DE102010010319A1

DE102010010319A1 - Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102010010319A1
Application number: DE102010010319A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Sumser; Torsten Hirth; Michael Stiller
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Stiller Michael Dipl-Ing De; Sumser Siegfried Dipl-Ing De
Priority date: 2010-03-06
Filing date: 2010-03-06
Publication date: 2011-09-08
Also published as: WO2011110209A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (10) für einen Kraftwagen, mit wenigstens zwei Brennräumen (12), insbesondere Zylindern (12), und mit wenigstens einem Abgasturbolader (22), welcher eine in einem Abgastrakt (28) der Verbrennungskraftmaschine (10) angeordnete Turbine (38) mit einem Turbinengehäuse (66) mit einem Aufnahmeraum (70) umfasst, in welchem ein Turbinenrad (68) drehbar aufgenommen ist, welches über wenigstens einen Spiralkanal (58a–d) des Turbinengehäuses (66) mit Abgas aus zumindest einem der Brennräume (12), insbesondere Zylinder (12), beaufschlagbar ist, wobei die Turbine (38) eine Versteileinrichtung (48) umfasst, mittels welcher ein Spiraleneintrittsquerschnitt (AS) und/oder ein Düsenquerschnitt (AR) des wenigstens einen Spiralkanals (58a–d) zum Aufnahmeraum (70) einstellbar ist, wobei die Verbrennungskraftmaschine (10) in einem Stauaufladungsbetrieb betreibbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Die DE 25 39 711 A1 offenbart ein Spiralgehäuse für Strömungsmaschinen, insbesondere in einem Abgasturbolader, mit wenigstens bereichsweise einstellbarem Querschnitt, wobei wenigstens eine an der radial inneren Wand des Spiralgehäuses gleitend geführte, im Anschluss an diese Wand in Umfangsrichtung verschiebbare Zunge vorgesehen ist.
Durch die fortwährende Verschärfung der Emissionsgrenzwerte, im besonderen hinsichtlich der Stickoxid-(NO_x) und Rußemissionen, ergibt sich eine massive Beeinflussung von Abgasturboladern bzw. aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welche geringe Kosten sowie einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen umfasst wenigstens zwei Brennräume, insbesondere Zylinder, und umfasst wenigstens einen Abgasturbolader, welcher eine in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnete Turbine mit einem Turbinengehäuse mit einem Aufnahmeraum umfasst. In dem Aufnahmeraum ist ein Turbinenrad drehbar aufgenommen, welches über wenigstens einen Spiralkanal des Turbinengehäuses mit Abgas aus zumindest einem der Brennräume, insbesondere Zylinder, beaufschlagbar ist, wobei die Turbine eine Stelleinrichtung umfasst, mittels welcher ein Spiraleintrittsquerschnitt und/oder ein Düsenquerschnitt des wenigstens einen Spiralkanals zum Aufnahmeraum hin einstellbar ist. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Verbrennungskraftmaschine in einem Stauaufladungsbetrieb betreibbar ist, wobei also beispielsweise das Abgas aller Brennräume stromauf des Turbinenrads mittels zumindest einer Abgasverrohrung zusammenführbar ist. Die Abgasverrohrung mündet beispielsweise in einen allen Brennräumen, insbesondere Zylindern, der Verbrennungskraftmaschine gemeinsamen Sammelraum, wobei also das Abgas aller Brennräume, insbesondere Zylinder, der Verbrennungskraftmaschine stromauf des Turbinenrads mittels der Abgasverrohrung in eine allen Brennräumen gemeinsamen Sammelraum führbar ist. Das bedeutet, dass jeweilige Abgasstränge der Brennräume fluidisch gekoppelt und zusammen geführt sind und schließlich in den Sammelraum münden, wo sich das Abgas sammeln und ein gewisser Druck aufgebaut werden kann. Dies ist eine Möglichkeit zur Darstellung der Stauaufladung der Verbrennungskraftmaschine.
Die Turbine der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine, bei welcher der Spiraleneintrittsquerschnitt und/oder der Düsenquerschnitt beispielsweise mittels verschieblich in dem Turbinengehäuse gelagerter Zungen einstellbar ist, ist insbesondere gegenüber anderweitigen, variablen Turbinen von Abgasturboladern, welche üblicherweise mit sensiblen und kostenintensiven, variablen Leitvorrichtungen stromauf des Turbinenrads versehen sind, die beispielsweise als Axialschieber und/oder Drehschaufel ausgebildet sind, deutlich einfacher, robuster, platzsparender und kostengünstiger gestaltbar. Bei dem erfindungsgemäßen Stauaufladungsbetrieb, bei welchem also die Verbrennungskraftmaschine mittels Stauaufladung aufgeladen wird, weist die Turbine der Verbrennungskraftmaschine hinsichtlich ihres thermodynamischen Verhaltens eine sehr günstiges Verhalten bezüglich einer Durchsatzvariation sowie korrespondierender Wirkungsgrade der Turbine auf. Ein hoher Wirkungsgrad der Turbine bedeutet dabei einen sehr effizienten und damit verlustarmen Betrieb der Turbine, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine auswirkt. Daraus resultiert ein geringer Kraftstoffverbrauch, geringe CO₂-Emissionen sowie geringe Ruß- und/oder Stickoxid-Emissionen.
Der Kostenvorteil der Turbine der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine gegenüber anderweitigen, variablen Turbinen ergibt sich auch daraus, dass anderweitige Turbinen einen höheren Herstellungsaufwand erfordern, da zur Darstellung der Variabilität der Turbinen kostenintensive Feingussteile vonnöten sind, die nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand das Güteniveau der robusten, einfachen Turbine der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine übertreffen oder gar erreichen.
Die wachsenden Anforderungen hinsichtlich einer Ladedruckbereitstellung aufgrund hoher Abgasrückführ-(AGR-)Raten über mittlere Lastbereiche bis hin zum Volllastbereich der Verbrennungskraftmaschine erfordert, Turbinen von Abgasturboladern mehr und mehr geometrisch zu verkleinern. Geforderte, hohe Turbinenleistungen werden somit durch eine Steigerung der Aufstaufähigkeit bzw. durch eine Reduzierung der Schluckfähigkeit der Turbinen im Zusammenspiel mit der korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine realisiert. Des Weiteren wird das Eintrittsdruckniveau der Turbinen durch den Gegendruck einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, beispielsweise eines Rußfilters, welche in Strömungsrichtung des Abgases stromab der Turbine angeordnet ist, weiter nach oben getrieben, wodurch die Turbinen nochmals zu kleineren Werten und damit geringeren Deckungsgraden auszulegen sind, um die Leistungsanforderungen auf einer Verdichterseite der Abgasturbolader für die Luft-, Abgas-Lieferung befriedigen zu können.
Hieraus entsteht der Bedarf an variablen Turbinen, mit denen im gesamten Betriebsbereich der korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine bis in niedrige Lastbereiche der Luft- und Abgasrückführungs-Bedarf soweit beeinflussbar ist, dass wesentliche Verbrauchs- und Emissionsforderungen befriedigt werden können.
Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine mit dem Abgasturbolader mit der Turbine ermöglicht es nun, diesen Problemstellungen und Anforderungen gerecht zu werden. Sie ist nicht nur kostengünstig darstellbar und weist einen hohen Wirkungsgrad auf, sondern ist auch in der Lage, eine entsprechende Luftversorgung auf einer Ansaugseite der Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, um entsprechend gewünschte Drehmomente und Leistungen der Verbrennungskraftmaschine darstellen zu können.
Im Anwendungsfeld einer Aufladung eines Personenkraftwagens wird zusätzlich die Beeinflussung des Instationärverhaltens durch eine variable Aufstaufähigkeit der Turbine gefordert, die zu einem akzeptablen Verhalten auch im Hubraum stark reduzierter Verbrennungskraftmaschinen mit hohen spezifischen Leistungen führen soll. So spielen gerade im Bereich von Personenkraftwagen mit Ottomotoren robuste, preisgünstige aufgeladene Verbrennungskraftmaschinen eine wichtige Rolle zur Realisierung geringer Gesamtkosten für den entsprechenden Personenkraftwagen.
Auch dieser Anforderung wird die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine gerecht, wobei sie auch bei Lastkraftwagenanwendungen sowie in Kombination mit Dieselmotoren einsetzbar ist. Dies ist ermöglicht, da insbesondere die Turbine der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ein sehr günstiges thermodynamisches Verhalten, eine hohe Betriebszuverlässigkeit unter höchsten Temperatur- und Druckänderungen sowie einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Sammelraum stromauf und außerhalb des Turbinengehäuses, insbesondere in einem Krümmer der Verbrennungskraftmaschine, angeordnet. Ebenso kann vorgesehen sein, dass der Sammelraum innerhalb des Turbinengehäuses, insbesondere in einem dem Spiralkanal zugeordneten Zuführkanal, angeordnet ist. Dies hält den Bauraumbedarf der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine gering, was insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum zur Vermeidung oder Lösung von Package-Problemen beiträgt. Ebenso ist dadurch ein Montageaufwand der Verbrennungskraftmaschine reduziert, was die Kosten für diese weiter reduziert.
Weist das Turbinengehäuse zumindest einen weiteren Spiralkanal auf, über welchem das Turbinenrad mit Abgas beaufschlagbar ist, so stellt dies einen weiteren Freiheitsgrad zur Darstellung eines günstigen Emissionsverhaltens der Verbrennungskraftmaschine bei gleichzeitiger Darstellung einer bestimmten Luftversorgung auf deren Ansaugseite dar. So kann beispielsweise einer der Spiralkanäle als sogenannter λ-Kanal ausgebildet sein, welcher mittels seiner Aufschlagfähigkeit für ein erforderliches Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Verbrennungskraftmaschine sorgt. Der andere der Spiralkanäle kann beispielsweise als sogenannter AGR-Kanal ausgebildet sein, der zum Aufstauen des Abgases dient, so dass beispielsweise Abgas mittels einer Abgasrückführeinrichtung von dem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine auf eine Ansaugseite derselbigen rückgeführt werden kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Düsenquerschnitte des wenigstens einen Spiralkanals und des zumindest einen weiteren Spiralkanals entlang der Drehachse des Turbinenrads nebeneinander und/oder um die Drehachse über einen Umfang des Turbinenrads verteilt angeordnet, wodurch die Spiralkanäle parallel oder hintereinander, also seriell, geschaltet sind, so dass das Turbinenrad besonders variabel mit Abgas beaufschlagbar ist. Neben einer erhöhten konstruktiven Freiheit ist hierdurch zusätzlich eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads der Verbrennungskraftmaschine gegeben.
In weiterer Ausgestaltung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Spiralkanal und/oder gegebenenfalls der zumindest eine weitere Spiralkanal als Vollspirale, insbesondere mit einem Umschlingungswinkel von größer als 350°, und/oder als Teilspirale, insbesondere mit einem Umschlingungswinkel in einem Bereich von einschließlich 350° bis einschließlich 30°, und/oder als Segmentspirale und/oder symmetrisch und/oder asymmetrisch ausgebildet bzw. sind. Dies erlaubt eine besonders variable Anpassbarkeit der Turbine an unterschiedliche Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine sowie an unterschiedliche Typen von Verbrennungskraftmaschinen und damit eine einfache Optimierbarkeit des Wirkungsgrads. Dabei können die beiden Spiralkanäle voneinander unterschiedliche Umschlingungswinkel oder auch gleiche Umschlingungswinkel aufweisen.
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 eine Prinzipdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader mit einer einflutigen Turbine;
2 eine Prinzipdarstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader mit einer zweiflutigen Turbine;
3 eine schematische Querschnittsansicht einer Turbine eines Abgasturboladers welche als Turbine eines Abgasturboladers einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine einsetzbar ist;
4 eine schematische Querschnittsansicht einer Turbine eines Abgasturboladers, welche als Turbine eines Abgasturboladers einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine einsetzbar ist;
5 ein Durchsatz- sowie ein Wirkungsgradkennfeld der Turbine gemäß 3;
6 ein schematisches Diagramm von Flächenverläufen von Spiraleneintrittsquerschnitten von Spiralkanälen der Turbine gemäß 3; und
7 ein schematisches Diagramm von Flächenverläufen von Spiraleneintrittsquerschnitten von Spiralkanälen einer alternativen Ausführungsform der Turbine gemäß 3.
Die 1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10 mit sechs Zylindern 12. Die Verbrennungskraftmaschine 10 saugt Luft aus der Umgebung an, welche gemäß einem Richtungspfeil 14 einen Luftfilter 16 durchströmt, durch welchen die Luft von Partikeln gereinigt wird. Weiterhin strömt die gereinigte Luft gemäß einem Richtungspfeil 18 zu einem Verdichter 20 eines Abgasturboladers 22 der Verbrennungskraftmaschine 10, wobei die Luft mittels eines Verdichterrads des Verdichters 20 verdichtet und dadurch erwärmt wird. Die so verdichtete und erwärmte Luft durchströmt einen Ladeluftkühler 24, worauf sie gegebenenfalls mittels einer Abgasrückführeinrichtung 26 mit Abgas aus einem Abgastrakt 28 der Verbrennungskraftmaschine auf eine Ansaugseite 30 derselbigen beaufschlagt wird. Anschließend strömt die gegebenenfalls mit Abgas beaufschlagte Luft in die Zylinder 12 ein, wo sie im Falle einer direkt einspritzenden Verbrennungskraftmaschine 10 mit Kraftstoff beaufschlagt wird. Das so gebildete Luft-Kraftstoff-Gemisch wird in den Zylindern 12 verbrannt, woraus ein Expansionsarbeit resultiert, die durch in den Zylindern 12 verschiebbar aufgenommene Kolben in eine Drehung einer Kurbelwelle 32 gemäß einem Richtungspfeil 34 umgesetzt wird.
Durch diese Verbrennung in den Zylindern 12 entsteht in dem jeweiligen Zylinder 12 das Abgas, wobei das Abgas aller Zylinder 12 mittels entsprechender Abgasverrohrungen 36 stromauf einer Turbine 38 des Abgasturboladers 22 zusammen geführt wird. Dazu ist ein Sammelraum 40 vorgesehen, in das das Abgas aller Zylinder 12 einströmt und gesammelt wird. Wie der 1 zu entnehmen ist, ist stromauf des Sammelraums 40 eine Abzweigstelle 42 der Abgasrückführeinrichtung 26 vorgesehen, mittels welcher Abgas entnommen und über ein Abgasrückführventil 44 und einen Abgasrückführkühler 46 auf die Ansaugseite 30 rückgeführt wird.
Das in dem Sammelraum 40 gesammelte Abgas wird anschließend zu der Turbine 38 geleitet, die als einflutige, sogenannte Vario-Mehrsegment-Turbine ausgebildet ist und ein Turbinengehäuse mit einem Aufnahmeraum aufweist, in welchem ein Turbinenrad drehbar aufgenommen ist. Das Turbinenrad ist drehfest mit einer Welle 56 verbunden, mit welcher auch das Verdichterrad drehfest verbunden ist, wodurch also das Verdichterrad von dem Turbinenrad antreibbar ist. Weiterhin ist das Turbinenrad über Spiralkanäle des Turbinengehäuses der Turbine 38 mit dem Abgas der Zylinder 12 beaufschlagbar. Die Turbine 38 umfasst eine Verstelleinrichtung 48, mittels welcher ein Spiraleneintrittsquerschnitt und/oder eine Düsenquerschnitt des Spiralkanals zum Aufnahmeraum einstellbar ist. Zur Regelung der Turbine 38 ist eine Regelungseinrichtung 50 vorgesehen. Das Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 treibt also das Turbinenrad der Turbine 38 an, woraufhin es zu einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 52 und anschließend gemäß einem Richtungspfeil 54 an die Umwelt geleitet wird.
Wie sich aus der 1 ergibt, ist die Verbrennungskraftmaschine 10 in einem Stauaufladungsbetrieb betreibbar, da das Abgas in Strömungsrichtung des Abgases stromauf des Spiralkanals in dem Sammelraum 40 zusammengeführt und dort gesammelt wird. Dadurch und durch die Variabilität der Turbine 38 ist die Turbine 38 in einem sehr breitbandigen Spektrum an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine 10 anpassbar und weist somit einen sehr effizienten Betrieb in einem hohen Wirkungsgrad auf, der sich günstig auf den gesamten Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine 10 auswirkt. Daraus resultiert ein geringer Kraftstoffverbrauch, geringe CO₂-Emissionen sowie ein sehr günstiges Emissionsverhalten der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere hinsichtlich geringer Stickoxid- und Rußemssionen. Gleichzeitig erlaubt der Abgasturbolader 22 die Darstellung einer entsprechenden Luftversorgung auf der Ansaugseite 30 der Verbrennungskraftmaschine 10, wodurch hohe Drehmomente und Leistungen darstellbar sind, und das auch bei einem relativ geringen Hubvolumen der Verbrennungskraftmaschine 10, wodurch ein Downsizing-Konzept effizient dargestellt ist.
Der Sammelraum 40 kann dabei stromauf der Turbine 38 außerhalb dieser oder auch innerhalb dieser, also beispielsweise in das Turbinengehäuse der Turbine 38 integriert sein. Das Turbinengehäuse weist beispielsweise hintereinander geschaltete Spiral-Einzelsegmente auf, die gleiche oder ungleiche Umschlingungswinkel haben, was in Verbindung mit einer Mechanikauslegung zur Vermeidung von zu hohen Schaufelschwingungsbeanspruchungen steht.
Die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10, wobei das zur Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß 1 Ausgeführte analog auf die Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß 2 zutrifft. Der Unterschied besteht nun darin, dass die Turbine 38 nun als zweiflutige, sogenannte Vario-Mehrsegment-Turbine ausgebildet ist, die somit die Form einer beidseitig segmentierten Zwillingsstromturbine aufweist. Die Erhöhung der Anzahl der Einzelsegmente erhöht die Durchsatzspreitzung/Verstellwinkel nahezu proportional oder gegebenenfalls sogar überproportional dazu. Hier bietet die Zwillingsstromturbine vielfältige Möglichkeiten eine große Anzahl von Spiral-Segmenten beidseitig zu kombinieren, um groß Durchsatzspreizungen zu erlangen und gute Wirkungsgrad der Turbine 38 zu realisieren.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Verbrennungskraftmaschine 10 bei einem Personenkraftwagen sowie bei einem Lastkraftwagen eingesetzt werden sowie als Diesel-, Otto-Motor ausgebildet sein kann. Gleiches gilt für die Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß 1.
Die 3 zeigt die Turbine 38 gemäß 1 in einer schematischen Querschnittsansicht, wobei die Turbine 38 einen ersten, als Teilspirale ausgebildeten Spiralkanal 58a sowie einen zweiten, ebenfalls als Teilspirale ausgebildeten Spiralkanal 58b aufweist. Die zwei drallbestimmenden Spiralkanäle 58a, 58b umfassen dabei nebeneinander angeordnete und gasdicht gegeneinander abgedichtete Anschlussflansche 60a und 60b. Der Anschlussflansch 60b und ein Zuführkanal 62 des Spiralkanals 58b verlaufen im Wesentlichen in Blickrichtung unterhalb des Spiralkanals 58a, wobei das Ende des Zuführkanals 62 in der Zeichenebene vor einem Spiraleintrittsquerschnitt A_S0,AGR und einer stationären Gehäusezunge 64 zu Tage kommt. Die Spiralkanäle 58a, 58b sind als hintereinander geschaltete Spiralkanäle 58a, 58b ausgebildet. Wie der 3 zu entnehmen ist, sind die Spiralkanäle 58a, 58b jeweils als Teilspiralen ausgebildet und besitzen jeweils einen Umschlingungswinkel φ_S von etwa 135° wie ebenfalls in der 1 dargestellt, ist in einem Turbinengehäuse 66 der Turbine 38 ein Turbinenrad 68 in einen Aufnahmeraum 70 aufgenommen.
Der erste, als sogenannte AGR-Spirale ausgebildete Spiralkanal 58a dient zum Aufstauen des Abgases, sodass mittels der Abgasrückführungseinrichtung 26 Abgas vom Abgastrakt 28 auf die Ansaugseite 30 rückgeführt werden kann. Der zweite, als sogenannte λ-Spirale ausgebildeter Spiralkanal 58b sorgt mittels seiner Aufstaufähigkeit für ein erforderliches Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Verbrennungskraftmaschine 10. Um eine Wirkungsgradverbesserung in einem größeren Betriebsbereich unter Beibehaltung kostengünstiger Herstellverfahren zu ermöglichen, umfasst die Turbine 38 die Verstelleinrichtung 48, mittels welcher Spiraleneintrittsquerschnitte A_s,λ, A_s,AGR der Spiralkanäle 58a, 58b gemeinsam mit radialen offenen, für den Radeinströmvorgang dienenden Düsenquerschnitte A_R,λ, A_R,AGR der Spiralkanäle 58a, 58b zu dem Aufnahmeraum 70 hin, in welchem das Turbinenrad 68 aufgenommen ist, einstellbar sind.
Die Verstelleinrichtung 48 weist dabei einen konzentrisch zu einer Drehachse D des Turbinenrads 68 im Turbinengehäuse 66 angeordneten Verstellring auf, welcher mit zwei, im Bereich der Düsenquerschnitt A_R,λ, A_R,AGR' angeordneten Versperrkörpern 72a, 72b verbunden ist. Die vorliegend im Querschnitt tragflächenförmig ausgebildeten Versperrkörper 72a, 72b können durch rotatorisches Bewegen des Verstellrings gemäß Doppelpfeil II um die Drehachse D zwischen einer die Spiraleneintrittsquerschnitte A_s,λ, A_s,AGR sowie die Düsenquerschnitte A_R,λ, A_R,AGR verringernden und einer die Spiraleneintrittsquerschnitte A_s,λ, A_s,AGR sowie die Düsenquerschnitte A_R,λ, A_R,AGR vergrößernden Stellung bewegt werden. Die Versperrkörper 72a, 72b sind dabei gemeinsam um einen Winkel ε₂ aus einer Ausgangsstellung verdreht, so dass die Spiraleeintrittsquerschnitte A_s,λ, A_s,AGR gegenüber den in der Ausgangsstellung maximalen Spiraleneintrittsquerschnitten A_SO,λ, A_SO,AGR entsprechend verringert sind. Gleichzeitig werden durch die Versperrkörper 72a, 72b auch die Düsenquerschnitte A_R,λ, A_R,AGR entsprechend verringert. Mithilfe der Verstelleinrichtung 48 können somit beide Turbinenseiten – AGR- und λ-Seite – entsprechend der geometrischen Auslegung der Spiralkanäle 58a, 58b und der Versperrkörper 72a, 72b simultan zueinander geregelt bzw. gesteuert werden. Durch unterschiedliche geometrische Gestaltungen der Spiralverläufe im gesamten Verstellwinkelbereich ε der Versperrkörper 72a, 72b lassen sich mannigfache Kombinationen erzeugen.
Innerhalb des Verstellwinkelbereichs ε kann somit die angestrebte AGR-Fähigkeit der Turbine 38 zusammen mit dem angestrebten Luftmengentransport des Verdichters 20 für ein geeignetes Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ zur Erzeugung eines gewünschten Betriebsverhaltens der Verbrennungskraftmaschine 10 hinsichtlich Verbrauch und Stickoxid-/Partikel-Emissionen konstruktiv einfach und kostengünstig veränderlich eingestellt werden. Der Verstellwinkelbereich ε im Zusammenhang mit der Änderung der charakteristischen Spiraleneintrittsquerschnitte A_s,λ, A_s,AGR erlaubt die Einwirkung auf das Aufstauverhalten des Abgases bzw. auf die Drallerzeugung der Turbine 38.
Die 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Turbine 38 gemäß 3, wobei das zu der Turbine 38 gemäß 3 Ausgeführte analog auf die Turbine 38 gemäß 4 zutrifft. Die Turbine 38 gemäß 4 weist nun drei weitere, als λ-Spiralsegmente mit jeweiligem Umschlingungswinkeln φ_S von etwa 120° ausgebildete Spiralkanäle 58b–d. Die Spiralkanäle 58b–d sind gegenüber dem Spiralkanal 58a parallel zum Aufnahmeraum 70 angeordnet.
Die 5 zeigt eine Durchsatz- sowie ein Wirkungsgradkennfeld der Turbine 38 gemäß 3. Bei einem Durchsatzparameter von ca.
erreicht die Turbine 38 einen Spitzenwirkungsgrad von nahe 73%, was als außergewöhnlich hoch zu bezeichnen ist. Hierbei sind auch noch mechanische Verluste von Lagerungen mit abgebildet. Der reine Turbinenwirkungsgrad dürfte daher über einen Wert von 75% liegen. Die Durchsatzspreitzung ist bei der Turbine 38 noch relativ gering, was jedoch durch eine verstärkte Flächenänderung/Verstellwinkel im Verlauf der Spiralenquerschnitte um den Umschlingungswinkel φ_S (6) noch vergrößerbar ist. Da bei dem Stauaufladungsprinzip die Freiheiten bei der Festlegung der Segmente frei von der Anzahl der Zylinder 12 der Verbrennungskraftmaschine 10 gegeben sind, wird man die Anzahl der Segmente und den Spiralenflächenverlauf der Einzelsegmente in Abhängigkeit von einer geforderten Durchsatzspreitzung festlegen.
Als äußerst interessanter Parameter bietet der Flächenverlauf der Spirale gemäß 6 und 7 die Möglichkeit, die Strömungswinkeländerung/Verstellwinkel direkt zu beeinflussen. So führt die Abweichung vom linearen spiralen Flächenverlauf quasi zur Simulation einer Drehschaufelturbine und das ohne Leitschaufeln. Das Festhalten am Grenzfall des linearen Spiralflächenverlaufs in Abhängigkeit vom Umschlingungswinkel führt hingegen bei der Drehung der Absperrkörper 72a–d, welche auch als Zungenschieber zu bezeichnen sind, zum Verhalten einer reinen Axialschieberturbine mit konstantem unverändertem Strömungswinkel, wobei auch hier kein Axialschieber vorliegt. Die Absolutgeschwindigkeit in der Düse vor dem Turbinenrad 68 hat also fest gekoppelte absolute Geschwindigkeitskomponenten in Umfangsrichtung c_U und radialer Richtung c_r. Es kommt bei der Verdrehung der Sperrkörper 72a–d also zur Veränderung der absoluten Düsengeschwindigkeit bei festgehaltenem Strömungswinkel, genau wie bei einem festen Leitschaufelring, der über ein axial bewegliches Element eine Schaufelhöhenvariation erfährt. Da die spezifische Turbinenleistung a_u gemäß der allgemeinen Formel a_u ~ c_u ~ 1/A_S proportional zur Umfangskomponente c_u ist, lässt sich also über die Flächenbeeinflussung der Spiraleneintrittsquerschnitte A_S die spezifische und absolute Turbinenleistung regeln.
Die 6 zeigt also ein schematisches Diagramm der Flächenverläufe der Spiraleneintrittsquerschnitte A_Sλ, A_R,AGR der hintereinander geschalteten Spiralkanäle 58a, 58b der Turbine 38 in Abhängigkeit des Umschlingungswinkels φ_S und der Winkelstellung der Verstelleinrichtung 48 bzw. der Versperrkörper 72a, 72b. Im jeweiligen Spiralkanal 58a, 58b wird die Strömung durch eine Flächenverkleinerung längs der Strömungsrichtung beschleunigt. Der jeweilige Basis-, Spiraleneintrittsquerschnitt bedeutet A_SO,λ, A_SO,AGR für die Strömung maximal verfügbaren Spiralenquerschnitt A_S. Über das gemeinsame Verdrehen der Versperrkörper 72a, 72b um den Winkel ε wird eine Spiralflächenverkleinerung um ΔA_S,λ, ΔA_S,AGR auf A_Sλ, A_R,AGR im verfügbaren Drehwinkelbereich der Verstellvorrichtung 48 ermöglicht. Gleichzeitig werden dadurch auch die Düsenquerschnitte A_R,λ, A_R,AGR entsprechend verkleinert.
Die 7 zeigt ein schematisches Diagramm der Flächenverläufe der Spiraleneintrittsquerschnitte A_Sλ, A_R,AGR von Spiralkanälen gemäß den Spiralkanälen 58a, 58b der Turbine 38 gemäß 3, wobei sich die Flächenverläufe auf Spiralkanäle gemäß den Spiralkanälen 58a und 58b beziehen, die nicht hintereinander angeordnet, also seriell geschaltet, sondern nebeneinander angeordnet, also parallel geschaltet, sind. Die Flächenverläufe werden dabei wiederum in Abhängigkeit von dem Umschlingungswinkel φ_S und der Winkelstellung der Verstelleinrichtung 48 bzw. der Versperrkörper 72a, 72b gezeigt. Die Spiraleneintrittsquerschnitte A_Sλ, A_R,AGR im Verstellwinkelbereich ε des Versperrkörpers 72a nimmt in diesem Beispiel kontinuierlich ab, wodurch eine hohe Sensibilität der Drallveränderung der Abgasströmung bewirkbar ist.
Im Mittelpunkt der Spiralenauslegung steht hier nicht die Realisierung eines konstanten Düsen-Austrittswinkels der Strömung, sondern die Erzeugung einer Variabilität mit einer breiten Spreizung von ΔA_S,λ, ΔA_S,AGR zur Beeinflussung einer großen Variabilität in der Aufstaufähigkeit und der Turbinenleistung für die Gewährleistung der Bereitstellung des Luftbedarfs der Verbrennungskraftmaschine 10.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2539711 A1 [0002]

Claims

Verbrennungskraftmaschine (10) für einen Kraftwagen, mit wenigstens zwei Brennräumen (12), insbesondere Zylindern (12), und mit wenigstens einem Abgasturbolader (22), welcher eine in einem Abgastrakt (28) der Verbrennungskraftmaschine (10) angeordnete Turbine (38) mit einem Turbinengehäuse (66) mit einem Aufnahmeraum (70) umfasst, in welchem ein Turbinenrad (68) drehbar aufgenommen ist, welches über wenigstens einen Spiralkanal (58a–d) des Turbinengehäuses (66) mit Abgas aus zumindest einem der Brennräume (12), insbesondere Zylinder (12), beaufschlagbar ist, wobei die Turbine (38) eine Verstelleinrichtung (48) umfasst, mittels welcher ein Spiraleneintrittsquerschnitt (A_S) und/oder ein Düsenquerschnitt (A_R) des wenigstens einen Spiralkanals (58a–d) zum Aufnahmeraum (70) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (10) in einem Stauaufladungsbetrieb betreibbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas aller Brennräume (12) stromauf des Turbinenrads (68) mittels zumindest einer Abgasverrohrung (36) zusammenführbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas aller Brennräume (12) stromauf des Turbinenrads (68) mittels zumindest einer Abgasverrohrung (36) in einen allen Brennräumen (12) gemeinsamen Sammelraum (40) führbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelraum (40) stromauf und außerhalb des Turbinengehäuses (66), insbesondere in einem Krümmer der Verbrennungskraftmaschine (10) angeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelraum (40) innerhalb des Turbinengehäuses (66), insbesondere in einem dem wenigstens einen Spiralkanal (58a–d) zugeordneten Zuführkanal (62) angeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (66) zumindest einen weiteren Spiralkanal (58a–d) aufweist, über welchen das Turbinenrad (68) mit Abgas beaufschlagbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenquerschnitte (A_R) des wenigstens einen Spiralkanals (58a–d) und des zumindest einen weiteren Spiralkanals (58a–d) entlang der Drehachse (D) des Turbinenrads (68) nebeneinander und/oder um die Drehachse (D) über einen Umfang des Turbinenrads (68) verteilt angeordnet sind.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Spiralkanal (58a–d) und/oder der zumindest eine weitere Spiralkanal (58a–d) als Vollspirale, insbesondere mit einem Umschlingungswinkel (φ_S) von > 350 Grad, und/oder als Teilspirale, insbesondere mit einem Umschlingungswinkel (φ_S) in einem Bereich von einschließlich 350 Grad bis einschließlich 30 Grad, und/oder als Segmentspirale und/oder symmetrisch und/oder asymmetrisch ausgebildet ist bzw. sind.