DE102008049096A1

DE102008049096A1 - Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102008049096A1
Application number: DE102008049096A
Authority: DE
Inventors: Heinz Rosenau; Siegfried Dipl.-Ing. Sumser; Stephan Dipl.-Ing. Krätschmer (FH)
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2010-04-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage (1) einer Verbrennungskraftmaschine (2) mit zumindest einem Abgaskrümmer (19), mit einer Turbine (9), die mit dem Abgaskrümmer (19) an einem Anschlussabschnitt (16) über eine Dichtung (20) Abgase leitend verbunden ist. Erfindungsgemäß ist die Dichtung (20) im Inneren des Abgaskrümmers (19) und des Anschlussabschnittes (16), diese relativ zueinander zentrierend und abdichtend, angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einem Abgaskrümmer, mit einer Turbine, die mit dem Abgaskrümmer an einem Anschlussabschnitt über eine Dichtung Abgase leitend verbunden ist.
Durch die fortwährende Verschärfung der Emissionsgrenzwerte, im Besonderen hinsichtlich der Stickoxide (NOx) und Rußemissionen, ergibt sich eine massive Beeinflussung des Aufladesystems, wie es in Abgasanlagen integriert ist.
Durch die wachsenden Anforderungen hinsichtlich einer Ladedruckbereitstellung aufgrund der hohen Abgasrückführungsraten über dem mittleren Lastbereich bis zur Volllast hin, ist man immer mehr gezwungen, die Turbinen mehr und mehr geometrisch zu verkleinern. Die geforderten hohen Turbinenleistungen werden also durch eine Steigerung der Aufstaufähigkeit, bzw. durch die Reduktion der Schluckfähigkeit der Turbinen im Zusammenspiel mit der betreffenden Verbrennungskraftmaschine realisiert.
Des Weiteren wird das Eintrittsdruckniveau der Turbinen durch den erzeugten Gegendruck von Rußfiltern weiter nach oben getrieben, wodurch die Turbine nochmals mit kleineren Werten und damit mit geringerem Wirkungsgrad ausgelegt werden muss, um die Leistungsanforderungen an einer Verdichterseite für die Luft-Abgaslieferung befriedigen zu können.
Als Kernkomponente für das Abgasrückführungssystem haben sich in Kraftfahrzeugen, wie Nutzfahrzeugen, zweiflutige, asymmetrische Turbinen etabliert.
Ein größeres Problem bzgl. der Abgasrückführungsfähigkeit in Verbindung mit der erforderlichen zu liefernden Verbrennungsluft für die Verbrennungskraftmaschine, besteht besonders im unteren bis mittleren Motorbetriebsbereich. Bei den üblichen Auslegungs randbedingungen, die auch im Nennpunkt des Motors von einer Ladungswechselseite bzw. Verbrauchsseite definiert werden, kann bei einer asymmetrischen, zweiflutigen Festgeometrieturbine der untere Motordrehzahlbereich nicht optimal bedient werden.
Um das Verhältnis der Abgasrückführungsraten zu den notwendigen Luft-Kraftstoffverhältniszahlen in einem größeren Betriebsbereich optimal einstellen zu können, bieten sich mehrflutige Turbinenarten an, die hinsichtlich der Stoßaufladungsfähigkeit bei einer Zylinderzusammenfassungsgruppe stärker ausgeprägt sind.
Turbinen, die speziell für die Stoßaufladung ausgelegt werden, haben merklich größere Strömungsquerschnitte für die Verwertung der größeren nutzbaren Energieschwankungen, bzw. Druckpulsationen. Eine entsprechende Turbine für mehrzylindrige Verbrennungskraftmaschinen mit einem Abgasturbolader ist in der DE 19918232 A1 offenbart.
Die dabei auftretenden hohen Druckpulsationen der Verbrennungskraftmaschine existieren und ergeben sich an der Turbine des Abgasturboladers dann, wenn man die sich üblicherweise einstellenden Drossel- und Reibungsverluste an den Motorauslassventilen und im Krümmerbereich durch eine entsprechende Geometriegestaltung bis in die Turbine hinein merklich reduziert.
Die Reduzierung der genanten Drossel- und Reibungsverluste stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine fördert die Erreichung der Zielsetzung der gewünschten extremen Stoßaufladung, wodurch eine Steigerung des mittleren Gesamtwirkungsgrades einer Abgasexergienutzung trotz großer zeitlicher Schwankung des Turbinenwirkungsgrades erreicht wird. Der Anteil des Abgases, der Arbeit verrichten kann, wenn er in ein thermodynamisches Gleichgewicht mit der Umgebung gebracht wird, wird hier als Abgasexergieanteil bezeichnet.
Der Schlüssel für die Realisierung einer extremen Stoßaufladung bietet eine spezielle Turbinentypgestaltung, die jedoch sehr anspruchsvolle Verbindungen zu den mehrflutigen Krümmern bei entsprechender Realisierung beinhaltet.
Entsprechende Verbindungen eines Turboladers mit einem Abgaskrümmer sind bspw. aus der DE 69530241 T2 und der EP 0664385 B1 bekannt. Dort wird eine spezielle Querschnittsausgestaltung auf der Innenseite eines Abgaskrümmers propagiert.
Allerdings weisen die derzeitigen Abgasanlagen den Nachteil auf, dass sie über lange Sicht gesehen zu hohe Verluste bewirken.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden. Es soll eine nahezu leckagefreie und strömungsgünstige Flanschverbindung integriert sein, die insbesondere bei mehrflutigen Krümmerrohren und bei Nutzen einer Stoßturbine einen dauerhaften störungsfreien Betrieb sicherstellt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer gattungsgemäßen Abgasanlage dadurch gelöst, dass die Dichtung im Inneren des Abgaskrümmers und des Anschlussabschnittes diese relativ zueinander zentrierend und abdichtend angeordnet ist.
Gerade bei mehrflutigen Stoßturbinen mit drei 120°-Spiralsegmenten über dem Umfang auf der Lambda-Seite und mit einer Vollspirale auf der Abgasrückführungsseite lassen sich dann sinnvoller Weise nutzen. Sprungfreie Übergänge zwischen dem Abgaskrümmer und dem Anschlussabschnitt werden erzeugt. Unnötige Reibung wird dadurch vermieden.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und nachstehend näher erläutert.
So ist es von Vorteil, wenn die Dichtung im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist. Gerade eine Ausbildung als Sickenrohr erleichtert die Zentrierung und Abdichtung der Strömungsflächen-Verbindungen zwischen dem Abgaskrümmer und der Turbine.
Eine sich auch unter Belastung nachzentrierende und nachdichtende Verbindung wird dann erreicht, wenn die Dichtung in einer auf der innenseitigen Strömungsfläche des Abgaskrümmers sich fluchtend zu einer auf der innenseitigen Strömungsfläche des Anschlussabschnittes umlaufenden Ausnehmung erstreckenden Durchmessererweiterung und dieser Ausnehmung angeordnet ist.
Wenn in einem Verbreitungsbereich zwischen dem Abgaskrümmer und dem Anschlussabschnitt in den Durchmessererweiterungsbereich und in die Ausnehmung mündend ein die Dichtung umschließender Ring vorzugsweise aus Kupfer, angebracht ist, so wird die Dichtwirkung zwischen dem Abgaskrümmer und der Turbine, insbesondere in einem flächigen Flanschbereich erhöht.
In einer weiteren Ausführungsform ist es von Vorteil, wenn die Dichtung eine balgförmige Ausstulpung aufweist, die in einem zwischen dem Abgaskrümmer und dem Anschlussabschnitt befindlichen sowohl die Ausnehmung als auch die Durchmessererweiterung radial vergrößernden Verbreitungsbereich positioniert ist. Bei einer solchen Ausgestaltung ist die dann als balgförmiges Rohrstück ausgebildete Dichtung vollständig in Umfangsrichtung wie auch in axialer Richtung thermisch zentrierbar.
Der Wirkungsgrad der Abgasanlage lässt sich erhöhen, wenn vier Abgaskrümmer mit jeweils einem Anschlussabschnitt der als Stoßturbine ausgeformten Turbine verbunden sind.
Wenn die Turbine als eine Segmentturbine eines Turboladers ausgebildet ist, wobei der Turbolader vorzugsweise einen über eine Welle gekoppelten Verdichter zur Ladeluftverdichtung aufweist, so ist es möglich, eine Verbrennungskraftmaschine bei gleichzeitig gutem Wirkungsgrad der Abgasanlage mit komprimierter Ladeluft zu beschicken.
Damit keine Verspannungen auftreten, ist es von Vorteil, wenn die Dichtung einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Abgaskrümmer und/oder der Anschlussabschnitt, welcher vorzugsweise als Teil eines Gehäuses der Turbine ausgebildet ist, aufweist. Gleichzeitig wird die Abdichtungsfunktion verbessert.
Ohne einen Materialbruch hervorzurufen und gleichzeitig eine gute Dichtwirkung zu erreichen, hat sich eine Abgasanlage dann als erreichbar herausgestellt, wenn der Abgaskrümmer mit dem Anschlussabschnitt bei zwischen diesen eingesetzter Dichtung, diese und vorzugsweise auch den Ring axial und radial verspannend, miteinander verbunden sind, etwa über Schraubverbindungen.
Es hat sich in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform bewährt, wenn die Ausnehmung und/oder die Durchmessererweiterung einen axialen Dehnspalt zur Kompensation von thermischer Dehnung der Dichtung aufweist.
Thermische Längenänderungen des Dichtrohres werden von dem Balgbereich dann kompensiert, wenn die balgförmige Ausstulpung aus flexiblem Material aufgebaut ist.
Besonders einfach lässt sich die Ausnehmung und die Durchmessererweiterung dann realisieren, wenn die Ausnehmung und/oder die Durchmessererweiterung als radiale Ausdrehung ausgebildet ist.
Die Erfindung wird nachstehend auch mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Aufbau einer asymmetrischen Extremstoßturbine in einer Abgasanlage im Sinne der Erfindung,
2a eine Draufsicht auf eine Turbine in der erfindungsgemäßen Abgasanlage, wobei die Turbine als Extremstoßturbine ausgelegt ist,
2b eine Seitenansicht der Extremstoßturbine aus 2a,
2c eine Ansicht von unten auf die Extremstoßturbine der 2a und 2b,
3a eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Abgasanlage,
3b einen Schnitt durch einen Abgaskrümmer und einen Anschlussabschnitt einer Turbine mit dazwischengesetzter Dichtung und eingesetztem Ring,
3c eine als Sickenrohr ausgestalte Dichtung in perspektivischer Ansicht,
3d eine perspektivische Ansicht eines aus Kupfer gefertigten dichtenden Ringes, wie er in dem Ausführungsbeispiel der 3b verwendet ist,
4a einen Teilausschnitt im Bereich eines Endes eines Abgaskrümmers und einer durch eine balgförmige Ausstulpung aufweisenden Dichtung und
4b eine vergrößerte Darstellung der balgförmigen Ausstulpung des Ausführungsbeispiels aus 4a.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Für die gleichen Elemente werden dieselben Bezugszeichen verwendet.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Abgasanlage 1 dargestellt. Die Abgasanlage 1 ist an einer Verbrennungskraftmaschine 2 angeschlossen. Die Verbrennungskraftmaschine 2 wird auch als Verbrennungsmotor oder kurz als Motor bezeichnet. Die Verbrennungskraftmaschine 2 weist sechs Zylinder 3 mit darin enthaltenen Kolben auf.
Es wird Ladeluft über eine Ladeluftzuführleitung 4 der Verbrennungskraftmaschine 2 zugeführt. In der Ladeluftzuführleitung 4 sind Ladeluftkühler 5 angeordnet. Einer der Ladeluftkühler 5 kann dabei so angeordnet sein, dass er über eine Abgasrückführleitung 6 mit aus den Zylindern 3 entnommenem Abgas durchlaufen wird, so dass dann gekühltes Abgas wieder der Verbrennungskraftmaschine 2 zuführbar ist.
Stromauf in der Ladeluftzuführleitung 4 ist ein Verdichter 7 angeordnet. Der Verdichter 7 ist über eine Welle 8 mit einer Turbine 9 eines Turboladers verbunden.
Die Turbine 9 weist eine Vollspirale auf und zusätzlich dazu einen 3-segmentigen Spiralabschnitt. Stromab der Vollspirale ist entweder eine freie Ringdüse oder ein Abgasrückführ-Gitter positioniert. Stromab der drei segmentartigen Spiralabschnitte sind entweder eine Anordnung freier Ringdüsensegmente oder eine Anordnung von Lambda-Gittersegmenten vorgesehen.
Die Turbine 9 wird mit Abgas entweder direkt oder indirekt über Abgaszuführleitungen 10 unter Zwischenschaltung einer optionalen Umblasevorrichtung 11 mit Abgas versorgt. Die Umblasevorrichtung kann entweder nur umblasend ausgebildet oder abblasend ausgebildet sein. Eine Kombination von Umblasen und Abblasen ist möglich.
Das Abblasen, also eine Art Bypass, ist mit einer Bypass-Leitung 12 realisiert.
Zur Umblasevorrichtung 11 und/oder zur Turbine 9 stromabwärts, ist eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 13 positioniert. Diese Abgasnachbehandlungsvorrichtung 13 kann einen Katalysator, einen Rußfilter und/oder ähnliche Vorrichtungen umfassen.
In der Abgaszuführleitung 10 ist ein Ventil 14 angeordnet.
In 2a, 2b und 2c ist eine als Extremstoßturbine ausgebildete Turbine 9 dargestellt. Die Turbine 9 weist einen Flanschbereich 15 auf. Im Flanschbereich 15 ist ein Anschlussabschnitt 16 ausgebildet.
Im Anschlussabschnitt 16 enden drei lambda-seitige 120°-Spiralsegmente 17. Es ist ferner ein Abgasrückführungssegment 18 vorhanden.
In 3a ist der Zusammenbau von drei Abgaskrümmern 19 über eine Dichtung 20 mit den Anschlussabschnitten 16 dargestellt.
In 3b ist aufgrund der Schnittdarstellung die Anordnung der einzelnen Elemente relativ zueinander besser erkennbar. So ist die Dichtung 20 als hohlzylinderförmiges Sickenrohr zur Befestigung im Flanschbereich 15 mit einer Höhe von ca. 20 mm ausgebildet. Dabei ist die Dichtung 20 sowohl in einer Ausnehmung 21, als auch in einer Durchmessererweiterung 22, die als ringförmiger Hohlraum ausgebildet ist, angeordnet. Die Ausnehmung 21 geht fluchtend in die Durchmessererweiterung 22 über.
Sieht man sich die Randbereiche der Dichtung 20 genauer an, so stellt man fest, dass die Innenflächen des Abgaskrümmers 19 über die Innenfläche der Dichtung 20 mit der Innenfläche der Turbine 9 fluchtet. Verwirbelungen und Widerstände werden dadurch verhindert. Der Wirkungsgrad wird erhöht.
In einem Verbreitungsbereich 23 ist ein Ring 24, insbesondere ein aus Kupfer gefertigter Dichtring ausgebildet.
In den 3c und 3d sind perspektivische Darstellungen sowohl des Ringes 24, als auch der Dichtung 20 wiedergegeben.
In den 4a und 4b wird eine zweite Ausführungsform visualisiert, nämlich eine, bei der die Dichtung 20 eine balgförmige Ausstulpung aus flexiblem Material 25 aufweist. Dabei gibt die 4b das in 4a mit IV gekennzeichnete Detail wieder.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19918232 A1 [0008]
- DE 69530241 T2 [0012]
- EP 0664385 B1 [0012]

Claims

Abgasanlage (1) einer Verbrennungskraftmaschine (2) mit zumindest einem Abgaskrümmer (19), mit einer Turbine (9), die mit dem Abgaskrümmer (19) an einem Anschlussabschnitt (16) über eine Dichtung (20) Abgase leitend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (20) im Inneren des Abgaskrümmers (19) und des Anschlussabschnittes (16) diese relativ zueinander zentrierend und abdichtend angeordnet ist.
Abgasanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (20) im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist.
Abgasanlage (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (20) in einer auf der innenseitigen Strömungsfläche des Abgaskrümmers (19) sich fluchtend zu einer auf die innenseitige Strömungsfläche des Anschlussabschnittes (16) umlaufenden Ausnehmung (21) erstreckenden Durchmessererweiterung (22) und dieser Ausnehmung (21) angeordnet ist.
Abgasanlage (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verbreiterungsbereich (23) zwischen dem Abgaskrümmer (19) und dem Anschlussabschnitt (16) in den Durchmessererweiterungsbereich (22) und in die Ausnehmung (21) mündend, ein die Dichtung (20) umschließender Ring (24), vorzugsweise aus Kupfer, angebracht ist.
Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vier Abgaskrümmer (19) mit jeweils einem Anschlussabschnitt, der als Stoßturbine ausgeformten Turbine (9) verbunden sind.
Abgasanlage (1) nach Anspruch 5, die Turbine (9) als eine Segmentturbine eines Turboladers ausgebildet ist, wobei der Turbolader vorzugsweise einen über eine Welle (8) gekoppelten Verdichter (7) zur Ladeluftverdichtung aufweist.
Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (20) einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Abgaskrümmer (19) und/oder der Anschlussabschnitt (16), welcher vorzugsweise als Teil eines Gehäuses der Turbine (9) ausgebildet ist, aufweist.
Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskrümmer (19) mit dem Anschlussabschnitt (16) etwa über Schraubverbindungen verbunden ist, wobei zwischen diesen die Dichtung (20) eingesetzt ist, die den Abgaskrümmer (19) und den Anschlussabschnitt (16) sowie vorzugsweise auch den Ring (24) axial und radial miteinander verspannt.
Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (21) und/oder die Durchmessererweiterung (22) einen axialen Dehnspalt zur Kompensation von thermischer Dehnung der Dichtung (20) aufweist.
Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die balgförmige Ausstulpung (25) aus flexiblem Material aufgebaut ist.
Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (21) und/oder die Durchmessererweiterung (22) als radiale Ausdrehung ausgebildet ist.