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Die
Erfindung betrifft ein Turbinengehäuse nach dem Oberbegriff von
Patentanspruch 1, wie es bei einem Abgasturbolader im Abgastrakt
einer Verbrennungskraftmaschine zum Einsatz kommt. Außerdem betrifft
die Erfindung einen ein solches Turbinengehäuse umfassenden Turbolader
und eine Verbrennungskraftmaschine mit eben einem solchen Abgasturbolader.
Darüber
hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Abgasrückführung mit
einem Turbinengehäuse
für einen
Abgasturbolader nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Asymmetrische
mehrflutige Turbinengehäuse
mit zwei Strömungsfluten
für Abgasturbolader,
wie sie beispielsweise im Abgastrakt für Pkw-Motoren auch zum Abgasrückführungstransport
zur Einstellung eines bestimmten NOx-Niveaus eingesetzt werden,
sind allgemein bekannt. Diese Turbinengehäuse weisen zwei unterschiedliche
Fluten auf, im Allgemeinen handelt es sich dabei um eine große und eine kleine
Flut. Das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine wird durch eine
Abgasverrohrung in diese Fluten des Turbinengehäuses des Abgasturboladers geleitet
und durchströmt
diese. Aufgrund der unterschiedlichen Geometrie der Fluten bilden
sich Strömungsfelder
aus, die unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen. Diese Strömungsfelder
treffen vor dem Eintritt eines Turbinenrades in einem Bereich aufeinander
und vermischen sich dort, woraufhin sie das Turbinenrad und den über eine
Welle mit dem Turbinenrad verbundenen Verdichter antreiben.
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Dieser
Verdichter verdichtet die Luft in einem Ansaugkanal der Verbrennungskraftmaschine,
was zu einer Leistungserhöhung
dieser führt.
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Existieren
wie erwähnt
eine große
und eine kleine Flut, so sind die Strömungsfelder dergestalt, dass
die große
Flut mit Unterschallgeschwindigkeit durchströmt wird. Im Gegensatz dazu
tritt in der kleinen Flut zumeist eine Überschallströmung mit
Nachexpansion aufgrund der kleineren Strömungsquerschnitte auf.
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Diese
Strömungsfelder
unterschiedlicher Geschwindigkeiten werden in einem Mischbereich, der
Hauptdüse,
unmittelbar vor dem Eintritt in ein Turbinenrad vermischt. Aufgrund
dieses Aufeinandertreffens von unterschiedlich ausgebildeten Strömungsfeldern
aufgrund der unterschiedlichen, weil asymmetrischen Zuströmbedingungen,
kommt es zu hohen Zuströmwinkel
im Turbinenradeintrittsbereich. Diese hohen Zuströmwinkel
bewirken Wirkungsgradeinbußen
des Turboladers, die sich direkt auf den Gesamtwirkungsgrad der
Verbrennungskraftmaschine negativ auswirken. Ein erhöhter Kraftstoffverbrauch
ist die Folge.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein asymmetrisches,
mehrflutiges Turbinengehäuse
für einen
Abgasturbolader derart weiter zu entwickeln, dass der Abgasturbolader
trotz der asymmetrischen Zuströmbedingungen
noch mit hohen Wirkungsgraden betrieben werden kann.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und
nicht-trivialen Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Diese
Aufgabe wird durch ein mehrflutiges Turbinengehäuse mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Ein
derartiges mehrflutiges Turbinengehäuse für einen Abgasturbolader umgibt
ein Turbinenrad, das über
eine Welle mit einem Verdichter verbunden ist, der wiederum die
Luft im Ansaugkanal einer Verbrennungskraftmaschine verdichtet.
Es weist weiterhin mindestens zwei das Turbinenrad umgebende Fluten
auf, die durch eine Trennwand voneinander unterteilt sind.
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Diese
Trennwand weist vorteilhafter Weise eine Stirnseite mit zwei Bereichen
auf, wobei ein erster Bereich schräg zur axialen Richtung des
Turbinengehäuses
verläuft
und dieser mit einem zweiten Bereich einen Winkel einschließt.
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Über eine
Abgasverohrung werden die Fluten mit dem Abgas aus Brennräumen einer
Verbrennungskraftmaschine gespeist. Aufgrund der unterschiedlichen
geometrischen Gestaltungen der Fluten bilden sich Teilströmungen in
den Fluten aus, die unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen.
Diese Teilströmungen
der Fluten treffen in einem Mischbereich, der Hauptdüse, des
Turbinengehäuses
unmittelbar vor einem Turbinenradeintritt aufeinander, worauf sie
ein Turbinenrad und einen Verdichter in der eingangs beschriebenen
Weise antreiben.
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Der
durch eine Trennwand radial begrenzte Mischbereich ist nun erfindungsgemäß so gestaltet, dass
sein Durchmesser in Abhängigkeit
des Durchmessers des vom Gehäuse
umfassten Turbinenrades festgelegt ist. Dieser Durchmesser des Mischbereichs
liegt im Bereich des 1,25-fachen bis 1,45-fachen des Durchmessers
des Turbinenrades. Dadurch ergibt sich eine Länge der Hauptdüse, die
größer ist
als bei herkömmlichen
Abgasturboladerturbinengehäusen,
wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind.
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Aufgrund
der erfindungsgemäßen, längeren Ausbildung
der Hauptdüse
haben die dort aufeinander treffenden und sich vermischenden Teilströmungen aus
den unterschiedlich ausgeformten Fluten eine längere Strecke zur Vergleichmäßigung des
Zuströmprofils
zur Verfügung.
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Die
Zuströmwinkel über die
axiale Ausdehnung der Hauptdüse
in das Turbinenrad werden verbessert, d. h. betragsmäßig reduziert.
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Dieser
positive Effekt kommt vor allem bei der Teilströmung aus der kleinen Flut des
Turbinengehäuses
zum Tragen, die als Überschallströmung mit
Nachexpansion ausgebildet ist.
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Die
Gestaltung der die beiden Fluten unterteilende Trennwand beeinflusst
die Vergleichmäßigung der
beiden Teilströmungen
ebenfalls. Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung kann die Stirnseite
dieser Trennwand derart gestaltet sein, dass sie schräg zu der
Axialrichtung des Turbinengehäuses
verläuft.
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Darüber hinaus
kann in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung die Stirnseite der die beiden Fluten unterteilenden
Trennwand so gestaltet sein, dass sie einen zweiten Bereich aufweist,
dergestalt, dass er mit dem ersten Stirnseitenbereich einen Winkel
einschließt.
Dies wirkt sich weiter positiv auf die Strömungsverhältnisse aus.
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Ein
derartiges Turbinengehäuse
kommt bei Abgasturboladern im Abgastrakt von Verbrennungskraftmaschinen
zum Einsatz.
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Auch
in Verbindung mit einem Abgasrückführungstransport
finden derartige Turbinengehäuse bzw.
Abgasturbolader Verwendung, wobei von zumindest einer Abgasleitung,
die zu einer der Fluten führt,
eine Abgasrückführleitung
zu einem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine führt. Zur
Regelung einer Menge und Temperatur des zurückgeführten Abgases sind auf dem
Strömungsweg Durchströmungsquerschnittseinstellvorrichtungen und
Temperatureinstellelemente vorzusehen. Die Entnahme des zurückzuführenden
Abgases kann auch stromabwärts
nach dem Abgasturbolader erfolgen.
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Derartige
Abgasrückführungen
dienen insbesondere bei direkt einspritzenden Verbrennungskraftmaschinen
zur Einstellung eines NOx-Niveaus, um die Schadstoffrohemissionen
zu reduzieren, etwa zur Einhaltung von gesetzlich vorgegebenen Grenzwerten.
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Der
im Vergleich zu herkömmlichen
Abgasturboladern höhere
Wirkungsgrad des Abgasturboladers mit einem erfindungsgemäß gestalteten
Turbinengehäuse
steigert der Gesamtwirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine.
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Dies
hat einerseits zur Folge, dass dadurch den Kraftstoffverbrauch der
Verbrennungskraftmaschine reduziert wird bei gleich bleibender Leistung der
Verbrennungskraftmaschine bzw. die Leistung gesteigert werden kann
bei gleich bleibendem Verbrauch.
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Ebenfalls
denkbar ist der Einsatz eines Turbinengehäuses eines Abgasturboladers,
das gemäß der Erfindung
gestaltet ist, in Kombination mit einer variabel einstellbaren Geometrie
der Turbine, also mit in ihrer Stellung während des motorischen Betriebs
veränderbaren
Turbinenschaufeln. So können einerseits
weitere Wirkungsgradvorteile erzielt werden, andererseits kann das
Ansprechverhalten des Turboladers an den aktuellen Betriebspunkt
der Verbrennungskraftmaschine, also an Last und Drehzahl und an
die davon abhängige
Abgasmenge angepasst werden, wodurch das allseits bekannte „Turboloch” zumindest
reduziert werden kann, bei ebenfalls gleichfalls möglicher
Realisierung eines geringen Abgasgegendrucks im Volllastbereich.
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Natürlich ist
auch eine Kombination eines beschriebenen erfindungsgemäßen Turbinengehäuses mit
weiteren, anderweitigen schalt- oder regelbaren Elementen eines
Turboladers denkbar, insbesondere wenn diese verstellbaren Elemente
die Innengeometrie des Turbinengehäuses, das Turbinenrad, die
Zuführ-
oder Abführleitungen
oder die Fluten selbst betreffen.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnung.
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Diese
zeigt abschnittsweise einen Querschnitt eines asymmetrischen, zweiflutigen
Turbinengehäuses,
das ein Turbinenrad umgibt und zwei Fluten aufweist, die sich in
ihrer Geometrie unterschieden, wobei zudem ein Teil der Anbindung
des Turbinenrades an eine Welle und deren Lagerung erkennbar ist, über die
das Turbinenrad einen nicht dargestellten Verdichter auf einer Ansaugseite
einer Verbrennungskraftmaschine antreibt.
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Eine
in der Figur dargestellte bevorzugte Ausführungsform eines asymmetrischen
Turbinengehäuses 10 umgibt
ein Turbinenrad 12, das hier ein Radialturbinenrad ist.
Der Durchmesser dieses Turbinenrades 12 ist mit dTR bezeichnet. Außerdem weist das Turbinengehäuse 10 eine
kleine Flut 14 und eine große Flut 16 auf, die
unterschiedliche Querschnittsgeometrien aufweisen. Diese beiden
Fluten 14 und 16 werden über eine nicht dargestellte
Abgasverrohrung mit Abgas aus den Brennräumen einer nicht dargestellten
Verbrennungskraftmaschine beaufschlagt. Die Anordnung dieser Fluten 14, 16 in
axialer Richtung des Turbinengehäuses 10 kann
natürlich auch
genau umgekehrt zur in 1 dargestellten Anordnung sein.
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Die
beiden Teilströmungen
der beiden Fluten 14 und 16 treffen in einem Mischbereich,
einer so genannten Hauptdüse 18,
aufeinander. Die Hauptdüse 18 befindet
sich dabei zwischen den Fluten 14 und 16. Die
axiale Ausdehnung der Hauptdüse 18 ist durch
jeweilige Wandungen 24 der zugeordneten Flut 14, 16 des
Turbinengehäuses 10 begrenzt.
Es ist aber auch möglich,
die Hauptdüse 18 in
axialer Richtung anderweitig, etwa durch separate Bleche, zu begrenzen,
und diese Wandungen 24 schalt- oder regelbar zu gestalten.
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Die
radiale Ausdehnung der Hauptdüse 18 ist
in der Figur mit dHD bezeichnet und durch
eine Trennwand 20 begrenzt. Eine Stirnseite 22 der Trennwand 20 weist
vorteilhafterweise zwei Bereiche 26, 28 auf, wovon
der eine Bereich 26 schräg zur Axialrichtung des Turbinengehäuses 10 verläuft und
der andere Bereich 28 etwa parallel zur Axialrichtung des Turbinengehäuses 10 verläuft. Somit
schließen
die beiden Bereiche 26, 28 einen hier stumpfen
Winkel miteinander ein. Diese Anordnung begünstigt die Strömungsverhältnisse
beim Eintritt der Strömung
in das Turbinenrad 12 weiter.
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Alternativ
ist es aber auch denkbar, die Stirnseite 22 der Trennwand 20 so
zu gestalten, dass sie nur einen Bereich aufweist, der beispielsweise
gerade geformt ist. Weiterhin könnte
die Trennwand 20 als veränderbares, etwa separates Bauteil
in das Turbinengehäuse 10 integriert
ein.
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Abgas
strömt
nun von einem oder in der Regel mehreren Brennräumen einer nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine
durch eine ebenfalls nicht dargestellte Abgasverrohrung in die Fluten 14 und 16 des
asymmetrischen Turbinengehäuses 10 ein.
Aufgrund der unterschiedlichen Geometrien beider Fluten 14 und 16 bilden
sich Strömungsfelder aus,
die unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen. Die geometrische
Ausgestaltung der beiden Fluten 14 und 16 kann
dabei frei wählbar
erfolgen, jedoch ist es vorteilhaft, ihre Form unter der Berücksichtigung
der Bereitstellung möglichst
optimaler Durchströmungsbedingungen
festzulegen. Weitere Gesichtspunkte, wie etwa die gewünschte Entnahme von
Abgas zur Abgasrückführung, können aber
auch in Betracht gezogen werden.
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Die
große
Flut 16 wird mit Unterschallgeschwindigkeit durchströmt. Im Gegensatz
dazu kommt es in der kleinen Flut 14 zumeist zu einer Überschallströmung mit
Nachexpansion aufgrund der kleineren Strömungsquerschnitte. Diese Strömungsfelder
unterschiedlicher Geschwindigkeiten treffen in der Hauptdüse 18 aufeinander
und werden vermischt, bevor sie über
einen Turbinenradeintritt in das Turbinenrad 12 einströmen und
diese und damit den nicht dargestellten Verdichter antreiben.
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Die
beschriebene Unterschiedlichkeit der beiden Strömungsfelder führt zu einer
Wirkungsgradeinbuße
des Turboladers. Dies liegt an den hohen Zuströmwinkeln über die Breite der Hauptdüse 18 aufgrund
der schlechten Möglichkeit
zur Vergleichmäßigung beider
Teilströmungsfelder
bei herkömmlichen
Abgasturboladern.
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Eine
Verlängerung
der Hauptdüse 18 durch eine
Vergrößerung der
radialen Ausdehnung des Mischbereichs im Vergleich zu herkömmlichen
Turboladern hat eine Verlängerung
der Strecke zur Vergleichmäßigung der
beiden Teilströmungen
zur Folge. Dadurch werden die Einströmwinkel über die Breite der Hauptdüse 18 verbessert.
Sie sind betragsmäßig kleiner
als bei einer kürzeren
Hauptdüse 18 bei
herkömmlichen
Abgasturboladern, was wiederum in einer Verbesserung des Wirkungsgrads
des Abgasturboladers resultiert.
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Bei
Verwendung eines Turboladers mit einem derartig gestalteten Turbinengehäuse 10 im
Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine kann der Gesamtwirkungsgrad
der Verbrennungskraftmaschine verbessert und dadurch Kraftstoffverbrauch
reduziert werden. Selbstverständlich
kann ein Abgasturbolader mit einem derartigen Turbinengehäuse 10 auch
bei einem Verfahren zum Abgasrückführungstransport
eingesetzt werden.
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- 10
- Turbinengehäuse
- 12
- Turbinenrad
- 14
- kleine
Flut
- 16
- große Flut
- 18
- Hauptdüse
- 20
- Trennwand
- 22
- Stirnseite
- 24
- Wandungen
- 26
- erster
Stirnseitenbereich
- 28
- zweiter
Stirnseitenbereich
- dTR
- Durchmesser
Turbinenrad
- dHD
- Durchmesser
Hauptdüse