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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, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 15 angegebenen
Art.
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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 bei hohen Abgasrückführungs-Raten über mittlere
bis hohe Lastanforderungsbereiche der Brennkraftmaschine, wodurch
die Turbinen von Abgasturboladern geometrisch zunehmend verkleinert
werden. Die geforderten hohen Turbinenleistungen von Abgasturboladern
werden mit anderen Worten durch eine Steigerung der Aufstaufähigkeit
bzw. durch die Reduktion der Schluckfähigkeit der Turbinen im Zusammenspiel
mit der jeweiligen Brennkraftmaschine realisiert. 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 wiederum
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 des Verdichters 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.
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Bei
den Auslegungsrandbedingungen von Abgasturboladern, die üblicherweise
vom Nennpunkt, der Ladungswechselseite und der Verbrauchsseite der
Brennkraftmaschine her definiert werden, kann jedoch auch durch
Abgasturbolader mit zwei asymmetrischen Spiralkanälen insbesondere
der untere Last- und Drehzahlbereich von Brennkraftmaschinen nicht
optimal bedient werden. Zu diesem Zweck muss der Querschnitt eines
Spiralkanals grundsätzlich
relativ klein gewählt
werden, um die erforderlichen Abgasströmungsgeschwindigkeiten erzeugen
zu können.
Bei den üblicherweise
zur Herstellung des Turbinengehäuses
verwendeten, kostengünstigen
Sandgussverfahren bestehen jedoch feste fertigungstechnische Grenzen,
so dass nur Spiralkanäle
mit Breiten über
4,5 mm zuverlässig
herstellbar sind. Zudem ergeben sich beim Abguss häufig vergleichsweise
hohe Streuungen von 10% und mehr, was zu weiteren Wirkungsgradeinbußen des Abgasturboladers
führt.
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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
bei möglichst
geringen Fertigungskosten ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
einen Abgasturbolader für
eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 sowie durch eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 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.
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Ein
Abgasturbolader, welcher bei möglichst geringen
Fertigungskosten eine Wirkungsgradverbesserung in einem größeren Betriebsbereich
einer zugeordneten Brennkraftmaschine ermöglicht, ist erfindungsgemäß dadurch
geschaffen, dass der erste und der zweite Spiralkanal unterschiedliche
Umschlingungswinkel aufweisen. Die Umschlingungswinkel geben dabei
die jeweiligen Kontaktbereiche in Winkelgraden an, in denen die
Spiralkanäle
den Aufnahmeraum des Turbinengehäuses
umschließen. Auf
diese Weise werden verringerte Anforderungen an Fertigungstoleranzen
bei gleichzeitig verbesserten Wirkungsgraden insbesondere bei mittleren
und unteren Last- und Drehzahlbereichen der zugeordneten Brennkraftmaschine
sichergestellt. Der Spiralkanal mit dem geringeren Umschlingungswinkel
hilft dabei den Wirkungsgrad insbesondere bei Teilbeaufschlagung
des Turbinenrads signifikant zu steigern. Im Gegensatz zum Stand
der Technik kann der Schalldurchgang der Abgasströmung somit
unmittelbar vor dem Turbinenrad erzeugt werden. Auf diese Weise
wird zuverlässig verhindert,
dass sich der Schalldurchgang der Abgasströmung im Spiralenquerschnitt
des Spiralkanals einstellt und hohe Strömungsverluste im stromab angeordneten
Mündungsbereich
auftreten. Darüber
hinaus ermöglicht
der erfindungsgemäße Abgasturbolader
die Weiterverwendung kostengünstiger
und etablierter Sandgussverfahren, da deren fertigungstechnische
Grenzen problemlos berücksichtigt
werden können,
ohne dass es zu Einschränkungen
des Wirkungsgrads oder der mechanischen Stabilität des Turboladergehäuses kommt.
Alternativ können
aufgrund der geringen Anforderungen an Fertigungstoleranzen natürlich auch andere
kostengünstige
Herstellungsverfahren verwendet werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der erste Spiralkanal einen Umschlingungswinkel unterhalb von
300°, insbesondere
unterhalb von 200° und
bevorzugt unterhalb von 150° aufweist.
Der erste Spiralkanal ist mit anderen Worten als Teilspirale ausgebildet,
so dass die Leistungsanforderungen des Verdichters auch in unteren
und mittleren Last- und Drehzahlbereichen der Brennkraftmaschine
optimal erfüllt
werden können.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem der zweite Spiralkanal einen Umschlingungswinkel
von mindestens 280°,
insbesondere von mindestens 320° und
bevorzugt von mindestens 350° aufweist. Der
zweite Spiralkanal ist mit anderen Worten zumindest annähernd als
Vollspirale ausgebildet, wodurch der Abgasturbolader auch in hohen
Last- und Drehzahlbereichen der Brennkraftmaschine betrieben bzw.
mit entsprechend großen
Abgasmengen beaufschlagt werden kann, so dass eine Vollbeaufschlagung
des Turbinenrads ermöglicht
ist. Auf diese Weise ist es weiterhin möglich, den ersten Spiralkanal
als sogenannte Lambda-Flut auszubilden, um mittels seiner Aufstaufähigkeit
das jeweils erforderliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis
bei bestmöglichen
Wirkungsgraden zu bewirken.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der erste Spiralkanal im Bereich der Lagerwelle und der zweite
Spiralkanal im Bereich eines Abgasaustritts im Turbinengehäuse angeordnet
sind. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass der zumindest annähernd als
Vollspirale ausgebildete zweite Spiralkanal austrittsseitig und
der als Teilspirale ausgebildete erste Spiralkanal lagerseitig im
Turbinengehäuse
angeordnet sind, wodurch eine weitere Optimierung des Wirkungsgrads des
Abgasturboladers erzielt wird.
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Dabei
hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, dass
der erste und/oder der zweite Spiralkanal im Mündungsbereich zum Aufnahmeraum
eine Düse
umfasst. Mit Hilfe einer Düse kann
der engste Strömungsquerschnitt
des betreffenden Spiralkanals an eine definierte Position gelegt werden,
so dass der Schalldurchgang der Abgasströmungsgeschwindigkeit direkt
vor dem Turbinenrad erzeugbar ist. Auf diese Weise werden unerwünschte Strömungsverluste
und damit verbundene Wirkungsgradeinbussen zuverlässig verhindert.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass eine Querschnittsbreite der Düse in Abhängigkeit einer fertigungstechnischen
Grenzbreite ausgebildet ist. Dabei kann beispielsweise vorgesehen
sein, dass die Querschnittsbreite der Düse um so viel über der
fertigungstechnisch erzielbaren Grenzbreite gewählt wird, dass die Fertigungstoleranzen
des jeweils verwendeten Herstellungsverfahrens des Turbinengehäuses eine
geringstmögliche
Auswirkung auf das spätere
Betriebsverhalten der Turbinenseite des Abgasturboladers besitzen.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Querschnittsbreite
der Düse
bei der Verwendung eines kostengünstigen
Sandgussverfahrens mindestens etwa 4,5 mm beträgt, um bei den hierbei üblichen
Fertigungstoleranzen von ±10% eine
kostengünstige
und prozesssichere Herstellung des Turbinengehäuses einerseits und einen zuverlässigen späteren Betrieb
des Abgasturboladers andererseits zu erzielen.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem ein effektiver Querschnitt der Düse in Abhängigkeit
des Umschlingungswinkels des Spiralkanals und/oder der Querschnittsbreite
der Düse
und/oder eines Radius der Düse
und/oder eines Wirkungsgrads des Abgasturboladers ausgebildet ist.
Durch einen derart ausgebildeten effektiven Querschnitt, bei welchem Strömungsverluste
innerhalb des Spiralkanals bereits berücksichtigt sind, wird eine
besonders einfache und variable Anpassbarkeit an unterschiedliche Einsatzprofile
des Abgasturboladers unter Berücksichtigung
des gewünschten
Wirkungsgrads ermöglicht.
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Dabei
hat es sich in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung als vorteilhaft
gezeigt, wenn der effektive Querschnitt der Düse gemäß der Formel AD = rD·2·π·bD·sin(αD)·(φs/360)ausgebildet ist, wobei AD den
effektiven Querschnitt der Düse,
rD einen Radius der Düse in Bezug auf eine Drehachse
des Turbinenrads, bD die Querschnittsbreite
der Düse, αD einen
Winkel zwischen einem Umfangsgeschwindigkeitsvektor und einem Radialgeschwindigkeitsvektor
der Abgasströmung
im Querschnitt der Düse
und φS den Umschlingungswinkel des betreffenden
Spiralkanals bezeichnen. Ein derart ausgebildeter effektiver Querschnitt
der Düse
ermöglicht
unter einfacher Berücksichtigung
relevanter Faktoren und Betriebsparameter die Sicherstellung einer
optimalen geometrischen Auslegung und damit eines optimalen Wirkungsgrads.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers entspricht
ein erster Eintrittsbereich des ersten Spiralkanals einem zweiten
Eintrittsbereich des zweiten Spiralkanals. Vorteilhafterweise ist
somit ein nur eine geringe Größe aufweisender
zweiflutiger Abgasturbolader darstellbar, welcher auch bei Brennkraftmaschinen
für Personenkraftwagen
einsetzbar ist. Im Einsatzgebiet der Brennkraftmaschine für Personenkraftwagen
ist mit Hilfe dieser Ausgestaltung ein verbessertes Instationärverhalten
erzielbar. Im Einsatzgebiet der Brennkraftmaschine für Nutzfahrzeuge
kann die Einstellung einer Abgasrückführmenge zur Reduzierung der
Stickoxidemission auf einfache Weise angepasst werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des Abgasturboladers ist ein dritter
Spiralkanal neben dem ersten und dem zweiten Spiralkanal angeordnet,
wobei der dritte Spiralkanal einen einer Vollspirale entsprechenden
Umschlingungswinkel aufweist. Vorteilhafterweise lässt sich
damit ein sehr hoher Turbinenwirkungsgrad neben einer optimalen
Drallerzeugung und einem gezielten Aufstaudruck in einer Abgasrückführleitung
herbeiführen.
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Um
eine Wirkungsgradverbesserung in einem größeren Betriebsbereich des Abgasturboladers zu
ermöglichen,
ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass
im Mündungsbereich
des ersten und/oder des zweiten Spiralkanals in den Aufnahmeraum
ein Leitschaufeln umfassendes Leitgitterelement angeordnet ist.
Ein derartiges Leitgitterelement erlaubt eine Druckerhöhung vor
dem Turbinenrad des Abgasturboladers, so dass selbst bei einem geringen
Durchsatz von Abgas im betreffenden Spiralkanal ein verbesserter
Wirkungsgrad des Abgasturboladers erzielt wird.
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Vorteilhaft
ist weiterhin, dass das Leitgitterelement, insbesondere translatorisch
und/oder rotatorisch, bewegbar im Turbinengehäuse gelagert ist. Durch die
Bewegbarkeit des Leitgitterelements ist eine besonders variable
Anpassbarkeit eines effektiven Strömungsquerschnitts des ersten
bzw. des zweiten Spiralkanals möglich.
Dabei kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Leitgitterelement
während
einer Motorbremsphase der Brennkraftmaschine in den jeweiligen Spiralkanal
bewegt wird, so dass der Abgasturbolader als sogenannte „Turbobreak” eingesetzt
werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann
jedoch auch vorgesehen sein, dass das Leitgitterelement während einer
Befeuerungsphase der Brennkraftmaschine in oder aus dem Spiralkanal
bewegt wird, wodurch eine weiter verbesserte Anpassbarkeit der Leistungsabgabe
des Abgasturboladers an den jeweils vorherrschenden Betriebszustand
der Brennkraftmaschine ermöglicht
ist. Hierzu kann beispielsweise ein dem Leitgitterelement zugeordneter Aktuator
mit einer Motorsteuereinrichtung der Brennkraftmaschine gekoppelt
werden, um das Leitgitterelement in Abhängigkeit von entsprechenden
Steuersignalen zu bewegen.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem eine Matrize vorgesehen ist, welche
zum Einstellen einer Schaufelhöhe
des Leitgitterelements, insbesondere translatorisch und/oder rotatorisch,
bewegbar im Turbinengehäuse
gelagert ist. Mit Hilfe einer derartigen Matrize kann das Aufstauverhalten
des betreffenden Spiralkanals und damit der Turbine insgesamt durch Einstellen
der Schaufelhöhe
des Leitgitterelements besonders variabel verändert und an den jeweiligen Betriebszustand
der Brennkraftmaschine angepasst werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist stromauf
des Turbinenrads eine Abblasevorrichtung, insbesondere ein Abblaseventil, vorgesehen,
mittels welcher Abgas am Turbinenrad vorbeizuleiten ist. Dies erlaubt
eine Feintrimmung des Abgasdurchsatzes der Turbine des Abgasturboladers.
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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 wenigstens zwei 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
einem ersten und einem zweiten Spiralkanal umfasst, die jeweils
mit wenigstens einer der zwei Abgasleitungen des Abgastrakts gekoppelt
und unabhängig
voneinander mit Abgas durchströmbar sind,
und mit einem innerhalb eines Aufnahmeraums des Turbinengehäuses angeordneten
Turbinenrad, welches zum Antreiben eines über eine Lagerwelle drehfest
mit diesem gekoppelten Verdichterrads des Verdichters mit dem durch
den ersten und den zweiten Spiralkanal fährbaren Abgas der Brennkraftmaschine
beaufschlagbar ist. Dabei wird eine Wirkungsgradverbesserung in
einem größeren Betriebsbereich
der Brennkraftmaschine bei möglichst
geringen Fertigungskosten erfindungsgemäß dadurch ermöglicht,
dass der erste und der zweite Spiralkanal unterschiedliche Umschlingungswinkel
aufweisen. Hierdurch ist sowohl eine Teil- als auch eine Vollbeaufschlagung
der Turbine möglich,
so dass sowohl untere als auch mittlere und hohe Betriebsbereiche
der Brennkraftmaschine mit verbessertem Wirkungsgrad bedient werden
können.
Dabei können
aufgrund der einfachen konstruktiven Umsetzbarkeit bereits etablierte,
kostengünstige
Herstellungsverfahren vorteilhaft beibehalten werden. Weitere sich
ergebende Vorteile sind aus den vorhergehenden Beschreibungen zu
entnehmen.
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Eine
Verbesserung der Emissionen der Brennkraftmaschine ist dadurch ermöglicht,
dass stromauf der Turbine ein Abgasrückführsystem im Abgastrakt angeordnet
ist, mittels welchem zumindest ein Teil des Abgases aus wenigstens
einer der Abgasleitungen in den Ansaugtrakt zu transportieren ist.
Das Abgasrückführungssystem
ermöglicht
insbesondere eine Verminderung von Stickstoffoxiden (NOX)
bei der Verbrennung von Kraftstoff in der Brennkraftmaschine. Aufgrund
der verbesserten Aufstaufähigkeit
des Abgasturboladers werden dabei Betriebsbereiche ermöglicht,
in welchen sich trotz einer hohen Abgasrückführfähigkeit ein positiver Ladungswechsel
zwischen dem Abgastrakt und dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine
ergibt.
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Eine
weitere Verbesserung der Emissionswerte der Brennkraftmaschine ist
dadurch gegeben, dass im Abgastrakt, insbesondere stromab eines
Abgasaustritts des Turbinengehäuses,
ein Abgasnachbehandlungssystem, insbesondere ein Rußfilter und/oder
ein Katalysator und/oder eine SCR-Anlage, angeordnet ist. Eine etwaige
Erhöhung
eines Gegendrucks des Turbinenrads durch ein derartiges Abgasnachbehandlungssystem
kann mit Hilfe des Abgasturboladers auch im unteren oder mittleren
Betriebsbereich der Brennkraftmaschine vorteilhaft kompensiert werden.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand
der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente
mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
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1 eine
schematische und teilgeschnittene Darstellung eines Abgasturboladers
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel;
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2 eine
schematische und teilgeschnittene Darstellung eines ersten Spiralkanals
des Abgasturboladers gemäß der in 1 gezeigten
Schnittebene II-II;
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3 eine
schematische und teilgeschnittene Darstellung des Abgasturboladers
gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel,
wobei eine Matrize zum Einstellen einer Schaufelhöhe eines
feststehenden Leitgitterelements eines zweiten Spiralkanals erkennbar
ist;
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4 eine
schematische und teilgeschnittene Darstellung des in 3 gezeigten
Abgasturboladers, wobei die Matrize zum Verändern der Schaufelhöhe in eine
Strömungsfläche des
zweiten Spiralkanals bewegt ist; und
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5 eine
Prinzipdarstellung einer mit dem Abgasturbolader gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
versehenen Brennkraftmaschine; und
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6 in
einer schematischen und teilgeschnittenen Darstellung des Abgasturboladers
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel,
wobei ein Eintrittsbereich des ersten Spiralkanals einem Eintrittsbereich
des zweiten Spiralkanals entspricht; und
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7 eine
Prinzipdarstellung einer mit dem Abgasturbolader gemäß dem weiteren
Ausführungsbeispiel
gemäß 6 versehenen
Brennkraftmaschine; und
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8 eine
Prinzipdarstellung einer mit dem Abgasturbolader gemäß dem weiteren
Ausführungsbeispiel
gemäß 6 sowie
mit einem einer 2-stufigen Anordnung entsprechenden weiteren Abgasturbolader
versehenen Brennkraftmaschine; und
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9 eine
Prinzipdarstellung einer mit einem drei Spiralkanäle aufweisenden
Abgasturbolader versehenen Brennkraftmaschine in einem ersten Ausführungsbeispiel;
und
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10 eine
Prinzipdarstellung einer mit einem drei Spiralkanäle aufweisenden
Abgasturbolader versehenen Brennkraftmaschine in einem weiteren
Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt
eine schematische und teilgeschnittene Darstellung eines Abgasturboladers
für eine
Brennkraftmaschine 10 (s. 5) eines
Kraftfahrzeugs gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel. Der
Abgasturbolader umfasst dabei ein Turbinengehäuse 12, welches einen
ersten und einen zweiten Spiralkanal 14a, 14b umfasst,
die jeweils mit einer von mehreren Abgasleitungen 16a, 16b (s. 5)
eines Abgastrakts 18 der Brennkraftmaschine 10 koppelbar
und unabhängig
voneinander mit Abgas durchströmbar
sind. Weiterhin umfasst das Turbinengehäuse 12 einen innerhalb
eines Aufnahmeraums 20 angeordnetes Turbinenrad 22,
welches zum Antreiben eines über
eine Lagerwelle 24 drehfest mit diesem gekoppelten Verdichterrads 25 eines
Verdichters 27 (s. 5) mit dem
durch die zwei Spiralkanäle 14a, 14b fährbaren
Abgas der Brennkraftmaschine 10 beaufschlagbar ist. Um
bei möglichst
geringen Fertigungskosten eine Wirkungsgradverbesserung in einem
größeren Betriebsbereich
der zugeordneten Brennkraftmaschine 10 zu ermöglichen,
weisen der erste und der zweite Spiralkanal 14a, 14b dabei
unterschiedliche Umschlingungswinkel φS auf. Während der
zweite Spiralkanal 14b, welcher im Bereich eines Abgasaustritts 26 des
Turbinengehäuses 12 angeordnet
ist, einen Umschlingungswinkel φS von mehr als 320° aufweist, besitzt der erste
Spiralkanal 14a, welcher im Bereich der Lagerwelle 24 angeordnet
ist, einen geringeren Umschlingungswinkel φS von
etwa 135° (s. 2).
Mit anderen Worten umfasst der Abgasturbolader eine zweiflutige
Turbine 23, deren erster Spiralkanal 14a als Teilspirale
und deren zweiter Spiralkanal 14b zumindest annähernd als
Vollspirale für
die Strömungsführung des
Abgasstromes ausgebildet sind. Dies ermöglicht es, den engsten Strömungsquerschnitt
der Turbine 23 sicher in eine Düse 28a bzw. 28b zu
legen, wodurch der Schalldurchgang der Abgasströmungsgeschwindigkeit direkt
vor dem Turbinenrad 22 und nicht im Querschnitt AS (s. 2) des jeweiligen
Spiralkanals 14a, 14b erzeugt wird. Die Düsen 28a, 28b,
die ihrerseits die jeweils engsten Querschnittsbreiten bD der beiden Spiralkanäle 14a, 14b aufweisen,
sind dabei jeweils im Mündungsbereich
zum Aufnahmeraum 20 angeordnet. Die Querschnittsbreite
bD der kleineren Düse 28a ist dabei in
Abhängigkeit
einer fertigungstechnischen Grenzbreite eines zur Herstellung des
Turbinengehäuses 12 verwendeten,
kostengünstigen Sandgussverfahrens
ausgebildet und beträgt
zumindest 4,5 mm, um bei den hierbei üblichen Fertigungstoleranzen
von ±10%
eine kostengünstige
und prozesssichere Herstellung des Turbinengehäuses 12 einerseits
und einen zuverlässigen
späteren
Betrieb des Abgasturboladers andererseits sicherzustellen. Ein effektiver
Querschnitt AD der Düse 28a ist
dabei gemäß der Formel AD = rD·2·π·bD·sin(αD)·(φS/360)ausgebildet, wobei rD einen
Radius der Düse 28a in Bezug
auf eine Drehachse I des Turbinenrads 22 und αD einen
Winkel zwischen einem Umfangsgeschwindigkeitsvektor und einem Radialgeschwindigkeitsvektor
einer Abgasströmung
im Querschnitt der Düse 28a (s. 2)
bezeichnen. Mit anderen Worten wird der effektive Querschnitt AD
der Düse 28a unter
Berücksichtigung
des Umschlingungswinkels φS, der von der erzielbaren Fertigungstoleranz
abhängigen Querschnittsbreite
bD der Düse 28a und
dem gewünschten
Turbinenwirkungsgrad gewählt.
Weiterhin umfasst der Abgasturbolader ein an sich bekanntes und
mehrere Leitschaufeln umfassendes Leitgitterelement 30,
welches unter anderem zur Darstellung einer Turbobremsfunktionalität (”Turbobrake”) des Abgasturboladers gemäß Doppelpfeil
Ia axial in die Düse 28b des
zweiten Spiralkanals 14b ein- bzw. aus der Düse 28b herausgeschoben
werden kann.
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2 zeigt
eine schematische und teilgeschnittene Darstellung des ersten Spiralkanals 14a gemäß der in 1 gezeigten
Schnittebene II-II. Hierbei sind insbesondere der gegenüber einer
Vollspirale verringerte Umschlingungswinkel φS von
etwa 135°,
der Winkel αD sowie der Querschnitt AS des
Spiralkanals 14a erkennbar.
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3 zeigt
eine schematische und teilgeschnittene Darstellung des Abgasturboladers
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel.
Der grundsätzliche
Aufbau ist dabei bereits aus den vorhergehenden Beschreibungen zu
entnehmen. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist das erste
Leitgitterelement 30 jedoch feststehend ausgebildet. Zusätzlich ist
eine Matrize 32 vorgesehen, welche zum Einstellen einer
Schaufelhöhe
und damit eines Aufstauverhaltens des Leitgitterelements 30 gemäß Doppelpfeil
III axial verschiebbar im Turbinengehäuse 12 gelagert ist.
Die Matrize 32 ist dabei in 3 aus der
Strömungsfläche des
zweiten Spiralkanals 14b bewegt, wohingegen sie in 4 weitgehend
in die Strömungsfläche eingeschoben
ist. Auf diese Weise kann das Aufstauverhalten der Turbine 23 des Abgasturboladers
vollvariabel verstellt werden. Weiterhin ist in 3 und 4 ein
grundsätzlich
optionales zweites Leitgitterelement 30' erkennbar, welches im Bereich
der Düse 28a des
ersten Spiralkanals 14a angeordnet und feststehend ausgebildet
ist.
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5 zeigt
eine Prinzipdarstellung einer mit dem Abgasturbolader gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
versehenen Brennkraftmaschine 10. Die Brennkraftmaschine 10 kann
dabei grundsätzlich als
Diesel-, Otto- oder Diesottomotor ausgebildet sein und umfasst vorliegend
sechs Zylinder 11a–f, von
welchen die Zylinder 11a–c in einer ersten Zylindergruppe 34a und
die Zylinder 11d–f
in einer zweiten Zylindergruppe 34b zusammengefasst sind.
Den Zylindergruppen 34a, 34b sind die zwei Abgasleitungen 16a, 16b zugeordnet,
von welchen die erste Abgasleitung 16a über entsprechende Krümmer mit dem
ersten, als Teilspirale ausgebildeten Spiralkanal 14a und
die zweite Abgasleitung 16b mit dem zweiten, als Vollspirale
ausgebildeten Spiralkanal 14b des Abgasturboladers gekoppelt
ist. Stromauf des ersten Spiralkanals 14a ist zudem ein
Abgasrückführsystem 38 im
Abgastrakt 18 angeordnet, mittels welchem zumindest ein
Teil des Abgases aus der Abgasleitung 16a in einen Ansaugtrakt 40 zu
transportieren ist. Der Ansaugtrakt 40 umfasst seinerseits
einen Luftfilter 36 sowie einen stromab des Verdichterrads 25 angeordneten
Ladeluftkühler 37.
Das Abgasrückführsystem 38 umfasst
seinerseits ein steuerbares Abgasrückführungsventil 46 sowie
einen Abgaskühler 48,
mittels welchem die Abgastemperatur heruntergekühlt werden kann.
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Stromauf
des Turbinenrads 22 ist die zweite Abgasleitung 16b mit
einer Abblasvorrichtung 42 gekoppelt, mittels welcher Abgas
am Turbinenrad 22 vorbeizuleiten ist. Die Abblasvorrichtung 42 kann
dabei grundsätzlich
in das Turbinengehäuse 12 des
Abgasturboladers integriert oder als eigenständiges Bauelement ausgebildet
sein. Stromab des Abgasaustritts 26 des Turbinengehäuses 12 ist
ein Abgasnachbehandlungssystem 44 im Abgastrakt 18 angeordnet,
welches in Abhängigkeit
der Ausgestaltung der Brennkraftmaschine 10 beispielsweise
als Rußfilter,
Katalysator und/oder SCR-Anlage ausgebildet sein kann. Der als Vollspirale
ausgebildete zweite Spiralkanal 14b, der auch als Lambda-Flut
bezeichnet wird, sorgt mittels seiner Aufstaufähigkeit für das erforderliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit
der Zielsetzung bestmögliche
Turbinenwirkungsgrade zu bewirken. Dabei ist es mit Hilfe des Abgasturboladers möglich, mittels
der zweiten, mit dem zweiten Spiralkanal 14b in Wirkverbindung
stehenden Zylindergruppe 34b einen positiven Ladungswechsel
p2–p3' zu
bewerkstelligen. Somit ergeben sich bei Nutzung der asymmetrischen
Turbine 23 Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine 10,
bei denen sich trotz einer hohen Abgasrückführungsfähigkeit ein positiver Ladungswechsel
einstellt. Zur Regelung und Steuerung vieler Funktionen ist der
Brennkraftmaschine 10 ein Regelungs- und Steuerungssystem 50 zugeordnet. Über das
Regelungs- und Steuerungssystem 50 sind insbesondere das
Abgasrückführventil 46 und
die Abblasvorrichtung 42 regelbar.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
des Abgasturboladers gemäß 6 ist
der zweite Spiralkanal 14b sich radial um den ersten Spiralkanal 14a erstreckend
ausgebildet. Ein erster Eintrittsbereich E14a des ersten Spiralkanals 14a entspricht
dabei einem zweiten Eintrittsbereich E14b des zweiten Spiralkanals 14b.
Ein ringförmiger Übergangsbereich
52 vom ersten Eintrittsbereich 14a beziehungsweise zweiten
Eintrittsbereich E14b zum zweiten Spiralkanal 14b kann
unterschiedlich ausgebildet sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der ringförmige Übergangsbereich 52 vollständig strömungsdurchlässig geöffnet. In
einem nicht näher
dargestellten Ausführungsbeispiel
weist der Übergangsbereich 52 mehrere
strömungsdurchlässige Öffnungen
in Form von Schlitzen auf. Ebenso könnte der Übergangsbereich 52 mit
kreisförmigen Öffnungen
versehen sein. Jede Form der strömungsdurchlässigen Öffnungen kann
im Übergangsbereich 52 vorgesehen
sein und ist dem Einsatzbereich des Abgasturboladers anzupassen.
Auch könnte
der ringförmige Übergangsbereich 52 bzgl.
seiner strömungsdurchlässigen Öffnung verstellbar
ausgebildet sein.
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Das
erste Leitgitterelement 30 ist zwischen einem dem Turbinenrad 22 zugewandt
positionierten Ende des zweiten Spiralkanals 14b und dem
Aufnahmeraum 20 positioniert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das erste Leitgitterelement 30 feststehend angeordnet.
Zum Einstellen der Schaufelhöhe
und damit des Aufstauverhaltens ist die Matrize 32 vorgesehen,
welche im Turbinengehäuse 12 axial verschiebbar
gelagert ist. In einem weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das Leitgitterelement 30 in Form bekannter verstellbarer
Leitschaufeln ausgebildet. Die Positionierung der Matrize 32 oder
die Einstellung der verstellbaren Leitschaufeln des Leitgitterelements 30 erfolgt
mit Hilfe der Regelungs- und Steuerungseinrichtung 50.
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Gem. 7 weist
die Brennkraftmaschine 10 eine Abgasleitung 16a auf,
welche mit dem ersten Eintrittsbereich E14a beziehungsweise dem
zweiten Eintrittsbereich 14b verbunden ist. Mit Hilfe der
Matrize 32 ist die Anströmung des Turbinenrades 22 veränderbar.
Je nach Positionierung der Matrize 32 ist das Turbinenrad 22 wahlweise
ausschließlich über den
ersten Spiralkanal 14a oder sowohl über den ersten Spiralkanal 14a als
auch über
den zweiten Spiralkanal 14b anströmbar. Wird das Turbinenrad 22 über beide
Spiralkanäle 14a, 14b angeströmt so ist
je nach Positionierung der Matrize 32 eine stärkere oder
schwächere
Anströmung
des Turbinenrades 22 über
den zweiten Spiralkanal 14b erzielbar.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der Brennkraftmaschine 10 gemäß 8 ist der
Brennkraftmaschine 10 ein zweiter Abgasturbolader 54 zugeordnet,
wobei über
ein Umgehungskanal 56 Abgas an einer zweiten Turbine 58 des
zweiten Abgasturboladers 54 vorbei in den ersten Eintrittsbereich
E14a beziehungsweise den zweiten Eintrittsbereich 14b leitbar
ist. Mit Hilfe der Matrize 32 ist die Abgasmenge des an
der zweiten Turbine 58 vorbei zuleitenden Abgases einstellbar.
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In
einer Variante der Turbine 23 des Ausführungsbeispiels gem. 6 weist
der Abgasturbolader einen dritten Spiralkanal 14c auf,
wobei der dritte Spiralkanal 14c neben dem ersten Spiralkanal 14a und
dem zweiten Spiralkanal 14b angeordnet ist. Der dritte
Spiralkanal 14c ist in der bekannten Weise ausgestaltet
und weist einen der Vollspirale entsprechenden Umschlingungswinkel φS auf. Gemäß 9 ist der
dritte Spiralkanal 14c mit der zweiten Abgasleitung 16b gekoppelt.
Die erste Abgasleitung 16a, welche nicht mit der Abblasvorrichtung 42 gekoppelt ist,
ist mit dem ersten Spiralkanal 14a bzw. dem zweiten Spiralkanal 14b verbunden.
Vorteilhafterweise kann in diesem Ausführungsbeispiel auf das Abgasrückführventil 46 des
Abgasrückführsystems 38 verzichtet
werden, da eine Steuerung des einzustellenden Druckes im Abgasrückführsystems 38 mit
Hilfe des Leitgitterelements 30 des zweiten Spiralkanals 14b erfolgt.
Im unteren Lastbereich der Brennkraftmaschine 10 ist zum
Beispiel zur Erzielung eines maximal möglichen Aufstaudruckes an den
Zylindern der Zylindergruppe 34a das erste Leitgitterelement 30 vollständig in
der Matrize 32 aufgenommen, so dass kein Abgas aus dem
zweiten Spiralkanal 14b auf das Turbinenrad 22 strömen kann.
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In
einer weiteren Variante gem. 10 erfolgt
eine Einstellung des über
den zweiten Spiralkanal 14b strömenden Abgases über ein
Regelventil 60, welches in einem Bereich des zweiten Spiralkanals 14b positioniert
ist.