DE102011121868A1 - Turbine e.g. radial turbine, for turbocharger of e.g. Otto engine of passenger car, has control device variably adjusting flow cross-section that is independent of fluidic connection and separation of vents, which supply gas to wheel - Google Patents
Turbine e.g. radial turbine, for turbocharger of e.g. Otto engine of passenger car, has control device variably adjusting flow cross-section that is independent of fluidic connection and separation of vents, which supply gas to wheel Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.The invention relates to a turbine for an exhaust gas turbocharger specified in the preamble of
Die aktuelle und wohl auch zukünftige Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen führt dazu, die Verbrennungskraftmaschinen mittels jeweiliger Abgasturbolader aufzuladen. Dies trifft sowohl auf Ottomotoren wie auch auf Dieselmotoren zu. Um den Kraftstoffverbrauch und damit die CO2-Emissionen besonders gering zu halten, werden die Verbrennungskraftmaschinen nach dem sogenannten Downsizing-Prinzip ausgestaltet. Dabei weisen die Verbrennungskraftmaschinen ein nur relativ geringes Motorvolumen auf, können jedoch sehr hohe Leistungen und Drehmomente bereitstellen. Aufgrund der daraus resultierenden, hohen spezifischen Leistungen wachsen auch die Anforderungen an Aufladeeinrichtungen zum Aufladen der Verbrennungskraftmaschinen stetig. Dabei ist dem Zielkonflikt zwischen den aus dem Downsizing resultierenden, hohen Aufladegraden und einem erwünschten Instationärverhalten zur Darstellung akzeptabler Fahrverhalten der Verbrennungskraftmaschinen zu begegnen.The current and probably future development of internal combustion engines leads to charge the internal combustion engines by means of respective exhaust gas turbocharger. This applies to both gasoline engines and diesel engines. In order to keep the fuel consumption and thus the CO 2 emissions particularly low, the internal combustion engines are designed according to the so-called downsizing principle. In this case, the internal combustion engines only a relatively small engine volume, but can provide very high power and torque. Due to the resulting high specific performance, the requirements for charging devices for charging the internal combustion engines are growing steadily. Here, the conflict of objectives between the resulting from the downsizing, high Aufladegraden and a desired instationärverhalten to represent acceptable driving behavior of the internal combustion engines to meet.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Turbinen für Abgasturbolader bekannt, die ein Turbinengehäuse umfassen. Das Turbinengehäuse weist einen Aufnahmeraum für ein Turbinenrad der Turbine sowie wenigstens zwei von Abgas durchströmbare Fluten auf. Über die Fluten ist dem Turbinenrad das Abgas zuführbar, so dass das Abgas das Turbinenrad antreiben kann.Turbines for exhaust gas turbochargers comprising a turbine housing are known from the general state of the art. The turbine housing has a receiving space for a turbine wheel of the turbine and at least two floods through which exhaust gas can flow. The exhaust gas can be supplied to the turbine wheel via the floods so that the exhaust gas can drive the turbine wheel.
Ferner ist es bekannt, dass die Turbine eines Abgasturboladers ein Stellelement umfasst, welches zwischen einer Trennstellung und wenigstens einer Verbindungsstellung verstellbar ist. Mittels des Stellelements sind die Fluten zumindest in einem Teilbereich in der Trennstellung fluidisch voneinander getrennt und in der Verbindungsstellung zumindest in einem Teilbereich fluidisch miteinander verbunden.Furthermore, it is known that the turbine of an exhaust gas turbocharger comprises an adjusting element, which is adjustable between a disconnected position and at least one connecting position. By means of the adjusting element, the floods are fluidically separated from each other at least in a partial area in the separating position and are fluidically connected to one another in the connecting position, at least in a partial area.
Wird eine solche Turbine beispielsweise bei einer Verbrennungskraftmaschine mit vier Zylindern verwendet, so werden jeweils zwei der Zylinder mit lediglich einer der Fluten der Turbine fluidisch verbunden, wodurch das Abgas aus den jeweiligen zwei Zylindern zusammengeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass Volumina und Strömungsquerschnitte von Auslassventilen der Verbrennungskraftmaschine bis zum Eintritt der Turbine sehr klein sind. So kann die kinetische Energie des Abgases hinsichtlich einer Stoßaufladung sehr effizient genutzt werden.If such a turbine is used, for example, in a four-cylinder internal combustion engine, two of the cylinders are respectively fluidly connected to only one of the turbine's flows, whereby the exhaust gas from the respective two cylinders is brought together. This has the advantage that volumes and flow cross sections of exhaust valves of the internal combustion engine are very small up to the entry of the turbine. Thus, the kinetic energy of the exhaust gas can be used very efficiently with regard to an impact charge.
Andererseits führt diese sogenannte Zylinderzusammenfassung, wobei sich das Abgas der zusammengeführten Zylinder nicht gegenseitig beeinflusst, dazu, dass Restgas sehr vorteilhaft aus den Zylindern ausgespült werden kann.On the other hand, this so-called cylinder summary, wherein the exhaust gas of the merged cylinder does not influence each other, to the fact that residual gas can be very advantageously flushed out of the cylinders.
Ein Nachteil von mehrflutigen Turbinen ist jedoch, dass die kleinen Volumina sowie die sehr geringen Strömungsquerschnitte, welche sich im Bereich geringer Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine noch positiv insbesondere auf die Bereitstellung von hohen Drehmomenten sowie auf das Instationärverhalten auswirken können, bei hohen Drehzahlen und/oder Leistungen der Verbrennungskraftmaschine meist zu klein sind. Daraus resultieren dann hohe Abgasgegendrücke und hohe spezifische Kraftstoffverbräuche. Um diesem Problem entgegenzutreten, ist das Stellelement vorgesehen, mittels welchem die Fluten fluidisch miteinander verbunden werden können. Diese bekannten Turbinen weisen jedoch eine weiter verbesserungswürdige Betreibbarkeit auf.A disadvantage of multi-flow turbines, however, is that the small volumes and the very small flow cross sections, which can still have a positive effect on the provision of high torques and the instationary behavior in the range of low speeds of the internal combustion engine, at high speeds and / or benefits of Internal combustion engine are usually too small. This results in high exhaust back pressures and high specific fuel consumption. To counteract this problem, the adjusting element is provided, by means of which the floods can be fluidly connected to each other. However, these known turbines have a further improvement in operability.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine für einen Abgasturbolader der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Turbine besonders effizient betreibbar ist.It is an object of the present invention, a turbine for an exhaust gas turbocharger of the type mentioned in such a way that the turbine is particularly efficient operable.
Diese Aufgabe wird durch eine Turbine für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a turbine for an exhaust gas turbocharger having the features of
Eine solche Turbine für einen Abgasturbolader umfasst ein Turbinengehäuse. Das Turbinengehäuse weist einen Aufnahmeraum auf, in welchem ein Turbinenrad der Turbine zumindest bereichsweise aufgenommen ist. Das Turbinengehäuse weist ferner wenigstens zwei Fluten auf, über welche dem Turbinenrad Abgas zum Antreiben des Turbinenrads zuführbar ist.Such a turbine for an exhaust gas turbocharger comprises a turbine housing. The turbine housing has a receiving space in which a turbine wheel of the turbine is received at least partially. The turbine housing further has at least two floods, via which exhaust gas for driving the turbine wheel can be fed to the turbine wheel.
Die Turbine umfasst wenigstens eine zwischen einer Trennstellung und wenigstens einer Verbindungsstellung verstellbaren Stelleinrichtung, mittels welcher wenigstens ein die Fluten in der Trennstellung fluidisch voneinander trennender und in der Verbindungsstellung fluidisch miteinander verbindender, erster Strömungsquerschnitt einstellbar ist.The turbine comprises at least one adjusting device adjustable between a disconnected position and at least one connecting position, by means of which at least one first flow cross-section is fluidically separable from one another and fluidically interconnecting in the connecting position.
Erfindungsgemäß ist mittels der Stelleinrichtung auch ein von dem Abgas durchströmbarer und von der fluidischen Verbindung und Trennung der Fluten unabhängiger, weiterer Strömungsquerschnitt der Turbine variabel einstellbar. Der einstellbare, weitere Strömungsquerschnitt wird auch als effektiver Strömungsquerschnitt der Turbine bezeichnet.According to the invention, by means of the adjusting device, a further flow cross-section of the turbine through which the exhaust gas can flow and which is independent of the fluidic connection and separation of the flows can be variably set. The adjustable, further flow cross section is also referred to as the effective flow cross section of the turbine.
Die erfindungsgemäße Turbine weist zum einen den Vorteil auf, dass sie die Darstellung besonders geringer Volumina und Strömungsquerschnitte von einem Auslass wenigstens eines Brennraums, insbesondere eines Zylinders, einer Verbrennungskraftmaschine bis zum Turbinenradeintritt ermöglicht, wenn sich das die Stelleinrichtung in ihrer Trennstellung befindet. So kann die kinetische Energie des Abgases effizient zum Antreiben des Turbinenrads genutzt werden, so dass die Verbrennungskraftmaschine effizient und effektiv aufladbar ist. Insbesondere ist es dadurch möglich, die zugeordnete Verbrennungskraftmaschine besonders ausgeprägt nach dem geschilderten Downsizing-Prinzip auszugestalten. Dies führt zu einem besonders geringen Gewicht der Verbrennungskraftmaschine. Dennoch kann die Verbrennungskraftmaschine besonders hohe Leistungen und Drehmomente bereitstellen, da sie mittels des Abgasturboladers mit der erfindungsgemäßen Turbine stark aufgeladen werden kann. Dazu umfasst der Abgasturbolader auch einen Verdichter mit einem Verdichterrad, welches von dem Turbinenrad der erfindungsgemäßen Turbine antreibbar ist.The turbine according to the invention has, on the one hand, the advantage that it permits the representation of particularly small volumes and flow cross sections from an outlet of at least one combustion chamber, in particular of a cylinder, an internal combustion engine until the turbine wheel inlet allows when the actuator is in its release position. Thus, the kinetic energy of the exhaust gas can be efficiently utilized for driving the turbine wheel, so that the internal combustion engine is efficiently and effectively rechargeable. In particular, this makes it possible to design the associated internal combustion engine particularly pronounced according to the described downsizing principle. This leads to a particularly low weight of the internal combustion engine. Nevertheless, the internal combustion engine can provide particularly high power and torque, since it can be heavily charged by means of the exhaust gas turbocharger with the turbine according to the invention. For this purpose, the exhaust gas turbocharger also comprises a compressor with a compressor wheel which can be driven by the turbine wheel of the turbine according to the invention.
Die fluidische Trennung der Fluten der erfindungsgemäßen Turbine ermöglicht somit die Darstellung einer sogenannten Stoßaufladung, bei welcher Abgasstöße bzw. Abgasimpulse zum effizienten und effektiven Antreiben der Turbine genutzt werden.The fluidic separation of the floods of the turbine according to the invention thus enables the representation of a so-called surge charging, in which exhaust gas pulses or exhaust gas pulses are used for efficient and effective driving of the turbine.
Weist die Verbrennungskraftmaschine eine Mehrzahl von Zylindern auf, so können wenigstens zwei erste der Zylinder mit einer ersten der Fluten der Turbine fluidisch verbunden werden, während wenigstens zwei weitere Zylinder der Verbrennungskraftmaschine mit der zweiten Flut der erfindungsgemäßen Turbine fluidisch verbunden werden können. Das Abgas aus den jeweiligen, zusammengeführten Zylindern beeinflusst sich dabei nicht gegenseitig, insbesondere aufgrund einer Auslassventilüberschneidung. Dadurch kann insbesondere Restgas besonders effizient und effektiv aus den Zylindern gespült werden, was zu einer geringen Klopfneigung der Verbrennungskraftmaschine führt.If the internal combustion engine has a plurality of cylinders, then at least two first cylinders can be fluidly connected to a first one of the turbine passages, while at least two further cylinders of the internal combustion engine can be fluidically connected to the second turbine of the turbine according to the invention. The exhaust gas from the respective, merged cylinders does not influence each other, in particular due to an exhaust valve overlap. As a result, in particular residual gas can be flushed out of the cylinders particularly efficiently and effectively, which leads to a low tendency for the internal combustion engine to knock.
Zusätzlich sind durch die Flutentrennung der erfindungsgemäßen Turbine in der Trennstellung vorteilhafte Betriebsstrategien möglich, wie beispielsweise ein gezieltes Durchspülen der Zylinder mit Frischluft (das sogenannte Scavenging-Verfahren). Diese Betriebsstrategien führen zu einem vorteilhaften Betriebsverhalten der Verbrennungskraftmaschine, so dass die Verbrennungskraftmaschine auch bei geringen Drehzahlen relativ hohe Drehmomente bereitstellen kann. Dies führt zu einem geringen Kraftstoffverbrauch sowie zu geringen CO2-Emissionen.In addition, the flow separation of the turbine according to the invention in the disconnected position advantageous operating strategies are possible, such as a targeted flushing of the cylinder with fresh air (the so-called scavenging method). These operating strategies lead to an advantageous operating behavior of the internal combustion engine, so that the internal combustion engine can provide relatively high torques even at low speeds. This leads to low fuel consumption and low CO 2 emissions.
Ein weiterer Vorteil der relativ kleinen Volumina und Strömungsquerschnitte ist, dass dadurch ein sehr vorteilhaftes Instationärverhalten der Turbine möglich ist. Dies kommt einer sehr guten Fahrbarkeit der Verbrennungskraftmaschine zugute. Mit anderen Worten ist dadurch ein sehr gutes Hochlaufverhalten der Turbine realisiert, beispielsweise bei Fahrzeugbeschleunigungen, wobei das sogenannte Turboloch zumindest im Wesentlichen vermieden werden kann. Dabei weist die erfindungsgemäße Turbine auch bei relativ geringen Abgasdurchsatzwerten hohe Wirkungsgrade auf.A further advantage of the relatively small volumes and flow cross sections is that this makes possible a very advantageous instationary behavior of the turbine. This benefits a very good drivability of the internal combustion engine. In other words, thereby a very good run-up behavior of the turbine is realized, for example in vehicle accelerations, wherein the so-called turbo lag can be at least substantially avoided. In this case, the turbine according to the invention has high efficiencies even at relatively low exhaust gas flow rates.
Die erfindungsgemäße Turbine kann jedoch auch bei demgegenüber hohen Abgasdurchsatzwerten effizient und damit wirkungsgradgünstig betrieben werden, da mittels der Stelleinrichtung die Fluten in der Verbindungsstellung fluidisch miteinander verbunden sind.However, the turbine according to the invention can also be operated efficiently and therefore with low efficiency, even if the exhaust gas flow rates are high, since the floods in the connection position are fluidically connected to one another by means of the adjusting device.
Durch das Verstellen der Stelleinrichtung von der die Stoßaufladung ermöglichenden Trennstellung in die Verbindungsstellung ist ein Stauaufladebetrieb der Turbine und damit des Abgasturboladers ermöglicht. Durch das fluidische Verbinden der Fluten stehen gegenüber der Trennstellung größere Strömungsquerschnitte und Volumina für das Abgas zur Verfügung, was den Druck stromauf des Turbinenrads bzw. der Turbine und somit den Abgasgegendruck gering hält. Dadurch können die eingangs genannten Probleme der wenigstens zweiflutigen Turbine, welche bei relativ hohen Abgasdurchsatzwerten zu einem unerwünscht hohen Abgasgegendruck und damit zu unerwünscht hohen Kraftstoffverbräuchen führen kann, vermieden werden. Mit anderen Worten wird die Stelleinrichtung in Betriebsbereichen geringer Drehzahlen und/oder Leistungen der Verbrennungskraftmaschine in ihre Trennstellung verstellt, so dass die Fluten fluidisch voneinander getrennt sind. Dadurch werden die Vorteile einer zweiflutigen Turbine wirksam, welche die Darstellung auch sehr hoher Drehmomente bei geringen Drehzahlen ermöglicht und ein vorteilhaftes Instationärverhalten aufweist.By adjusting the actuator of the thrust charging enabling separation position in the connection position is a congestion charging operation of the turbine and thus the exhaust gas turbocharger allows. Due to the fluidic connection of the floods, larger flow cross sections and volumes for the exhaust gas are available with respect to the separating position, which keeps the pressure upstream of the turbine wheel or the turbine and thus the exhaust backpressure low. As a result, the problems of the at least twin-flow turbine mentioned at the outset, which can lead to an undesirably high exhaust gas counterpressure and thus to undesirably high fuel consumption at relatively high exhaust gas flow rates, can be avoided. In other words, the adjusting device is adjusted in operating ranges of low speeds and / or powers of the internal combustion engine in its disconnected position, so that the floods are fluidly separated from each other. As a result, the advantages of a twin-flow turbine are effective, which allows the representation of very high torque at low speeds and has an advantageous transient behavior.
Bei demgegenüber höheren Drehzahlen und/oder Leistungen der Verbrennungskraftmaschine wird die Stelleinrichtung in ihre Verbindungsstellung verstellt, so dass bei hohen Abgasdurchsatzwerten und somit bei hohen, die Turbine durchströmenden Abgasmassenströmen unerwünscht hohe Abgasgegendrücke und somit unerwünscht hohe Kraftstoffverbräuche vermieden werden.In contrast, higher speeds and / or performance of the internal combustion engine adjusting device is adjusted to its connection position, so that at high exhaust gas flow rates and thus at high exhaust gas mass flows flowing through the turbine undesirably high exhaust back pressures and thus undesirable high fuel consumption can be avoided.
Die erfindungsgemäße Turbine weist somit eine sehr hohe Durchsatzspreizung auf, was insbesondere bei einem Ottomotor als Verbrennungskraftmaschine vorteilhaft ist. Insbesondere bei einem Ottomotor kommt es zu einer hohen Spreizung der Abgasmassenströme, woran die erfindungsgemäße Turbine bedarfsgerecht und effizient angepasst werden kann.The turbine according to the invention thus has a very high throughput spread, which is advantageous in particular in a gasoline engine as an internal combustion engine. In particular, in a gasoline engine there is a high spread of the exhaust gas mass flows, to which the turbine according to the invention can be adapted as needed and efficiently.
Die erfindungsgemäße Turbine weist eine besonders hohe Durchsatzspreizung auf, da auch der effektive Strömungsquerschnitt mittels der Stelleinrichtung bedarfsgerecht und zumindest im Wesentlichen optimal einstellbar und so an unterschiedliche Abgasmassenströme anpassbar ist. Somit ist der effektive Strömungsquerschnitt sowohl auf einen besonders geringen Wert als auch auf einen besonders großen Wert einstellbar, so dass die erfindungsgemäße Turbine effizient sowohl von sehr hohen Abgasmassenströmen als auch von sehr geringen Abgasmassenströmen durchströmt und angetrieben werden kann.The turbine according to the invention has a particularly high throughput spread, as well as the effective flow cross-section by means of the adjusting device as needed and at least substantially optimally adjustable and so to different Exhaust gas mass flows can be adjusted. Thus, the effective flow cross-section is adjustable to a particularly low value as well as to a particularly large value, so that the turbine according to the invention can be efficiently flowed through and driven both by very high exhaust gas mass flows and by very low exhaust gas mass flows.
Die erfindungsgemäße Turbine ist vorzugsweise als Radialturbine ausgebildet, bei welcher das Turbinenrad zumindest im Wesentlichen radial von dem Abgas angeströmt wird. Die Turbine kann auch als Mixed-Flow-Turbine ausgebildet sein, bei welcher das Turbinenrad schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung von dem Abgas angeströmt wird.The turbine according to the invention is preferably designed as a radial turbine, in which the turbine wheel is at least substantially flowed radially from the exhaust gas. The turbine can also be designed as a mixed-flow turbine, in which the turbine wheel is flowed obliquely to the axial direction and obliquely to the radial direction of the exhaust gas.
Zum Einstellen des ersten Strömungsquerschnitts und des weiteren Strömungsquerschnitts kann die Verstelleinrichtung jeweilige Stellelemente umfassen. Vorzugsweise ist sowohl der erste Strömungsquerschnitt als auch der weitere Strömungsquerschnitt mittels lediglich eines einzigen Stellelements der Verstelleinrichtung einstellbar. Dies hält die Teileanzahl und den Bauraumbedarf gering.For adjusting the first flow cross section and the further flow cross section, the adjusting device may comprise respective adjusting elements. Preferably, both the first flow cross section and the further flow cross section can be adjusted by means of only a single actuating element of the adjusting device. This keeps the number of parts and the space required low.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist stromauf des Turbinenrads wenigstens ein Leitelement vorgesehen, mittels welchem das zum Aufnahmeraum strömende Abgas ableitbar ist. Dadurch kann das Turbinenrad strömungsgünstig von dem Abgas angeströmt werden, was mit einem effizienten und wirkungsgradgünstigen Betrieb der erfindungsgemäßen Turbine einhergeht.In an advantageous embodiment, at least one guide element is provided upstream of the turbine wheel, by means of which the exhaust gas flowing to the receiving space can be diverted. As a result, the turbine wheel can be streamlined against the exhaust gas, which is accompanied by an efficient and efficient operation of the turbine according to the invention.
Vorteilhafterweise ist eine Mehrzahl von Leitelementen, insbesondere Leitschaufeln, vorgesehen, welche in Umfangsrichtung des Turbinenrads über dessen Umfang zumindest im Wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Dadurch kann das Turbinenrad über dessen Umfang besonders effizient und strömungsgünstig von dem Abgas angeströmt werden.Advantageously, a plurality of guide elements, in particular guide vanes, are provided, which are arranged distributed in the circumferential direction of the turbine wheel over its circumference at least substantially uniformly. As a result, the turbine wheel can be flowed over the circumference thereof in a particularly efficient and streamlined manner by the exhaust gas.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Stelleinrichtung wenigstens ein Stellelement, mittels welchem zum Einstellen des weiteren Strömungsquerschnitts das Leitelement in Strömungsrichtung des Abgases lediglich auf einer Seite des Leitelements zumindest teilweise überdeckbar. Dabei ist das Leitelement vorzugsweise auf einer dem Turbinenrad abgewandten Seite mittels des ersten Stellelements zumindest teilweise überdeckbar. Infolge der lediglich einseitigen Überdeckung des Leitelements mittels des der Stelleinrichtung bzw. deren Stellelements können sogenannte Sekundärströmungsverluste vermieden oder sehr gering gehalten werden. Dies kommt dem effizienten Betrieb der erfindungsgemäßen Turbine zugute.In an advantageous embodiment of the invention, the adjusting device comprises at least one adjusting element, by means of which for adjusting the further flow cross-section, the guide element in the flow direction of the exhaust gas only at least partially coverable on one side of the guide element. In this case, the guide element is preferably at least partially coverable on a side facing away from the turbine wheel by means of the first control element. As a result of the only one-sided overlap of the guide element by means of the adjusting device or its actuator so-called secondary flow losses can be avoided or kept very low. This benefits the efficient operation of the turbine according to the invention.
Das Stellelement ist vorzugsweise ein sogenannter Axialschieber der Stelleinrichtung, welcher in axialer Richtung der Turbine relativ zu dem Turbinengehäuse verschiebbar ist. Der Axialschieber weist einen relativ einfachen Aufbau auf. Dies führt zu einer hohen Robustheit insbesondere gegenüber der Beaufschlagung mit hohen Temperaturen, woraus eine hohe Funktionserfüllungssicherheit der Turbine und damit des Abgasturboladers resultiert.The adjusting element is preferably a so-called axial slide of the adjusting device, which is displaceable in the axial direction of the turbine relative to the turbine housing. The axial slide has a relatively simple structure. This leads to a high degree of robustness, in particular with regard to the application of high temperatures, resulting in a high functional reliability of the turbine and thus of the exhaust gas turbocharger.
Der Axialschieber ist auch besonders robust gegenüber Druckpulsationen des Abgases, welche insbesondere bei der Stoßaufladung vorkommen. Ferner können dadurch der Bauraumbedarf und die Kosten der erfindungsgemäßen Turbine in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden.The axial slide is also particularly robust against pressure pulsations of the exhaust gas, which occur especially in the impact charge. Furthermore, thereby the space requirement and the cost of the turbine according to the invention can be kept in a particularly small scope.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Stelleinrichtung zwischen einer den weiteren Strömungsquerschnitt fluidisch maximal verengenden Sperrstellung und wenigstens einer den weiteren Strömungsquerschnitt demgegenüber freigebenden Freigabestellung verstellbar, wobei die Stelleinrichtung in seine Trennstellung verstellt ist, wenn die Stelleinrichtung auch in ihre Sperrstellung verstellt ist. Mit anderen Worten sind die Fluten zumindest in dem Teilbereich fluidisch voneinander getrennt, wenn auch der weitere Strömungsquerschnitt der Turbine maximal verengt ist. Das Abgas kann somit nicht zwischen den Fluten überströmen. Die erfindungsgemäße Turbine weist dann besonders kleine Volumina und Strömungsquerschnitte auf, was zu einem sehr guten Betrieb bei geringen Abgasmassenströmen bei geringen Drehzahlen und/oder Leistungen der Verbrennungskraftmaschine führt.In a further advantageous embodiment of the invention, the adjusting device is adjustable between a fluidically maximally narrowing the further flow cross-blocking position and at least one further flow cross-section releasing release position, wherein the adjusting device is moved to its release position when the actuator is also adjusted in its blocking position. In other words, the floods are at least fluidically separated from one another in the subregion, even if the further flow cross section of the turbine is maximally constricted. The exhaust gas can thus not flow over between the floods. The turbine according to the invention then has particularly small volumes and flow cross sections, which leads to a very good operation with low exhaust gas mass flows at low speeds and / or powers of the internal combustion engine.
Kommt es ausgehend von einem Betriebspunkt, an welchem relativ geringe Abgasmassenströme vorliegen, zu einer Änderung des Betriebspunkts der Verbrennungskraftmaschine hin zu höheren Abgasmassenströmen, so weist die erfindungsgemäße Turbine ein besonders vorteilhaftes Hochlaufverhalten und somit ein sehr gutes Instationärverhalten auf, wodurch das sogenannte Turboloch vermieden werden kann. Mit anderen Worten kann die erfindungsgemäße Turbine bzw. ihr Turbinenrad sehr gut beschleunigt werden.If, starting from an operating point at which relatively low exhaust gas mass flows are present, a change in the operating point of the internal combustion engine to higher exhaust gas mass flows, the turbine according to the invention has a particularly advantageous run-up behavior and thus a very good transient behavior, whereby the so-called turbo lag can be avoided , In other words, the turbine according to the invention or its turbine wheel can be accelerated very well.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das fluidische Verbinden der Fluten, d. h. ausgehend von der Trennstellung in Richtung der Verbindungsstellung, mit einem Freigeben des Strömungsquerschnitts, d. h. mit einem sukzessiven Vergrößern des weiteren Strömungsquerschnitts einhergeht.It is preferably provided that the fluidic connection of the floods, d. H. starting from the disconnected position in the direction of the connection position, with a release of the flow cross-section, d. H. is accompanied by a successive enlargement of the further flow cross-section.
Vorteilhafterweise ist die Stelleinrichtung auch in wenigstens eine erste Zwischenstellung zwischen der Sperrstellung und der Freigabestellung verstellbar. In der ersten Zwischenstellung ist der erste Strömungsquerschnitt fluidisch freigegeben, jedoch gegenüber der Sperrstellung verengt ist. Vorteilhafterweise ist die Stelleinrichtung in eine Mehrzahl von ersten Zwischenstellungen zumindest im Wesentlichen kontinuierlich verstellbar.Advantageously, the adjusting device is adjustable in at least a first intermediate position between the locking position and the release position. In the first intermediate position is the first flow cross section fluidly released, but is narrowed relative to the blocking position. Advantageously, the adjusting device is at least substantially continuously adjustable in a plurality of first intermediate positions.
Vorzugsweise ist die Stelleinrichtung in wenigstens eine zweite Zwischenstellung zwischen der Trennstellung und der Verbindungsstellung verstellbar, wobei der erste Strömungsquerschnitt in der zweiten Zwischenstellung gegenüber der Verbindungsstellung verengt und gegenüber der Trennstellung vergrößert ist. Die Stelleinrichtung ist vorzugsweise in eine Mehrzahl von zweiten Zwischenstellungen zumindest im Wesentlichen kontinuierlich verstellbar.Preferably, the adjusting device is adjustable in at least one second intermediate position between the separating position and the connecting position, wherein the first flow cross-section is narrowed in the second intermediate position relative to the connecting position and enlarged relative to the separating position. The adjusting device is preferably at least substantially continuously adjustable in a plurality of second intermediate positions.
Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass mit einer Verkleinerung des weiteren Strömungsquerschnitts auch eine Verkleinerung des ersten Strömungsquerschnitts einhergeht und umgekehrt.It is preferably provided that with a reduction of the further flow cross-section also a reduction of the first flow cross section is accompanied and vice versa.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist die Turbine, insbesondere das Turbinengehäuse, wenigstens einen stromauf des Turbinenrads angeordneten Zusatzraum auf, in welchen Abgas aus den Fluten einleitbar ist und welcher zum Einleiten von Abgas in den Zusatzraum mittels der Stelleinrichtung freigebbar und zum Verhindern des Einleitens von Abgas in den Zusatzraum mittels der Stelleinrichtung fluidisch absperrbar ist. Infolge des Freigebens des Zusatzraums, so dass Abgas aus beiden Fluten in den Zusatzraum einströmen kann, weist die Turbine besonders große Volumina (Strömungsvolumina) auf, was insbesondere bei hohen Abgasmassenströmen vorteilhaft ist. Dadurch kann der Abgasgegendruck gering gehalten werden, was zu geringen Kraftstoffverbräuchen und somit zu geringen CO2-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine führt.In a further advantageous embodiment, the turbine, in particular the turbine housing, at least one arranged upstream of the turbine wheel additional space in which exhaust gas from the floods can be introduced and which can be released for introducing exhaust gas into the additional space by means of the actuator and to prevent the introduction of exhaust gas the additional space is fluidically shut off by means of the adjusting device. As a result of the release of the additional space, so that exhaust gas from both floods can flow into the additional space, the turbine has particularly large volumes (flow volumes), which is particularly advantageous at high exhaust gas mass flows. As a result, the exhaust backpressure can be kept low, resulting in low fuel consumption and thus low CO 2 emissions of the internal combustion engine.
Vorzugsweise ist die Stelleinrichtung in zumindest teilweise dem Zusatzraum aufgenommen. Somit wird der ohnehin vorhandene Zusatzraum sowohl zum Aufnehmen des einen der Stellglieder als auch zur Darstellung besonders großer Strömungsvolumina der erfindungsgemäßen Turbine genutzt. Dies kommt dem geringen Bauraumbedarf der erfindungsgemäßen Turbine zugute. Der Zusatzraum kann auch als Pulsationsdämpfer verwendet werden, welcher Abgasstöße abdämpft.Preferably, the adjusting device is received in at least partially the additional space. Thus, the already existing additional space is used both for receiving one of the actuators and for displaying particularly large flow volumes of the turbine according to the invention. This is beneficial to the low space requirement of the turbine according to the invention. The additional space can also be used as a pulsation damper, which dampens exhaust fumes.
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. Dabei dienen die
Die Zeichnung zeigt in:The drawing shows in:
Die
Die Turbine
Der Abgasturbolader umfasst auch einen Verdichter mit einem Verdichterrad, welches ebenso drehfest mit der Welle
Wie in Zusammenschau mit der
Weist die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise einen ersten Zylinder, einen zweiten Zylinder, einen dritten Zylinder und einen vierten Zylinder auf, so sind der erste Zylinder und der vierte Zylinder fluidisch mit der ersten Flut
Stromauf des Turbinenrads
Wie insbesondere der
Die Turbine
Wird der in axialer Richtung der Turbine
Zum Verstellen des Axialschiebers
Die
Der Axialschieber
In der Verbindungsstellung sind die Fluten
Dies bedeutet, dass in der Verbindungsstellung ein Überströmen von Abgas aus der ersten Flut
Dabei ist die Sperrstellung des Axialschiebers
Die Überströmquerschnitte A1, A2 werden in der Freigabestellung des Axialschiebers
Zwischen dem Verschiebeweg des Axialschiebers
Dies bedeutet, dass durch Verschieben des Axialschiebers
Der Axialschieber
Die
Ausgehend von der Sperrstellung
Die
Zur Darstellung sehr großer Strömungsquerschnitte und Strömungsvolumina der Turbine
Befindet sich der Axialschieber
Das relativ große Volumen des Verstellraums
Die Turbine
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