DE102011115251A1 - Internal combustion engine e.g. Otto engine for passenger car, has check portions that are arranged between spiral channel outlet cross-sections downstream and turbine wheel upstream, to cause shock charge in shock loading position - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.The invention relates to an internal combustion engine for a motor vehicle specified in the preamble of
Die fortwährende Verschärfung von Emissionsgrenzwerten, insbesondere hinsichtlich der Stickoxid-(NOx-) und der Ruß-Emissionen führt auch zu einer starken Beeinflussung von Aufladeeinrichtungen für die Aufladung von Verbrennungskraftmaschinen von Kraftwagen. Die wachsenden Anforderungen hinsichtlich der Bereitstellung eines gewünschten Ladedrucks aufgrund von hohen Abgasrückführraten über den mittleren Lastbereich bis hin zur Volllast führen dazu, Turbinen von Abgasturboladern der Aufladeeinrichtungen geometrisch mehr und mehr zu verkleinern. Dies bedeutet, dass erwünscht hohe Turbinenleistungen durch eine Steigerung der Aufstaufähigkeit bzw. durch Reduzierung der Schluckfähigkeit der Turbinen im Zusammenspiel mit der zugeordneten Verbrennungskraftmaschine realisiert werden.The ongoing tightening of emission limits, particularly with regard to nitrogen oxides (NO x ) and soot emissions, also leads to a strong influence on charging devices for the supercharging of internal combustion engines of motor vehicles. The growing demands for providing a desired charge pressure due to high exhaust gas recirculation rates over the medium load range up to the full load lead to geometrically more and more downsizing turbochargers of turbochargers of the superchargers. This means that desired high turbine outputs can be realized by increasing the Aufstaufähigkeit or by reducing the absorption capacity of the turbines in interaction with the associated internal combustion engine.
Des Weiteren wird gegebenenfalls das Eintrittsdruckniveau der Turbinen durch den Gegendruck von stromab angeordneten Partikel- bzw. Rußfiltern weiterhin nach oben getrieben, was eine weitere geometrische Verkleinerung der Turbine mit sich zieht, um Leistungsanforderungen auf der Verdichterseite für die Verbrennungsluft-Lieferung befriedigen zu können.Further, if necessary, the inlet pressure level of the turbines will continue to be driven up by the back pressure from downstream particulate soot filters, which entails further geometric downsizing of the turbine to meet compressor side power requirements for combustion air delivery.
Darüber hinaus bestehen Schwierigkeiten, eine gewünschte Abgasrückführungsfähigkeit in Verbindung mit der erforderlichen, zu liefernden Verbrennungsluft der Verbrennungskraftmaschine darzustellen, insbesondere in unteren bis mittleren Betriebsbereichen der Verbrennungskraftmaschine. Bei üblichen Auslegungsrandbedingungen, die auch vom Nennpunkt der Verbrennungskraftmaschine her von der Ladungswechselseite, Verbrauchsseite definiert werden kann, kann insbesondere bei einer asymmetrischen, zweiflutigen Festgeometrie-Turbine der untere Motordrehzahlbereich nicht optimal bedient werden.In addition, there are difficulties in representing a desired exhaust gas recirculation capability in conjunction with the required combustion air of the internal combustion engine to be supplied, particularly in lower to middle operating ranges of the internal combustion engine. In the case of the usual design boundary conditions, which can also be defined from the nominal point of the internal combustion engine from the charge change side, consumption side, the lower engine speed range can not be optimally operated, in particular in the case of an asymmetric, double-flow, solid geometry turbine.
Die
Ferner ist aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein effizienterer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht ist.The invention has for its object to further develop an internal combustion engine for a motor vehicle of the type mentioned in such a way that a more efficient operation of the internal combustion engine is made possible.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by an internal combustion engine for a motor vehicle having the features of
Eine solche Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen umfasst eine in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnete Turbine. Die Turbine weist ein Turbinengehäuse mit einem Aufnahmeraum auf. In dem Aufnahmeraum ist zumindest bereichsweise ein um eine Drehachse drehbares Turbinenrad aufgenommen. Das Turbinengehäuse weist dabei wenigstens zwei mit jeweils zumindest einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine fluidisch gekoppelte Spiralkanäle zum Führen von Abgas auf. Dies bedeutet, dass Abgas aus den entsprechend zugeordneten Brennräumen in die jeweiligen Spiralkanäle einströmen kann.Such an internal combustion engine for a motor vehicle comprises a turbine arranged in an exhaust tract of the internal combustion engine. The turbine has a turbine housing with a receiving space. In the receiving space, a turbine wheel, which can be rotated about an axis of rotation, is accommodated at least in regions. The turbine housing has at least two, each with at least one combustion chamber of the internal combustion engine fluidly coupled spiral channels for guiding exhaust gas. This means that exhaust gas from the correspondingly assigned combustion chambers can flow into the respective spiral channels.
Die Spiralkanäle weisen jeweilige in den Aufnahmeraum mündende Austrittsquerschnitte auf, über welche das Abgas dem Aufnahmeraum zuführbar ist. Dies bedeutet, dass das die jeweiligen Spiralkanäle durchströmende Abgas über die jeweiligen Austrittsquerschnitte aus den jeweiligen Spiralkanälen aus- und in den Aufnahmeraum einströmen kann.The spiral channels have respective outlet cross-sections opening into the receiving space, via which the exhaust gas can be fed to the receiving space. This means that the respective ones Exhaust gas flowing through the spiral channels can flow out of the respective spiral channels via the respective outlet cross sections and flow into the receiving space.
Die Austrittsquerschnitte sind dabei in Umfangsrichtung des Turbinenrads über dessen Umfang nebeneinander angeordnet. Dies bedeutet, dass ein erster der Austrittsquerschnitte in Umfangsrichtung auf den zweiten Austrittsquerschnitt folgt.The outlet cross sections are arranged side by side in the circumferential direction of the turbine wheel over its circumference. This means that a first of the outlet cross sections in the circumferential direction follows the second outlet cross section.
Den Spiralkanälen ist jeweils zumindest ein erster Sperrkörper einer Stelleinrichtung der Turbine zugeordnet. Mittels des jeweiligen ersten Sperrkörpers ist der jeweilige Austrittsquerschnitt des entsprechend zugeordneten Spiralkanals einstellbar.At least one first blocking body of an adjusting device of the turbine is assigned to each of the spiral channels. By means of the respective first blocking body of the respective outlet cross-section of the corresponding associated spiral channel is adjustable.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die ersten Sperrkörper zwischen wenigstens einer die Spiralkanäle stromab der Austrittsquerschnitte und stromauf des Turbinenrads fluidisch zumindest im Wesentlichen voneinander trennenden und eine Stoßaufladung der Verbrennungskraftmaschine bewirkenden Stoßladestellung und wenigstens einer die Spiralkanäle stromab der Austrittsquerschnitte und stromauf des Turbinenrads fluidisch miteinander verbindenden und eine Stauaufladung der Verbrennungskraftmaschine bewirkenden Stauladestellung verstellbar sind. Dies bedeutet, dass die Spiralkanäle in der Stoßladestellung fluidisch voneinander getrennt sind, so dass die Verbrennungskraftmaschine besonders effizient und effektiv mittels Stoßaufladung aufgeladen wird.According to the invention, it is provided that the first blocking bodies between at least one of the spiral channels downstream of the outlet cross-sections and upstream of the turbine wheel fluidly at least substantially separated and a Stoßaufladung the internal combustion engine causing shock loading position and at least one of the spiral channels downstream of the outlet cross-sections and upstream of the turbine fluidly interconnecting and one Jam charging the internal combustion engine causing jam position are adjustable. This means that the spiral channels are fluidly separated from each other in the shock charging position, so that the internal combustion engine is particularly efficiently and effectively charged by means of shock charging.
Die Turbine der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine stellt somit eine mehrflutige bzw. zumindest zweiflutige Turbine mit wenigstens zwei Fluten in Form der Spiralkanäle dar, wobei die entsprechend angeordneten Spiralkanäle auch als Spiralsegmente bezeichnet werden. Diese mehrflutige Turbine ermöglicht es, ein erwünschtes Aufstauverhalten zur Darstellung erwünscht hoher Abgasrückführraten sowie notwendige bzw. erwünschte Luft-Kraftstoff-Verhältniszahlen sowie ein erwünschtes Verhältnis zwischen den Abgasrückführraten und den Luft-Kraftstoff-Verhältniszahlen in einem besonders großen Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine zumindest im Wesentlichen optimal einstellen zu können, wobei die mehrflutige und segmentierte Turbine eine besonders ausgeprägte Stoßaufladungsfähigkeit aufweist und die Stoßaufladung der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.The turbine of the internal combustion engine according to the invention thus represents a multi-flow or at least double-flow turbine with at least two floods in the form of the spiral channels, wherein the correspondingly arranged spiral channels are also referred to as spiral segments. This Mehrflutige turbine makes it possible to set a desired Aufstauverhalten to display desirable high exhaust gas recirculation rates and necessary or desirable air-fuel ratio and a desired ratio between the exhaust gas recirculation rates and the air-fuel ratio in a particularly large operating range of the internal combustion engine at least substantially optimal to be able to, with the multi-flow and segmented turbine has a particularly pronounced shock charging capability and allows the Stoßaufladung the internal combustion engine.
Turbinen, die speziell für die Stoßaufladung ausgelegt werden, haben besonders große Strömungsquerschnitte für die Verwertung sehr großer, nutzbarer Energieschwankungen bzw. Druckpulsationen. Diese hohen Druckpulsationen der Verbrennungskraftraschine existieren und ergeben sich an der Turbine dann, wenn man die sich üblicherweise einstellenden Drossel- und Reibungsverluste an Auslassventilen der Verbrennungskraftmaschine sowie in einem Krümmerbereich durch eine entsprechende Geometriegestaltung bis in die entsprechende Turbine hinein besonders gering hält.Turbines, which are specially designed for boost charging, have particularly large flow cross sections for the utilization of very large, usable energy fluctuations or pressure pulsations. These high pressure pulsations of the internal combustion engine exist and arise at the turbine then, if one keeps the usually adjusting throttle and friction losses on exhaust valves of the internal combustion engine and in a manifold region by a corresponding geometry design into the corresponding turbine into it.
Dieses Geringhalten der Drossel- und Reibungsverluste stromauf der Turbine fördert die Erreichung einer gewünschten, extremen Stoßaufladung, wodurch ein besonders hoher mittlerer Wirkungsgrad einer Exergienutzung des Abgases trotz großer zeitlicher Schwankungen des Turbinenwirkungsgrads erreicht wird. Diese Vorteile der Stoßaufladung sind bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine nutzbar.Maintaining throttling and frictional losses upstream of the turbine promotes the achievement of a desired, extreme boost charge, thereby providing a particularly high average efficiency of exhaust exergy utilization despite large variations in turbine efficiency over time. These advantages of the supercharging can be used in the internal combustion engine according to the invention.
Es hat sich gezeigt, dass die eine sogenannte Segmentturbine darstellende Turbine in positiven Verbrennungskraftmaschinenbereichen der Stoßaufladung eine besonders vorteilhafte Fahrbarkeit bei relativ stark aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen ermöglicht. Dies ist insbesondere bei einer Verbrennungskraftmaschine von Vorteil, die nach dem sogenannten Downsizing-Prinzip ausgestaltet ist. Eine solche Verbrennungskraftmaschine weist ein relativ geringes Hubvolumen auf, kann jedoch besonders hohe Drehmomente und Leistungen bereitstellen.It has been shown that the turbine, which represents a so-called segment turbine, enables a particularly advantageous driveability in relatively highly supercharged internal combustion engines in positive internal combustion engine regions of the supercharger. This is particularly advantageous in an internal combustion engine, which is designed according to the so-called downsizing principle. Such an internal combustion engine has a relatively low displacement, but can provide particularly high torques and power.
Die Turbine weist neben den geschilderten Vorteilen infolge der Realisierbarkeit der Stoßaufladung ferner den Vorteil auf, dass mittels der Turbine auch besonders große Durchsatzspreizungen darstellbar sind. Dies ist insbesondere bei einer als Otto-Motor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine vorteilhaft, da ein Otto-Motor besonders hohe Durchsatzspreizungen aufweist. So kann bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine beispielsweise ab einem mittleren Durchsatz von Abgas von der Stoßaufladung in die Betriebsweise der Stauaufladung übergegangen werden, um zumindest im Wesentlichen einen gesamten Turbinen radaustrittsquerschnitt, über welchen das Turbinenrad von Abgas abgeströmt wird, zu nutzen. Insbesondere ist es mittels der Stelleinrichtungen möglich, zumindest im Wesentlichen kontinuierlich zwischen der Stoßaufladung und der Stauaufladung umzuschalten.The turbine has in addition to the described advantages due to the feasibility of the shock charging further has the advantage that by means of the turbine also very large throughput spreads can be displayed. This is particularly advantageous in a trained as gasoline engine internal combustion engine, since an Otto engine has particularly high throughput spreads. Thus, in the internal combustion engine according to the invention, for example, from a mean throughput of exhaust gas from the supercharging in the operation of the jam charging to at least substantially an entire turbine radaustrittsquerschnitt over which the turbine wheel is discharged of exhaust gas to use. In particular, it is possible by means of the adjusting devices to switch at least substantially continuously between the supercharging and the accumulating charge.
Somit ermöglicht die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine die Verknüpfung der Vorteile der Stauaufladung mit den Vorteilen der Stoßaufladung, was zu einem besonders effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine in zumindest nahezu ihrem gesamten Kennfeld führt. Dadurch kann die Verbrennungskraftmaschine mit einem nur geringen Kraftstoffverbrauch betrieben werden, was mit geringen CO2-Emissionen einhergeht.Thus, the internal combustion engine according to the invention makes it possible to combine the advantages of accumulation charging with the advantages of supercharging, which leads to particularly efficient operation of the internal combustion engine in at least almost its entire characteristic field. As a result, the internal combustion engine can be operated with only low fuel consumption, which is associated with low CO 2 emissions.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist, dass die fluidische Trennung bzw. Zusammenführung der einzelnen Spiralkanäle zumindest nahezu unmittelbar stromauf des Turbinenrads stattfindet. Mit anderen Worten wird das Abgas in besonders enger Nähe zu dem Turbinenrad in den Aufnahmeraum eingespeist, Dies führt zu einer besonders vorteilhaften Anströmung des Turbinenrads von dem Abgas. Außerdem ist dadurch in der Stoßaufladestellung eine besonders effiziente Stoßaufladung der Verbrennungskraftmaschine darstellbar, was ihrem effizienten Betrieb zugute kommt.Another advantage of the internal combustion engine according to the invention is that the fluidic separation or merging of the individual spiral channels at least almost immediately upstream takes place of the turbine wheel. In other words, the exhaust gas is fed into the receiving space in particularly close proximity to the turbine wheel. This leads to a particularly advantageous flow of the turbine wheel from the exhaust gas. In addition, a particularly efficient supercharging of the internal combustion engine is thereby represented in the Stoßaufladestellung what their efficient operation benefits.
Die Stelleinrichtung stellt darüber hinaus vorteilhafterweise die Funktionalität bereit, mittels den Sperrkörpern die Austrittsquerschnitte, welche auch als Strömungsdüsenflächen bezeichnet werden, direkt vor dem Turbinenrad zur Drallerzeugung variabel einstellen zu können. Mit anderen Worten ist es möglich, die Austrittsquerschnitte durch Bewegen der Sperrkörper relativ zu dem Turbinengehäuse zu vergrößern und demgegenüber zu verkleinern. So können die Austrittsquerschnitte und damit die Turbine besonders effizient an eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebspunkten sowie an eine Vielzahl von unterschiedlichen Abgasmassenströmen der Verbrennungskraftmaschine effizient und bedarfsgerecht angepasst werden.In addition, the adjusting device advantageously provides the functionality of being able to variably set the outlet cross-sections, which are also referred to as flow nozzle surfaces, directly in front of the turbine wheel by means of the blocking bodies. In other words, it is possible to increase the outlet cross-sections by moving the locking body relative to the turbine housing and to reduce it in contrast. Thus, the outlet cross sections and thus the turbine can be adapted to a variety of different operating points as well as to a variety of different exhaust gas mass flows of the internal combustion engine efficiently and as needed.
Der für den Aufstau des Abgases (Strömungsaufstau) mitbestimmende Turbinenradaustrittsquerschnitt stromab des Turbinenrads, der im Stoßaufladebetrieb temporär nur Anteile des Gesamtturbinenradaustrittsquerschnitts für die ankommenden Druckpulse nutzen kann, wird durch die kontinuierliche Umschaltung bzw. den kontinuierlichen Übergang vom Stoßaufladebetrieb zum Stauaufladebetrieb auch temporär dann zumindest nahezu vollständig durchströmbar, wodurch der Ausnutzungsgrad des Turbinenradaustrittsquerschnitts über eine solche Mittelung der Stauaufladung über die Stelleinrichtung stromauf des Turbinenrads quasi seinen vollen Wert von zumindest nahezu 100% erhält.The for the accumulation of the exhaust gas (Strömungsaufstau) co-determining turbine outlet cross section downstream of the turbine, which can temporarily only use portions of the Gesamtturbinenradaustrittsquerschnitts for the incoming pressure pulses in the shock charging operation is also temporary then at least almost completely by the continuous switching or the continuous transition from Stoßaufladebetrieb to accumulation charging operation permeable, whereby the degree of utilization of the turbine wheel outlet cross-section over such an average of the accumulation of charge via the adjusting device upstream of the turbine wheel quasi its full value of at least almost 100% receives.
Somit ist durch die Stelleinrichtung stromauf des Turbinenrads nicht nur eine sogenannte Radeintrittsvariabilität geschaffen. Vielmehr ist auch bei dem beispielsweise als geometrisch nicht verstellbaren Festgeometrie-Turbinenrad eine effektive, kontinuierliche Turbinenradaustrittsquerschnittsvariabilität der Ausmittelung der Segmente über die im Turbinenradeintrittsbereich verursachte Stauaufladung bzw. Pulsationsglättung erreicht.Thus, not only a so-called Radeintrittsvariabilität is created by the adjusting device upstream of the turbine wheel. Rather, an effective, continuous turbine wheel outlet cross-section variability of the averaging out of the segments via the charge accumulation or pulsation smoothing caused in the turbine wheel inlet region is also achieved in the case of the solid geometry turbine wheel that can not be adjusted geometrically, for example.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein erster der Spiralkanäle mit einer Mehrzahl von ersten Brennräumen, d. h. mit wenigstens zwei ersten Brennräumen, der Verbrennungskraftmaschine fluidisch verbunden. So kann Abgas aus der Mehrzahl der ersten Brennräume in den ersten Spiralkanal ein- und diesen durchströmen. Der zweite Spiralkanal ist dabei ausschließlich mit einem einzigen zweiten Brennraum der Verbrennungskraftmaschine fluidisch verbunden. Dies bedeutet, dass der erste Spiralkanal fluidisch nicht mit dem zweiten Brennraum verbunden ist. Daraus folgt, dass lediglich das Abgas aus dem zweiten Brennraum in den zweiten Spiralkanal ein- und diesen durchströmen kann, während das Abgas aus den ersten Brennräumen lediglich in den ersten Spiralkanal ein- und diesen durchströmen kann. Dadurch können besonders hohe Abgasrückführraten dargestellt werden. Dies bedeutet, dass besonders hohe Mengen an Abgas von dem Abgastrakt zu einem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine rückgeführt und in den Ansaugtrakt eingeleitet werden können. Das Abgas kann bei in den Brennräumen ablaufenden Verbrennungsvorgängen als Inertgas wirken und dadurch die Entstehung von Stickoxiden (NOx) in einem sehr geringen Rahmen halten.In an advantageous embodiment of the invention, a first of the spiral channels with a plurality of first combustion chambers, that is, with at least two first combustion chambers of the internal combustion engine fluidly connected. Thus, exhaust gas from the plurality of first combustion chambers in the first spiral channel and flow through this. The second spiral channel is fluidly connected exclusively to a single second combustion chamber of the internal combustion engine. This means that the first spiral channel is not fluidically connected to the second combustion chamber. It follows that only the exhaust gas from the second combustion chamber in the second spiral channel and this can flow through, while the exhaust gas from the first combustion chambers only in the first spiral channel and this can flow through. As a result, particularly high exhaust gas recirculation rates can be represented. This means that particularly high amounts of exhaust gas can be recirculated from the exhaust gas tract to an intake tract of the internal combustion engine and introduced into the intake tract. The exhaust gas can act as an inert gas in the combustion processes occurring in the combustion chambers and thereby keep the formation of nitrogen oxides (NO x ) in a very small frame.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sind die ersten Sperrkörper zwischen der Stoßaufladestellung und der Stauaufladestellung in Umfangsrichtung des Turbinenrads über dessen Umfang um die Drehachse verschiebbar. Diese Verschiebbarkeit in Umfangsrichtung über die Drehachse des Turbinenrads stellt eine sehr vorteilhafte Bewegungsart der Stelleinrichtung bzw. der ersten Sperrkörper dar, was den Bauraumbedarf der Turbine besonders gering hält. Dies ist insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie in einem Motorraum des beispielsweise als Personenkraftwagen ausgebildeten Kraftwagens von Vorteil. Dadurch können Package-Probleme gelöst und/oder vermieden werden.In a further advantageous embodiment, the first blocking body between the Stoßaufladestellung and the Staufaufladestellung in the circumferential direction of the turbine wheel over the circumference of the axis of rotation are displaceable. This displaceability in the circumferential direction over the axis of rotation of the turbine wheel represents a very advantageous type of movement of the adjusting device or the first locking body, which keeps the space requirement of the turbine particularly low. This is particularly advantageous in a space-critical area, such as in an engine compartment of the motor vehicle designed, for example, as a passenger car. This can solve and / or avoid package issues.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, auch eine axiale Verstellbarkeit der Stelleinrichtung bzw. der ersten Sperrkörper vorzusehen. Dies bedeutet, dass die ersten Sperrkörper zusätzlich oder alternativ auch zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung des Turbinenrads verschiebbar sein können. Dadurch ist ein weiterer Freiheitsgrad geschaffen, mittels welchem eine besonders hohe Variabilität und mannigfaltige Einstellbarkeit der Stelleinrichtung realisierbar ist.Alternatively or additionally, it is also possible to provide an axial adjustability of the adjusting device or of the first blocking body. This means that the first blocking bodies can additionally or alternatively also be displaceable at least substantially in the axial direction of the turbine wheel. As a result, a further degree of freedom is created by means of which a particularly high variability and varied adjustability of the adjusting device can be realized.
Die ersten Sperrkörper können zumindest im Wesentlichen zungenförmig bzw. tragflächenförmig ausgebildet sein. Die Stelleinrichtung ist somit als sogenannter Zungenschieber ausgebildet, deren Sperrkörper (Zungen) in Umfangsrichtung über den Umfang des Turbinenrads um die Drehachse verschoben werden können. Die Sperrkörper (Zungen) werden dabei in einem Ringkanal verschoben, welcher sich in Umfangsrichtung des Turbinenrads über dessen Umfang erstreckt. Die fluidische Verbindung der Spiralkanäle in der Stauaufladestellung der Sperrkörper erfolgt dabei in dem Ringkanal und somit zumindest nahezu unmittelbar stromauf des Turbinenrads, was dessen Anströmung von dem Abgas zugute kommt.The first blocking body may be at least substantially tongue-shaped or wing-shaped. The adjusting device is thus designed as a so-called tongue slider whose locking body (tongues) can be displaced in the circumferential direction over the circumference of the turbine wheel about the axis of rotation. The blocking bodies (tongues) are displaced in an annular channel which extends in the circumferential direction of the turbine wheel over its circumference. The fluidic connection of the spiral channels in the accumulation charging position of the blocking body takes place in the annular channel and thus at least almost immediately upstream of the turbine wheel, which benefits its flow from the exhaust gas.
Darüber hinaus weist der Zungenschieber eine besonders geringe Komplexität auf. Dies kommt seiner Robustheit zugute. Dies bedeutet, dass der Zungenschieber eine hohe Funktionserfüllungssicherheit auch über eine hohe Lebensdauer hinweg und bei hohen Abgastemperaturen gewährleisten kann. In addition, the tongue slider has a particularly low complexity. This benefits his robustness. This means that the tongue slider can ensure a high functional performance safety even over a long service life and at high exhaust gas temperatures.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sind die ersten Brennräume mittels wenigstens eines Abgasverrohrungselements insbesondere eines Abgaskrümmers, des Abgastrakts fluidisch zusammengeführt, wobei eine Abgasrückführeinrichtung vorgesehen ist. Die Abgasrückführeinrichtung umfasst wenigstens eine Abgasrückführleitung, welche einenends an einer Einleitstelle mit dem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine und andernends an einer Abzweigstelle mit dem Abgasverrohrungselement fluidisch verbunden ist. Dadurch kann Abgas an der Abzweigstelle abgezweigt, von dem Abgastrakt zum Ansaugtrakt rückgeführt und an der Einleitstelle in den Ansaugtrakt eingeleitet werden. Durch das Zusammenführen der ersten Brennräume sind besonders hohe Abgasrückführraten, d. h. besonders hohe Mengen an rückzuführendem Abgas darstellbar. So können insbesondere die Stickoxid- und Partikel-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine gering gehalten werden.In a further advantageous embodiment, the first combustion chambers are fluidically brought together by means of at least one exhaust gas piping element, in particular an exhaust manifold, of the exhaust gas tract, wherein an exhaust gas recirculation device is provided. The exhaust gas recirculation device comprises at least one exhaust gas recirculation line which is fluidically connected at one end to the intake tract of the internal combustion engine at a point of introduction and at the other end at a branching point to the exhaust gas piping element. As a result, exhaust gas can be branched off at the branching point, be recirculated from the exhaust tract to the intake tract and introduced into the intake tract at the point of introduction. By merging the first combustion chambers are particularly high exhaust gas recirculation rates, d. H. particularly high amounts of recirculating exhaust gas can be displayed. In particular, the nitrogen oxide and particle emissions of the internal combustion engine can be kept low.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist den ersten Sperrkörpern jeweils zumindest ein zweiter Sperrkörper zugeordnet, welcher sich in axialer Richtung an den zugeordneten ersten Sperrkörper anschließt. Mit anderen Worten folgt auf den ersten Sperrkörper jeweils wenigstens ein zweiter Sperrkörper. Dabei ist vorgesehen, dass sich die ersten Sperrkörper und die zweiten Sperrkörper hinsichtlich ihrer Erstreckung in Umfangrichtung des Turbinenrads über dessen Umfang voneinander unterscheiden. Die Stelleinrichtung ist dabei in axialer Richtung des Turbinenrads zwischen einer ersten Stellung, in welcher die Austrittsquerschnitte mittels der ersten Sperrkörper einstellbar sind, und wenigstens einer zweiten Stellung, in welcher die Austrittsquerschnitte mittels der zweiten Sperrkörper einstellbar sind, verstellbar. Dies bedeutet, dass in der ersten Stellung die Austrittsquerschnitte der Spiralkanäle durch Verschieben der ersten Sperrkörper in Umfangsrichtung variabel einstellbar sind. In der zweiten Stellung sind die Austrittsquerschnitte durch Verschieben der zweiten Sperrkörper in Umfangsrichtung um die Drehachse des Turbinenrads variabel einstellbar. Zum Verstellen der Stelleinrichtung zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung sind die Sperrkörper axial verschiebbar. Dadurch ist eine besonders hohe Variabilität der Stelleinrichtung dargestellt, wobei die ersten Sperrkörper (erste Zungen) und die zweiten Sperrkörper (zweite Zungen) hinsichtlich ihrer Größe unterschiedlich ausgebildet sind.In an advantageous embodiment of the invention, the first blocking bodies are each assigned at least one second blocking body, which adjoins the associated first blocking body in the axial direction. In other words, in each case at least one second blocking body follows on the first blocking body. It is provided that the first locking body and the second locking body differ from each other in terms of their extent in the circumferential direction of the turbine wheel over its circumference. The adjusting device is adjustable in the axial direction of the turbine wheel between a first position in which the outlet cross sections are adjustable by means of the first locking body, and at least one second position in which the outlet cross sections are adjustable by means of the second locking body. This means that in the first position, the outlet cross-sections of the spiral channels by moving the first locking body in the circumferential direction are variably adjustable. In the second position, the outlet cross sections can be variably adjusted by displacing the second blocking body in the circumferential direction about the axis of rotation of the turbine wheel. For adjusting the adjusting device between the first position and the second position, the locking body are axially displaceable. Characterized a particularly high variability of the adjusting device is shown, wherein the first locking body (first tongues) and the second locking body (second tongues) are formed differently in size.
Beispielsweise sind die ersten Sperrkörper kleiner ausgebildet als die zweiten Sperrkörper und ermöglichen somit einen relativ großen Strömungsdurchgang bzw. Austrittsquerschnitte der Spiralkanäle. Die zweiten Sperrkörper sind gegenüber den ersten Sperrkörpern größer ausgebildet und ermöglichen demzufolge einen demgegenüber kleineren Strömungsdurchgang bzw. Austrittsquerschnitte der Spiralkanäle. Dadurch ist eine Hintereinanderschaltung der verschieden großen Sperrkörper (Zungen) dargestellt. Dadurch kann die Turbine der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine besonders variabel und bedarfsgerecht an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden. Dies kommt dem effizienten und kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb der erfindungsgemäßes Verbrennungskraftmaschine zugute.For example, the first locking body are formed smaller than the second locking body and thus allow a relatively large flow passage or outlet cross-sections of the spiral channels. The second blocking bodies are designed to be larger than the first blocking bodies and accordingly permit a flow passage or exit cross-sections of the spiral channels which is smaller in comparison. As a result, a series connection of differently sized blocking body (tongues) is shown. As a result, the turbine of the internal combustion engine according to the invention can be adapted particularly variably and as needed to different operating points of the internal combustion engine. This benefits the efficient and fuel-efficient operation of the internal combustion engine according to the invention.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Turbinenrad wenigstens eine Laufradschaufel mit einer Radkante auf, wobei die Radkante einen sich zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung erstreckenden ersten Längenbereich, einen sich an den ersten Längenbereich anschließenden zweiten Längenbereich und einen sich an den zweiten Längenbereich anschließenden dritten Längenbereich aufweist. Dabei schließen der zweite Längenbereich und der erste Längenbereich einen von 180° unterschiedlichen Winkel ein. Ebenso schließen der zweite Längenbereich und der dritte Längenbereich einen von 180° unterschiedlichen Winkel miteinander ein. Bevorzugt ist vorgesehen, dass sich der dritte Längenbereich zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung des Turbinenrads erstreckt. Durch diese Ausgestaltung sind besonders vorteilhafte Strömungsbedingungen geschaffen, so dass das Abgas das Turbinenrad besonders effizient anströmen sowie abströmen kann.In a further advantageous embodiment, the turbine wheel has at least one impeller blade with a wheel edge, the wheel edge having a first longitudinal region extending at least substantially in the axial direction, a second longitudinal region adjoining the first longitudinal region and a third longitudinal region adjoining the second longitudinal region having. In this case, the second length range and the first length range include an angle different from 180 °. Similarly, the second length range and the third length range include an angle different from 180 ° with each other. It is preferably provided that the third longitudinal region extends at least substantially in the radial direction of the turbine wheel. By virtue of this embodiment, particularly advantageous flow conditions are created so that the exhaust gas can flow and flow off the turbine wheel in a particularly efficient manner.
Bevorzugt ist mittels wenigstens eines Teilbereichs des ersten Längenbereichs eine Anströmkante gebildet, über welche das Turbinenrad von dem Abgas insbesondere in radialer Richtung anströmbar ist. Ferner sind bevorzugt mittels des zweiten Längenbereichs und des dritten Längenbereichs jeweilige Abströmkanten gebildet, über welche das Turbinenrad von dem Abgas abströmbar ist. Dadurch sind besonders vorteilhafte Strömungsbedingungen geschaffen.Preferably, an inflow edge is formed by means of at least a portion of the first length region, via which the turbine wheel of the exhaust gas, in particular in the radial direction can be flowed. Furthermore, by means of the second length region and the third longitudinal region, respective outflow edges are preferably formed, via which the turbine wheel can be flowed off the exhaust gas. As a result, particularly advantageous flow conditions are created.
Bei einer weiteren vorteilhäften Ausführungsform der Erfindung ist in einem Turbinenradaustrittsbereich, d. h. stromab des Turbinenrads, eine weitere Stelleinrichtung angeordnet, mittels welcher der Turbinenradaustrittsquerschnitt variabel einstellbar ist. Die weitere Stelleinrichtung stellt dabei eine von der Stelleinrichtung separate Radaustrittsvariabilität dar. Mittels der durch die Stelleinrichtung dargestellten Radeintrittsvariabilität und der durch die weitere Stelleinrichtung dargestellten Radaustrittsvariabilität kann die Turbine der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine besonders effizient, bedarfsgerecht und flexibel an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden.In a further advantageous embodiment of the invention, a further adjusting device is arranged in a turbine wheel outlet region, ie downstream of the turbine wheel, by means of which the turbine wheel outlet cross section is variably adjustable. In this case, the further adjusting device constitutes a wheel outlet variability that is separate from the adjusting device. The turbine of the invention can be produced by means of the wheel inlet variability represented by the adjusting device and the wheel outlet variability represented by the further adjusting device Internal combustion engine particularly efficient, needs-based and flexible adapted to different operating points of the internal combustion engine.
Mittels der weiteren Stelleinrichtung ist es somit möglich, den sogenannten effektiven Turbinenradaustrittsquerschnitt im Stauaufladebetrieb sowie im Stoßaufladebetrieb hinsichtlich seiner Strömungsfläche variabel einzustellen, so dass das Abgas eine variabel einstellbare Strömungsfläche zum Abströmen von dem Turbinenrad nutzen kann.By means of the further adjusting device, it is thus possible to variably set the so-called effective turbine outlet cross section in the accumulation charging mode as well as in the shock charging mode with respect to its flow area, so that the exhaust gas can use a variably adjustable flow area for the outflow of the turbine wheel.
Vorteilhafterweise ist die weitere Stelleinrichtung zum Einstellen des Turbinenradaustrittsquerschnitts in axialer Richtung verschiebbar. Dadurch kann der Turbinenradaustrittsquerschnitt effizient und bedarfsgerecht eingestellt werden. Darüber hinaus weist die Stelleinrichtung somit eine besonders geringe Komplexität auf, was mit einer hohen Robustheit und damit mit einer sehr hohen Funktionserfüllungssicherheit einhergeht.Advantageously, the further adjusting device for adjusting the turbine wheel outlet cross-section in the axial direction is displaceable. As a result, the turbine wheel outlet cross section can be set efficiently and as needed. In addition, the adjusting device thus has a particularly low complexity, which is associated with a high degree of robustness and thus with a very high functional performance reliability.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung erstreckt sich zumindest einer der ersten Sperrkörper und/oder zumindest einer der zweiten Sperrkörper in Umfangsrichtung des Turbinenrads über dessen Umfang über einen Umschlingungswinkel, wobei der Umschlingungswinkel in einem Bereich von einschließlich 35° bis einschließlich 55° liegt. Einerseits können dadurch die Austrittsquerschnitte der Spiralkanäle vorteilhaft eingestellt werden, was der vorteilhaften Anpassbarkeit der Turbine an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine zugute kommt. Andererseits können die Spiralkanäle dadurch zum Darstellen des Stauaufladebetriebs vorteilhaft miteinander fluidisch verbunden werden, so dass auch ein besonders effizienter Stauaufladebetrieb durchführbar ist.In a further advantageous embodiment, at least one of the first blocking body and / or at least one of the second blocking body extends in the circumferential direction of the turbine wheel over its circumference over a wrap angle, wherein the wrap angle is in a range of from 35 ° to 55 ° inclusive. On the one hand, the outlet cross sections of the spiral channels can thereby be advantageously set, which benefits the advantageous adaptability of the turbine to different operating points of the internal combustion engine. On the other hand, the spiral channels can thereby be advantageously fluidly connected to one another to represent the accumulation charging operation, so that a particularly efficient accumulation charging operation can also be carried out.
Zur Darstellung des Stauaufladebetriebs ist beispielsweise vorgesehen, dass die ersten bzw. gegebenenfalls die zweiten Sperrkörper so weit in die jeweiligen Austrittsquerschnitte der Spiralkanäle hineinbewegt werden, dass ein Zusammenwirken der Sperrkörper mit die Spiralkanäle begrenzenden Wandungen, wodurch die Spiralkanäle fluidisch voneinander getrennt werden, aufgehoben ist.To illustrate the accumulation charging operation, it is provided, for example, that the first or possibly the second blocking bodies are moved into the respective outlet cross sections of the spiral channels so far that interaction of the blocking bodies with walls delimiting the spiral channels, whereby the spiral channels are fluidically separated from each other, is canceled.
Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine birgt darüber hinaus den Vorteil, dass durch die Verstellbarkeit der Stelleinrichtung besonders hohe Durchsatzspreizungen möglich sind, wobei eine Umblaseeinrichtung, mittels welcher das Turbinenrad von Abgas zu umgehen und so nicht anzutreiben ist, entfallen kann bzw. nicht vorgesehen ist. Eine solche Abblaseeinrichtung, welche auch als Umgehungseinrichtung bezeichnet wird, führt falls keine entsprechenden Gegenmaßnahmen getroffen sind – zu unerwünscht hohen Verlusten, da das das Turbinenrad umgebende Abgas energetisch nicht genutzt wird. Bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist eine solche Abblaseeinrichtung (Umgehungseinrichtung) nicht vonnöten und nicht vorgesehen, was die Verluste und damit den Energiebedarf zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine gering hält. Gleichzeitig sind auch hohe Durchsatzspreizungen darstellbar.The internal combustion engine according to the invention also has the advantage that particularly high throughput spreads are possible by the adjustability of the adjusting device, wherein a Umblaseeinrichtung, by means of which the turbine of exhaust gas to bypass and so is not driven, can be omitted or is not provided. Such a blow-off device, which is also referred to as a bypass device, leads if no appropriate countermeasures are taken - to undesirably high losses, since the exhaust gas surrounding the turbine is energetically not used. In the internal combustion engine according to the invention such a blow-off device (bypass device) is not required and not provided, which keeps the losses and thus the energy required to operate the internal combustion engine low. At the same time, high throughput spreads are also possible.
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.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.
Die Zeichnung zeigt in:The drawing shows in:
Die
Während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine
In dem Ansaugtrakt
Aus den Verbrennungsvorgängen in den Zylindern
Zur Einstellung einer gewünschten rückzuführenden Menge des Abgases umfasst die Abgasrückführeinrichtung
Daraus ist es ersichtlich, dass die erste Flut
Die Abgasverrohrungen
Im Abgastrakt
Nach Antreiben des Turbinenrads
Wie in Zusammenschau mit den übrigen
Das Turbinengehäuse
Darüber hinaus weist das Turbinengehäuse
Die Spiralkanäle
Darüber hinaus sind in der
Wie der
Die Turbine
Die Zungen
Die Zungen
Beträgt φ beispielsweise 0°, wobei sich die Zungen
Gemäß
In der
In der
Ragen die Zungen
Wie anhand der
Bei Übergang von der Stoßaufladung zur Stauaufladung durch Verstellen der Zungen
Analoges trifft auf einen Turbinenradaustrittsquerschnitt A2 zu, über welchen das Turbinenrad
Gewisse Auslegungen können es jedoch erfordern, eine weitere Vergrößerung, insbesondere eine jetzt geometrische Querschnittsvergrößerung des Turbinenradaustrittsquerschnitts A2 durchzuführen, um den Maximaldurchsatz durch die Turbine
Die
Dreht man beispielsweise ausgehend von der Drehstellung der Zungen
Den
Die
Die
Wie den Diagrammen
Die Zungenschieber gemäß
Durch einfaches Auswechseln des Zungenschiebers lässt sich eine merkliche Änderung des Turbinenverhaltens erzeugen, wobei sowohl die Stoßaufladung als auch die Stauaufladung durchführbar ist. Mit dieser relativ einfachen Maßnahme können optimale Anpassungen von Turbinen von Abgasturboladern an zugeordnete Verbrennungskraftmaschinen unterschiedlicher Leistung vollzogen werden, wodurch die Ausstattung von Leistungsvarianten der Verbrennungskraftmaschinen mit der gleichen Basisturbine und dementsprechend angepassten Zungenschiebern sehr kostengünstig erfolgen kann.By simply replacing the tongue slider, a noticeable change in turbine behavior can be produced, with both burst charging and accumulation charging feasible. With this relatively simple measure optimal adjustments of turbines can be made by exhaust gas turbochargers to associated internal combustion engines of different performance, whereby the equipment of performance variants of the internal combustion engines with the same base turbine and accordingly adapted tongue slides can be done very cheaply.
Die
Wie der
In dem Diagramm
Im Stoßaufladebetrieb hingegen ergibt sich neben den Düsensegmenten im Absolutsystem auch die vollständige Trennung der Segmente des Turbinenrads
Wie anhand des weiteren Diagramms
Mit anderen Worten ergibt sich bei dem Stauaufladebetrieb der optimale Düsenquerschnitt
Die
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- DE 102008039085 A1 [0006] DE 102008039085 A1 [0006]
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