DE102013001231B4 - Exhaust gas routing of an exhaust gas turbine for a turbocompound system and turbocompound system - Google Patents

Exhaust gas routing of an exhaust gas turbine for a turbocompound system and turbocompound system Download PDF

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Abstract

Abgasführung für eine Abgasnutzturbine (3) für ein Turbocompound-System, wobei die Abgasnutzturbine (3) ein in einem Abgasstrom (2) positioniertes Turbinenrad (11) aufweist, das eine axiale Abströmrichtung (14) aufweist, sowie eine Turbinenwelle (12), die das Turbinenrad (11) trägt; 1.1 mit einem Abströmkanal (15) für den aus dem Turbinenrad (11) ausströmenden Abgasstrom (2), wobei der Abströmkanal (15) eine innere Durchgangsöffnung für die Turbinenwelle (12) aufweist, um die Turbinenwelle (12) radial von außen zu umschließen; dadurch gekennzeichnet, dass 1.2 der Abströmkanal (15) einen in einem röhrenförmigen Querschnitt (19) mündenden, um die Durchgangsöffnung für die Turbinenwelle (12) verlaufenden Spiralkanal (18) aufweist, derart, dass der aus dem Turbinenrad (11) ausströmende, in dem Abströmkanal (15) geführte Abgasstrom (2) in seiner Hauptströmungsrichtung im gesamten Abströmkanal (15) axial ausgerichtet ist.Exhaust gas duct for an exhaust gas turbine (3) for a turbocompound system, the exhaust gas turbine (3) having a turbine wheel (11) positioned in an exhaust gas flow (2), which has an axial outflow direction (14), and a turbine shaft (12) which the turbine wheel (11) carries; 1.1 with an outflow channel (15) for the exhaust gas flow (2) flowing out of the turbine wheel (11), the outflow channel (15) having an inner passage opening for the turbine shaft (12) in order to enclose the turbine shaft (12) radially from the outside; characterized in that 1.2 the outflow channel (15) has a spiral channel (18) which opens into a tubular cross-section (19) and runs around the through opening for the turbine shaft (12), such that the spiral channel (18) flowing out of the turbine wheel (11) in which Outflow channel (15) guided exhaust gas flow (2) is axially aligned in its main flow direction in the entire outflow channel (15).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Abgasführung einer Abgasnutzturbine für ein Turbocompound-System sowie ein Turbocompound-System im Einzelnen gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 12.The present invention relates to the exhaust system of an exhaust gas turbine for a turbocompound system and a turbocompound system in detail according to the preambles of claims 1 and 12.

Zur Ausbildung eines Turbocompound-Systems, insbesondere in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang, wie es die vorliegende Erfindung gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform betrifft, wird eine Abgasnutzturbine in dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors positioniert, um im Abgasstrom enthaltene Abgasenergie in Antriebsenergie umzuwandeln und auf die Antriebswelle des Verbrennungsmotors, die in der Regel in Form einer Kurbelwelle ausgebildet ist, zurückzuführen. Eine solche Abgasnutzturbine kann beispielsweise der Abgasturbine eines Turboladers, der zur Turboaufladung des Verbrennungsmotors vorgesehen ist, im Abgasstrom nachgeschaltet sein, jedoch kommen auch andere Positionen in Betracht, beispielsweise im Abgasstrom in Strömungsrichtung des Abgases vor der Abgasturbine des Turboladers, oder auch als einzige Turbine im Abgasstrom.In order to form a turbocompound system, in particular in a motor vehicle drive train, as in the present invention according to an advantageous embodiment, an exhaust gas turbine is positioned in the exhaust stream of an internal combustion engine to convert exhaust gas energy contained in the exhaust stream into motive power and to the drive shaft of the internal combustion engine usually in the form of a crankshaft, due. Such an exhaust gas turbine, for example, the exhaust gas turbine of a turbocharger, which is provided for turbocharging the internal combustion engine, be followed in the exhaust stream, but other positions come into consideration, for example in the exhaust stream in the flow direction of the exhaust gas in front of the exhaust turbine of the turbocharger, or as the only turbine in exhaust gas flow.

Abgasnutzturbinen für ein Turbocompound-System, wie sie die vorliegende Erfindung betrifft, weisen eine axiale Abströmungsrichtung auf, das heißt der Abgasstrom tritt in Richtung der Drehachse der das Turbinenrad tragenden Turbinenwelle aus der Abgasnutzturbine beziehungsweise aus dem Turbinenrad aus. Da jedoch zugleich die Turbinenwelle in dieser Axialrichtung hinter dem Turbinenrad positioniert ist, muss der aus dem Turbinenrad ausströmende Abgasstrom radial außen um die Turbinenwelle geführt werden.Exhaust gas turbines for a turbocompound system, as it relates to the present invention, have an axial outflow direction, that is, the exhaust gas flow exits in the direction of the axis of rotation of the turbine shaft supporting the turbine shaft from the exhaust gas turbine or from the turbine wheel. However, since at the same time the turbine shaft is positioned behind the turbine wheel in this axial direction, the exhaust gas stream flowing out of the turbine wheel has to be guided radially outwards around the turbine shaft.

Herkömmlich wurde hierfür ein torusförmiger Ringkanal in Axialrichtung hinter dem Turbinenrad als Abströmkanal vorgesehen, der den in Axialrichtung aus dem Turbinenrad ausströmenden Abgasstrom über dem gesamten Umfang des Turbinenrades sammelt und anschließend über einen Krümmer, der an einer vorgegebenen Stelle des Umfangs des Ringkanals an diesem angeschlossen ist, zur Weiterleitung an ein Abgasrohr übergibt. Der über seinem gesamten Umfang ununterbrochene ringröhrenförmige Abströmkanal lenkt das aus dem Turbinenrad ausströmende Abgas zunächst in Radialrichtung um, bevor das in ihm strömende Abgas aufgrund der Sammelwirkung des Ringkanals eine Umfangskomponente in Unfangsrichtung der Turbinenwelle aufgeprägt bekommt und somit im Zentrum des Ringkanals in Richtung zur Anschlussstelle des Krümmers strömt und in den Krümmer eintritt. Eine solche Gestaltung mit einem torusförmigen Ringkanal wird in GB 2 440 343 A gezeigt.Conventionally, this toroidal annular channel was provided in the axial direction behind the turbine as discharge channel, which collects the exhaust gas flow in the axial direction of the turbine over the entire circumference of the turbine wheel and then via a manifold which is connected at a predetermined location of the circumference of the annular channel at this , for forwarding to an exhaust pipe passes. The uninterrupted over its entire circumference donut-shaped outflow channel deflects the exhaust gas flowing out of the turbine initially in the radial direction before the exhaust gas flowing through it receives a circumferential component in the direction of the turbine shaft impinges due to the collecting effect of the annular channel and thus in the center of the annular channel in the direction of the junction of Krümmers flows and enters the manifold. Such a design with a toroidal annular channel is in GB 2 440 343 A shown.

Obwohl die Rückgewinnung der Abgasenergie in Antriebsenergie oder zur Turboaufladung des Verbrennungsmotors günstig im Hinblick auf den Wirkungsgrad und damit den Verbrauch des Verbrennungsmotors ist, ist mit jeder im Abgasstrom positionierten Turbine ein Druckverlust verbunden, sodass die Anzahl der in einem Abgasstrom nutzbringend einbringbaren Turbinen begrenzt ist beziehungsweise in Betriebszuständen mit geringerem Abgasdruck die gewünschte Energierückführung nicht mehr in ausreichendem Maße sichergestellt werden kann.Although the recovery of the exhaust energy in drive energy or turbocharging of the engine is low in terms of efficiency and thus consumption of the engine, with each positioned in the exhaust gas turbine a pressure loss is connected, so that the number of usable in an exhaust gas stream beneficially turbines is limited or can not be sufficiently ensured in operating conditions with lower exhaust gas pressure the desired energy return.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Abgasführung für eine Abgasnutzturbine für ein Turbocompound-System der eingangs dargestellten Art anzugeben, bei welchem der Druckverlust des Abgasstromes in der Abgasnutzturbine beziehungsweise der dem Turbinenrad nachgeschalteten Abgasführung reduziert werden kann.The present invention is therefore an object of the invention to provide an exhaust system for an exhaust gas turbine for a turbocompound system of the type described above, in which the pressure loss of the exhaust gas flow in the exhaust gas turbine or the exhaust turbine downstream of the turbine can be reduced.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Abgasführung für eine Abgasnutzturbine mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Turbocompound-System mit den Merkmalen von Anspruch 12 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.The object of the invention is achieved by an exhaust system for an exhaust gas turbine with the features of claim 1 and a turbocompound system having the features of claim 12. In the dependent claims advantageous and particularly expedient embodiments of the invention are given.

Eine erfindungsgemäße Abgasführung für eine Abgasnutzturbine für ein Turbocompound-System ist für eine Abgasnutzturbine vorgesehen, die ein in einem Abgasstrom positioniertes Turbinenrad umfasst, das eine axiale Abströmungsrichtung aufweist. Ferner ist eine Turbinenwelle vorgesehen, die das Turbinenrad trägt.An exhaust system according to the invention for an exhaust gas turbine for a turbocompound system is provided for an exhaust gas turbine, which comprises a turbine wheel positioned in an exhaust gas flow, which has an axial outflow direction. Further, a turbine shaft is provided, which carries the turbine wheel.

Die erfindungsgemäße Abgasführung weist einen Abströmkanal für den aus dem Turbinenrad ausströmenden Abgasstrom auf, wobei der Abströmkanal eine Durchgangsöffnung für die Turbinenwelle beziehungsweise die dort eingebrachte Turbinenwelle radial von außen, in der Regel nur auf einem beziehungsweise dem ersten Teil ihrer axialen Länge ausgehend vom Turbinenrad umschließt.The exhaust gas guide according to the invention has an outflow channel for the exhaust gas stream flowing out of the turbine wheel, the outflow channel enclosing a passage opening for the turbine shaft or the turbine shaft introduced radially from the outside, generally only on one or the first part of its axial length, starting from the turbine wheel.

Erfindungsgemäß wird der Abströmkanal nun abweichend von dem herkömmlichen torusförmigen Ringraum durch einen in einem röhrenförmigen Querschnitt mündenden, um die Turbinenwelle beziehungsweise die Durchgangsöffnung für die Turbinenwelle verlaufenden Spiralkanal gebildet.According to the invention, the outflow channel is now deviating from the conventional toroidal annular space formed by an opening in a tubular cross-section, extending around the turbine shaft or the passage opening for the turbine shaft spiral channel.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Abströmkanals kann erreicht werden, dass der aus dem Turbinenrad ausströmende, in dem Abströmkanal geführte Abgasstrom in seiner Hauptströmungsrichtung im gesamten Abströmkanal axial ausgerichtet ist und eine kontinuierliche Umlenkung mit geringen oder ohne Sekundärströmungsverluste erreicht wird. Insbesondere entfällt die bisherige Umlenkung in Radialrichtung von mehr als 180, 120 oder 90 Grad.As a result of the design of the outflow channel according to the invention, it is possible for the exhaust gas stream flowing out of the turbine wheel to be axially aligned in the main flow direction in the entire outflow channel and to achieve a continuous deflection with little or no secondary flow losses becomes. In particular, eliminates the previous deflection in the radial direction of more than 180, 120 or 90 degrees.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Verlustreduzierung des Druckverlustes im Abströmkanal von bis zu 50% oder mehr im Vergleich zu herkömmlichen Ringkanälen erreicht werden.By virtue of the embodiment according to the invention, a loss reduction of the pressure loss in the outflow channel of up to 50% or more can be achieved in comparison to conventional ring channels.

Besonders günstig ist es, wenn der Strömungsquerschnitt des Spiralkanals beginnend an einem Einlasspunkt für den Abgasstrom unmittelbar hinter dem Turbinenrad (am Beginn der Durchgangsöffnung für die Turbinenwelle) mit zunehmender Lauflänge in Richtung des röhrenförmigen Querschnitts zunimmt, insbesondere stetig zunimmt. Der Einlasspunkt kann beispielsweise an einer Stelle über dem Umfang des Turbinenrads gebildet werden, vor welchem der Abströmkanal beziehungsweise der Spiralkanal über dem Umfang des Turbinenrads unterbrochen ist und von welchem aus der Abgasstrom nur in eine der beiden Umfangsrichtungen spiralförmig geleitet wird, bevor er in den sich anschließenden röhrenförmigen Querschnitt eintritt.It is particularly advantageous if the flow cross-section of the spiral channel, starting at an inlet point for the exhaust gas flow immediately behind the turbine wheel (at the beginning of the passage opening for the turbine shaft) increases with increasing run length in the direction of the tubular cross-section, in particular increases steadily. The inlet point can be formed, for example, at a position over the circumference of the turbine wheel, in front of which the outflow channel or the spiral channel is interrupted over the circumference of the turbine wheel and from which the exhaust gas flow is directed helically only in one of the two circumferential directions before entering the subsequent tubular cross section occurs.

Vorteilhaft wird der mittlere Durchmesser des Spiralkanals mit in Axialrichtung zunehmendem Abstand vom Turbinenrad zunehmend größer. Der mittlere Durchmesser wird dabei durch die radiale Mitte zwischen dem radial äußeren und dem radial inneren Durchmesser des Spiralkanals gebildet, anders ausgedrückt durch die Hälfte der Summe des inneren Durchmessers und des äußeren Durchmessers. Der Spiralkanal kann sich mit zunehmender Lauflänge beginnend an dem Einlasspunkt auch zunehmend in Axialrichtung, das heißt in Richtung der Drehachse der Turbinenwelle, zunehmend erweitern, sodass eine mittlere Strömungsbahn in dem Spiralkanal, die in Radialrichtung auf dem mittleren Durchmesser liegt, sich mit zunehmender Lauflänge des Spiralkanals beziehungsweise mit zunehmendem Umfangswinkel, den der Spiralkanal überdeckt, weiter von dem Turbinenrad entfernt.Advantageously, the mean diameter of the spiral channel with increasing distance in the axial direction of the turbine wheel becomes increasingly larger. The mean diameter is thereby formed by the radial center between the radially outer and the radially inner diameter of the spiral channel, in other words by half the sum of the inner diameter and the outer diameter. The spiral channel can increasingly with increasing run length, starting at the inlet point increasingly in the axial direction, ie in the direction of the axis of rotation of the turbine shaft, so that an average flow path in the spiral channel, which lies in the radial direction on the average diameter, with increasing run length of Spiral channels or with increasing circumferential angle, which covers the spiral channel, further away from the turbine wheel.

Eine besonders günstige Ausführungsform sieht vor, dass sich der Spiralkanal nur über eine Windung um die Turbinenwelle erstreckt beziehungsweise nur eine Umwendung um die Turbinenwelle aufweist, bevor er in den röhrenförmigen Querschnitt einmündet.A particularly favorable embodiment provides that the spiral channel extends only one turn around the turbine shaft or has only one turn around the turbine shaft before it opens into the tubular cross section.

Günstig ist es, wenn ein Umschlingungswinkel der Umschlingung der Turbinenwelle durch den Spiralkanal in ihrer Umfangsrichtung in Axialrichtung der Turbinenwelle mit zunehmendem Abstand vom Turbinenrad abnimmt. Mit anderen Worten weist der über dem Umfang unterbrochene Spiralkanal mit zunehmendem Abstand vom Turbinenrad in Axialrichtung der Turbinenwelle einen zunehmend größeren Abstand in Umfangsrichtung beziehungsweise Winkelbereich zwischen seinen beiden in Umfangsrichtung gerichteten Enden auf.It is favorable if a looping angle of the looping of the turbine shaft through the spiral channel decreases in its circumferential direction in the axial direction of the turbine shaft with increasing distance from the turbine wheel. In other words, the spiral channel interrupted over the circumference has an increasingly greater distance in the circumferential direction or angle range between its two ends directed in the circumferential direction with increasing distance from the turbine wheel in the axial direction of the turbine shaft.

Der Spiralkanal kann in Axialrichtung der Turbinenwelle auf seiner dem Turbinenrad abgewandten Seite bis zu seiner vollständigen Mündung im röhrenförmigen Querschnitt eine geschlossene Stirnseite aufweisen. Die geschlossene Stirnseite kann mit zunehmender Lauflänge des Spiralkanals in Strömungsrichtung des Abgasstromes einen zunehmenden, insbesondere stetig zunehmenden axialen Abstand vom Turbinenrad aufweisen. Wenn der Spiralkanal sich zu dem an seiner dem Turbinenrad zugewandten Seite, insbesondere trotz Unterbrechung, über den vollen Umfang des Turbinenrads erstreckt und hier somit eine Einlassöffnung für den Abgasstrom über dem vollen Umfang des Turbinenrads ausbildet, so kann durch die dargestellte Gestaltung der dem Turbinenrad abgewandten Stirnseite des Spiralkanals der zuvor dargestellte über dem Umfang zunehmend größer werdende Abstand einer mittleren Strömungsbahn gegenüber dem Turbinenrad erreicht werden.The spiral channel may have a closed end face in the axial direction of the turbine shaft on its side facing away from the turbine wheel up to its complete mouth in the tubular cross section. The closed end face can have an increasing, in particular continuously increasing, axial distance from the turbine wheel with increasing run length of the spiral channel in the flow direction of the exhaust gas flow. If the spiral channel extends to the side facing the turbine wheel, in particular despite interruption, over the full circumference of the turbine wheel and thus forms an inlet opening for the exhaust gas flow over the full circumference of the turbine wheel, the design facing away from the turbine wheel can Front side of the spiral channel of the previously shown over the circumference increasingly larger distance of a mean flow path relative to the turbine wheel can be achieved.

Zumindest an seinem dem Turbinenrad zugewandten axialen Einlassende weist der Spiralkanal vorteilhaft eine Unterbrechung in Umfangsrichtung auf, wobei diese Unterbrechung, wie dargelegt, insbesondere über der gesamten axialen Länge des Spiralkanals (in Axialrichtung der Turbinenwelle) vorgesehen ist, und zwar in zunehmendem Ausmaß in Umfangsrichtung.Advantageously, at least at its axial inlet end facing the turbine wheel, the spiral channel advantageously has an interruption in the circumferential direction, said interruption being provided, in particular, over the entire axial length of the spiral channel (in the axial direction of the turbine shaft), to an increasing extent in the circumferential direction.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Spiralkanal über seiner gesamten Länge in Axialrichtung der Turbinenwelle eine Mündung in den röhrenförmigen Querschnitt aufweist beziehungsweise sich die Mündung über der gesamten Länge des Spiralkanals in Axialrichtung der Turbinenwelle erstreckt, wobei der röhrenförmige Querschnitt sich insbesondere in Axialrichtung der Turbinenwelle entlang der Mündung des Spiralkanals zunehmend erweitert.According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the spiral channel over its entire length in the axial direction of the turbine shaft has an orifice in the tubular cross section or the mouth extends over the entire length of the spiral channel in the axial direction of the turbine shaft, wherein the tubular cross section is particularly in Axial direction of the turbine shaft along the mouth of the spiral channel increasingly extended.

Die Abgasturbine kann neben der axialen Abströmung auch eine axiale Anströmung aufweisen. Prinzipiell sind jedoch auch andere Anströmungsrichtungen denkbar, wie radial oder tangential.The exhaust gas turbine can also have an axial flow in addition to the axial outflow. In principle, however, other flow directions are conceivable, such as radial or tangential.

Ein erfindungsgemäßes Turbocompound-System weist einen Verbrennungsmotor auf, der eine Antriebswelle umfasst und einen Abgasstrom erzeugt. In dem Abgasstrom ist eine erfindungsgemäß ausgeführte Abgasnutzturbine positioniert, die in einer Triebverbindung mit der Antriebswelle steht, um im Abgasstrom enthaltene Abgasenergie in Antriebsenergie umzuwandeln und der Antriebswelle des Verbrennungsmotors, in der Regel Kurbelwelle, zu deren Antrieb zuzuführen.A turbocompound system according to the invention has an internal combustion engine which comprises a drive shaft and generates an exhaust gas flow. In the exhaust gas stream, an exhaust gas turbine according to the invention is positioned, which is in a drive connection with the drive shaft to convert exhaust gas energy contained in the exhaust gas flow into drive energy and to drive the drive shaft of the internal combustion engine, as a rule crankshaft.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels exemplarisch beschrieben werden.The invention will be described below by way of example with reference to an embodiment.

Es zeigen:Show it:

1 ein erfindungsgemäßes Turbocompound-System mit einer Abgasnutzturbine; 1 a turbocompound system according to the invention with an exhaust gas turbine;

2 eine exemplarische Darstellung der Anordnung eines Leitapparats und Turbinenrads sowie der Anströmrichtung und Abströmrichtung der Abgasnutzturbine aus der 1; 2 an exemplary representation of the arrangement of a nozzle and turbine wheel and the direction of flow and outflow of the exhaust gas turbine from the 1 ;

3a und 3b eine beispielhafte Gestaltung des Abströmkanals der Abgasnutzturbine aus der 1. 3a and 3b an exemplary design of the outflow channel of the exhaust gas turbine from the 1 ,

In der 1 ist schematisch ein Turbocompound-System dargestellt, umfassend einen Verbrennungsmotor 1, der einen Abgasstrom 2 erzeugt. Im Abgasstrom 2 ist eine Abgasnutzturbine 3 positioniert, deren Turbinenrad (nicht im Einzelnen dargestellt) vom Abgasstrom 2 angetrieben wird und dadurch über eine Triebverbindung, hier mit einer hydrodynamischen Kupplung, die vom Verbrennungsmotor 1 angetriebene Antriebswelle 4 mit Antriebsleistung beaufschlagt.In the 1 schematically a turbocompound system is shown, comprising an internal combustion engine 1 that has an exhaust flow 2 generated. In the exhaust stream 2 is an exhaust gas turbine 3 positioned, the turbine wheel (not shown in detail) from the exhaust stream 2 is driven and thereby via a drive connection, here with a hydrodynamic coupling, by the internal combustion engine 1 driven drive shaft 4 subjected to drive power.

Beispielhaft ist noch angedeutet, dass im Abgasstrom 2 in Strömungsrichtung hinter der Abgasnutzturbine 3 (oder auch davor) eine oder mehrere weitere Abgasturbinen vorgesehen sein können, hier beispielsweise die beiden Abgasturbinen 5, 6 eines zweistufigen Turboladers, von denen jede einen Frischluftverdichter 7, 8 antreibt, der einen dem Verbrennungsmotor 1 zugeführten Frischluftstrom 9 verdichtet. Durch die gestrichelte Linie ist die Positionierung der Abgasnutzturbine 3 hinter einer oder mehrerer Abgasturbinen 5, 6 eines Turboladers angedeutet.By way of example, it is indicated that in the exhaust gas flow 2 in the flow direction behind the exhaust gas turbine 3 (or even before) one or more further exhaust gas turbines can be provided, here for example the two exhaust gas turbines 5 . 6 a two-stage turbocharger, each of which is a fresh air compressor 7 . 8th drives one of the internal combustion engine 1 supplied fresh air stream 9 compacted. The dashed line is the positioning of the exhaust gas turbine 3 behind one or more exhaust gas turbines 5 . 6 a turbocharger indicated.

In der 2 ist schematisch ein Schnitt durch die Abgasnutzturbine 3 gezeigt. Man erkennt im Abgasstrom 2 einen Leitapparat 10, gefolgt vom Turbinenrad 11, das auf einer Turbinenwelle 12 getragen wird, um diese drehend anzutreiben. Der Leitapparat 10 kann beispielsweise verstellbare Leitschaufeln aufweisen, was jedoch nicht zwingend ist.In the 2 is a schematic section through the exhaust gas turbine 3 shown. One recognizes in the exhaust stream 2 a nozzle 10 , followed by the turbine wheel 11 that on a turbine shaft 12 is worn to power them to turn. The diffuser 10 may for example have adjustable vanes, but this is not mandatory.

Die Abgasnutzturbine 3 weist eine axiale Anströmrichtung 13 und eine axiale Abströmrichtung 14 auf. Aufgrund der Positionierung der Turbinenwelle 12 muss der Abgasstrom 2 in dem sich an das Turbinenrad 11 anschließenden Abströmkanal 15 radial außerhalb der Turbinenwelle 12, die beispielsweise in einem den Abströmkanal 15 ausbildenden Gehäuse gelagert sein kann, geführt werden.The exhaust gas turbine 3 has an axial flow direction 13 and an axial outflow direction 14 on. Due to the positioning of the turbine shaft 12 must the exhaust gas flow 2 in which is attached to the turbine wheel 11 subsequent outflow channel 15 radially outside the turbine shaft 12 , for example, in a the discharge channel 15 training housing can be stored, be guided.

In den 3a und 3b ist nun ein Ausführungsbeispiel für die Gestaltung eines erfindungsgemäß ausgeführten Abströmkanals 15 gezeigt, der durch ein Abströmgehäuse 16 gebildet wird. An seinem dem Turbinenrad 11 zugewandten Ende, dem Einströmende, verläuft der Abströmkanal 15 über dem gesamten Umfang des Turbinenrads 11, ist jedoch an einer Stelle des Umfangs unterbrochen, siehe die Stirnseite 17.In the 3a and 3b is now an embodiment of the design of an inventively designed discharge channel 15 shown by an outflow housing 16 is formed. At his the turbine wheel 11 facing the end, the inflow, runs the discharge channel 15 over the entire circumference of the turbine wheel 11 , but is interrupted at one point of the circumference, see the front page 17 ,

Beginnend an dem dem Turbinenrad 11 zugewandten axialen Ende weist der Abströmkanal 15 einen Spiralkanal 18 auf, der in einem röhrenförmigen Querschnitt 19 mündet, an welchem ein Abgasrohr (nicht dargestellt) angeschlossen sein kann.Starting at the turbine wheel 11 facing axial end, the discharge channel 15 a spiral channel 18 on, in a tubular cross-section 19 opens, to which an exhaust pipe (not shown) may be connected.

Eine mittlere Strömungsbahn 20 des Abgasstromes erstreckt sich beginnend an dem Eintrittspunkt des Abgasstromes in den Spiralkanal 17 an der Unterbrechung in Umfangsrichtung mit zunehmendem axialen Abstand vom Turbinenrad 11 und zunehmendem radialen Abstand von der Drehachse 21 der Turbinenwelle (in der 3 nicht im Einzelnen dargestellt). Dies wird dadurch erreicht, dass sich der Strömungsquerschnitt des Spiralkanals 18 mit zunehmender Lauflänge in Axialrichtung (Richtung der Drehachse 21) und Radialrichtung (radial zur Drehachse 21) zunehmend erweitert, siehe den zunehmenden Abstand der Stirnseite 17 vom Turbinenrad 11 und des mittleren Durchmessers 22 des Spiralkanals 18 von der Drehachse 21.A middle flow path 20 the exhaust flow extends beginning at the entry point of the exhaust stream into the spiral channel 17 at the interruption in the circumferential direction with increasing axial distance from the turbine wheel 11 and increasing radial distance from the axis of rotation 21 the turbine shaft (in the 3 not shown in detail). This is achieved by the flow cross-section of the spiral channel 18 with increasing run length in the axial direction (direction of the axis of rotation 21 ) and radial direction (radial to the axis of rotation 21 ) increasingly extended, see the increasing distance of the front side 17 from the turbine wheel 11 and the median diameter 22 of the spiral channel 18 from the axis of rotation 21 ,

Der röhrenförmige Querschnitt 19 erweitert sich beginnend an seinem dem Turbinenrad 11 zugewandten Ende zunehmend bis zu seinem Austrittsende für den Abgasstrom. Dasselbe gilt für die Mündung des Spiralkanals 18 in dem röhrenförmigen Querschnitt 19.The tubular cross section 19 extends starting at his turbine wheel 11 facing end increasingly up to its outlet end for the exhaust stream. The same applies to the mouth of the spiral channel 18 in the tubular cross section 19 ,

Claims (12)

Abgasführung für eine Abgasnutzturbine (3) für ein Turbocompound-System, wobei die Abgasnutzturbine (3) ein in einem Abgasstrom (2) positioniertes Turbinenrad (11) aufweist, das eine axiale Abströmrichtung (14) aufweist, sowie eine Turbinenwelle (12), die das Turbinenrad (11) trägt; 1.1 mit einem Abströmkanal (15) für den aus dem Turbinenrad (11) ausströmenden Abgasstrom (2), wobei der Abströmkanal (15) eine innere Durchgangsöffnung für die Turbinenwelle (12) aufweist, um die Turbinenwelle (12) radial von außen zu umschließen; dadurch gekennzeichnet, dass 1.2 der Abströmkanal (15) einen in einem röhrenförmigen Querschnitt (19) mündenden, um die Durchgangsöffnung für die Turbinenwelle (12) verlaufenden Spiralkanal (18) aufweist, derart, dass der aus dem Turbinenrad (11) ausströmende, in dem Abströmkanal (15) geführte Abgasstrom (2) in seiner Hauptströmungsrichtung im gesamten Abströmkanal (15) axial ausgerichtet ist. Exhaust system for an exhaust gas turbine ( 3 ) for a turbocompound system, wherein the exhaust gas turbine ( 3 ) in an exhaust gas stream ( 2 ) positioned turbine wheel ( 11 ), which has an axial outflow direction ( 14 ), and a turbine shaft ( 12 ), which the turbine wheel ( 11 ) wearing; 1.1 with a discharge channel ( 15 ) for the turbine wheel ( 11 ) exhaust gas flow ( 2 ), wherein the outflow channel ( 15 ) an inner passage opening for the turbine shaft ( 12 ) to the turbine shaft ( 12 ) to be enclosed radially from the outside; characterized in that 1.2 the outflow channel ( 15 ) one in a tubular cross section ( 19 ) to the passage opening for the turbine shaft ( 12 ) spiral channel ( 18 ), such that the from the turbine wheel ( 11 ) flowing out, in the outflow channel ( 15 ) guided exhaust gas flow ( 2 ) in its main flow direction in the entire outflow channel ( 15 ) is axially aligned. Abgasführung für eine Abgasnutzturbine (3) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt des Spiralkanals (18) beginnend an einem Einlasspunkt unmittelbar hinter dem Turbinenrad (11) mit zunehmender Lauflänge in Richtung des röhrenförmigen Querschnitts (19) zunimmt, insbesondere stetig zunimmt.Exhaust system for an exhaust gas turbine ( 3 ) according to claim 1, characterized in that the flow cross-section of the spiral channel ( 18 ) starting at an intake point immediately behind the turbine wheel ( 11 ) with increasing run length in the direction of the tubular cross section ( 19 ) is increasing, in particular steadily increasing. Abgasführung für eine Abgasnutzturbine (3) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Durchmesser (22) des Spiralkanals (18), der in Radialrichtung der Turbinenwelle (12) in der Mitte zwischen dem äußeren und dem inneren Durchmesser des Spiralkanals (18) positioniert ist, mit in Axialrichtung zunehmendem Abstand vom Turbinenrad (11) zunehmend größer wird.Exhaust system for an exhaust gas turbine ( 3 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the average diameter ( 22 ) of the spiral channel ( 18 ), in the radial direction of the turbine shaft ( 12 ) in the middle between the outer and the inner diameter of the spiral channel ( 18 ), with axially increasing distance from the turbine wheel ( 11 ) is getting bigger and bigger. Abgasführung für eine Abgasnutzturbine (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiralkanal (18) nur eine Umwendung um die Turbinenwelle (12) aufweist.Exhaust system for an exhaust gas turbine ( 3 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the spiral channel ( 18 ) only one turn around the turbine shaft ( 12 ) having. Abgasführung für eine Abgasnutzturbine (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Axialrichtung mit zunehmendem Abstand vom Turbinenrad (11) ein Umschlingungswinkel der Umschlingung der Turbinenwelle (12) durch den Spiralkanal (18) in ihrer Umfangsrichtung abnimmt.Exhaust system for an exhaust gas turbine ( 3 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the axial direction with increasing distance from the turbine wheel ( 11 ) a wrap angle of the wrap of the turbine shaft ( 12 ) through the spiral channel ( 18 ) decreases in its circumferential direction. Abgasführung für eine Abgasnutzturbine (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiralkanal (18) in Axialrichtung der Turbinenwelle (12) auf seiner dem Turbinenrad (11) abgewandten Seite bis zu seiner Mündung im röhrenförmigen Querschnitt (19) eine geschlossene Stirnseite (17) aufweist.Exhaust system for an exhaust gas turbine ( 3 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the spiral channel ( 18 ) in the axial direction of the turbine shaft ( 12 ) on its the turbine wheel ( 11 ) facing away from its mouth in the tubular cross section ( 19 ) a closed end face ( 17 ) having. Abgasführung für eine Abgasnutzturbine (3) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die geschlossene Stirnseite (17) mit zunehmender Lauflänge des Spiralkanals (18) in Strömungsrichtung des Abgases einen zunehmenden, insbesondere stetig zunehmenden axialen Abstand vom Turbinenrad (11) aufweist.Exhaust system for an exhaust gas turbine ( 3 ) according to claim 6, characterized in that the closed end face ( 17 ) with increasing run length of the spiral channel ( 18 ) in the flow direction of the exhaust gas an increasing, in particular steadily increasing axial distance from the turbine wheel ( 11 ) having. Abgasführung für eine Abgasnutzturbine (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiralkanal (18) zumindest an seinem dem Turbinenrad (11) zugewandten axialen Einlassende eine Unterbrechung in Umfangsrichtung aufweist.Exhaust system for an exhaust gas turbine ( 3 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the spiral channel ( 18 ) at least at its the turbine wheel ( 11 ) facing axial inlet end has an interruption in the circumferential direction. Abgasführung für eine Abgasnutzturbine (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiralkanal (18) über seiner gesamten Länge in Axialrichtung der Turbinenwelle (12) eine Mündung in den röhrenförmigen Querschnitt (19) aufweist, wobei der röhrenförmige Querschnitt (19) sich insbesondere in Axialrichtung der Turbinenwelle (12) entlang der Mündung des Spiralkanals (18) zunehmend erweitert.Exhaust system for an exhaust gas turbine ( 3 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the spiral channel ( 18 ) over its entire length in the axial direction of the turbine shaft ( 12 ) an orifice in the tubular cross section ( 19 ), wherein the tubular cross-section ( 19 ) in particular in the axial direction of the turbine shaft ( 12 ) along the mouth of the spiral channel ( 18 ) increasingly expanded. Abgasführung für eine Abgasnutzturbine (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnutzturbine (3) eine axiale Anströmrichtung (13) aufweist.Exhaust system for an exhaust gas turbine ( 3 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the exhaust gas turbine ( 3 ) an axial flow direction ( 13 ) having. Abgasnutzturbine (3) für ein Turbocompound-System 11.1 mit einem in einem Abgasstrom (2) positionierten Turbinenrad (11), das eine axiale Abströmrichtung (14) aufweist; 11.2 mit einer Turbinenwelle (12), die das Turbinenrad (11) trägt; dadurch gekennzeichnet, dass 11.3 die Abgasnutzturbine (3) eine Abgasführung mit einem Abströmkanal (15) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist, wobei der Abströmkanal (15) die Turbinenwelle (12) radial von außen umschließt.Exhaust gas turbine ( 3 ) for a turbocompound system 11.1 with one in an exhaust gas flow ( 2 ) positioned turbine wheel ( 11 ), which has an axial outflow direction ( 14 ) having; 11.2 with a turbine shaft ( 12 ), which the turbine wheel ( 11 ) wearing; characterized in that 11.3 the exhaust gas turbine ( 3 ) an exhaust system with a discharge channel ( 15 ) according to one of claims 1 to 10, wherein the outflow channel ( 15 ) the turbine shaft ( 12 ) encloses radially from the outside. Turbocompound-System 12.1 mit einem Verbrennungsmotor (1), der eine Antriebswelle (4) aufweist und einen Abgasstrom (2) erzeugt; 12.2 mit einer im Abgasstrom (2) positionierten Abgasnutzturbine (3), die in einer Triebverbindung mit der Antriebswelle (4) steht, um im Abgasstrom (2) enthaltene Abgasenergie in Antriebsenergie umzuwandeln und der Antriebswelle (4) zu deren Antrieb zuzuführen; dadurch gekennzeichnet, dass 12.3 die Abgasnutzturbine (3) gemäß Anspruch 11 ausgeführt ist.Turbocompound system 12.1 with an internal combustion engine ( 1 ), which has a drive shaft ( 4 ) and an exhaust gas flow ( 2 ) generated; 12.2 with a in the exhaust stream ( 2 ) positioned exhaust gas turbine ( 3 ), which in a drive connection with the drive shaft ( 4 ) is in the exhaust stream ( 2 ) convert exhaust gas energy into drive energy and the drive shaft ( 4 ) to supply their drive; characterized in that 12.3 the exhaust gas turbine ( 3 ) is executed according to claim 11.
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