DE102012102186A1 - Turbine for an exhaust gas turbocharger - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader, mit einem einen Aufnahmeraum (12) für ein um eine Drehachse (18) drehbares Turbinenrad (16) der Turbine (10) aufweisenden Turbinengehäuse (12), welches wenigstens einen von Abgas durchströmbaren Zuführkanal (20) aufweist, mittels welchem das Abgas dem Turbinenrad (16) zumindest teilweise schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung zuführbar ist, wobei wenigstens ein zwischen wenigstens zwei Stellungen in axialer Richtung relativ zu dem Turbinengehäuse (12) verschiebbares Verstellelement (24) vorgesehen ist, welches zumindest in einer der Stellungen wenigstens bereichsweise in dem Zuführkanal (20) angeordnet ist und mittels welchem ein von dem Abgas durchströmbarer Strömungsquerschnitt (b3) des Zuführkanals (20) einstellbar ist. Erfindungsgemäß weist das Turbinengehäuse (12) zumindest eine den Zuführkanal (20) wenigstens bereichsweise begrenzende und zumindest bereichsweise schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verlaufende Wandung (22) zum Zuführen des Abgases schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung zum Turbinenrad (16) auf, wobei das Verstellelement (24) eine der Wandung (22) zugewandte und wenigstens bereichsweise schräg zu axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verlaufende Stirnseite (26) aufweist, und wobei der einstellbare Strömungsquerschnitt (b3) in wenigstens einer der Stellungen wenigstens bereichsweise einerseits von der Wandung (22) und andererseits von der Stirnseite (26) begrenzt ist.The invention relates to a turbine for an exhaust gas turbocharger, comprising a turbine housing (12) having a receiving space (12) for a turbine wheel (16) of the turbine (10) which can rotate about an axis of rotation (18) and which has at least one feed channel (20) through which exhaust gas can flow. by means of which the exhaust gas is at least partially obliquely fed to the turbine wheel (16) to the axial direction and obliquely to the radial direction, at least one between at least two positions in the axial direction relative to the turbine housing (12) displaceable adjusting element (24) is provided which is arranged at least in some of the positions at least partially in the feed channel (20) and by means of which a through-flow of the exhaust gas flow cross section (b3) of the feed channel (20) is adjustable. According to the invention, the turbine housing (12) has at least one wall (22) delimiting the supply channel (20) at least partially and inclined obliquely to the axial direction and obliquely to the radial direction for supplying the exhaust gas obliquely to the axial direction and obliquely to the radial direction to the turbine wheel ( 16), wherein the adjusting element (24) facing one of the wall (22) and at least partially obliquely to the axial direction and obliquely to the radial direction extending end face (26), and wherein the adjustable flow cross-section (b3) in at least one of the positions at least partially limited on the one hand by the wall (22) and on the other hand by the end face (26).
Description
Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.The invention relates to a turbine for an exhaust gas turbocharger specified in the preamble of claim 1. Art.
Die
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Turbine noch effizienter betreibbar ist.It is an object of the present invention to further develop a turbine of the type mentioned in such a way that the turbine can be operated even more efficiently.
Diese Aufgabe wird durch eine Turbine für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a turbine for an exhaust gas turbocharger having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the remaining claims.
Die erfindungsgemäße Turbine umfasst ein in axialer Richtung zwischen wenigstens zwei Stellungen relativ zu dem Turbinengehäuse verschiebbares Verstellelement, welches in wenigstens einer der Stellungen in dem Zuführkanal angeordnet ist und mittels welchem ein von Abgas durchströmbarer Strömungsquerschnitt des Zuführkanals einstellbar ist. Mittels des axial verschiebbaren und in dem Zuführkanal angeordneten Verstellelements können infolge des Einstellens des Strömungsquerschnitts der Massenstrom des durch den Zuführkanal und damit des durch die Turbine strömenden Abgases sowie der Abgasgegendruck variabel und bedarfsgerecht eingestellt werden. Das Abgas ist beispielsweise das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens.The turbine according to the invention comprises an adjusting element which is displaceable in the axial direction between at least two positions relative to the turbine housing and which is arranged in at least one of the positions in the feed channel and by means of which a flow cross section of the feed channel through which the exhaust gas can flow is adjustable. By means of the axially displaceable and arranged in the feed adjusting element can be adjusted variably and as needed due to the adjustment of the flow cross-section of the mass flow through the feed channel and thus of the exhaust gas flowing through the turbine and the exhaust gas back pressure. The exhaust gas is, for example, the exhaust gas of an internal combustion engine of a motor vehicle, in particular a passenger car.
Relativ zum Turbinengehäuse verstellbare und in dem Zuführkanal angeordnete Leitschaufeln sind zum Einstellen des Massenstroms und des Abgasgegendrucks nicht vorgesehen. Relativ zum Turbinengehäuse bewegbare, Insbesondere um eine Drehachse drehbare Leitschaufeln, erfordern prinzipbedingt einen jeweiligen Funktionsspalt, um ein Verklemmen und/oder anderweitige Fehlfunktionen zu vermeiden und ihre Funktionsfähigkeit zu gewährleisten. Aus den Funktionsspalten resultieren sogenannte Sekundärströmungsverluste, welche den Wirkungsgrad und damit den effizienten Betrieb der Turbine beeinträchtigen.Adjustable relative to the turbine housing and arranged in the feed guide vanes are not provided for adjusting the mass flow and the exhaust back pressure. Relative to the turbine housing movable, in particular rotatable about an axis of rotation vanes, inherently require a respective functional gap to avoid jamming and / or other malfunctions and to ensure their functionality. From the function columns so-called secondary flow losses result, which affect the efficiency and thus the efficient operation of the turbine.
Bei der erfindungsgemäßen Turbine können nun derartige Sekundärströmungsverluste vermieden oder zumindest sehr gering gehalten werden, woraus ein besonders effizienter und wirkungsgradgünstiger Betrieb der Turbine resultiert.In the turbine according to the invention, such secondary flow losses can now be avoided or at least kept very low, resulting in a particularly efficient and efficient operation of the turbine.
Auch relativ zum Turbinengehäuse feste bzw. unbewegbare und in dem Zuführkanal angeordnete Leitschaufeln zum Ableiten bzw. Umlenken des Abgases sind bei der erfindungsgemäßen Turbine nicht vonnöten und nicht vorgesehen. Das Umlenken bzw. Ableiten des Abgases, so dass das Abgas das Turbinenrad strömungsgünstig und somit effizient anströmt, erfolgt insbesondere mittels des Zuführkanals und des Verstellelements, so dass das Abgas das Turbinenrad schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung anströmt, mit anderen Worten jeweils eine Komponente in radialer Richtung und in axialer Richtung aufweist.Also fixed relative to the turbine housing fixed or immovable and arranged in the feed guide vanes for diverting or redirecting the exhaust gas are not required in the turbine according to the invention and not provided. The diverting or discharging of the exhaust gas, so that the exhaust gas flows into the turbine wheel in a streamlined and therefore efficient manner, takes place in particular by means of the feed channel and the adjusting element, so that the exhaust gas flows against the turbine wheel obliquely to the axial direction and obliquely to the radial direction, in other words in each case having a component in the radial direction and in the axial direction.
Mit sukzessivem Schließen bzw. Verkleinern des Strömungsquerschnitts mittels des Verstellelements wird das Abgas mehr und mehr in axialer Richtung abgeleitet bzw. umgelenkt. Umgekehrt wird mit sukzessivem Vergrößern des Strömungsquerschnitts das Abgas weniger stark in axialer Richtung umgelenkt und weist hinsichtlich seiner Strömungsrichtung eine ausgeprägtere, radiale Komponente auf als bei demgegenüber verkleinertem Strömungsquerschnitt. Mit anderen Worten ist die Strömungsrichtung mit Hilfe des Verstellelements in ihrer axialen Richtung variierbar. Gleichzeitig ändert sich in jeder Stellposition des Verstellelements ebenfalls die radiale Komponente.With successive closing or reducing the flow cross section by means of the adjusting element, the exhaust gas is more and more derived or deflected in the axial direction. Conversely, with successive enlargement of the flow cross-section, the exhaust gas is deflected less strongly in the axial direction and has a more pronounced, radial component with respect to its flow direction than with a reduced flow cross-section. In other words, the flow direction with the aid of the adjusting element in its axial direction is variable. At the same time, the radial component also changes in each adjusting position of the adjusting element.
Darüber hinaus weist das axial verschiebbare Verstellelement eine geringe Komplexität auf, was zu einer hohen Funktionserfüllungssicherheit auch bei einer hohen Lebensdauer mit hohen Abgastemperaturen führt. Des Weiteren ist das axial verschiebbare Verstellelement zeit- und kostengünstig herstellbar und mit nur geringem Aufwand in axialer Richtung verschiebbar.In addition, the axially displaceable adjusting element has a low complexity, which leads to a high functional performance safety even with a long service life with high exhaust gas temperatures. Furthermore, the axially displaceable adjusting element can be produced in a timely and cost-effective manner and can be displaced in the axial direction with little effort.
Infolge der Einstellbarkeit des Strömungsquerschnittes kann die erfindungsgemäße Turbine auch effizient an unterschiedliche Massenströme des Abgases angepasst werden. Somit ist die erfindungsgemäße Turbine sowohl bei hohen Abgasmassenströmen als auch bei demgegenüber geringeren Abgasmassenströmen effizient betreibbar und weist einen hohen Durchsatzparameter bzw. eine sehr hohe Durchsatzspreizung sowie einen sehr breiten Expansionsverhältnisbereich auf.As a result of the adjustability of the flow cross-section, the turbine according to the invention can also be adapted efficiently to different mass flows of the exhaust gas. Thus, the turbine according to the invention is efficiently operable both at high exhaust gas mass flows and at the same time lower exhaust gas mass flows and has a high throughput parameter or a very high throughput spread and a very wide expansion ratio range.
Das Turbinengehäuse weist zumindest eine den Zuführkanal wenigstens bereichsweise begrenzende und zumindest bereichsweise schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verlaufende Wandung zum Zuführen des Abgases schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung zum Turbinenrad auf. Ferner weist das Verstellelement eine der Wandung zugewandte und wenigstens bereichsweise schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verlaufende Stirnseite auf, welche vorzugsweise hinsichtlich ihrer Außenkontur zumindest im Wesentlichen mit der Außenkontur der Wandung korrespondiert bzw. komplementär ausgebildet ist. Dabei ist der einstellbare Strömungsquerschnitt in wenigstens einer der Stellungen wenigstens bereichsweise einerseits von der Wandung und andererseits von der Stirnseite begrenzt. Dadurch ist eine besonders strömungsgünstige Zuführung des Abgases zum Turbinenrad auf einfache, kostengünstige Weise realisiert, ohne dass relativ zum Turbinengehäuse bewegbare Kinematiken oder Mechanismen, welche Funktionsspalte erfordern würden, vorgesehen und vonnöten sind. Damit einher gehen geringe Kosten sowie ein besonders effizienter Betrieb der erfindungsgemäßen Turbine. The turbine housing has at least one at least partially the supply channel limiting and at least partially obliquely to the axial direction and oblique to the radial direction extending wall for supplying the exhaust gas obliquely to the axial direction and obliquely to the radial direction to the turbine wheel. Furthermore, the adjusting element has an end face which faces the wall and at least partially obliquely to the axial direction and obliquely to the radial direction, which preferably corresponds at least substantially with respect to its outer contour to the outer contour of the wall or is complementary. In this case, the adjustable flow cross-section is limited in at least one of the positions at least partially on the one hand by the wall and on the other hand by the end face. As a result, a particularly streamlined supply of the exhaust gas to the turbine wheel is realized in a simple, cost-effective manner, without kinematics or mechanisms, which would require function gaps, being provided and required relative to the turbine housing. This is accompanied by low costs and a particularly efficient operation of the turbine according to the invention.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist mittels des Verschiebens des Verstellelements in axialer Richtung wenigstens ein Umgehungskanal der Turbine fluidisch freigebbar und fluidisch versperrbar. Über den Umgehungskanal ist das Turbinenrad von zumindest einem Teil des Abgases zu umgehen. Mit anderen Worten kann das Abgas – wenn der Umgehungskanal mittels des Verstellelements fluidisch freigegeben ist – durch den Umgehungskanal strömen und dadurch das Turbinenrad, ohne das Turbinenrad anzutreiben, umgehen. Dazu wird beispielsweise das Abgas zumindest teilweise von stromauf des Turbinenrads insbesondere aus dem Zuführkanal abgezweigt und stromab des Turbinenrads in einen Turbinenaustritt eingeleitet.In a further embodiment of the invention, by means of the displacement of the adjusting element in the axial direction, at least one bypass channel of the turbine is fluidically releasable and can be fluidly blocked. About the bypass channel, the turbine wheel of at least a portion of the exhaust gas to bypass. In other words, when the bypass passage is fluidly released by means of the adjusting element, the exhaust gas can flow through the bypass passage and thereby bypass the turbine wheel without driving the turbine wheel. For this purpose, for example, the exhaust gas is at least partially branched off from upstream of the turbine wheel, in particular from the feed channel and introduced downstream of the turbine wheel in a turbine outlet.
Das Verstellelement stellt somit zusätzlich zur Einstellbarkeit des Strömungsquerschnittes eine Umgehungsfunktionalität, eine sogenannte Blow-By-Funktionalität, bereit, mittels welcher die Turbine und damit ein die Turbine umfassender Abgasturbolader besonders effizient unter Vermeidung einer Überlast betreibbar sind. Dies bedeutet, dass mittels des Verstellelements die Ableitung bzw. Umlenkung des Abgases einstellbar, die Blow-By-Funktionalität bereitstellbar sowie der Massenstrom des Abgases durch die Turbine einstellbar ist. Das Verstellelement weist somit eine sehr hohe Funktionsintegration auf, was die Teileanzahl, das Gewicht und die Kosten der erfindungsgemäßes Turbine gering hält. Die genannten, zahlreichen Funktionen können dabei mittels lediglich eines Stellglieds realisiert werden, mittels welchem das Verstellelement in axialer Richtung relativ zum Turbinengehäuse verstellbar ist. Jeweilige, separate Stellglieder zur Realisierung der genannten Funktionalitäten sind nicht vorgesehen und nicht vonnöten.The adjusting element thus provides, in addition to the adjustability of the flow cross-section, a bypass functionality, a so-called blow-by functionality, by means of which the turbine and thus an exhaust gas turbocharger comprising the turbine can be operated particularly efficiently while avoiding overloading. This means that by means of the adjustment element, the derivative or deflection of the exhaust gas adjustable, the blow-by functionality available and the mass flow of the exhaust gas through the turbine is adjustable. The adjusting element thus has a very high functional integration, which keeps the number of parts, the weight and the cost of the turbine according to the invention low. The said numerous functions can be realized by means of only one actuator, by means of which the adjusting element in the axial direction is adjustable relative to the turbine housing. Respective, separate actuators for the realization of said functionalities are not provided and not required.
Aufgrund der Realisierung der Blow-By-Funktionalität kann die Turbine insbesondere hinsichtlich ihres Betriebs in relativ geringen Drehzahl- und/oder Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine und somit bei relativ geringen Massenströmen des Abgases optimiert und gleichzeitig beim Betrieb bei demgegenüber hohen Massenströmen vor einer Überlast geschützt werden, da insbesondere bei sehr hohen Massenströmen des Abgases zumindest ein Teil des Abgases am Turbinenrad über den fluidisch freigegebenen Umgehungskanal vorbeigeleitet werden kann.Due to the realization of the blow-by functionality, the turbine can be optimized in particular in terms of their operation in relatively low speed and / or load ranges of the internal combustion engine and thus at relatively low mass flows of the exhaust gas while simultaneously protected against overload in operation while high mass flows, since, in particular at very high mass flows of the exhaust gas, at least part of the exhaust gas can be conducted past the turbine wheel via the fluidically enabled bypass duct.
Zur Realisierung eines besonders effizienten Betriebs der Turbine ist bei einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass das Turbinenrad wenigstens eine Anströmkante aufweist, über welche das Turbinenrad von dem den Strömungsquerschnitt durchströmenden Abgas anströmbar ist. Dabei weist die Anströmkante wenigstens einen Längenbereich auf, der in einer Ebene, welche sich zwischen der Axialrichtung und der Umfangsrichtung erstreckend ausgebildet ist, und bezüglich der Axialrichtung einen von 0 Grad verschiedenen ersten Winkel aufweist. Mit Hilfe der in dieser Ausführungsform ausgebildeten Anströmkante ist die Axialströmung aufnehmbar, so dass eine verlustarme Gesamtanströmung des Turbinenrades realisierbar ist. In Zusammenwirkung mit dem Verstellelement ist es nun möglich die Axialkomponente der Anströmung derart veränderbar zu gestalten, dass über den gesamten Betriebsbereich des Abgasturboladers ein optimierter, das heißt bzgl. des Standes der Technik erhöhter Turbinenwirkungsgrad erzielbar ist.To realize a particularly efficient operation of the turbine is provided in a further embodiment that the turbine wheel has at least one leading edge, via which the turbine wheel of the flow cross-section flowing through the exhaust gas can be flowed. In this case, the leading edge has at least one length region which has a first angle which is different from 0 degrees in a plane which is formed extending between the axial direction and the circumferential direction and with respect to the axial direction. With the help of the leading edge formed in this embodiment, the axial flow can be absorbed, so that a low-loss total flow of the turbine wheel can be realized. In cooperation with the adjustment, it is now possible to make the axial component of the flow variable such that over the entire operating range of the exhaust gas turbocharger an optimized, that is respect. Of the prior art increased turbine efficiency can be achieved.
Vorzugsweise liegt der erster Winkel in einem Bereich von einschließlich –45 Grad bis einschließlich +45 Grad. Dadurch wird das Turbinenrad über die Anströmkante von dem schräg zur radialen Richtung und schräg zur axialen Richtung dem Turbinenrad zugeführten Abgas besonders strömungsgünstig angeströmt, was dem effizienten Betrieb der Turbine zu Gute kommt.Preferably, the first angle is in a range of -45 degrees to +45 degrees inclusive. As a result, the turbine wheel is flowed particularly streamlined over the leading edge of the obliquely to the radial direction and obliquely to the axial direction of the turbine exhaust gas supplied, which is the efficient operation of the turbine to good.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung schließt der Längenbereich mit der Drehachse des Turbinenrads einen von 0 Grad unterschiedlichen, zweiten Winkel ein. Der zweite Winkel kann sich dabei auf eine gedachte Ebene beziehen, auf welche der zweite Winkel projiziert wird. Mit anderen Worten kann der Längenbereich ausgehend von einem Radrücken des Turbinenrads in axialer Richtung hin zum Turbinenaustritt von radial innen nach radial außen oder von radial außen nach radial innen verlaufen.In a further embodiment of the invention, the length range with the axis of rotation of the turbine wheel includes a second angle different from 0 degrees. The second angle may refer to an imaginary plane to which the second angle is projected. In other words, the length range, starting from a Radrücken the turbine wheel in the axial direction to the turbine outlet from radially inward to radially outward or from radially outward to radially inward.
Die Einstellung des ersten Winkels und des zweiten Winkels durch die entsprechende Gestaltung des Längenbereichs stellen jeweilige Freiheitsgrade dar, um das Turbinenrad und somit die Turbine an unterschiedliche Strömungsbedingungen bedarfsgerecht anzupassen. The adjustment of the first angle and the second angle by the corresponding design of the length range represent respective degrees of freedom in order to adapt the turbine wheel and thus the turbine to different flow conditions as needed.
Der Längenbereich der Anströmkante kann dabei zumindest bereichsweise bogenförmig oder gerade verlaufen, wodurch Strömungsbedingungen für das Abgas eingestellt werden können.The length range of the leading edge may be at least partially arcuate or straight, whereby flow conditions for the exhaust gas can be adjusted.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung schließt sich an den Längenbereich der Anströmkante wenigstens ein weiterer Längenbereich der Anströmkante an, welcher sich zumindest im Wesentlichen parallel zur Drehachse erstreckt. Über den weiteren Längenbereich kann das Turbinenrad insbesondere zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung besonders strömungsgünstig von dem Abgas angeströmt werden, was dem besonders effizienten Betrieb der Turbine zuträglich ist.In a further advantageous embodiment, at least one further length region of the leading edge, which extends at least substantially parallel to the axis of rotation, adjoins the length region of the leading edge. Over the further length range, the turbine wheel can in particular be flowed particularly streamlined by the exhaust gas, at least substantially in the radial direction, which is conducive to the particularly efficient operation of the turbine.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.
Die Zeichnung zeigt in:The drawing shows in:
Die
Das Turbinengehäuse
Wie der
Die Turbine
In der in der
In der ersten Endstellung ist ein von dem den Zuführkanal
Mittels Verschiebens des Verstellelements
Wird das Verstellelement
In den in dem Zuführkanal
In der Schließstellung ist der Strömungsquerschnitt b3 größer als 0. Dies bedeutet, dass die Düse
Zur Vermeidung von unerwünschten Leckagen ist ein Dichtungselement
Bei der Turbine
Wie der
In der Schließstellung ist der zweite Längenbereich
Vorzugsweise schließt der erste Längenbereich
Die
Wie den
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Dadurch ist ein weiterer, optionaler Freiheitsgrad geschaffen. Die Anströmkante
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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