DE102012016984B4 - Turbine for an exhaust gas turbocharger and internal combustion engine with such a turbine - Google Patents

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Abstract

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-φ0erstreckende, zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte und in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Spiralensegmente (20, 22) zum Führen des Abgases zu dem Aufnahmeraum (14) aufweist, wobei φ0ein Anfangswinkel, bei welchem ein jeweiliger Spiraleneintrittsquerschnitt As0der Spiralensegmente (20, 22) angeordnet ist, und φEein Endwinkel ist, bei welchem ein jeweiliges Ende der Spiralensegmente (20, 22) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dassbezogen auf wenigstens eines der Spiralensegmente (20, 22) für alle Winkel φ aus einem Bereich von einschließlich φ0bis einschließlich φEgilt:AsAs0≤(1−(φ−φ0)(φE−φ0))exwobei- Asein 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) for an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine, having a turbine housing (12) which has a receiving space (14) for a turbine wheel (16) which can be rotated about an axis of rotation (18) relative to the turbine housing (12) and at least two Spiral segments (20, 22) extending around the circumference of the turbine wheel (16) with respect to a polar coordinate system with origin (O) on the axis of rotation (18) in each case over a wrap angle (φAges, φBges)φE-φ0, which are fluidically separated from one another at least in some areas and are arranged one behind the other in the circumferential direction. for guiding the exhaust gas to the receiving space (14), wherein φ0 is a starting angle at which a respective spiral entry cross section As0 of the spiral segments (20, 22) is arranged, and φE is an end angle at which a respective end of the spiral segments (20, 22) is arranged , characterized in thatin relation to at least one of the spiral segments (20, 22) for all angles φ au s a range from φ0 to φE inclusive: AsAs0≤(1−(φ−φ0)(φE−φ0))exwhere- Ais a flow cross section of the at least one spiral segment (20, 22) at the respective angle φ, and- ex is an exponent is whose value is at least 2.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Verbrennungskraftmaschine mit einer solchen Turbine.The invention relates to a turbine for an exhaust gas turbocharger according to the preamble of patent claim 1 and an internal combustion engine with such a 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.It is known from the series production of passenger cars to use exhaust gas turbochargers with respective turbines in order to charge internal combustion engines for driving the passenger cars. In other words, the internal combustion engines are equipped with charging systems that include at least one exhaust gas turbocharger. The exhaust gas turbocharger is used to use energy contained in the exhaust gas of the associated internal combustion engine by means of a turbine in order to compress air to be supplied to the internal combustion engine by means of a compressor of the exhaust gas turbocharger.

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 (NOx-Emissionen) und Rußemissionen in der aktuellen Entwicklung von Aufladesystemen beeinflusst diese sehr stark.By means of such a supercharging system, even internal combustion engines with relatively small stroke volumes, which are designed according to the so-called downsizing principle, can provide very high specific power and torque. Striving for the realization of particularly low emissions, in particular with regard to nitrogen oxide emissions (NO x emissions) and soot emissions in the current development of charging systems, has a very strong influence on them.

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. Due to growing demands regarding the provision of boost pressure due to very high exhaust gas recirculation rates (EGR rates) to be realized, especially above the medium load range up to full load of the internal combustion engine, the flow cross sections through which exhaust gas can flow are becoming smaller and smaller in the turbines. Particularly high turbine outputs are thus realized by the representation of a particularly high accumulation capacity or by reducing the intake capacity of the turbines in interaction with the relevant internal combustion engine.

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.In addition, it is known to use soot filters in order to at least partially filter out soot particles from the exhaust gas of internal combustion engines. Such soot filters, which are arranged downstream of the turbines in an exhaust tract of the internal combustion engine, increase a respective inlet pressure level of the turbines as a result of a corresponding back pressure of the soot filters, which can make it necessary to further reduce the geometry of the turbines in order to meet the performance requirements on the compressor side for an air-exhaust gas - To be able to satisfy delivery. However, these geometric reductions are usually associated with only low efficiencies of the turbines.

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.It has been shown that the production of particularly high exhaust gas recirculation rates in connection with a necessary combustion air to be supplied for the internal combustion engine is problematic, particularly in the lower to medium operating or load ranges. With the usual design boundary conditions, which are also defined from the nominal point of the internal combustion engine on the gas exchange side or consumption side, the lower speed range of the internal combustion engine can only be served insufficiently in terms of air delivery in an asymmetric, double-flow fixed-geometry turbine, for example.

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.the DE 199 18 232 A1 discloses a multi-cylinder internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and with at least two different cylinders or cylinder groups assigned separate exhaust gas lines to the turbine of the exhaust gas turbocharger, which can be fluidically connected or disconnected depending on the position of an actuator before entering the turbine. The actuator is designed as a slide bearing wall sections of the exhaust gas lines, with the movable wall sections being able to be brought into the closed position of the slide to separate the exhaust gas lines so that they cover fixed wall sections.

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 φE- φ0 erstreckende, zumindest bereichsweise fluidisch 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 As0 der Spiralensegmente angeordnet ist. Ferner ist φE ein Endwinkel, bei welchem ein jeweiliges Ende der Spiralensegmente angeordnet ist.Of the DE 10 2008 039 085 A1 an internal combustion engine for a motor vehicle with an exhaust gas turbocharger can be seen as known. The exhaust gas turbocharger includes a turbine with a turbine housing, which has a receiving space for a turbine wheel that can rotate about an axis of rotation relative to the turbine housing. The turbine housing also has at least two spiral segments, which extend in the circumferential direction of the turbine wheel over its circumference with respect to a polar coordinate system originating on the axis of rotation, each over a wrap angle φ E - φ 0 , are fluidically separated from one another at least in some areas and are arranged one behind the other in the circumferential direction for guiding the exhaust gas to the has receiving space. In this case, φ 0 is an initial angle at which a respective spiral entry cross section A s0 of the spiral segments is arranged. Furthermore, φ E is an end angle at which a respective end of the spiral segments is arranged.

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.From the U.S. 2010/0196145 A1 a turbocharger with a turbine is known, which has a turbine housing with a receiving space for a turbine wheel. Adjusting elements are provided upstream of the receiving space, which can be moved relative to the turbine housing and by means of wel At least one flow cross section of the turbine through which exhaust gas can flow is adjustable.

Ferner ist der DE 10 2010 053 951 A1 eine Turbine für einen Abgasturbolader als bekannt zu entnehmen. Darüber hinaus offenbart die DE 11 2010 003 626 T5 eine Abgas-Zuführvorrichtung eines Turbinenrads eines Abgasturboladers.Furthermore, the DE 10 2010 053 951 A1 a turbine for an exhaust gas turbocharger can be seen as known. In addition, the DE 11 2010 003 626 T5 an exhaust gas supply device of a turbine wheel of an exhaust gas turbocharger.

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.Finally revealed the US 2011/0243721 A1 a turbine for an exhaust gas turbocharger, with a turbine housing, which has a receiving space for a turbine wheel, adjustment elements that can be moved relative to the turbine housing being provided upstream of the receiving space, by means of which at least one flow cross section of the turbine through which exhaust gas can flow can be variably adjusted.

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.In order to be able to advantageously set the ratio of the exhaust gas recirculation rates to the necessary air-fuel ratios in a particularly large operating range, a double-flow turbine type is advantageous, which is particularly pronounced in terms of shock charging capability, especially in a cylinder combination group. Turbines, which are designed in particular for pulse charging, have very large flow cross sections for using the greater usable exergy fluctuations or pressure pulsations of the exhaust gas of the internal combustion engine.

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.These high pressure pulsations of the internal combustion engine exist and occur at the turbine if the throttle and friction losses that usually occur at exhaust valves of the internal combustion engine in a manifold area upstream of the turbine are kept low by appropriate geometry design up to the turbine. This reduction in throttling and friction losses upstream of the turbine promotes the achievement of the objective of realizing a particularly pronounced impact charging, whereby an increase in the average overall efficiency of the exhaust gas exergy utilization is achieved despite large fluctuations in the turbine efficiency over time. A so-called multi-segment turbine, with the spiral segments mentioned at the outset arranged one behind the other in the circumferential direction, represents a very good starting point for realizing a particularly high degree of efficiency of the turbine.

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.It is therefore the object of the present invention to further develop a turbine for an exhaust gas turbocharger and an internal combustion engine for a motor vehicle with a turbine of the type mentioned at the outset in such a way that a particularly high degree of efficiency of the turbine can be achieved.

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 nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a turbine having the features of patent claim 1 and by an internal combustion engine with such a turbine having the features of patent claim 7 . Advantageous configurations with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the remaining claims.

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 alle Winkel φ aus einem Bereich von einschließlich φ0 bis einschließlich φE gilt: A s A s 0 ( 1 ( φ φ 0 ) ( φ E φ 0 ) ) e x

Figure DE102012016984B4_0002
In order to create a turbine for an exhaust gas turbocharger of the type specified in the preamble of claim 1, in which a particularly high degree of efficiency can be achieved, it is provided according to the invention that, based on at least one of the spiral segments, for all angles φ from a range from φ 0 to inclusive including φ E applies: A s A s 0 ( 1 ( φ φ 0 ) ( φ E φ 0 ) ) e x
Figure DE102012016984B4_0002

Dabei ist As ein Strömungsquerschnitt des wenigstens einen Spiralensegments bei dem jeweiligen Winkel φ. Dies bedeutet, dass das wenigstens eine Spiralensegment bei allen Winkeln φ aus dem genannten Bereich einen zugehörigen Strömungsquerschnitt As aufweist, welcher von Abgas durchströmbar ist und der oben angegebenen Formel bzw. Bedingung A s A s 0 ( 1 ( φ φ 0 ) ( φ E φ 0 ) ) e x

Figure DE102012016984B4_0003
gehorcht. Weiterhin ist ex ein Exponent, dessen Wert mindestens 2 beträgt.In this case, A s is a flow cross section of the at least one spiral segment at the respective angle φ. This means that the at least one spiral segment has an associated flow cross-section A s at all angles φ from the range mentioned, through which exhaust gas can flow and the above-specified formula or condition A s A s 0 ( 1 ( φ φ 0 ) ( φ E φ 0 ) ) e x
Figure DE102012016984B4_0003
obeys. Furthermore, ex is an exponent whose value is at least 2.

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 φE 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.Due to the design of the at least one spiral segment according to the formula or condition given above, the at least one spiral segment has a corresponding surface profile and thus spiral profile starting from φ 0 to φ E , the exhaust gas flowing through the at least one spiral segment with regard to the realization of advantageous flow conditions is particularly advantageous. In other words, the exhaust gas flowing through the at least one spiral segment can be routed to the turbine wheel in a particularly advantageous manner in terms of flow technology, so that the exhaust gas can drive the turbine wheel very well. This results in efficient and therefore particularly efficient operation of the 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 (NOx-Emissionen) gering gehalten werden können.Furthermore, the turbine according to the invention is designed particularly advantageously for carrying out pulse charging, so that high turbine outputs can be achieved by means of the turbine even at lower and medium speed and/or load ranges of the internal combustion engine. As a result, for example, a compressor of the exhaust gas turbocharger can be driven via the turbine with high power and the internal combustion engine thus supply a very high mass flow of compressed air even in the lower and middle speed and/or load ranges. As a result, the internal combustion engine can have a low swept volume and, at the same time, particularly high specific power and/or torques, so that the internal combustion engine can also be operated particularly efficiently and efficiently with only very low emissions and with only very low fuel consumption. In addition, the turbine according to the invention also makes it possible to realize particularly high exhaust gas recirculation rates, so that in particular the nitrogen oxide emissions (NO x emissions) can be kept low.

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.It has proven particularly advantageous if the value of the exponent ex is at least 4, in particular at least 8. This leads to the realization of particularly high efficiencies of the turbine. Furthermore, as a result, a particularly high throughput spread can be realized, which is advantageous in particular in internal combustion engines for passenger cars and in particular in Otto engines. However, the turbine according to the invention can also easily be used in internal combustion engines for commercial vehicles and in diesel engines, diesel gasoline engines and/or other internal combustion engines.

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.The value of the exponent ex can advantageously also be 7 or 8, which is particularly advantageous when the turbine is used in passenger cars. Such high values of the exponent ex make it possible to achieve a particularly high level of efficiency and a particularly high spread of throughput.

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.In a further advantageous embodiment of the invention, the above formula or condition applies to both spiral segments. In other words, both spiral segments or both spiral courses of the spiral segments are designed according to the above formula, as a result of which a particularly high level of efficiency can be achieved.

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 A ausgelegt werden, während das andere Spiralensegment beispielsweise auf die Realisierung besonders hoher Abgasrückführraten (AGR-Raten) ausgelegt wird.It has proven to be advantageous if the respective exponents ex of the spiral segments differ from one another, with both exponents having at least the value 2, in particular at least the value 4 and in particular the value 8. As a result, the spiral segments can be designed as required and, for example, adapted to different purposes. One of the spiral segments can be designed, for example, to provide a predeterminable combustion air ratio A, while the other spiral segment is designed, for example, to realize particularly high exhaust gas recirculation rates (EGR rates).

Dementsprechend kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass sich die jeweiligen Spiraleneintrittsquerschnitte As0 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.Accordingly, it can advantageously be provided that the respective spiral entry cross sections A s0 of the spiral segments differ from one another, so that the spiral segments can be designed as required. As a result of the configuration of the spiral segments according to the above formula, the exhaust gas can flow through them in a particularly advantageous manner.

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.In a particularly advantageous embodiment of the invention, at least one adjusting device is provided, by means of which at least one flow cross section of the turbine through which exhaust gas can flow and which is arranged upstream of the turbine wheel can be adjusted. As a result, the turbine can be adapted as required to different mass flows of the exhaust gas, which occur, for example, in different speed and/or load ranges of the internal combustion engine, and can thus be operated particularly efficiently.

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.It has been shown to be particularly advantageous if at least one adjustment element of the adjustment device is assigned to the spiral segments, by means of which at least one respective flow cross section through which the exhaust gas can flow of the respective spiral segment can be adjusted. As a result, particularly high throughput spreads of the turbine can be achieved. Furthermore, the respective flow cross sections of the spiral segments can be adjusted as required.

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.In order to achieve particularly high throughput spreads of the turbine in a particularly cost-effective manner, it is provided in a further embodiment of the invention that the adjusting elements are displaceable in the circumferential direction of the turbine wheel over its circumference at least in regions relative to the turbine housing about a pivot axis, in particular about the axis of rotation. The turbine or the adjusting device therefore also has a very high level of robustness.

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 As und/oder ein jeweiliger Düsenquerschnitt der Spiralensegmente eingestellt werden.The adjusting device is thus designed as a so-called tongue slide, the adjusting elements of which are blocking bodies which can be designed at least essentially in the shape of a wing in their cross section. As a result, the respective inlet cross section A s and/or a respective nozzle cross section of the spiral segments can be adjusted, for example, by moving the adjustment elements relative to the turbine housing.

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.The invention also includes an internal combustion engine for a motor vehicle with a Exhaust tract, in which a turbine according to one of the preceding claims is arranged. Advantageous configurations of the turbine according to the invention are to be regarded as advantageous configurations of the internal combustion engine according to the invention and vice versa. By means of the turbine, the internal combustion engine can be charged particularly efficiently by pulse charging, so that on the one hand energy contained in the exhaust gas of the internal combustion engine can be used particularly well by the turbine and on the other hand a compressor of the exhaust gas turbocharger can also be used in the lower and middle speed and/or load ranges to drive high performance. As a result, the internal combustion engine can also be very well supplied with compressed air in the lower and middle speed and/or load ranges and can therefore be operated efficiently.

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.Further advantages, features and details of the invention result from the following description of a preferred exemplary embodiment and from the drawing. The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the leave invention.

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.
The drawing shows in:
  • 1 a schematic cross-sectional view of a turbine of an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine, with two spiral segments;
  • 2 a diagram to illustrate relative surface courses and thus spiral courses of different embodiments of the spiral segments.

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. 1 shows a turbine 10 for an exhaust gas turbocharger of a motor vehicle internal combustion engine designed as a reciprocating piston internal combustion engine. The exhaust gas turbocharger also includes an in 1 not recognizable compressor, by means of which the internal combustion engine to be supplied air is to be compressed. In this case, the compressor can be driven by the turbine 10 .

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.The turbine 10 includes a turbine housing 12 which has a receiving space 14 for a turbine wheel 16 of the turbine 10 . The turbine wheel 16 is accommodated at least in regions in the accommodation space 14 and is rotatable about an axis of rotation 18 relative to the turbine housing 12 .

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.By means of the turbine housing 12, exhaust gas from the internal combustion engine is conducted to the turbine wheel 16, which the exhaust gas flows against and is driven by. The turbine wheel 16 is equipped with an in 1 not shown shaft of the exhaust gas turbocharger rotatably connected. A compressor wheel of the compressor is also connected to this shaft. The compressor wheel is accommodated in a compressor housing of the compressor so as to be rotatable about the axis of rotation 18 relative to the compressor housing and can be driven by the turbine wheel 16 as a result of the non-rotatable connection to the shaft. The air to be supplied to the internal combustion engine is compressed by means of the compressor wheel. Energy contained in the exhaust gas of the internal combustion engine can thus be used by means of the exhaust gas turbocharger in order to compress the air.

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 φAges. Der Umschlingungswinkel φAges des erstes Spiralsegments 20 ergibt sich dabei aus φAEA0. Dabei ist φA0 ein Anfangswinkel, bei welchem ein Spiraleneintrittsquerschnitt AsA0 des ersten Spiralensegments 20 angeordnet ist. Ferner ist φAE ein Endwinkel, bei welchem ein Ende des ersten Spiralensegments 20 angeordnet ist. Dabei beträgt der Umschlingungswinkel φAges des ersten Spiralensegments 20 vorliegend zumindest im Wesentlichen 216°. Mit anderen Worten erstreckt sich das erste Spiralensegment 20 ausgehend von einem Winkel φ = φA0=0° bis zu einem Winkel φ = φAE = 216°. Der Umschlingungswinkel φAges beträgt somit 216°.In the present case, the turbine 10 is designed as a so-called multi-segment turbine. In this case, the turbine housing 12 has a first spiral segment 20 and a second spiral segment 22 . The first spiral segment 20 extends in the circumferential direction of the turbine wheel 16 over its circumference with respect to a polar coordinate system with the origin O on the axis of rotation 18 over a wrap angle φ Ages . The angle of wrap φ Ages of the first spiral segment 20 results from φ AEA0 . In this case, φ A0 is an initial angle at which a spiral entry cross section A sA0 of the first spiral segment 20 is arranged. Furthermore, φ AE is an end angle at which an end of the first spiral segment 20 is located. The angle of wrap φ Ages of the first spiral segment 20 is at least essentially 216° in the present case. In other words, the first spiral segment 20 extends from an angle φ=φ A0 =0° to an angle φ=φ AE =216°. The wrap angle φ Ages is therefore 216°.

Entsprechend erstreckt sich das zweite Spiralensegment 22 in Umfangsrichtung des Turbinenrads 16 über dessen Umfang bezüglich des Polarkoordinatensystems über einen Umschlingungswinkel φBges, welcher sich aus φBE - φB0 ergibt. Dabei ist φB0 ein Anfangswinkel, bei welchem ein Spiraleneintrittsquerschnitt AsB0 des zweiten Spiralensegments 22 angeordnet ist. Ferner ist φBE 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 = φB0 = 216° bis zu einem Winkel φ = φBE = 360°. Der Umschlingungswinkel φBges beträgt somit 144°.Correspondingly, the second spiral segment 22 extends in the circumferential direction of the turbine wheel 16 over its circumference with respect to the polar coordinate system over a wrap angle φ Bges , which results from φ BE −φ B0 . In this case, φ B0 is an initial angle at which a spiral entry cross section A sB0 of the second spiral segment 22 is arranged. Further, φ BE is an end angle at which an end of the second spiral segment 22 is located. In other words, the second spiral segment 22 extends from an angle φ=φ B0 =216° to an angle φ=φ BE =360°. The wrap angle φ Bges is therefore 144°.

Die Spiralensegmente 20, 22 sind dabei zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennt sowie in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet, d.h. hintereinander geschaltet.The spiral segments 20, 22 are at least partially fluidic from each other arranged separately and one behind the other in the circumferential direction, ie connected in series.

Bezogen auf das erste Spiralensegment 20 gilt für alle Winkel φ aus einem Bereich von einschließlich φA0 bis einschließlich φAE: A s A s A 0 ( 1 ( φ φ A 0 ) ( φ A E φ A 0 ) ) e x A

Figure DE102012016984B4_0004
wobei AsA 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 φA0 bis einschließlich φAE annehmen.In relation to the first spiral segment 20, the following applies to all angles φ from a range from φ A0 inclusive to φ AE inclusive: A s A s A 0 ( 1 ( φ φ A 0 ) ( φ A E φ A 0 ) ) e x A
Figure DE102012016984B4_0004
where A sA is a flow area of the first volute segment 20 at the respective angle φ, and where exA is an exponent whose value is at least 2. In other words, the angle φ can assume values from the range from φ A0 inclusive to φ AE inclusive.

Bezogen auf das zweite Spiralensegment 22 gilt für alle Winkel φ aus einem Bereich von einschließlich φB0 bis einschließlich φBE: A s B A s B 0 ( 1 ( φ φ A B 0 ) ( φ B E φ B 0 ) ) e x A B

Figure DE102012016984B4_0005
wobei AsB 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 φB0 bis einschließlich φBE annehmen.In relation to the second spiral segment 22, the following applies to all angles φ from a range from φ B0 inclusive to φ BE inclusive: A s B A s B 0 ( 1 ( φ φ A B 0 ) ( φ B E φ B 0 ) ) e x A B
Figure DE102012016984B4_0005
where A sB is a flow area of the second volute segment 22 at the respective angle φ, and where exB is an exponent whose value is at least 2. In other words, the angle φ can assume values from the range from φ B0 inclusive to φ BE inclusive.

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 A s A A s A 0

Figure DE102012016984B4_0006
bzw. A s B A s B 0
Figure DE102012016984B4_0007
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.The respective value of the exponents exA, exB is preferably at least 4, in particular at least 8. Due to this configuration of the spiral segments 20, 22, they each have a relative surface profile A s A A s A 0
Figure DE102012016984B4_0006
or. A s B A s B 0
Figure DE102012016984B4_0007
and thus a respective, corresponding spiral course, by means of which the exhaust gas can be guided to the turbine wheel 16 in a particularly streamlined manner. Furthermore, a particularly advantageous impact charging can be carried out by means of the turbine 10 .

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 AsA0 und AsB0 auf die maximalen bzw. maximal einstellbaren Spiraleneintrittsquerschnitte beziehen. Diese maximalen Spiraleneintrittsquerschnitte AsA0 und AsB0 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.The turbine 10 also has an adjusting device 24 in the form of what is known as a tongue slide, which has two adjusting elements in the form of tongues 26 , 28 . The tongue 26 is assigned to the first spiral segment 20 while the second tongue 28 is assigned to the second spiral segment 22 . The tongues 26, 28 are connected to a common ring 30 of the tongue slide 24, the ring 30 being rotatable about the axis of rotation 18 relative to the turbine housing 12. Due to the connection of the tongues 26, 28 to the ring 30, the tongues 26, 28 are displaced relative to the turbine housing 12 about the axis of rotation 18 when the ring 30 rotates about the axis of rotation 18, as a result of which flow cross-sections that are arranged upstream of the turbine wheel 16 and through which exhaust gas can flow the spiral segments 20, 22 can be variably adjusted. In the present case, the respective spiral entry cross-sections of the spiral segments 20, 22 are adjusted by moving the tongues 26, 28, the spiral entry cross-sections A sA0 and A sB0 relating to the maximum or maximum adjustable spiral entry cross-sections. These maximum spiral entry cross sections A sA0 and A sB0 are thus set in a release position of tongue slide 24 and are presently delimited by stationary housing walls of turbine housing 12 , ie fixed housing walls relative to turbine housing 12 .

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.A so-called variability of the turbine 10 is created by the tongue slide 24 , as a result of which a variability of the intake capacity and the generation of swirl in front of the turbine wheel 16 is realized. This variability of the turbine absorption capacity and swirl generation in front of the turbine wheel 16 is decisively determined by the simultaneously adjustable spiral entry cross sections of the spiral segments 20, 22 at the respective tongue tips 32, 34 of the tongues 26, 28.

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.The ring 30 is coupled to an adjustable or controllable actuator, by means of which the ring 30 can be rotated about the axis of rotation 18 . By adjusting the tongues 26, 28, a spread in the spiral entry cross-section over the fixed course of the spiral from an upper to a lower value is brought about by surface tapping of the tongue tips 32, 34.

Die Zungen 26, 28 sind dabei in einem Verstellbereich ε verstellbar, welcher ausgehend von φ = 0° bis φ = εmax reicht. Bei εmax 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.The tongues 26, 28 can be adjusted in an adjustment range ε, which extends from φ=0° to φ=ε max . ε max is therefore an end position in which the tongue slide 20 is in a maximum closed position. In this maximum closed position, the respective spiral entry cross sections are narrowed to the maximum.

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.Depending on the position of the tongue slide 24, the volute segments 20, 22 are lengthened or shortened, which leads to the volute inlet cross-sections of the turbine 10, which can be changed with the movement of the tongues 26, 28.

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.The turbine 10 designed as a tongue valve turbine has a particularly high potential for parameters that are relatively easy to modify in order to influence the thermodynamic behavior of the turbine 10 in a targeted and manageable manner. With this property, the tongue valve turbine is very suitable for the creation of modules or construction kits with which inexpensive series can be easily produced. In addition to common modifications of existing wheels with regard to TRIM (ratio of one outlet diameter to the outlet diameter of the turbine wheel) and with regard to the inlet diameter, tongue slide variations, e.g. over their lengths in combination with the corresponding design of the spiral segments 20, 22, offer a wide range to advantageously satisfy thermodynamic requirements and an optimal adaptation of the turbine 10 to the associated turbine achieve.

2 zeigt ein Diagramm 36, auf dessen Abszisse 38 der Winkel φ aufgetragen ist. Auf der Ordinate 40 ist das jeweilige, oben genannte Flächenverhältnis A s A A s A 0

Figure DE102012016984B4_0008
und A s B A s B 0
Figure DE102012016984B4_0009
aufgetragen. 2 shows a diagram 36, on whose abscissa 38 the angle φ is plotted. On the ordinate 40 is the respective area ratio mentioned above A s A A s A 0
Figure DE102012016984B4_0008
and A s B A s B 0
Figure DE102012016984B4_0009
applied.

Dementsprechend veranschaulichen im Diagramm 36 Kurven 42 jeweilige Verläufe des Flächenverhältnisses A s A A s A 0

Figure DE102012016984B4_0010
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.Correspondingly, curves 42 in diagram 36 illustrate the respective courses of the area ratio A s A A s A 0
Figure DE102012016984B4_0010
of the first spiral segment 20 for different values of the exponent exA, the curve 1A illustrating the course of the area ratio of the first spiral segment 20 for the exponent exA=1. Accordingly, curve 2A illustrates the course of the area ratio for the exponent exA = 2, curve 3A for the exponent exA = 3, curve 4A for the exponent exA = 4 and curve 5A for the exponent exA = 5.

Dementsprechend veranschaulichen Kurven 44 im Diagramm 36 jeweilige Verläufe des Flächenverhältnisses A s B A s B 0

Figure DE102012016984B4_0011
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 εmax 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 AsA0, d.h. bei maximalem Freigeben bzw. in Der Freigabestellung.Correspondingly, curves 44 in diagram 36 illustrate respective courses of the area ratio A s B A s B 0
Figure DE102012016984B4_0011
of the second spiral segment 22 for different values of the exponent exB, curve 1B showing the profile for exB=1, curve 2B the profile for exB=2, curve 3B the profile for exB=3, curve 4B the profile for exB= 4 and curve 5B illustrates the course for exB=5. The different surface courses or spiral courses illustrated by the curves 42, 44 show how strongly the sensitivity or the adjustment range ε of the surface tap along the course of the spiral can be influenced by the spiral surface design. By means of the rotatable tongues 26, 28 over the adjustment range ε of, for example, 50°, so that ε max is 50°, a surface reduction of about 22% is obtained with an at least essentially linear standard course of the first spiral segment 20 illustrated by curve 1A. the spiral cross-sectional area related to the spiral entry cross-section A sA0 , ie at maximum release or in the release position.

Die Exponenten exA und exB können dabei gleich oder voneinander unterschiedlich sein. Ebenso können die Spiraleneintrittsquerschnitte AsA0 und AsB0 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.The exponents exA and exB can be the same or different from each other. Likewise, the spiral entry cross sections A sA0 and A sB0 can be the same or different from one another. In the case of applications, for example for passenger cars, with a high spread requirement for the throughput parameter, exponents exA or exB of 6 can also be provided.

Mit 1A, min ist dabei ein minimaler Spiraleneintrittsquerschnitt bezeichnet, welcher in der Endstellung εmax 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 εmax des Zungenschiebers 24 beim ersten Spiralensegment 20 mit exA = 5 eingestellt ist.1A, min denotes a minimum spiral entry cross section, which is set in the end position ε max of the tongue slide 24 in the first spiral segment 20 with the exponent exA=1. Correspondingly, 5A, min designates a minimum spiral entry cross section, which is set in the end position ε max of the tongue slide 24 in the first spiral segment 20 with exA=5.

Ferner ist mit 1B, min ein minimaler Spiraleneintrittsquerschnitt des zweiten Spiralensegments 22 bezeichnet, welcher in der Endstellung εmax 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 εmax des Zungenschiebers 24 bei dem zweiten Spiralensegment 22 mit exB = 5 eingestellt ist.Furthermore, 1B,min denotes a minimum spiral entry cross section of the second spiral segment 22, which is set in the end position ε max of the tongue slide 24 in the second spiral segment 22 with exB=1. Accordingly, in 2 5B, min designates a minimum spiral entry cross section of the second spiral segment 22, which is set in the end position ε max of the tongue slide 24 in the second spiral segment 22 with exB=5.

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.The formula described is preferably valid for a portion of the extension, i.e. at least in a portion of the respective angle of wrap. The respective formula is preferably implemented at least in a predominant part area and in particular in the complete part of the extension of the respective spiral segment 20, 22.

BezugszeichenlisteReference List

1010
Turbineturbine
1212
Turbinengehäuseturbine housing
1414
Aufnahmeraumrecording room
1616
Turbinenradturbine wheel
1818
Drehachseaxis of rotation
2020
erstes Spiralensegmentfirst spiral segment
2222
zweites Spiralensegmentsecond spiral segment
2424
Zungenschiebertongue shifter
2626
ZungeTongue
2828
ZungeTongue
3030
Ringring
3232
Zungenspitzetongue tip
3434
Zungenspitzetongue tip
3636
Diagrammdiagram
3838
Abszisseabscissa
4040
Ordinateordinate
4242
Kurvencurves
4444
Kurvencurves
1A1A
KurveCurve
2A2A
KurveCurve
3A3A
KurveCurve
4A4A
KurveCurve
5A5A
KurveCurve
1B1B
KurveCurve
2B2 B
KurveCurve
3B3B
KurveCurve
4B4B
KurveCurve
5B5B
KurveCurve
εmaxε max
Endstellungfinal position
1A, min1A, minimum
minimaler Spiraleneintrittsquerschnittminimum spiral entry cross-section
1B, min1B, min
minimaler Spiraleneintrittsquerschnittminimum spiral entry cross-section
5A, min5A, minimum
minimaler Spiraleneintrittsquerschnittminimum spiral entry cross-section
5B, min5B, min
minimaler Spiraleneintrittsquerschnittminimum spiral entry cross-section
φφ
Winkelangle
φA0φA0
Anfangswinkelstarting angle
φAEφAE
Endwinkelend angle
φAgesφAges
UmschlingungswinkelWrap angle
φB0φB0
Anfangswinkelstarting angle
φBEφBE
Endwinkelend angle
φBgesφBtotal
UmschlingungswinkelWrap angle
AsA0AsA0
maximaler Spiraleneintrittsquerschnittmaximum spiral entry cross-section
AsB0AsB0
maximaler Spiraleneintrittsquerschnittmaximum spiral entry cross-section
OO
Ursprungorigin

Claims (7)

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 (φAgesBgesE0 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, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf wenigstens eines der Spiralensegmente (20, 22) für alle Winkel φ aus einem Bereich von einschließlich φ0 bis einschließlich φE gilt: A s A s 0 ( 1 ( φ φ 0 ) ( φ E φ 0 ) ) e x
Figure DE102012016984B4_0012
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.
Turbine (10) for an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine, having a turbine housing (12) which has a receiving space (14) for a turbine wheel (16) which can be rotated about an axis of rotation (18) relative to the turbine housing (12) and at least two turbine wheel (16) over its circumference with respect to a polar coordinate system with origin (O) on the axis of rotation (18) each extending over a wrap angle (φ AgesBgesE0 , at least in some areas fluidically separated from one another and arranged one behind the other in the circumferential direction (20, 22) for guiding the exhaust gas to the receiving space (14), where φ 0 is an initial angle at which a respective spiral entry cross section A s0 of the spiral segments (20, 22) is arranged, and φ E is an end angle at which a respective end of the spiral segments (20, 22) is arranged, characterized in that based on at least one of the spiral segments (20, 22) for all angles φ from a range from φ 0 up to and including φ E applies: A s A s 0 ( 1 ( φ φ 0 ) ( φ E φ 0 ) ) e x
Figure DE102012016984B4_0012
where - A s is a flow area of the at least one spiral segment (20, 22) at the respective angle φ, and - ex is an exponent whose value is at least 2.
Turbine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Exponenten ex mindestens 4, insbesondere mindestens 8, beträgt. Turbine (10) after claim 1 , characterized in that the value of the exponent ex is at least 4, in particular at least 8. Turbine (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Spiralensegmente (20, 22) jeweils nach der Bedingung A s A s 0 ( 1 ( φ φ 0 ) ( φ E φ 0 ) ) e x
Figure DE102012016984B4_0013
ausgestaltet sind, wobei sich die jeweiligen Exponenten ex der Spiralensegmente (20, 22) voneinander unterscheiden und/oder wobei sich die jeweiligen Spiraleneintrittsquerschnitte As0 der Spiralensegmente (20, 22) voneinander unterscheiden.
Turbine (10) according to one of Claims 1 or 2 , characterized in that both spiral segments (20, 22) according to the condition A s A s 0 ( 1 ( φ φ 0 ) ( φ E φ 0 ) ) e x
Figure DE102012016984B4_0013
are configured, the respective exponents ex of the spiral segments (20, 22) differing from one another and/or the respective spiral entry cross sections A s0 of the spiral segments (20, 22) differing from one another.
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) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one adjustment device (24) is provided, by means of which at least one flow cross section of the turbine (10) through which exhaust gas can flow and which is arranged upstream of the turbine wheel (16) can be adjusted. Turbine (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass den Spiralensegmenten (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 (10) after claim 4 , characterized in that the spiral segments (20, 22) are each assigned at least one adjusting element (26, 28) of the adjusting device (24), by means of which at least one respective flow cross section through which exhaust gas can flow of the respective spiral segment (20, 22) can be adjusted. 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.turbine after claim 5 , characterized in that the adjusting elements (26, 28) in the circumferential direction of the turbine wheel (16) on the sen circumference are at least partially displaceable relative to the turbine housing (12) about a pivot axis, in particular about the axis of rotation (18). Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit einem Abgastrakt, in welchem wenigstens eine Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist.Internal combustion engine for a motor vehicle, with an exhaust tract in which at least one turbine (10) according to one of the preceding claims is arranged.
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