DE102013014905A1

DE102013014905A1 - Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102013014905A1
Application number: DE201310014905
Authority: DE
Inventors: Martin Glose; Christoph Natkaniec; Siegfried Sumser
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Natkaniec Christoph Dr-Ing De; Sumser Siegfried Dipl-Ing De
Priority date: 2013-09-06
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2014-07-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine (26) für einen Abgasturbolader (16) einer Verbrennungskraftmaschine (10), mit einem um eine Drehachse (48) drehbaren und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) um die Drehachse (48) antreibbaren Turbinenrad (28), welches einen Turbinenradaustrittsbereich (34) mit einem Austrittsquerschnitt (A2) für das Abgas aufweist, wobei das Turbinenrad (28) einen zweiten Turbinenradaustrittsbereich (36) mit einem dem Austrittsquerschnitt (A2) in axialer Richtung gegenüberliegenden zweiten Austrittsquerschnitt (A2') für das Abgas aufweist, wobei ein Verhältnis (A2'/A2) zwischen dem zweiten Austrittsquerschnitt (A2') und dem ersten Austrittsquerschnitt (A2) in einem Bereich von einschließlich 0,05 bis einschließlich 2,0 liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Heutige moderne Verbrennungskraftmaschinen für Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen, sind mit Abgasturboladern ausgestattet, die ein jeweiliges Verdichterrad und ein jeweiliges Turbinenrad aufweisen. Zur Darstellung hoher Anfahrmomente und sehr guter Agilitäten weisen die Verdichter- und Turbinenräder, welche auch als Laufräder bezeichnet werden, relativ kleine Laufraddurchmesser und somit geringe polare Massenträgheitsmomente auf.
Diese hochdrehenden Laufräder ermöglichen zwar die Darstellung eines sehr schnellen Ansprechverhaltens, so dass das sogenannte Turboloch vermieden oder zumindest sehr gering gehalten werden kann. Jedoch haben sie einen grundlegenden Nachteil, der sich in hohen sogenannten Abblaseraten äußert. Im Rahmen des sogenannten Abblasens bei Turbinen von Abgasturboladern wird das jeweilige Turbinenrad über wenigstens einen Umgehungskanal umgangen, so dass das den korrespondierenden Umgehungskanal durchströmende Abgas das Turbinenrad nicht antreibt. Im Abgas enthaltene Energie kann somit nicht genutzt werden.
Die Abblaseraten herkömmlicher Abgasturbolader für Ottomotoren mit hohen Agilitätsanforderungen befinden sich üblicherweise in Bereichen zwischen mindestens 40% bis hin zu über 60% der gesamten Abgasmenge im Nennpunkt der Verbrennungskraftmaschine. Somit werden z. B. für Ottomotoren mit einem Hubvolumen von 1,6 Litern mindestens Druck-Exergiepotentiale über 20 kW ungenutzt in Wärme gewandelt. Die Auswirkung auf die entsprechende Turbine wie auch auf einen gesamten Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine sind extrem hohe Abgas- und Bauteiltemperaturen bis an jeweilige Werkstoffgrenzen von Hochtemperaturwerkstoffen in der Größenordnung von 1050°C bis 1100°C. Häufig werden die aus einem Motorauslass der Verbrennungskraftmaschine ausströmenden Abgasmengen noch zusätzlich mit einer Kraftstoffanfettung von mehr als 20% des verbrannten Kraftstoffes zur Abgaskühlung versehen.
Neben den verbrauchserhöhenden Ladungswechselnachteilen der herkömmlichen, aufgeladenen Ottomotoren insbesondere für Personenkraftwagen gehen infolge der sehr klein dimensionierten Turbinen somit auch gewichtige Kraftstoffverbrauchsnachteile nur zur Kühlung des Abgases einher. Dies bedeutet, dass die kleinen Turbinenräder zwar ein sehr gutes Ansprechverhalten aufweisen, jedoch auch zu sehr kleinen Turbinenschluckfähigkeiten führen. Die Turbinen befinden sich somit an Werkstoff-Temperatur-Grenzen mit allen Problemen, die sich in den erschwerten mechanischen Funktionalitäten der Turbine und thermischen Austrittskrümmerbeanspruchungen widerspiegeln.
Die DE 10 2008 063 656 A1 offenbart eine Turbine für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Turbinengehäuse und mit einem in dem Turbinengehäuse um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse drehbar aufgenommenen Turbinenrad, welches einen Turbinenradaustrittsbereich mit einem Austrittsquerschnitt aufweist. Über den Austrittsquerschnitt ist das Turbinenrad von Abgas abströmbar. Es ist ein erstes Stellelement vorgesehen, mittels welchem ein stromauf des Turbinenrads angeordneter und von dem Turbinenrad zuzuführendem Abgas durchströmbarer Eintrittsquerschnitt variabel einstellbar ist. Ferner ist ein zweites Stellelement vorgesehen, mittels welchem ein stromab des Turbinenrads angeordneter und von das Turbinenrad abströmendem Abgas durchströmbarer Austrittsquerschnitt variabel einstellbar ist. Das zweite Stellelement ist dabei als Konusschieber ausgebildet.
Die DE 10 2006 058 102 A1 und die DE 10 2007 036 937 A1 offenbaren jeweils ebenfalls Turbinen mit Stellelementen, mittels welchen entsprechende Strömungsquerschnitte variabel einstellbar sind.
Schließlich offenbart die WO 2010/069301 A2 einen Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Turbine mit einem Turbinenrad. Das Turbinenrad ist um eine Drehachse drehbar und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine um die Drehachse antreibbar. Das Turbinenrad weist einen Turbinenradaustrittsbereich mit einem Austrittsquerschnitt für das Abgas auf. Dies bedeutet, dass das Abgas das Turbinenrad über den Austrittsquerschnitt abströmen kann. Im Turbinenradaustrittsbereich ist eine erste Verstellvorrichtung, insbesondere ein Konusschieber, zur variablen Einstellung einer Turbinenradaustrittsströmungsfläche angeordnet. Dabei ist vorgesehen, dass in einem Turbinenradeintrittsbereich eine zweite Verstellvorrichtung zur variablen Einstellung einer Turbinenradeintrittsströmungsfläche angeordnet ist.
Um bei herkömmlichen Turbinen die eingangs geschilderte, sich negativ auf den Kraftstoffverbrauch auswirkende Abblasung zu vermeiden, ist es erforderlich, auch den Eintrittsquerschnitt und in der Folge auch einen Austrittsdurchmesser eines Verdichters des Abgasturboladers hinsichtlich einer optimalen Paarung zu vergrößern, um eine hinreichende Schluckfähigkeit der Turbine zu realisieren. Dies beeinträchtigt jedoch die Schnelllläufigkeit der Turbine, so dass sie ein nur unzureichendes Ansprechverhalten sowie eine nur unzureichende Agilität aufweist. Dadurch wird die Fahrbarkeit der Verbrennungskraftmaschine unerwünschterweise beeinträchtigt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine hohe Agilität sowie gleichzeitig eine sehr hohe Schluckfähigkeit der Turbine realisieren lassen, so dass eine Abblasung von Abgas vermieden oder zumindest sehr gering gehalten werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Turbine für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Turbine für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine sehr hohe Agilität sowie eine sehr hohe Schluckfähigkeit der Turbine realisieren lassen, so dass eine Abblasung von Abgas vermieden oder zumindest sehr gering gehalten werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Turbinenrad einen zweiten Turbinenradaustrittsbereich mit einem dem Austrittsquerschnitt in axialer Richtung gegenüberliegenden zweiten Austrittsquerschnitt für das Abgas aufweist. Dies bedeutet, dass das Abgas das Turbinenrad nicht nur über den ersten Austrittsquerschnitt, sondern auch über den, vorzugsweise einem Verdichter des Abgasturboladers zugewandten, zweiten Austrittsquerschnitt abströmen kann.
Zur Realisierung eines besonders geringen Durchmessers und somit eines sehr geringen polaren Massenträgheitsmoments des Turbinenrads ist es ferner vorgesehen, dass ein Verhältnis zwischen dem zweiten Austrittsquerschnitt und dem ersten Austrittsquerschnitt in einem Bereich von einschließlich 0,05 (5%) bis einschließlich 2,0 (200%), insbesondere in einem Bereich von einschließlich 0,05 bis einschließlich 1,3 (130%), liegt. Mit anderen Worten, bildet man einen Quotienten mit dem zweiten Austrittsquerschnitt im Zähler und dem ersten Austrittsquerschnitt im Nenner des Quotienten, so liegt der Wert dieses Quotienten erfindungsgemäß in einem Bereich von einschließlich 0,05 bis einschließlich 2,0, insbesondere in einem Bereich von einschließlich 0,05 bis einschließlich 1,3.
Mit Realisierung dieses Verhältnisses der Austrittsquerschnitte geht gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Standard-Radialturbinen eine Turbinendurchmesser-Minimierung und somit eine Turbinendurchmesser-Optimierung einher, infolge derer das Massenträgheitsmoment des Turbinenrads reduziert werden kann. Üblicherweise umfasst ein Abgasturbolader einen Rotor mit einer Welle, einem Verdichterrad und dem Turbinenrad, wobei das Turbinenrad und das Verdichterrad drehfest mit der Welle gekoppelt sind. Der Rotor ist dabei um die Drehachse drehbar und von dem Abgas antreibbar. Durch die genannte Turbinendurchmesser-Minimierung beziehungsweise – Optimierung kann das Massenträgheitsmoment des Rotors insgesamt besonders gering gehalten werden, was mit einer Steigerung der Agilität sowie mit einer Verbesserung des Turbinenwirkungsgrads speziell in herkömmlicher Weise, das heißt bei herkömmlichem Betrieb eines Kraftwagens, auftretenden Fahrbereich.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein Stellelement vorgesehen, mittels welchem eine das Turbinenrad über den zweiten Ausströmquerschnitt abströmende Menge des Abgases einstellbar ist. Somit kann die Menge des das Turbinenrad über den zweiten Austrittsquerschnitt abströmenden Abgases bedarfsgerecht eingestellt und beispielsweise auch auf 0 eingestellt werden, so dass eine bedarfsgerechte Abströmung des Turbinenrads ausschließlich über den ersten Austrittsquerschnitt oder über den ersten Austrittsquerschnitt und den zweiten Austrittsquerschnitt realisiert werden kann. Ferner ist eine Abblasevorrichtung für geringe Abblasemengen in Verbindung mit einem Stellelement des zweiten Ausströmungsquerschnitts vorstellbar.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1a eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen mit einer Turbine mit einem um eine Drehachse drehbaren und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine um die Drehachse antreibbaren Turbinenrad, welches einen Turbinenradaustrittsbereich mit einem Austrittsquerschnitt für das Abgas aufweist, wobei das Turbinenrad einen zweiten Turbinenradaustrittsbereich mit einem dem Austrittsquerschnitt in axialer Richtung gegenüberliegenden zweiten Austrittsquerschnitt für das Abgas aufweist, wobei ein Verhältnis zwischen dem zweiten Austrittsquerschnitt und dem ersten Austrittsquerschnitt in einem Bereich von einschließlich 0,05 bis einschließlich 2,0 liegt.
1b eine weitere schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine mit der Turbine, gezeigt in einer Offenstellung des Stellelements;
2a eine weitere schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine mit der Turbine gemäß einer zweiten Ausführungsform, bei welcher das Stellelement außerhalb des Turbinengehäuses angeordnet ist, gezeigt in der Schließstellung des Stellelements;
2b eine weitere schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine mit der Turbine gemäß 2a, gezeigt in der Offenstellung des Stellelements;
3a ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß einer dritten Ausführungsform, gezeigt in der Schließstellung des Stellelements;
3b ausschnittsweise eine schematische Draufsicht der Turbine gemäß 3a;
3c ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß der dritten Ausführungsform, gezeigt in der Offenstellung des Stellelements;
3d ausschnittsweise eine schematische Draufsicht der Turbine gemäß 3c;
4a ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß einer vierten Ausführungsform;
4b ausschnittsweise eine schematische Draufsicht der Turbine gemäß 4a;
5 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Auslegungsbereiches der Turbine;
6 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen mit einer Turbine mit einem um eine Drehachse drehbaren und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine um die Drehachse antreibbaren Turbinenrad, welches einen Turbinenradaustrittsbereich mit einem Austrittsquerschnitt für das Abgas aufweist, wobei das Turbinenrad einen zweiten Turbinenradaustrittsbereich mit einem dem Austrittsquerschnitt in axialer Richtung gegenüberliegenden zweiten Austrittsquerschnitt für das Abgas aufweist, wobei ein Verhältnis zwischen dem zweiten Austrittsquerschnitt und dem ersten Austrittsquerschnitt in einem Bereich von einschließlich 0,05 bis einschließlich 2,0 liegt. wobei ein von der Turbine antreibbarer Verdichter eines die Turbine umfassenden Abgasturboladers zwei Radrücken an Radrücken angeordnete Verdichterräder umfasst und eine Abblasevorrichtung parallel zum ersten Austrittsquerschnitt angeordnet ist; und
7 eine Gegenüberstellung einer Standard-Radialturbine gemäß dem Stand der Technik mit einem Turbinenrad mit lediglich einem Austrittsquerschnitt in Bezug zu einer Radialturbine mit einem Turbinenrad mit zwei Austrittsquerschnitten für das Abgas.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1a und 1b zeigen eine Verbrennungskraftmaschine 10 für einen Kraftwagen. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet und weist wenigstens einen, in 1a und 1b nicht dargestellten Brennraum in Form eines Zylinders auf.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist einen Ansaugtrakt 12 auf, über den die Verbrennungskraftmaschine 10 während ihres Betriebs Luft ansaugt. Im Ansaugtrakt 12 ist ein Verdichter 14 eines Abgasturboladers 16 der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnet. Der Verdichter 14 umfasst ein in 1a und 1b nicht dargestelltes Verdichtergehäuse, in welchem ein Verdichterrad 18 um eine Drehachse relativ zu dem Verdichtergehäuse drehbar aufgenommen ist. Mittels des Verdichterrads 18 wird die der Verbrennungskraftmaschine 10 zuzuführende Luft verdichtet.
Stromab des Verdichters 14 ist im Ansaugtrakt 12 ein Ladeluftkühler 20 angeordnet, mittels welchem die verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt wird. Stromab des Ladeluftkühlers 20 ist im Ansaugtrakt 12 eine Luftdosierungsvorrichtung vorliegend in Form einer Drosselklappe 22 angeordnet, mittels welcher eine der Verbrennungskraftmaschine 10 zuzuführende Menge der Luft einstellbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst auch eine Recheneinrichtung 25, welche beispielsweise ein Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine 10 ist. Die Recheneinrichtung 25 ist mit der Drosselklappe 22 gekoppelt und dient zum Steuern oder Regeln der Drosselklappe 22.
Zum Verdichten der Luft wird in einem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 enthaltene Energie genutzt. Das Abgas, welches aus Verbrennungsvorgängen der Luft mit Kraftstoff resultiert, wird der Verbrennungskraftmaschine 10 über einen Abgastrakt 24 dieser abgeführt. Im Abgastrakt 24 ist eine Turbine 26 des Abgasturboladers 16 angeordnet. Die Turbine 26 umfasst ein in 1a und 1b nicht dargestelltes Turbinengehäuse, in welchem ein Turbinenrad 28 der Turbine 26 um eine Drehachse relativ zum Turbinengehäuse drehbar aufgenommen ist. Die Drehachse des Turbinenrads 28 fällt dabei mit der Drehachse des Verdichterrads 18 zusammen. Das Verdichterrad 18 und das Turbinenrad 28 sind mit einer Welle 30 des Abgasturboladers 16 drehfest gekoppelt. Das Abgas wird dem Turbinenrad 28 mittels des Turbinengehäuses zugeführt, so dass das Abgas das Turbinenrad 28 anströmen und dadurch antreiben kann. Infolge der drehfesten Verbindung des Verdichterrads 18 und des Turbinenrads 28 mit der Welle 30 wird das Verdichterrad 18 über die Welle 30 vom Turbinenrad 28 angetrieben. Das Abgas wird durch das Antreiben der Turbine 26 expandiert und strömt anschließend zu einer im Abgastrakt 24 angeordneten und in 1a und 1b nicht dargestellte Abgasnachbehandlungseinrichtung der Verbrennungskraftmaschine 10.
Die Turbine 26 umfasst ein in 1a und 1b sehr schematisch dargestelltes Eintrittselement 32, mittels welchem ein stromauf des Turbinenrads 28 angeordneter und von dem dem Turbinenrad 28 zuzuführenden Abgas durchströmbarer Eintrittsquerschnitt einstellbar ist. Durch das Eintrittselement 32 ist somit eine sogenannte Eintrittsvariabilität geschaffen, so dass der Eintrittsquerschnitt an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine 10 und somit an unterschiedliche Volumen- und/oder Massenströme des Abgases angepasst werden kann. Hierdurch ist ein besonders effizienter Betrieb der Turbine 26 realisierbar. Zum Einstellen des Eintrittselements 32 ist dieses mit der Recheneinrichtung 25 gekoppelt, über die das Eintrittselement 32 geregelt oder gesteuert wird.
Bei dieser Eintrittsvariabilität (Eintrittselement 32) kann es sich um einen Drehschaufler oder um einen Axialschieber handeln. Alternativ dazu kann es sich um einen sogenannten Zungenschieber handeln, welcher eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung des Turbinenrads 28 über dessen Umfang vorzugsweise gleichmäßig verteilt angeordnete Sperrkörper vorzugsweise in Form von Zungen umfasst, mittels welchen der Eintrittsquerschnitt sowie vorteilhafterweise ein Drall des Abgases variabel einstellbar ist. Die Zungen sind dabei um die Drehachse des Turbinenrads 28 relativ zum Turbinengehäuse drehbar, wodurch der Eintrittsquerschnitt eingestellt wird. Zur Realisierung einer einfachen Betätigung der Zungen sind diese mit einem den Zungen gemeinsamen Ring gekoppelt, welcher um die Drehachse des Turbinenrads 28 drehbar ist, wobei die Zungen mit dem Ring mitdrehbar sind. Der Zungenschieber eignet sich besonders gut für Ottomotoren, da eine besonders hohe Durchsatzspreizung darstellbar ist.
Das Turbinenrad 28 weist einen ersten Turbinenradaustrittsbereich 34 mit einem ersten Austrittsquerschnitt A2 auf. Dabei ist das Turbinenrad 28 über den ersten Austrittsquerschnitt A2 von dem Abgas abströmbar. Mit anderen Worten strömt das Abgas das Turbinenrad 28, nachdem das Abgas das Turbinenrad 28 angetrieben hat, über den ersten Austrittsquerschnitt A2 und den ersten Turbinenradaustrittsbereich 34 ab.
Die Turbine 26 ist dabei als Radialturbine ausgebildet, so dass das Abgas das Turbinenrad 28 in radialer Richtung von außen nach innen anströmt und zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung das Turbinenrad 28 abströmt.
Wie in Zusammenschau mit 1b erkennbar ist, weist das Turbinenrad 28 nun einen zweiten Turbinenradaustrittsbereich 36 mit einem zweiten Austrittsquerschnitt A2' auf. Das Abgas kann – je nach Einstellung der Turbine 26 und wie im Folgenden noch erläutert wird – das Turbinenrad 28 auch über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' und den zweiten Turbinenradaustrittsbereich 36 abströmen. Dabei ist es vorgesehen, dass ein Verhältnis zwischen dem zweiten Austrittsquerschnitt A2' und dem ersten Austrittsquerschnitt A2 in einem Bereich von einschließlich 0,05 bis einschließlich 2,0 liegt.
Wie aus 1a und 1b zu erkennen ist, ist der zweite Turbinenradaustrittsbereich 36 in axialer Richtung des Turbinenrads 28 dem ersten Turbinenradaustrittsbereich 34 gegenüberliegend angeordnet, wobei auch der zweite Austrittsquerschnitt A2' in axialer Richtung des Turbinenrads 28 dem ersten Austrittsquerschnitt A2 gegenüberliegend angeordnet ist. Mit anderen Worten sind der erste Turbinenradaustrittsbereich 34 und der erste Austrittsquerschnitt A2 auf einer ersten Seite 38 des Turbinenrads 28 angeordnet, während der zweite Turbinenradaustrittsbereich 36 und der zweite Austrittsquerschnitt A2' auf einer der ersten Seite 38 in axialer Richtung abgewandten, zweiten Seite 40 des Turbinenrads 28 und so auf Seiten eines Laufradrückens des Turbinenrads 28 angeordnet sind.
Aus 1a und 1b ist auch ein Lagergehäuse 35 des Abgasturboladers 16 erkennbar. Ein Rotor 37 des Abgasturboladers 16, wobei der Rotor 37 das Verdichterrad 18, das Turbinenrad 28 und die Welle 30 umfasst, ist dabei am Lagergehäuse 35 relativ zum Lagergehäuse 35 drehbar gelagert. Der zweite Austrittsquerschnitt A2' ist dabei auf Seiten des Lagergehäuses 35 angeordnet, d. h. zum Lagergehäuse 35 hin ausgerichtet.
Die Turbine 26 umfasst darüber hinaus ein in 1a und 1b sehr schematisch dargestelltes Stellelement 42, mittels welchem eine das Turbinenrad über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' abströmende Menge des Abgases einstellbar ist. Um diese Menge des den zweiten Austrittsquerschnitt A2' durchströmenden Abgases, d. h. des das Turbinenrad 28 über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' abströmenden Abgases einzustellen, ist das Stellelement 42 gemäß 1a und 1b relativ zum Turbinengehäuse in axialer Richtung translatorisch bewegbar, d. h. verschiebbar.
Gemäß 1a und 1b ist das Stellelement 42 innerhalb eines Gehäuseelements des Abgasturboladers 16 aufgenommen. Bei diesem Gehäuseelement kann es sich um das Lagergehäuse 35 oder um das Turbinengehäuse handeln. Gemäß 1a und 1b ist das Stellelement 42 innerhalb der Turbine 26 zwischen dem zweiten Austrittsquerschnitt A2' und dem Lagergehäuse 35 angeordnet.
Das Stellelement 42 ist zwischen einer in 1a gezeigten Schließstellung und wenigstens einer in 1b gezeigten Offenstellung verschiebbar. In der Schließstellung ist der zweite Austrittsquerschnitt A2' fluidisch maximal versperrt. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass der zweite Austrittsquerschnitt A2' – bis auf etwaige Leckageströme – nicht mehr von Abgas durchströmbar ist, d. h. dass das Turbinenrad 28 in der Schließstellung nicht über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' abgeströmt werden kann. In der Offenstellung ist der zweite Austrittsquerschnitt A2' gegenüber der Schließstellung freigegeben, so dass das Turbinenrad 28 über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' von Abgas abgeströmt werden kann. Im Folgenden wird als die Offenstellung die Stellung des Stellelements 42 bezeichnet, in der der zweite Austrittsquerschnitt A2' maximal freigegeben ist. Dies bedeutet, dass das Turbinenrad 28 in der Offenstellung von einer maximal einstellbaren Menge über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' abströmbar ist.
Vorzugsweise ist das Stellelement 42 auch in wenigstens eine Zwischenstellung und vorzugsweise in mehrere Zwischenstellungen zwischen der Offenstellung und der Schließstellung einstellbar, in denen der zweite Austrittsquerschnitt A2' gegenüber der Schließstellung fluidisch freigegeben und gegenüber der Offenstellung fluidisch verengt ist. Durch das Stellelement 42 ist somit eine Variabilität geschaffen, welche eine bedarfsgerechte Einstellung des zweiten Austrittsquerschnitts A2' ermöglicht.
Mittels des bewegbaren Stellelements 42 ist der zweite Austrittsquerschnitt A2' zu dem stets freigegeben ersten Austrittsquerschnitt A2 bedarfsgerecht zuschaltbar, so dass die Turbine 26 eine sehr hohe Schluckfähigkeit aufweist. Dies bedeutet, dass die Turbine 26 von einer besonders hohen Menge an Abgas durchströmt werden kann, so dass Abgasgegendrücke für die Verbrennungskraftmaschine 10 gering gehalten werden können. Gleichzeitig ist bei der Turbine 26 keine Abblasung des Abgases vorgesehen. Mit anderen Worten ist es nicht vorgesehen, dass das Turbinenrad 28 von Abgas umgangen wird. Durch den zuschaltbaren, d. h. fluidisch freigebbaren, und abschaltbaren, d. h. fluidisch versperrbaren, zweiten Austrittsquerschnitt A2' ist es ferner möglich, das Turbinenrad 28 besonders klein und somit mit einem geringen polaren Massenträgheitsmoment auszugestalten, so dass die Turbine 26 eine sehr hohe Agilität aufweist.
2a und 2b zeigen die Turbine 26 gemäß einer zweiten Ausführungsform. 2a zeigt das Stellelement 42' in seiner Schließstellung, während 2b das Stellelement 42' in seiner Offenstellung zeigt. Wie aus 2a und 2b erkennbar ist, ist das Stellelement 42' nun außerhalb des Turbinengehäuses angeordnet. Bei dem Stellelement 42' handelt es sich um eine einfache und kostengünstige Klappe. Auch die Verwendung von einfachen und kostengünstigen Ventilen als das Stellelement 42' ist ohne weiteres möglich. Zum Regeln oder Steuern des Stellelements 42' gemäß 2a und 2b ist dieses wiederum mit der Recheneinrichtung 25 gekoppelt.
3a–d zeigen die Turbine 26 gemäß einer dritten Ausführungsform, wobei sich das Stellelement 42 gemäß 3a und 3b in seiner Schließstellung und gemäß 3c und 3d in seiner Offenstellung befindet.
3b und 3d zeigen einen Zylinderschnitt einer Laufradschaufel 44 des Turbinenrads 28. Dementsprechend ist vom Turbinenrad 28 in 3b und 3d ein Radsegment 43 erkennbar. Aus 3b und 3d ist besonders gut die Gestaltung der Laufradschaufel 44 erkennbar. Die Laufradschaufel 44 weist zu einer dem ersten Austrittsquerschnitt A2 zugeordneten Schaufelfront 59 hin einen ersten Radaustrittswinkel β₂ und zu einer dem zweiten Austrittsquerschnitt A2' zugeordneten Schaufelfront 57 hin einen zweiten Radaustrittswinkel β_2' auf. Die jeweiligen Radaustrittswinkel β₂ und β_2' liegen bezogen auf einen jeweiligen Mittelwert in einem Bereich von einschließlich 20° bis einschließlich 60°, so dass bezogen auf die Austrittsquerschnitte A2 und A2' eine vorteilhafte Strömungsumlenkung des Abgases im Turbinenrad 28 bewirkt werden kann. Die jeweilige Abströmrichtung des Abgases von der Laufradschaufel 44 im Absolutsystem ist in 3b und 3d durch Richtungspfeile 46 veranschaulicht. Die Form der Laufradschaufel 44 lässt sich zumindest näherungsweise mittels Parabel- bzw. Ellipsenteilkurven beschreiben, die einen Scheitelpunkt und die beiden Endpunkte mit den Radaustrittstangenten besitzen, welche die jeweiligen Radaustrittswinkel β₂ und β_2' zu den beiden Schaufelfronten 57, 59 entgegen der Drehrichtung des Turbinenrads 28 einschließen, wobei die Drehrichtung des Turbinenrads 28 in 3b und 3d durch einen Richtungspfeil U dargestellt ist. Die Schaufelfronten 57, 59 sind Schaufelaustrittsfronten.
Die Laufradschaufel 44 weist somit zwei Austrittskanten auf, über die die Laufradschaufel 44 vom Abgas abgeströmt wird. Eine erste der Austrittskanten ist der Schaufelfront 59 und somit dem ersten Austrittsquerschnitt A2 zugeordnet, während eine zweite der Austrittskanten der Schaufelfront 57 und somit dem zweiten Austrittsquerschnitt A2' zugeordnet ist.
In 3a und 3c ist die Drehachse, um die das Turbinenrad 28 drehbar ist, mit 48 bezeichnet. Das Stellelement 42 ist gemäß 3a und 3c als axial verschiebbare Ringscheibe ausgebildet, welche auch als Varioscheibe bezeichnet wird. Gemäß 3a befindet sich die Varioscheibe in ihrer Schließstellung, wodurch der gesamte Abgasmassenstrom nur durch den herkömmlichen, ersten Austrittsquerschnitt A2 ausströmen kann.
Die in 3c gezeigte maximale Offenstellung der Ringscheibe gibt einen Sammelraum 50 für das Ausströmen des maximalen Abgasteilstroms frei. Zwischen diesen beiden Extrempositionen in Form der Schließstellung und der Offenstellung sind beliebig viele Zwischenstellungen möglich, die die temporäre Gesamtdurchsatzkapazität und die Aufteilung des ausströmenden Abgasmassenstroms durch die beiden Austrittsquerschnitte A2' und A2 der Turbine 26 zur nachfolgenden Abgasnachbehandlungseinrichtung festlegt.
Der Sammelraum 50 mündet zumindest im Wesentlichen gasdicht in eine Austrittsverrohrung, die zumindest weitgehend radial zur Drehachse 48 und dann axial hin zu einer Austrittsverrohrung des ersten Austrittsquerschnitts A2 geführt wird. Die dem ersten Austrittsquerschnitt A2 zugeordnete Abgasverrohrung, welche vom das Turbinenrad 28 über den ersten Austrittsquerschnitt A2 abströmenden Abgas durchströmbar ist, und die dem zweiten Austrittsquerschnitt A2' zugeordnete Abgasverrohrung, die vom das Turbinenrad 28 über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' abströmenden Abgas durchströmbar ist, sind vorzugsweise stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung fluidisch miteinander verbunden, d. h. zusammengeführt.
In 3a und 3c ist auch eine mit 52 bezeichnete der Zungen des Zungenschiebers erkennbar. Jeweilige Zungenspitzen der Zungen greifen hierbei jeweilige Strömungsflächen von jeweils zugeordneten Zuführkanälen des Turbinengehäuses so weit ab, dass der Radeintrittsdrall und eine effektive Radzuströmfläche bedarfsgerecht beeinflussbar sind. Die Zuführkanäle können sich dabei in Umfangsrichtung des Turbinenrads 28 über dessen Umfang zumindest im Wesentlichen spiralförmig erstrecken und somit als Spiralkanäle ausgebildet sein. Einer dieser zumindest im Wesentlichen spiralförmigen Zuführkanäle ist in 3a–d erkennbar und mit 63 bezeichnet.
Die Verwendung des Zungenschiebers ist auch insofern vorteilhaft, als mehrere Strömungssegmente der beispielsweise als Mehrsegment-Turbine ausgebildeten Turbine 26 mit nur einem einfachen Schieber in Form des Zungenschiebers ausgestattet werden können. Dabei korrespondiert die Anzahl der Zungen mit der Anzahl der Strömungssegmente, welche beispielsweise spiralförmig und entsprechend als Segmentspiralen ausgestaltet sind. In 3a und 3c ist der Ring, mit dem die Zungen drehfest verbunden sind, mit 54 bezeichnet. Der Ring 54 wird üblicherweise auch als Drehring bezeichnet.
Vorliegend sind das Eintrittselement 32 (Zungenschieber) und das Stellelement 42 miteinander gekoppelt, so dass sie zumindest in einem Teilbereich ihrer jeweiligen Verstellbereiche simultan, d. h. gleichzeitig miteinander bewegbar sind. Diese Kopplung des Zungenschiebers und der Varioscheibe erfolgt gemäß 3a–d über ein oder mehrere in Umfangsrichtung des Turbinenrads 28 über dessen Umfang verteilt angeordnete Kulissenelemente vorliegend in Form von Kulissenstiften 56, die von der festen Gehäuseseite durch Axialnuten 58 geführt werden. Der Drehring (Ring 54), an dem die drehbaren Zungen im Düsenbereich zur Turbine 26 befestigt sind, ist mit Kulissennuten 60 versehen, die bei der Drehung des Drehrings die axiale Position und Zuordnung der Varioscheibe zu den Zungen bestimmen. Mit anderen Worten werden die Kulissenstifte 56 beim Drehen des Rings 54 entlang der Axialnuten 58 derart geführt, dass die Drehbewegung des Rings 54 um die Drehachse 48 in eine axialen Verschiebung des Stellelements 42 (Varioscheibe) umgewandelt wird.
Vorzugsweise ist bei einer maximalen Öffnung des Zungenschiebers, d. h. bei einer Einstellung des maximalen Werts des Eintrittsquerschnitts, auch das Stellelement 42 in seiner maximalen Offenstellung eingestellt. Eine entsprechende Ausgestaltung der Kulissennuten 60 kann so eingestellt werden, dass der Zungenschieber ausgehend von einer den Eintrittsquerschnitt maximal verengenden Schließstellung des Zungenschiebers in Richtung seiner maximalen Offenstellung in den ersten 60% des Verstellbereichs des Zungenschiebers unabhängig vom Stellelement 42 bewegt wird, wobei sich das Stellelement 42 in diesen ersten 60% des Verstellbereichs des Zungenschiebers in der Schließstellung des Stellelements 42 befindet. Mit anderen Worten kann der Zungenschieber in den ersten 60% seines Verstellbereichs bewegt werden, ohne dass es auch zu einer Bewegung des Stellelements 42 kommt.
Erst bei einem Öffnungsgrad des Zungenschiebers von mehr als 60% wird dann auch die Varioscheibe aus ihrer Schließstellung in Richtung ihrer Offenstellung bewegt, so dass eine Öffnung des zweiten Austrittsquerschnitts A2' simultan zur weiteren Öffnung des beispielsweise mit A1 bezeichneten variablen Eintrittsquerschnitts durchgeführt wird. Hierdurch kann eine sehr hohe Durchsatzkapazität der Turbine 26 mit sehr guten Turbinenwirkungsgraden realisiert werden.
Selbstverständlich ist auch eine getrennte und voneinander unabhängige Bewegung, insbesondere Steuerung und/oder Regelung mittels zweier separater Aktoren in beliebigen Kombinationen zueinander möglich und gegebenenfalls entsprechend der zu befriedigenden Betriebspunkte sinnvoll.
In 3a und 3b ist auch ein Turbinenradeintrittsbereich E veranschaulicht, über den das Turbinenrad 28 vom Abgas anströmbar ist. Das Turbinenrad 28 kann dabei durch zumindest nahezu elliptische Zeugungskurven gekennzeichnet sein, wobei ein jeweiliger Scheitel der Zeugungskurven vorzugsweise auf Radialen der Drehachse 48 liegen kann, die sich noch im Turbinenradeintrittsbereich E befinden. In 3a–d ist das Turbinengehäuse mit 61 bezeichnet.
4a und 4b zeigen die Turbine 26 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Dabei zeigt 4b in einer schematischen Darstellung das abgewickelte Radsegment 43. Die Turbine 26 gemäß 4a und 4b unterscheiden sich insbesondere dahingehend von den Turbinen 26 gemäß 3a–3d, dass das Stellelement 42 als Blende ausgebildet ist. Das Stellelement 42 umfasst zwei Ringelemente 62, 64, welche jeweilige und sich in axialer Richtung erstreckende Durchgangsöffnungen 66 aufweisen. Dies bedeutet, dass – bei einer entsprechenden Einstellung der Ringelemente 62, 64 – die Durchgangsöffnungen 66 in axialer Richtung von dem das Turbinenrad 28 abströmenden Abgas durchströmbar sind.
Die Ringelemente 62, 64 sind bezogen auf die Drehachse 48 koaxial zueinander angeordnet und relativ zueinander drehbar, so dass demzufolge auch die jeweiligen Durchgangsöffnungen 66 relativ zueinander bewegbar sind. Hierdurch können die Durchgangsöffnungen 66 von jeweiligen, die Durchgangsöffnungen 66 begrenzenden Wandungen der Ringelemente 62, 64 fluidisch versperrt oder demgegenüber fluidisch freigegeben werden, so dass die das Turbinenrad 28 über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' abströmende Menge durch Drehen der Ringelemente 62, 64 relativ zueinander einstellbar ist. Die jeweiligen Wandungen sind somit Versperrbereiche, die in der Schließstellung des Stellelements 42 die Durchgangsöffnungen 66 versperren, wohingegen die Durchgangsöffnungen 66 in der Offenstellung maximal freigegeben sind.
Vorzugsweise ist eines der Ringelemente 62, 64 gehäusefest, d. h. relativ zu dem Turbinengehäuse unbewegbar, während das andere der Ringelemente 62, 64 relativ zum Turbinengehäuse drehbar ist. Vorliegend ist das Ringelement 62 gehäusefest, während das Ringelement 64 relativ zum Turbinengehäuse 61 und somit relativ zum Ringelement 62 um die Drehachse 48 drehbar ist.
Aus 4a und 4b geht auch die oben genannte, voneinander unabhängige Verstellung des Eintrittselemente 32 und des Stellelements 42 hervor. Dem Zungenschieber ist ein Aktor 21 zum Drehen des Rings 54 zugeordnet, während dem Stellelement 42 und vorliegend dem Ringelement 64 ein vom Aktor 21 separater Aktor 23 zum Drehen des Ringelements 64 zugeordnet ist. In 4b ist mit Richtungspfeilen 68 die Abströmrichtung des Abgases vom Turbinenrad 28 im Relativsystem veranschaulicht.
Wie aus 4b ferner zu erkennen ist, weist das Turbinenrad 28 eine sogenannte Splitbeschaufelung 70 mit Laufradschaufeln 44 und 72 auf. Das Turbinenrad 28 ist somit an die Verwendung von beiden Austrittsquerschnitten A2 und A2' angepasst, was dem Wirkungsgrad zugutekommt. Das Turbinenrad 28 weist somit eine doppelte Schaufelanzahl für den Abgasteilstrom auf, der hierdurch auf kurzem Wege eine Strömungsumlenkung im drehenden Relativsystem mit reduzierter wirkungsgradgünstiger Minderumlenkung erfährt.
Es existieren Anwendungsfälle, bei denen es vorteilhaft ist, das interne Stellelement 42 gemäß 1a und 1b mit dem externen Stellelement 42 gemäß 2a und 2b zu kombinieren. Mittels der externen Variabilität beispielsweise in Form der Klappe können in der Schließposition der internen Variabilität beispielsweise in Form der Varioscheibe Abgas-Leckagen ohne größere Gaskräfte an der Varioscheibe minimiert werden. Mittels der internen Variabilität, die eine gewisse kleine Leckage mit Druckaufbau im Sammelraum 50 zulässt, kann eine Rückwirkung verlustträchtiger Strömungsstörungen im Turbinenrad 28 durch den weitgehend abgeschalteten Volumeneffekt des Sammelraums 50 klein gehalten werden.
5 zeigt ein Diagramm 74 zur Veranschaulichung der Wirkung des Stellelements 42 und des zweiten Austrittsquerschnitts A2'. Auf der Abszisse 76 des Diagramms ist ein Verhältnis A2/A22' veranschaulicht, wobei mit A2 der erste Austrittsquerschnitt bezeichnet ist. Mit A22' ist die Summe aus dem ersten Austrittsquerschnitt A2 und dem zweiten Austrittsquerschnitt A2' bezeichnet: A22' = A2 + A2'.
Somit bezeichnet A22' eine Gesamtfläche, welche den ersten Austrittsquerschnitt A2 und den zweiten Austrittsquerschnitt A2' umfasst.
Auf der Ordinate 78 des Diagramms 74 ist ein Verhältnis des zweiten Austrittsquerschnitts A2' zur Gesamtfläche A22' aufgetragen. Die Abszisse 76 charakterisiert somit die herkömmliche relative Austrittsfläche, während die Ordinate 78 die relative Austrittsfläche am Radrücken des Turbinenrads 28 charakterisiert. Eine in das Diagramm 74 eingetragene Gerade 80 charakterisiert dabei die Flächenaufteilung zwischen den Austrittsquerschnitten A2 und A2', wobei gilt: A2'/A22' = 1 – A2'/A22'.
Aus dem Diagramm 74 ist somit ein Auslegungsbereich des zweiten Austrittsquerschnitts A2' als Radzusatzströmungsquerschnitt zusätzlich zum ersten Austrittsquerschnitt A2 erkennbar, um ein Abblasen von Abgas zu vermeiden. Die Gerade 80 charakterisiert auch die jeweilige Stellung des Stellelements 42 und somit die zugehörige Öffnung des zweiten Austrittsquerschnitts A2'. In 5 ist ein Auslegungsbereich der Turbine 26 eingezeichnet, bei welchem ein Verhältnis des zweiten Austrittsquerschnitts A2' zu einer Summe aus dem ersten Austrittsquerschnitt A2 und dem zweiten Austrittsquerschnitt A2' in einem Bereich von einschließlich 0,25 bis einschließlich 0,75 liegt. Dies bedeutet: 0,25 ≤ A2'/A22' ≤ 0,75.
Durch einen Richtungspfeil 82 im Diagramm 74 ist die realisierbare Agilitätssteigerung bei entsprechender Auslegung der Turbine 26 veranschaulicht. Mit anderen Worten verdeutlich 5 in Diagrammform den Zusammenhang der Gesamtfläche A22' und der Strömungsflächenaufteilung in Form des zweiten Austrittsquerschnitts A2' zum herkömmlichen Austrittsquerschnitt A2 der Turbine 26 hinsichtlich der Auslegungsmöglichkeit in Richtung einer Agilitätserhöhung der Verbrennungskraftmaschine 10. Mit den drei veranschaulichten Beispielauslegungen A2/A22' von 0,75, 0,5 und 0,25 des herkömmlichen, ersten Austrittsquerschnitts A2 wird in dieser Reihenfolge die Agilitätseigenschaft sehr stark gesteigert, wie es bei Abblaseturbinen mit Abblaseraten von 25%, 50% oder 75% der Fall sein kann. Bei der Turbine 26 jedoch ist kein wirkungsgradschädliches Abblasen, sondern der zusätzliche, vorteilhafte zweite Austrittsquerschnitt A2' mit dem Flächenanteil A2'/A22' von 0,25, 0,5 oder 0,75 zur Gesamtfläche A22' vorgesehen, wodurch die Zielsetzung einer Motorgegendruck-Absenkung mit simultaner Turbineneintrittstemperatur-Absenkung bei guten Kraftstoffverbräuchen der Verbrennungskraftmaschine 10 erreicht werden kann.
Anhand von 6 ist eine Möglichkeit veranschaulicht, das Auftreten von Axialkräften und damit einhergehendem, auf den Rotor 37 wirkendem Axialschub zumindest teilweise zu kompensieren. Wie aus 6 erkennbar ist, umfasst der Verdichter 14 zwei Verdichterräder 18, 18 mit jeweiligen Radrücken 19, 19', wobei die Verdichterräder 18, 18' über ihre jeweiligen Radrücken 19, 19' aneinander abgestützt sind. Mit anderen Worten sind die Verdichterräder 18, 18' Rücken an Rücken angeordnet. Desweiteren enthält der Abgasturbolader 16 eine einfache Abblasevorrichtung 90, welche parallel zum ersten Austrittsquerschnitt A2 angeordnet von einer relativ geringen Abblasemenge beaufschlagbar ausgeführt ist.
7 zeigt auf der bezogen auf die Bildebene von 7 linken Seite eine mit 84 bezeichnete Standard-Radialturbine. Die Standard-Radialturbine 84 umfasst ein Turbinenrad 86, welches hinsichtlich seiner Funktion dem Turbinenrad 28 entspricht. Dies bedeutet, dass auch das Turbinenrad 86 von Abgas anströmbar und dadurch antreibbar ist. Die Laufradschaufel 44 weist eine sich in axialer Richtung erstreckende Breite b₁₀ auf, über die die Laufradschaufel 44 von dem Abgas angeströmt wird. Diese Breite b₁₀ bezieht sich dabei auf eine Anströmkante der Laufradschaufel 44, wobei die Anströmkante auf einem Durchmesser D₁₀ angeordnet ist. Der Durchmesser D₁₀ ist dabei der Durchmesser eines Turbinenradeintrittsbereichs, über den das Turbinenrad 86 von dem Abgas angeströmt wird. Die Standard-Radialturbine weist lediglich einen Turbinenradaustrittsbereich 34 auf, über den das Turbinenrad 86 von dem Abgas abgeströmt wird. Der Turbinenradaustrittsbereich 34 weist dabei einen Austrittsquerschnitt A₂₀ auf, über den das Turbinenrad 86 von dem Abgas abgeströmt werden kann. Der Austrittsquerschnitt A₂₀ stellt dabei den gesamten Strömungsquerschnitt der Standard-Radialturbine 84 dar, über den das Turbinenrad 86 von dem Abgas abgeströmt werden kann.
Wie aus 7 erkennbar ist, erstreckt sich der Austrittsquerschnitt A₂₀ in radialer Richtung von einem Innendurchmesser D_20,N bis zu einem Außendurchmesser D_20,t. 7 zeigt nun eine Ausführungsform der Turbine 26 mit dem ersten Austrittsquerschnitt A2 und dem zweiten Austrittsquerschnitt A2'. Ein Verhältnis A2' / A2 zwischen dem zweiten A2 Austrittsquerschnitt A2' und dem ersten Austrittsquerschnitt A2 liegt dabei in einem Bereich von einschließlich 5% (0,05) bis einschließlich 200% (2,0), insbesondere in einem Bereich von einschließlich 5% bis einschließlich 130% (1,3). Das Turbinenrad 28 weist eine Breite b₁ auf, die sich in axialer Richtung erstreckt und über die das Turbinenrad 28 von dem Abgas anströmbar ist. Die Breite b₁, das heißt der Turbinenradeintrittsbereich des Turbinenrads 28 ist nun auf einem Durchmesser D₁ angeordnet, wobei der Durchmesser D₁ geringer ist als der Durchmesser D₁₀ des Turbinenrads 86. Die Breite b₁ steht dabei mit der Breite b₁₀ in folgendem Verhältnis:
Der Durchmesser D₁ steht mit dem Durchmesser D₁₀ in folgendem Verhältnis:
wobei F in einem Bereich von einschließlich 0,5 bis einschließlich 0,95 liegt. Mit anderen Worten gehorcht F der folgenden Beziehung: 0,5 ≤ F ≤ 0,95.
Daraus ergibt sich ein Drehzahl n der Turbine 26 zu:
wobei zur Referenzdrehzahl n₁₀ durch die Durchmesserverkleinerung eine Drehzahlerhöhung stattfindett. Darüber hinaus korreliert das polare Massenträgheitsmoment Φ der Turbine 26 beziehungsweise des Turbinenrads 28 mit dem polaren Trägheitsmoment Φ₀ der Standard-Radialturbine 84 beziehungsweise des Turbinenrads 86 wie folgt:
Wie aus 7 ferner erkennbar ist, erstreckt sich der zweite Austrittsquerschnitt A2' von einem Innendurchmesser D_S zu dem Durchmesser D₁ in radialer Richtung.
Bei dem Vergleich der Standard-Radialturbine 84 mit der Turbine 26 soll der mögliche Grenzfall des minimalen Durchmessers D₁ unter vergleichbaren Randbedingungen abgebildet werden, wobei der jeweilige Durchmesser D₁ beziehungsweise D₁₀ der sogenannte Radeintrittsdurchmesser ist, auf dem der Eintrittsbereich angeordnet ist. Die genannten Randbedingungen umfassen insbesondere den gleichen maximalen Turbinenmassenstrom, das heißt gleiche Ablaseraten zur Standard-Radialturbine 84 im Nennpunkt der Verbrennungskraftmaschine. Darüber hinaus umfassen die vergleichbaren Randbedingungen gleiche Drücke p3 und gleiche Temperaturen T3 stromauf der jeweiligen Turbine (Standard-Radialturbine 84 beziehungsweise Turbine 26).
Während die Standard-Radialturbine 84 den gesamten Abgasmassenstrom durch den Austrittsquerschnitt A₂₀ strömen lässt, kann bei der Turbine 26 bei Bedarf der zweite Austrittsquerschnitt A2' geöffnet werden, wobei trotz der Reduzierung des Durchmessers D₁₀ auf den Durchmesser D₁ eine sehr hohe Schluckfähigkeit beibehalten werden kann, da das Abgas nicht nur über den ersten Austrittsquerschnitt A2, sondern auch über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' abströmen kann. Die Turbine 26 hat in der Schließstellung des Stellelements 42, dessen axiale Bewegbarkeit in 7 durch einen Doppelpfeil dargestellt ist, gegenüber der Standard-Radialturbine 84 einen deutlich geringeren Austrittsquerschnitt für das Abgas, was neben der polaren Trägheitsmomentenreduktion durch die geschilderte Durchmesserabsenkung hinsichtlich der Agilitätssteigerung auch zu einer starken Wirkungsgradanhebung insbesondere im Low-End-Torque-Bereich und der Rotorbeschleunigung durch die Reaktionsgradbegünstigung beiträgt.
Die Dimensionierung des zweiten Austrittsquerschnitts A2' erfolgt beispielsweise durch die Festlegung des Durchmessers D_S, welcher auch als Scheibendurchmesser bezeichnet wird. Der Scheibendurchmesser ist bis zum Radeintrittsdurchmesser (Durchmesser D₁) maßgebend und somit maßgeblich mitverantwortlich für den zu definierenden Betrag des zweiten Austrittsquerschnitts A2'.
Bei F handelt es sich um eine Geometriekonstante, welche Informationen zu Proportionalitäten der Quadrate der Durchmesserverhältnisse der Hauptgrößen

und den Schaufelwinkeln β₂ und β₂' mit den Blockage-Faktoren der Radaustrittsquerschnitte der Beschaufelung. Für eine vorteilhafte und optimale Dimensionierung der Hauptabmessungen des Turbinenrads 28 ausgehend von dem Turbinenrad 86 der Standard-Radialturbine 84 liegt die Geometrie-Konstante F vorzugsweise im Bereich von einschließlich 0,5 bis einschließlich 0,95.
Mit der Durchmesserreduzierung von D₁₀ auf D₁ ergibt sich eine Steigerung der spezifischen Drehzahl:
Ferner ergibt sich die Abnahme des spezifischen Durchmessers:
Ferner werden auch die absoluten Drehzahlen des Abgasturboladers unter Berücksichtigung einer geeigneten Verdichterdurchmesser-Reduktion des Rotors 37 über das umgekehrte Durchmesser-Skalierungsverhältnis
angehoben, was für die Rotorlagerung bedeutend ist.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Ansaugtrakt
14: Verdichter
16: Abgasturbolader
18, 18': Verdichterrad
19, 19': Radrücken
20: Ladeluftkühler
21: Aktor
22: Drosselklappe
23: Aktor
24: Abgastrakt
25: Recheneinrichtung
26: Turbine
28: Turbinenrad
30: Welle
32: Eintrittselement
34: erster Turbinenradaustrittsbereich
35: Lagergehäuse
36: zweiter Turbinenradaustrittsbereich
37: Rotor
38: erste Seite
40: zweite Seite
42, 42: Stellelement
43: Radsegment
44: Laufradschaufel
46: Richtungspfeil
48: Drehachse
50: Sammelraum
52: Zunge
54: Ring
56: Kulissenstift
57: Schaufelfront
58: Axialnut
59: Schaufelfront
60: Kulissennut
61: Turbinengehäuse
62: Ringelement
63: Zuführkanal
64: Ringelement
66: Durchgangsöffnungen
68: Richtungspfeil
70: Splitbeschaufelung
72: Laufradschaufel
74: Diagramm
76: Abszisse
78: Ordinate
80: Gerade
82: Richtungspfeil
84: Standard-Radialturbine
86: Turbinenrad
90: Abblasevorrichtung
A2: erster Austrittsquerschnitt
A2': zweiter Austrittsquerschnitt
A22: Gesamtfläche
E: Eintrittsbereich
U: Richtungspfeil
β₂: Radaustrittswinkel
β_2': Radaustrittswinkel
b₁₀: Breite
b₁: Breite
D₁₀: Durchmesser
D_20,N: Innendurchmesser
D_20,t: Außendurchmesser
A₂₀: Austrittsquerschnitt
D_S: Durchmesser
D_2,N: Innendurchmesser
D_2,t: Außendurchmesser
D₁: Durchmesser
D_{1 Spez}: Durchmesser
D_10-Spez: Durchmesser
F: Faktor
N: Drehzahl

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

DE 102008063656 A1 [0006]
DE 102006058102 A1 [0007]
DE 102007036937 A1 [0007]
WO 2010/069301 A2 [0008]

Claims

Turbine (26) für einen Abgasturbolader (16) einer Verbrennungskraftmaschine (10), mit einem um eine Drehachse (48) drehbaren und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) um die Drehachse (48) antreibbaren Turbinenrad (28), welches einen Turbinenradaustrittsbereich (34) mit einem Austrittsquerschnitt (A2) für das Abgas aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (28) einen zweiten Turbinenradaustrittsbereich (36) mit einem dem Austrittsquerschnitt (A2) in axialer Richtung gegenüberliegenden zweiten Austrittsquerschnitt (A2') für das Abgas aufweist, wobei ein Verhältnis (A2'/A2) zwischen dem zweiten Austrittsquerschnitt (A2') und dem ersten Austrittsquerschnitt (A2) in einem Bereich von einschließlich 0,05 bis einschließlich 2,0 liegt.
Turbine (26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Turbine mit dem Verhältnis (A2'/A2) gleich null einen Turbineneintrittsdurchmesser D₁₀ und eine Durchsatzkapazität als Referenz für die Turbine (26) besitzt, die in Abhängigkeit zum zweiten Austrittsquerschnitt (A2') bei gleicher Durchsatzkapazität einen reduzierten Turbinenradeintrittsdurchmesser D1 ermittelbar nach dem Zusammenhang D₁/D₁₀ = sqrt(F/(F + (1 – (D_s/D₁)² aufweist, wobei für Faktor F ein Bereich von 0.5 ≤ F ≤ 0.95 gilt.
Turbine (26) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Stellelement (42) vorgesehen ist, mittels welchem eine das Turbinenrad (26) über den zweiten Austrittsquerschnitt (A2') abströmende Menge des Abgases einstellbar ist.
Turbine (26) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (42) innerhalb wenigstens eines Gehäuseelements (61) des Abgasturboladers, insbesondere innerhalb eines Turbinengehäuses (61), angeordnet ist.
Turbine (26) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Stellelement (42') zum Einstellen der das Turbinenrad (28) über den zweiten Austrittsquerschnitt (A2') abströmenden Menge des Abgases vorgesehen ist, welches außerhalb des Turbinengehäuses (61) angeordnet ist.
Turbine (26) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens ein Stellelement (42, 42') in axialer Richtung relativ zum Turbinengehäuse (61) bewegbar ist.
Turbine (26) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Abblasevorrichtung (90) parallel durchströmbar zum ersten Austrittsquerschnitt (A2) angeordnet ist.
Turbine (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Eintrittsstellelement (32) vorgesehen ist, mittels welchem ein stromauf des Turbinenrads (28) angeordneter und von dem Turbinenrad (28) zuzuführendem Abgas durchströmbarer Eintrittsquerschnitt einstellbar ist.
Turbine (26) nach Anspruch 7 in dessen Rückbezug auf einen der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Eintrittselement (32) und das wenigstens eine Stellelement (42) über eine Kopplungseinrichtung (56, 60) miteinander gekoppelt sind.
Turbine (26) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinrichtung (56, 60) dazu ausgelegt ist, dass das Eintrittselement (32) in einem ersten Teilbereich seines Verstellbereichs unabhängig vom wenigstens einen Stellelement (42) und in einem zweiten Teilbereich des Verstellbereichs zusammen mit dem wenigstens einen Stellelement (42) bewegbar ist.
Turbine (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (28) erste Laufradschaufeln (44), welche beiden Austrittsquerschnitten (A2, A2') zugeordnet sind, und zweite Laufradschaufeln (72), welche bezogen auf die Austrittsquerschnitte (A2, A2') lediglich dem zweiten Austrittsquerschnitt (A2') zugeordnet sind, aufweist.