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Die
Erfindung betrifft eine Abgasturbine für einen Abgasturbolader
einer Brennkraftmaschine, mit einem Turbinengehäuse, welches
eine Zulaufspirale für ein Laufrad ausbildet, wobei die
Zulaufspirale einen Eintritt des Laufrades umgibt, wobei das Laufrad
sich zwischen dem Eintritt und einem Austritt in einem Laufschaufelraum
erstreckende Laufschaufeln aufweist, wobei die Abgasturbine zumindest
einen internen Umgehungsströmungsweg mit veränderbarem
Querschnitt für Abgas aufweist, welcher stromabwärts
des Laufschaufelaustrittes wieder in den Abgasstrang einmündet.
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Die
Trägheit und damit der Durchmesser des Laufrades der Abgasturbine
ist ein maßgeblicher Faktor für das Beschleunigungsverhalten
des Abgasturboladers und der Brennkraftmaschine beim raschen Übergang
von Teillast auf Volllast. Bekannte Bauformen von Abgasturboladern,
beispielsweise solche mit einem sogenannten ”wastegate”,
sind bei zunehmender Verkleinerung der Laufzeugabmessungen hier
speziell durch die Betriebsbedingungen beim Ottomotor mit Kompromissen
behaftet. Alternative Abgasturbinen mit variabler Turbinengeometrie (VTG),
wie sie bei Dieselmotoren Standard sind, würden zwar vorteilhaft
kleinere Laufräder als mit Wastegate-Turbinen ermöglichen,
haben jedoch Probleme im Betriebsumfeld des Ottomotors hinsichtlich
Temperatur und Güte des Ladungswechsels, und sind mit erheblichen
Mehrkosten verbunden, ohne dass eine dem Mehraufwand angemessene
Verbesserung der Motorkennwerte eintreten würde. Andere
Formen variabler Turbinen mit beispielsweise Schiebehülsen als
Regelorganen für variable Radbeaufschlagung konnten ihre
Eignung bislang nicht erfolgreich nachweisen.
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Ziel
ist daher die Ausführung einer einfach gestalteten Turbine
mit vergleichsweise sehr kleinem Laufrad und variabler Schluckfähigkeit,
welche speziell im thermisch hoch belasteten Umfeld des Ottomotors
einsetzbar ist und im gesamten Betriebsbereich gute Aufladewirkungsgrade,
also hohen Ladedruck bei vergleichsweise moderatem Abgasgegendruck bereitstellen
kann.
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In
der Praxis werden bei Ottomotoren überwiegend fixe Turbinen
mit sogenanntem ”Wastegate” verwendet, die jeweils
ein relativ kleines Laufrad aufweisen, welches im unteren Drehzahlbereich
des Motors vom gesamten Abgas durchströmt wird, wobei bei
höheren Motordrehzahlen zur Ladedruckerzeugung überschüssiges
Abgas über eine Bypassklappe (”Wastegate”)
das Laufrad umströmt. Damit erhält man zwar ein
relativ kleines und wenig träges Laufrad, bei hohen Motordrehzahlen
muss jedoch wegen der eingeschränkten Schluckfähigkeit
eines solchen Rades und des Bypasses einer nennenswerten Teilmenge
des Abgases (bis zu 40%) der Druck der Restmenge vor der Abgasturbine
deutlich erhöht werden, um die zur Ladedruckerzeugung nötige
Turbinenleistung zu erhalten, was die Ausschiebearbeit des Motors
sowie die Abgastemperatur erhöht. Dies führt,
insbesondere wenn damit beim Ottomotor ein durch vermehrtes Klopfen
bedingtes Spätstellen des Zündzeitpunktes einhergeht,
zu einer Zunahme der Gemischanfettung zur Einhaltung von Grenztemperaturen
der Turbine und folglich zu einem beträchtlichen Anstieg
des Kraftstoffverbrauches. Die Abstimmung einer Wastegate Abgasturbine
an die Brennkraftmaschine erfolgt immer als Kompromiss zwischen
engem Austrittsquerschnitt am Laufrad der Abgasturbine und engem
Hals der Zulaufspirale (begünstigen Arbeitsabgabe bei niedrigen
Durchsätzen, limitieren den Durchsatz nach oben) und großem Austrittsquerschnitt
am Laufrad bzw. Hals der Zulaufspirale (erweitern den Gasdurchsatz,
reduzieren Arbeitsabgabe bei kleinen Durchsätzen). Die
Arbeitsabgabe des Impulses des Arbeitsgases erfolgt daher gemischt
an Ein- und Austritt des Laufrades, wobei bei höheren Durchsätzen
eine zunehmend große Gasmenge überhaupt nicht
an der Arbeitsabgabe teilnimmt (Bypass) und den an sich gleichmäßig
hohen Turbinenwirkungsgrad entsprechend schmälert. Eine
Wastegate-Abgasturbine ist einfach zu regeln, kommt aber bei spezifischen
Leistungen > ca. 80 kW/L
zunehmend in Zielkonflikte bezüglich Läuferträgheit
(Raddurchmesser) und Gegendruck (Schluckfähigkeit), was
Kompromisse beim Ansprechverhalten und dem Kraftstoffverbrauch bei
höheren Leistungen bedingt.
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Weiters
werden Abgasturbinen mit variabler Geometrie VTG (hauptsächlich
mit verstellbaren Leitschaufeln am Eintritt des Laufrades der Abgasturbine)
mittlerweile auch beim Ottomotor verwendet. Neben der Variabilität
des Schluckverhaltens besteht aufgrund der Regelung der Strömung
am Radeintritt gegenüber der Wastegate-Abgasturbine der
Vorteil, dass – bezogen auf einen bestimmten maximalen Gasdurchsatz,
noch kleinere Laufräder mit tendenziell geringerer Trägheit
eingesetzt werden können. Dies gilt speziell für
jenen Fall, wenn eine sehr kleine VTG-Abgasturbine mit einem zusätzlichen
Wastegate kombiniert wird. Allerdings ist die Anwendung von VTG-Abgasturbinen
bei Ottomotoren durch die wesentlich höheren Gastemperaturen
als beim Dieselmotor sehr aufwendig und entsprechend limitiert.
Die VTG-Abgasturbine baut in der Regel auf einen sehr großen
Austrittsquerschnitt am Turbinenrad (für maximalen Gasdurchsatz
bei geöffneten Leitschaufeln) und auf die Eintrittsregelung
der Schlucklinie im Schaufelbereich (Maximierung des Eintrittsimpulses des
Arbeitsgases bei kleinen Mengen, aufgrund des großen Austrittsquerschnittes
am Laufrad der Abgasturbinen verlagert sich die Arbeitsabgabe an
das Laufrad mehr an den Eintritt). Der Eintritt in das Laufrad hat
bei der VTG-Abgasturbine einen größeren Anteil
an der Arbeitsabgabe des Impulses des Arbeitsgases als bei der Wastegate-Abgasturbine.
Zudem nimmt im allgemeinen der gesamte Gasstrom an der Arbeitsabgabe teil,
wobei in den Randbereichen der Durchsatzregelung, also bei sehr
kleinen und sehr großen Durchsätzen, die Wirkungsgrade stark
abfallen und diese Bereiche für den Ottomotor wegen der
durch den resultierenden hohen Abgasgegendruck verbundenen Restgasproblematik
nicht nutzbar sind. Die Regelung ist durch den direkten Eingriff
in die Schlucklinie und die damit einhergehende Beeinflussung des
Turbinenwirkungsgrades sehr sensibel. Selbst wenn eine (wünschenswert sehr
kleine) VTG-Abgasturbine mit einem Wastegate betrieben würde,
wäre der Abblasanteil deutlich geringer als bei einer Wastegate-Turbine.
Die VTG-Abgasturbine ist weniger gut für hohe Gastemperaturen geeignet
als die Wastegate-Abgasturbine, so dass eine Reduktion des Anfettungsbedarfes
und somit des Kraftstoffverbrauches aufgrund der Gegendruckabsenkung
(höheres Schluckvermögen) relativ gering ausfallen
wird.
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Die
US 4 776 168 A beschreibt
einen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine mit variabler Turbinengeometrie,
wobei das Turbinengehäuse der Abgasturbine eine zweiflutige
Zulaufspirale ausbildet. Konzentrisch zum Laufrad ist ein Steuerschieber
vorgesehen, mit welchen eine Flut der Zulaufspirale auf- oder zugesteuert
werden kann.
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Die
US 6 715 288 B1 offenbart
eine ähnliche Abgasturbine für einen Abgasturbolader,
wobei über einen Steuerschieber eine von zwei Fluten einer
Zulaufspirale gesteuert werden kann. In zumindest einer Stellung
des Steuerschiebers kann die gesteuerte Flut mit einer Umgehungsleitung
strömungsverbunden werden, so dass Abgas dieser Flut am
Laufrad vorbeigeleitet werden kann. Das Laufrad wird somit entweder
voll- oder teilweise mit Abgas beaufschlagt.
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Derartige
Abgasturbinen haben den Nachteil einer ungünstigen Wirkungsgradcharakteristik,
da es bei geschlossener zweiter Flut zu Störungen der Strömung
in den Schaufelkanälen durch Rezirkulationen und bei sich öffnender
zweiter Flut zu unterschiedlichen Einströmrichtungen in
das Laufrad kommen kann.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, auf möglichst einfache Weise
eine kostengünstige und kleindimensionierte Abgasturbine
bereitzustellen, welche in einem weiten Betriebsbereich einsetzbar
ist.
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Insbesondere
soll eine Abgasturbine bereitgestellt werden, mit welcher mit möglichst
geringem Aufwand sowohl Vorteile beim transienten Betrieb als auch
beim Gegendruck (Verbrauch) bei hohen Leistungen und Abgastemperaturen
realisiert werden können.
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Erfindungsgemäß wird
dies dadurch erreicht, dass der interne Umgehungsströmungsweg
stromabwärts des Eintrittes des Laufrades vom Laufschaufelraum
ausgeht. Durch den internen Umgehungsströmungsweg wird
einerseits eine sig nifikante Erweiterung der Schluckcharakteristik
da das Schluckvermögen nicht mehr alleine durch den Querschnitt am
Radaustritt bestimmt wird. Andererseits wird am Eintritt des Laufrades
noch die gesamte Abgasmenge durchgesetzt und zur Arbeitsabgabe in
den Schaufelkanälen des Laufrades mit gutem Wirkungsgrad
bis hin zu den Abstromöffnungen des internen Bypasses genutzt.
Solcherart kann der auf die Brennkraftmaschine rückwirkende
Gegendruck auch bei Verwendung eines vergleichsweise kleinen Turbinenrades
bei hohen Drehzahlen niedrig gehalten werden. Folglich können
sowohl niedrige Kraftstoffverbrauchswerte bei höheren Drehzahlen
als auch hoher Ladedruck und gutes Verhalten im instationären Betrieb
bei niedrigen Drehzahlen erreicht werden.
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Wesentlich
ist, dass die Regelung der Turbinenleistung hauptsächlich
nicht durch Abblasen vor der Turbine oder durch Verändern
der Anströmung des Turbinenrades erfolgt, sondern durch
ein Abblasen stromabwärts des Eintrittes des Laufrades.
Der Umgehungsströmungsweg geht dabei von einem Wandabschnitt
des Turbinengehäuses zwischen dem Eintritt und dem Austritt
des Laufrades aus, welcher vorzugsweise im Bereich der stromabwärtigen Hälfte,
besonders vorzugsweise im Bereich des Austrittsseitigen Drittels
des Laufrades angeordnet ist. In diesem Bereich weisen die Laufschaufeln
des Laufrades üblicherweise Ihre stärkste Krümmung
auf, welche ein Stopfen des Laufrades bei zunehmenden Durchsätzen
bewirken würden. Noch bevor ein Stopfen einsetzen kann,
wird das überschüssige Abgas über die
Umgehungskanäle aus dem Laufschaufelraum abgezogen. Bis
dahin wird das gesamte oder – bei extrem kleiner Auslegung
des Turbinenrades und Vorhandensein eines kleinen Wastegates – der
bei weitem überwiegende Anteil des Abgases (mehr als 75%),
zur Arbeitsabgabe an das Laufrad verwendet.
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Dabei
kann vorgesehen sein, dass der Querschnitt des internen Umgehungsströmungswegs durch
ein Steuerorgan veränderbar ist. Das Steuerorgan kann durch
eine Steuerklappe oder durch einen Steuerschieber oder Anordnungen
mehrerer dieser Organe gebildet sein. Das Steuerorgan kann dabei durch
einen Aktuator kennfeldgesteuert verstellt werden. Es ist auch möglich,
dass das Steuerorgan oder der Aktuator selbsttätig druckabhängig,
beispielsweise in Abhängigkeit des Druckes im Bereich des
Eintrittes oder in Abhängigkeit des Ladedruckes, gesteuert
werden. Weiters kann das Steuerorgan auch durch eine federbelastete
Stauklappe oder ein Überdruckventil gebildet sein.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung
ist vorgesehen, dass der Steuerschieber in der Schießstellung
fluchtend zu einer dem Profil des Laufrades nachgeformten, vorzugsweise
torusartig gekrümmten Wandabschnitt des Turbinengehäuses
ausgebildet ist.
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Die
Einmündung vom Laufschaufelraum in den Umgehungsströmungsweg
kann dabei durch einen zwischen dem Wandabschnitt des Turbinengehäuses
und dem Steuerschieber gebildeten ringförmigen Spalt gebildet
sein, dessen Weite und Eintrittsquerschnitt durch den Steuerschieber
verstellbar ist. Der Steuerschieber öffnet einen mehr oder
weniger breiten Spalt, durch welchen einen Teilmenge des Abgases
radial in den Umgehungsströmungsweg des Laufrades austritt.
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Alternativ
dazu kann auch vorgesehen sein, dass die Einmündung vom
Laufschaufelraum in den Umgehungsströmungsweg durch zumindest
eine erste Lochreihe im Wandabschnitt gebildet ist, welche vorzugsweise
in zumindest einen Sammelraum des Umgehungsströmungsweges
einmündet. Zur Erweiterung der Durchsatzspreizung ist es
dabei vorteilhaft, wenn eine zweite Lochreihe im Wandabschnitt angeordnet
ist, welche vorzugsweise über einen zweiten Sammelraum
zu einem weiteren Umgehungsströmungsweg führt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Durchsätze durch
die Umgehungsströmungswege der ersten und zweiten Lochreihen
unabhängig voneinander steuerbar sind, wobei in der Reihenfolge
der Betätigung der Umgehungsströmungsweg der dem
Austritt näher liegenden Lochreihe höhere Priorität
zukommt.
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In
einer besonders einfachen Ausführung der Erfindung ist
vorgesehen, dass die Zulaufspirale einflutig ausgebildet ist. Dies
ermöglicht es, den Herstellungsaufwand auf ein Mindestmaß zu
beschränken.
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Alternativ
zu einer aktiven Steuerung des Querschnittes des Umgehungsströmungswegs
kann vorgesehen sein, dass der Querschnitt des Umgehungsströmungswegs
selbsttätig temperaturabhängig veränderbar
ist, wobei vorzugsweise die wärmebedingte Ausdehnung des
Wandabschnittes in radialer Richtung im Bereich des Austrittes größer
ist als in axialer Richtung im Bereich des Eintrittes des Laufrades.
Der interne Umgehungsströmungsweg ist dabei selbstregelnd
durch einen mit zunehmender Gastemperatur sich im Bereich des Austrittes
des Laufrades aufweitenden Laufradspalt gebildet. Das Maß und
die Charakteristik des Aufweitens kann durch konstruktive Gestaltung
und Materialwahl des Turbinengehäuses gezielt beeinflusst
werden.
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In
weiterer Ausführung der Erfindung ist es auch möglich,
dass der Umgehungsströmungsweg durch ein thermisches Steuerorgan
veränderbar ist, wobei vorzugsweise das thermische Steuerorgan
ein Bimetallelement aufweist.
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Weiters
kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass das Steuerorgan
durch ein das Laufrad teilweise umgebendes spiralförmiges
Metallband gebildet ist, welches vorzugsweise durch einen Steller
zusammenziehbar oder erweiterbar ist.
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Die
Erfindung wird im Folgenden an Hand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Abgasturbine in einem Längsschnitt
in einer ersten Ausführungsvariante mit geschlossenem Steuerschieber;
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2 diese
Abgasturbine mit geöffnetem Steuerschieber;
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3 eine
erfindungsgemäße Abgasturbine in einem Längsschnitt
in einer zweiten Ausführungsvariante;
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4 eine
erfindungsgemäße Abgasturbine in einem Längsschnitt
in einer dritten Variante;
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5 eine
erfindungsgemäße Abgasturbine in einem Längsschnitt
in einer vierten Ausführungsvariante;
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6 eine
erfindungsgemäße Abgasturbine in einem Längsschnitt
in einer fünften Ausführungsvariante mit geschlossenem
Umgehungsströmungsweg;
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7 diese
Abgasturbine in einem Längsschnitt mit geöffnetem
Umgehungsströmungsweg;
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8 diese
Abgasturbine in einem Schnitt gemäß der Linie
VIII-VIII in 7;
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9 eine
erfindungsgemäße Abgasturbine in einem Längsschnitt
in einer sechsten Ausführungsvariante bei beigeschlossenen
Umgehungsströmungsweg;
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10 diese
Abgasturbine in einem Längsschnitt bei geöffnetem
Umgehungsströmungsweg;
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11 eine
Motorkennlinie einer aufgeladenen Brennkraftmaschine;
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12 ein
Turbinendiagramm der erfindungsgemäßen Abgasturbine;
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13 ein
Turbinendiagramm einer bekannten Wastegate-Abgasturbine; und
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14 ein
Turbinendiagramm einer bekannten VTG-Abgasturbine.
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In
den 1 bis 10 ist jeweils die Abgasturbine 1 eines
Abgasturboladers schematisch dargestellt. Die Abgasturbine 1 weist
ein Turbinengehäuse 2 mit einer einflutigen Zulaufspirale 3 auf,
welches den Eintritt 4 eines im Turbinengehäuse 2 drehbar
gelagerten Laufrades 5 umgibt. Die Drehachse des Laufrades 5 ist
mit 5a angedeutet. Zwischen dem radialen Eintritt 4 und
dem axialen Austritt 6 des Laufrades 5 erstrecken
sich in einem Laufschaufelraum 7 des Turbinengehäuses 2 angeordnete
Laufschaufeln B. Zwischen dem Eintritt 4 und dem Austritt 6 geht vom
Laufschaufelraum 7 zumindest ein interner Umgehungsströmungsweg 9 aus,
welcher stromabwärts des Austrittes 6 des Laufrades 5 wieder
in den Abgasstrang einmündet.
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Im
Umgehungsströmungsweg 9 kann dabei ein Steuerorgan 10 angeordnet
sein (siehe 1 bis 4 und 6 bis 8).
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Der
Umgehungsströmungsweg 9 geht bevorzugt von der
austrittsseitigen Hälfte, insbesondere vom austrittsseitigen
Drittel des Laufschaufelraumes 7 aus, wobei die Einmündung
vom Laufschaufelraum 7 in den Umgehungsströmungsweg 9 mit
Bezugszeichen 11 angedeutet ist. Der Weg der Abgasströmung ist
mit den Pfeilen S jeweils angedeutet.
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Bei
dem in den 1 und 2 dargestellten
ersten Ausführungsbeispiele weist das Steuerorgan 10 einen
ringförmigen Steuerschieber 12 auf, welcher zwischen
einer in 1 dargestellten Schließstellung
und einer in 2 dargestellten Öffnungsstellung
axial verschiebbar ist. Der Steuerschieber 12 ist dabei
im Wesentlichen fluchtend mit einem Wandabschnitt 13 des
Turbinengehäuses 2 zwischen dem Eintritt 4 und
dem Austritt 6 ausgebildet. Die Einmündung 11 in
den Umgehungsströmungsweg 9 ist dabei durch einen
zwischen dem Wandabschnitt 13 und dem Steuerschieber 12 aufgespannten
ringförmigen Spalt 11a gebildet, dessen Strömungsquerschnitt
durch den Steuerschieber 12 verstellbar sind. In der Schließstellung
strömt das gesamte Abgas durch den Austritt 6 des
Laufrades 5. Wird der Steuerschieber 12 in der
durch Pfeil P in 2 angedeutete Richtung axial
verstellt, so gelangt ein Teil des Abgases entsprechend dem Pfeil
S – in den Umgehungsströmungsweg 9, wodurch
ein Stopfen der Abgasturbine 1 vermieden wird. Da das gesamte
oder, bei Vorhandensein eines Wastegates, zumindest ein Großteil
des Abgases über den Eintritt 4 in das Laufrad 5 gelangt,
wird im Wesentlichen die gesamte Abgasenergie zur Leistungsabgabe
in zumindest Teilstrecken der Kanäle der Laufschaufeln der
Abgasturbine 1 genutzt.
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Die 3 und 4 zeigen
Ausführungsbeispiele, bei denen das Steuerorgan 10 als
Steuerklappe 14 ausgebildet ist. Die Einmündungen 11 in den
Umgehungsströmungsweg 9 sind dabei durch mehrere
Bohrungen einer in Umfangsrichtung angeordneten Lochreihe 11b im
Wandabschnitt 13 gebildet, wobei die Bohrungen zu einem
Sammelraum 20 des Umgehungsströmungsweges 9 führen.
Während in 3 eine Ausführung mit
einer Lochreihe 11b und einem Umgehungsströ mungsweg 9 dargestellt ist,
geht bei der in 4 gezeigten Ausführung
zusätzlich ein weiterer Umgehungsströmungsweg 9a über
eine weitere Lochreihe 11c vom Laufschaufelraum 7 zwischen
dem Eintritt 4 und dem Austritt 6 des Laufrades 5 aus,
wobei die Bohrungen der weiteren Lochreihe 11c zu einem
weiteren Sammelraum 20a führen. Jeder der Strömungswege 9, 9a kann
dabei getrennt durch eine Steuerklappe 14, 14a gesteuert
werden, wobei in der Reihenfolge der Betätigung der Strömungsweg 9,
welcher dem Austritt 6 näher liegt, eine höhere
Priorität hat.
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5 zeigt
eine Abgasturbine 1, bei der der interne Ungehungsströmungsweg 9 selbstregelnd durch
einen mit zunehmender Gastemperatur sich aufweitenden Laufradspalt 15 zwischen
dem Wandabschnitt 13 und dem Laufrad 5 im Bereich
des Austrittes 6 des Laufrades 5 gebildet ist.
Das Turbinengehäuse 2 ist dabei so ausgebildet,
dass die wärmebedingte radiale Dehnung im Bereich des Austrittes 6 größer
ist als die wärmebedingte axiale Dehnung im Bereich des
Eintrittes 4. Dadurch wird erreicht, dass aus der Eintrittsspirale 3 die
gesamte Abgasmenge in den Eintritt 4 des Laufrades 5 einströmt, ab
einer vordefinierten Temperatur aber ein Teil der Abgasströmung – entsprechend
dem Pfeil S – dem Austritt 6 des Laufrades 5 umgeht.
Somit wird auch hier ein Stopfen des Laufrades 5 bei Volllastbetrieb wirksam
verhindert. Das Maß und die Charakteristik des Ausweitens
des Turbinengehäuses 2 im Bereich des Austrittes 6 des
Laufrades 5 kann durch konstruktive Gestaltung und Materialwahl
des Turbinengehäuses 2 beeinflusst werden.
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Die 6 bis 8 zeigen
eine Ausführungsvariante einer Abgasturbine 1 mit
einem internen Umgehungsströmungsweg 9, wobei
der interne Strömungsweg 9 durch einen veränderlichen
Spalt 21 bildet ist, der durch ein im Abströmbereich
angeordnetes Metallband 16 definiert wird. Dieses gewickelte
Metallband 16 kann entweder als Bimetallband selbsttätig
durch Temperatur/Druckeinwirkung seinen Durchmesser und somit das
Spaltmaß m des Spaltes 21 verändern,
oder es ist regelbar mit einem Steller 17 verbunden, welcher
das spiralig gewickelte Metallband auf- oder zuzieht. Das Metallband 16 ist an
der mit Bezugszeichen 18 angedeuteten Stelle Turbinengehäusefest
eingespannt. Ab einer vordefinierten Temperatur oder bei Aufweitung
des Metallbandes 16 durch den Steller 17 kann
ein Teil des Abgases den Austritt 6 der Abgasturbine 1 umgehen und
somit ein Stopfen der Abgasturbine 1 verhindern.
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Die 9 und 10 zeigen
eine weitere Abgasturbine 1, bei der im Bereich des Austrittes 6 ein
eingepresstes, ringförmiges Metallelement 19 angeordnet
ist. Das Metallelement 19 weist im Querschnitt ein im Wesentlichen
C – förmiges Profil auf, wie in den 9 und 10 dargestellt
ist und kann beispielsweise als Bimetallelement ausgebildet sein. Durch
das vorbeiströmende heiße Abgas wird der laufradseitige
Schenkel 19a stärker erwärmt als der Turbinengehäuseseitige
Schenkel 19b, wodurch der Durchmesser im Bereich des Austrittes 6 ab
einer definierten Temperatur aufgeweitet wird. Somit kann Abgas
entsprechend dem Pfeil S' den Austritt 6 des Laufrades 5 durch
den durch die Aufweitung des Metallelementes 19 gebildeten
Umgehungsströmungsweg 9 umgehen. 9 zeigt
die Abgasturbine 1 bei niedrigen Durchsetzen und niedriger
Abgastemperatur: das Metallelement 19 ist dabei kontrahiert,
der Spalt 22 zwischen dem Metallelement 19 und
dem Laufrad 5 minimal. In 10 ist
die Situation für hohe Durchsätze und hohe Abgastemperaturen
dargestellt: Das Metallelement 19 expandiert durch überproportionale
Ausdehnung des laufradseitigen Schenkels 19a – der
Spalt 22 wird zum Austritt 6 hin größer.
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11 zeigt
eine typische Betriebskennlinie eines aufgeladenen Ottomotors, wobei
das Drehmoment M über der Drehzahl n aufgetragen ist. Dabei sind
die drei wichtigsten Auslegungspunkte – untere Drehzahl
A, Drehmomentmaximum B und Nenndrehzahl C – eingetragen. 12 zeigt
ein Turbinendiagramm mit Schlucklinien der hier beschriebenen Abgasturbine,
wobei der Durchsatz Q über dem Expansionsverhältnis ε aufgetragen
ist. Im Turbinendiagramm in 12 ist
die Schlucklinie 30 für die in den 1 bis 10 dargestellten
Abgasturbinen 1 mit geschlossenem Umgehungsströmungsweg 9 dargestellt.
Die Linie 31 stellt die Schlucklinie bei voll geöffnetem
Umgehungsströmungsweg 9 dar. Wie in 12 ersichtlich
ist, wird ab dem Betriebspunkt B, der Umgehungsströmungsweg 9 nach
und nach bis zu seinem vollen Durchsatz geöffnet. Dadurch
wird ein deutlich höherer Durchsatz bei steigendem Expansionsverhältnis
erreicht. Mit C' ist eine Variante eingezeichnet, bei der zusätzlich
zum Umgehungsströmungsweg noch ein für kleine
Menge konzipiertes Wastegate für eine komplette Umgehung
der Abgasturbine 1 eingesetzt wird.
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Zum
Vergleich dazu ist in 13 ein Turbinendiagramm einer
bekannten Wastegate-Abgasturbine und in 14 ein
Turbinendiagramm einer bekannten VTG-Abgasturbine dargestellt, wobei
jeweils der Durchsatz Q über dem Expansionsverhältnis ε aufgetragen
ist. Bei einer Wastegate-Abgasturbine wird mit steigendem Durchsatz
Q ab dem Betriebspunkt B ein Teil des Abgases am Laufrad der Abgasturbine
vorbeigeleitet und nimmt somit nicht an der Arbeitsabgabe teil.
Der Betriebspunkt C liegt somit weit über der Schlucklinie 32 der
Abgasturbine (13). Bei der VTG-Abgasturbine
dagegen liegen alle Betriebspunkte A, B und C innerhalb der minimalen
und maximalen Schlucklinien 33 und 34. Die Linie 35 zeigt
den mittleren Öffnungsbereich Bereich mit gutem Turbinenwirkungsgrad
an (14).
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Im
Gegensatz zu bekannten Abgasturbinen erfolgt die Regelung der Turbinenleistung
bei der beschriebenen Abgasturbine 1 somit hauptsächlich nicht
durch Abblasen vor dem Laufrad 5 (wie bei Wastegate-Abgasturbinen)
oder durch Verändern der Anströmung des Laufrades 5 (wie
bei VTG-Abgasturbinen), sondern durch ein Abblasen über
geeignet veränderbare Spalte oder Abströmquerschnitte
im Turbinengehäuse 2 in jenem Bereich nahe des
Austrittes 6 am Laufrad 5, wo die zunehmende Schaufelkrümmung
der Kanäle sowie die weitergehende Expansion des Arbeitsgases
das Stopfen des Laufrades 5 bei zunehmenden Durchsätzen
bewirken würde. Bis dorthin wird das gesamte oder – bei
extremer kleiner Auslegung des Turbinenrades 5 und Vorhandensein
eines kleinen Wastegates – der bei weitem überwiegende
Anteil des Abgases (etwa mindestens 75%) zur Arbeitsabgabe an das
Laufrad 5 verwendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 4776168
A [0006]
- - US 6715288 B1 [0007]