-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Turbinengehäuse und einen damit versehenen Turbolader sowie ein Verfahren zu seiner Verwendung und insbesondere auf ein Turbinengehäuse mit einem integralen Ladedruckregler/Abgasrückführungs(AGR)-Auslass und einen damit versehenen Turbolader sowie ein Verfahren zu seiner Verwendung.
-
HINTERGRUND
-
Die effiziente Nutzung der Abgasrückführung (AGR) ist für alle modernen Verbrennungsmotoren, einschließlich sowohl Benzin- als auch Dieselmotoren, sehr wichtig. Die effiziente Nutzung der AGR unterstützt im Allgemeinen die Ziele des Verwirklichens einer hohen Ausgangsleistung von diesen Motoren, während sie auch eine hohe Kraftstoffeffizienz und -sparsamkeit erreicht und immer strengere Motoremissionsanforderungen erfüllt. Die Verwendung der Aufladung, insbesondere mit Turboladern, in diesen Motoren wird auch häufig verwendet, um die Motoreinlassluftmenge und die Ausgangsleistung des Motors zu steigern. Turbolader werden jedoch auch durch Abgas angetrieben, so dass die effiziente Nutzung der AGR und der Turbolader-Aufladung eine synergistische Konstruktion dieser Systeme erfordert.
-
Dieselmotoren mit Turboladung müssen bei der Nutzung der in der AGR und in den Abgasströmungen verfügbaren Energie besonders effizient sein, um den Gesamtmotorwirkungsgrad und die Kraftstoffsparsamkeit zu verbessern. Diesel-AGR-Systeme müssen hohe Volumina an AGR zum Einlassluftsystem des Motors liefern. Dazu muss das AGR-System eine ausreichende Druckänderung durch das System, einschließlich des Durchflusssteuerventils, des Umleitventils und des Kühlers, vorsehen, um die gewünschte AGR-Strömung in das aufgeladene Einlasssystem zu treiben. Das Abgassystem muss auch eine angemessene Abgasenergie bereitstellen, so dass die Turbine genügend Leistung hat, um die gewünschte Aufladung vorzusehen. Typische Dieselmotor-AGR-Systeme speisen AGR-Durchgänge von verschiedenen Abgassystemkomponenten. AGR-Zuführungsdurchgänge vom Turbinengehäuse wurden vorgeschlagen; solche AGR-Zuführungsdurchgänge lagen jedoch im Allgemeinen in weniger als optimalen Winkeln zur gewünschten Gasströmungsrichtung innerhalb des Turbinendiffusors durch die Verwendung von Rohrbögen und dergleichen, wodurch hohe Strömungsverluste und ein niedriger Wirkungsgrad erzeugt werden, wodurch die Menge der AGR-Strömung verringert wird, die zur Verwendung im Lufteinlasssystem verfügbar ist. Solche Anordnungen schaffen kein ausreichendes Volumen an Einlass-AGR.
-
Im
US-Patent 6,430,929 wurde eine Konstruktion vorgeschlagen, um einen AGR-Auslass mit einem Turbinendiffusor und einem AGR-Ventil zu verbinden. Diese Konstruktion ordnet den AGR-Auslass tangential zum Diffusor und im Wesentlichen linear entlang des Durchflussstroms, der in den Turbinengehäuseeinlass eintritt, an. Folglich ist der AGR-Auslass am Diffusoreinlass angeordnet und der AGR-Auslass scheint einen Diffusoreinlass zu definieren. Der in diesem Patent beschriebene Turbolader beinhaltet ein AGR-Ventil mit einem mit Flansch versehenen Rohrbogen, wobei das Lochmuster an dem Flansch eingestellt werden kann, um den Rohrbogen zu orientieren, um ihn an veränderliche Motoranordnungen anzupassen. Die Verwendung des Rohrbogens kann auch für die Reihen- oder lineare Anordnung des AGR-Auslasses und des Turbineeinlasses erforderlich sein. Der Verwendung der Rohrbogenkonfiguration ist jedoch ein Wirkungsgradverlust zugeordnet. Der Turbolader des '929-Patents beinhaltet auch eine Düse mit variabler Geometrie, die verwendet wird, um den Gegendruck im AGR-System zu erhöhen. Obwohl sie potentiell nützlich ist, sind die Kosten von Turboladern mit variabler Düse signifikant höher als von jenen mit festen Düsen. Ferner werden Erhöhungen des Gegendrucks, die durch Schließen der Turbineschaufeln einer variablen Düse beobachtet werden, durch die resultierende Erhöhung des Ladedrucks der Einlassluft fast aufgewogen, so dass die gewünschten Erhöhungen der AGR-Strömung in dem Einlasssystem nicht erreichbar sind.
-
Folglich ist es erwünscht, Turbinengehäuse, Turbolader und Einlassluftsysteme, die sie verwenden, und zugehörige Verfahren zur Verwendung, die die AGR verstärken, die zur Verwendung im Einlasssystem verfügbar ist, zu schaffen, während gleichzeitig eine ausreichende Abgasströmung zum Antreiben der Turbine und zum Erzeugen der gewünschten Druckaufladung und des gewünschten Lufteinlasses in das Lufteinlasssystem bereitgestellt wird, und zwar ungeachtet dessen, ob die Turbolader Turbinen entweder mit fester oder mit variabler Düse verwenden.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Turbolader für einen Verbrennungsmotor geschaffen, mit einer Turbine mit einem Turbinenrad, das an einer Turbinenwelle befestigt ist, wobei das Turbinenrad und die Turbinenwelle in einem Turbinengehäuse drehbar angeordnet sind, wobei das Turbinengehäuse einen Turbinendiffusorkanal umfasst, wobei der Turbinendiffusorkanal einen Turbinendiffusoreinlass und einen Ladedruckregler/AGR-Kanaleinlass aufweist, wobei der Ladedruckregler/AGR-Kanaleinlass vom Turbinendiffusoreinlass entlang des Turbinendiffusorkanals radial beabstandet ist und in einen AGR-Kanal mündet, der mit dem Turbinendiffusorkanal verbunden ist. Der Turbinendiffusoreinlass ist zur Fluidverbindung eines Abgases, das von einem Motor empfangen wird, zum Turbinenrad konfiguriert, wobei der AGR-Kanal zur Fluidverbindung des Abgases zu einem Motoreinlasskanal konfiguriert ist.
-
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Einlassluftsystem für einen Verbrennungsmotor geschaffen. Das Einlassluftsystem umfasst einen Turbolader mit einer Turbine und einem Kompressor, wobei die Turbine ein an einer Turbinenwelle befestigtes Turbinenrad umfasst, wobei das Turbinenrad und die Turbinenwelle in einem Turbinengehäuse drehbar angeordnet sind, wobei das Turbinengehäuse einen Turbinendiffusorkanal umfasst, wobei der Turbinendiffusorkanal einen Turbinendiffusoreinlass und einen Ladedruckregler/AGR-Kanaleinlass aufweist, wobei der Ladedruckregler/AGR-Kanaleinlass vom Turbinendiffusoreinlass entlang des Turbinendiffusorkanals radial beabstandet ist und in einen AGR-Kanal mündet, der mit dem Turbinendiffusorkanal verbunden ist. Der Turbinendiffusoreinlass ist zur Fluidverbindung eines Abgases, das von einem Motor empfangen wird, zum Turbinenrad konfiguriert, der Ladedruckregler/AGR-Kanal ist zur Fluidverbindung des Abgases zu einem Motoreinlasskanal konfiguriert. Der Kompressor umfasst ein Kompressorrad, das an der Turbinenwelle befestigt ist, wobei das Kompressorrad und die Turbinenwelle in einem Kompressorgehäuse drehbar angeordnet sind, wobei der Kompressor einen Kompressordiffusorkanal umfasst, wobei der Kompressordiffusorkanal einen Kompressordiffusoreinlass, einen Kompressordiffusorauslass aufweist, wobei der Kompressordiffusorauslass mit dem Motoreinlasskanal in Fluidverbindung steht. Das Einlassluftsystem umfasst auch ein AGR-Ventil, das zwischen mindestens einer offenen und einer geschlossenen Position umschaltbar ist und einen AGR-Ventileinlass und einen AGR-Ventilauslass aufweist, wobei der AGR-Ventileinlass mit dem AGR-Kanal in Fluidverbindung steht, der AGR-Ventilauslass auch mit dem Motoreinlasskanal in Fluidverbindung steht, wobei die offene Position in einer leeren Fluidverbindung vom AGR-Kanal zum Motoreinlasskanal und einen ersten Betriebsmodus definiert, in der geschlossenen Position eine Fluidverbindung vom AGR-Kanal zum Motoreinlasskanal sperrt und einen zweiten Betriebsmodus definiert, wobei im ersten Modus eine AGR-Gasströmung vom AGR-Kanal innerhalb des Motoreinlasskanals unterstützt wird und im zweiten Modus eine Druckluftströmung innerhalb des Motoreinlasskanals unterstützt wird.
-
Gemäß einer nochmals weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verwendung eines Einlassluftsystems für einen Verbrennungsmotor geschaffen. Das Verfahren umfasst das Vorsehen eines Verbrennungsmotors mit einem Turbolader in Fluidverbindung mit einem Einlasskrümmer des Motors, der dazu konfiguriert ist, eine Aufladungsluftströmung mit einem ersten Druck zu diesem zu liefern, wobei der Turbolader ein Turbinengehäuse umfasst, wobei das Turbinengehäuse einen Turbinendiffusorkanal umfasst, wobei der Turbinendiffusorkanal einen Turbinendiffusoreinlass und einen Ladedruckregler/AGR-Kanaleinlass aufweist, wobei der Ladedruckregler/AGR-Kanaleinlass vom Diffusoreinlass entlang des Turbinendiffusorkanals radial beabstandet ist und in einen AGR-Kanal mündet, der am Turbinengehäuse angeordnet ist, wobei der AGR-Kanal zur Fluidverbindung einer AGR-Strömung zu einem AGR-Ventil konfiguriert ist, das zwischen einer offenen und einer geschlossenen Position umschaltbar ist, wobei die offene Position eine Fluidverbindung der AGR-Strömung mit einem zweiten Druck zum Einlasskrümmer ermöglicht und einen ersten Betriebsmodus definiert, und die geschlossene Position eine Fluidverbindung vom AGR-Kanal zum Einlasskrümmer sperrt und einen zweiten Betriebsmodus definiert, wobei im ersten Modus der zweite Druck größer ist als der erste Druck und eine AGR-Strömung zum Motor innerhalb des Einlasskrümmers unterstützt wird. Das Verfahren umfasst auch das Betreiben des Motors, um eine Abgasströmung in den Turbinendiffusoreinlass zu erzeugen. Das Verfahren umfasst auch das Auswählen des ersten Modus oder des zweiten Modus, während der Motor betrieben wird.
-
Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Arten zur Ausführung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen leicht ersichtlich.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Weitere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Details zeigen sich nur als Beispiel in der folgenden ausführlichen Beschreibung von Ausführungsformen, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, in denen:
-
1 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Aufladungs-Einlassluftsystems, wie hierin offenbart, ist;
-
2 eine Vorderansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Turbinengehäuses für einen Turbolader, wie hierin offenbart, ist;
-
3 eine perspektivische Ansicht des Turbinengehäuses von 2 ist;
-
4 eine Draufsicht des Turbinengehäuses von 2 und einer beispielhaften Ausführungsform eines Turboladers mit demselben, wie hierin offenbart, ist;
-
5 eine Seitenansicht des Turbinengehäuses und des Turboladers von 4 ist;
-
6 eine Querschnittsansicht des Turbinengehäuses von 5 entlang des Schnitts 6-6 ist; und
-
7 eine Querschnittsansicht des Turbinengehäuses von 2 entlang des Schnitts 7-7 ist;
-
8 eine Querschnittsansicht des Turbinengehäuses von 2 entlang des Schnitts 8-8 ist;
-
9 eine Querschnittsansicht des Turbinengehäuses von 2 entlang des Schnitts 9-9 ist; und
-
10 ein Ablaufplan eines beispielhaften Verfahrens zur Verwendung eines Einlassluftsystems, wie hierin beschrieben, ist.
-
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Die vorliegende Erfindung offenbart eine beispielhafte Ausführungsform eines Turbinengehäuses und beispielhafte Ausführungsformen eines Turboladers und Lufteinlasssystems für einen Verbrennungsmotor, die das Turbinengehäuse beinhalten, sowie zugehörige Verfahren für ihre Verwendung, die die zur Verwendung im Lufteinlasssystem verfügbare AGR verstärken, während gleichzeitig eine ausreichende Abgasströmung geschaffen wird, um die Turbine anzutreiben und die gewünschte Druckaufladung und die gewünschte Einlassluftströmung in das Lufteinlasssystem zu erzeugen, ungeachtet dessen, ob der Turbolader eine Turbine mit fester oder variabler Düse verwendet.
-
Die vorliegende Erfindung umfasst ein Turbinengehäuse mit einem Kanal oder Durchgang nach Art eines Ladebegrenzers, der einen Teil der Abgasenergie vom Turbinenrad direkt umleitet oder überbrückt und den effektiven Wirkungsgrad der Turbinenstufe verringert, was folglich den Ladedruck der Einlassluftströmung, die vom Kompressor verfügbar ist, verringert und AGR-Strömungsdrücke ermöglicht, die höher sind als die Einlassluftströmungsdrücke, was folglich die AGR-Strömung unterstützt, die in die Einlassluftströmung eintritt und damit vermischt wird, um eine Verbrennungsluftströmung zu erzeugen, die AGR umfasst, einschließlich einer vorbestimmten Menge an AGR-Strömung.
-
Ein Ladedruckregler- oder AGR-Kanaleinlass ist im Turbinendiffusor angeordnet und ein zugehöriger AGR-Kanal ist einteilig im Turbinengehäuse mit einer Verbindung mit dem AGR-System ausgebildet, so dass das AGR-Ventil auch effektiv als Ladedruckreglerventil dient. In diesem Fall ist jedoch der Begriff Ladedruckregler ein wenig eine Fehlbezeichnung, da das durch den ”Ladedruckregler” überbrückte Abgas tatsächlich für die Verwendung als AGR-Strömung zur Verfügung steht. Was ansonsten normalerweise die Ladedruckreglerströmung wäre und den Turbinendiffusor und das Turbinenrad völlig umgehen würde, damit sie aus dem Fahrzeug durch sein Abgassystem ausgelassen wird, wird statt dessen in den Turbinendiffusorkanal geleitet, in dem ein Teil zur Verwendung als gewünschte AGR-Strömung zur Verfügung steht, während der restliche Teil verwendet werden kann, um das Turbinenrad anzutreiben, wenn auch mit einem verringerten Wirkungsgrad relativ zu jenem, der von der ganzen Abgasströmung verfügbar wäre. Der Ladedruckregler kann dem AGR-Kanal oder -Strömungsdurchgang in Form eines AGR-Ventils, das am AGR-Kanal angebracht ist, zugeordnet sein, einschließlich AGR-Ventilen mit sowohl zwei Positionen (vollständig offen und geschlossen) als auch variablen Positionen, so dass das AGR-Ventil als Ladedruck-begrenzerventil dient und die Wirkung der Öffnung des AGR-Ventils auch den Ladedruckregler öffnet. Wenn eine AGR-Strömung erwünscht ist, um den Verbrennungsprozess zu unterstützen, öffnet das Motorsteuersystem das AGR-Ventil. Das Öffnen des AGR-Ventils verringert gleichzeitig den Turbinenwirkungsgrad und unterstützt die AGR-Strömung. Diese synergistische Wechselwirkung zum Unterstützen der AGR-Strömung ist ein vorteilhafter Aspekt des hierin offenbarten Turbinengehäuses sowie von Turboladern und Einlassluftsystemen, die sie beinhalten. Diese synergistische Anordnung ermöglicht den Einschluss einer Ladedruckreglerfunktion, während sie auch den integrierten Ausgleich der AGR-Strömungs- und Aufladungs-Einlassluftströmungsanforderungen ermöglicht.
-
Die vorliegende Erfindung verstärkt die AGR, die zur Verwendung im Einlasssystem verfügbar ist, während sie gleichzeitig eine ausreichende Abgasströmung vorsieht, um die Turbine anzutreiben und die gewünschte Druckaufladung und den gewünschten Lufteinlass in das Lufteinlasssystem zu erzeugen, und effektiv das Problem einer gehemmten AGR-Strömung aufgrund einer übermäßigen Turbinenaufladung durch direktes Verringern des Turbinenwirkungsgrades durch ”Ladedruckbegrenzung” der Abgasströmung direkt aus dem Inneren des Turbinendiffusors, wenn sie als AGR-Strömung erforderlich ist, löst. Dies verringert die Gesamtenergie, die im Abgasstrom zur Verfügung steht, um das Turbinenrad und das Kompressorrad anzutreiben, wodurch der Turbinenwirkungsgrad und der Ladedruck verringert werden. Dies kann beispielsweise verwendet werden, um die Entwicklung von unerwünschten Einlassluft-Ladedrücken, insbesondere jener, die sich aus der Verwendung von Turbinen mit variabler Düse ergeben, zu verhindern, um Gegendrücke zu erhöhen, die die AGR-Strömung unterstützen sollen, die jedoch tatsächlich Erhöhungen in den Ladedrücken erzeugen, die Verstärkungen in der AGR-Strömung kompensieren, wodurch die AGR-Strömung in die Aufladungseinlassluftströmung verhindert wird. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit Turbinen mit variabler Düse (VNTs) besonders nützlich ist, können die offenbarten Vorrichtungen und Verfahren bei sowohl (VNT-)Turbinen als auch Turbinen mit fester Düse verwendet werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die gesteuerte, reproduzierbare und vorübergehende Verringerung des Turbolader-Wirkungsgrades, während sie gleichzeitig die AGR-Strömung im Verbrennungsluftgemisch unterstützt.
-
Wie in 1 dargestellt, umfasst gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verbrennungsmotor 10 ein Aufladungssystem 12 mit einem Turbolader 14 und ein AGR-System 16, die jeweils Einlassluft oder AGR oder eine Kombination oder ein Gemisch davon zu einem Lufteinlasssystem 18 zuführen. Das Lufteinlasssystem 18 umfasst einen AGR-Einlasskanal 20, der zur Fluidverbindung einer mit Druck beaufschlagten oder Aufladungs-AGR-Strömung, die durch den Pfeil 22 dargestellt ist, konfiguriert ist, und einen Motoreinlasskanal 24, der zur Fluidverbindung einer mit Druck beaufschlagten Aufladungsluftströmung, die durch den Pfeil 26 dargestellt ist, konfiguriert ist. Die AGR-Strömung 22 und die Luftströmung 26 werden verwendet, um die mit Druck beaufschlagte oder Aufladungs-Verbrennungsströmung 28 zu bilden, die Druckaufladungsluft oder AGR oder eine Kombination oder ein Gemisch davon zum Motor 10 zur Verbrennung zuführt. Das Lufteinlasssystem 18 umfasst auch einen Einlasskrümmer 30 oder mehrere Krümmer, der die Verbrennungsströmung 28 empfängt und die Verbrennungsströmung 28 zu den Motorzylindern (nicht dargestellt) verteilt. Das Lufteinlasssystem 18 kann auch wahlweise andere Einlasssystemvorrichtungen unterstromig des AGR-Einlasskanals 20 und Motoreinlasskanals 24 und oberstromig des Einlasskrümmers 30 umfassen, einschließlich Kühler für die AGR-Strömung 22 und Aufladungsluftströmung 26 sowie Mischer zum Kombinieren dieser Luftströmungen, wie hierin beschrieben.
-
Mit Bezug auf 1 umfasst der Motor 10 einen Einlasskrümmer 30 oder mehrere Krümmer und einen Auslasskrümmer 32 oder mehrere Krümmer 32. Der Motor 10 umfasst auch einen Turbolader 14, der eine Turbine 34 umfasst, die in einem Turbinengehäuse 36 enthalten ist, und einen Kompressor 38, der in einem Kompressorgehäuse 40 enthalten ist, zum Komprimieren von Umgebungseinlassluft, die durch den Pfeil 41 dargestellt ist, und zum Erzeugen der Druckaufladungsluftströmung 26 zur Verbrennung im Motor 10. Die Einlassluftströmung 41 wird während des Turbolader-Kompressionsprozesses erhitzt und kann gekühlt werden, um ihren volumetrischen Wirkungsgrad zu verbessern, indem die Einlassluft-Ladungsdichte durch isochore Kühlung erhöht wird. Diese Kühlung kann durch Leiten der Aufladungsluftströmung 26, die aus dem Turbolader 14 ausgelassen wird, zu einem Turbolader-Luftkühler 42, der auch als Zwischenkühler oder Nachkühler bezeichnet werden kann, über Motoreinlasskanäle 24 durchgeführt werden. Der Turbolader-Luftkühler 42 kann am Motor angebracht sein. Die Aufladungsluftströmung 26 wird dann vom Turbolader-Luftkühler 42 durch den Motoreinlasskanal 24 und den Einlasskrümmer 30 zur Verteilung zu den Zylindern des Motors 10 geleitet.
-
Der Motor 10 und das Aufladungssystem 12 umfassen auch ein AGR-System 16. Das AGR-System 16 umfasst ein AGR-Steuerventil 46. Das AGR-Steuerventil 46 steht mit dem Turbinengehäuse 36 durch einen AGR-Kanal 48 in Fluidverbindung und regelt die Freisetzung von Abgas als AGR von diesem, wie hierin weiter erläutert. Das AGR-Steuerventil 46 wirkt als Ladedruckregler und ist dazu konfiguriert, einen Teil der Abgasströmung 52 vom Auslasskrümmer 32 und den zugehörigen Kanälen 33, die ansonsten durch das Turbinengehäuse 36 über den Turbinendiffusorkanal 50 (siehe 6) strömen würde, zur Verwendung als AGR-Strömung 22 durch den AGR-Kanal 48 umzuleiten. Die AGR-Strömung 22 verlässt den AGR-Kanal 48 durch den AGR-Kanalauslass 90 (6), wo sie zum AGR-Steuerventil 46 als Teil des AGR-Systems 16 geleitet wird. Durch gesteuertes Öffnen und Schließen des Ventils wird die AGR-Strömung 22 mit der Aufladungsluftströmung 26 im Einlassladungsmischer 56 vermischt. Das AGR-System 16 kann auch einen AGR-Kühler 54 oder Wärmetauscher, der auch am Motor angebracht sein kann, zum Kühlen der AGR-Strömung 22, die durch das System strömt, umfassen. Durch Vorsehen eines Wärmetauschers im AGR-System 16 kann der AGR-Kühler 54 auch für einen erhöhten Wirkungsgrad des Motors 10 sorgen. Der AGR-Kühler 54 kann auch ein Umleitventil 55 umfassen, das ermöglicht, dass die AGR-Strömung 22 den Kühler während Perioden umgeht, in denen keine Kühlung erforderlich oder erwünscht ist, wie z. B. beim Motorkaltstart. Die AGR-Strömung 22, die durch den AGR-Kühler 54 strömt oder diesen umgeht, wird mit der Aufladungsluftströmung 26 kombiniert, die wiederum durch den Turbolader-Luftkühler 42 geströmt ist, um eine Aufladungsverbrennungsströmung 28 (Luft oder Luft + AGR) vorzusehen. Die Gasströmungen 22 und 26 können unter Verwendung des Einlassladungsmischers 56 kombiniert werden, um die Homogenität der Verbrennungsströmung 28 zu verbessern, bevor die Strömung in den Einlasskrümmer 30 des Motors 10 eintritt. Das Aufladungssystem 12 kann betrieben werden, ohne sich auf den Wirkungsgrad des Turboladers 14 auszuwirken, wenn das AGR-Steuerventil 46 geschlossen ist, und die Aufladungsverbrennungsströmung 28 umfasst nur die Aufladungsluftströmung 26. Wenn das AGR-Steuerventil 46 geöffnet wird, wird der Wirkungsgrad der Turbine 34 und des Turboladers 14 verringert, wodurch die Einleitung der AGR-Strömung 22 in die Aufladungsverbrennungsströmung 28 unterstützt wird, so dass die Strömung 28 ein Gemisch von Aufladungsluftströmung 26 und AGR-Strömung 28 umfasst, wie hierin beschrieben. Unter Verwendung eines variablen AGR-Steuerventils 46 können die Verringerung des Wirkungsgrades des Turboladers 14 und das Gemisch der Aufladungsluftströmung 26 und AGR-Strömung 28 gesteuert werden.
-
1–9 zeigen eine beispielhafte Ausführungsform eines Turbinengehäuses 36 und eines Turboladers 14, der das Gehäuse verwendet, genauer. Das Turbinengehäuse 36 kann einen oder mehrere Montageflansche 37 zum Montieren des Gehäuses am Motor 10 umfassen. Das Turbinengehäuse 36 umfasst einen oder mehrere Turbineneinlässe 76, einen Gehäusekörper 78, der einen Turbinendiffusor 75 umfasst, der den Turbinendiffusorkanal 50 und einen zugehörigen Turbinendiffusordurchgang 58 definiert, und den Turbinenauslass 80. Das Gehäuse 36 umfasst auch einen AGR-Kanaleinlass 74, der vom Turbinendiffusoreinlass 82 entlang des Turbinendiffusorkanals 50 radial beabstandet ist.
-
Mit Bezug auf 1-6 können die Turbinengehäuseeinlässe 76 direkt am Auslasskrümmer 32 oder mehreren Krümmern des Motors 10 befestigt sein oder können indirekt durch zusätzliche Auslasskanäle (nicht dargestellt) befestigt sein. Der eine oder die mehreren Turbineneinlässe 76 können einem oder mehreren Zweigen 92, 94 des Einlasskanals 77 zugeordnet sein. In der Ausführungsform von 1–6 sind beispielsweise zwei Turbineneinlässe 76 und zwei jeweilige Zweige 92, 94 vorhanden, die sich zu einem einzigen Einlasskanal 77 vereinigen. Die Turbinengehäuseeinlässe 76 können in einen oder mehrere Montageflansche 84 zur lösbaren Befestigung, wie beschrieben, unter Verwendung von mehreren Gewindebolzen, Klemmen oder dergleichen (nicht dargestellt) integriert sein. Die Abgasströmungen 52 (6), die in den Turbinengehäuseeinlass 76 eintreten, werden zu einer einzigen Abgasströmung 52 kombiniert, die in den Turbinendiffusorkanal 50 am Turbinendiffusoreinlass 82 strömt. Mit Bezug auf 6 weist der Turbinendiffusorkanal 50 einen sich nach innen krümmenden und konvergierenden Turbinendiffusordurchgang 58, wie z. B. einen sich spiralförmig krümmenden Durchgang, auf. Da der Turbinendiffusordurchgang 58 vom Turbinendiffusoreinlass 82 weg konvergiert, wie in 7–9 gezeigt, ist die Querschnittsfläche des Durchgangs fortschreitend verringert. Die fortschreitende Verringerung des Turbinendiffusordurchgangs 58 erhöht fortschreitend die Geschwindigkeit der Abgasströmung 52 innerhalb des Durchgangs. Der Turbinendiffusorkanal 50 läuft spiralförmig einwärts um das Turbinenrad 60, das mit dem Kanal 50 und dem Turbinendiffusordurchgang 58 durch eine sich auf dem Umfang erstreckende Turbinendüse 25 in Fluidverbindung steht. Die Düse 25 lenkt die Abgasströmung 52 über Turbinenschaufeln (nicht dargestellt) am Turbinenrad 60, wo sie durch den Turbinenkanalauslass 80 ausgelassen wird, wodurch die Drehung des Turbinenrades 60 und der Turbinenwelle 64, an dem es befestigt ist, bewirkt wird, was wiederum das Kompressorrad 66 dreht, das am entgegengesetzten Ende der Welle 64 befestigt ist. Die Drehung des Kompressorrades 66 saugt Luft in den Kompressoreinlass 68, die dann komprimiert wird, wenn sie durch die Kompressordüse (nicht dargestellt) strömt, und durch den Kompressordiffusorkanal 70 und den Kompressordiffusor-Kanalauslass 72 als Aufladungsluftströmung 26 ausgestoßen wird.
-
Mit Bezug auf 1 und 6–9 mündet der AGR-Kanaleinlass 74 in den AGR-Kanal 48, der am Turbinengehäuse 36 über dem AGR-Kanaleinlass 74 angeordnet ist. In der beispielhaften Ausführungsform von 6 ist der AGR-Kanal 48 über dem AGR-Kanaleinlass angeordnet und erstreckt sich vom Turbinendiffusor 75 als einteiliger Abschnitt des Turbinengehäuses 36 tangential nach außen. Der AGR-Kanal 48 weist einen AGR-Kanaldurchgang 86 auf. Der AGR-Kanal 48 kann eine im Wesentlichen ähnliche Größe und Form oder Querschnittsfläche wie der AGR-Kanaleinlass 74 aufweisen, so dass ein glatter Übergang zwischen dem Turbinenkanal 50 und dem AGR-Kanal 48 auftritt. Alternativ kann der AGR-Kanal 48 eine Querschnittsfläche aufweisen, die geringer ist als die Querschnittsfläche des AGR-Kanaleinlasses 74. Der AGR-Kanaldurchgang 86 und der AGR-Kanaleinlass 74 können eine beliebige geeignete Querschnittfläche und Orientierung in Bezug auf den Turbinendiffusorkanal 50 und den Turbinendiffusordurchgang 58 aufweisen, die ausreicht, um eine vorbestimmte AGR-Strömung 22 sowie eine vorbestimmte Abgasströmung durch die Düse 25 bereitzustellen, einschließlich einer Querschnittfläche des AGR-Kanaldurchgangs 86, die kleiner als oder gleich der Querschnittsfläche des Turbinendiffusordurchgangs 58 nahe dem AGR-Kanaleinlass 74 ist. Ferner kann die Querschnittsfläche des AGR-Kanaldurchgangs 86 entlang seiner Länge vom AGR-Kanaleinlass 74 weg gleich sein oder kann alternativ vom AGR-Kanaleinlass weg fortschreitend konvergieren oder divergieren. In der beispielhaften Ausführungsform von 6 kann eine Mittelachse 49 des AGR-Kanals 48 und des AGR-Kanaldurchgangs 86 im Wesentlichen tangential zu und koplanar mit einer Mittelachse 51 des Turbinendiffusorkanals 50 und Turbinendiffusordurchgangs 58 sein, um Verluste in der AGR-Strömung 22 zu minimieren. In dieser Ausführungsform kann ferner die Querschnittsfläche des AGR-Kanaldurchgangs 86 geringer sein als die Querschnittsfläche des Turbinendiffusordurchgangs 58 nahe dem AGR-Kanaleinlass, um die vorbestimmte AGR-Strömung 22 und vorbestimmte Abgasströmung 52 durch die Turbinendüse 25 vorzusehen. Der AGR-Kanaldurchgang 86 und der Turbinendiffusordurchgang 58 sollten so bemessen sein, dass eine vorbestimmte AGR-Strömung 22 und eine Verringerung der Aufladungsluftströmung 26 erhalten werden, wobei der Druck der AGR-Strömung 22 größer ist als der Druck der Aufladungsluftströmung 26, wodurch ein vorbestimmter Teil der AGR-Strömung 22 der Aufladungsströmung 28 unter stützt wird. Der AGR-Kanal 48 kann auch einen Montageflansch 88 nahe dem AGR-Kanalauslass 90 für die lösbare Befestigung am AGR-Einlasskanal 20, wie hierin beschrieben, unter Verwendung von mehreren Gewindebolzen, Klemmen oder dergleichen (nicht dargestellt) umfassen.
-
Der AGR-Kanaleinlass 74 ist vom Turbinendiffusoreinlass 82 entlang des Turbinendiffusorkanals 50 radial beabstandet. Der radiale Abstand kann als Winkel (α) zwischen den Zentren des AGR-Kanaleinlasses 74 und des Turbinendiffusoreinlasses 82 (6) gekennzeichnet sein. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Abstand zwischen etwa 80° und etwa 270° liegen. Wenn der radiale Abstand (α) zunimmt, nimmt die Geschwindigkeit der Abgasströmung 52 innerhalb des Turbinendiffusordurchgangs 58 zu, daher nimmt auch die Geschwindigkeit der AGR-Strömung 22 zu, wenn das AGR-Steuerventil 46 geöffnet wird. Wie hierin beschrieben, verringert das Öffnen des AGR-Steuerventils 46 auch die Abgasströmung 52 innerhalb des Turbinendiffusorkanals 50, wodurch die Menge an Arbeit verringert wird, die von der Abgasströmung 52 am Turbinenrad 60 geleistet wird, und eine gleichzeitige Verringerung der Arbeit, die vom Kompressorrad 66 geleistet werden kann, wodurch der Druck oder die Aufladung, der bzw. die vom Turbolader zur Verfügung steht, verringert wird. Wie beschrieben, kann das Gleichgewicht der Erhöhung des Drucks der AGR-Strömung 22 und der Verringerung der Aufladungsluftströmung 26 verwendet werden, um die Menge an AGR, die in der Aufladungsverbrennungsströmung 28 zur Verfügung steht, zu erhöhen, und eine vorbestimmte Menge an AGR in der Aufladungsverbrennungsströmung 28 zu schaffen. Der radiale Abstand, die Orientierung, die Größe und weitere Aspekte des AGR-Kanals 48 und des AGR-Kanaleinlasses 74 können verwendet werden, um die vorbestimmte Menge an AGR in der Aufladungsverbrennungsströmung 28 zu steuern.
-
Inder beispielhaften Ausführungsform von 1–9 ist die Turbinendüse 25 eine Düse mit fester Geometrie. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann die Turbinendüse 25 eine Düse mit variabler Geometrie sein. Die Düsengeometrie kann verändert werden, um den Gegendruck im Turbinendiffusordurchgang und in den zugehörigen oberstromigen Kanälen zu steuern, einschließlich des Auslasskrümmers, wobei das Verkleinern der Düsenöffnung den Gegendruck erhöht und das Vergrößern der Düsenöffnung den Gegendruck verringert. Die Düsengeometrie und der Gegendruck können durch verschiedene Aktuatormechanismen gesteuert werden.
-
Das Turbinengehäuse 36 und dessen vorstehend beschriebene Abschnitte können einzeln, in irgendeiner Kombination hergestellt werden und zusammengefügt werden, um das Turbinengehäuse herzustellen. Alternativ kann das Turbinengehäuse 36, wie hierin beschrieben, als einteiliges Ganzes ausgebildet werden, wie z. B. durch Gießen des Gehäuses. Geeignete Materialien für die Verwendung als Turbinengehäuse 36 umfassen verschiedene Klassen von Legierungen von Gusseisen und Stahl. Ferner kann das Gehäuse irgendeinen geeigneten sekundären Endbearbeitungsvorgang erhalten, einschließlich Reinigung, maschineller Bearbeitung und dergleichen.
-
Mit Bezug auf 1–10 wird gemäß noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren 100 zur Verwendung eines Einlassluftsystems 18 für einen Verbrennungsmotor 10 geschaffen. Das Verfahren 100 umfasst das Vorsehen 110 eines Verbrennungsmotors 10 mit einem Turbolader 14 in Fluidverbindung mit einem Einlasskrümmer 30 des Motors, der dazu konfiguriert ist, eine Aufladungsluftströmung 26 mit einem ersten Druck zu diesem zuzuführen. Der Turbolader 14 umfasst ein Turbinengehäuse 36, das einen Turbinendiffusorkanal 50 umfasst. Der Turbinendiffusorkanal 50 weist einen Turbinendiffusoreinlass 82 und einen AGR-Kanaleinlass 74 auf, der vom Diffusoreinlass entlang des Turbinendiffusorkanals radial beabstandet ist und in einen AGR-Kanal 48 mündet, der am Turbinengehäuse 36 angeordnet ist. Der AGR-Kanal 48 ist zur Fluidverbindung der AGR-Strömung 22 zu einem AGR-Steuerventil 46, das zwischen einer offenen und einer geschlossenen Position umschaltbar ist, konfiguriert. Die AGR-Strömung 22 wird am AGR-Steuerventil 46 durch den AGR-Ventileinlass 45 empfangen. Die offene Position des AGR-Steuerventils 46 ermöglicht eine Fluidverbindung der AGR-Strömung 22 mit einem zweiten Druck durch den AGR-Ventilauslass 47 zum Einlasskrümmer 30 und definiert einen ersten Betriebsmodus. Die geschlossene Position sperrt die Fluidverbindung vom AGR-Kanal 48 zum Einlasskrümmer 30 und definiert einen zweiten Betriebsmodus. Im ersten Modus ist der zweite Druck größer als der erste Druck und die AGR-Strömung 22 zum Motor wird innerhalb des Einlasskrümmers 30 unterstützt. Das Verfahren 100 umfasst auch das Betreiben 120 des Motors 10, um eine Abgasströmung 52 im Turbinendiffusorkanal 50 am Turbinendiffusoreinlass 82 zu erzeugen. Das Verfahren 100 umfasst auch das Auswählen 130 des ersten Modus oder des zweiten Modus, während der Motor betrieben wird. Das Auswählen 130 kann unter Verwendung eines geeigneten Controllers (nicht dargestellt) wie z. B. einer Motorsteuereinheit (ECU) durchgeführt werden. Im ersten Modus werden der Wirkungsgrad des Turboladers und der erste Druck in Verbindung mit dem Zuführen der AGR-Strömung 22 zum Einlasskrümmer 30 verringert. Wahlweise umfasst das Verfahren 100 auch das Auswählen 140 des radialen Abstandes des Turbinendiffusoreinlasses 82 und des AGR-Kanaleinlasses 74, um eine vorbestimmte AGR-Strömung 22 zu erhalten, wie hierin beschrieben. Wahlweise ist das AGR-Steuerventil 46 ein variables AGR-Steuerventil 46, das zwischen der offenen Position, der geschlossenen Position und mehreren teilweise offenen Positionen dazwischen, die entsprechende mehrere Betriebsmodi definieren, umschaltbar ist, wobei das Verfahren ferner das Auswählen 150 von einem der mehreren Betriebsmodi umfasst und wobei im ersten Betriebsmodus und in den mehreren Betriebsmodi der zweite Druck größer ist als der erste Druck, wodurch entsprechende mehrere AGR-Strömungen in den Einlasskrümmer 30 unterstützt werden.
-
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist für den Fachmann auf dem Gebiet verständlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Elemente davon gegen Äquivalente ausgetauscht werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Außerdem können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Schutzbereich abzuweichen. Daher ist vorgesehen, dass die Erfindung nicht auf die speziellen Ausführungsformen begrenzt ist, die als beste Art offenbart sind, die zur Ausführung dieser Erfindung in Erwägung gezogen wird, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfasst, die in den Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung fallen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
