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Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Die
DE 10 2010 009 328 A1 offenbart ein Turbinengehäuse für ein drehbares Turbinenrad eines Turboladers, welches ein Gehäuse mit einer Gehäuseachse umfasst, das ausgebildet ist, um eine drehbare Welle mit einem darin angeordneten Turbinenrad zu beherbergen. Das Turbinengehäuse umfasst eine Flut mit einer Flutenkammer, die um die Gehäuseachse herum angeordnet ist, um das Turbinenrad aufzunehmen. Es ist ein Fluteneinlass vorgesehen, der einen ersten Strömungspfad und eine fluidtechnische Verbindung mit der Flutenkammer bereitstellt. Des Weiteren ist ein zweiter Fluteneinlass vorgesehen, der einen zweiten Strömungspfad und eine fluidtechnische Verbindung mit der Flutenkammer bereitstellt, wobei der ersten Fluteneinlass in Umfangsrichtung um die Gehäuseachse herum von dem zweiten Fluteneinlass beabstandet ist.
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Dieses Turbinengehäuse ist somit zweiflutig ausgebildet und ermöglicht nur einen geringen Wirkungsgrad der Turbine.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine für einen Abgasturbolader der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Turbine einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Turbine mit einem Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Eine solche Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine umfasst ein Turbinengehäuse, durch welches ein Aufnahmeraum zur Aufnahme eines Turbinenrads der Turbine zumindest bereichsweise begrenzt ist. Das Turbinengehäuse weist eine erste Flut und wenigstens eine zweite, zumindest bereichsweise von der ersten Flut fluidisch getrennte Flut auf. Die Fluten erstrecken sich zumindest bereichsweise in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums über dessen Umfang.
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Über die Fluten ist Abgas der Verbrennungskraftmaschine zu dem Aufnahmeraum führbar, so dass das in dem Aufnahmeraum um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse drehbar aufzunehmende und zu lagernde Turbinenrad von dem Abgas beaufschlagbar und dadurch antreibbar ist. Die Fluten sind in axialer Richtung des Aufnahmeraums voneinander beabstandet. Dies bedeutet, dass die Fluten in axialer Richtung beispielsweise durch eine Trennwand fluidisch voneinander getrennt sind.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums zumindest an die erste Flut wenigstens eine dritte zumindest bereichsweise von der ersten und der zweiten Flut fluidisch getrennten Flut anschließt, welche in axialer Richtung zumindest bereichsweise, insbesondere vollständig, auf gleicher Höhe mit der ersten Flut angeordnet ist.
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Die erfindungsgemäße Turbine ermöglicht dabei insbesondere infolge ihrer zumindest drei Fluten und der entsprechenden Anordnung der Fluten die Bereitstellung besonders hoher Drehmomente auch bei geringen Drehzahlen und/oder in geringen Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine. Dadurch ermöglicht die erfindungsgemäße Turbine ein besonders vorteilhaftes Fahrverhalten der Verbrennungskraftmaschine. Ferner kann die erfindungsgemäße Turbine insbesondere infolge der drei Fluten und der entsprechenden Flutentrennung dieser besonders effizient und mit einem verbesserten Wirkungsgrad betrieben werden, was mit einem verbesserten und effizienteren Betrieb der Verbrennungskraftmaschine einhergeht. Dadurch kann die Verbrennungskraftmaschine mit einem sehr geringen Kraftstoffverbrauch betrieben werden, was mit nur geringen CO2-Emissionen einhergeht.
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Auf Grund der Anordnung der ersten und der zweiten Flut in axialer Richtung nebeneinander bzw. durch die Beabstandung der ersten und der zweiten Flut in axialer Richtung voneinander können die Fluten einen besonders großen Umschlingungswinkel in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums über dessen Umfang hinweg aufweisen, was dem verbesserten Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Turbine zugute kommt.
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Dadurch kann ein relativ hohes Entalpinangebot der Turbine genutzt werden, was mit einem besonders vorteilhaften und hohen Aufladegrad einhergeht. Dadurch kann die erfindungsgemäße Turbine, welche insbesondere als Radialturbine ausgebildet ist, besonders effizient betrieben werden, woraus ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine resultiert. Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Turbine die Darstellung eines besonders vorteilhaften Drehmomenteckpunkts. Darüber hinaus ist es bei Einsatz der erfindungsgemäßen Turbine vorteilhaft möglich, die Verbrennungskraftmaschine nach den so genannten Downspeeding- sowie Downsizing-Prinzip auszugestalten, was den Wirkungsgraden der Verbrennungskraftmaschine besonders zugute kommt.
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Hierbei weist die Verbrennungskraftmaschine ein relativ geringes Hubvolumen auf, kann jedoch besonders hohe Leistungen und/oder Drehmomente bereitstellen. Dadurch kann die Verbrennungskraftmaschine besonders gering hinsichtlich ihrer Dimensionen ausgestaltet werden, was zur Lösung und/oder zur Vermeidung von Package-Problemen, insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens führt. Darüber hinaus kann die Verbrennungskraftmaschine bei Einsatz der erfindungsgemäßen Turbine besonders leicht hinsichtlich ihres Gewichts ausgestaltet werden, was das Gewicht des Kraftwagens gering hält. So kann dieser zu einem besonders geringen Kraftstoffverbrauch und somit mit geringen CO2-Emissionen betrieben werden.
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Die geschilderte Flutentrennung der erfindungsgemäßen Turbine ermöglicht auch eine besonders vorteilhafte Abgasrückführung mittels einer Abgasrückführeinrichtung. Die Turbine kann ein besonders vorteilhaftes und hohes Aufstauverhalten bereitstellen, so dass auch besonders hohe Mengen Abgas von einem Abgastrakt zu einem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine rückgeführt und an wenigstens einer Einleitstelle in den Ansaugtrakt eingeleitet werden können. So kann von der Verbrennungskraftmaschine angesaugte Luft mit dem Abgas beaufschlagt und in wenigstens einen Brennraum, insbesondere einen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine transportiert werden. Bei Verbrennungsvorgängen wirkt das Abgas in dem Brennraum als Inertgas, so dass Stickoxid-Emissionen (NOx-Emissionen) gering gehalten werden können.
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Die erfindungsgemäße Turbine ist besonders vorteilhaft einsetzbar bei mehrzylindrigen Verbrennungskraftmaschinen. Dabei kann das Abgas mehrerer, wenigstens zweier, Zylinder mittels eines entsprechenden Abgaskrümmers zusammengefasst und zur ersten und zur zweiten Flut geleitet werden. Dies bedeutet, dass die zusammengefassten Zylinder fluidisch mit der ersten und der von dieser fluidisch getrennten zweiten Flut verbunden sind. Dadurch können besonders hohe Mengen an Abgas dargestellt werden, welches von dem Abgastrakt zu dem Ansaugtrakt rückzuführen ist. Ebenso möglich ist es, dass die jeweiligen Zylinder jeweils in lediglich einer der drei Fluten zugeordnet sind. Dies bedeutet, beispielsweise, dass ein erster der Zylinder mit der ersten Flut fluidisch verbunden ist, dass ein zweiter der Zylinder mit der zweiten Flut fluidisch verbunden ist und das ein dritter der Zylinder mit der dritten Flut fluidisch verbunden ist. Dadurch sind alle Zylinder bis zum Turbinenrad voneinander fluidisch getrennt, wodurch einerseits große Mengen an Abgas rückführbar sind und andererseits auch bei geringen Drehzahlen und/oder in geringen Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine hohe Drehmomente und/oder Leistungen dieser bereitzustellen sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels 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.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Querschnittsansicht einer Turbine für einen Abgasturbolader, mit zwei Flutenpaaren mit jeweils zwei Fluten, über welche einem durch ein Turbinengehäuse zumindest bereichsweise begrenzte Aufnahmeraum für ein Turbinenrad Abgas der Verbrennungskraftmasche zuführbar ist, wobei die Flutenpaare in axialer Richtung der Turbine nebeneinander angeordnet sind und wobei die jeweiligen Fluten eines Flutenpaares in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums voneinander beabstandet sind und sich über einen Umschlingungswinkel von weniger als 360° erstrecken; und
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2 ausschnittsweise eine schematische und abgewickelte Schnittansicht der Turbine gemäß 1.
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Die 1 und 2 zeigen eine Turbine 10 für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine. Die Turbine 10 umfasst ein Turbinengehäuse 12, welches eine erste Flut 14, eine zweite Flut 16, eine dritte Flut 18 sowie eine vierte Flut 20 aufweist.
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Durch das Turbinengehäuse 12 ist ein Aufnahmeraum 13 zumindest bereichsweise begrenzt, in welchem ein Turbinenrad 15 um eine Drehachse 17 relativ zu dem Turbinengehäuse 12 drehbar aufzunehmen ist.
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Die Fluten 14, 16, 18 und 20 erstrecken sich dabei in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums 13 und des Turbinenrads 15 gemäß einem Richtungspfeil 19 über deren Umfang und führen Abgas der Verbrennungskraftmaschine zu dem Aufnahmeraum 13. Dadurch kann das Turbinenrad 15 mit dem Abgas beaufschlagt und so angetrieben werden.
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Das Turbinenrad 15 ist dabei drehfest mit einer Welle eines Rotors des Abgasturboladers verbunden, mit welcher auch ein Verdichterrad eines Verdichters des Abgasturboladers drehfest verbunden ist. Durch Beaufschlagen und Antreiben des Turbinenrads 15 kann das Verdichterrad angetrieben werden, so dass von der Verbrennungskraftmaschine angesaugte Luft verdichtet werden kann.
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Bei einer Verbrennungskraftmaschine mit sechs als Zylinder ausgebildeten Brennräumen kann vorgesehen sein, dass beispielsweise drei der Zylinder mit einem den drei Zylindern gemeinsamen Abgaskrümmer fluidisch verbunden sind, wobei der Abgaskrümmer dann aus den drei Zylindern ausströmendes Abgas zusammenführt und sammelt. Der Abgaskrümmer ist dann beispielsweise mit der ersten Flut 14 fluidisch verbunden, so dass das aus den drei Zylindern ausströmende Abgas der ersten Flut 14 zugeführt wird und diese durchströmen kann. In Folge einer Teilung der Fluten 14, 16, 18 und 20 durch eine Zwischenwandung 22 des Turbinengehäuses 12 sowie durch zumindest im Wesentlichen zungenförmige Versperrkörper 24 eines Zungenschiebers weist die Flut 14 einen relativ geringen Strömungsquerschnitt auf im Vergleich zu addierten einzelnen Strömungsquerschnitten der Fluten 16, 18 und 20.
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Dies bedeutet, dass das Abgas aus den drei zusammengefassten Zylindern durch den relativ geringen Strömungsquerschnitt der ersten Flut 14 durchströmt. Dadurch kann die Turbine 10 ein besonders vorteilhaftes und hohes Aufstauverhalten bereitstellen, so dass besonders hohe Mengen an Abgas von einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine 10 zu einem Ansaugtrakt dieser rückgeführt und in diesen eingeleitet werden können. Dadurch kann eine besonders effiziente Abgasrückführung (AGR) der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden, so dass Stickoxid-Emissionen (NOx-Emissionen) gering gehalten werden können.
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Die anderen drei der sechs Zylinder der Verbrennungskraftmaschine, welche beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist, sind dabei mit der zweiten Flut 16, mit der dritten Flut 18 und mit der vierten Flut 20 verbunden. Mit anderen Worten ist ein vierter der Zylinder mit der zweiten Flut 16, ein fünfter der Zylinder mit der dritten Flut 18 und der sechse Zylinder mit der vierten Flut 20 fluidisch verbunden. Während die erste Flut 14 somit als so genannte AGR-Flut fungiert und vorwiegend die Aufgabe erfüllt, das besonders vorteilhafte Aufstauverhalten der Turbine 10 bereitzustellen, fungieren die Fluten 16, 18 und 20 als so genannte Lambda-Fluten, welche insbesondere die Aufgabe erfüllen, auf einer Saugseite der Verbrennungskraftmaschine eine Verbrennungsluftversorgung der Verbrennungskraftmaschine zu gewährleisten, so dass sich ein gewünschtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis einstellt zur Darstellung gewünschter und geforderter Leistungen und/oder Drehmomenten.
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Weist die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise vier Zylinder auf, so ist beispielsweise ein erster Zylinder mit der ersten Flut 14, ein zweiter Zylinder mit der zweiten Flut 16, ein dritten Zylinder mit der dritten Flut 18 und der vierte Zylinder mit der vierten Flut 20 fluidisch verbunden. Auch dadurch kann ein besonders vorteilhaftes Aufstauverhalten durch die Turbine 10 bereitgestellt werden. Darüber hinaus können auch besonders hohe Drehmomente und/oder Leistungen euch bei geringen Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine dargestellt werden. Dies bedeutet, dass die vier Zylinder der Verbrennungskraftmaschine durch die entsprechende Trennung der Fluten 14, 16, 18 und 20 bis zu dem oder zumindest im Wesentlichen kurz vor das Turbinenrad fluidisch getrennt sind.
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Das Abgas kann gemäß einem Richtungspfeil 34 dann aus den entsprechenden Zylindern der Verbrennungskraftmaschine in die dritte Flut 18 und die vierte Flut 20 einströmen. Ebenso kann das entsprechende Abgas aus den entsprechenden Zylindern der Verbrennungskraftmaschine gemäß einem Richtungspfeil 36 in die erste Flut 14 und die zweite Flut 16 einströmen.
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Wie den 1 und 2 zu entnehmen ist, ist durch die erste Flut 14 und die dritte Flut 18 ein erstes Flutenpaar 26 gebildet. Durch die zweite Flut 16 und die vierte Flut 20 ist ein zweites Flutenpaar 28 gebildet.
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Die zweite Flut 16 und die vierte Flut 20 des Flutenpaares 28 sind dabei in axialer Richtung des Aufnahmeraums 13 und damit mit der Turbine 10 gemäß einem Richtungspfeil 30 voneinander beabstandet, indem sie durch die Zwischenwandung 22 fluidisch voneinander getrennt sind. Dabei ist die zweite Flut 16 in axialer Richtung neben der ersten Flut 14 angeordnet, während die vierte Flut 20 in axialer Richtung neben der dritten Flut 18 angeordnet ist.
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Wie ferner insbesondere der 2 zu entnehmen ist, schließt sich die dritte Flut 18 in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums 13 und damit des Turbinenrads 15 gemäß dem Richtungspfeil 19 an die erste Flut 14 an. Dementsprechend schließt sich auch die vierte Flut 20 in Umfangsrichtung an die zweite Flut 16 an. Auf Grund der axialen Beabstandung der Flutenpaare 26 und 28 können die erste Flut 14, die zweite Flut 16, die dritte Flut 18 und die vierte Flut 20, wie insbesondere der 1 zu entnehmen ist, einen jeweiligen Umschlingungswinkel α von bis zu 180° aufweisen. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass sich die erste Flut 14, die zweite Flut 16, die dritte Flut 18 und die vierte Flut 20 jeweils in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums 13 und damit des Turbinenrads 15 über deren Umfang gemäß Richtungspfeil 19 über den jeweiligen Umschlingungswinkel α erstrecken, welcher bis zu 180° betragen kann. In den 1 und 2 sind dabei zur Orientierung Winkelbereiche in 90°-Schritten angegeben, anhand welcher die entsprechenden Umschlingungswinkel α der ersten Flut 14, der zweiten Flut 16, der dritten Flut 18 und der vierten Flut 20 deutlich erkennbar sind. Ebenso könnte beispielsweise der Umschlingungswinkel α einer der Fluten, zum Beispiel der Flut 14, nur ca. 90° aufweisen, dann wird die Flut 18 entsprechend 270° aufweisen. Somit ist eine „Verschiebung” der Umschlingung auf die einzelnen Fluten möglich, und diese müssen nicht zwangsläufig 180° Umschlingung aufweisen.
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Durch diese jeweiligen relativ hohen Umschlingungswinkel α sind besonders hohe Strömungsquerschnitte, insbesondere einer Hauptdüse der Turbine 10, über welche das Abgas der Zylinder in den Aufnahmeraum 13 einströmt, dargestellt, so dass sich, ein vorteilhaft hohes Entalpinangebot der Turbine 10 nutzen lässt, was zu einem vorteilhaften und hohen Aufladegrad führt. Die Hauptdüse, welche auch als Radeinströmdüse bezeichnet wird, ähnelt dabei einer Zwillingsstromturbine. Die entsprechende Anordnung und Trennung der ersten Flut 14, der zweiten Flut 16, der dritten Flut 18 und der vierten Flut 20 der Turbine 10 führen zu einem besonders hohen Wirkungsgrad der Turbine 10, so dass das Entalpinangebot besonders effizient genutzt werden kann. Diese Anordnung und Trennung der ersten Flut 14, der zweiten Flut 16, der dritten Flut 18 und der vierten Flut 20 kommt auch einer geometrischen Gestaltung des Turbinenrads 15 zugute, welche hinsichtlich seiner Dimensionen besonders gering ausgestaltet werden kann. Dies führt zu einem besonders hohen und vorteilhaften Reaktionsgrad der Turbine 10.
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Die zur Trennung der in Umfangsrichtung aneinander anschließenden ersten Flut 14 und zweiten Flut 18 bzw. dritte Flut 16 und vierte Flut 20 vorgesehenen Versperrkörper 24 können dabei relativ zu dem Turbinengehäuse 12 fest sein und beispielsweise einstückig mit diesem ausgebildet sein.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Versperrkörper 24 dem Zungenschieber zugeordnet sind und in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums 13 und des Turbinenrads 15 gemäß dem Richtungspfeil 19 über deren Umfang relativ zum Turbinengehäuse 12 verschiebbar sind. Dies ist in den 1 und 2 durch Richtungspfeile 32 angedeutet. Die Versperrkörper 24 sind dabei beispielsweise an einem Ring des Zungenschiebers gehalten, welcher um die Drehachse 17 gemäß dem Richtungspfeil 19 relativ zum Turbinengehäuse 12 verdrehbar ist. Das Verdrehen des Verschieberings relativ zum Turbinengehäuse 12 bewirkt ein Verdrehen der Versperrkörper 24 relativ zum Turbinengehäuse 12 gemäß den Richtungspfeilen 32. So können die jeweiligen Umschlingungswinkel α der ersten Flut 14, der zweiten Flut 16, der dritten Flut 18 und der vierten Flut 20 variabel eingestellt und an vorliegende und sich ändernde Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 10 angepasst werden. Dadurch ist ein besonders effizienter Betrieb der Turbine 10 möglich, was mit einem effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine einhergeht. Daraus resultiert ein besonders geringer Kraftstoffverbrauch sowie geringe CO2-Emissionen. Trotz einer Segmentierung der Turbine 10 in Umfangsrichtung durch die fluidische Trennung der ersten Flut und der dritten Flut 18 bzw. der zweiten Flut 16 und der vierten Flut 20 weist die Turbine 10 auf Grund der Realisierung der hohen Umschlingungswinkel α ein besonders hohen Wirkungsgrad auf, da in Umfangsrichtung lediglich zwei Segmente vorgesehen sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010009328 A1 [0002]
