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Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eine solche Turbine für einen Abgasturbolader ist beispielsweise der
DE 28 24 401 C2 als bekannt zu entnehmen. Die Turbine umfasst ein von Abgas antreibbares Turbinenrad sowie ein Turbinengehäuse, in welchem das Turbinenrad angeordnet ist. Das Turbinengehäuse weist einen Austrittsbereich auf, welcher von dem Turbinenrad abströmendem Abgas durchströmbar ist. Mit anderen Worten kann Abgas, welches das Turbinenrad anströmt und dadurch antreibt, von dem Turbinenrad ab- und in den Austrittsbereich einströmen und den Austrittsbereich durchströmen. Anschließend wird das Abgas beispielsweise mittels einer Abgasverrohrung zu einer Abgasnachbehandlungseinrichtung geführt.
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Die Turbine umfasst auch wenigstens einen Umgehungskanal, welcher wenigstens eine stromauf des Turbinenrads angeordnete Abblaseöffnung aufweist. Mittels der Abblaseöffnung ist Abgas stromauf des Turbinenrads abzweigbar. Das etwaig mittels der Abblaseöffnung und dem Umgehungskanal abgezweigte Abgas umgeht das Turbinenrad. Dies bedeutet, dass das abgezweigte und das Turbinenrad umgehende Abgas das Turbinenrad nicht antreibt, sondern an dem Turbinenrad vorbeigeführt wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass das abgezweigte und das Turbinenrad umgehende Abgas sowie das Abgas, welches das Turbinenrad abströmt und den Austrittsbereich durchströmt, vermischt werden und mittels der Abgasverrohrung zur Abgasnachbehandlungseinrichtung geführt werden.
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Darüber hinaus umfasst die Turbine wenigstens ein Ventilelement, mittels welchem eine Menge des abzuzweigenden und das Turbinenrad über die Abblaseöffnung und den Umgehungskanal zu umgehenden Abgases einstellbar ist. Mit anderen Worten ist beispielsweise wenigstens ein von dem abgezweigten Abgas durchströmbarer Strömungsquerschnitt des Umgehungskanals mittels des Ventilelements einstellbar, so dass die abzuzweigende Menge eingestellt werden kann.
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Der Umgehungskanal wird üblicherweise auch als „Wastegate”, als „Wastegate-Kanal” oder als „Bypass” bezeichnet, da zumindest ein Teil des Abgases mittels des Umgehungskanals an dem Turbinenrad vorbeigeleitet werden kann. Durch Einstellen der Menge des den Umgehungskanal durchströmenden Abgases kann somit auch eine Menge des das Turbinenrad antreibenden Abgases eingestellt werden. Hierdurch kann die Leistung der Turbine bedarfsgerecht eingestellt werden.
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Üblicherweise umfasst der Abgasturbolader einen Verdichter, der von der Turbine antreibbar ist. Der Verdichter dient zum Verdichten von Luft auf einen Ladedruck, wobei beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine mit der verdichteten Luft versorgt werden kann. Hierdurch kann ein effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine dargestellt werden, da im Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltene Energie zum Antreiben der Turbine und somit zum Verdichten der Luft genutzt werden kann. Durch das geschilderte Einstellen der Leistung der Turbine kann auch der Ladedruck eingestellt, insbesondere begrenzt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Turbine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders kraftstoffverbrauchs- und emissionsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine auf bauraum-, gewichts- und kostengünstige Weise realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Turbine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, mittels welcher sich ein besonders kraftstoffverbrauchs- und emissionsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine auf kosten-, gewichts- und bauraumgünstige Weise realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass mittels des Ventilelements ein von dem das Turbinenrad abströmenden Abgas durchströmbarer und in dem Austrittsbereich angeordneter Strömungsquerschnitt einstellbar ist. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, das Ventilelement nicht nur zum Einstellen der Menge des den Umgehungskanal durchströmenden Abgases, sondern auch zum Einstellen des Strömungsquerschnitts im Austrittsbereich zu verwenden.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Ventilelement zwischen einer zumindest einen Teilbereich des Strömungsquerschnitts fluidisch versperrenden Schließstellung und wenigstens einer den Teilbereich freigebenden Offenstellung verstellbar ist, wobei der Umgehungskanal in der Schließstellung freigegeben ist. Dieser Ausführungsform liegt die Idee zugrunde, den Austrittsbereich zumindest teilweise und vorzugsweise zumindest überwiegend zu versperren und gleichzeitig den Umgehungskanal freizugeben. Hierdurch ist nicht nur eine Umblasung des Turbinenrads und somit eine Abblasung von Abgas ermöglicht, sondern auch ein zumindest weitgehendes Versperren des Austrittsbereichs. Dadurch kann eine effektive Wandoberfläche der Hauptströmung des Abgases besonders gering gehalten werden, wodurch eine besonders hohe Temperatur des Abgases erreicht werden kann.
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Das Bewirken dieser hohen Abgastemperatur ist dabei insbesondere während einer sogenannten Warmlaufphase nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine vorteilhaft, um beispielsweise die Warmlaufphase besonders kurz zu halten und insbesondere wenigstens eine in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung schnell, das heißt in kurzer Zeit aufzuwärmen und dadurch auf Betriebstemperatur zu bringen. Hat die Abgasnachbehandlungseinrichtung ihre Betriebstemperatur erreicht, so kann sie das Abgas besonders effektiv und effizient nachbehandeln. Hierdurch können die Emissionen der Verbrennungskraftmaschine gering gehalten werden. Ferner ist es möglich, einen besonders geringen Kraftstoffverbrauch und somit geringe CO2-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine zu realisieren, da ihre Warmlaufphase besonders kurz gehalten werden kann.
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Die Fähigkeit, die Abgasnachbehandlungseinrichtung durch das Abgas zu erwärmen und auf Betriebstemperatur zu bringen, wird auch als „Ansprechverhalten” bezeichnet. Dadurch, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung mittels der Turbine besonders schnell aufgeheizt und auf Betriebstemperatur gebracht werden kann, kann ein besonders schnelles Ansprechverhalten infolge einer besonders schnellen Aufwärmung erreicht werden. Ein schnelles Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung und somit eine nur sehr geringe Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine wirkt sich, insbesondere in Testzyklen, besonders positiv auf die Emissionen und den Kraftstoffverbrauch aus.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Verbrennungskraftmaschinen für Kraftwagen zunehmend nach dem sogenannten Downsizing-Prinzip ausgestaltet werden.
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Hierbei weist die Verbrennungskraftmaschine ein nur geringes Hubvolumen auf. Um dennoch hohe Leistungen und Drehmomente bereitstellen zu können, wird die Verbrennungskraftmaschine mittels des Abgasturboladers stark aufgeladen. Dies bedeutet, dass der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft mittels des Abgasturboladers stark verdichtet wird. Um eine vorteilhafte Fahrbarkeit der Verbrennungskraftmaschine zu realisieren, wird angestrebt, besonders hohe Ladedrücke bereits bei niedrigen Abgasmassenströmen und gleichzeitig gute Aufladewirkungsgrade bei hohen Abgasdurchsätzen zu realisieren. Somit nimmt der Wirkungsgrad moderner Verbrennungskraftmaschinen stetig zu. Dies geht jedoch damit einher, dass die Temperatur des Abgases während der Warmlaufphase herkömmlicherweise nur sehr langsam ansteigt.
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Mittels der erfindungsgemäßen Turbine ist es nun jedoch möglich, die Temperatur des Abgases besonders schnell, das heißt in kurzer Zeit zu erhöhen und damit auch die Abgasnachbehandlungseinrichtung in nur kurzer Zeit aufzuwärmen.
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Da das Ventilelement sowohl zum Einstellen der Menge des das Turbinenrad umgehenden Abgases als auch zum Einstellen des Strömungsquerschnitts im Austrittsbereich verwendet wird, kann die hohe Temperatur des Abgases mit einer nur sehr geringen Teileanzahl und somit gewichts-, bauraum- und kostengünstig realisiert werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer in einem Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Turbine eines Abgasturboladers, mit einem Ventilelement zum Einstellen einer Menge eines ein Turbinenrad der Turbine umgehenden Abgases, wobei mittels des Ventilelements auch ein in einem Austrittsbereich der Turbine von Abgas durchströmbarer Strömungsquerschnitt einstellbar ist;
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2 ausschnittsweise eine schematische und geschnittene Vorderansicht der Turbine, wobei sich das Ventilelement in einer ersten Stellung befindet; und
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3 ausschnittsweise eine weitere schematische und geschnittene Vorderansicht der Turbine, wobei sich das Ventilelement in einer zweiten Stellung befindet.
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1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Turbine eines Abgasturboladers. Die Turbine 10 ist in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet, wobei die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist und zum Antreiben eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, dient. Der Abgasturbolader umfasst einen Verdichter mit einem Verdichterrad zum Verdichten von Luft. Brennräume in Form von Zylindern der Verbrennungskraftmaschine werden mit dieser verdichteten Luft versorgt, so dass die Verbrennungskraftmaschine mit einem kleinen Hubvolumen ausgestaltet werden kann. Durch die Versorgung der Verbrennungskraftmaschine mit verdichteter Luft sind dennoch hohe Leistungen und Drehmomente darstellbar.
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Die Turbine 10 umfasst ein Turbinengehäuse 12, welches zumindest einen Abgaskanal in Form eines Zuführkanals 14 aufweist. Der Zuführkanal 14 ist beispielsweise als Spiralkanal ausgebildet. Das Turbinengehäuse 12 weist einen Aufnahmeraum 16 auf, in welchem ein Turbinenrad 18 der Turbine 10 angeordnet ist. Das Turbinenrad 18 ist mit einer in 1 ausschnittsweise erkennbaren Welle 20 des Abgasturboladers drehfest verbunden.
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Der Abgastrakt umfasst eine Abgasverrohrung 22 zum Führen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine. Der Zuführkanal 14 ist dabei fluidisch mit der Abgasverrohrung 22 verbunden, so dass – wie in 1 durch Richtungspfeile angedeutet ist – die Abgasverrohrung 22 durchströmendes Abgas zum Zuführkanal 14 geleitet und durch diesen hindurchströmen kann. Mittels des Zuführkanals 14 wird das den Zuführkanal 14 durchströmende Abgas zum Turbinenrad 18 geleitet, so dass das Turbinenrad 18 von dem Abgas angetrieben werden kann. Das Turbinenrad 18 ist über die Welle 20 an einem Lagergehäuse des Abgasturboladers um eine Drehachse 24 relativ zu dem Turbinengehäuse 12 drehbar gelagert. Auch das Verdichterrad ist mit der Welle 20 drehfest verbunden, so dass das Verdichterrad von dem Turbinenrad 18 angetrieben werden kann.
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Aus 1 ist erkennbar, dass das Turbinengehäuse 12 einen Austrittsbereich 26 aufweist. Der Austrittsbereich 26 wird auch als „Turbinenradaustritt” bezeichnet und ist von Abgas, das das Turbinenrad 18 angetrieben hat und vom Turbinenrad 18 abströmt, durchströmbar. Mit anderen Worten wird das das Turbinenrad 18 antreibende Abgas über den Austrittsbereich 26 vom Turbinenrad 18 abgeführt.
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Die Turbine 10 weist auch einen Umgehungskanal 28 auf. Der Umgehungskanal 28 ist beispielsweise im Turbinengehäuse 12 angeordnet. Alternativ kann der Umgehungskanal 28 durch die separat vom Turbinengehäuse 12 ausgebildete und fluidisch mit dem Zuführkanal 14 verbundene Abgasverrohrung 22 gebildet sein.
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Der Umgehungskanal 28, welcher auch als „Bypass” bezeichnet wird, weist eine Abblaseöffnung 30 auf, welche – wie aus 1 erkennbar ist – in Strömungsrichtung des Abgases stromauf des Turbinenrads 18 angeordnet ist. Über die Abblaseöffnung 30 ist der Umgehungskanal 28 fluidisch mit der Abgasverrohrung 22 verbunden.
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Die Turbine 10 umfasst darüber hinaus ein Ventilelement 32, welches um eine Schwenkachse 34 relativ zum Turbinengehäuse 12 verschwenkbar ist. Das Ventilelement 32 ist somit relativ zum Turbinengehäuse 12 bewegbar.
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Mittels des Umgehungskanals 28 und der Abblaseöffnung 30 ist Abgas stromauf des Turbinenrads 18 aus der Abgasverrohrung 22 oder aus dem Turbinengehäuse 12 abzweigbar. Das Ventilelement 32 dient dabei dazu, eine Menge des abzuzweigenden und das Turbinenrad über die Abblaseöffnung 30 und den Umgehungskanal 28 umgehenden Abgases einzustellen. Das Ventilelement 32 ist dabei zwischen einer Offenstellung und wenigstens einer Schließstellung verstellbar, insbesondere verschwenkbar. In 1 ist die Offenstellung mit durchgezogenen Linien und mit O bezeichnet, wobei die Schließstellung mit gestrichelten Linien dargestellt und mit S bezeichnet ist. In der Offenstellung ist der Umgehungskanal 28 mittels des Ventilelements 32 fluidisch versperrt, so dass der Umgehungskanal 28 nicht von Abgas durchströmt werden kann. Demzufolge wird in der Offenstellung O kein Abgas über die Abblaseöffnung 30 abgezweigt.
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Darüber hinaus wird das Ventilelement 32 dazu verwendet, einen von dem das Turbinenrad 18 abströmenden Abgas durchströmbaren und in dem Austrittsbereich 26 angeordneten Strömungsquerschnitt einzustellen. Dieser Strömungsquerschnitt ist in der Offenstellung O freigegeben.
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2 zeigt die Turbine 10 in einer geschnittenen Vorderansicht, wobei sich das Ventilelement 32 in seiner Offenstellung O befindet.
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3 zeigt die Turbine 10, wobei sich das Ventilelement 32 in seiner Schließstellung S befindet. In der Schließstellung ist zumindest ein überwiegender Teil des im Austrittsbereich 26 angeordneten Strömungsquerschnitts fluidisch versperrt, wobei der Umgehungskanal 28 freigegeben ist. Dies bedeutet, dass Abgas aus der Abgasverrohrung 22 oder aus dem Turbinengehäuse 12 stromauf des Turbinenrads 18 über den Umgehungskanal 28 und die Abblaseöffnung 30 abgezweigt wird, wobei kein oder eine nur sehr geringe Menge an Abgas den Strömungsquerschnitt beziehungsweise den Austrittsbereich 26 durchströmen kann.
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Durch dieses gleichzeitige Freigeben des Umgehungskanals 28 und das zumindest weitgehende Versperren des Turbinenradaustritts wird nicht nur eine Umgehung oder Umblasung des Turbinenrads 18 ermöglicht, sondern der Turbinenradaustritt wird auch zumindest weitgehend versperrt. Somit wird eine effektive Wandoberfläche der Hauptströmung besonders gering gehalten und ein besonders schnelles Ansprechverhalten einer Abgasanlage beziehungsweise einer im Abgastrakt angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung kann durch eine schnelle Aufwärmung erreicht werden.
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Mit anderen Worten kann durch das Freigeben des Umgehungskanals 28 und das Versperren des Turbinenradaustritts eine besonders hohe Temperatur des Abgases eingestellt werden. Mittels dieser hohen Temperatur kann die Abgasnachbehandlungseinrichtung besonders schnell, das heißt in besonders kurzer Zeit aufgewärmt und somit auf Betriebstemperatur gebracht werden, so dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung das Abgas effektiv und effizient nachbehandeln kann. Dadurch lässt sich die Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine, welche beispielsweise als Ottomotor ausgebildet ist, besonders gering halten, so dass ein besonders kraftstoffverbrauchs- und emissionsarmer Betrieb mit nur geringen CO2-Emissionen realisiert werden kann. Da das Ventilelement 32 sowohl zum Einstellen der Menge des den Umgehungskanal 28 durchströmenden Abgases als auch zum Einstellen des Strömungsquerschnitts im Turbinenradaustritt verwendet wird, lässt sich die hohe Temperatur des Abgases mit einer nur sehr geringen Teileanzahl und somit bauraum-, gewichts- und kostengünstig realisieren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Turbine
- 12
- Turbinengehäuse
- 14
- Zuführkanal
- 16
- Aufnahmeraum
- 18
- Turbinenrad
- 20
- Welle
- 22
- Abgasverrohrung
- 24
- Drehachse
- 26
- Austrittsbereich
- 28
- Umgehungskanal
- 30
- Abblaseöffnung
- 32
- Ventilelement
- 34
- Schwenkachse
- O
- Offenstellung
- S
- Schließstellung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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