DE102012016167A1

DE102012016167A1 - Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen sowie Kraftwagen mit einer solchen Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102012016167A1
Application number: DE201210016167
Authority: DE
Inventors: Siegfried Sumser; Patrick Nisius; Thomas Streule
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-08-14
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2014-02-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (10) für einen Kraftwagen, mit einer in einem Abgastrakt (20) der Verbrennungskraftmaschine (10) angeordnete, ersten Turbine (28), welche ein von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) antreibbares, erstes Turbinenrad (36) umfasst, mit einer in dem Abgastrakt (20) stromab der ersten Turbine (28) angeordneten, zweiten Turbine (32), welche ein von dem Abgas antreibbares, zweites Turbinenrad (40) umfasst, und mit einer Umgehungseinrichtung (54), welche wenigstens eine Umgehungsleitung (56) umfasst, mittels welcher das erste Turbinenrad (36) von Abgas zu umgehen ist und mittels welcher das das erste Turbinenrad (36) über die Umgehungsleitung (56) umgehende Abgas zumindest teilweise dem zweiten Turbinenrad (40) zuführbar ist, wobei die zweite Turbine (32) ein Turbinengehäuse (112) mit wenigstens zwei sich in Umfangsrichtung des zweiten Turbinenrads (40) zumindest teilweise über dessen Umfang erstreckende, zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte und in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Strömungssegmente (48, 50, 52, 114) zum Führen des Abgases zu dem zweiten Turbinenrad (40) aufweist, wobei das das erste Turbinenrad (36) umgehende Abgas mittels der Umgehungsleitung (56) in zumindest eines der Strömungssegmente (48, 50, 52, 114) einführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie einen Kraftwagen mit einer solchen Verbrennungskraftmaschine.
Bei mittels Abgasturboladern aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine für Kraftwagen ist es herkömmlicherweise vorgesehen, zur Realisierung eines agilen Fahrverhalten sowie zur Realisierung hoher, stationärer und von der Verbrennungskraftmaschine bereitzustellender Drehmomente Turbinen der Abgasturbolader mit relativ kleinen, von Abgas durchströmbaren Eintrittsdüsenflächen und Radausströmungsflächen auszugestalten. Mit anderen Worten sind jeweilige, von dem Abgas durchströmbare Strömungsquerschnitte der Turbinen sehr klein, um die hohen Drehmomente sowie das agile Fahrverhalten zu ermöglichen.
Um einen Abgasgegendruck für die Verbrennungskraftmaschinen infolge derartig kleiner Strömungsquerschnitte gering zu halten, werden sogenannte Abblasevorrichtungen verwendet, welche üblicherweise auch als Umgehungseinrichtungen bezeichnet werden. Über die Umgehungseinrichtungen kann ein jeweiliges Turbinenrad der Turbine von Abgas umgangen werden. Mit anderen Worten kann zumindest ein Teil des Abgases das Turbinenrad über die Umgehungseinrichtung umgehen, ohne das Turbinenrad anzutreiben. Mittels einer solchen Umgehungseinrichtung ist somit eine Strömungsflächen- oder Strömungsquerschnittsvergrößerung darstellbar.
Insbesondere bei Ottomotoren reichen sogenannte Eintrittsvariabilitäten, d. h. stromauf des Turbinenrads angeordnete Verstelleinrichtungen zum Einstellen des Strömungsquerschnitts stromauf des Turbinenrads für die gesamte Volllastlinie nicht aus, um gewünscht große Strömungsquerschnitte bzw. Strömungsflächen zu realisieren, so dass auch zusätzlich aufgrund einer eingeschränkten Durchsatzfähigkeit des Turbinenrads ein nicht kleiner Abblasebereich im Kennfeld notwendig werden kann.
Insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen, welche besonders ausgeprägt nach dem sogenannten Downsizing-Prinzip ausgestaltet sind und dementsprechend geringe Hubvolumina aufweisen und dennoch aufgrund hoher Aufladegrade sehr hohe spezifische Leistungen und Drehmomente bereitstellen können, kommen zunehmend zweistufige Aufladesysteme mit zwei seriell zueinander geschalteten Turbinen zum Einsatz. Dabei wird eine in Strömungsrichtung erste der Turbinen als Hochdruck-Turbine bezeichnet, während die stromab der ersten Turbine angeordnete Turbine als Niederdruck-Turbine bezeichnet wird. Dies ist der Fall, da der Druck des Abgases stromauf der ersten Turbine höher ist als stromab der ersten Turbine und stromauf der zweiten Turbine. Herkömmlicherweise werden bei diesen Hochdruck-Turbinen schon bei relativ geringen Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine, bezogen auf die Drehzahl, bei der das maximale Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt wird, sehr hohe Abblaseraten bzw. Umgehungsraten vorgesehen, um ein befriedigendes und agiles Fahrverhalten bei derartig stark aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen realisieren zu können.
Falls keine entsprechenden Maßnahmen getroffen sind, wirkt sich das Umgehen des Turbinenrads durch Abgas negativ auf den Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine aus, da im das Turbinenrad umgehenden Abgas enthaltene Energie ungenutzt verlorengeht.
Um die im das Turbinenrad umgehenden Abgas enthaltene Energie dennoch nutzen zu können, sind Verbrennungskraftmaschinen bekannt, welche eine in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnete, erste Turbine als die Hochdruck-Turbine mit einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbaren, ersten Turbinenrad sowie eine in dem Abgastrakt stromab der ersten Turbine angeordnete, zweite Turbine als die Niederdruck-Turbine mit einem von dem Abgas antreibbaren, zweiten Turbinenrad umfassen. Ferner ist eine Umgehungseinrichtung vorgesehen, welche wenigstens eine Umgehungsleitung umfasst, mittels welcher das erste Turbinenrad von Abgas zu umgehen ist und mittels welcher das das erste Turbinenrad über die Umgehungsleitung umgehende Abgas zumindest teilweise dem zweiten Turbinenrad zuführbar ist.
Dadurch ist es möglich, die im das erste Turbinenrad umgehenden Abgas enthaltene Energie zumindest teilweise zu nutzen, um das zweite Turbinenrad anzutreiben. Derartige Verbrennungskraftmaschinen sind beispielsweise der DE 10 2005 046 507 A1 und der DE 198 37 978 A1 als bekannt zu entnehmen. Dabei ist eine effiziente und gleichzeitig besonders einfache und kostengünstige Nutzung der im das erste Turbinenrad umgehenden Abgas enthaltenen Energie wünschenswert.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennungskraftmaschine sowie einen Kraftwagen mit einer solchen Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher im das erste Turbinenrad umgehenden Abgas enthaltene Energie zumindest teilweise besonders effizient sowie gleichzeitig einfach und kostengünstig genutzt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen Kraftwagen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, bei welcher die in dem das erste Turbinenrad umgehenden Abgas enthaltene Energie besonders effizient sowie auf einfache und kostengünstige Weise nutzbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die zweite Turbine ein Turbinengehäuse mit wenigstens zwei sich in Umfangsrichtung des Turbinenrads zumindest teilweise über dessen Umfang erstreckenden, zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennten und in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten Strömungssegmenten zum Führen des Abgases zu dem zweiten Turbinenrad aufweist, wobei das das erste Turbinenrad über die Umgehungsleitung umgehende Abgas mittels der Umgehungsleitung in eines der Strömungssegmente einführbar ist.
Die zweite Turbine ist somit als Mehrsegment-Turbine ausgebildet, welche es ermöglich, die im das erste Turbinenrad umgehenden Abgas enthaltene Energie effizient zu nutzen und in mechanische Energie umzuwandeln, indem das das erste Turbinenrad umgehende Abgas das zweite Turbinenrad antreibt. Die Umgehungsleitung ist dabei stromab des ersten Turbinenrads fluidisch mit dem Strömungssegment verbunden, so dass das die Umgehungsleitung durchströmende Abgas aus der Umgehungsleitung aus- und in das entsprechende Strömungssegment einströmen kann. Über dieses Strömungssegment wird das Abgas aus der Umgehungsleitung dann dem zweiten Turbinenrad zugeführt, so dass das Abgas das zweite Turbinenrad antreiben und die im Abgas enthaltene Energie genutzt werden kann.
Die zweite Turbine ermöglicht dabei auch die Darstellung einer sogenannten Drallabblasung. Dies bedeutet, dass dem das erste Turbinenrad über die Umgehungsleitung umgehende Abgas infolge seiner Zuführung über das entsprechende Strömungssegment der zweiten Turbine zu dem zweiten Turbinenrad eine zumindest im Wesentlichen drallförmige Strömung aufgeprägt werden kann, so dass das Abgas aus der Umgehungsleitung das zweite Turbinenrad besonders effizient und vorteilhaft antreiben kann. Hierdurch ist eine sogenannte Dralleinblasung des Abgases aus der Umgehungsleitung in die zweite Turbine, d. h. zu dem zweiten Turbinenrad realisierbar, so dass Exergie des Abgases durch die Dralleinblasung in die zweite Turbine in Drallgeschwindigkeit umgesetzt und mittels des zweiten Turbinenrads besonders verlustarm in mechanische Arbeit umgesetzt werden kann. So ist es möglich, einen der zweiten Turbine zugeordneten Verdichter besonders effizient anzutreiben, um somit die Verbrennungskraftmaschine mit verdichteter Luft zu versorgen. Die als Mehrsegment-Turbine ausgebildete zweite Turbine ermöglicht dabei eine besonders kostengünstige Darstellung einer solchen Dralleinblasung.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die zweite Turbine eine Verstelleinrichtung auf, mittels welcher jeweilige, von dem Abgas durchströmbare Strömungsquerschnitte der Strömungssegmente einstellbar sind. Ein die Umgehungsleitung durchströmender und in das entsprechende Strömungssegment der zweiten Turbine einströmender Massenstrom des das erste Turbinenrad umgehenden Abgases kann somit mittels der Verstelleinrichtung der zweiten Turbine bedarfsgerecht eingestellt werden, so dass zusätzliche und separate Ventilelemente vermieden werden können. Durch die Verstelleinrichtung ist eine variable Turbinengeometrie der zweiten Turbine gebildet, so dass die zweite Turbine auch bedarfsgerecht an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine und somit an unterschiedliche Massenströme des Abgases angepasst werden kann. Dies führt zu einem besonders effizienten Betrieb der zweiten Turbine.
Zur Realisierung einer besonders kostengünstigen sowie robusten Einstellbarkeit der Strömungsquerschnitte ist bei einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass den Strömungssegmenten jeweils wenigstens ein Verstellelement der Verstelleinrichtung zugeordnet ist, wobei die Verstellelemente zum Einstellen des jeweiligen Strömungsquerschnitts in Umfangsrichtung des zweiten Turbinenrads zumindest teilweise über dessen Umfang relativ zu dem Turbinengehäuse der zweiten Turbine verschiebbar sind. Bei den Verstellelementen handelt es sich um Sperrkörper, mittels welchen die jeweiligen Strömungsquerschnitte der Strömungssegmente bedarfsgerecht einstellbar sind. Hierdurch kann die zweite Turbine auf kostengünstige Weise besonders bedarfsgerecht und flexibel an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine und somit an unterschiedliche Randbedingungen angepasst werden.
Bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist ein zweistufiges Aufladesystem realisierbar, wobei der ersten Turbine ein erster Verdichter eines ersten Abgasturboladers und der zweiten Turbine ein zweiter Verdichter eines zweiten Abgasturboladers zugeordnet ist. Der erste Verdichter ist dabei von der ersten Turbine antreibbar, während der zweite Verdichter von der zweiten Turbine antreibbar ist. Die Verdichter dienen zum Verdichten von der Verbrennungskraftmaschine zuzuführenden Luft, wobei zum Verdichten der Luft im Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltene Energie zumindest teilweise genutzt werden kann. Dies führt zu einem besonderes effizienten und somit kraftstoffverbrauchs- und emissionsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine.
Die Verstelleinrichtung mit den verschiebbaren Verstellelementen (Sperrkörper) ermöglicht auch die Darstellung eines besonders kostengünstigen sowie gleichzeitig effizienten Drallerzeugers. Mit anderen Worten ermöglichen es die Verstellelemente, dem die Strömungselemente durchströmenden Abgas eine besonders vorteilhafte, zumindest im Wesentlichen drallförmige Strömung aufzuprägen, so dass das zweite Turbinenrad besonderes effizient antreibbar ist.
Die Sperrkörper können dabei, insbesondere hinsichtlich ihres Querschnitts, zumindest im Wesentlichen tragflächenförmig ausgebildet sein und so die Strömung des Abgases besonders gut beeinflussen. Bei dieser Verstelleinrichtung handelt es sich um einen sogenannten Zungenschieber, dessen Sperrkörper auch als Zungen bezeichnet werden und relativ zu dem Turbinengehäuse der zweiten Turbine um eine zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung des zweiten Turbinenrads verlaufende Schwenkachse verschwenkt, d. h. verschoben werden können. Diese Schwenkachse, um die die Zungen (Sperrkörper) verschiebbar sind, ist vorzugsweise eine Drehachse des weiteren Turbinenrads, um die das zweite Turbinenrad relativ zum Turbinengehäuse der zweiten Turbine drehbar gelagert ist. Hierdurch ist eine besonders bauraumgünstige Bewegbarkeit der Sperrkörper realisiert.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Verstellelemente unabhängig voneinander verschiebbar sind. Dadurch ist es möglich, die jeweiligen Strömungsquerschnitte der Strömungssegmente unabhängig voneinander einzustellen. Mit anderen Worten kann jeweils eines der Verstellelemente relativ zum Turbinengehäuse der zweiten Turbine verschoben werden, während das jeweils andere Verstellelement nicht verschoben wird. Die Verstellelemente sind somit relativ zueinander bewegbar.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind wenigstens zwei zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte Fluten vorgesehen, über welche der ersten Turbine das Abgas zuführbar ist. Die Umgehungsleitung ist dabei stromauf des ersten Turbinenrads mit einer ersten der Fluten fluidisch verbunden. Die Umgehungseinrichtung weist wenigstens eine zweite Umgehungsleitung auf, mittels welcher das erste Turbinenrad von Abgas aus der zweiten Flut zu umgehen ist und das das erste Turbinenrad über die zweite Umgehungsleitung umgehende Abgas in eines der Strömungssegmente einführbar ist.
Mit anderen Worten ist die zweite Umgehungsleitung stromauf des ersten Turbinenrads mit der zweiten Flut fluidisch verbunden, während die erste Umgehungsleitung stromauf des ersten Turbinenrads fluidisch mit der ersten Flut verbunden ist. Somit kann sowohl Abgas aus der ersten Flut als auch Abgas aus der zweiten Flut das erste Turbinenrad umgehen. Hierdurch ist eine bedarfsgerechte und besonders große Strömungsflächenvergrößerung realisierbar, so dass der Abgastrakt stromab der Verbrennungskraftmaschine von einem besonders großen Massenstrom an Abgas durchströmt werden kann. Dadurch kann der Abgasgegendruck für die Verbrennungskraftmaschine gering gehalten werden. Ferner kann mittels der zweiten Turbine auch im Abgas aus der zweiten Flut enthaltene Energie besonders effizient und auf kostengünstige Weise genutzt werden, um das zweite Turbinenrad anzutreiben.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das das erste Turbinenrad über die erste Umgehungsleitung umgehende Abgas mittels der ersten Umgehungsleitung in eines der Strömungssegmente und das das erste Turbinenrad über die zweite Umgehungsleitung umgehende Abgas mittels der zweiten Umgehungsleitung in das andere Strömungssegment einführbar ist. Jeweilige Abgasströme aus den jeweiligen Fluten können somit zumindest im Wesentlichen getrennt voneinander über die jeweiligen Strömungssegmente dem zweiten Turbinenrad zugeführt werden, wodurch das zweite Turbinenrad besonders effizient angetrieben werden kann.
Auch das Abgas aus der zweiten Flut kann dem zweiten Turbinenrad mit einer zumindest im Wesentlichen drallförmigen Strömung zugeführt werden, so dass im Abgas aus der zweiten Flut enthaltene Energie verlustarm in mechanische Energie umgewandelt werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Turbine ein das erste Turbinenrad aufnehmendes Turbinengehäuse umfasst, welches zwei in axialer Richtung des ersten Turbinenrads nebeneinander angeordnete und zumindest teilweise fluidisch voneinander getrennte Strömungskanäle zum Führen des Abgases zu dem ersten Turbinenrad aufweist, wobei eine der Fluten mit einem der Strömungskanäle und die andere Flut mit dem anderen Strömungskanal fluidisch verbunden ist. Die erste Turbine ist somit als zweiflutige Turbine ausgebildet, so dass das Abgas dem ersten Turbinenrad strömungstechnisch besonders gut zugeführt werden kann.
Die Strömungskanäle der ersten Turbine können dabei insbesondere hinsichtlich ihres jeweiligen, von Abgas durchströmbaren Strömungsquerschnitts asymmetrisch zueinander ausgebildet sein. Dies ist insbesondere bei Nutzkraftwagen vorteilhaft und ermöglicht eine sehr gute Abstimmbarkeit hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und der Stickoxidemissionen (NO_x-Emissionen) durch entsprechende Dimensionierung der Strömungsquerschnitte. Die Strömungskanäle der ersten Turbine können auch zumindest im Wesentlichen symmetrisch zueinander ausgebildet sein, was insbesondere bei der Verwendung der Verbrennungskraftmaschine zum Antreiben von Personenkraftwagen vorteilhaft sein kann.
Zur Realisierung besonders geringer Kosten sowie einer besonders hohen Robustheit ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die erste Turbine als Festgeometrieturbine ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass die erste Turbine keine variable Turbinengeometrie und somit keine Verstellelemente zum Einstellen von von Abgas durchströmbaren Strömungsquerschnitten der ersten Turbine aufweist. Die beiden Turbinen können dennoch eine besonders vorteilhafte Einstellbarkeit, d. h. eine besonders vorteilhafte Regelbarkeit oder Steuerbarkeit aufweisen, da sie insbesondere durch die Verstelleinrichtung der zweiten Turbine an unterschiedliche Betriebspunkte und somit an unterschiedliche Abgasmassenströme bedarfsgerecht anpassbar sind.
Zur Erfindung gehört auch ein Kraftwagen mit einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine, mittels welcher der Kraftwagen antreibbar ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kraftwagens anzusehen und umgekehrt. Aufgrund der effizienten sowie gleichzeitig einfachen und kostengünstigen Nutzbarkeit der im das erste Turbinenrad umgehenden Abgas enthaltenen Energie kann der Kraftwagen mit einem nur sehr geringen Kraftstoffverbrauch und somit mit geringen CO₂-Emissionen angetrieben werden. Gleichzeitig können die Kosten des Kraftwagens gering gehalten werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgastrakt, in welchem zwei seriell zueinander geschaltete Turbinen eines jeweiligen Abgasturboladers angeordnet sind, wobei die in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgastrakt zweite der Turbinen als Mehrsegment-Turbine ausgebildet ist;
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine; und
3 ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Mehrsegment-Turbine.
1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10 für einen Kraftwagen. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst ein Kurbelgehäuse 12 mit vorliegend sechs Brennräumen in Form von Zylindern 14, 15. In den Zylindern 14, 15 ist ein jeweiliger Kolben relativ zu dem entsprechenden Zylinder 14, 15 translatorisch bewegbar aufgenommen. Die Kolben sind über ein jeweiliges Pleuel mit einer Abtriebswelle in Form einer Kurbelwelle 16 der Verbrennungskraftmaschine 10 gekoppelt, so dass die translatorischen Bewegungen der Kolben in den Zylindern 14, 15 in eine in 1 durch einen Richtungspfeil 18 angedeutete rotatorische Bewegung der Kurbelwelle 16 umgewandelt werden können.
Während eines gefeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 laufen in den Zylindern 14, 15 Verbrennungsvorgänge eines Kraftstoff-Luft-Gemisches ab, woraus Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 resultiert. Das Abgas wird über einen Abgastrakt 20 der Verbrennungskraftmaschine 10 aus den Zylindern 14, 15 abgeführt. Im Abgastrakt 20 ist ein Abgaselement in Form eines Abgaskrümmers 22 angeordnet.
Mittels des Abgaskrümmers 22 wird das Abgas aus den Zylindern 14 zu einer ersten Flut 24 des Abgastrakts 20 zusammengeführt. Ferner wird mittels des Abgaskrümmers 22 das Abgas aus den Zylindern 15 zu einer zweiten Flut 26 des Abgastrakts 20 zusammengeführt. Die Fluten 24, 26 sind beispielsweise durch jeweilige Abgasverrohrungen gebildet, welche jeweils mit dem Abgaskrümmer 22 fluidisch verbunden sind.
Im Abgastrakt 20 ist auch eine erste Turbine 28 eines ersten Abgasturboladers 30 angeordnet. Ferner ist im Abgastrakt 20 stromab der ersten Turbine 28 eine zweite Turbine 32 eines zweiten Abgasturboladers 34 angeordnet.
Die erste Turbine 28 umfasst ein in 1 nicht erkennbares, erstes Turbinengehäuse, in welchem ein erstes Turbinenrad 36 der ersten Turbine 28 um eine Drehachse 38 relativ zu dem ersten Turbinengehäuse drehbar zumindest bereichsweise aufgenommen ist. Über die Fluten 24, 26 kann dem ersten Turbinenrad 36 das Abgas zugeführt werden, so dass das erste Turbinenrad 36 von dem Abgas angetrieben werden kann.
Das das erste Turbinenrad 36 antreibende Abgas wird anschließend der zweiten Turbine 32 des zweiten Abgasturboladers 34 zugeführt. Die zweite Turbine 32 umfasst ein in 1 nicht erkennbares, zweites Turbinengehäuse, in welchem ein zweites Turbinenrad 40 der zweiten Turbine 32 um eine Drehachse 42 relativ zum zweiten Turbinengehäuse drehbar zumindest bereichsweise aufgenommen ist. Das Abgas wird dabei dem zweiten Turbinenrad 40 zugeführt, so dass das stromab des ersten Turbinenrads 36 angeordnete, zweite Turbinenrad 40 vom Abgas angetrieben wird. Die Turbinen 28, 32 sind somit nacheinander angeordnet, d. h. bezogen auf eine Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgastrakt 20 seriell zueinander geschaltet.
Das Abgas in der ersten Flut 24 weist stromauf des ersten Turbinenrads 36 einen Druck p₃₁ auf, welcher auch als erster Turbineneintrittsdruck oder als erster Totaldruck an einem Eintritt der ersten Turbine 28 bezeichnet wird. Das Abgas in der zweiten Flut 26 weist dementsprechend einen Druck p₃₂ auf, welcher auch als zweiter Turbineneintrittsdruck oder als zweiter Totaldruck am Eintritt der ersten Turbine 28 bezeichnet wird. Da die Drücke p₃₁, p₃₂ größer sind als der Druck p₄, wird die erste Turbine 28 auch als Hochdruck-Turbine bezeichnet, während die zweite Turbine 32 als Niederdruck-Turbine bezeichnet wird.
Das erste Turbinengehäuse der ersten Turbine 28 weist vorliegend zwei in axialer Richtung des ersten Turbinenrads 36 nebeneinander angeordnete und zumindest teilweise fluidisch voneinander getrennte Strömungskanäle 44, 46 auf, welche auch als Fluten bezeichnet werden. Die Strömungskanäle 44, 46 sind dabei zumindest im Wesentlichen spiralförmig ausgebildet, weswegen sie auch als Spiralkanäle bezeichnet werden. Mit anderen Worten erstrecken sich die Strömungskanäle 44, 46 in Umfangsrichtung des ersten Turbinenrads 36 über dessen Umfang zumindest teilweise spiralförmig. Dabei können die Spiralkanäle als parallel zueinander angeordnete Vollspiralen ausgebildet sein, welche sich beispielsweise zumindest im Wesentlichen um 360° über den Umfang des ersten Turbinenrads 36 erstrecken.
Den Strömungskanälen 44, 46 sind jeweilige, zumindest im Wesentlichen ringförmige Teildüsen zugeordnet, welche in eine den Teildüsen gemeinsame Hauptdüse stromauf des ersten Turbinenrads 36 münden. Über die sich in Umfangsrichtung des ersten Turbinenrads 36 über dessen Umfang erstreckende Hauptdüse wird das Abgas aus den Strömungskanälen 44, 46 dem ersten Turbinenrad 36 zugeführt. Die erste Turbine 28 ist somit vorliegend als mehrflutige Turbine ausgebildet, wobei die Strömungskanäle 44, 46 hinsichtlich ihres jeweiligen, von dem Abgas durchströmbaren Strömungsquerschnitts symmetrisch oder asymmetrisch zueinander ausgebildet sein können. Alternativ dazu ist es möglich, dass die erste Turbine 28 als einflutige Turbine ausgebildet ist und entsprechend lediglich einen Strömungskanal aufweist, welchem das Abgas aus den Zylindern 14, 15 zugeführt wird und über welchen dieses Abgas dem ersten Turbinenrad 36 zugeführt wird.
Darüber hinaus ist es möglich, dass die erste Turbine 28 als sogenannte Mehrsegment-Turbine ausgebildet ist, wobei das erste Turbinengehäuse wenigstens zwei sich in Umfangsrichtung des ersten Turbinenrads 36 zumindest teilweise über dessen Umfang erstreckende, zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte und in Umfangsrichtung des ersten Turbinenrads 36 hintereinander angeordnete, d. h. aufeinanderfolgende Strömungssegmente zum Führen des Abgases zu dem ersten Turbinenrad 36 aufweist. Mittels einer solchen Mehrsegment-Turbine ist eine Stoßaufladung besonders vorteilhaft durchführbar. Die Turbine 28 kann dabei auch als Zwillingsstrom- oder eine Zwillingsstrom-Segmentturbine ausgebildet sein.
Das das erste Turbinenrad 36 antreibende Abgas wird infolge dieses Antreibens der ersten Turbine 28 entspannt, so dass es stromab der ersten Turbine 28 und stromauf der zweiten Turbine 32 einen Druck p₄ aufweist, welcher bezogen auf die erste Turbine 28 auch als Turbinenaustrittsdruck bezeichnet wird. Bezogen auf die zweite Turbine 32 ist der Druck p₄ ein Turbineneintrittsdruck.
Die zweite Turbine 32 ist als Mehrsegment-Turbine ausgebildet, wobei das zweite Turbinengehäuse der zweiten Turbine 32 eine Mehrzahl von in 1 sehr schematisch dargestellten, sich in Umfangsrichtung des zweiten Turbinenrads 40 zumindest teilweise über dessen Umfang erstreckende, zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte und in Umfangsrichtung des zweiten Turbinenrads 40 hintereinander angeordnete, d. h. aufeinanderfolgende Strömungssegmente 48, 50, 52 aufweist. Die Strömungssegmente 48, 50, 52 dienen zum Führen des Abgases zu dem zweiten Turbinenrad 40, so dass das zweite Turbinenrad 40 von dem Abgas angeströmt und angetrieben werden kann.
Wie aus 1 erkennbar ist, ist der ersten Turbine 28 eine Umgehungseinrichtung 54 mit einer Umgehungsleitung 56 zugeordnet. Die Umgehungsleitung 56 ist an einer Abzweigstelle 58, welche stromauf des ersten Turbinenrads 36 angeordnet ist, fluidisch mit dem Abgastrakt 20 verbunden. Die Umgehungsleitung 56 ist ferner an einer Zuführstelle 60, welche stromab des ersten Turbinenrads 36 angeordnet ist, fluidisch mit dem Abgastrakt 20 verbunden. Vorliegend ist die einerseits an der Abzweigstelle 58 mit dem Abgastrakt 20 fluidisch verbundene Umgehungsleitung 56 andererseits mit dem Strömungssegment 52 des zweiten Turbinengehäuses fluidisch verbunden. Ferner ist die Umgehungsleitung 56 an der Abzweigstelle 58 fluidisch mit der Flut 26 verbunden.
Dadurch kann an der Abzweigstelle 58 Abgas aus der Flut 26 stromauf des ersten Turbinenrads 36 abgezweigt werden. Das abgezweigte Abgas kann das erste Turbinenrad 36 über die Umgehungsleitung 56 umgehen, so dass das erste Turbinenrad 36 nicht von dem die Umgehungsleitung 56 durchströmenden Abgas angetrieben wird.
Aufgrund der fluidischen Verbindung der Umgehungsleitung 56 mit dem Strömungssegment 52 wird das die Umgehungsleitung 56 durchströmende Abgas in das Strömungssegment 52 eingeführt. Über das Strömungssegment 52 wird das das erste Turbinenrad 36 umgehende Abgas dem zweiten Turbinenrad 40 zugeführt, so dass das die Umgehungsleitung 56 durchströmende Abgas zwar nicht das erste Turbinenrad 36, jedoch das zweite Turbinenrad 40 antreiben kann. Dadurch kann im die Umgehungsleitung 56 durchströmende Abgas enthaltene Energie genutzt und mittels des zweiten Turbinenrads 40 in mechanische Energie umgewandelt werden. Die Strömungssegmente 48, 50, 52 ermöglichen dabei, dem die Strömungssegmente 48, 50 52 durchströmenden Abgas eine zumindest im Wesentlichen drallförmige Strömung aufzuprägen, so dass das Abgas das zweite Turbinenrad 40 besonders effizient antreiben kann. Dies bedeutet, dass auch dem die Umgehungsleitung 56 durchströmenden Abgas eine zumindest im Wesentlichen drallförmige Strömung aufgeprägt werden kann, so dass dadurch eine sogenannte Dralleinblasung des das erste Turbinenrad 36 umgehenden Abgases zu dem zweiten Turbinenrad 40 möglich ist. Eine solche Dralleinblasung ermöglicht eine besonders effiziente sowie gleichzeitig kostengünstige, einfache und robuste Nutzung der im Abgas enthaltenen Energie.
Wie aus 1 erkennbar ist, wird das das erste Turbinenrad 36 antreibende Abgas zumindest dem Strömungssegment 48 und somit getrennt vom die Umgehungsleitung 56 durchströmenden Abgas dem zweiten Turbinenrad 40 zugeführt.
Da das die Umgehungsleitung 56 durchströmende Abgas stromauf des ersten Turbinenrads 36 aus der Flut 26 abgezweigt wird, weist das Abgas in der Umgehungsleitung 56 den Druck p₃₂ auf, so dass der Druck p₃₂ bezogen auf die zweite Turbine 32 ein Turbineneintrittsdruck ist.
Das das zweite Turbinenrad 40 antreibende Abgas wird infolge dieses Antreibens entspannt, so dass es stromab des zweiten Turbinenrads 40 einen Druck p₅ aufweist. Der Druck p₅ ist somit ein Turbinenaustrittsdruck der zweiten Turbine 32.
Stromab der zweiten Turbine 32 ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 62 im Abgastrakt 20 angeordnet. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 62 kann einen Partikelfilter und/oder einen Katalysator wie beispielsweise einen Oxidationskatalysator und/oder einen SCR-Katalysator umfassen (SCR – Selective Catalytic Reduktion – selektive katalytische Reduktion).
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist auch einen Ansaugtrakt 64 auf, über welchen der Verbrennungskraftmaschine 10 von dieser angesaugte Luft zugeführt wird. Im Ansaugtrakt 64 ist ein Luftfilter 66 zum Filtern der angesaugten Luft angeordnet. Die in den Ansaugtrakt 64 einströmende Luft weist dabei einen Druck p₁ auf. Der zweite Abgasturbolader 34 weist einen Verdichter 68 mit einem Verdichterrad 70 auf. Das Verdichterrad 70 ist drehfest mit einer Welle 72 des Abgasturboladers 34 verbunden. Mit der Welle 72 ist auch das zweite Turbinenrad 40 drehfest verbunden. Dadurch kann das Verdichterrad 70 vom Turbinenrad 40 angetrieben werden und die der Verbrennungskraftmaschine 10 zuzuführende Luft verdichten. Aufgrund der besonders effizienten Nutzung der im Abgas enthaltenen Energie durch die Turbine 32 kann der Verdichter 68 besonders effizient betrieben werden, was zu einem effizienten, kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 führt.
Infolge der Verdichtung der Luft durch den Verdichter 68 weiset die Luft stromab des Verdichters 68 einen Druck p_2N auf, welcher höher ist als der Druck p₁. Stromab des Verdichters 68 ist ein weiterer Verdichter 73 des Abgasturboladers 30 angeordnet. Der weitere Verdichter 73 umfasst ein weiteres Verdichterrad 74, mittels welchem die mittels des Verdichters 68 verdichtete Luft weiter zu verdichten ist. Die Verdichter 68, 73 sind somit seriell zueinander geschaltet.
Das Verdichterrad 74 ist mit einer Welle 76 des Abgasturboladers 30 drehfest verbunden. Mit der Welle 76 ist auch das erste Turbinenrad 36 drehfest verbunden, so dass das weitere Verdichterrad 74 vom ersten Turbinenrad 36 angetrieben werden kann. Auch die erste Turbine 28 ermöglicht die effiziente Nutzung von im Abgas enthaltene Energie, so dass dadurch auch der Verdichter 73 effizient angetrieben werden kann. Ausgehend von dem Druck p_2N verdichtet der Verdichter 73 die Luft weiter auf einen Druck p_2H.
Dadurch ergibt sich ein Druckverhältnis π_nd des auch als Niederdruck-Verdichter bezeichneten Verdichters 68 aus:
Ferner ergibt sich dadurch ein Druckverhältnis π_HD des auch als Hochdruck-Verdichter bezeichneten Verdichters 73 aus:
Wie anhand von 1 erkennbar ist, ist stromab des ersten Verdichters 68 und stromauf des weiteren Verdichters 73 ein Zwischenkühler 78 im Ansaugtrakt 64 angeordnet. Mittels des Zwischenkühlers 78 kann die mittels des Verdichters 68 verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt werden.
Auch stromab des weiteren Verdichters 73 ist ein Kühler angeordnet, welcher als Ladeluftkühler 80 bezeichnet wird. Der Ladeluftkühler 80 dient zum Kühlen der durch die Verdichter 68, 72 verdichtete und dadurch erwärmte Luft. Durch das Kühlen der Luft mittels des Ladeluftkühlers 80 kann der Aufladegrad der Luft weiter gesteigert werden, so dass die Luft stromauf der Zylinder 14, 15 und stromab des Ladeluftkühlers 80 einen Druck p_2s aufweist, welcher auch als Ladedruck bezeichnet wird. Die Luft strömt mit diesem Ladedruck in einen Ladeluftverteiler 82 des Ansaugtrakts 64 ein, von welchem die verdichtete Luft auf die Zylinder 14, 15 verteilt wird.
Ferner weist die Verbrennungskraftmaschine 10 eine Abgasrückführeinrichtung 84 mit einer Abgasrückführleitung 86 auf. Die Abgasrückführleitung 86 ist einerseits an einer Abzweigstelle 88 fluidisch mit der Flut 24 und andererseits an einer Zuführstelle 90 fluidisch mit dem Ansaugtrakt 64 verbunden. Dadurch kann mittels der Abgasrückführleitung 86 an der Abzweigstelle 88 Abgas aus der Flut 24 abgezweigt, zu dem Ansaugtrakt 64 rückgeführt und an der Zuführstelle 90 in den Ansaugtrakt 64 eingeleitet werden. Die Zuführstelle 90 wird auch als Mischstelle M bezeichnet, da sich dort die den Ansaugtrakt 64 durchströmende Luft mit dem rückgeführten Abgas mischt.
In der Abgasrückführleitung 86 ist ein Abgasrückführventil 92 angeordnet, mittels welchem eine Masse oder Menge des rückzuführenden Abgases bedarfsgerecht einstellbar ist. Stromab des Abgasrückführventils 92 ist ein Abgasrückführkühler 94 zum Kühlen des rückzuführenden Abgases angeordnet.
In der Abgasrückführleitung 86 ist stromab des Abgasrückführkühlers 94 und stromauf der Zuführstelle 90 ein Druckmodulator 96 vorgesehen, mittels welchem Druckschwingungsanregungen, verursacht durch Auslasspulsationen der Verbrennungskraftmaschine 10, in der Abgasrückführleitung 86 so weit moduliert und reduziert werden, dass im Bereich der Zuführstelle 90 keine oder nur sehr geringe wirksame Anregungsintensitäten mehr vorhanden sind. Der Druckmodulator 96 umfasst dabei ein Dämpfungsvolumen 98 sowie einen angepassten effektiven und durch ein entsprechendes Bauteil, beispielsweise eine Blende, gebildeten Zuströmquerschnitt 100 sowie einen angepassten effektiven und durch ein entsprechendes Bauteil, beispielsweise eine Blende, gebildeten Abströmquerschnitt 102. Der Zuströmquerschnitt 100 und der Abströmquerschnitt 102 verursachen in Verbindung mit der Größe des Dämpfungsvolumens 98 eine starke Dämpfung der Druckschwingung und damit der Druckpulsationen an der Zuführstelle 90.
Die erste Flut 24 wird somit insbesondere dazu genutzt, Abgas aus ihr abzuzweigen und zum Ansaugtrakt 64 rückzuführen. Daher wird die Flut 24 auch als AGR-Flut bezeichnet. Im Gegensatz dazu dient die zweite Flut 26 insbesondere dazu, ein vorgebbares Verbrennungsluftverhältnis λ einzustellen, so dass vom Fahrer des Kraftwagens angeforderte Drehmomente von der Verbrennungskraftmaschine 10 über ihre Kurbelwelle 16 bereitgestellt werden können, weswegen die Flut 26 auch als λ-Flut bezeichnet wird.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist auch eine Recheneinheit 104 zum Regeln und/oder Steuern der Verbrennungskraftmaschine 10 auf. Wie in 1 durch punktierte Pfeile angedeutet ist, ist die Recheneinheit 104, wobei es sich beispielsweise um ein Steuergerät handelt, mit dem Abgasrückführventil 92 verbunden, um dadurch die Menge oder Masse des rückzuführenden Abgases einzustellen. Die Recheneinheit 104 ist auch mit einer Verstelleinrichtung 106 der zweiten Turbine 32 gekoppelt. Wie im Folgenden noch erläutert wird, umfasst die Verstelleinrichtung 106 jeweilige, den Strömungssegmenten 48, 50, 52 zugeordnete Verstellelemente, welche relativ zum zweiten Turbinengehäuse in Umfangsrichtung des zweiten Turbinenrads 40 zumindest teilweise über dessen Umfang um die Drehachse 42 verschiebbar sind.
Durch dieses Verschieben kann ein jeweiliger, von dem Abgas durchströmbarer Strömungsquerschnitt der Strömungssegmente 48, 50, 52 eingestellt und somit bedarfsgerecht an unterschiedliche Betriebspunkte und somit Abgasmassenströme angepasst werden. Dadurch ist es auch möglich, einen Volumen- oder Massenstrom des die Umgehungsleitung 56 durchströmenden Abgases einzustellen, so dass dadurch die Menge bzw. Masse des das erste Turbinenrad 36 umgehenden Abgases bedarfsgerecht eingestellt werden kann.
Durch die Verstelleinrichtung 106 ist somit eine variable Turbinengeometrie der zweiten Turbine 32 gebildet. Im Gegensatz dazu ist die erste Turbine 28 vorliegend als Festgeometrie-Turbine ausgebildet, welche keine variable Turbinengeometrie aufweist.
Durch diese durch die Verstelleinrichtung 106 realisierte Einstellbarkeit ist eine vorteilhafte Regelung oder Steuerung der Verbrennungskraftmaschine 10 insbesondere hinsichtlich ihrer zweistufigen Aufladung durch die Abgasturbolader 30, 34 realisiert, so dass einerseits im Abgastrakt 20 durch das Umgehen des ersten Turbinenrads 36 besonders große Strömungsflächen bereitgestellt werden können. In der Folge können ein sehr gutes Ansprechverhalten und somit eine sehr gute Fahragilität insbesondere der ersten Turbine 28 und somit der Verbrennungskraftmaschine 10 realisiert werden. Dennoch kann der Abgasgegendruck für die Verbrennungskraftmaschine 10 gering gehalten werden, da der Abgastrakt 20 aufgrund der bedarfsgerechten Strömungsflächenvergrößerung infolge der Möglichkeit, dass das erste Turbinenrad 36 von Abgas umgangen werden kann, von einem besonders großen Abgasmassenstrom durchströmt werden kann. Trotz dieser Umgehung kann das das erste Turbinenrad 36 umgehende Abgas zum Antreiben des zweiten Turbinenrads 40 genutzt werden, so dass die Verbrennungskraftmaschine 10 effizient betreibbar ist.
Der Abgasturbolader 30 ist dabei auf hohe Agilitäts- und Abgasrückführanforderungen ausgelegt, insbesondere mit einer asymmetrischen Hochdruck-Turbine als AGR-Treiber (AGR – Abgasrückführung). Der Abgasturbolader 34 ist insbesondere zur Abdeckung eines hohen Durchsatzbedarfs und zur Darstellung eines günstigen Kraftstoffverbrauchs ausgelegt.
Das Umgehen des ersten Turbinenrads 36 durch das die Umgehungsleitung 56 durchströmende Abgas wird auch als Abblasen bezeichnet. Da das die Umgehungsleitung 56 durchströmende Abgas dem zweiten Turbinenrad 40 über das Strömungssegment 52 zugeführt und diesem Abgas mittels des Strömungssegments 52 eine zumindest im Wesentlichen drallförmige Strömung aufgeprägt wird, wird das Umgehen vorliegend auch als Drallabblasung bezeichnet. Mittels der Verstelleinrichtung 106 können Abblaseraten von einem unteren Wert, welcher auch – beispielsweise bis auf technisch bedingte Leckagen – 0 sein kann, bis zu einem oberen, festlegbaren Wert realisiert werden, in dem die Verstellelemente um die Drehachse 42 verschoben bzw. gedreht werden.
Mit Φ_T1,31 ist in 1 ein erster Durchsatzparameter der Flut 24 bezeichnet. Der erste Durchsatzparameter Φ_T1,31 ergibt sich dabei aus:
wobei m₃₁ den Abgasmassendurchsatz durch die Flut 24, T_t,31 die Totaltemperatur des Abgases am Eintritt der ersten Turbine 28 und p_t,31 den Totaldruck am Eintritt der ersten Turbine 28 bezeichnet. Entsprechend dazu ergibt sich ein zweiter Durchsatzparameter ΦT_1,32 aus:
wobei m₃₂ den Abgasmassendurchsatz durch die Flut 26, T_t,32 die Totaltemperatur des Abgases am Eintritt der ersten Turbine 28 und p_t,32 den Totaldruck des Abgases in der Flut 26 am Eintritt der ersten Turbine 28 bezeichnen. Ferner ist in 1 mit Φ_T2,ATL ein dritter Durchsatzparameter der zweiten Turbine 32 bezeichnet.
Die Durchsatzparameter Φ_T1,31, Φ_T1,32 können sich insbesondere bei Nutzkraftwagenanwendungen voneinander unterscheiden, wobei vorzugsweise als die erste Turbine 28 eine zweiflutige, asymmetrische Turbine verwendet wird. Mit einer solchen zweiflutigen, asymmetrischen Turbine ist eine optimale Abstimmung hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Stickoxid-Emissionen (NO_x-Emissionen) über eine entsprechende Dimensionierung der Strömungskanäle 44, 46 möglich. Bei Personenkraftwagenanwendungen wird als die erste Turbine 28 vorzugsweise eine zweiflutige, symmetrische Turbine mit einer nahezu gleichen Durchsatzparameterfestlegung verwendet, wobei die Durchsatzparameter Φ_T1,31, Φ_T1,32 zumindest im Wesentlichen gleich sind.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10. Beider Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß 2 umfasst die Umgehungseinrichtung 54 zusätzlich zur Umgehungsleitung 56 eine zweite Umgehungsleitung 108.
Die zweite Umgehungsleitung 108 ist an einer stromauf des ersten Turbinenrads 36 angeordneten Abzweigstelle 110 fluidisch mit dem Abgastrakt 20 und vorliegend fluidisch mit der Flut 24 verbunden. Ferner ist die zweite Umgehungsleitung 108 stromab des ersten Turbinenrads 36 fluidisch mit dem Strömungssegment 50 verbunden. Somit wird das die Umgehungsleitung 56 durchströmende Abgas dem Strömungssegment 52, das die Umgehungsleitung 108 durchströmende Abgas einem anderen, nämlich dem Strömungssegment 50, und das das erste Turbinenrad 36 antreibende Abgas zumindest einem wieder anderen, nämlich vorliegend zumindest dem Strömungssegment 48 zugeführt. Somit erfolgt eine fluidisch voneinander getrennte Zuführung des das erste Turbinenrad 36 antreibenden Abgases, des die Umgehungsleitung 56 durchströmenden Abgases und des die Umgehungsleitung 108 durchströmenden Abgases.
Da auch der Strömungsquerschnitt des Strömungssegments 50 mittels der Verstelleinrichtung 106 variabel einstellbar ist, kann auch eine Menge oder Masse des die Umgehungsleitung 108 durchströmenden Abgases bedarfsgerecht eingestellt werden. Da das die Umgehungsleitung 108 durchströmende Abgas an der stromauf des ersten Turbinenrads 36 angeordneten Abzweigstelle 110 abgezweigt wird, weist das Abgas in der Umgehungsleitung 108 den Druck p₃₁ auf. Der Druck p₃₁ ist somit für die zweite Turbine 32 und das Strömungssegment 50 ein Turbineneintrittsdruck. Dies führt zu einer besonders robusten und kostengünstigen Lösung.
3 zeigt eine Ausführungsform der zweiten Turbine 32, welche als sogenannte Zungenschieberturbine ausgebildet ist. Hierbei ist das zweite Turbinengehäuse der zweiten Turbine 32 zu erkennen und mit 112 bezeichnet. Das zweite Turbinengehäuse 112 weist die Strömungssegmente 48, 50, 52 sowie ein weiteres Strömungssegment 114 auf. Die Strömungssegmente 48, 50, 52, 114 erstrecken sich in Umfangsrichtung des zweiten Turbinenrads 40 zumindest teilweise über dessen Umfang und dienen dazu, das Abgas zum zweiten Turbinenrad 40 zu führen. Wie bereits geschildert, wird über das Strömungssegment 52 das die Umgehungsleitung 56 durchströmende Abgas zum zweiten Turbinenrad 40 geleitet, während über das Strömungssegment 50 das die Umgehungsleitung 108 durchströmende Abgas zum zweiten Turbinenrad 40 geleitet wird. Die Strömungssegmente 48, 114 sind von dem das erste Turbinenrad 36 antreibenden Abgas durchströmbar und leiten dieses Abgas zum zweiten Turbinenrad 40.
Die Verstelleinrichtung 106 ist vorliegend als sogenannter Zungenschieber ausgebildet, dessen um die Drehachse 42 relativ zum zweiten Turbinengehäuse 112 drehbaren Verstellelemente Sperrkörper sind, die als Zungen 116, 117 bezeichnet sind. Wie aus 3 erkennbar ist, sind die Zungen 116, 117 zumindest im Wesentlichen tragflächenförmig ausgebildet. Um die Zungen 116, 117 relativ zum zweiten Turbinengehäuse 112 um die Drehachse 42 zu drehen bzw. zu verschieben, können diese mit einem den Zungen 116, 117 gemeinsamen Ring verbunden sein. Durch Drehen des Rings, beispielsweise mittels eines Stellglieds, können dann die Zungen 116, 117 simultan, d. h. gleichzeitig oder gemeinsam, um die Drehachse 42 gedreht werden.
Vorliegend ist jedoch vorgesehen, dass zumindest ein erster Teil der Zungen 116, 117 unabhängig von einem anderen Teil der Zungen 116, 117 um die Drehachse 42 drehbar ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die dem Strömungssegment 52 zugeordnete Zunge 116 und die dem Strömungssegment 50 zugeordnete Zunge 116 mit einem gemeinsamen Ring verbunden sind, so dass diese unabhängig von den den Strömungssegmenten 48, 114 zugeordneten Zungen 117 drehbar sind. Die Zungen 117 sind mit einem den Zungen 117 gemeinsamen Ring verbunden, so dass auch die Zungen 117 relativ zum Turbinengehäuse 112 unabhängig von den Zungen 116 gedreht werden können.
Dadurch ist es möglich, die jeweiligen Strömungsquerschnitte der Strömungssegmente 50, 52 unabhängig von den jeweiligen Strömungsquerschnitten der Strömungssegmente 48, 114 bedarfsgerecht einzustellen. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass jede der Zungen 116, 117 unabhängig von den jeweilig anderen Zungen 116, 117 drehbar ist, so dass jeder der Strömungsquerschnitte der Strömungssegmente 48, 50, 52, 114 einzeln und somit unabhängig von den anderen Strömungsquerschnitten einstellbar ist. Mit anderen Worten ist dann durch die zweite Turbine 32 eine variable Zungenschieberturbine in angepasster Ausführung für die seriell zueinander angeordneten Turbinen 28, 32 mit variabel beeinflussbaren Strömungssegmenten 48, 50, 52, 114 zur Drallabblasung geschaffen. Die Regelung oder Steuerung der die Umgehungsleitungen 56, 108 durchströmenden Abgasmengen erfolgt somit über den Zungenschieber mit den adaptierten Zungen, welche in einem Ringdüsenbereich der Mehrsegment-Turbine (zweite Turbine 32) angeordnet sind. Dadurch ist eine einfache, wirkungsgradgünstige Festgeometrie-Turbine als die erste Turbine 28 verwendbar, welche gegebenenfalls zweiflutig und/oder asymmetrisch ausgebildet ist.
Gegenüber einer variablen Hochdruck-Volldurchsatz-Turbine, bei der keine Abblasung erfolgen soll, sind dadurch zumindest im Betriebspunkt des maximalen Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine merkliche Wirkungsgradvorteile realisierbar, da die Festgeometrie-Turbine gezielt auf diesen Punkt hoher Anforderungen ausgelegt werden kann. Eine Volldurchsatz-Vario-Turbine als Hochdruck-Turbine muss üblicherweise einen breiten Kennfeld-Durchsatz-Bereich abdecken können, was Probleme bereiten kann, das Wirkungsgradniveau auf hohen Werten bei niedrigen Drehzahlen und hohen Lasten der Verbrennungskraftmaschine 10 festzulegen, ohne vorgebbare und notwendige Bedingungen im Nennpunktbereich zu verletzen.
Bei der Zungenschieberturbine gemäß 3 kann vorgesehen sein, dass die den Strömungssegmenten 48, 114 zugeordneten Zungen 117 den entsprechenden Strömungsquerschnitt für alle Betriebspunkte permanent zumindest teilweise freigeben, so dass zwar der jeweilige Strömungsquerschnitt der Strömungssegmente 48, 114 einstellbar ist, jedoch nicht vollständig fluidisch versperrbar ist.
In einer Schließstellung der unabhängig von den Zungen 117 verstellbaren Zungen 116 sind die jeweiligen Strömungsquerschnitte der Strömungssegmente 52, 50 – gegebenenfalls bis auf etwaige Leckagen – fluidisch vollständig versperrt. Diese Schließstellung ist in 3 dargestellt. Dadurch erfolgt – bis auf die etwaig auftretenden Leckagen – keine Umgehung, d. h. keine Bypassierung der ersten Turbine 28. Die zweite Turbine 32 weist insbesondere drei wichtige, von Abgas durchströmbare Strömungsflächen auf. Eine erste dieser Strömungsflächen umfasst die jeweiligen Strömungsquerschnitte der Strömungssegmente 48, 114. Eine zweite dieser Strömungsflächen umfasst den Strömungsquerschnitt des Strömungssegments 50, und die dritte Strömungsfläche umfasst den Strömungsquerschnitt des Strömungssegments 52. Um eine Abstimmung dieser drei Strömungsflächen zu bewerkstelligen, werden vorzugsweise die Parameter Segmentwinkel der Strömungssegmente 48, 50, 52, 114, Flächen der Strömungssegmente 48, 50, 52, 114 mit deren Verlauf, Form der Zungen 116, 117 sowie Verstellbereich des Zungenschiebers zusammen mit Durchmessern und Düsenbreiten den Anforderungen entsprechend dimensioniert.
Auch die Strömungssegmente 48, 50, 52, 114 können sich in Umfangsrichtung des zweiten Turbinenrads 40 über dessen Umfang zumindest teilweise und zumindest im Wesentlichen spiralförmig erstrecken, so dass die Strömungssegmente 48, 50, 52, 114 auch als Teilspiralen bezeichnet werden.
Vorzugsweise werden in den meisten Anwendungsfällen die Zungen 116, 117 so weit mit dem Turbinengehäuse 112 abgestimmt, dass eine kostengünstige Lösung des Zungenschiebers zustande kommt, mit dem die Zungen 116, 117 in fester Zuordnung zueinander simultan bewegbar sind und die Turbine 32 dennoch besonders bedarfsgerecht einstellbar ist.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Kurbelgehäuse
14: Zylinder
15: Zylinder
16: Kurbelwelle
18: Richtungspfeil
20: Abgastrakt
22: Abgaskrümmer
24: Flut
26: Flut
28: erste Turbine
30: erster Abgasturbolader
32: zweite Turbine
34: zweiter Abgasturbolader
36: erstes Turbinenrad
38: Drehachse
40: zweites Turbinenrad
42: Drehachse
44: Strömungskanal
46: Strömungskanal
48: Strömungssegment
50: Strömungssegment
52: Strömungssegment
54: Umgehungseinrichtung
56: Umgehungsleitung
58: Abzweigstelle
60: Zuführstelle
62: Abgasnachbehandlungseinrichtung
64: Ansaugtrakt
66: Luftfilter
68: Verdichter
70: Verdichterrad
72: Welle
73: Verdichter
74: Verdichterrad
76: Welle
78: Zwischenkühler
80: Ladeluftkühler
82: Ladeluftverteiler
84: Abgasrückführeinrichtung
86: Abgasrückführleitung
88: Abzweigstelle
90: Zuführstelle
92: Abgasrückführventil
94: Abgasrückführkühler
96: Druckmodulator
98: Dämpfungsvolumen
100: Zuströmquerschnitt
102: Abströmquerschnitt
104: Recheneinheit
106: Verstelleinrichtung
108: Umgehungsleitung
110: Abzweigstelle
112: zweites Turbinengehäuse
114: Strömungssegment
116: Zunge
117: Zunge
M: Mischstelle
p₁: Druck
p_2N: Druck
p_2s: Druck
p₃₁: Druck
p₃₂: Druck
p₄: Druck
p₅: Druck
Φ_T1,31: erster Durchsatzparameter
Φ_T1,32: zweiter Durchsatzparameter
Φ_T2,ACL: dritter Durchsatzparameter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005046507 A1 [0008]
DE 19837978 A1 [0008]

Claims

Verbrennungskraftmaschine (10) für einen Kraftwagen, mit einer in einem Abgastrakt (20) der Verbrennungskraftmaschine (10) angeordnete, ersten Turbine (28), welche ein von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) antreibbares, erstes Turbinenrad (36) umfasst, mit einer in dem Abgastrakt (20) stromab der ersten Turbine (28) angeordneten, zweiten Turbine (32), welche ein von dem Abgas antreibbares, zweites Turbinenrad (40) umfasst, und mit einer Umgehungseinrichtung (54), welche wenigstens eine Umgehungsleitung (56) umfasst, mittels welcher das erste Turbinenrad (36) von Abgas zu umgehen ist und mittels welcher das das erste Turbinenrad (36) über die Umgehungsleitung (56) umgehende Abgas zumindest teilweise dem zweiten Turbinenrad (40) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Turbine (32) ein Turbinengehäuse (112) mit wenigstens zwei sich in Umfangsrichtung des zweiten Turbinenrads (40) zumindest teilweise über dessen Umfang erstreckenden, zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennten und in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten Strömungssegmenten (48, 50, 52, 114) zum Führen des Abgases zu dem zweiten Turbinenrad (40) aufweist, wobei das das erste Turbinenrad (36) umgehende Abgas mittels der Umgehungsleitung (56) in zumindest eines der Strömungssegmente (48, 50, 52, 114) einführbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Turbine (32) eine Verstelleinrichtung (106) aufweist, mittels welcher jeweilige, von dem Abgas durchströmbare Strömungsquerschnitte der Strömungssegmente (48, 50, 52, 114) einstellbar sind.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass den Strömungssegmenten (48, 50, 52, 114) jeweils wenigstens ein Verstellelement (116, 117) der Verstelleinrichtung (106) zugeordnet ist, wobei die Verstellelemente (116, 117) zum Einstellen des jeweiligen Strömungsquerschnitts in Umfangsrichtung des zweiten Turbinenrads (40) zumindest teilweise über dessen Umfang relativ zu dem Turbinengehäuse (112) der zweiten Turbine (32) verschiebbar sind.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellelemente (116, 117) unabhängig voneinander verschiebbar sind.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte Fluten (24, 26) vorgesehen sind, über welche der ersten Turbine (28) das Abgas zuführbar ist, wobei die Umgehungsleitung (56) stromauf des ersten Turbinenrads (36) mit einer ersten der Fluten (24, 26) fluidisch verbunden ist, und wobei die Umgehungseinrichtung (54) wenigstens eine zweite Umgehungsleitung (108) aufweist, mittels welcher das erste Turbinenrad (36) von Abgas aus der zweiten Flut (26) zu umgehen ist und das das erste Turbinenrad (36) über die zweite Umgehungsleitung (108) umgehende Abgas in zumindest eines der Strömungssegmente (48, 50, 52, 114) einführbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das das erste Turbinenrad (36) über die erste Umgehungsleitung (56) umgehende Abgas mittels der ersten Umgehungsleitung (56) in eines der Strömungssegmente (48, 50, 52, 114) und das das erste Turbinenrad (36) über die zweite Umgehungsleitung (108) umgehende Abgas mittels der zweiten Umgehungsleitung (108) in das andere Strömungssegment (50) einführbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine (28) ein das erste Turbinenrad (36) zumindest teilweise aufnehmendes Turbinengehäuse umfasst, welches zwei in axialer Richtung des ersten Turbinenrads (36) nebeneinander angeordnete und zumindest teilweise fluidisch voneinander getrennte Strömungskanäle (44, 46) zum Führen des Abgases zu dem ersten Turbinenrad (36) aufweist, wobei eine der Fluten (24, 26) mit einem der Strömungskanäle (44, 46) und die andere Flut (26) mit dem anderen Strömungskanal (46) fluidisch verbunden ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine (28) als Festgeometrieturbine ausgebildet ist.
Kraftwagen mit einer Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.