DE102010051777A1

DE102010051777A1 - Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102010051777A1
Application number: DE201010051777
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Hirth Torsten; Dipl.-Ing. Sumser Siegfried
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2012-05-24
Also published as: WO2012065675A1; US9121345B2; US20130276444A1; JP2013543081A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine (54) für einen Abgasturbolader (22) einer Verbrennungskraftmaschine (10), mit zumindest einem einen Aufnahmeraum (94) aufweisenden Gehäuseteil (56), welches wenigstens einen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbaren Spiralkanal (58) umfasst, der einen Austrittsquerschnitt (AZS) aufweist, über welchen ein zumindest bereichsweise in dem Aufnahmeraum (94) aufzunehmendes Turbinenrad (60) der Turbine (54) mit dem Abgas beaufschlagbar ist, und mit zumindest einem zumindest im Wesentlichen in Umfangsrichtung (70) des Aufnahmeraums (94) bewegbaren Versperrkörper (68), mittels welchem der Austrittsquerschnitt (AZS) einstellbar ist, wobei eine den Spiralkanal (58) zumindest bereichsweise begrenzende Wandung (96, 98) des Gehäuseteils (56) einen in radialer Richtung (102) des Aufnahmeraums (94) dem Versperrkörper (68) zugewandten Außenkonturbereich (104) aufweist, welcher als zu einem in radialer Richtung (102) dem Außenkonturbereich (104) der Wandung (96, 98) zugewandten Außenkonturbereich (108) des Versperrkörpers (68) zumindest im Wesentlichen korrespondierende Gegenkontur ausgebildet ist, mittels welcher der Außenkonturbereich (108) des Versperrkörpers (68) in radialer Richtung (102) zumindest bereichsweise abdeckbar ist, wobei ein Umschlingungswinkel (φAB,ZS) des Außenkonturbereichs (108) des Versperrkörpers (68), über welchen sich dessen Außenkonturbereich (108) zumindest im Wesentlichen in Umfangsrichtung (70) des Aufnahmeraums (94) über dessen Umfang erstreckt, kleiner ist als ein Umschlingungswinkel (φAB,TS) des Außenkonturbereichs (104) der Wandung (96, 98), über welchen sich deren Außenkonturbereich (104) zumindest im Wesentlichen in Umfangsrichtung (70) des Aufnahmeraums (94) über dessen Umfang erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Aus der DE 100 48 237 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Abgasrückführungsvorrichtung bekannt, wobei der Abgasturbolader eine mit variabler Turbinengeometrie ausgestattete Abgasturbine im Abgasstrang und einen Verdichter im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine und die Abgasrückführungsvorrichtung eine Rückführleitung zwischen Abgasstrang und Ansaugtrakt und ein einstellbares Sperrventil umfasst. Die Brennkraftmaschine umfasst ferner eine Regel- und Steuerungseinrichtung, in der in Abhängigkeit von dem Zustand der Brennkraftmaschine Stellsignale zur Einstellung der variablen Turbinengeometrie und des Sperrventils erzeugbar sind.
Die Abgasturbine ist zweiflutig mit zwei separaten Einströmkanälen mit jeweils einem Strömungseintrittsquerschnitt zum Turbinenrad ausgebildet, wobei die beiden Einströmkanäle druckdicht gegeneinander abgeschirmt sind. Zumindest ein Strömungseintrittsquerschnitt eines Einströmkanals zum Turbinenrad ist über die variable Turbinengeometrie veränderlich. Im Abgasstrang sind zwei separate Abgasleitungen vorgesehen, mit denen jeweils ein Teil der Zylinderauslässe der Brennkraftmaschine mit jeweils einem Einströmkanal verbunden ist. Die Rückführleitung der Abgasrückführungsvorrichtung verbindet genau eine der beiden Abgasleitungen mit dem Ansaugtrakt.
Der DE 25 39 711 ist ein Spiralgehäuse für einen Abgasturbolader mit wenigstens bereichsweise einstellbarem Querschnitt als bekannt zu entnehmen, wobei wenigstens eine an der radial inneren Wand des Spiralgehäuses gleitend geführte, im Anschluss an diese Wand in Umfangsrichtung verschiebbar Zunge vorgesehen ist.
Die DE 10 2008 039 085 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, mit einem Abgasturbolader, welcher einen Verdichter in einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine und eine Turbine in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine umfasst. Die Turbine weist ein Turbinengehäuse auf, das einen mit einer Abgasleitung des Abgastrakts gekoppelten Spiralkanal und ein Turbinenrad umfasst, welches innerhalb eines Aufnahmeraums des Turbinengehäuses angeordnet und zum Antreiben eines über eine Welle drehfest mit dem Turbinenrad verbundenen Verdichterrads des Verdichters mit durch den Spiralkanal führbarem Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagbar ist. Dabei umfasst die Turbine eine Versteileinrichtung, mittels welcher ein Spiraleneintrittsquerschnitt des Spiralkanals sowie ein Düsenquerschnitt des Spiralkanals zum Aufnahmeraum gemeinsam einstellbar sind.
Da derartige Abgasturbolader vor dem Hintergrund einer Serienfertigung von Verbrennungskraftmaschinen ein Massenprodukt mit stetig wachsender Stückzahl darstellt, ist es wünschenswert, einen Abgasturbolader bereitzustellen, welcher einen effizienten, d. h. verbrauchs- und emissionsarmen Betrieb der zugeordneten Verbrennungskraftmaschine ermöglicht sowie eine hohe Betriebszuverlässigkeit unter höchsten Temperatur- und Druckänderungen aufweist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine für einen Abgasturbolader bereitzustellen, welche eine hohe Betriebszuverlässigkeit aufweist sowie einen effizienten Betrieb einer der dem Abgasturbolader zugeordneten Verbrennungskraftmaschine 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 übrigen Ansprüchen angegeben.
Eine solche Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine umfasst zumindest ein einen Aufnahmeraum aufweisendes Gehäuseteil, welches wenigstens einen vom Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Spiralkanal umfasst, der einen Austrittsquerschnitt aufweist, über welchen ein zumindest bereichsweise in dem Aufnahmeraum aufzunehmendes Turbinenrad der Turbine mit dem Abgas beaufschlagbar ist. Die Turbine umfasst ferner zumindest einen zumindest im Wesentlichen in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums bewegbaren, insbesondere verschiebbaren, Versperrkörper, mittels welchem der Austrittsquerschnitt einstellbar ist, wobei eine den Spiralkanal zumindest bereichsweise begrenzende Wandung des Gehäuseteils einen in radialer Richtung des Aufnahmeraumes dem Versperrkörper zugewandten Außenkonturbereich aufweist, welcher als zu einem in radialer Richtung des Aufnahmeraums dem Außenkonturbereich der Wandung zugewandten Außenkonturbereich des Versperrkörper zumindest im Wesentlichen korrespondierende Gegenkontur ausgebildet ist, mittels welcher der Außenkonturbereich des Versperrkörpers in radialer Richtung, insbesondere nach außen hin, zumindest bereichsweise abdeckbar ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Umschlingungswinkel des Außenkonturbereichs des Versperrkörpers, über welchen sich dessen Außenkonturbereich zumindest im Wesentlichen in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums über dessen Umfang erstreckt, kleiner ist als ein Umschlingungswinkel des Außenkonturbereichs der Wandung, über welchen sich deren Außenkonturbereich zumindest im Wesentlichen in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums über dessen Umfang erstreckt. Mit anderen Worten ist der Winkelbereich, über welchen sich der Außenkonturbereich des Versperrkörpers erstreckt geringer als der Winkelbereich, über welchen sich der Außenkonturbereich der Wandung, zu welcher der Versperrkörper relativ bewegbar ist, erstreckt. Dadurch ist ein Verstellbereich des Versperrkörpers insbesondere in einem oberen Durchsatzbereich der Turbine geschaffen, in welchem der Versperrkörper bereichsweise oder gegebenenfalls auch komplett durch die Wandung in radialer Richtung insbesondere nach außen, überdeckt wird. Der Versperrkörper ist beispielsweise zungenförmig ausgebildet und wird daher als Zunge bezeichnet, welche eine Zungenspitze aufweist. Dabei ist die Zunge bis zur Zungenspitze bereichsweise oder gegebenenfalls vollständig durch die Wandung bzw. deren Außenkonturbereich in radialer Richtung überdeckbar. Trotz dieser Überdeckung kann der Versperrkörper dennoch bei entsprechender Gestaltung des Spiralkanals, insbesondere von Flächen des Spiralkanals, einen engsten Strömungsquerschnitt des Spiralkanals, insbesondere den engsten Austrittsquerschnitt desselbigen, bestimmen.
Die erfindungsgemäße Turbine weist dadurch einen besonders hohen Durchsatzbereich und eine besonders hohe Durchsatzspreizung auf, so dass die Turbine besonders effizient betrieben werden kann und auch insbesondere infolge der Bewegbarkeit des Versperrkörpers und infolge der damit einhergehenden Anpassbarkeit des Austrittsquerschnitts an eine Vielzahl von unterschiedlichen und sich dynamisch ändernden Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden kann.
Daraus resultiert ein besonders effizienter, kraftstoffarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit geringen CO₂-Emissionen.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße variable Turbine, welcher bei entsprechender Ausgestaltung des Sperrkörpers als Zungenschieberturbine bezeichnet wird, nicht nur einen besonders guten Wirkungsgrad sondern auch eine geringe Komplexität und eine geringe Teileanzahl auf, insbesondere gegenüber Drehschaufler-Vario-Turbinen, womit geringe Kosten für die erfindungsgemäße Turbine sowie eine hohe Betriebszuverlässigkeit einhergehen. Trotz dieser relativ unkomplexen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Turbine weist sie eine gewünschte Durchsatzspreizung auf, wobei ein Durchsatzspreizungsquotient
oder gegebenenfalls sogar > 4 aufweist. Bei diesem Durchsatzspreizungsquotient ist Φ_max der maximal mögliche Durchsatz der Turbine, und φ_min ist der minimale mögliche Durchsatz der Turbine.
Durch die fortwährende Verschärfung von Emissionsgrenzwerten, insbesondere der Stickoxid- und Rußemissionen ergibt sich einerseits eine massive Beeinflussung von Abgasturboladern zum Aufladen von Verbrennungskraftmaschinen. Daraus resultieren hohe Anforderungen hinsichtlich einer Ladedruckbereitstellung der Abgasturbolader aufgrund hoher zu realisierender AGR-Raten (AGR – Abgasrückführung) in mittleren Lastbereichen bis hin zu Volllastbereichen der Verbrennungskraftmaschine. Dies erfordert die Darstellung einer bezüglich ihrer Dimensionen bzw. Ausmaßen geometrisch kleinen Turbine für einen solchen Abgasturbolader, wobei die geforderten hohen Turbinenleistungen durch eine Steigerung der Aufstaufähigkeit bzw. durch eine Reduzierung der Schluckfähigkeit der Turbine im Zusammenwirken mit der Verbrennungskraftmaschine realisiert wird.
Ferner wird gegebenenfalls ein Eintrittsdruckniveau der Turbine erhöht durch den Gegendruck einer Abgasreinigungseinrichtung, insbesondere eines Rußfilters, welche in Strömungsrichtung des Abgases stromab der Turbine angeordnet ist, was eine weitere Verkleinerung der Turbine hinsichtlich ihrer Dimensionen bzw. Ausmaße erfordert. Dies geht einher mit der Problematik, dass aus einer solchen Verkleinerung der Turbine in der Regel eine Verschlechterung des Wirkungsgrads resultiert. Dies ist jedoch erforderlich, um Leistungsanforderungen einer Verdichterseite des Abgasturboladers zu befriedigen zur Darstellung einer erwünschten Luft-Abgaslieferung und damit zur Darstellung gewünschter Drehmomente bzw. gewünschter Leistungen sowie niedriger Emissionen der Verbrennungskraftmaschine.
Die erfindungsgemäße Turbine ermöglicht es, sie hinsichtlich ihrer Dimensionen bzw. Ausmaße klein zu gestalten, um damit ein gewünschtes Aufstauverhalten darzustellen. Dies ermöglicht hohe AGR-Raten. Mit anderen Worten kann eine besonders große Menge an Abgas von einer Abgasseite der der Turbine zugeordneten Verbrennungskraftmaschine auf eine Luftseite derselbigen rückgeführt und einer von der Verbrennungskraftmaschine angesaugten Luft zugeführt werden, wodurch sich die Emissionen, insbesondere Stickoxid- und Rußemissionen, der Verbrennungskraftmaschine absenken lassen.
Gleichzeitig ermöglicht die erfindungsgemäße Turbine insbesondere aufgrund ihrer effizienten Anpassbarkeit an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine einen besonders wirkungsgradgünstigen Betrieb. Sie stellt somit eine variable Turbine dar, welche besonders gut an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden kann. Die hohe realisierbare Durchsatzspreizung der Turbine sowie ihre Wirkungsgradcharakteristik wird dabei maßgebend durch die Gestaltung bzw. Festlegung von Hauptabmessungen der relativ zum Turbinengehäuse festen und den Spiralkanal begrenzenden Wandung bzw. Wandungen sowie des stromab angeordneten und relativ zum Turbinengehäuse beweglichen Versperrkörpers, insbesondere der Zunge, bestimmt. Die einfache Grundfunktion des Versperrkörpers ist die Definition, d. h. dass zumindest bereichsweise Begrenzen, des engsten Strömungsquerschnitts des Spiralkanals möglichst über dem gesamten Verstellbereich, insbesondere Winkelverstellbereich, des Versperrkörpers in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums über dessen Umfang, wobei der Versperrkörper beispielsweise mittels eins Aktors über den gesamten Verstellbereich bewegt wird.
Bei der erfindungsgemäßen Turbine ist es ermöglicht, dass der engste Strömungsquerschnitt, insbesondere der engste Austrittsquerschnitt des Spiralkanals zum Aufnahmeraum hin, einerseits bereichsweise von einem Bereich, insbesondere einer Spitze, des Versperrkörpers und andererseits bereichsweise von einem Wandungsbereich einer festen Wandung des Turbinengehäuses begrenzt wird, wobei der Wandungsbereich in radialer Richtung des Aufnahmeraums dem Aufnahmeraum zugewandt ist. Dies ist dabei vorteilhafterweise in dem überwiegenden, insbesondere in dem vollständigen, Verstellbereich des Versperrkörpers gegeben. Dies bedeutet, dass der engste Strömungsquerschnitt nicht oder in einem nur sehr geringen Bereich des Verstellbereichs vollständig durch relativ zum Turbinengehäuse feste und den Spiralkanal bildende Wandungen des Spiralkanals definiert, d. h. begrenzt wird.
Würde der engste Strömungsquerschnitt in einem unerwünscht hohen Bereich des Verstellbereich des Versperrkörpers von relativ zum Turbinengehäuse feste Wandungen begrenzt werden (und nicht zumindest bereichsweise von dem Versperrkörper), so würde dies bedeuten, dass ab einer bestimmten Position, insbesondere einem Verstellwinkel, des Versperrkörpers in dem Verstelibereich ein weiteres Bewegen des Versperrkörpers keinen Einfluss hätte auf eine Veränderung des aktuellen Durchsatzes der Turbine. Mit anderen Worten würde eine weitere Bewegung des Versperrkörpers ab dieser bestimmten Position beispielsweise nicht zu einer gewollten Erhöhung des Durchsatzes führen. Diese Problematik ist bei der erfindungsgemäßen Turbine vermieden, so dass sich ein Bewegen des Versperrkörpers von einer Position, insbesondere einem Verstellwinkel, zu einer dazu unterschiedlichen Position, insbesondere Verstellwinkel, zumindest im Wesentlichen stets auf eine Veränderung des Durchsatzes der Turbine auswirkt. Dadurch weist die erfindungsgemäße Turbine eine besonders hohe Durchsatzspreizung auf und sie ist besonders flexibel an unterschiedliche und sich dynamisch ändernde Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine anpassbar. Dies kommt insbesondere bei einem Einsatz der Turbine in einem Personenkraftwagen vorteilhaft zum Tragen, weil dort die Verbrennungskraftmaschine und damit die Turbine ein besonders transientes Verhalten aufweist.
So lässt sich durch die erfindungsgemäße Turbine auch im Anwendungsfeld einer Aufladung einer Verbrennungskraftmaschine für einen Personenkraftwagen ein angenehmes und vorteilhaftes Fahrverhalten erzeugen, und dass auch bei einer Verbrennungskraftmaschine, die nach dem so genannten Downsizing-Prinzip ausgestaltet ist, wobei die Verbrennungskraftmaschine ein relativ geringes Hubvolumen jedoch relativ hohe Leistungen und Drehmomente aufweist. Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Turbine jedoch auch bei Anwendungen in Nutzkraftwagen einsetzbar.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Turbine ein weiteres wenigstens eine Eintrittsöffnung aufweisendes Gehäuseteil, welches einen weiteren Aufnahmeraum aufweist, der über die Eintrittsöffnung mit Abgas beaufschlagbar ist, in welchem das erste Gehäuseteil aufgenommen ist und welcher zum Ermöglichen eines Strömens des Abgases von dem Aufnahmeraum in den Spiralkanal fluidisch mit dem Spiralkanal verbunden ist. Durch dieses weitere Gehäuseteil ist es ermöglicht, dass sich zunächst Abgas in dem Aufnahmeraum sammelt, um dadurch einen Stauaufladebetrieb der Turbine und damit der ihr zugeordneten Verbrennungskraftmaschine darzustellen. Dadurch sind die geschilderten, hohen Leistungsanforderungen auf der Verdichterseite des Abgasturboladers durch die Turbine befriedigbar. In dem als Sammelraum fungierenden Aufnahmeraum kann sich das Abgas sammeln und das Abgas kann aufgestaut werden, bevor es durch den zumindest einen Spiralkanal des ersten Gehäuseteils strömt und das Turbinenrad antreibt. Das Turbinenrad ist drehfest mit einer Welle verbunden, mit welcher ebenso ein Verdichterrad eines Verdichters des Abgasturboladers drehfest verbunden ist.
Vorteilhafterweise ist das erste Gehäuseteil als separat zum dem zweiten Gehäuseteil ausgebildetes Element ausgebildet und als Einsatzteil in das weitere Gehäuseteil eingesetzt. Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung sowie Montage der erfindungsgemäßen Turbine.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das den zumindest eine Spiralkanal umfassende Gehäuseteil, das heißt das erste Gehäuseteil, wenigstens einen weiteren von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Spiralkanal, der einen Ausschnittsquerschnitt aufweist, über welchen das in dem Aufnahmeraum aufzunehmende Turbinenrad mit dem Abgas beaufschlagbar ist. Durch diese beiden zumindest zwei Spiralkanäle sind mehrere Segmente dargestellt, über welche das Turbinenrad strömungs- und wirkungsgradgünstig von dem Abgas angeströmt werden kann. Dies kommt dem hohen Wirkungsgrad und dem effizienten Betrieb der erfindungsgemäßen Turbine zugute.
Auch dem Austrittsquerschnitt des weiteren Spiralkanals kann ein entsprechender Versperrkörper zugeordnet sein, welcher in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums über dessen Umfang bewegbar ist und mittels welchen der Austrittsquerschnitt des weiteren Spiralkanals variabel einstellbar ist. Auch hierbei kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass eine den weiteren Spiralkanal zumindest bereichsweise begrenzende Wandung des Gehäuseteils einen in radialer Richtung des Aufnahmeraums dem weiteren Versperrkörper zugewandten Außenkonturbereich aufweist, welcher als zu einem in radialer Richtung des Aufnahmeraums dem Außenkonturbereich der Wandung des weiteren Spiralkanals zugewandten Außenkonturbereich des weiteren Versperrkörpers zumindest im Wesentlichen korrespondierende Gegenkontur ausgebildet ist, mittels welcher der Außenkonturbereich des weiteren Versperrkörpers in radialer Richtung zumindest bereichsweise insbesondere nach außen hin abdeckbar ist. Vorteilhafterweise ist auch der Umschlingungswinkel des Außenkonturbereichs des weiteren Versperrkörpers kleiner ausgebildet als der Umschlingungswinkel des Außenkonturbereichs der Wandung des weiteren Spiralkanals. Damit sind die zuvor geschilderten Vorteile auch bei dem Gehäuseteil mit den zumindest zwei Spiralkanälen realisierbar.
Ist das Gehäuseteil dieser Ausführungsform der Erfindung mit den zumindest zwei Spiralkanälen in dem weiteren Aufnahmeraum des weiteren Gehäuseteils angeordnet, so werden die zumindest zwei Spiralkanäle von dem diesen gemeinsamen Aufnahmeraum mit Abgas versorgt. Mit anderen Worten ist der Aufnahmeraum in Strömungsrichtung des Abgases von der Eintrittsöffnung des Aufnahmeraums zu dem Turbinenrad hin stromab der Eintrittsöffnung in die zumindest zwei Spiralkanäle unterteilt, was eine besonders strömungs- und wirkungsgradgünstige Anströmung des Turbinenrads erlaubt. Darüber hinaus ist dann auch die Turbine mit dem die zumindest zwei Spiralkanäle aufweisenden Gehäuseteil in dem Stauaufladebetrieb betreibbar mit den damit einhergehenden Vorteilen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Austrittsquerschnitt in radialer Richtung des Aufnahmeraums sich, insbesondere von außen nach innen, verjüngend ausgebildet. Mit anderen Worten verjüngt sich der Austrittsquerschnitt in radialer Richtung in Richtung einer Drehachse des Turbinenrads. Dadurch ist eine besonders hohe Durchsatzspreizung der erfindungsgemäßen Turbine realisiert. Durch diese Maßnahme erfolgt auch eine Minimierung einer radialen absoluten Versperrung des Austrittsquerschnitts durch den Versperrkörper bei einem gegenüber dem Umschlingungswinkel des Außenkonturbereichs der Wandung gering gehaltenen Umschlingungswinkel des Außenkonturbereichs des Versperrkörpers.
Zur Festlegung einer zumindest im Wesentlichen optimalen Anzahl N_TS an Spiralkanälen des Gehäuseteils, welche auch als Teilspiralen bezeichnet werden, orientiert man sich vorteilhafterweise an einer radialen Versperrung des Versperrkörpers, die mit dem Umschlingungswinkel der Wandung des Versperrkörpers in direkter Korrelation steht. Dabei ist es vorteilhaft, eine relative Gesamtversperrung V, welche gegeben ist durch V = N_TS × φ_AB,ZS/(2 × π) zumindest im Wesentlichen kleiner als 35% (0,35) zu halten. Die relative Gesamtversperrung V ist gegeben durch die Anzahl an N_TS an Spiralkanälen des Gehäuseteils, den Umschlingungswinkel φ_AB,ZS des Außenkonturbereichs des Versperrkörpers sowie durch die mit zwei multiplizierte Kreiszahl π. Besonders vorteilhaft ist eine relative Gesamtversperrung V von deutlich kleiner als 35%.
Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Ermöglichung einer Wirkungsgradabsenkung der erfindungsgemäßen Turbine, insbesondere in einem obersten Durchsatzbereich derselbigen, durch die Einstellbarkeit einer so genannten Stolperkante bzw. Störkante für die Strömung des Abgases gegeben. Die erfindungsgemäße Turbine zeigt insbesondere bis in obere Durchsatzbereiche sehr hohe Wirkungsgrade, wobei die Stolperkante bzw. die Störkante und die damit einhergehende Wirkungsgradabsenkung für eine Drehzahlbeschränkung der Turbine ein wesentlicher Punkt in Zusammenhang mit einer sehr guten Regelbarkeit der Turbine darstellt und die Regelbarkeit der erfindungsgemäßen Turbine verbessert.
Hierbei wird vorteilhafterweise ein Umschlingungswinkel des Versperrkörpers, über welchen sich der Versperrkörper zumindest im Wesentlichen in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums über dessen Umfang erstreckt, größer ausgebildet als der Umschlingungswinkel des Außenkonturbereichs der Wandung. Mit anderen Worten steht der Umschlingungswinkel φ_L,Zunge des Versperrkörpers mit dem Umschlingungswinkel φ_AB,TS des Außenkonturbereichs der Wandung in folgendem Verhältnis: φ_L,Zunge > φ_AB,TS.
Damit kann man zumindest nahezu im gesamten Verstellbereich des Versperrkörpers eine vollständige Öffnungsposition, in welcher der maximale Austrittsquerschnitt dargestellt ist, auch mit der Störkante bzw. Stolperkante bei dem durch die Wandung bzw. den Außenkonturbereich der Wandung abgedeckten und noch querschnittsöffnenden Versperrkörper bzw. Außenkonturbereich des Versperrkörpers realisieren.
Zur Beeinflussung einer maximalen Durchsatzfähigkeit der erfindungsgemäßen Turbine dient die Einstellbarkeit einer maximal ermöglichbaren Querschnittsfläche des Spiralkanals bzw. des Austrittsquerschnitts mittels des Versperrkörpers. Diese maximale Querschnittsfläche bzw. der maximale Austrittsquerschnitt wird neben der entsprechenden Gestaltung des Versperrkörpers auch durch die entsprechende Gestaltung des Spiralkanals und insbesondere der dem Versperrkörper in radialer Richtung des Aufnahmeraums zugewandten Wandung des Spiralkanals wesentlich mitbestimmt.
Ein Hauptparameter der Gestaltung des Spiralkanals ist der Winkel der in radialer Richtung des Aufnahmeraums dem Aufnahmeraum bzw. dem Versperrkörper zugewandten Wandung des Spiralkanals, welche den Spiralkanal begrenzt, zur Umfangsrichtung hin. Um eine große Durchsatzfähigkeit der Turbine zu erzeugen, ist es von Vorteil, diesen Winkel insbesondere in einem oberen Verstellbereich des Zungenschiebers auf möglichst große Werte auszulegen, um in der Öffnungsposition des Schiebers die Querschnittsfläche bzw. den Austrittsquerschnitt zu maximieren.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung schließen eine erste Tangente an einer in radialer Richtung des Aufnahmeraums diesem zugewandte Wandung, durch welche einen Spiraleeintrittsquerschnitt des Spiralkanals einerseits begrenzt ist, welcher andererseits durch eine in radialer Richtung des Aufnahmeraums diesem abgewandte Wandung begrenzt ist, mit einer weiteren Tangente an einen die den Spiralkanal begrenzende Wandung außenumfangseitig tangential umgebenden Umkreis, auf welcher ein Schnittpunkt der ersten Tangente mit im Umkreis liegt, einen Winkel von zumindest im Wesentlichen 45° ein. Dadurch ist ein Eintrittswinkel der Strömung des Abgases in den Spiralkanal von zumindest im Wesentlichen 45° geschaffen, welcher in Strömungsrichtung stromab entlang der Wandung zumindest im Wesentlichen konstant ausgebildet sein kann.
Ist das erste Gehäuseteil in dem weiteren Gehäuseteil aufgenommen, so wird das weitere und den Aufnahmeraum bereitstellende Gehäuseteil derart ausgebildet, dass ein Strömungswinkel der Strömung des Abgases diesem Eintrittswinkel zumindest im Wesentlichen entspricht. Gegebenenfalls ist das weitere Gehäuseteil derart ausgebildet, dass ein dazu größerer Strömungswinkel gegeben ist, um somit das weitere Gehäuseteil für weitere, beispielsweise als Einsatzteile ausgebildete erste Gehäuseteile nutzen zu können, die beispielsweise einen höheren Durchsatz ermöglichen. Zusammengefasst kann somit die in radialer Richtung dem Versperrkörper zugewandte und den Sperrkanal begrenzende Wandung des Spiralkanals zur Umfangsrichtung hin einen Winkel von zumindest im Wesentlichen 45° einschließen, wobei dieser Winkel in Strömungsrichtung und in der Wandung konstant ausgebildet sein kann. Ebenso möglich ist es, dass dieser Winkel in Strömungsrichtung des Abgases entlang der Wandung variiert.
Für die Gestaltung dieses Winkelverlaufs von der Öffnungsposition bis zu einer Schließposition des Versperrkörpers, in welcher ein minimaler Strömungsquerschnitt, insbesondere ein minimaler Austrittsquerschnitt, eingestellt ist, ist ein Winkelverlauf auf der Oberfläche des Spiralkanals, das heißt auf der Oberfläche der den Spiralkanal begrenzenden Wandung, von einem hohen auf einen demgegenüber niedrigen Wert vorteilhaft. Im Bereich der Schließposition des Versperrkörpers sind Oberflächenwinkel der Wandung in einem Bereich von zum Beispiel einschließlich 10° bis einschließlich 20° gegenüber der Umfangsrichtung günstige Werte, welche zu vorteilhaften Wirkungsgraden und einem vorteilhaften Aufstauverhalten der Turbine führen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Gehäuseteil zumindest zwei Spiralkanäle aufweist, wobei die Spiralkanäle zueinander asymmetrisch ausgebildet sind. Dadurch, dass die Spiralkanäle zueinander nicht identisch ausgebildet sind, können Schaufelanregungen des Turbinenrades durch Strömungsnachläufe über den Umfang des Turbinenrads in ihrer Wirkung unterschiedlich und dämpfend beeinflusst werden. Beispielsweise unterscheiden sich die Spiralkanäle in ihrem Teilungsverhältnis voneinander.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Außenkonturbereiche jeweils bogenförmig, insbesondere als Kreisbogensegmente, ausgebildet. Dies hält die Fertigungskosten gering und ebenso ist dadurch der Versperrkörper besonders gut verstellbar, indem er beispielsweise um eine Drehachse verschwenkt wird. Sind die Außenkonturbereiche als Kreisbogensegmente ausgebildet, so liegen ihre jeweiligen Mittelpunkte vorteilhafter Weise auf der Drehachse des Turbinenrads, um welche auch der Versperrkörper verschwenkt wird, um den Austrittsquerschnitt variabel einzustellen. Dabei ist also beispielsweise vorgesehen, dass der Außenkonturbereich des Versperrkörpers konkav und der Außenkonturbereich der Wandung konvex ausgebildet ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. 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 Zeichnung zeigt in:
1 eine Prinzipskizze einer Verbrennungskraftmaschine, welche mittels eines Abgasturboladers aufgeladen ist, der eine Zungenschieber-Mehrsegment-Turbine umfasst, die einen Stauaufladebetrieb der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht;
2 eine schematische Querschnittsansicht der Zungenschieber-Mehrsegment-Turbine gemäß 1;
3 ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der Zungenschieber-Mehrsegment-Turbine gemäß 2;
4 ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der Zungenschieber-Mehrsegment-Turbine gemäß 3;
5 ein Diagramm zur Darstellung eines Durchsatzverlaufs einer Zungenschieber-Mehrsegment-Turbine gemäß den 3 und 4 über einem Verstellwinkelbereich der Zungenschieber; und
6 ein Diagramm zur Darstellung eines Wirkungsgradverlaufs der Zungenschieber-Mehrsegment-Turbine gemäß 5 über dem Verstellwinkelbereich der Zungenschieber.
Die 1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10 mit sechs Zylindern 12. Während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 saugt diese Luft gemäß einem Richtungspfeil 14 an, welche mittels eines Luftfilters 16 gefiltert und gemäß einem Richtungspfeil 18 weiter in einen Verdichter 20 eines der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeordneten Turboladers 22 strömt. Die Luft wird dabei durch den Verdichter 20 mittels eines Verdichterrads 24 verdichtet, wodurch sich die Luft erwärmt. Zur Abkühlung der so verdichteten und erwärmten Luft strömt sie weiter gemäß Richtungspfeilen 26 zu einem Ladeluftkühler 28 und weiter gemäß Richtungspfeilen 30 zu einem Luftsammler 32, über welchen sie gemäß Richtungspfeilen 34 den Zylindern 12 zugeführt wird. In den Zylindern 12 wird die angesaugte und verdichtete Luft mit Kraftstoff beaufschlagt und verbrannt, woraus eine Drehung einer Kurbelwelle 36 der Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß einem Richtungspfeil 38 resultiert. Somit handelt es sich bei der Verbrennungskraftmaschine 10 um eine direkteinspritzende Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise einen Ottomotor, einen Dieselmotor oder einen Diesottomottor. Das bislang und im Folgenden Geschilderte ist aber ohne weitere auch auf anderweitige Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise mit Saugrohreinspritzung, übertragbar und anwendbar.
Der auf einer Luftseite 40 der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnete Verdichter 20 dient dazu, eine gewünschte Luftversorgung der Verbrennungskraftmaschine 10 zur Darstellung eines gewünschten Leistungs- beziehungsweise Drehmomentniveaus der Verbrennungskraftmaschine 10 bereitzustellen. Dadurch kann die Verbrennungskraftmaschine 10 bezüglich ihres Hubvolumens und damit bezüglich ihrer Dimensionen klein ausgelegt werden, was mit einem geringen Gewicht, einer hohen spezifischen Leistung, einem geringen Kraftstoffverbrauch und mit geringen CO₂-Emissionen einhergeht.
Ein aus der Verbrennung in den Zylindern 12 resultierendes Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 wird mittels Abgasverrohrungen 42 auf einer Abgasseite 44 der Verbrennungskraftmaschine zunächst zu einer Abgasrückführeinrichtung 45 geführt, mittels welcher Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 von der Abgasseite 44 auf die Luftseite 40 rückführbar ist. Die Abgasrückführeinrichtung 45 umfasst dazu ein Abgasrückführventil 46, mittels welchem eine bestimmte und auf einen vorliegenden Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 10 abgestimmte Menge an rückzuführendem Abgas einstellbar ist. Das Abgas strömt gemäß einem Richtungspfeil 52 zu einem Abgasrückführkühler 50, durch welchen das Abgas gekühlt wird, bevor es gemäß einem Richtungspfeil 48 der von der Verbrennungskraftmaschine 10 angesaugten Luft zugeführt wird. Diese Beaufschlagung der angesaugten Luft mit dem rückgeführtem Abgas führt zu einer Absenkung von Emissionen, insbesondere von Stickoxid- und Partikelemissionen, der Verbrennungskraftmaschine 10, sodass diese nicht nur einen geringen Kraftstoffverbrauch und eine hohe Leistung sondern auch niedrige Emissionen aufweist.
Ferner ist das Abgas mittels der Abgasverrohrung 42 zu einer Turbine 54 des Abgasturboladers 22 führbar, wobei die Turbine 54 als einflutige, so genannte Zungenschieber-Mehrsegment-Turbine ausgebildet ist, welche in Zusammenhang mit der 2 erläutert ist. Die Turbine 54 umfasst ein erstes Gehäuseteil 56, welches drei, von Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmbare Spiralkanäle 58 aufweist. Die Spiralkanäle 58 weisen jeweilige Spiraleneintrittsquerschnitte A_S sowie jeweilige Düsenquerschnitte A_R auf. In dem Gehäuseteil 56 ist ein Turbinenrad 60 der Turbine 54 aufgenommen, welches um eine Drehachse 62 drehbar ist.
Das Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 tritt nun über die jeweiligen Spiraleneintrittsquerschnitte A_S in die Spiralkanäle 58 ein und strömt über die jeweiligen Düsenquerschnitte A_R das Turbinenrad 60 an, wodurch das Turbinenrad 60 von dem Abgas angetrieben wird und sich dreht. Das Turbinenrad 60 ist mit einer Welle 62 des Abgasturboladers drehfest verbunden, mit welcher auch das Verdichterrad 24 drehfest verbunden ist, wodurch das Verdichterrad 24 über die Welle 62 von dem Turbinenrad 60 angetrieben werden kann.
Die Turbine 54 umfasst auch eine Verstelleinrichtung 64, welche wiederum einen Verstellring 66 umfasst, welcher mit drei Versperrkörpern in Form von Zungenschiebern 68 verbunden ist, wovon je ein Zungenschieber 68 einem Spiralkanal 58 zugeordnet ist. Der Verstellring 66 ist gemäß Richtungspfeilen 70 um die Drehachse 62 des Turbinenrads 60 verdrehbar, wodurch die Spiraleneintrittsquerschnitte A_S sowie die in Umfangsrichtung des Turbinenrads 60 über dessen Umfang gleichmäßig verteilt angeordneten Düsenquerschnitte A_R verstellbar sind. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Zungenschieber 68 zwischen zumindest einer die Düsenquerschnitte A_R verengenden oder gar verschließenden und zumindest einer demgegenüber die Düsenquerschnitte A_R freigebenden Stellung durch Drehen des Verstellrings 66 verstellbar sind. Durch die Verstelleinrichtung 64 ist eine Variabilität der Turbine 54 geschaffen, wodurch die Turbine 54 an unterschiedliche Betriebspunkte zumindest nahezu im gesamten Kennfeld der Verbrennungskraftmaschine 10 anpassbar ist, um einen effizienten und damit kraftstoffverbrauchsarmen sowie emissionsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 darzustellen. Durch die Einstellung der Düsenquerschnitte A_R kann das Aufstauverhalten beziehungsweise das Durchsatzverhalten der Turbine 54 variabel eingestellt werden.
Durch die Spiralkanäle 58, durch welche mehrere Segmente der Turbine 54 gebildet sind, ist zunächst ein Stoßaufladebetrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 möglich. Zur Ermöglichung eines Stauaufladebetriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst die Turbine 54 nun ein Sammelgehäuse 72, durch welches ein durch das Sammelgehäuse 72 zur Umgebung hin gasdicht abgeschlossener und den Spiralkanälen 58 gemeinsamer Sammelraum 74 gebildet ist, in welchem das Gehäuseteil 56 aufgenommen ist, wobei das Sammelgehäuse 72 das Gehäuseteil 56 auf Seiten einer Lagereinrichtung und damit auf einer dem Verdichterrad 24 zugewandten Seite und/oder auf einer dieser Seite gegenüberliegenden Seite, also auf Seiten eines Turbinenaustritts, umgeben kann. Das Sammelgehäuse 72 weist einen Eintrittskanal 76 auf, in welchen über die Abgasverrohrung 42 gemäß einem Richtungspfeil 78 Abgas einströmen kann und welcher das Abgas weiter in den Sammelraum 74 leitet. Wie der 2 zu entnehmen ist, verjüngt sich der Eintrittskanal 76 in Strömungsrichtung des Abgases gemäß dem Richtungspfeil 78. Das über den Eintrittkanal 76 in den Sammelraum 74 eingeleitete Abgas wird zunächst in dem Sammelraum 74 gesammelt und kann durch die Spiralkanäle 58 zu dem Turbinenrad 60 strömen. Eine Mischung sowie eine Sammlung des Abgases erfolgt dabei in Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasverrohrung 42 stromauf des Gehäuseteils 56.
Stromauf der jeweiligen Spiraleneintrittsquerschnitte A_S weisen die Spiralkanäle 58 jeweils einen zumindest im Wesentlichen trompetenförmigen Eintrittskanal 80 auf, über welche das Abgas in die Spiralkanäle 58 eintreten kann. Die Turbine 54 weist eine hohe Variabilität auf, wodurch unterschiedliche Aufstauverhalten und damit unterschiedliche AGR-Raten darstellbar sind. Ebenso ermöglicht dies die Darstellung einer bestimmten Luftversorgung der Verbrennungskraftmaschine 10 zur Befriedigung hoher Leistungsbeziehungsweise Drehmomentenanforderungen. Ferner weist die Turbine 54 eine nur geringe Teileanzahl auf, was mit geringen Kosten und einer hohen Betriebszuverlässigkeit einhergeht.
Prinzipiell ist es auch möglich, zweiflutige Turbinen analog zur Ausgestaltung der Turbine 54 darzustellen, wobei dann entlang der Drehachse 62 des Turbinenrads 60 neben dem Gehäuseteil 56 ein weiteres Gehäuseteil mit zumindest zwei Spiralkanälen, beispielsweise in Form des Gehäuseteils 56, angeordnet ist, das in einem weiteren, durch ein weiteres Gehäuseteil gemäß dem Sammelgehäuse 72 gebildeten Aufnahmeraum gemäß dem Aufnahmeraum 74 aufgenommen ist. Somit sind die Sammelräume dann parallel angeordnet und gasdicht voneinander getrennt. In diesem Falle sind zwei parallel geschaltete Gehäuseteile 56 vorgesehen, welche jeweils eine gewisse Stauwirkung aufweisen sowie eine gewisse Stoßaufladung der beiden zueinander gasdichten Sammelräume bei getrennten Zylindergruppen der Zylinder 12 der Verbrennungskraftmaschine 10 beispielsweise mittels eines Krümmerteils bewirken, wodurch mit einer beidseitigen Verstelleinrichtung gemäß der Verstelleinrichtung 64 und entsprechender Zungenschieber 68 eine variable, quasi zweiflutige Stoßturbine dargestellt ist, die auch ein asymmetrisches Aufstauverhalten, je nach Anwendungszweck, mit sich bringen kann.
Die Verstelleinrichtung 64 der Turbine 54 wird dabei von einer Regelungseinrichtung 82 der Verbrennungskraftmaschine 10 gesteuert beziehungsweise geregelt, die die Verstelleinrichtung 64 verstellt, um die Turbine 54 an einen gerade vorliegenden Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 10 anzupassen.
Nach der Beaufschlagung und dem Antreiben des Turbinenrads 60 strömt das Abgas über den Turbinenaustritt gemäß einem Richtungspfeil 88 aus der Turbine 54 aus und durchströmt eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 90, welche beispielsweise einen Katalysator, insbesondere einen Stickoxidkatalysator, sowie gegebenenfalls einen Partikelfilter umfasst, wonach das Abgas gemäß einem Richtungspfeil 92 gereinigt an die Umwelt austritt.
Die 3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Turbine 54 gemäß 2, wobei die Turbine 54 gemäß 3 ebenso bei der Verbrennungskraftmaschine 10 eingesetzt werden kann. In der 3 ist das Turbinenrad 60 der Übersicht wegen besonders schematisch dargestellt. Auch das Turbinenrad 60 der Turbine 54 gemäß 3 ist um die Drehachse 62 in eine Drehrichtung gemäß einem Richtungspfeil 71 drehbar in einem Aufnahmeraum 94 des Gehäuseteils 56 aufgenommen.
In der 3 ist ein Spiralkanal 58 des Gehäuseteils 56 dargestellt, welcher von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmbar ist und über welchen das Abgas in den Aufnahmeraum 94 zur Beaufschlagung des Turbinenrads 60 einströmen kann. Es versteht sich, dass in Umfangsrichtung des Turbinenrads 60 gemäß dem Richtungspfeil 70 über dessen Umfang mehrere Spiralkanäle gemäß dem Steuerkanal 58 verteilt angeordnet sein können, wobei die Spiralkanäle 58 identisch, das heißt symmetrisch, zueinander ausgebildet oder zueinander asymmetrisch ausgebildet sein können.
Wie der 3 zu entnehmen ist, unterscheidet sich die Turbine 54 gemäß 3 von der Turbine 54 gemäß 2 insbesondere hinsichtlich der Ausgestaltung von den Spiralkanal 58 (beziehungsweise die Spiralkanäle 58) begrenzenden Wandungen 96 und 98 sowie hinsichtlich der Ausgestaltung der Zungenschieber 68. In 4 ist ein Umschlingungswinkel φ_TS dargestellt, über welchen sich die Wandungen 96 bzw. 98 in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums 94 über dessen Umfang erstreckt bzw. erstrecken. In der 3 sind drei unterschiedliche Positionen 1, 2 und 3 der Zungenschieber 68 dargestellt, wobei zum Bewegen der Zungenschieber 68 in unterschiedliche Positionen wie die Positionen 1, 2 und 3 unterschiedliche Verstellwinkel ε eingestellt werden. Beispielsweise ausgehend von einer Spitze 100 der Wandung 98 erhöht sich der Verstellwinkel ε der Zungenschieber 68 bei Drehen des Zungenschieber 68 in Richtung der Drehrichtung des Turbinenrads 60 gemäß dem Richtungspfeil 71.
Die den Spiralkanal 58 bereichsweise begrenzenden Wandungen 96 und 98 weisen jeweils einen in radialer Richtung des Aufnahmeraums gemäß einem Richtungspfeil 102 dem jeweiligen Zungenschieber 68 zugewandten Außenkonturbereich 104 auf, welcher zumindest im Wesentlichen kreisbogensegmentförmig ausgebildet ist und als Zylindersegment bezeichnet wird. Dies ist der Fall, da, wie in der 3 dargestellt ist, in Umfangsrichtung gemäß dem Richtungspfeil 70 ein Umkreis 106 um einen Mittelpunkt, der auf der Drehachse 62 liegt, gezogen werden kann, welcher die Außenkonturbereiche 104 tangiert. Mit anderen Worten sind die Außenkonturbereiche 104 Kreisbogensegmente des Umkreises 106 mit dem auf der Drehachse 62 liegenden Mittelpunkt. Die Außenkonturbereiche 104 sind konkav ausgebildet.
Analog dazu weisen auch die Zungenschieber 68 jeweils einen in radialer Richtung des Aufnahmeraums 94 gemäß dem Richtungspfeil 102 dem jeweiligen Außenkonturbereich 104 der Wandungen 96 und 98 zugewandten Außenkonturbereich 108 auf. Auch die Außenkonturbereiche 108 sind zumindest im Wesentlichen kreisbogensegmentförmig ausgebildet und werden ebenso als Zylindersegmente bezeichnet. Auch die Außenkonturbereiche 108 stellen Kreisbogensegmente des Umkreises 106 dar. Daraus ergibt sich, dass die Außenkonturbereiche 104 als zu den jeweiligen Außenkonturbereichen 108 korrespondierende, insbesondere zumindest im Wesentlichen komplementäre, Gegenkonturen ausgebildet sind, mittels welchen die Außenkonturbereiche 108 der Zungenschieber 68 in radialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 102 zumindest bereichsweise abdeckbar sind.
In der 3 ist ein Umschlingungswinkel φ_AB,ZS des Außenkonturbereichs 108 des Zungenschiebers 68 sowie ein Umschlingungswinkel φ_AB,TS des Außenkonturbereichs 104 der Wandung 96 (beziehungsweise 98) dargestellt. Der Übersicht wegen sind die Umschlingungswinkel φ_AB,ZS und φ_AB,TS lediglich anhand eines der Zungenschieber 68 und anhand der Wandung 96 dargestellt. Es versteht sich, dass das anhand des Zungenschiebers 68 und der Wandung 96 Geschilderte analog auch auf die anderen Zungenschieber 68 sowie die Wandung 98 sowie weitere Wandungen des Gehäuseteils 56 zu übertragen ist.
Der Umschlingungswinkel φ_AB,ZS des Außenkonturbereichs 108 ist nun kleiner ausgebildet als der Umschlingungswinkel φ_AB,TS des Außenkonturbereichs 104 der Wandung 96 (beziehungsweise 98), wodurch ein Verstellwinkelbereich der Zungenschieber 68 in einem oberen Durchsatzbereich der Turbine 54 entsteht, in welchem die Zungenschieber 68, welche sich über einen in der 3 dargestellten Umschlingungswinkel φ_L,Zunge erstrecken, von einer hinteren Kantel 10 bis zu einer Spitze 112 der Zungenschieber 68 teilweise oder gegebenenfalls vollständig in radialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 102 von dem Außenkonturbereich 104 der relativ zum Gehäuseteil 56 und zum Gehäuseteil 72 festen Wandungen 96 und 98 teilweise oder gegebenenfalls vollständig nach außen hin überdeckt werden und dennoch bei entsprechender Gestaltungen der Oberflächen und damit der Außenkonturen der Wandungen 96 und 98 den engsten Strömungsquerschnitt der Turbine 54 zumindest weitgehend bestimmen können.
Vorteilhaft ist es, wenn der engste Strömungsquerschnitt der Turbine 54 zumindest nahezu über dem gesamten Verstellwinkelbereich der Zungenschieber 68, über welchen die Zungenschieber von einer ersten zu einer weiteren Endstellung bewegbar sind, zumindest bereichsweise durch die Zungenschieber 68 bestimmt wird. Der engste Strömungsquerschnitt soll somit zumindest weitgehend über den gesamten Verstellwinkelbereich hinweg zwischen der Spitze 112 der bewegbaren Zungenschieber 68 und dem Außenkonturbereich 114 der Wandungen 96 und 98 begrenzt werden. Der Außenkonturbereich 114, welcher der Übersicht wegen lediglich anhand der Wandung 96 in der 3 dargestellt ist, begrenzt dabei den Spiralkanal 58 in radialer Richtung außenseitig und ist in radialer Richtung dem Aufnahmeraum 94 beziehungsweise dem Zungenschieber 68 zugewandt, im Gegensatz zu einem Außenkonturbereich 116 der Wandung 96 (beziehungsweise 98), welche von dem Aufnahmeraum 94 beziehungsweise dem Zungenschieber 68 abgewandt ist.
In Zusammenschau mit den 5 und 6 ist zu erkennen, dass die Zungenschieber 68 in der Position 1 zumindest nahezu den kleinsten Durchsatzparameter Φ_min verursachen, indem sie den zumindest nahezu kleinsten Strömungsquerschnitt A_ZS,min zwischen ihren Spitzen 112 und dem Außenkonturbereich 114 einstellen.
Nicht gewünscht ist, dass die Spitze 100, welche relativ zum Gehäuseteil 56 unbeweglich ist, ab einem bestimmten Verstellwinkel ε der Zungenschieber 68 den engsten Strömungsquerschnitt der Turbine 54 ausmacht, wodurch die Durchsatzspreizung der Turbine 54 beziehungsweise die Funktion der Zungenschieber 68 ab diesem betreffenden Verstellwinkel ε bei weiterer Verkleinerung des Verstellwinkels ε eine Wirkung auf eine gewünschte Durchsatzerhöhung der Turbine 54 verliert. Mit anderen Worten, liegt dieser betreffende Verstellwinkel ε in dem Verstellwinkelbereich unerwünscht weit vor einer der Endpositionen, bis zu welcher die Zungenschieber 68 verstellt werden können zur Darstellung des größten Strömungsquerschnitts, so können die Zungenschieber 68 von diesem betreffenden Verstellwinkel ε bis zur Endposition unerwünscht weit bewegt werden, wobei diese Bewegung sich nicht mehr auf eine Durchsatzerhöhung auswirken würde, da der engste Strömungsquerschnitt durch die feststehenden Wandungen 96 und 98 gebildet werden würde. Ein solcher Strömungsquerschnitt ist in der 3 mit A_TS bezeichnet.
Die Turbine 54 der 3 ermöglicht es, dass der engste Strömungsquerschnitt der Turbine 54 zumindest nahezu in dem gesamten Verstellwinkelbereich der Zungenschieber 68 von den Zungenschiebern 68 bereichsweise begrenzt wird oder dass der Verstellwinkel ε, ab welchem der engste Strömungsquerschnitt der Turbine 54 durch die festen Wandungen 96 und 98 gebildet wird, besonders nahe der Endposition der Zungenschieber 68 ist, wobei es sich bei der Endposition beispielsweise um die in der 3 gezeigte Position 3 handelt, in welcher der kleinstmögliche Verstellwinkel ε der Zungenschieber 68 eingestellt ist.
Dies ist auch anhand der 5 und 6 zu entnehmen. Die 5 zeigt ein Diagramm 118, auf dessen Abszisse 120 der Verstellwinkel ε der Zungenschieber 68 aufgetragen ist, und auf dessen Ordinate 122 der Durchsatzparameter Φ aufgetragen ist. Der Durchsatzparameter Φ ergibt sich dabei aus dem Massenstrom des durch die Turbine 54 durchströmenden Abgas sowie aus der Temperatur T_3t und dem Druck p_3t in Strömungsrichtung des Abgases vor (stromauf) der Turbine, wobei das Turbinendruckverhältnis π_t-s konstant ist.
Werden die Zungenschieber 68 über ihren gesamten Verstellwinkelbereich ε_ges von einer Endposition in die andere Endposition bewegt, so ergibt sich ein in dem Diagramm 118 dargestellter Verlauf 124 des Durchsatzparameters Φ. In dem Diagramm 118 ist der maximal mögliche und einstellbare Durchsatzparameter Φ_max sowie der kleinstmögliche Durchsatzparameter Φ_min der Turbine 54 dargestellt. Eine dieser Endpositionen der Zungenschieber 68 ist die Position 3, in welcher bezogen auf die Spitze 100 der Wandung 98 ein negativer Verstellwinkel ε eingestellt ist. Wie dem Diagramm 118 zu entnehmen ist, liegt dabei der maximale Durchsatzparameter Φ_max besonders nahe bei und vor der als Endstellung ausgebildeten Position 3. Wie ebenso der 5 zu entnehmen ist, ist der kleinstmögliche Durchsatzparameter Φ_min durch Bewegen der Zungenschieber 68 in die weitere Endposition einstellbar, wobei also der kleinstmögliche Durchsatzparameter Φ_min noch innerhalb des Verstellwinkelbereichs ε_ges liegt. Dies bedeutet, dass der Durchsatzparameter Φ nahezu im gesamten Verstellwinkelbereich ε_ges, optimalerweise im gesamten Verstellwinkelbereich ε_ges, durch Bewegen der Zungenschieber 68 beeinflussbar ist. So kann die Turbine 54 besonders gut an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine 10 angepasst werden.
Wie der 5 zu entnehmen ist, ist in der Position 1 der Zungenschieber 68, in welcher der zumindest nahezu kleinste Strömungsquerschnitt A_ZS,min eingestellt ist, ein relativ hoher Wirkungsgrad η_t-s gegeben. In der Position 2 der Zungenschieber 98, in welcher ein demgegenüber größerer Strömungsquerschnitt A_ZS eingestellt ist, ist ein demgegenüber höherer Wirkungsgrad η_t-s gegeben. In der Position 3 der Zungenschieber 68, in welcher ein im Vergleich zur Position 1 ebenso relativ großer Strömungsquerschnitt gegeben ist, ist ein demgegenüber den Stellungen 1 und 2 niedriger Wirkungsgrad η_t-s der Turbine 54 gegeben.
Die 6 zeigt ein weiteres Diagramm 126, auf dessen Abszisse 128 wiederum der Verstellwinkelbereich ε aufgetragen ist. Auf der Abszisse 130 des Diagramms 126 ist der Wirkungsgrad η_t-s der Turbine 54 aufgetragen. Verstellt man die Zungenschieber 68 in ihrem Verstellwinkelbereich ε_ges, so ergibt sich ein Verlauf 132 des Wirkungsgrads η_t-s. Wie in dem Diagramm 118 sind auch in dem Diagramm 126 die Positionen 1, 2 und 3 der Zungenschieber 68 eingetragen und die zugehörigen Durchsatzparameter Φ beziehungsweise Wirkungsgrade η_t-s erkennbar.
Ab der Position 2 der Zungenschieber 68 kann mit weiterer Verkleinerung des Verstellwinkels ε eine weitere Durchsatzbereichserhöhung herbeigeführt werden, wenn sich eine bewegbare beziehungsweise einstellbare Ringdüse 134 des Spiralkanals 58 (beziehungsweise der Spiralkanäle 58), über welche das Abgas in den Aufnahmeraum 94 einströmt, in radialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 102 zur Drehachse 62 hin zumindest was ihre Breite, das heißt ihre Erstreckung in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums 94 gemäß dem Richtungspfeil 70 über dessen Umfang, angeht, verjüngt.
Die Zungenschieber 68 weisen die bezogen auf die Drehrichtung gemäß dem Richtungspfeil 71 hintere, der Spitze 112 gegenüberliegende Kante 110 auf, welche auch als Stolperkante oder Störkante bezeichnet wird und welche eine Wirkungsgradabsenkung im obersten Durchsatzbereich jenseits der Position 2 in Richtung der Position 3 ermöglicht. Die als Zungenschieberturbine ausgebildete Turbine 54 zeigt bis in den oberen Durchsatzbereich hohe Wirkungsgrade η_t-s, wobei die Kante 110 eine Sicherheitsoption darstellende Wirkungsgradabsenkung für eine Drehzahlbeschränkung der Turbine 54 sowie ein wesentlicher Punkt in Zusammenhang mit der sehr guten Regelbarkeit der Turbine 54 darstellt.
Hierbei wird der Umschlingungswinkel φ_L,Zunge in folgenden Bezug zum Umschlingungswinkel φ_AB,TS gesetzt: Φ_L,Zunge > φ_AB,TS.
Damit kann man zumindest nahezu im gesamten Verstellwinkelbereich φ_ges eine vollständige Öffnungsposition der Zungenschieber 68 (Position 3) auch mit der Kante 110 bei dem durch die Wandung 96 (bzw. die Wandung 98) abgedeckten und noch querschnittsöffnenden Zungenschieber 68 (Position 3) realisieren.
Wird ab der Position 1 der Verstellwinkel ε weiter vergrößert, steht der bewegbare Zungenschieber 68 bzw. die bewegbaren Zungenschieber 68 zunehmend im Austrittsbereich des Sperrkanals 58 (in der Düse 134) und führt als Drosselelement zu einer verstärkten Verlustbildung, wobei gegebenenfalls eine leichte Zunahme der Turbinendurchsatzfähigkeit gegenüber dem minimalen Durchsatzparameter Φ_min gegeben ist, durch eine Querschnittsfreigabe in Richtung der Zungenschieber 68. Im Allgemeinen wird man den Verstellwinkelbereich hier an der Stelle des minimalen Durchsatzparameters Φ_min für die Option auf einen maximal möglichen Druckaufstau der Turbine 54 begrenzen.
Wie aus dem vorherigen Schilderungen hervorgeht, dient zur Beeinflussung der maximalen Durchsatzfähigkeit der Turbine 54 die Einstellbarkeit des maximal möglichen Strömungsquerschnitts A_ZS. Der Strömungsquerschnitt A_ZS bzw. die entsprechende Querschnittsfläche wird neben der Ausgestaltung der Zungenschieber 68 durch die Ausgestaltung der Spiralkanäle 58 und insbesondere durch die Gestaltung des Außenkonturbereichs 114 mitbestimmt. Ein Hauptparameter für die Ausgestaltung des Spiralkanals 58 bzw. der Spiralkanäle 58 ist ein in der 3 gezeigter Winkel α_S des den Spiralkanal 58 radial außenseitig begrenzenden Außenkonturbereichs 114 der Wandung 96 (bzw. der Wandung 98) zur Umfangsrichtung gemäß dem Richtungspfeil 70 hin. Mit anderen Worten ist der Winkel α_S der Winkel, den der Außenkonturbereich 114 bzw. an diesen angelegte Tangenten mit dem Umkreis 106 bzw. entsprechenden Tangenten an den Umkreis 106 einschließt bzw. einschließen.
Um eine besonders hohe Durchsatzfähigkeit der Turbine 54 zu erzeugen, ist der Winkel α_S vorteilhafterweise im oberen Verstellwinkelbereich der Zungenschieber 68 auf möglichst große Werte ausgelegt, um in der Öffnungsposition der Zungenschieber 68 (Position 3) den Strömungsquerschnitt A_ZS zu maximieren.
Die 4 zeigt einen Eintrittswinkel α_Se, welcher zumindest im Wesentlichen 45° beträgt. Der Winkel α_Se ist dabei von zwei Tangenten 138 und 140 eingeschlossen. Bei der Tangente 138 handelt es sich um eine Tangente an Außenkonturbereich 114 der Wandung 96, durch welchen der Strömungsquerschnitt A_TS bereichsweise und einerseits begrenzt ist. Andererseits ist der Strömungsquerschnitt A_TS durch den Außenkonturbereich 116 der Wandung 98 begrenzt. Bei der Tangente 140 handelt es sich um eine Tangente an einen Umkreis 106', welcher konzentrisch zum Umkreis 106 verläuft und welcher die Wandung 96 in radialer Richtung außenumfangsseitig tangential umgibt. Auf der Tangente 140 liegt ein Schnittpunkt 142 der Tangente 138 mit dem Umkreis 106'.
Ausgehend von diesem Winkel α_Se in Strömungsrichtung des Abgases durch den Spiralkanal 58 gemäß einem Richtungspfeil 144 entlang des Außenkonturbereichs 114 der Wandung 96 bleibt der Eintrittswinkel α_Se, welcher auch andere Beträge als 45° aufweisen kann, zumindest im Wesentlichen konstant, während er bei der Wandung 96 gemäß 4 variiert.
Das die Spiralkanäle 58 umgebende Gehäuseteil 72 ist vorteilhafterweise derart ausgestaltet und dimensioniert, dass ein Strömungswinkel des Abgases dem Eintrittswinkel α_Se zumindest im Wesentlichen entspricht oder gegebenenfalls größere Strömungswinkel des Abgases erreicht werden, um durchsatzgrößere Gehäuseteile 56 mit dem Sammelgehäuse 72 nutzen zu können.
Für die Gestaltung des Verlaufs des Winkels α_S ausgehend von dem Eintrittswinkel α_Se von der Öffnungsposition der Zungenschieber 68 bis zur Schließposition ist ein Winkelverlauf auf dem Außenkonturbereich 114 in Strömungsrichtung des Abgases von einem hohen Wert auf einen niedrigen Wert vorteilhaft, wie aus dem Außenkonturbereich 114 gemäß 4 hervorgeht. Im Bereich der als Schließposition ausgebildeten Position 1 der Zungenschieber 68 werden Winkel α_S des Außenkonturbereichs 114 zur Umfangsrichtung hin von z. B. einschließlich 10° bis einschließlich 20° günstige Wirkungsgrade (η_t-s) der Turbine 54 verursachen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10048237 A1 [0002]
DE 2539711 [0004]
DE 102008039085 A1 [0005]

Claims

Turbine (54) für einen Abgasturbolader (22) einer Verbrennungskraftmaschine (10), mit zumindest einem einen Aufnahmeraum (94) aufweisenden Gehäuseteil (56), welches wenigstens einen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbaren Spiralkanal (58) umfasst, der einen Austrittsquerschnitt (A_ZS) aufweist, über welchen ein zumindest bereichsweise in dem Aufnahmeraum (94) aufzunehmendes Turbinenrad (60) der Turbine (54) mit dem Abgas beaufschlagbar ist, und mit zumindest einem zumindest im Wesentlichen in Umfangsrichtung (70) des Aufnahmeraums (94) bewegbaren Versperrkörper (68), mittels welchem der Austrittsquerschnitt (A_ZS) einstellbar ist, wobei eine den Spiralkanal (58) zumindest bereichsweise begrenzende Wandung (96, 98) des Gehäuseteils (56) einen in radialer Richtung (102) des Aufnahmeraums (94) dem Versperrkörper (68) zugewandten Außenkonturbereich (104) aufweist, welcher als zu einem in radialer Richtung (102) dem Außenkonturbereich (104) der Wandung (96, 98) zugewandten Außenkonturbereich (108) des Versperrkörpers (68) zumindest im Wesentlichen korrespondierende Gegenkontur ausgebildet ist, mittels welcher der Außenkonturbereich (108) des Versperrkörpers (68) in radialer Richtung (102) zumindest bereichsweise abdeckbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschlingungswinkel (φ_AB,ZS) des Außenkonturbereichs (108) des Versperrkörpers (68), über welchen sich dessen Außenkonturbereich (108) zumindest im Wesentlichen in Umfangsrichtung (70) des Aufnahmeraums (94) über dessen Umfang erstreckt, kleiner ist als ein Umschlingungswinkel (φ_AB,TS) des Außenkonturbereichs (104) der Wandung (96, 98), über welchen sich deren Außenkonturbereich (104) zumindest im Wesentlichen in Umfangsrichtung (70) des Aufnahmeraums (94) über dessen Umfang erstreckt.
Turbine (54) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (54) ein weiteres wenigstens eine Einstrittsöffnung (76) aufweisendes Sammelgehäuse (72) umfasst, welches einen weiteren Aufnahmeraum (74) aufweist, welcher über die Eintrittsöffnung (76) mit Abgas beaufschlagbar ist, in welchem das erste Gehäuseteil (56) aufgenommen ist und welcher zum Ermöglichen eines Strömens des Abgases von dem weiteren Aufnahmeraum (74) in den Spiralkanal (58) fluidisch mit dem Spiralkanal (58) verbunden ist.
Turbine (54) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das den zumindest einen Spiralkanal (58) umfassende Gehäuseteil (56) wenigstens einen weiteren von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbaren Spiralkanal (58) umfasst, der einen Austrittsquerschnitt (A_ZS) aufweist, über welchen das in dem Aufnahmeraum (94) aufzunehmende Turbinenrad (60) mit dem Abgas beaufschlagbar ist.
Turbine (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsquerschnitt (A_ZS) in radialer Richtung (102) des Aufnahmeraums (94) sich, insbesondere von außen nach innen, verjüngend ausgebildet ist.
Turbine (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine relative Gesamtversperrung V der Turbine (54) gegeben ist durch:
wobei: V die relative Gesamtversperrung der Turbine (54) ist, N_TS die Anzahl an Spiralkanälen (58), welche das Gehäuseteil (56) umfasst, ist, φ_AB,ZS der Umschlingungswinkel (φ_AB,ZS) des Außenkonturbereichs (108) des Versperrkörpers (68) ist, und π die Kreiszahl ist, und wobei V zumindest im Wesentlichen kleiner als 0,35 ist.
Turbine (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschlingungswinkel (φ_L,Zunge) des Versperrkörpers (68), über welchen sich dieser zumindest im Wesentlichen in Umfangsrichtung (70) des Aufnahmeraums (94) erstreckt, größer ist als der Umschlingungswinkel (φ_AB,TS) des Außenkonturbereichs (104) der Wandung (96, 98).
Turbine (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Tangente (138) an einen in radialer Richtung (102) des Aufnahmeraums (94) diesem zugewandten Wandungsbereich (114), welcher einen Spiraleneintrittsquerschnitt (A_TS) des Spiralkanals (58) einerseits begrenzt, welcher andererseits durch einen in radialer Richtung (102) des Aufnahmeraums (94) diesem abgewandten Wandungsbereich (116) begrenzt ist, mit einer weiteren Tangente (140) an einen die den Spiralkanal (58) begrenzende Wandung (96, 98) außenumfangsseitig tangential umgebenden Umkreis (106'), auf welcher ein Schnittpunkt (142) der ersten Tangente (138) mit dem Umkreis (106') liegt, einen Winkel (α_Se) von zumindest im Wesentlichen 45 Grad einschließen.
Turbine (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkonturbereiche (104, 108) jeweils bogenförmig, insbesondere als Kreisbogensegmente, ausgebildet sind.