an eine Anzahl an Zylinder bzw. Zylindergruppen angepasst
sein. Ebenso kann vorgesehen sein, dass beide Spiralkanäle über zwei
oder mehr Spiralsegmentkanäle
verfügen.
Alternativ oder zusätzlich
kann vorgesehen sein, dass die Turbine des Abgasturboladers drei
oder mehr Spiralkanäle
umfasst.
-
Dabei
hat es sich als vorteilhaft gezeigt, dass die Spiralsegmentkanäle symmetrieäquivalent und/oder
rotationssymmetrisch bezüglich
einer Drehachse des Turbinenrads ausgebildet sind. Dies ermöglicht einerseits
eine einfache und kostengünstige Herstellung
des Abgasturboladers unter optimaler Raumausnutzung. Andererseits
können
die Spiralsegmentkanäle
auf diese Weise derart um das Turbinenrad angeordnet werden, dass
dieses möglichst kontinuierlich
mit den durch die unterschiedlichen Abgasleitungen geführten Abgasströmen beaufschlagbar
ist und einen entsprechend hohen Wirkungsgrad ermöglicht.
-
Weitere
Vorteile ergeben sich, indem Strömungsmündungen
der Spiralsegmentkanäle
in den Aufnahmeraum im Querschnitt kreisbogenartig ausgebildet und
mit gleichen Umfangswinkeln um die Drehachse des Turbinenrads angeordnet
sind. Hierdurch kann den durch die Spiralsegmentkanäle geführten Abgasströmen gleichmäßig der
gewünschte Vordrall
aufgeprägt
und das Turbinenrad mit einem hohen Wirkungsgrad angeströmt werden.
Zudem ist auf diese Weise eine optimale Ausnutzung des verfügbaren Bauraums
innerhalb des Turbinengehäuses
gegeben.
-
Dabei
hat es sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, dass stromauf des
Turbinenrads und stromab wenigstens eines Spiralkanals und/oder
eines Spiralsegmentkanals ein Leitgitterelement im Turbinengehäuse angeordnet
ist. Ein derartiges Leitgitterelement erlaubt eine Druckerhöhung vor
dem Turbinenrad des Abgasturboladers, so dass selbst bei einem geringen
Durchsatz von Abgas ein verbesserter Wirkungsgrad des Abgasturboladers
erzielt wird.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Leitgitterelement zum Einstellen einer Strömungsfläche, insbesondere
translatorisch und/oder rotatorisch, bewegbar im Turbinengehäuse gelagert
ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Leitgitterelement während einer
Motorbremsphase der Brennkraftmaschine in den Spiralkanal bzw. Spiralsegmentkanal
bewegt wird, so dass der Abgasturbolader als sogenannte „Turbobrake” eingesetzt
werden kann. Alternativ oder zusätzlich
kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Leitgitterelement während einer
Befeuerungsphase der Brennkraftmaschine in oder aus dem Spiralkanal
bzw. dem Spiralsegmentkanals bewegt wird, wodurch eine optimale
Anpassbarkeit der Leistungsabgabe des Abgasturboladers an die jeweils
vorherrschenden Betriebsparameter der Brennkraftmaschine ermöglicht ist.
Die Bewegung des Leitgitterelements kann dabei vorteilhaft in an
sich bekannter Weise in Abhängigkeit
von entsprechenden Steuersignalen eines Motorsteuergeräts erfolgen.
-
Indem
der wenigstens eine, die Spiralsegmentkanäle umfassende Spiralkanal im
Bereich der Lagerwelle und/oder im Bereich eines Abgasaustritts des
Turbinengehäuses
angeordnet ist, kann der Abgasturbolader besonders flexibel an seine
jeweilige Anwendung bzw. Zielsetzung angepasst werden.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die wenigstens zwei Spiralkanäle unterschiedliche kritische
Gesamtdurchsatzparameter aufweisen. Dies erlaubt auch in Kombination
mit einem Abgasrückführungssystem eine
Steigerung des Wirkungsgrads des Abgasturboladers und somit der
zugeordneten Brennkraftmaschine in einem größeren Betriebsbereich. Der
kritische Gesamtdurchsatzparameter Θ, welcher für das jeweilige System Spiralkanal-Brennkraftmaschine
einen konstanten Wert darstellt, ist hierbei grundsätzlich mit
Hilfe der Funktion:
ermittelbar, wobei
- mT,NP
- die durch den Spiralkanal
bzw. die Spiralsegmentkanäle
unter Passieren des Turbinenrads strömende Abgasmasse in der Einheit
[kg/s] in einem Nennleistungspunkt der Brennkraftmaschine;
- T3,NP
- eine Totaltemperatur
der Abgasmasse in der Einheit [K] vor dem Turbinenrad in dem Nennleistungspunkt
der Brennkraftmaschine; und
- P3,NP
- einen Totaldruck in
der Einheit [bar] vor dem Turbinenrad in dem Nennleistungspunkt
der Brennkraftmaschine
bezeichnen.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass wenigstens der andere Spiralkanal als Vollspiralkanal ausgebildet
ist. Ein als Vollspiralkanal ausgebildeter Spiralkanal ermöglicht auf
konstruktiv einfache Weise, eine Strömungsmündung mit einem großen effektiven
Strömungsquerschnitt
bereitzustellen. Hierdurch ist zusätzlich zum Stoßaufladungs-Betrieb
auch ein Stauaufladungs-Betrieb des Abgasturboladers ermöglicht,
wodurch eine weitere Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads der Brennkraftmaschine
bei bestimmten Last- und Drehzahlzuständen – insbesondere bei zumindest
im wesentlichen konstanten Abgasdruckverhältnissen – gegeben ist.
-
Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine,
insbesondere einen Otto- und/oder Dieselmotor, für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens
zwei Zylindern bzw. zwei Zylindergruppen, welchen mehrere Abgasleitungen
zugeordnet sind und mit einem Abgasturbolader, welcher einen in
einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordneten Verdichter
und eine in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnete
Turbine umfasst, wobei die Turbine ein Turbinengehäuse mit
wenigstens zwei Spiralkanälen,
die jeweils mit wenigstens einer der mehreren Abgasleitungen des
Abgastrakts gekoppelt und unabhängig
voneinander mit Abgas durchströmbar
sind, und ein innerhalb eines Aufnahmeraums des Turbinengehäuses angeordnetes
Turbinenrad umfasst, welches zum Antreiben eines über eine
Lagerwelle drehfest mit diesem gekoppelten Verdichterrads des Verdichters
mit dem durch die wenigstens zwei Spiralkanäle fährbaren Abgas der Brennkraftmaschine
beaufschlagbar ist, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass wenigstens
einer der Spiralkanäle
zumindest zwei fluidisch getrennte Spiralsegmentkanäle umfasst,
die mit unterschiedlichen Abgasleitungen der Brennkraftmaschine
gekoppelt sind. Auf diese Weise wird eine Wirkungsgradverbesserung
in einem größeren Betriebsbereich
der Brennkraftmaschine erzielt, da über die Spiralsegmentkanäle des Abgasturboladers
ein Stoßaufladungs-Betrieb
mit einer effektiveren Nutzung der Expansionsarbeit einzelner Zylinder
bzw. Zylindergruppen ermöglicht
ist. Im Gegensatz zum Stand der Technik können somit auch untere Last-
und Drehzahlbereiche der Brennkraftmaschine optimal bedient werden.
-
Vorteilhafterweise
sind wenigstens einem Zylinder bzw. einer Zylindergruppe zumindest
zwei unterschiedliche Abgasleitungen zugeordnet, die mit den zumindest
zwei Spiralsegmentkanälen
gekoppelt sind. Hierdurch können
die Abgase des Zylinders bzw. der Zylindergruppe fluidisch getrennt
in die Turbine eingeleitet werden, wodurch beim Stoßaufladungs-Betrieb
ein entsprechend verbesserter Energietransport zum Turbinenrad gewährleistet
ist.
-
Eine
Intensität
von Abgasdruckpulsationen kann auf konstruktiv einfache Weise dadurch
variiert werden, dass stromab des Zylinders bzw. der Zylindergruppe
und stromauf der Turbine eine Vorrichtung im Abgastrakt angeordnet
ist, mittels welcher Abgas zwischen den zumindest zwei Abgasleitungen
umzublasen ist. Die Vorrichtung kann hierzu beispielsweise als Drehschieber
ausgebildet sein. Auf diese Weise können unterschiedlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine
besonders flexibel berücksichtigt
und entsprechend hohe Wirkungsgrade sichergestellt werden.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Vorrichtung zum Vorbeileiten von Abgas an der Turbine ausgebildet
ist. Hierdurch kann die Vorrichtung – beispielsweise in einem oberen
Last- oder Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine – zusätzlich zum
Abblasen von Abgas vor der Turbine genutzt werden, wodurch eine einfache
Leistungsregelung des Abgasturboladers durchführbar ist.
-
Weitere
Vorteile ergeben sich, indem die Vorrichtung zum Zuführen von
Abgas zu einem Abgasrückführsystem
der Brennkraftmaschine ausgebildet ist, mittels welchem zumindest
ein Teil des Abgases aus dem Abgastrakt in den Ansaugtrakt zu transportieren
ist. Das Abgasrückführungssystem
kann dabei sowohl als internes wie auch als externes Abgasrückführungssystem
ausgebildet sein und ermöglicht
insbesondere eine Verminderung von Stickstoffoxiden (NOX)
bei der Verbrennung von Kraftstoff in der Brennkraftmaschine. Aufgrund
der hierdurch erhöhten
Variabilität
der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
kann das Verhältnis
der Abgasrückführungs-Raten
zu den jeweils erforderlichen Luft-Kraftstoff-Verhältniszahlen in einem größeren Betriebsbereich
optimal eingestellt werden. Durch den erfindungsgemäß verbesserten
Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine und ihre verbesserte Stoßaufladungsfähigkeit
wird zudem auch die Abgasrückführungs-Fähigkeit
signifikant gesteigert, da von unteren über mittlere bis hin zu hohen
Last- und Drehzahlbereichen entsprechend höhere Abgasrückführungs-Raten auf der Abgasseite
im Verhältnis
zu den jeweils erforderlichen Luft-Kraftstoff-Verhältniszahlen auf
der Ansaugseite möglich
sind.
-
Weitere
Vorteile ergeben sich, indem das Abgasrückführsystem ein zwischen dem Abgastrakt und
dem Ansaugtrakt angeordnetes Ventil, insbesondere ein Flatterventil,
umfasst, mittels welchem ein Transport des Abgases in den Ansaugtrakt
zu steuern ist. Ein derartiges Ventil erlaubt eine Abgasrückführung unter
vorteilhafter Ausnutzung von Pulsationsdruckspitzen im Abgasstrom
auch dann, wenn ein mittlerer Abgasdruck im Abgastrakt unterhalb
des Ladedrucks im Ansaugtrakt liegt und sich somit ein positiver
Ladungswechsel ergibt.
-
Eine
weitere Verbesserung der Emissionswerte der Brennkraftmaschine ist
dadurch gegeben, dass im Abgastrakt insbesondere stromab der Abblasvorrichtung
eine Abgasnachbehandlungssystem, insbesondere eine Rußfilter
und/oder eine Katalysator und/oder eine SCR-Anlage, angeordnet ist.
-
Vorteilhaft
ist weiterhin, dass stromab eines Zylinders bzw. einer Zylindergruppe
und stromauf des Turbinenrads eine Abblasvorrichtung, insbesondere
ein Abblasventil, vorgesehen ist, mittels welcher Abgas am Turbinenrad
vorbeizuleiten ist. Auch hierdurch ist eine konstruktiv einfache
Leistungsregelung des Abgasturboladers ermöglicht.
-
Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand
der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente
mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
-
1 eine
schematische seitliche Schnittansicht einer Turbine eines Abgasturboladers
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel;
-
2 eine
schematische Schnittansicht eines ersten, mehrere Spiralsegmentkanäle umfassenden
Spiralkanals entlang der in 1 gezeigten Schnittebene
II-II;
-
3 eine
schematische Schnittansicht eines zweiten, als Vollspirale ausgebildeten
Spiralkanals entlang der in 1 gezeigten
Schnittebene III-III;
-
4 eine
Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine, welche mit dem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
ausgebildeten Abgasturbolader versehen ist; und
-
5 eine
Prinzipdarstellung der Brennkraftmaschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
-
1 zeigt
eine schematische seitliche Schnittansicht einer Turbine 10 eines
Abgasturboladers 12 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel und
wird im Folgenden in Zusammenschau mit den 2–4 erläutert werden,
von welchen 2 und 3 jeweilige
schematische Schnittansichten gemäß den in 1 abgebildeten
Schnittebenen II-II bzw. III-III zeigen. 4 zeigt
ihrerseits eine Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine, welche
mit dem in den 1–3 gezeigten
Abgasturbolader 12 versehen ist.
-
Wie
in 1 erkennbar ist, umfasst die Turbine 10 des
Abgasturboladers 12 vorliegend ein Turbinengehäuse 11 mit zwei
Spiralkanälen 14a, 14b, die
jeweils mit wenigstens einer von mehreren Abgasleitungen 16a–d eines
Abgastrakts 18 einer Brennkraftmaschine koppelbar und unabhängig voneinander
mit Abgas durchströmbar
sind. Weiterhin umfasst die Turbine 10 ein innerhalb eines
Aufnahmeraums 20 angeordnetes Turbinenrad 22,
welches in an sich bekannter Weise zum rotierenden Antreiben eines
Verdichterrads 25, welches über eine Lagerwelle 24 drehfest
mit dem Turbinenrad 22 gekoppelt und in einem Ansaugtrakt 19 der
Brennkraftmaschine anzuordnenden ist, mit dem durch die Spiralkanäle 14a, 14b fährbaren
Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagbar ist. Um eine Wirkungsgradverbesserung
der dem Abgasturbolader 12 zugeordneten Brennkraftmaschine
in einem größeren Betriebsbereich
zu ermöglichen,
weist der erste Spiralkanal 14a dabei drei Spiralsegmentkanäle 26a–c auf, die
fluidisch getrennt und damit unabhängig voneinander mit Abgas
durchströmbar
sind. Über
entsprechende Flansche 27a–c können die Spiralsegmentkanäle 26a–c mit zugeordneten,
beispielsweise als Krümmerrohre
ausgebildeten Abgasleitungen 16a–c der Brennkraftmaschine gekoppelt
werden. Die Spiralsegmentkanäle 26a–c sind
dabei zur Optimierung des Bauraumbedarfs des Turbinengehäuses sowie einer
Anströmcharakteristik
auf das Turbinenrad 22 symmetrieäquivalent ausgebildet und rotationssymmetrisch
bezüglich
einer Drehachse I des Turbinenrads 22 angeordnet. Die Drehachse
I stellt mit anderen Worten im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine dreizählige Drehachse
dar. Die drei Strömungsmündungen 28a–c der drei
Spiralsegmentkanäle 26a–c in den
Aufnahmeraum 20 sind dabei im Querschnitt kreisbogenartig
ausgebildet und weisen symmetriebedingt gleiche Umfangswinkel von
jeweils etwa 120° und
damit gleiche Strömungsflächen auf. Die
Anzahl der Spiralsegmentkanäle 26 ist
vorliegend an eine Anzahl von in einer ersten Zylindergruppe 30a zusammengefassten
Zylindern 32a–c
der mehrzylindrig ausgebildeten Brennkraftmaschine angepasst. Die
Zylinder 32a–c
speisen mit anderen Worten Abgas über die fluidisch getrennten
Abgasleitungen 16a–c
in ihren jeweils zugeordneten Spiralsegmentkanal 26a–c ein.
Grundsätzlich
können
jedoch auch zwei oder mehr als drei Spiralsegmentkanäle 26 vorgesehen
sein. Auch kann der Umfangswinkel der Spiralsegmentkanäle 26 unterschiedlich sein
und somit unterschiedliche Strömungsflächen aufweisen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ist stromauf des Turbinenrads 22 und stromab der Strömungsmündungen 28a–c der Spiralsegmentkanäle 26a–c ein grundsätzlich optionales
Leitgitterelement 34 mit mehreren Leitschaufeln 36 im
Turbinengehäuse 11 angeordnet,
welches durch an sich bekannte Beeinflussung der Anströmcharakteristik
des Turbinenrads 22 eine zusätzliche Wirkungsgradverbesserung
des Abgasturboladers 12 und damit der Brennkraftmaschine
begünstigt.
In den Zungenbereichen IIa-c der einzelnen Spiralsegmentkanäle 26a–c sind die
Leitschaufeln 36 dabei als Fortsetzung des Turbinengehäuses 11 gestaltet.
Zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrads kann dabei vorgesehen sein,
dass das Leitgitterelement 34 zum Einstellen der einzelnen
Strömungsflächen bewegbar
im Turbinengehäuse 11 gelagert
und beispielsweise in Abhängigkeit
von Last- oder Drehzahlzuständen
der Brennkraftmaschine zu bewegen ist. Der zweite, in 3 erkennbare
Spiralkanal 14b ist vorliegend als Vollspiralkanal mit
einer sich über
annähernd
360° erstreckenden
Strömungsmündung 28d zur
Eintrittsdrallerzeugung ausgebildet und über seinen Flansch 27d lediglich
mit einer Abgasleitung 16d koppelbar. Die zwei Spiralkanäle 14a, 14b weisen
unterschiedliche kritische Gesamtdurchsatzparameter Θ auf.
-
Wie
in 1 und 4 erkennbar, ist der die Spiralsegmentkanäle 26a–c umfassende
Spiralkanal 14a im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Bereich der
Lagerwelle 24 angeordnet und ermöglicht auf im Folgenden näher beschriebene
Weise einen Stoßaufladungs-Betriebsmodus
des Abgasturboladers 12. Der als Vollspiralkanal ausgebildete
Spiralkanal 14b ist demgegenüber zusammen mit einem vorliegend
in das Turbinengehäuse 11 integrierten
Abblasventil 40 im Bereich eines Abgasaustritts 38 des
Turbinengehäuses 11 angeordnet.
-
Der
Ansaugtrakt 19 der Brennkraftmaschine, welche beispielsweise
als Otto- oder Dieselmotor für ein
Kraftfahrzeug ausgebildet ist, umfasst als an sich bekannte Elemente
einen stromauf des Verdichterrads 25 eines Verdichters
(nicht gezeigt) angeordneten Luftfilter 42 sowie einen
stromab des Verdichterrads 25 angeordneten Ladeluftkühler 44.
Stromab der Zylinder 32a–c bzw. der Zylindergruppe 30a und stromauf
der Turbine 10 ist eine Vorrichtung 46 im Abgastrakt 18 angeordnet,
mittels welcher Abgas zwischen den Abgasleitungen 16a–c umzublasen
ist. Auf diese Weise kann die Intensität von Druckpulsationen in den
einzelnen Abgasleitungen 16a–c je nach Ausgestaltung der
Vorrichtung 46 steuerbar oder regelbar geglättet werden.
Darüber
hinaus ist die Vorrichtung 46 zum Zuführen von Abgas zu einem Abgasrückführsystem 48 der
Brennkraftmaschine ausgebildet. Mit Hilfe des Abgasrückführsystems 48 kann
in an sich bekannter Weise zumindest ein Teil des Abgases aus dem
Abgastrakt 18 in den Ansaugtrakt 19 transportiert
werden, wodurch eine Verbesserung der Abgasemissionswerte der Brennkraftmaschine
erzielbar ist. Das Abgasrückführsystem 48 umfasst
seinerseits neben einem Abgaskühler 50 ein optionales,
vorliegend als Flatterventil ausgebildetes Ventil 52, mittels
welchem ein Transport des Abgases in den Ansaugtrakt 19 zu
steuern ist. Das Ventil 52 erlaubt hierbei eine vorteilhafte
Ausnutzung von Druckpulsationsspitzen im Abgasstrom der Zylindergruppe 30a,
wodurch auch dann Abgas aus dem Abgastrakt 18 in den Ansaugtrakt 19 transportiert
werden kann, wenn ein mittlerer Abgasdruck p3m unterhalb eines Ladedrucks
p2s liegt. Die Vorrichtung 46 ermöglicht damit zusätzlich eine
vorteilhafte Beeinflussung der Abgasrückführungs-Fähigkeit des Abgasturboladers 12.
Die Vorrichtung 46 kann dabei beispielsweise als Drehschieber
ausgebildet sein, welcher zwischen einer Grundstellung, in welcher
die Abgasleitungen 16a–c
fluidisch getrennt sind, und verschiedenen Umblasstellungen verdrehbar
ist, in welchen die Abgasleitungen 16a–c zur Mengenregelung des Abgasrückführsystems 48 nacheinander
fluidisch verbunden werden.
-
Die
zweite Zylindergruppe 30b ist vor dem zweiten Spiralkanal 14b zusammengeschaltet,
so dass die vereinigte Abgasmasse der drei Zylinder 32d–f den als
Vollspirale ausgebildeten Spiralkanal 14b durchströmen kann.
Der zweite Spiralkanal 14b weist gegenüber dem segmentierten Spiralkanal 14a trotz
des geringeren Stoßaufladungseffekts
einen größeren effektiven
Strömungsquerschnitt
auf. Die Summe der Strömungsquerschnitte
der Spiralsegmentkanäle 26a–c wird
vorteilhaft im Hinblick auf die erforderliche Abgasrückführungs-Fähigkeit
des Abgasturboladers 12 dimensioniert. Der Spiralkanal 14a,
der häufig
als Lambda-Flut bezeichnet wird, sorgt über seine Abgasaufstaufähigkeit
für das
erforderliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit
der Zielsetzung, bestmögliche
Wirkungsgrade der Turbine 10 zu bewirken. Hierbei wird
bevorzugt ein positiver Ladungswechsel (p2 – p3' > 0)
zwischen dem Ladedruck p2s und dem Abgasdruck p3' der zweiten Zylindergruppe 30b sichergestellt.
Mit anderen Worten ergeben sich bei der Nutzung des gezeigten Abgasturboladers 12 Betriebsbereiche
der Brennkraftmaschine, in welchen sich eine hohe Abgasrückführungs-Fähigkeit mit
positivem Ladungswechsel einstellt. Zur weiteren Verbesserung der
Abgasemissionswerte ist stromab des Abgasaustritts 38 des
Turbinengehäuses 11 ein Abgasnachbehandlungssystem 54 im
Abgastrakt 18 angeordnet, welches in Abhängigkeit
der Ausgestaltung der Brennkraftmaschine als Rußfilter, Katalysator und/oder
SCR-Anlage ausgebildet
sein kann. Aufgrund des erfindungsgemäß erhöhten Wirkungsgrads des Abgasturboladers 12 werden
etwaige Wirkungsgradsenkungen vorteilhaft kompensiert.
-
5 zeigt
eine Prinzipdarstellung der Brennkraftmaschine gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel.
Der grundsätzliche
Aufbau ist dabei bereits aus der vorhergehenden Figurenbeschreibung
bekannt. Im Unterschied zu dem in den 1–4 gezeigten
Ausführungsbeispiel
sind jedoch die Stellungen der beiden Spiralkanäle 14a, 14b vertauscht.
Hierdurch ist der segmentierte Spiralkanal 14a des Abgasturboladers 12 im
Bereich des Abgasaustritts 38 des Turbinengehäuses 11 angeordnet.
Weiterhin sind die Spiralsegmentkanäle 26a–c mit den
Abgasleitungen 16a–c
der Zylinder 32d–f
der zweiten Zylindergruppe 30b gekoppelt. Der als Vollspirale
ausgebildete Spiralkanal 14b ist demgegenüber im Bereich
der Lagerwelle 24 angeordnet und mit der gemeinsamen Abgasleitung 16d der
Zylinder 32a–c
der ersten Zylindergruppe 30a gekoppelt. Die Abgasleitung 16d ist
ihrerseits mit dem Abgasrückführsystem 48 gekoppelt.
Durch die Platzierung des segmentierten Spiralkanals 14a auf
der prinzipiell wirkungsgradbegünstigteren
Turbinenradaustrittsseite kann ein sehr ausgeprägter Stoßaufladungseffekt erzielt werden.
Diese Wirkungsgradverbesserung der Turbine 10 bewirkt eine
Absenkung eines mittleren Turbineneintrittsdrucks p3 gegenüber aus
dem Stand der Technik bekannten, unsegmentiert ausgebildeten, mehrflutigen
Turbinen. Der positive Ladungswechsel p2–p3 ermöglicht somit eine deutliche
Verbrauchssenkung. Mit der regelbaren Vorrichtung 46 kann
in einem oberen Last- oder Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine
zwischen den Abgasleitungen 16a–c umgeblasen werden, wodurch
eine Nivellierung der Druckpulsationen möglich ist. Die Vorrichtung 46 zum
Umblasen zwischen den Abgasleitungen 16a–c ist im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
zusätzlich
auch zum Vorbeileiten von Abgas an der Turbine 10 ausgebildet.
Hierdurch kann auf zusätzliche,
im Turbinengehäuse 11 zu
integrierende Abblasventile 40 verzichtet und eine einfache
Leistungsregelung des Abgasturboladers 12 vorgenommen werden.
