DE102012016984A1

DE102012016984A1 - Turbine für einen Abgasturbolader sowie Verbrennungskraftmaschine mit einer solchen Turbine

Info

Publication number: DE102012016984A1
Application number: DE201210016984
Authority: DE
Inventors: Siegfried Sumser
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2014-03-06
Anticipated expiration: 2032-08-29
Also published as: DE102012016984B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine (10) für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Turbinengehäuse (12), welches einen Aufnahmeraum (14) für ein um eine Drehachse (18) relativ zu dem Turbinengehäuse (12) drehbares Turbinenrad (16) sowie wenigstens zwei sich in Umfangsrichtung des Turbinenrads (16) über dessen Umfang bezüglich eines Polarkoordinatensystems mit Ursprung (O) auf der Drehachse (18) jeweils über einen Umschlingungswinkel (φAges, φBges) φE – φ0 erstreckende, zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte und in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Spiralensegmente (20, 22) zum Führen des Abgases zu dem Aufnahmeraum (14) aufweist, wobei φ0 ein Anfangswinkel, bei welchem ein jeweiliger Spiraleneintrittsquerschnitt As0 der Spiralensegmente (20, 22) angeordnet ist, und φE ein Endwinkel ist, bei welchem ein jeweiliges Ende der Spiralensegmente (20, 22) angeordnet ist, wobei bezogen auf wenigstens eines der Spiralensegmente (20, 22) für zumindest einen Winkel φ aus einem Bereich von einschließlich φ0 bis einschließlich φE gilt:wobei – As ein Strömungsquerschnitt des wenigstens einen Spiralensegments (20, 22) bei dem jeweiligen Winkel φ ist, und – ex ein Exponent ist, dessen Wert mindestens 2 beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Verbrennungskraftmaschine mit einer solchen Turbine.
Aus dem Serienbau von Personenkraftwagen ist es bekannt, Abgasturbolader mit jeweiligen Turbinen zu verwenden, um Verbrennungskraftmaschinen zum Antreiben der Personenkraftwagen aufzuladen. Mit anderen Worten sind die Verbrennungskraftmaschinen mit Aufladesystemen ausgestattet, welche wenigstens einen Abgasturbolader umfassen. Der Abgasturbolader dient dazu, im Abgas der zugehörigen Verbrennungskraftmaschine enthaltende Energie mittels einer Turbine zu nutzen, um der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft mittels eines Verdichters des Abgasturboladers zu verdichten.
Mittels eines solchen Aufladesystems können auch Verbrennungskraftmaschinen mit relativ geringen Hubvolumina, welche also nach dem sogenannten Downsizing-Prinzip ausgestaltet sind, sehr hohe spezifische Leistungen und Drehmomente bereitstellen. Das Streben nach der Realisierung von besonders geringen Emissionen, insbesondere hinsichtlich Stickoxid-Emissionen (NO_x-Emissionen) und Rußemissionen in der aktuellen Entwicklung von Aufladesystemen beeinflusst diese sehr stark.
Durch wachsende Anforderungen hinsichtlich einer Ladedruckbereitstellung aufgrund sehr hoher, zu realisierender Abgasrückführraten (AGR-Raten) insbesondere über dem mittleren Lastbereich bis hin zur Volllast der Verbrennungskraftmaschine werden die Turbinen in ihren von Abgas durchströmbaren Strömungsquerschnitten mehr und mehr verkleinert. Besonders hohe Turbinenleistungen werden also durch die Darstellung einer besonders hohen Aufstaufähigkeit bzw. durch die Reduzierung der Schluckfähigkeit der Turbinen im Zusammenspiel mit der betreffenden Verbrennungskraftmaschine realisiert.
Darüber hinaus ist es bekannt, Rußfilter zu verwenden, um aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschinen Rußpartikel zumindest teilweise auszufiltern. Durch solche Rußfilter, welche stromab der Turbinen in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet sind, wird ein jeweiliges Eintrittsdruckniveau der Turbinen infolge eines entsprechenden Gegendrucks der Rußfilter erhöht, was eine weitere geometrische Verkleinerung der Turbinen erforderlich machen kann, um Leistungsanforderungen der Verdichterseite für eine Luft-Abgas-Lieferung befriedigen zu können. Diese geometrischen Verkleinerungen gehen jedoch herkömmlicherweise mit nur geringen Wirkungsgraden der Turbinen einher.
Es hat sich gezeigt, dass die Darstellung besonders hoher Abgasrückführraten in Verbindung mit einer erforderlich, zu liefernden Verbrennungsluft für die Verbrennungskraftmaschine insbesondere in unteren bis mittleren Betriebs- bzw. Lastbereichen problematisch ist. Bei üblichen Auslegungsrandbedingungen, die auch vom Nennpunkt der Verbrennungskraftmaschine her von der Ladungswechselseite bzw. Verbrauchsseite definiert werden, kann also beispielsweise bei einer asymmetrischen, zweiflutigen Festgeometrie-Turbine der untere Drehzahlbereich der Verbrennungskraftmaschine hinsichtlich der Luftlieferung nur unzureichend bedient werden.
Die DE 199 18 232 A1 offenbart einen mehrzylindrigen Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader und mit mindestens zwei unterschiedlichen Zylindern bzw. Zylindergruppen zugeordneten separaten Abgasleitungen zur Turbine des Abgasturboladers, welche entsprechend der Stellung eines Stellglieds vor dem Eintritt in die Turbine fluidisch verbindbar oder trennbar sind. Das Stellglied ist als Wandabschnitte der Abgasleitungen tragender Schieber ausgebildet, wobei die bewegbaren Wandabschnitte in Schließstellung des Schiebers zum Trennen der Abgasleitungen über Deckung mit festliegenden Wandabschnitten bringbar sind.
Der DE 10 2008 039 085 A1 ist eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einem Abgasturbolader als bekannt zu entnehmen. Der Abgasturbolader umfasst eine Turbine mit einem Turbinengehäuse, welches einen Aufnahmeraum für ein um eine Drehachse relativ zum Turbinengehäuse drehbares Turbinenrad aufweist. Das Turbinengehäuse weist ferner wenigstens zwei sich in Umfangsrichtung des Turbinenrads über dessen Umfang bezüglich eines Polarkoordinatensystems mit Ursprung auf der Drehachse jeweils über einen Umschlingungswinkel φ_E – φ₀ erstreckende, zumindest bereichsweise fludisch voneinander getrennte und in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Spiralensegmente zum Führen des Abgases zu dem Aufnahmeraum aufweist. Dabei ist φ₀ ein Anfangswinkel, bei welchem ein jeweiliger Spiraleneintrittsquerschnitt A_s0 der Spiralensegmente angeordnet ist. Ferner ist φ_E ein Endwinkel, bei welchem ein jeweiliges Ende der Spiralensegmente angeordnet ist.
Aus der US 2010/0196145 A1 ist ein Turbolader mit einer Turbine bekannt, welche ein Turbinengehäuse mit einem Aufnahmeraum für ein Turbinenrad aufweist. Stromauf des Aufnahmeraums sind Verstellelemente vorgesehen, welche relativ zum Turbinengehäuse bewegbar sind und mittels welchen wenigstens ein von Abgas durchströmbarer Strömungsquerschnitt der Turbine einstellbar ist.
Schließlich offenbart die US 2011/0243721 A1 eine Turbine für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse, welches einen Aufnahmeraum für ein Turbinenrad aufweist, wobei auch hier stromauf des Aufnahmeraums relativ zum Turbinengehäuse bewegbare Verstellelemente vorgesehen sind, mittels welchen wenigstens ein von Abgas durchströmbarer Strömungsquerschnitt der Turbine variabel einstellbar ist.
Um das Verhältnis der Abgasrückführraten zu den notwendigen Luft-Kraftstoff-Verhältniszahlen in einem besonders großen Betriebsbereich vorteilhaft einstellen zu können, ist ein zweiflutiger Turbinentyp vorteilhaft, der hinsichtlich der Stoßaufladungsfähigkeit insbesondere bei einer Zylinderzusammenfassungsgruppe besonders stark ausgeprägt ist. Turbinen, die insbesondere für die Stoßaufladung ausgelegt werden, haben sehr große Strömungsquerschnitte für die Verwendung der größeren nutzbaren Exergieschwankungen bzw. Druckpulsationen des Abgases der Verbrennungskraftmaschine.
Diese hohen Druckpulsationen der Verbrennungskraftmaschine existieren und ergeben sich an der Turbine dann, wenn man die sich üblicherweise einstellenden Drossel- und Reibungsverluste an Auslassventilen der Verbrennungskraftmaschine in einem Krümmerbereich stromauf der Turbine durch eine entsprechende Geometriegestaltung bis in die Turbine gering hält. Diese Reduzierung der Drossel- und Reibungsverluste stromauf der Turbine fördert die Erreichung der Zielsetzung, eine besonders ausgeprägte Stoßaufladung zu realisieren, wodurch eine Steigerung des mittleren Gesamtwirkungsgrads der Abgasexergienutzung trotz großer zeitlicher Schwankung des Turbinenwirkungsgrads erreicht wird. Eine sogenannte Mehrsegment-Turbine, mit den eingangs genannten, in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten Spiralensegmenten, stellt dabei eine sehr gute Ausgangsbasis dar, um einen besonders hohen Wirkungsgrad der Turbine zu realisieren.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine für einen Abgasturbolader sowie eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen mit einer Turbine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders hoher Wirkungsgrad der Turbine realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Verbrennungskraftmaschine mit einer solchen Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Turbine für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, bei welcher ein besonders hoher Wirkungsgrad realisierbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass bezogen auf wenigstens eines der Spiralsegmente für zumindest einen Winkel φ aus einem Bereich von einschließlich φ₀ bis einschließlich φ_E gilt:
Dabei ist A_s ein Strömungsquerschnitt des wenigstens einen Spiralensegments bei dem jeweiligen Winkel φ. Dies bedeutet, dass das wenigstens eine Spiralensegment bei zumindest einem Winkel φ aus dem genannten Bereich einen zugehörigen Strömungsquerschnitt A_s aufweist, welcher von Abgas durchströmbar ist und der oben angegebenen Formel bzw. Bedingung
gehorcht. Weiterhin ist ex ein Exponent, dessen Wert mindestens 2 beträgt.
Durch die Ausgestaltung des wenigstens einen Spiralensegments nach der oben angegebenen Formel bzw. Bedingung weist das wenigstens eine Spiralensegment einen entsprechenden Flächenverlauf und somit Spiralenverlauf ausgehend von φ₀ bis hin zu φ_E auf, der für das wenigstens eine Spiralensegment durchströmende Abgas hinsichtlich der Realisierung vorteilhafter Strömungsbedingungen besonders vorteilhaft ist. Mit anderen Worten kann das das wenigstens eine Spiralensegment durchströmende Abgas strömungstechnisch besonders vorteilhaft zu dem Turbinenrad geführt werden, so dass das Abgas das Turbinenrad sehr gut antreiben kann. Daraus resultiert ein effizienter und somit besonders wirkungsgradgünstiger Betrieb der Turbine.
Ferner ist die erfindungsgemäße Turbine besonders vorteilhaft für die Durchführung der Stoßaufladung ausgelegt, so dass mittels der Turbine auch bei unteren und mittleren Drehzahl- und/oder Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine hohe Turbinenleistungen realisierbar sind. Dadurch kann beispielsweise ein Verdichter des Abgasturboladers über die Turbine mit hohen Leistungen angetrieben werden und die Verbrennungskraftmaschine somit auch bei unteren und mittleren Drehzahl- und/oder Lastbereichen mit einem sehr hohen Massenstrom an verdichteter Luft versorgen. In der Folge können bei der Verbrennungskraftmaschine ein geringes Hubvolumen dieser sowie gleichzeitig besonders hohe spezifische Leistungen und/oder Drehmomente realisiert werden, so dass auch ein besonders effizienter und wirkungsgradgünstiger Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit nur sehr geringen Emissionen sowie mit einem nur sehr geringen Kraftstoffverbrauch realisierbar ist. Darüber hinaus ermöglicht es die erfindungsgemäße Turbine auch besonders hohe Abgasrückführraten zu realisieren, so dass insbesondere die Stickoxid-Emissionen (NO_x-Emissionen) gering gehalten werden können.
Zur Realisierung eines besonders vorteilhaften Spiralenverlaufs gilt die oben genannte Bedingung für eine Mehrzahl von Winkeln φ aus dem genannten Bereich, insbesondere für alle Winkel φ aus dem genannten Bereich. Unter der Annahme, dass der Winkel φ ausgehend von φ₀ bis hin zu φ_E schrittweise um die positive ganze Zahl 1 erhöht wird, gilt die oben genannte Bedingung vorzugsweise zumindest für Hälfte, insbesondere für mehr als die Hälfte und insbesondere für alle Winkel φ aus dem genannten Bereich
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Wert des Exponenten ex mindestens 4, insbesondere mindestens 8, beträgt. Dies führt zur Realisierung besonders hoher Wirkungsgrade der Turbine. Ferner kann dadurch eine besonders hohe Durchsatzspreizung realisiert werden, was insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen für Personenkraftwagen und insbesondere bei Ottomotoren vorteilhaft ist. Die erfindungsgemäße Turbine ist jedoch ohne weiteres auch bei Verbrennungskraftmaschinen für Nutzkraftwagen sowie bei Dieselmotoren, Diesottomotoren und/oder anderweitigen Verbrennungskraftmaschinen einsetzbar.
Der Wert des Exponenten ex kann vorteilhafterweise auch 7 oder 8 betragen, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn die Turbine bei Personenkraftwagen zum Einsatz kommt. Durch solch hohe Werte des Exponenten ex können ein besonders hoher Wirkungsgrad sowie eine besonders hohe Durchsatzspreizung realisiert werden.
In weiterer, vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung gilt die oben genannte Formel bzw. Bedingung für beide Spiralensegmente. Mit anderen Worten sind beide Spiralensegmente bzw. beide Spiralenverläufe der Spiralensegmente nach der oben genannten Formel ausgestaltet, wodurch ein besonders hoher Wirkungsgrad realisierbar ist.
Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn sich die jeweiligen Exponenten ex der Spiralensegmente voneinander unterscheiden, wobei beide Exponenten mindestens den Wert 2, insbesondere mindestens den Wert 4 und insbesondere den Wert 8, aufweisen. Dadurch können die Spiralensegmente bedarfsgerecht ausgestaltet und beispielsweise an unterschiedliche Zwecke angepasst werden. Eines der Spiralensegmente kann beispielsweise auf die Bereitstellung eines vorgebbaren Verbrennungsluftverhältnisses λ ausgelegt werden, während das andere Spiralensegment beispielsweise auf die Realisierung besonders hoher Abgasrückführraten (AGR-Raten) ausgelegt wird.
Dementsprechend kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass sich die jeweiligen Spiraleneintrittsquerschnitte A_s0 der Spiralensegmente voneinander unterscheiden, so dass dadurch die Spiralensegmente bedarfsgerecht ausgestaltet werden können. Infolge der Ausgestaltung der Spiralensegmenten nach der oben genannten Formel können diese besonders vorteilhaft von dem Abgas durchströmt werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eine Verstelleinrichtung vorgesehen, mittels welcher wenigstens ein von Abgas durchströmbarer und stromauf des Turbinenrads angeordneter Strömungsquerschnitt der Turbine einstellbar ist. Dadurch kann die Turbine bedarfsgerecht an unterschiedliche Massenströme des Abgases, zu denen es beispielsweise bei unterschiedlichen Drehzahl- und/oder Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine kommt, angepasst und so besonders effizient betrieben werden.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn den Spiralensegmenten jeweils wenigstens ein Verstellelement der Verstelleinrichtung zugeordnet ist, mittels welchem wenigstens ein jeweiliger, vom Abgas durchströmbarer Strömungsquerschnitt des jeweiligen Spiralensegments einstellbar ist. Dadurch lassen sich besonders hohe Durchsatzspreizungen der Turbine realisieren. Ferner können so die jeweiligen Strömungsquerschnitte der Spiralensegmente bedarfsgerecht eingestellt werden.
Um besonders hohe Durchsatzspreizungen der Turbine auf besonders kostengünstige Weise zu realisieren, ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Verstellelemente in Umfangsrichtung des Turbinenrads über dessen Umfang zumindest bereichsweise relativ zum Turbinengehäuse um eine Schwenkachse, insbesondere um die Drehachse, verschiebbar sind. Die Turbine bzw. die Verstelleinrichtung weist somit auch eine sehr hohe Robustheit auf.
Die Verstelleinrichtung ist somit als sogenannter Zungenschieber ausgebildet, dessen Verstellelemente Sperrkörper sind, die in ihrem Querschnitt zumindest im Wesentlichen tragflächenförmig ausgebildet sein können. Dadurch kann beispielsweise durch Bewegen der Verstellelemente relativ zum Turbinengehäuse der jeweilige Eintrittsquerschnitt A_s und/oder ein jeweiliger Düsenquerschnitt der Spiralensegmente eingestellt werden.
Zur Erfindung gehört auch eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen mit einem Abgastrakt, in welchem eine Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Turbine sind als vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine anzusehen und umgekehrt. Mittels der Turbine kann die Verbrennungskraftmaschine besonders effizient durch die Stoßaufladung aufgeladen werden, so dass einerseits im Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltende Energie durch die Turbine besonders gut genutzt werden kann, um andererseits einen Verdichter des Abgasturboladers auch in unteren und mittleren Drehzahl- und/oder Lastbereichen mit hohen Leistungen antreiben zu können. In der Folge kann die Verbrennungskraftmaschine auch in unteren und mittleren Drehzahl- und/oder Lastbereichen sehr gut mit verdichteter Luft versorgt und somit effizient betrieben werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Querschnittsansicht einer Turbine eines Abgasturboladers für eine Verbrennungskraftmaschine, mit zwei Spiralensegmenten;
2 ein Diagramm zur Veranschaulichung von relativen Flächenverläufen und somit von Spiralenverläufen unterschiedlicher Ausführungsformen der Spiralensegmente.
1 zeigt eine Turbine 10 für einen Abgasturbolader einer als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens. Der Abgasturbolader umfasst auch einen in 1 nicht erkennbaren Verdichter, mittels welchem der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft zu verdichten ist. Dabei ist der Verdichter von der Turbine 10 antreibbar.
Die Turbine 10 umfasst ein Turbinengehäuse 12, welches einen Aufnahmeraum 14 für ein Turbinenrad 16 der Turbine 10 aufweist. Das Turbinenrad 16 ist dabei im Aufnahmeraum 14 zumindest bereichsweise aufgenommen und um eine Drehachse 18 relativ zum Turbinengehäuse 12 drehbar.
Mittels des Turbinengehäuses 12 wird Abgas von der Verbrennungskraftmaschine zum Turbinenrad 16 geführt, welches von dem Abgas angeströmt und dadurch angetrieben wird. Das Turbinenrad 16 ist dabei mit einer in 1 nicht gezeigten Welle des Abgasturboladers drehfest verbunden. Mit dieser Welle ist auch ein Verdichterrad des Verdichters verbunden. Das Verdichterrad ist dabei in einem Verdichtergehäuse des Verdichters um die Drehachse 18 relativ zu dem Verdichtergehäuse drehbar aufgenommen und kann infolge der drehfesten Verbindung mit der Welle von dem Turbinenrad 16 angetrieben werden. Mittels des Verdichterrads wird die der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft verdichtet. Somit kann mittels des Abgasturboladers im Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltene Energie genutzt werden kann, um die Luft zu verdichten.
Die Turbine 10 ist vorliegend als sogenannte Mehrsegment-Turbine ausgebildet. Dabei weist das Turbinengehäuse 12 ein erstes Spiralensegment 20 sowie ein zweites Spiralensegment 22 auf. Das erste Spiralensegment 20 erstreckt sich in Umfangsrichtung des Turbinenrads 16 über dessen Umfang bezüglich eines Polarkoordinatensystems mit Ursprung O auf der Drehachse 18 über einen Umschlingungswinkel φ_Ages. Der Umschlingungswinkel φ_Ages des erstes Spiralsegments 20 ergibt sich dabei aus φ_AE – φ_A0. Dabei ist φ_A0 ein Anfangswinkel, bei welchem ein Spiraleneintrittsquerschnitt A_sA0 des ersten Spiralensegments 20 angeordnet ist. Ferner ist φ_AE ein Endwinkel, bei welchem ein Ende des ersten Spiralensegments 20 angeordnet ist. Dabei beträgt der Umschlingungswinkel φ_Ages des ersten Spiralensegments 20 vorliegend zumindest im Wesentlichen 216°. Mit anderen Worten erstreckt sich das erste Spiralensegment 20 ausgehend von einem Winkel φ = φ_A0 = 0° bis zu einem Winkel φ = φ_AE = 216°. Der Umschlingungswinkel φ_Ages beträgt somit 216°.
Entsprechend erstreckt sich das zweite Spiralensegment 22 in Umfangsrichtung des Turbinenrads 16 über dessen Umfang bezüglich des Polarkoordinatensystems über einen Umschlingungswinkel φ_Bges, welcher sich aus φ_BE – φ_B0 ergibt. Dabei ist φ_B0 ein Anfangswinkel, bei welchem ein Spiraleneintrittsquerschnitt A_sB0 des zweiten Spiralensegments 22 angeordnet ist. Ferner ist φ_BE ein Endwinkel, bei welchem ein Ende des zweiten Spiralensegments 22 angeordnet ist. Mit anderen Worten erstreckt sich das zweite Spiralensegment 22 ausgehend von einem Winkel φ = φ_B0 = 216° bis zu einem Winkel φ = φ_BE = 360°. Der Umschlingungswinkel φ_Bges beträgt somit 144°.
Die Spiralensegmente 20, 22 sind dabei zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennt sowie in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet, d. h. hintereinander geschaltet.
Bezogen auf das erste Spiralensegment 20 gilt für zumindest einen Winkel φ aus einem Bereich von einschließlich φ_A0 bis einschließlich φ_AE:
wobei A_sA ein Strömungsquerschnitt des ersten Spiralensegments 20 bei dem jeweiligen Winkel φ ist, und wobei exA ein Exponent ist, dessen Wert mindestens 2 beträgt. Mit anderen Worten kann der Winkel φ Werte aus dem Bereich von einschließlich φ_A0 bis einschließlich φ_AE annehmen. Bezogen auf das zweite Spiralensegment 22 gilt für zumindest einen Winkel φ aus einem Bereich von einschließlich φ_B0 bis einschließlich φ_BE:
wobei A_sB ein Strömungsquerschnitt des zweiten Spiralensegments 22 bei dem jeweiligen Winkel φ ist, und wobei exB ein Exponent ist, dessen Wert mindestens 2 beträgt. Mit anderen Worten kann der Winkel φ Werte aus dem Bereich von einschließlich φ_B0 bis einschließlich φ_BE annehmen.
Vorzugsweise beträgt der jeweilige Wert der Exponenten exA, exB mindestens 4, insbesondere mindestens 8. Durch diese Ausgestaltung der Spiralensegmente 20, 22 weisen diese einen jeweiligen relativen Flächenverlauf
und somit einen jeweiligen, entsprechenden Spiralenverlauf auf, mittels welchem das Abgas besonders strömungsgünstig zum Turbinenrad 16 geführt werden kann. Ferner ist mittels der Turbine 10 eine besonders vorteilhafte Stoßaufladung durchführbar.
Die Turbine 10 weist auch eine Verstelleinrichtung 24 in Form eines sogenannten Zungenschiebers auf, welcher zwei Verstellelemente in Form von Zungen 26, 28 aufweist. Die Zunge 26 ist dabei dem ersten Spiralensegment 20 zugeordnet, während die zweite Zunge 28 dem zweiten Spiralensegment 22 zugeordnet ist. Die Zungen 26, 28 sind mit einem gemeinsamen Ring 30 des Zungenschiebers 24 verbunden, wobei der Ring 30 um die Drehachse 18 relativ zum Turbinengehäuse 12 drehbar ist. Aufgrund der Verbindung der Zungen 26, 28 mit dem Ring 30 werden die Zungen 26, 28 beim Drehen des Rings 30 um die Drehachse 18 relativ zum Turbinengehäuse 12 um die Drehachse 18 verschoben, wodurch jeweilige, stromauf des Turbinenrads 16 angeordnete und von Abgas durchströmbare Strömungsquerschnitte der Spiralensegmente 20, 22 variabel eingestellt werden können. Vorliegend werden jeweilige Spiraleneintrittsquerschnitte der Spiralensegmente 20, 22 durch Verschieben der Zungen 26, 28 eingestellt, wobei sich die Spiraleneintrittsquerschnitte A_sA0 und A_sB0 auf die maximalen bzw. maximal einstellbaren Spiraleneintrittsquerschnitte beziehen. Diese maximalen Spiraleneintrittsquerschnitte A_sA0 und A_sB0 werden somit in einer Freigabestellung des Zungenschiebers 24 eingestellt und werden vorliegend durch stationäre, d. h. relativ zum Turbinengehäuse 12 feste Gehäusewandungen des Turbinengehäuses 12 begrenzt.
Durch den Zungenschieber 24 ist eine sogenannte Variabilität der Turbine 10 geschaffen, wodurch eine Variabilität der Schluckfähigkeit sowie der Drallerzeugung vor dem Turbinenrad 16 realisiert ist. Diese Variabilität der Turbinenschluckfähigkeit und Drallerzeugung vor dem Turbinenrad 16 wird maßgebend durch die vorliegend simultan einstellbaren Spiraleneintrittsquerschnitte der Spiralensegmente 20, 22 an jeweiligen Zungenspitzen 32, 34 der Zungen 26, 28 bestimmt.
Der Ring 30 ist mit einem regelbaren oder steuerbaren Stellglied gekoppelt, mittels welchem der Ring 30 um die Drehachse 18 gedreht werden kann. Durch die Verstellung der Zungen 26, 28 wird also eine Spreizung im Spiraleneintrittsquerschnitt über den festgelegten Spiralenverlauf von einem oberen zu einem unteren Wert durch Flächenabgriff der Zungenspitzen 32, 34 bewerkstelligt.
Die Zungen 26, 28 sind dabei in einem Verstellbereich ε verstellbar, welcher ausgehend von φ = 0° bis φ = ε_max reicht. Bei ε_max handelt es sich somit um eine Endstellung, in der sich der Zungenschieber 20 in einer maximalen Schließstellung befindet. Bei dieser maximalen Schließstellung sind die jeweiligen Spiraleneintrittsquerschnitte maximal verengt.
Je nach Position des Zungenschiebers 24 ergibt sich eine Verlängerung oder Verkürzung der Spiralensegmente 20, 22, die zu den mit der Bewegung der Zungen 26, 28 veränderbaren Spiraleneintrittsquerschnitte der Turbine 10 führen.
Die als Zungenschieber-Turbine ausgebildete Turbine 10 weist ein besonders hohes Potential an relativ einfach zu modifizierenden Parametern auf, um das thermodynamische Verhalten der Turbine 10 gezielt und überschaubar zu beeinflussen. Mit dieser Eigenschaft ist die Zungenschieber-Turbine sehr geeignet für die Erstellung von Modulen bzw. Baukästen, mit denen auf einfache Weise kostengünstige Baureihen erzeugt werden können. Neben gängigen Modifikationen von vorhandenen Laufrädern hinsichtlich TRIM (Verhältnis von Eintrittsdurchmesser zur Austrittsdurchmesser des Turbinenrads) und hinsichtlich des Eintrittsdurchmessers bieten Zungenschieber-Variationen z. B. über deren Längen in Kombination mit der entsprechenden Gestaltung der Spiralensegmente 20, 22 ein weites Feld, thermodynamische Anforderungen vorteilhaft zu befriedigen und eine optimale Adaption der Turbine 10 an die zugehörige Turbine zu erzielen.
2 zeigt ein Diagramm 36, auf dessen Abszisse 38 der Winkel φ aufgetragen ist. Auf der Ordinate 40 ist das jeweilige, oben genannte Flächenverhältnis
aufgetragen.
Dementsprechend veranschaulichen im Diagramm 36 Kurven 42 jeweilige Verläufe des Flächenverhältnisses
des ersten Spiralensegments 20 für unterschiedliche Werte des Exponenten exA, wobei die Kurve 1A den Verlauf des Flächenverhältnisses des ersten Spiralensegments 20 für den Exponenten exA = 1 veranschaulicht. Dementsprechend veranschaulicht die Kurve 2A den Verlauf des Flächenverhältnisses für den Exponenten exA = 2, die Kurve 3A für den Exponenten exA = 3, die Kurve 4A für den Exponenten exA = 4 und die Kurve 5A für den Exponenten exA = 5.
Dementsprechend veranschaulichen Kurven 44 im Diagramm 36 jeweilige Verläufe des Flächenverhältnisses
des zweiten Spiralensegments 22 für unterschiedliche Werte des Exponenten exB, wobei die Kurve 1B den Verlauf für exB = 1, die Kurve 2B den Verlauf für exB = 2, die Kurve 3B den Verlauf für exB = 3, die Kurve 4B den Verlauf für exB = 4 und die Kurve 5B den Verlauf für exB = 5 veranschaulicht. Die anhand der Kurven 42, 44 veranschaulichten, unterschiedlichen Flächenverläufe bzw. Spiralenverläufe ist zu entnehmen, wie stark auf die Sensibilität bzw. auf den Verstellbereich ε des Flächenabgriffs entlang des Spiralenverlaufs über die Spiralenflächen-Auslegung eingewirkt werden kann. Mittels der drehbaren Zungen 26, 28 über den Verstellbereich ε von beispielsweise 50°, so dass also ε_max 50° beträgt, erhält man bei einem zumindest im Wesentlichen linearen und durch die Kurve 1A veranschaulichten Standardverlauf des ersten Spiralensegments 20 eine Flächenabsenkung von etwa 22% der Spiralenquerschnittsfläche bezogen auf den Spiraleneintrittsquerschnitt A_sA0, d. h. bei maximalem Freigeben bzw. in Der Freigabestellung.
Die Exponenten exA und exB können dabei gleich oder voneinander unterschiedlich sein. Ebenso können die Spiraleneintrittsquerschnitte A_sA0 und A_sB0 gleich oder voneinander unterschiedlich sein. Bei Anwendungen beispielsweise für Personenkraftwagen mit einem hohen Spreizungsbedarf des Durchsatzparameters können auch Exponenten exA bzw. exB von 6 vorgesehen werden.
Mit 1A, min ist dabei ein minimaler Spiraleneintrittsquerschnitt bezeichnet, welcher in der Endstellung ε_max des Zungenschiebers 24 bei dem ersten Spiralensegment 20 mit dem Exponenten exA = 1 eingestellt ist. Entsprechend ist mit 5A, min ein minimaler Spiraleneintrittsquerschnitt bezeichnet, welcher in der Endstellung ε_max des Zungenschiebers 24 beim ersten Spiralensegment 20 mit exA = 5 eingestellt ist.
Ferner ist mit 1B, min ein minimaler Spiraleneintrittsquerschnitt des zweiten Spiralensegments 22 bezeichnet, welcher in der Endstellung ε_max des Zungenschiebers 24 beim zweiten Spiralensegment 22 mit exB = 1 eingestellt ist. Dementsprechend ist in 2 mit 5B, min ein minimaler Spiraleneintrittsquerschnitt des zweiten Spiralensegments 22 bezeichnet, welcher in der Endlage ε_max des Zungenschiebers 24 bei dem zweiten Spiralensegment 22 mit exB = 5 eingestellt ist.
Die geschilderte Formel ist vorzugsweise für einen Teilbereich der Erstreckung, d. h. zumindest in einem Teilbereich des jeweiligen Umschlingungswinkels gültig. Vorzugsweise ist die jeweilige Formel zumindest in einem überwiegenden Teilbereich und insbesondere in dem vollständigen Teil der Erstreckung des jeweiligen Spiralensegments 20, 22 verwirklicht.
Bezugszeichenliste

10: Turbine
12: Turbinengehäuse
14: Aufnahmeraum
16: Turbinenrad
18: Drehachse
20: erstes Spiralensegment
22: zweites Spiralensegment
24: Zungenschieber
26: Zunge
28: Zunge
30: Ring
32: Zungenspitze
34: Zungenspitze
36: Diagramm
38: Abszisse
40: Ordinate
42: Kurven
44: Kurven
1A: Kurve
2A: Kurve
3A: Kurve
4A: Kurve
5A: Kurve
1B: Kurve
2B: Kurve
3B: Kurve
4B: Kurve
5B: Kurve
ε_max: Endstellung
1A, min: minimaler Spiraleneintrittsquerschnitt
1B, min: minimaler Spiraleneintrittsquerschnitt
5A, min: minimaler Spiraleneintrittsquerschnitt
5B, min: minimaler Spiraleneintrittsquerschnitt
φ: Winkel
φ_A0: Anfangswinkel
φ_AE: Endwinkel
φ_Ages: Umschlingungswinkel
φ_B0: Anfangswinkel
φ_BE: Endwinkel
φ_Bges: Umschlingungswinkel
A_sA0: maximaler Spiraleneintrittsquerschnitt
A_sB0: maximaler Spiraleneintrittsquerschnitt
O: Ursprung

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 19918232 A1 [0007]
DE 102008039085 A1 [0008]
US 2010/0196145 A1 [0009]
US 2011/0243721 A1 [0010]

Claims

Turbine (10) für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Turbinengehäuse (12), welches einen Aufnahmeraum (14) für ein um eine Drehachse (18) relativ zu dem Turbinengehäuse (12) drehbares Turbinenrad (16) sowie wenigstens zwei sich in Umfangsrichtung des Turbinenrads (16) über dessen Umfang bezüglich eines Polarkoordinatensystems mit Ursprung (O) auf der Drehachse (18) jeweils über einen Umschlingungswinkel (φ_Ages, φ_Bges) φ_E – φ₀ erstreckende, zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte und in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Spiralensegmente (20, 22) zum Führen des Abgases zu dem Aufnahmeraum (14) aufweist, wobei φ₀ ein Anfangswinkel, bei welchem ein jeweiliger Spiraleneintrittsquerschnitt A_s0 der Spiralensegmente (20, 22) angeordnet ist, und φ_E ein Endwinkel ist, bei welchem ein jeweiliges Ende der Spiralensegmente (20, 22) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf wenigstens eines der Spiralensegmente (20, 22) für zumindest einen Winkel φ aus einem Bereich von einschließlich φ₀ bis einschließlich φ_E gilt:
wobei – A_s ein Strömungsquerschnitt des wenigstens einen Spiralensegments (20, 22) bei dem jeweiligen Winkel φ ist, und – ex ein Exponent ist, dessen Wert mindestens 2 beträgt.
Turbine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Exponenten ex mindestens 4, insbesondere mindestens 8, beträgt.
Turbine (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Spiralensegmente (20, 22) jeweils nach der Bedingung
ausgestaltet sind, wobei sich die jeweiligen Exponenten ex der Spiralensegmente (20, 22) voneinander unterscheiden und/oder wobei sich die jeweiligen Spiraleneintrittsquerschnitte A_s0 der Spiralensegmente (20, 22) voneinander unterscheiden.
Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Verstelleinrichtung (24) vorgesehen ist, mittels welcher wenigstens ein von Abgas durchströmbarer und stromauf des Turbinenrads (16) angeordneter Strömungsquerschnitt der Turbine (10) einstellbar ist.
Turbine (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass den Sprialensegmenten (20, 22) jeweils wenigstens ein Verstellelement (26, 28) der Verstelleinrichtung (24) zugeordnet ist, mittels welchem wenigstens ein jeweiliger, von Abgas durchströmbarer Strömungsquerschnitt des jeweiligen Spiralensegments (20, 22) einstellbar ist.
Turbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellelemente (26, 28) in Umfangsrichtung des Turbinenrads (16) über dessen Umfang zumindest bereichsweise relativ zum Turbinengehäuse (12) um eine Schwenkachse, insbesondere um die Drehachse (18), verschiebbar sind.
Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit einem Abgastrakt, in welchem wenigstens eine Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist.