DE102010053951B4

DE102010053951B4 - Turbine für einen Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102010053951B4
Application number: DE102010053951.1A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Sumser Siegfried; Dipl.-Ing. Hirth Torsten; Dipl.-Ing. Weber Siegfried
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2021-12-09
Anticipated expiration: 2030-12-10
Also published as: WO2012076095A1; JP2013545026A; DE102010053951A1; JP5986578B2; US9291092B2; US20130327038A1

Abstract

Turbine (54) für einen Abgasturbolader (22) einer Verbrennungskraftmaschine (10), mit zumindest einem einen Aufnahmeraum aufweisenden Gehäuseteil (104), welches wenigstens einen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbaren Spiralkanal (145, 153) umfasst, der einen Austrittsquerschnitt aufweist, über welchen ein zumindest bereichsweise in dem Aufnahmeraum aufgenommenes und um eine Drehachse (118) relativ zu dem Gehäuseteil (104) drehbares Turbinenrad (116) mit dem Abgas beaufschlagbar ist, und mit zumindest einem mit einem Verstellteil (120) verbundenen und in Umfangsrichtung (108) des Aufnahmeraums über das Verstellteil (120) mit diesem mitbewegbaren Versperrkörper (122, 124), mittels welchem der Austrittsquerschnitt einstellbar ist, wobei zumindest ein Umgehungskanal (128) vorgesehen ist, über welchen das Turbinenrad (116) von wenigstens einem Teil des Abgases zu umgehen ist, und wobei ein Strömungsquerschnitt (AU) des Umgehungskanals (128) mittels des Verstellteils (120) durch Bewegen dieses einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellteil (120) als ein um die Drehachse (118) rotatorisch bewegbarer Verstellring (120) ausgebildet ist und wenigstens eine Durchtrittsöffnung (146) aufweist, welche durch rotatorisches Bewegen des Verstellrings (120) um die Drehachse (118) in zumindest bereichsweise Überlappung mit dem Umgehungskanal (128) bewegbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Die DE 25 39 711 A1 offenbart ein Spiralgehäuse für Strömungsmaschinen, insbesondere in einem Abgasturbolader, mit wenigstens bereichsweise einstellbarem Querschnitt, wobei wenigstens eine an der radial inneren Wand des Spiralgehäuses gleitend geführte, im Anschluss an diese Wand in Umfangsrichtung verschiebbare Zunge vorgesehen ist.
Aus der DE 10 2008 039 085 A1 ist eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug bekannt, 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. Die Turbine umfasst eine Verstelleinrichtung, mittels welcher ein Spiraleneintrittsquerschnitt des Spiralkanals sowie ein Düsenquerschnitt des Spiralkanals zum Aufnahmeraum gemeinsam einstellbar sind.
Des Weiteren offenbart die WO 2004/027219 A1 einen gattungsgemäßen Turbolader mit variabler Turbinengeometrie und einer internen Umgehungsabgasströmung.
Da Abgasturbolader vor dem Hintergrund einer Serienfertigung von Verbrennungskraftmaschinen ein Massenprodukt mit stetig wachsender Stückzahl darstellen, ist es wünschenswert, einen Abgasturbolader bereitzustellen, welcher einen effizienten, d.h. verbrauchs- und emissionsarmen Betrieb einer zugeordneten Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine für einen Abgasturbolader bereitzustellen, welche eine hohe Betriebszuverlässigkeit aufweist sowie einen effizienten Betrieb einer der Turbine 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 abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine solche Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine umfasst zumindest ein einen Aufnahmeraum aufweisendes Gehäuseteil, welches wenigstens einen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Spiralkanal umfasst. Der Spiralkanal weist einen Austrittsquerschnitt auf, über welchen ein zumindest bereichsweise in dem Aufnahmeraum aufgenommenes und um eine Drehachse relativ zu dem Gehäuseteil drehbares Turbinenrad mit dem Abgas beaufschlagbar ist. Ferner umfasst die Turbine zumindest einen mit einem Verstellteil verbundenen und zumindest im Wesentlichen in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums über das Verstellteil mit diesem mitbewegbaren Versperrkörper, mittels welchem der Austrittsquerschnitt einstellbar ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest ein Umgehungskanal vorgesehen ist, über welchen das Turbinenrad von wenigstens einem Teil des den Spiralkanal durchströmenden Abgases zu umgehen ist, wobei ein Strömungsquerschnitt des Umgehungskanals mittels des Verstellteils durch Bewegen desselben einstellbar ist. Dies bedeutet, dass zum Einstellen des Strömungsquerschnitts der Versperrkörper bewegt wird, indem das mit diesem verbundene Verstellteil bewegt wird. Bei einer Stellung des Verstellteils oder bei einer Mehrzahl von Stellungen ist der Strömungsquerschnitt des Umgehungskanals beispielsweise zumindest im Wesentlichen fluidisch versperrt, so dass kein Abgas aus dem Spiralkanal das Turbinenrad über den Umgehungskanal umgehen und somit das Turbinenrad nicht antreiben kann.
Das Verstellteil weist wenigstens eine Durchtrittsöffnung auf, welche durch rotatorisches Bewegen des Verstellrings um die Drehachse (was mit einer Bewegung des Versperrkörpers einhergeht) in zumindest bereichsweise Überlappung mit dem Umgehungskanal bewegbar ist. Überlappen sich die Durchtrittsöffnung des Verstellteils und der Umgehungskanal bzw. eine Austrittsöffnung des Umgehungskanals, so kann das Abgas unter Umgehung des Turbinenrads den Umgehungskanal durchströmen und die Turbine weist eine sehr große Schluckfähigkeit auf. Dabei kann die Durchtrittsöffnung einen Querschnitt aufweisen, welcher zumindest im Wesentlichen gleich groß ist oder größer ist als ein Strömungsquerschnitt des Umgehungskanals bzw. dessen Austrittsöffnung, so dass die Durchtrittsöffnung des Verstellteils bei vollständiger Überlappung mit dem Umgehungskanal bzw. dessen Austrittsöffnung die Strömung des Abgases durch den Umgehungskanal nicht drosselt. Diese Ausführungsform birgt den Vorteil, dass dadurch die Einstellbarkeit des Strömungsquerschnitts des Umgehungskanals in das Verstellteil integriert und somit auf besonders einfache Art und Weise realisiert ist, was den Bauraumbedarf und die Kosten der Turbine gering hält.
Ab einer Stellung des Verstellteils gibt das Verstellteil den Strömungsquerschnitt des Umgehungskanals zumindest bereichsweise frei, so dass zumindest ein Teil des den Spiralkanal durchströmenden Abgases das Turbinenrad über den Umgehungskanal, ohne das Turbinenrad zu beaufschlagen und anzutreiben, umgehen kann. Dadurch wird das Turbinenrad zumindest von einem Teil des Abgases aus dem Spiralkanal umgangen, was als Bypassierung bezeichnet wird Dies geht einher mit einer sehr hohen Schluckfähigkeit der Turbine.
Die Leistung von Turbinen von Abgasturboladern ist begrenzt durch die maximale Schluckfähigkeit der Turbine. Mit anderen Worten ist der Massenstrom, mit welchem das Abgas die Turbine durchströmen und diese bzw. das Turbinenrad antreiben kann, begrenzt durch die maximale Schluckfähigkeit der Turbine. Da die Schluckfähigkeit der erfindungsgemäßen Turbine durch das Freigeben des Umgehungskanals mittels des Verstellteils besonders hoch ist, kann die erfindungsgemäße Turbine auch bei sehr hohen Massenströmen des Abgases eingesetzt werden und einen effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ermöglichen.
Durch die Einstellbarkeit des Strömungsquerschnitts weist die erfindungsgemäße Turbine eine sehr hohe realisierbare Durchsatzspreizung auf, so dass sie an eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine anpassbar ist und somit einen effizienten und damit verbrauchs- und emissionsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht. Ferner ist die erfindungsgemäße Turbine durch die Einstellbarkeit des Austrittsquerschnitts an eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine anpassbar, so dass die Turbine in vielen unterschiedlichen Betriebspunkten wirkungsgradgünstig betrieben werden kann, was dem kraftstoffverbrauchsarmen und dem emissionsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ebenso zugute kommt. Die erfindungsgemäße Turbine weist eine für den kraftstoffverbrauchsarmen und emissionsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine günstige Wirkungsgradcharakteristik auf, die insbesondere aufgrund der Einstellbarkeit des Strömungsquerschnitts des Umgehungskanals in einem besonders großen Betriebsbereich, insbesondere zumindest nahezu im gesamten Kennfeld, der Verbrennungskraftmaschine positiv zum Tragen kommt.
Bei der erfindungsgemäßen Turbine ist der Strömungsquerschnitt des Umgehungskanals mittels des Verstellteils beispielsweise zumindest im Wesentlichen fluidisch versperrbar. Mit anderen Worten ist dann der Querschnitt zumindest im Wesentlichen auf null reduziert, so dass kein Abgas den Umgehungskanal durchströmen kann. Ferner ist der Strömungsquerschnitt mittels des Verstellteils demgegenüber freigebbar, so dass Abgas den Umgehungskanal unter Umgehung des Turbinenrads durchströmen kann.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Strömungsquerschnitt in einer Stellung des Verstellteils fluidisch zumindest im Wesentlichen versperrt und in einer weiteren Stellung des Verstellteils maximal freigegeben. Darüber hinaus sind Zwischenstellungen des Verstellteils einstellbar, in denen der Strömungsquerschnitt gegenüber dem maximal freigebbaren Strömungsquerschnitt geringer und gegenüber der fluidischen Versperrung größer ausgebildet ist. Vorteilhafterweise ist das Verstellteil kontinuierlich und/oder stufenlos zwischen diesen Stellungen verstellbar, so dass der Strömungsquerschnitt und damit die Menge des den Umgehungskanal durchströmenden Abgases effizient und bedarfsgerecht an eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebspunkten der Turbine und der Verbrennungskraftmaschine anpassbar ist.
Durch die fortwährende Verschärfung von Emissionsgrenzwerten, insbesondere der Stickoxid- und Rußemissionen, ergibt sich eine massive Beeinflussung hinsichtlich der Aufladung von Verbrennungskraftmaschinen mittels eines Abgasturboladers. Daraus resultieren hohe Anforderungen hinsichtlich einer Ladedruckbereitstellung des Abgasturboladers 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 hohe geforderte Turbinenleistungen durch eine Steigerung der Aufstaufähigkeit bzw. durch eine Reduzierung der Schluckfähigkeit der Turbine im Zusammenwirken mit der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden.
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 eine solche Verkleinerung der Turbine in der Regel mit einer Verschlechterung des Wirkungsgrads der Turbine bedeutet. Dies ist jedoch erforderlich, um Leistungsanforderungen einer Verdichterseite des Abgasturboladers zu befriedigen zur Darstellung einer gewünschten Luft-Abgas-Lieferung und damit zur Darstellung eines gewünschten Drehmoments bzw. einer gewünschten Leistung sowie niedriger Emissionen der Verbrennungskraftmaschine.
Die erfindungsgemäße Turbine ermöglicht es nun, sie hinsichtlich ihrer Dimensionen bzw. Ausmaße klein zu gestalten, und damit ein gewünschtes Aufstauverhalten darzustellen. Dies ermöglicht hohe AGR-Raten. Mit anderen Worten kann eine besonders große Menge an Abgas von einer Abgasseite der Verbrennungskraftmaschine auf eine Luftseite derselben rückgeführt und einer von der Verbrennungskraftmaschine angesaugten Luft zugeführt werden, wodurch sich die Emissionen, insbesondere die Stickoxid- und Rußemissionen, der Verbrennungskraftmaschine gering halten lassen.
Darüber hinaus sind die geschilderten, hohen Leistungsanforderungen auf der Verdichterseite des Abgasturboladers durch die Turbine befriedigbar, da sie beispielsweise einen Stauaufladebetrieb der ihr zugeordneten Verbrennungskraftmaschine ermöglicht. Ferner weist die erfindungsgemäße Turbine eine hohe Schluckfähigkeit und eine hohe Durchsatzspreizung auf.
Insbesondere bei Personenkraftwagen weist die Verbrennungskraftmaschine und damit die Turbine ein ausgeprägtes Instationärverhalten auf, welches es durch eine variable Aufstaufähigkeit der Turbine zu beeinflussen gilt, so dass ein akzeptables Fahrverhalten erreicht wird. Dies spielt insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen eine wichtige Rolle, welche nach dem so genannten Downsizing-Prinzip ausgestaltet sind. Derartige Verbrennungskraftmaschinen weisen ein relativ geringes Hubvolumen, aber gleichzeitig hohe Leistungen und hohe Drehmomente auf, was durch die starke Aufladung mittels eines Abgasturboladers realisiert ist.
Die erfindungsgemäße Turbine ermöglicht dabei die variable und anpassbare Einstellung des Aufstauverhaltens und damit die Beeinflussung des Instationärverhaltens insbesondere infolge der Einstellbarkeit des Austrittsquerschnitts, so dass die erfindungsgemäße Turbine auch bei Verbrennungskraftmaschinen für Personenkraftwagen sowie bei Verbrennungskraftmaschinen für Nutzkraftwagen einsetzbar ist und einen effizienten und damit kraftstoffverbrauchsarmen und emissionsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht, was mit geringen CO₂-Emissionen einhergeht.
Die erfindungsgemäße Turbine birgt die weiteren Vorteile, dass sie insbesondere aufgrund der Einstellbarkeit des Austrittsquerschnitts einen sehr guten Wirkungsgrad aufweist. Außerdem ist diese Einstellbarkeit durch den Versperrkörper mit relativ einfachen Mitteln und dadurch unkomplex realisiert, so dass die erfindungsgemäße Turbine lediglich eine geringe Teileanzahl, geringe Kosten und ein geringes Gewicht aufweist. Ferner weist die erfindungsgemäße Turbine einen nur sehr geringen Bauraumbedarf auf, was zur Lösung oder zur Vermeidung von Package-Problemen insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum beiträgt. Ferner weist die erfindungsgemäße Turbine eine hohe Funktionserfüllungssicherheit auf auch über eine hohe Lebensdauer hinweg und auch bei hohen Belastungen, insbesondere Druck- und Temperaturbelastungen.
Trotz der sehr guten und sehr vorteilhaften Aufstaufähigkeit der Turbine, insbesondere infolge der Einstellbarkeit des Austrittsquerschnitts und infolge ihrer geringen Dimensionen, weist die erfindungsgemäße Turbine eine hohe Durchsatzspreizung mit einer sehr hohen Schluckfähigkeit auf mit einer Beeinflussung einer passenden Wirkungscharakteristik, auch bei herkömmlichen Verstellwegen von Aktoren zur Einstellung des Austrittsquerschnitts. So kann die erfindungsgemäße Turbine, welche auch als Zungenschieberturbine bezeichnet wird, da der Versperrkörper zungenförmig ausgebildet sein kann, einen Durchsatzspreizungsquotienten von größer als 3, größer als 4 oder, insbesondere bei Ottomotoren, größer als 5, insbesondere mit einfachsten Geometriefestlegungen, aufweisen. Der Durchsatzspreizungsquotient ist dabei gegeben durch den Quotienten $\frac{Φ_{max}}{Φ_{min}} .$
Dabei bezeichnet Φ_max den maximal möglichen Durchsatz der Turbine und Φ_min den minimalen Durchsatz, wobei die erfindungsgemäße Turbine infolge der Einstellbarkeit des Austrittsquerschnitts sowie des Strömungsquerschnitts zwischen dem maximalen Durchsatz Φ_max und dem minimalen Durchsatz Φ_min verstellbar ist. Dies bedeutet, dass die erfindungsgemäße Turbine in einem besonders großen Betriebsbereich effizient betrieben werden kann, und dies insbesondere auch bei als Ottomotoren ausgebildeten Verbrennungskraftmaschinen, bei welchen besonders hohe Massenströme des Abgases vorliegen.
Ferner wird die realisierbare Durchsatzspreizung und die Wirkungsgradcharakteristik der erfindungsgemäßen Turbine insbesondere auch durch die Gestaltung und Festlegung von Hauptabmessungen von zum Gehäuseteil festen und den Spiralkanal zumindest bereichsweise begrenzenden Wandungen, zu welchen der Versperrkörper zum Einstellen des Austrittsquerschnitts relativ bewegbar ist, beeinflusst. Auch spielt die Gestaltung und die Festlegung des Versperrkörpers, welcher beispielsweise in Strömungsrichtung des Abgases zu dem Turbinenrad stromab des Verstellteils angeordnet ist, eine wichtige Rolle für die realisierbare Durchsatzspreizung und die Wirkungsgradcharakteristik der Turbine.
Die Kopplung der Einstellbarkeit des Strömungsquerschnitts des Umgehungskanals mit der Einstellbarkeit des Austrittsquerschnitts infolge der Bewegung des Verstellteils und darüber des Versperrkörpers birgt den Vorteil, dass zum Bewegen des Verstellteils und damit des Versperrkörpers, was mit der Einstellung des Austrittsquerschnitts einhergeht, sowie zum Einstellen des Strömungsquerschnitts des Umgehungskanals lediglich ein Stellglied, insbesondere ein Aktor, eingesetzt werden kann. Dies hält die Teileanzahl, das Gewicht und den Bauraumbedarf der erfindungsgemäßen Turbine gering. Auch kann dadurch der Steuerungs- bzw. Regelungsaufwand für die erfindungsgemäße Turbine in einem geringen Rahmen gehalten werden.
Das Verstellteil ist als ein um die Drehachse rotatorisch bewegbarer Verstellring ausgebildet. Das Verstellteil weist somit eine sehr geringe Komplexität und damit geringe Herstellkosten auf, woraus geringe Kosten für die gesamte Turbine resultieren.
Ferner ist es dadurch möglich, dass das Verstellteil besonders gut am oder im Gehäuseteil zu lagern ist und somit zumindest im Wesentlichen stets eine problemlose Bewegbarkeit des Verstellteils gewährleistet ist. Dies kommt der Funktionserfüllungssicherheit der erfindungsgemäßen Turbine zugute.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Verstellteil zumindest bereichsweise, insbesondere überwiegend, und insbesondere vollständig, in dem beispielsweise als Turbinengehäuse ausgebildeten Gehäuseteil aufgenommen. Die Turbine weist somit einen besonders geringen Bauraumbedarf auf.
Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Umgehungskanal einerseits mit dem Spiralkanal und/oder mit einem weiteren Spiralkanal, über welchen dem zumindest einen Spiralkanal Abgas zuführbar ist, fluidisch verbunden, und andererseits mündet der Umgehungskanal in einen Turbinenaustrittsbereich des Gehäuseteils stromab des Turbinenrads. Auf diese Art und Weise kann das Abgas besonders gut stromauf des Turbinenrads entnommen und stromab des Turbinenrads in einen Abgastrakt eingeleitet werden, ohne dass das Abgas das Turbinenrad beaufschlagen und antreiben kann. Ferner ist dadurch eine sehr bauraumunaufwändige Bypassierung des Turbinenrads ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Turbine weist einen besonders geringen Bauraumbedarf auf bei gleichzeitiger Realisierung der geschilderten Vorteile, wenn der Umgehungskanal bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zumindest bereichsweise, insbesondere überwiegend oder vollständig, in das Gehäuseteil und/oder in ein weiteres Gehäuseteil der Turbine integriert ist. Der Umgehungskanal ist dabei beispielsweise durch eine Bohrung, eine Fräsung oder durch eine Aussparung beim Herstellen des Gehäuseteils durch Gießen herstellbar. Dadurch sind zusätzliche, kosten- und gewichtsintensive Leitungsteile nicht vorgesehen und nicht vonnöten, um die sehr hohe Schluckfähigkeit und die hohe Durchsatzspreizung der erfindungsgemäßen Turbine zu realisieren.
Ist das Verstellteil zum Bewegen des Versperrkörpers in Umfangrichtung des Aufnahmeraums bewegbar, insbesondere um die Drehachse drehbar, so ist dadurch die Bewegung des Versperrkörpers und die Einstellbarkeit des Austrittsquerschnitts auf besonders einfache Weise ermöglicht. Bei einer solch einfachen Bewegung ist die Gefahr, dass das Verstellteil verklemmt, oder dass eine unerwünscht hohe Reibung oder eine andere Fehlfunktion auftritt, besonders gering, was der sehr guten Funktionserfüllungssicherheit der Turbine zugute kommt.
Um einen unerwünschten Austritt von Abgas aus dem Gehäuseteil beispielsweise an die Umwelt zu vermeiden, ist vorteilhafterweise zwischen dem Verstellteil und dem Gehäuseteil und/oder zwischen dem Verstellteil und einem weiteren Gehäuseteil der Turbine wenigstens ein Dichtungselement angeordnet. So kann zumindest im Wesentlichen das gesamte die Turbine durchströmende Abgas über den Turbinenaustritt geleitet und an eine stromab der Turbine in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung geleitet werden, welche das Abgas reinigt, bevor es schließlich an die Umgebung entlassen wird. 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 der Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine Prinzipskizze einer Verbrennungskraftmaschine, welche mittels eines Abgasturboladers aufgeladen ist, die eine Zungenschieber-Mehrsegment-Turbine umfasst, welche einen Umgehungskanal aufweist, über den ein Turbinenrad der Zungenschieber-Mehrsegment-Turbine umgehbar ist;
2 eine schematische Querschnittsansicht der Zungenschieber-Mehrsegment-Turbine gemäß 1;
3 drei unterschiedliche Verläufe des Durchsatzparameters der Zungenschieber-Mehrsegment-Turbine gemäß den vorhergehenden Figuren;
4 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Zungenschieber-Mehrsegment-Turbine; und
5 eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der Zungenschieber-Mehrsegment-Turbine gemäß 2.

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.
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 damit 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, wodurch diese nicht nur einen geringen Kraftstoffverbrauch, eine hohe Leistung sondern auch niedrige Emissionen aufweist.
Das Abgas der Verbrennungskraftmaschine wird mittels der Abgasverrohrung 42 zu einer Turbine 54 des Abgasturboladers 22 geführt, welche im Weiteren in Zusammenschau mit der 2 erläutert wird. Ebenso möglich ist es, eine in 5 dargestellte die Turbine 54 als die Turbine 54 des Abgasturboladers 22 einzusetzen. Die Turbine 54 gemäß 5 wird ebenfalls im Folgenden erläutert. Das Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 wird teilweise zu einem ersten, als Teilspirale ausgebildeten Spiralkanal 94 und teilweise zu einem zweiten, ebenfalls als Teilspirale ausgebildeten Spiralkanal 96 geführt. Die zwei bestimmenden Spiralkanäle 94 und 96 umfassen dabei nebeneinander angeordnete und gasdicht gegeneinander abgedichtete Anschlussflansche 98 und 100. Der Anschlussflansch 100 und ein Zuführkanal 102 des Spiralkanals 96 verlaufen im Wesentlichen in Blickrichtung bezogen auf die Bildebene unterhalb des Spiralkanals 94, wobei das Ende des Zuführkanals 102 in der Bildebene vor einem Spiraleneintrittsquerschnitt A_S0,AGR und einer relativ zu einem Turbinengehäuse 104 der Turbine 54 festen Gehäusezunge 106 zutage kommt.
Wie der 2 zu entnehmen ist, sind die Spiralkanäle 94 und 96 in Umfangsrichtung des Turbinenrads gemäß einem Richtungspfeil 108 über dessen Umfang hintereinander angeordnet, d.h. hintereinander geschaltet. Der erste Spiralkanal 94 weist einen Umschlingungswinkel φ_s von etwa 135° auf und fungiert als so genannte AGR-Spirale (AGR - Abgasrückführung), welche dazu dient, das Abgas aufzustauen, so dass eine besonders hohe Menge an Abgas mittels der Abgasrückführeinrichtung rückzuführen ist. Der zweite, als so genannte A-Spirale ausgebildete Spiralkanal 96 sorgt mittels seiner Aufstaufähigkeit für ein erforderliches Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Verbrennungskraftmaschine 10.
Um die Turbine 54 wirkungsgradgünstig zumindest nahezu im gesamten Kennfeld der Verbrennungskraftmaschine 10 an eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebspunkten derselben anpassen zu können, umfasst die Turbine 54 eine Verstelleinrichtung 110, mittels welcher Spiraleneintrittsquerschnitte A_S,λ, A_S,AGR der Spiralkanäle 94 und 96 gemeinsam mit in radialer Richtung gemäß einem Richtungspfeil 112 offenen, für einen Einströmvorgang dienenden Düsenquerschnitten A_R,λ, A_R,AGR der Spiralkanäle 94 und 96 zu einem Aufnahmeraum 114, innerhalb welchem ein Turbinenrad 116 um eine Drehachse 118 drehbar aufgenommen ist, einstellbar sind. Gesteuert oder geregelt wird die Verteileinrichtung 110 mittels einer Regelungseinrichtung 82.
Die Verstelleinrichtung 110 weist einen konzentrisch zur Drehachse 118 des Turbinenrads 116 im Turbinengehäuse 104 angeordneten Verstellring 120 auf, welcher mit zwei, im Bereich der Düsenquerschnitte A_R,λ und A_R,AGR angeordneten Versperrkörpern 122 und 124 verbunden ist. Die Versperrkörper 122 und 124 sind zumindest im Wesentlichen zungenförmig ausgebildet und werden daher auch als Zungen bezeichnet, während der Verstellring 120 als Zungenschieber bezeichnet wird. Die vorliegend im Querschnitt tragflächenförmig ausgebildeten Versperrkörper 122 und 124 können durch rotatorisches Bewegen des Verstellrings 120 gemäß dem Richtungspfeil 108 und damit in Umfangsrichtung des Turbinenrads 116 über dessen Umfang um die Drehachse 118 zwischen einer die Spiraleneintrittsquerschnitte A_S,λ und A_S,AGR sowie die Düsenquerschnitte A_R,λ und A_R,AGR verringernden und einer die Spiraleneintrittsquerschnitte A_S,λ und A_S,AGR sowie die Düsenquerschnitte A_R,λ und A_R,AGR vergrößernden Stellung bewegt werden. Die Versperrkörper 122 und 124 sind dabei in der 2 um einen Winkel ε₂ aus einer Ausgangsstellung verdreht dargestellt, so dass die Spiraleneintrittsquerschnitte A_S,λ und A_S,AGR und die Düsenquerschnitte A_R,λ und A_R,AGR auf einen jeweiligen minimalen Wert eingestellt sind. In der 2 sind auch die in der Ausgangsstellung der Versperrkörper 122 und 124 maximalen Spiraleneintrittsquerschnitte A_S0,λ und A_S0,AGR dargestellt.
Mithilfe der Verstelleinrichtung 110 können somit beide Turbinenseiten - AGR- und A-Seite - entsprechend der geometrischen Auslegung der Spiralkanäle 94 und 96 und der Versperrkörper 122 und 124 simultan zueinander geregelt bzw. gesteuert werden. Durch unterschiedliche geometrische Gestaltung der Spiralenverläufe im gesamten Verstellwinkelbereich ε der Versperrkörper 122 und 124 lassen sich mannigfache Kombinationen erzeugen. Innerhalb des Verstellwinkelbereichs ε kann somit die angestrebte AGR-Fähigkeit der Turbine 54 zusammen mit dem angestrebten Luftmengentransport des Verdichters 20 für ein geeignetes Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ zur Erzeugung eines gewünschten Betriebsverhaltens der Verbrennungskraftmaschine 10 hinsichtlich Verbrauch und Stickoxid- und Partikel-Emission konstruktiv einfach und kostengünstig veränderlich eingestellt werden. Der Verstellwinkelbereich ε in Zusammenhang mit der Änderung der charakteristischen Spiraleneintrittsquerschnitte A_S,λ und A_S,AGR erlaubt die Einwirkung auf das Aufstauverhalten des Abgases der Verbrennungskraftmaschine 10 bzw. auf die Drallerzeugung der Turbine 54. Da die spezifische Turbinenleistung au gemäß der allgemeinen Formel $au \sim c1u \sim 1 / A_{s}$
proportional zur Umfangskomponente c1u ist, lässt sich also über die Flächenbeeinflussung der Spiraleneintrittsquerschnitte A_S,λ und A_S,AGR die spezifische und absolute Turbinenleistung regeln. Die Turbine 54 ist dabei bei Verbrennungskraftmaschinen für Nutzkraftwagen wie auch für Personenkraftwagen sowie bei als Dieselmotoren, Ottomotoren oder Diesottomotoren ausgebildeten Verbrennungskraftmaschinen wie der Verbrennungskraftmaschine 10 einsetzbar.
Wie insbesondere der 1 zu entnehmen ist, umfasst die Turbine 54 auch eine Umgehungseinrichtung 126 mit zumindest einem Umgehungskanal 128. Über den Umgehungskanal 128 ist das Turbinenrad 116 von wenigstens einem Teil des Abgases zu umgehen, so dass das Abgas das Turbinenrad 116 nicht beaufschlagt und nicht antreibt. Dazu umfasst die Umgehungseinrichtung 126 eine Abzweigstelle 130, welche in Strömungsrichtung des Abgases stromauf des Turbinenrads 116 angeordnet ist. Ferner umfasst die Umgehungseinrichtung 126 eine Einleitstelle 132, an welcher das das Turbinenrad 116 umgehende Abgas wieder in die Abgasverrohrung 42 eingeleitet wird. Die Einleitstelle 132 ist dabei in Strömungsrichtung des Abgases stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 90 angeordnet, so dass das das Turbinenrad 116 umgehende Abgas von der Abgasnachbehandlungseinrichtung 90 gereinigt wird, bevor es gemäß einem Richtungspfeil 92 an die Umwelt entlassen wird.
Die Menge des das Turbinenrad 116 über den Umgehungskanal 128 umgehenden Abgases ist nun mittels des Verstellrings 120 einstellbar. Das Drehen des Verstellrings 120 um die Drehachse 118 gemäß dem Richtungspfeil 108 bewirkt nicht nur ein Bewegen, insbesondere ein Verschieben, des Versperrkörpers 122 und 124 um die Drehachse 118 gemäß dem Richtungspfeil 108, sondern bewirkt auch die Einstellung eines von dem das Turbinenrad 116 umgehenden Abgas durchströmbaren Strömungsquerschnitts Au (4) des Umgehungskanals 128.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Verstellring 120 in einem Teilbereich des Verstellwinkelbereichs ε mit einer Wandung des Verstellrings 120 den Strömungsquerschnitt A_U des Umgehungskanals 128 zumindest im Wesentlichen auf null reduziert und damit fluidisch zumindest im Wesentlichen versperrt, so dass kein Abgas den Umgehungskanal 128 durchströmen kann. Durch Bewegen des Verstellrings 120 im Verstellwinkelbereich ε in eine Richtung kommt es ab einer bestimmten Stellung des Verstellrings 120 dazu, dass der Verstellring 120 den Strömungsquerschnitt A_U des Umgehungskanals 128 zumindest bereichsweise freigibt, so dass Abgas den Umgehungskanal 128 durchströmen kann. Wird der Verstellring 120 weiter in diese Richtung bewegt, so wird der Strömungsquerschnitt des Umgehungskanals 128 sukzessive vergrößert und weiter freigegeben, womit einhergeht, dass eine sukzessiv größer werdende Menge an Abgas den Umgehungskanal 128 durchströmen kann, um das Turbinenrad 116 zu umgehen.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Verstellring 120 so lange in diese Richtung in dem Verstellwinkelbereich ε bewegt wird, bis der Verstellring in eine Endstellung des Verstellwinkelbereichs ε gedreht bzw. bewegt ist, in der der Strömungsquerschnitt A_U des Umgehungskanals 128 maximal freigegeben ist. Ebenso kann vorgesehen sein, dass bei maximal eingestelltem des Strömungsquerschnitts A_U und dadurch bei maximalem Freigeben des Umgehungskanals 128 der Verstellring 120 eine Stellung aufweist, aus welcher er weiter in die gleiche Richtung bewegt werden kann, in die er zuvor bewegt wurde, um den Strömungsquerschnitt Au sukzessive zu vergrößern. Ist dies der Fall, so kann dann der Strömungsquerschnitt Au beispielsweise konstant auf seinem maximal einstellbaren Wert gehalten werden. Ebenso möglich ist es, dass durch weiteres Bewegen, insbesondere Drehen, des Verstellrings 120 der Strömungsquerschnitt A_U wieder sukzessive reduziert wird, bis der Verstellring 120 seine Endstellung in dem Verstellwinkelbereich ε erreicht hat. In dieser Endstellung kann dann der Strömungsquerschnitt Au gegebenenfalls wieder zumindest im Wesentlichen auf null reduziert sein.
So ist es möglich, den Strömungsquerschnitt Au des Umgehungskanals 128 auf vielfältige Weise einzustellen und somit die Turbine 54, insbesondere ihre Schluckfähigkeit, an eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine 10 anpassen zu können.
Das Freigeben des Umgehungskanals 128 bewirkt, dass besonders hohe Massenströme des Abgases der Verbrennungskraftmaschine 10 die Turbine 54 durchströmen können, indem ein Teil der Massenströme das Turbinenrad 116 anströmt und auf diesem Wege die Turbine 54 durchströmt und ein Teil der Abgasmassenströme die Turbine 54 über den Umgehungskanal 128 durchströmt. Mit anderen Worten ist durch die Freigabe des Umgehungskanals 128 die Darstellung einer sehr hohen Schluckfähigkeit der Turbine 54 und damit die Darstellung einer sehr hohen Durchsatzspreizung ermöglicht. Gleichzeitig ist es durch Versperren des Umgehungskanals 128 ermöglicht, eine sehr gute Aufstaufähigkeit der Turbine 54 darzustellen, um eine besonders große Menge an Abgas rückführen zu können.
Darüber hinaus weist die Turbine 54 eine sehr gute Anpassungsfähigkeit an eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebspunkten, insbesondere zumindest im Wesentlichen im gesamten Kennfeld der Verbrennungskraftmaschine 10, auf, da eine mannigfaltige Einstellbarkeit der Turbine 54 durch die Versperrkörper 122 und 124 gegeben ist. So kann die Verbrennungskraftmaschine 10 sehr effizient und insbesondere kraftstoffverbrauchsarm und emissionsarm betrieben werden, woraus geringe CO₂-Emissionen resultieren.
Die 3 zeigt ein Turbinendurchsatzkennfeld 133 der Turbine 54, auf dessen Abszisse 135 das Turbinendruckverhältnis π_ts aufgetragen ist, und auf dessen Ordinate 134 der Durchsatzparameter Φ_T aufgetragen ist. Das Turbinendurchsatzkennfeld 133 kann auf für die Turbine 54 gemäß 5 gelten. In dem Turbinendurchsatzkennfeld 133 ist ein Verlauf 136 des Durchsatzparameters Φ_T aufgetragen, welcher sich ergibt, wenn die Versperrkörper 122 und 124 in eine Minimalstellung in dem Verstellwinkelbereich ε eingestellt sind, in welchem die Düsenquerschnitte A_R,λ und A_R,AGR und/oder die Spiraleneintrittsquerschnitte A_S,λ und A_S,AGR auf einen jeweils minimalen Wert eingestellt sind.
Ferner ist ein weiterer Verlauf 138 des Durchsatzparameters Φ_T dargestellt, welcher gegeben ist, wenn die Versperrkörper 122 und 124 mittels des Verstellrings 120 in eine Maximalstellung eingestellt sind, in welcher die Düsenquerschnitte A_R,λ und A_R,AGR und/oder die Spiraleneintrittsquerschnitte A_S,λ und A_S,AGR auf einen jeweils maximalen Wert eingestellt sind.
Wird zusätzlich zu der Maximalstellung der Umgehungskanal 128 mittels des Verstellrings 120 insbesondere maximal freigegeben, so ergibt sich ein in der 3 dargestellter Verlauf 140 des Durchsatzparameters Φ_T Dies bedeutet, dass im Turbinendurchsatzkennfeld 133 zwischen dem Verlauf 136 und dem Verlauf 138 sowie bei den Verläufen 136 und 138 der Umgehungskanal 128 fluidisch im Wesentlichen versperrt ist. Wird er ausgehend von der Maximalstellung der Versperrkörper 122 und 124 mittels des Verstellrings 120 sukzessive freigegeben, so verschiebt sich der Durchsatzparameter Φ_T der Turbine 54 beispielsweise bei einem zumindest im Wesentlichen konstanten Turbinendruckverhältnis π_ts ausgehend von dem Verlauf 138 entlang der Ordinate 134 zu höheren Werten in Richtung des Verlaufs 140. Wird der Strömungsquerschnitt A_U des Umgehungskanals 128 ausgehend von dem maximal eingestellten Strömungsquerschnitt Au verringert und befinden sich die Versperrkörper 122 und 124 in der Maximalstellung, so verschiebt sich der Durchsatzparameter Φ_T bei einem zumindest im Wesentlichen konstanten Turbinendruckverhältnis π_ts von dem Verlauf 140 in Richtung des Verlaufs 138.
Diese Beeinflussung des Durchsatzparameters Φ_T durch Vergrößern oder Verringern des Strömungsquerschnitts Au des Umgehungskanals 128, während sich die Versperrkörper 122 und 124 in der Maximalstellung befinden, ist in der 3 durch einen Richtungspfeil 142 angedeutet. Ein Bereich entlang der Ordinate 134 zwischen dem Verlauf 138 (Versperrkörper 122 und 124 in Maximalstellung, Umgehungskanal 128 fluidisch versperrt) und dem Verlauf 140 (Versperrkörper 122 und 124 in Maximalstellung, Umgehungskanal 128 maximal freigegeben) wird somit als Abblasebereich bezeichnet, in welchem der Durchsatzparameter Φ_T durch Erhöhen oder Reduzieren des Strömungsquerschnitts des Umgehungskanals 128 sehr hohe Werte annimmt und variabel eingestellt werden kann. Das Umgehen des Turbinenrads 116 über den Umgehungskanal 128 wird dabei als Abblasen bezeichnet.
Die 4 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Turbine 54 mit dem Turbinengehäuse 104. Das Turbinengehäuse 104 weist einen als Zuführkanal ausgebildeten Spiralkanal 145 sowie zumindest einen weiteren Spiralkanal 153 auf. Der Spiralkanal 145 ist mit dem Spiralkanal 153 fluidisch verbunden, so dass das Abgas zunächst durch den Spiralkanal 145 und von diesem in den Spiralkanal 153 strömt. Beispielsweise ist durch das Turbinengehäuse 104 zumindest ein weiterer, in der 4 nicht dargestellter, Spiralkanal wie der Spiralkanal 153 zumindest bereichsweise gebildet, so dass der Spiralkanal 145 durch den Spiralkanal 153 und den zumindest einen weiteren Spiralkanal fluidisch aufgeteilt ist. Dann fungiert der Spiralkanal 145 auch als Sammelkanal, in welchem sich das Abgas sammeln kann und wodurch ein Stauaufladebetrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 darstellbar ist. An dieser Stelle sei angemerkt, dass auch mittels der Turbine 54 gemäß der 2 ein Stauaufladebetrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 vorteilhafterweise darstellbar ist.
Wie der 4 zu entnehmen ist, weist der Umgehungskanal 128 eine Eintrittsöffnung 149 auf, über welche er fluidisch mit dem Spiralkanal 145 verbunden ist. Ferner weist der Umgehungskanal 128 eine Austrittsöffnung 150 auf, über welche er in einen Turbinenradaustritt 143 mündet. So kann das Abgas aus dem Spiralkanal 145 und damit stromauf des Turbinenrads 116 abgezweigt und unter Umgehung des Turbinenrads 116 zu dem Turbinenradaustritt 143 und somit stromab des Turbinenrads 116 geleitet werden. Dadurch kann das den Umgehungskanal 128 durchströmende Abgas das Turbinenrad 116 nicht über eine Ringdüse 144 anströmen und damit antreiben. Ferner ist es möglich, dass der Umgehungskanal 128 mit dem Spiralkanal 153 fluidisch verbunden ist, um somit das Abgas stromauf der Ringdüse 144 abzuzweigen.
Wie der 4 zu entnehmen ist, weist der Verstellring 120 zumindest eine Durchtrittsöffnung 146 auf, welche durch Wandungen des Verstellrings 120 begrenzt ist.
Dem gewünschten Turbinendurchsatzkennfeld wie beispielsweise dem Durchsatzkennfeld 133 gemäß 3 entsprechend ergibt sich ab einer bestimmten Stellung des Verstellrings 120 in dem Verstellwinkelbereich ε eine Überlappung zwischen der Durchtrittsöffnung 146 des Verstellrings 120 und dem Umgehungskanal 128 bzw. einer Austrittsöffnung 148 des Umgehungskanals 128, über welche das Abgas aus dem Umgehungskanal 128 in dem Turbinengehäuse 104 austreten und die Durchtrittsöffnung 146 des Verstellrings 120 durchströmen kann. Bei einer vollständigen Überlappung der Durchtrittsöffnung 146 mit dem Umgehungskanal 128 ist ein maximaler Abblasequerschnitt für eine maximale Durchsatzfähigkeit der Turbine 54 gegeben. Somit kann ein Teilstrom des Abgases aus dem Spiralkanal 145 abgezweigt und vorliegend über ein betreffendes Außenkonturstück 151 der Turbine 54 in den Turbinenradaustritt 143 unter Umgehung des Turbinenrads 116 geleitet werden gemäß einen Richtungspfeil 152.
Wie der 4 zu entnehmen ist, ist dabei der Umgehungskanal 128 bereichsweise in dem Turbinengehäuse 104 und bereichsweise in dem Außenkonturstück 151 ausgebildet, wobei diese Teilbereiche über die Durchtrittsöffnung 145 des Verstellrings 120 miteinander fluidisch verbunden werden, wenn sich die Durchtrittsöffnung 146 des Verstellrings 120 zumindest bereichsweise in Überlappung mit den entsprechenden Teilbereichen des Umgehungskanals 128 befindet.
In der 4 dargestellt sind auch Dichtungselemente und/oder Kompensatoren 147, mittels welcher der Verstellring 120 und/oder das Außenkonturstück 151 abgedichtet sind, so dass kein Abgas unerwünschterweise aus dem Turbinengehäuse 104 an die Umgebung ausströmen kann. Der 4 ferner sehr gut zu entnehmen ist, dass der Versperrkörper 122 und damit auch der Versperrkörper 124 mit dem Verstellring 120 verbunden, beispielsweise einstückig ausgebildet, und mit dem Verstellring 120 mitbewegbar sind.
In der 4 ist ein Aktor 154 schematisch dargestellt, welcher über ein Betätigungsteil 156 mit dem Verstellring 120 verbunden ist und mittels welchem der Verstellring 120 und damit die Versperrkörper 122 und 124 variabel verstellbar sind. Da die Verstellung bzw. Bewegung des Verstellrings 120 und damit der Versperrkörper 122 und 124 mit der Bewegung der Durchtrittsöffnung 146 relativ zu dem Umgehungskanal 148 bzw. den Teilbereichen desselben einhergeht, ist lediglich der Aktor 154 als einziger Aktor vonnöten, um sowohl die Spiraleneintrittsquerschnitte A_S,λ und A_S,AGR und/oder die Düsenquerschnitte A_R,λ, A_R,AGR als auch die Menge des das Turbinenrad 116 umgehenden und den Umgehungskanal 128 durchströmenden Abgases einzustellen.
Die Turbine 54 gemäß 5 ist als einflutige, so genannte Zungenschieber-Mehrsegment-Turbine ausgebildet ist. Sie umfasst ein erstes Gehäuseteil 158, welches drei, von Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmbare Spiralkanäle 160 aufweist. Die Spiralkanäle 160 weisen jeweilige Spiraleneintrittsquerschnitte A_S sowie jeweilige Düsenquerschnitte A_R auf. In dem Gehäuseteil 158 ist ein Turbinenrad 116 der Turbine 54 aufgenommen, welches um eine Drehachse 118 drehbar ist.
Das Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 tritt nun über die jeweiligen Spiraleneintrittsquerschnitte A_S in die Spiralkanäle 160 ein und strömt über die jeweiligen Düsenquerschnitte A_R das Turbinenrad 116 an, wodurch das Turbinenrad 116 von dem Abgas angetrieben wird und sich dreht. Das Turbinenrad 116 ist mit einer Welle des Abgasturboladers 22 verbunden, mit welcher auch das Verdichterrad 24 drehfest verbunden ist, wodurch das Verdichterrad 24 über die Welle von dem Turbinenrad 116 angetrieben wird.
Die Turbine 54 umfasst auch eine Verstelleinrichtung 110, welche wiederum einen Verstellring 120 umfasst, welcher mit drei Versperrkörpern 122 in Form von Zungenschiebern verbunden ist, wovon je ein Zungenschieber einem der Spiralkanäle 160 zugeordnet ist. Der Verstellring 120 ist in Richtung von Richtungspfeilen 162 um die Drehachse 118 des Turbinenrads 116 verdrehbar, wodurch die Spiraleneintrittsquerschnitte A_S sowie die in Umfangsrichtung des Turbinenrads 116 über dessen Umfang gleichmäßig verteilt angeordneten Düsenquerschnitte A_R verstellbar sind. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Zungenschieber zwischen zumindest einer die Düsenquerschnitte A_R verengenden oder gar verschließenden und zumindest einer dem gegenüber die Düsenquerschnitte A_R freigebenden Stellung durch Drehen des Verstellrings 120 verstellbar sind. Durch die Verstelleinrichtung 110 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 160, 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 164, durch welches ein durch das Sammelgehäuse 164 zur Umgebung hin gasdicht abgeschlossener und den Spiralkanälen 160 gemeinsamer Sammelraum 166 gebildet ist, in welchem das Gehäuseteil 158 aufgenommen ist, wobei das Sammelgehäuse 164 das Gehäuseteil 158 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 164 weist einen Eintrittskanal 168 auf, in welchen über die Abgasverrohrung 42 gemäß einem Richtungspfeil 170 Abgas einströmbar ist und welcher das Abgas weiter in den Sammelraum 166 leitet. Wie der 5 zu entnehmen ist, verjüngt sich der Eintrittskanal 168 in Strömungsrichtung des Abgases gemäß dem Richtungspfeil 170. Das über den Eintrittkanal 168 in den Sammelraum 166 eingeleitete Abgas wird zunächst in dem Sammelraum 166 gesammelt und kann durch die Spiralkanäle 160 zu dem Turbinenrad 116 strömen. Eine Mischung sowie eine Sammlung des Abgases erfolgt dabei in Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasverrohrung 42 stromauf des Gehäuseteils 158.
Stromauf der jeweiligen Spiraleneintrittsquerschnitte A_S weisen die Spiralkanäle 160 jeweils einen zumindest im Wesentlichen trompetenförmigen Eintrittskanal 172, auf über welche das Abgas in die Spiralkanäle 160 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 gemäß 5 darzustellen, wobei dann entlang der Drehachse 118 des Turbinenrads 116 neben dem Gehäuseteil 158 ein weiteres Gehäuseteil mit zumindest zwei Spiralkanälen, beispielsweise in Form des Gehäuseteils 158, angeordnet ist, das in einem weiteren, durch ein weiteres Gehäuseteil gemäß dem Sammelgehäuse 164 gebildeten Aufnahmeraum gemäß dem Aufnahmeraum 166 aufgenommen ist. Somit sind die Sammelräume dann parallel angeordnet und gasdicht voneinander getrennt. In diesem Falle sind zwei parallel geschaltete Gehäuseteile 158 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 110 und entsprechender Zungenschieber eine variable, quasi zweiflutige Stoßturbine dargestellt ist, die auch ein asymmetrisches Aufstauverhalten, je nach Anwendungszweck, mit sich bringen kann.
Die Verstelleinrichtung 110 der Turbine 54 wird dabei von der Regelungseinrichtung 82 der Verbrennungskraftmaschine 10 gesteuert beziehungsweise geregelt, die die Verstelleinrichtung verstellt, um die Turbine 54 auf eine gerade vorliegenden Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 10 anzupassen.
Auch die Turbine 54 gemäß 5 umfasst die zuvor geschilderte Umgehungseinrichtung 126 mit zumindest einem Umgehungskanal 128, wobei die Menge des das Turbinenrad 116 über den Umgehungskanal 128 umgehenden Abgases mittels des Verstellrings 120 einstellbar ist. Das Drehen des Verstellrings 120 um die Drehachse 118 gemäß den Richtungspfeilen 162 bewirkt anlog zu zuvor geschilderten Weise nicht nur ein Bewegen, insbesondere ein Verschieben, der Zungenschieber um die Drehachse 118, sondern bewirkt auch die Einstellung des von dem das Turbinenrad 116 umgehenden Abgas durchströmbaren Strömungsquerschnitts Au (4) des Umgehungskanals 128.

Claims

Turbine (54) für einen Abgasturbolader (22) einer Verbrennungskraftmaschine (10), mit zumindest einem einen Aufnahmeraum aufweisenden Gehäuseteil (104), welches wenigstens einen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbaren Spiralkanal (145, 153) umfasst, der einen Austrittsquerschnitt aufweist, über welchen ein zumindest bereichsweise in dem Aufnahmeraum aufgenommenes und um eine Drehachse (118) relativ zu dem Gehäuseteil (104) drehbares Turbinenrad (116) mit dem Abgas beaufschlagbar ist, und mit zumindest einem mit einem Verstellteil (120) verbundenen und in Umfangsrichtung (108) des Aufnahmeraums über das Verstellteil (120) mit diesem mitbewegbaren Versperrkörper (122, 124), mittels welchem der Austrittsquerschnitt einstellbar ist, wobei zumindest ein Umgehungskanal (128) vorgesehen ist, über welchen das Turbinenrad (116) von wenigstens einem Teil des Abgases zu umgehen ist, und wobei ein Strömungsquerschnitt (A_U) des Umgehungskanals (128) mittels des Verstellteils (120) durch Bewegen dieses einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellteil (120) als ein um die Drehachse (118) rotatorisch bewegbarer Verstellring (120) ausgebildet ist und wenigstens eine Durchtrittsöffnung (146) aufweist, welche durch rotatorisches Bewegen des Verstellrings (120) um die Drehachse (118) in zumindest bereichsweise Überlappung mit dem Umgehungskanal (128) bewegbar ist.
Turbine (54) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellring (120) zumindest bereichsweise in dem Gehäuseteil (104) aufgenommen ist.
Turbine (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umgehungskanal (128) einerseits mit dem Spiralkanal (145, 153) und/oder mit einem weiteren Spiralkanal, über welchen dem zumindest einen Spiralkanal (145, 153) Abgas zuführbar ist, fluidisch verbunden ist und andererseits in einen Turbinenaustrittsbereich (143) des Gehäuseteils (104) mündet.
Turbine (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verstellring (120) und dem Gehäuseteil (104) und/oder einem weiteren Gehäuseteil (151) der Turbine (54) wenigstens ein Dichtungselement (147) angeordnet ist.
Turbine (54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umgehungskanal (128) zumindest bereichsweise in das Gehäuseteil (104) und/oder wenigstens ein weiteres Gehäuseteil (151) der Turbine (54) integriert ist.