DE102010008411B4

DE102010008411B4 - Turbine für einen Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102010008411B4
Application number: DE102010008411.5A
Authority: DE
Inventors: Nils Brinkert; Dipl.-Ing. Kuhn Thomas
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2019-03-21
Anticipated expiration: 2030-02-19
Also published as: WO2011101005A1; DE102010008411A1

Abstract

Turbine (10) für einen Abgasturbolader mit einen Turbinengehäuse (12), in welchem ein von einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine beaufschlagbares Turbinenrad aufgenommen ist und welches zumindest zwei zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte und von dem Abgas durchströmbare Fluten (14, 16) aufweist, und mit zumindest einem zwischen einer wenigstens einen Umströmungskanal (20) verschließenden Schließstellung und zumindest einer den Umströmungskanal zumindest bereichsweise freigebenden Offenstellung verstellbaren Ventil (22), über welches das Turbinenrad zumindest von einem Teil des Abgases zu umgehen ist, die zumindest zwei Fluten (14, 16) in wenigstens einer Stellung des Ventils (22) zumindest bereichsweise in einem Trennbereich (24) durch das Ventil (22) fluidisch voneinander getrennt sind, wobei das Ventil (22) zumindest eine Zwischenstellung aufweist, in welcher der Umströmungskanal (20) verschlossen und die zumindest zwei Fluten (14, 16) in dem Trennbereich (24) fluidisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (22) zwischen der Offenstellung, der Zwischenstellung und/oder der Schließstellung zumindest im Wesentlichen schwenkbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Die DE 10 2004 055 571 A1 offenbart einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit einem Verdichter in einem Ansaugtrakt und einer Turbine in einem Abgasstrang mit einem Turbinenrad und mit einer ersten und einer zweiten Flut. Stromauf der Fluten ist eine Strömungsverteilungseinrichtung mit einem Bypass angeordnet, welche einen Drehschieber mit einer Drehachse und einem Drehschiebergehäuse aufweist. Mittels des Drehschiebers ist eine Verbindung zwischen dem Bypass und den Fluten herstellbar. Der Drehschieber weist hierzu zwei Strömungskanäle auf.
Dieser bekannte Abgasturbolader weist weiteres Potential auf, den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine auf effiziente Art und Weise zu verbessern.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine für einen Abgasturbolader bereitzustellen, welche eine Wirkungsgradverbesserung einer zugeordneten Verbrennungskraftmaschine auf effiziente Art und Weise ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Turbine für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße Turbine für einen Abgasturbolader umfasst ein Turbinengehäuse, in welchem ein von einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine beaufschlagbares Turbinenrad aufgenommen ist und welches zumindest zwei zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte und von dem Abgas durchströmbare Fluten aufweist. Des Weiteren umfasst die Turbine zumindest ein zwischen einer wenigstens einen Umströmungskanal verschließenden Schließstellung und zumindest einer den Umströmungskanal zumindest bereichsweise freigebenden Offenstellung verstellbares Ventil, über welches das Turbinenrad zumindest von einem Teil des Abgases zu umgehen ist. Die zumindest zwei Fluten sind in wenigstens einer Stellung des Ventils zumindest bereichsweise in einem Trennbereich durch das Ventil fluidisch voneinander getrennt, wobei das Ventil zumindest eine Zwischenstellung aufweist, in welcher der Umströmungskanal geschlossen und die zumindest zwei Fluten in dem Trennbereich fluidisch miteinander verbunden sind, wobei das Ventil erfindungsgemäß zwischen der Offenstellung, der Zwischenstellung und/oder der Schließstellung zumindest im Wesentlichen schwenkbar ist
Die erfindungsgemäße Turbine ermöglicht so zum einen eine so genannte Stoßaufladung der der Turbine zugeordneten Verbrennungskraftmaschine. Dabei kann das Abgas der Verbrennungskraftmaschine aus einer Teilmenge von einer Gesamtmenge an Arbeitsräumen, insbesondere Zylindern, der Verbrennungskraftmaschine durch eine der Fluten der Turbine strömen, während das Abgas aus einer von der ersten Teilmenge verschiedenen Teilmenge von der Gesamtmenge an Arbeitsräumen, insbesondere Zylindern, der Verbrennungskraftmaschine durch die andere der Fluten der Turbine strömen kann. Dadurch ist eine Verkleinerung von abgasführenden Volumina zwischen den Arbeitsräumen der Verbrennungskraftmaschine und der Turbine bzw. dem Abgasturbolader für jede der Fluten realisiert, was zu dem Effekt der genannten Stoßaufladung führt.
Zum anderen ermöglicht die erfindungsgemäße Turbine durch das Ventil zumindest eine Reduzierung des Effekts der Stoßaufladung und die Darstellung einer Stauaufladung, in dem die Fluten der Turbine bzw. des Turbinengehäuses stromauf des Turbinenrads zumindest in der Zwischenstellung des Ventils fluidisch miteinander verbunden bzw. verbindbar sind.
Sind die zumindest zwei Fluten in der Schließstellung des Ventils zumindest in dem Trennbereich fluidisch voneinander getrennt, so wird beim Verstellen des Ventils, welches auch als Wastegate bezeichnet wird, aus der Schließstellung heraus in die Zwischenstellung zunächst eine fluidische Verbindung zwischen den zumindest zwei Fluten geschaffen. Der Umströmungskanal ist dabei weiterhin verschlossen.
Dies führt ähnlich wie bei einem so genannten Abblasen des Abgases in der Offenstellung des Ventils, in welcher der Umströmungskanal zumindest bereichsweise freigegeben ist, zu einer Absenkung der Leistung der Turbine, jedoch ohne Einbußen bei dem Wirkungsgrad der Turbine bzw. eine Massenreduktion hinnehmen zu müssen, wie es bei dem Abblasen, also einem zumindest bereichsweisen Freigeben des Umströmungskanal, der Fall ist. Wird nämlich der Umströmungskanal geöffnet, wodurch zumindest ein Teil des Abgases das Turbinenrad umgehen kann, ohne dieses zu beaufschlagen, also anzutreiben, so wird dabei Enthalpie unnötigerweise abgebaut, die nicht einem Ladungswechsel und damit dem Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine zugute kommen kann. Dieser Nachteil ist durch die erfindungsgemäße Turbine zumindest deutlich reduziert, was zu einem effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine führt. Dies geht einher mit einer Reduzierung des Kraftstoffsverbrauchs der Verbrennungskraftmaschine, woraus geringe CO₂-Emissionen resultieren.
Des Weiteren sind durch die erfindungsgemäße Turbine zusätzliche Freiheitsgrade bei der Auslegung des Turbinenrads geschaffen, was dem geringen Verbrauch der Verbrennungskraftmaschine und damit geringen CO₂-Emissionen um ein Weiteres zugute kommt. Darüber hinaus ist dadurch ein verbessertes Ansprechverhalten der Turbine und damit des gesamten Abgasturboladers ermöglicht, womit eine bessere Drehmomentencharakteristik der Verbrennungskraftmaschine einhergeht. Außerdem weist die erfindungsgemäße Turbine eine nur geringe Komplexität auf, wodurch die genannten Vorteile effizient, kostengünstig und mit einer hohen Funktionssicherheit erreicht sind.
Im Anschluss an die fluidische Verbindung der zumindest zwei Fluten der Turbine bzw. des Turbinengehäuses ist bei weiterem Verstellen des Ventils und bei Bedarf zur weiteren Regelung und damit Einstellung der Turbine und damit des Abgasturboladers an einen vorliegenden Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine ein Strömungsquerschnitt des Umströmungskanals mit dem Ventil freigebbar, wodurch das Abgas auf die ausgeführte Art und Weise das Turbinenrad ohne dieses zu beaufschlagen umgehen kann.
Das Ventil weist dabei in einer nicht beanspruchten Weise die Form eines Axialschiebers auf, bei welchem das Ventil zumindest im Wesentlichen translatorisch in axialer Richtung bewegbar ist. Erfindungsgemäß ist ein Drehschieber, bei welchem das Ventil zumindest im Wesentlichen rotatorisch bewegbar ist, um zunächst die zumindest zwei Fluten fluidisch miteinander zu verbinden und im Anschluss und bei Bedarf den Umströmungskanal frei zu geben. Weitere Formen der Betätigung, beispielsweise mittels eines Mitnehmers, sind ebenso möglich.
Die zumindest zwei Fluten des Turbinengehäuses bzw. der Turbine können symmetrisch zueinander oder aber asymmetrisch zueinander ausgebildet sein, wobei in jeglicher Ausführungsform die genannten Vorteile der Wirkungsgradverbesserung und damit der Kraftstoffverbrauchabsenkung und des besseren Ansprechverhaltens einhergehen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnungen zeigen in:

1 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer nicht beanspruchten Turbine für einen Abgasturbolader;
2 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren, nicht beanspruchten Ausführungsform der Turbine;
3 ausschnittsweise eine perspektivische Längsschnittansicht einer weiteren, nicht beanspruchten Ausführungsform der Turbine; und
4 ausschnittsweise eine Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Turbine.

Die 1 zeigt eine Turbine 10 für einen Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse 12, welches eine erste Flut 14 sowie eine zweite Flut 16 aufweist. Die Fluten 14 und 16 sind von einem Abgas einer zu dem Abgasturbolader korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine durchströmbar und zumindest bereichsweise durch eine Wandung 18 des Turbinengehäuses 12 fluidisch voneinander getrennt. Des Weiteren weist die Turbine 10 einen Umströmungskanal 20 auf, welcher zumindest von einer Teilmenge des gesamten Abgases durchströmbar ist. Das den Umströmungskanal 20 durchströmende Abgas wird durch den Umströmungskanal 20 an einem in der 1 nicht dargestellten und in dem Turbinengehäuse 12 aufgenommenen Turbinenrad vorbeigeleitet, wodurch das Abgas das Turbinenrad ohne es zu beaufschlagen und damit anzutreiben umgehen kann.
Der Umströmungskanal 20 ist dabei von einem zwischen einer Schließstellung und zumindest einer Offenstellung verstellbaren Ventil 22 der Turbine 10 verschließbar bzw. zumindest bereichsweise freigebbar.
Wie der 1 zu entnehmen ist, sind die zwei Fluten 14 und 16 in einem Trennbereich 24 durch das Ventil 22 fluidisch voneinander getrennt. In der in der 1 gezeigten Stellung des Ventils 22 ist der Umströmungskanal 20 durch das Ventil 22 verschlossen, sowie die Fluten 14 und 16 voneinander fluidisch getrennt. Dazu umfasst das Ventil 22 einen Ventilteller 30, welcher fest mit einem in Richtung eines Richtungspfeils 26 translatorisch verschiebbaren Schaft 32 verbunden ist, wodurch auch der Ventilteller 30 gemäß dem Richtungspfeil 26 bewegbar ist. Das Ventil umfasst auch einen Ventildeckel 35, wobei der Ventilschaft 32 und der Ventilteller 30 relativ zu dem Ventildeckel 35 verschiebbar sind.
Wird der Ventilschaft 32 und damit der Ventilteller 30 in Richtung eines Richtungspfeils 27 um einen Hub h₁ verbracht, währenddessen der Ventildeckel 35 des Ventils 22 durch Federkraftbeaufschlagung durch ein einerseits an dem Ventildeckel 35 und andererseits an einer den Umströmungskanal 20 bildenden Wandung 34 abgestützten Federelement 28 nach wie vor auf einem zu den Ventildeckel 35 korrespondierenden Ventilsitz 36 verbleibt, so nimmt das Ventil 22 eine Zwischenstellung ein, in welcher der Umströmungskanal 20 weiterhin durch den Ventildeckel 35 des Ventils 22 verschlossen, die zwei Fluten 14 und 16 allerdings in dem Trennbereich 24 fluidisch miteinander verbunden sind.
Ist durch die Turbine in der in der 1 gezeigten Stellung des Ventils 22 eine Stoßaufladung dargestellt, welcher aus einer Volumenverkleinerung von abgasführenden Volumina zwischen Zylindern der Verbrennungskraftmaschine und der Turbine 10 resultiert, so ist durch die ausgeführte Zwischenstellung des Ventils 22, in welcher also die Fluten 14 und 16 fluidisch miteinander verbunden sind, eine Stauaufladung dargestellt.
Durch das fluidische Verbinden der Fluten 14 und 16 ist die Leistung der Turbine 10 reduzierbar und zwar ähnlich wie wenn das Abgas über den Umströmungskanal 20 ohne Beaufschlagung des Turbinenrads dieses umgehen würde. Dieses Umgehen des Abgases, was auch als Abblasen bezeichnet wird, ist bei der Turbine 10 zur Leistungsreduzierung jedoch nicht unbedingt vonnöten, womit eine Vermeidung eines unerwünschten Abbaus von Enthalpie einhergeht. Im Umkehrschluss bedeutet dies eine Verbesserung des Wirkungsgrads der Verbrennungskraftmaschine, was mit einem geringen Kraftstoffverbrauch und damit mit geringen CO₂-Emissionen derselbigen einhergeht. Soll bei Bedarf dennoch ein Teil des Abgases das Turbinenrad ohne dieses zu beaufschlagen, also anzutreiben, umgehen, so kann das Ventil 22 weiter in Richtung des Richtungspfeils 27 über den Hub h₁ hinaus verstellt werden, wodurch der Ventilteller 30 den Ventildeckel 35 mitnimmt und der Ventildeckel 35 von seinem Ventilsitz 36 entgegen der Federkraftbeaufschlagung abhebt und das Ventil 22 den Umströmungskanal 20 freigibt. Dies stellt die Funktionalität eines so genannten Wastegates dar zur weiteren Reduzierung der Leistung der Turbine 10.
Die Turbine 10 ermöglicht somit einen sehr hohen Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine und das auf sehr effiziente Art und Weise, also mit nur geringen Bauraumbedarf, geringem Betätigungsaufwand und geringen Kosten.
Die 2 zeigt eine weitere, nicht beanspruchte Ausführungsform der Turbine 10, wobei das zur Turbine 10 gemäß 1 Ausgeführte auf die Turbine gemäß 2 analog zutrifft. Der Unterschied der Turbine 10 gemäß 2 zu der Turbine 10 gemäß 1 besteht nun darin, dass das Ventil 22 einen ersten Ventilteller 30' umfasst, welcher in zumindest einer Stellung des Ventils 22 die Fluten 14 und 16 zumindest bereichsweise fluidisch voneinander trennt. Der Ventilteller 30' ist mit dem Ventilschaft 32 fest verbunden. Das Ventil 22 gemäß 2 umfasst einen zweiten Ventilteller 30", wobei der Ventilteller 30' und der Ventilschaft 32 wiederum relativ zum Ventilteller 30" verschiebbar sind. Wird der Ventilschaft 32, welcher in Richtung gemäß dem Richtungspfeil 26 bewegbar ist, in Richtung des Richtungspfeils 27 bewegt, so wird auch der Ventilteller 30' in Richtung des Richtungspfeils 27 bewegt. Der Ventilteller 30" wird nicht dabei bewegt und verschließt den Umströmungskanal 20.
Hat der Ventilteller 30' den Hub h₁ zurückgelegt, so sind die Fluten 14 und 16 in dem Trennbereich 24 fluidisch miteinander verbunden, wodurch der bereits beschriebene Übergang von der Stoßaufladung zur Stauaufladung geschaffen ist. Wird das Ventil 22 weiter in Richtung des Richtungspfeils 27 bewegt, so nimmt der Ventilteller 30' den zweiten Ventilteller 30" des Ventils 22 mit, und der den Umströmungskanal 20 bislang verschließende Ventilteller 30" gibt den Umströmungskanal 20 frei. Dazu ist das Ventil 22 nun entgegen der Federkraft des Federelements 28 zu betätigen, welches einerseits an der Wandung 34 und andererseits an dem Ventilteller 30" abgestützt ist.
Erfolgt die Betätigung des Ventils 22 der Turbine 10 gemäß 2 senkrecht bzw. quer zum Verlauf der Fluten 14 und 16, und umfasst das Ventil 22 zwei Ventilteller 30' und 30" so zeigt die 3 eine weitere Ausführungsform der Turbine 10 mit dem Ventil 22, welches den Ventilschaft 32 und lediglich einen Ventilteller 30'" umfasst. Das Ventil 22 der Turbine 10 gemäß der 3 ist dabei als Axialschieber zu bezeichnen, welche eine translatorische, lineare Bewegung zur Verstellung des Ventils 22 aufweist. In einer ersten mit A bezeichneten Stellung sind die Fluten 14 und 16 durch das Ventil 22 fluidisch voneinander getrennt sowie der Umströmungskanal 20 verschlossen.
In der mit B bezeichneten Zwischenstellung des Ventils 22 sind die Fluten 14 und 16 in dem Trennbereich 24 fluidisch miteinander verbunden, während der Umströmungskanal 20 weiterhin verschlossen ist. In einer mit C bezeichneten Stellung des Ventils 22 sind die Fluten 14 und 16 fluidisch miteinander verbunden sowie der Umströmungskanal 20 freigegeben, wodurch das Abgas der Verbrennungskraftmaschine diesen Umströmungskanal zu durchströmen und somit das Turbinenrad um dieses zu beaufschlagen umgehen kann. Die Turbine 10 gemäß 3 weist eine besonders einfache, kostengünstige und funktionssichere Ausführung auf, bei gleichzeitiger Realisierung aller bereits genannten Vorteile. Im Übrigen gilt für die Turbine gemäß 3 das zu der Turbine 10 gemäß der 1 und 2 Ausgeführte analog.
Die 4 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Turbine 10, bei welcher das Ventil 22 wiederum lediglich den einzigen Ventilteller 30'" umfasst. Der Ventilteller 30'" ist im Gegensatz zum Ventil 22 gemäß 3 nun allerdings nicht translatorisch, sondern mittels eines Drehschiebers bzw. Schwenkmechanismus zumindest im Wesentlichen rotatorisch über einen Hebelarm 38 betätigbar, welcher einerseits mit dem Ventilteller 30'" fest verbunden und andererseits um eine Schwenkachse 40 schwenkbar ist. Auf die in der 4 dargestellten Stellungen A, B und C des Ventils 22 trifft das auf die entsprechende Stellung in A, B und C Ausgeführte gemäß 3 analog zu. Auch die Turbine 10 gemäß 4 weist eine einfache und damit kostengünstige und funktionssichere Ausgestaltung bei gleichzeitiger Realisierung der zuvor genannten Vorteile auf.

Claims

Turbine (10) für einen Abgasturbolader mit einen Turbinengehäuse (12), in welchem ein von einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine beaufschlagbares Turbinenrad aufgenommen ist und welches zumindest zwei zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte und von dem Abgas durchströmbare Fluten (14, 16) aufweist, und mit zumindest einem zwischen einer wenigstens einen Umströmungskanal (20) verschließenden Schließstellung und zumindest einer den Umströmungskanal zumindest bereichsweise freigebenden Offenstellung verstellbaren Ventil (22), über welches das Turbinenrad zumindest von einem Teil des Abgases zu umgehen ist, die zumindest zwei Fluten (14, 16) in wenigstens einer Stellung des Ventils (22) zumindest bereichsweise in einem Trennbereich (24) durch das Ventil (22) fluidisch voneinander getrennt sind, wobei das Ventil (22) zumindest eine Zwischenstellung aufweist, in welcher der Umströmungskanal (20) verschlossen und die zumindest zwei Fluten (14, 16) in dem Trennbereich (24) fluidisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (22) zwischen der Offenstellung, der Zwischenstellung und/oder der Schließstellung zumindest im Wesentlichen schwenkbar ist.
Turbine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (22) einen Ventilteller (30, 30', 30", 30"') und einen Ventildeckel (35) aufweist.
Turbine (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Fluten (14, 16) in der Schließstellung des Ventils (22) durch den Ventilteller (30, 30', 30", 30"') fluidisch voneinander getrennt sind und der Umströmungskanal (20) von dem Ventildeckel (35) verschlossen ist.
Turbine (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Fluten (14, 16) in der Zwischenstellung des Ventils (22) fluidisch miteinander verbunden sind und der Umströmungskanal (20) von dem Ventildeckel (35) verschlossen ist.
Turbine (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Fluten (14, 16) in der Offenstellung des Ventils (22) fluidisch miteinander verbunden sind und der Umströmungskanal (20) zumindest bereichsweise freigegeben ist.