DE102013219329B4 - Turbine arrangement for an internal combustion engine and chargeable internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Turbinenanordnung (10) für eine Brennkraftmaschine (12), mit wenigstens einer Fluidleitung (14), einer in der Fluidleitung (14) angeordneten Turbine (16) und einer Umgehungsleitung (18), welche von der Fluidleitung (14) stromauf der Turbine (16) abzweigt und in die Fluidleitung (14) stromab der Turbine (16) mündet, wobei sich eine Einmündungsstelle (40) der Umgehungsleitung (18) nur über einen Azimutalwinkelbereich (42) der Fluidleitung (14) erstreckt und die Fluidleitung (14) in Richtung stromab der Turbine (16) eine unstetige Öffnungsrate im Azimutalwinkelbereich (42) der Einmündungsstelle (40) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Austrittsdiffusor (44) stromab der Turbine (16) in der Fluidleitung (14) angeordnet ist, wobei der Austrittsdiffusor (44) einen Nabenkörper (46) umfasst und die Einmündungsstelle (40) der Umgehungsleitung (18) im Bereich des Nabenkörpers (46) liegt, und wobei der Nabenkörper (46) zwei profilierte Streben (48) aufweist, welche sich im Wesentlichen im Winkelsektor des Azimutalwinkelbereichs (42) der Fluidleitung (14), in welchem sich die Einmündungsstelle (40) befindet, in Richtung Innenwand der Fluidleitung (14) erstrecken.Turbine arrangement (10) for an internal combustion engine (12), having at least one fluid line (14), a turbine (16) arranged in the fluid line (14) and a bypass line (18) which is connected from the fluid line (14) upstream of the turbine (16 ) branches off and opens into the fluid line (14) downstream of the turbine (16), with a junction point (40) of the bypass line (18) extending only over an azimuthal angular range (42) of the fluid line (14) and the fluid line (14) in the direction downstream of the turbine (16) has a discontinuous opening rate in the azimuthal angle range (42) of the junction (40), characterized in that an outlet diffuser (44) is arranged downstream of the turbine (16) in the fluid line (14), the outlet diffuser (44 ) comprises a hub body (46) and the junction (40) of the bypass line (18) is in the area of the hub body (46), and wherein the hub body (46) has two profiled struts (48) which are essentially in the W Angle sector of the azimuthal angle range (42) of the fluid line (14), in which the junction point (40) is located, towards the inner wall of the fluid line (14).

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenanordnung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft des Weiteren eine aufladbare Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.The invention relates to a turbine arrangement for an internal combustion engine having the features according to the preamble of claim 1. It also relates to a chargeable internal combustion engine having the features according to the preamble of claim 7.

Es ist verbreitet, einen Austrittsdiffusor stromab einer Turbine, insbesondere einer Turboladerturbine, für eine Brennkraftmaschine, anzuordnen, um die kinetische Energie der Abströmung von der Turbine möglichst maximal in statische Druckenergie umzuwandeln. Die damit erreichte Absenkung des statischen Druckniveaus am Austritt der Turbine hat eine entsprechende Steigerung der Gasexpansion in der Turbinenstufe und damit eine Verbesserung des Wirkungsgrades zur Folge. Eine Umwandlung der kinetischen Energie wird allerdings aufgrund verschiedener Umstände erschwert: Das Strömungsfeld der Abströmung von der Turbine ist häufig inhomogen. Auch weisen Turbinen, insbesondere Turboladerturbinen, verbreitet einen hochdynamischen Arbeitsbereich auf, in welchem stark variierende Bedingungen der Zuströmung und Abströmung an die Turbine herrschen. Insbesondere wirken serienmäßige Turboladerturbinengehäuse wie Stoßdiffusoren, so dass der Wirkungsgrad leidet.It is common practice to arrange an outlet diffuser downstream of a turbine, in particular a turbocharger turbine, for an internal combustion engine in order to convert the kinetic energy of the outflow from the turbine into static pressure energy as much as possible. The resulting reduction in the static pressure level at the outlet of the turbine results in a corresponding increase in gas expansion in the turbine stage and thus an improvement in efficiency. However, conversion of the kinetic energy is made more difficult due to various circumstances: The flow field of the outflow from the turbine is often inhomogeneous. Turbines, in particular turbocharger turbines, also have a highly dynamic working range in which widely varying conditions of inflow and outflow to the turbine prevail. In particular, standard turbocharger turbine housings act like shock diffusers, so efficiency suffers.

Eine Klasse von Turbinen wird darüber hinaus mit einer Umgehungsleitung, häufig als Wastegate-Leitung bezeichnet, betrieben, welche stromab der Turbine mündet. Der an der Turbine, beispielsweise aufgrund der Wastegate-Ladedruckregelung bei einer Turboladerturbine, vorbeigeführte Abgasmassenstrom muss mit dem expandierten Gas der Abströmung hinter der Turbine zusammengeführt werden. Diese Zusammenführung verursacht bei den geläufig zum Einsatz gelangenden Austrittsgehäusen einen nicht unerheblichen Störeinfluss auf die Abströmung von der Turbine.One class of turbines is also operated with a bypass line, often referred to as a wastegate line, which opens downstream of the turbine. The exhaust gas mass flow that bypasses the turbine, for example due to the wastegate boost pressure control in a turbocharger turbine, must be combined with the expanded gas of the outflow behind the turbine. With the outlet housings that are commonly used, this combination causes a not inconsiderable disruptive influence on the outflow from the turbine.

Im Dokument DE 197 08 000 A1 wird ein Turbolader in einem Gehäuse mit einer Umgehungsleitung der Turbine beschrieben. Die Turbine weist eine Spiralabströmung auf. Der Turbine ist ein ringförmiges Düsenelement als Austrittsdiffusor nachgeordnet, welches am Gehäuse befestigt ist. Die Umgehungsleitung umfasst eine Spiralrillenpassage, die um die äußere Umfangsoberfläche des Düsenelements gebildet ist, und wird an der äußeren Umfangsoberfläche vorbeigeführt. Dem durch die Umgehungsleitung geführten Abgasmassenstrom wird in der Folge eine Spiralströmung aufgeprägt, welche dieselbe Drehrichtung wie die Spiralabströmung der Turbine aufweist. In Konsequenz wird eine Störung der Abströmung durch den die Turbine umgehenden Abgasmassenstrom verringert.In the document DE 197 08 000 A1 describes a turbocharger in a housing with a bypass of the turbine. The turbine has a spiral exhaust. An annular nozzle element is arranged downstream of the turbine as an outlet diffuser, which is fastened to the housing. The bypass includes a spiral groove passage formed around the outer peripheral surface of the nozzle member and is guided past the outer peripheral surface. As a result, a spiral flow is imposed on the exhaust gas mass flow guided through the bypass line, which has the same direction of rotation as the spiral outflow of the turbine. As a consequence, a disturbance in the outflow caused by the exhaust gas mass flow bypassing the turbine is reduced.

Aus der DE 31 01 131 A1 ist ein Verfahren zur Wirkungsgradverbesserung eines Abgasturboladers bekannt. Dabei wird der abgeblasene Bypassmassenstrom mit Hilfe einer Ejektordüse entspannt und in den Abgasmassenstrom so eingeleitet, dass der Gegendruck hinter der Turbine verringert wird. Zu diesem Zweck ist die Mündung des Bypasskanals in den Abgaskanal als Ejektordüse ausgebildet, welche den Bypassmassenstrom etwa parallel oder unter einem spitzen Winkel bis zu maximal etwa 30° in den Abgasmassenstrom der Turbine einleitet.From the DE 31 01 131 A1 a method for improving the efficiency of an exhaust gas turbocharger is known. The bypass mass flow that is blown off is expanded with the help of an ejector nozzle and fed into the exhaust gas mass flow in such a way that the back pressure behind the turbine is reduced. For this purpose, the opening of the bypass duct into the exhaust gas duct is designed as an ejector nozzle, which introduces the bypass mass flow approximately parallel or at an acute angle of up to a maximum of approximately 30° into the exhaust gas mass flow of the turbine.

Die DE 102 60 778 A1 beschreibt einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit einem Verdichter im Ansaugtrakt und einer Abgasturbine im Abgasstrang. Dabei besitzt die Abgasturbine in einem Turbinengehäuse einen Abgassammelraum, dessen Abgas dem Turbinenrad über einen Turbineneintrittsquerschnitt zuführbar ist. Weiterhin ist ein den Turbineneintrittsquerschnitt überbrückender, den Abgassammelraum mit einem Austrittsbereich der Abgasturbine verbindender Abgas-Bypass vorgesehen. Die Abgasturbine bildet eine Pumpe für eine Gasfördereinrichtung, wobei eine der Gasfördereinrichtung zugeordnete Gasförderleitung in den Abgas-Bypass mündet.the DE 102 60 778 A1 describes an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine with a compressor in the intake system and an exhaust gas turbine in the exhaust system. In this case, the exhaust gas turbine has an exhaust gas collection chamber in a turbine housing, the exhaust gas of which can be fed to the turbine wheel via a turbine inlet cross section. Furthermore, an exhaust gas bypass is provided that bridges the turbine inlet cross section and connects the exhaust gas collection chamber to an outlet area of the exhaust gas turbine. The exhaust gas turbine forms a pump for a gas delivery device, with a gas delivery line assigned to the gas delivery device opening into the exhaust gas bypass.

Aus der DE 10 2007 017 843 A1 ist eine Turboladeranordnung mit einem Gehäuse bekannt, das mit einer Brennkraftmaschine verbindbar ist. Dabei weist die Turboladeranordnung einen ersten Turbolader und einen zweiten Turbolader auf, bestehend jeweils aus wenigstens einem Verdichter und einer Turbine, wobei die beiden Wellen der Turbolader in einer Reihe in Längsrichtung zueinander angeordnet sind und wobei die Verdichter jeweils auf der Außenseite der jeweiligen Welle angeordnet sind und die Turbinen auf der Innenseite der jeweiligen Welle.From the DE 10 2007 017 843 A1 a turbocharger arrangement with a housing which can be connected to an internal combustion engine is known. The turbocharger arrangement has a first turbocharger and a second turbocharger, each consisting of at least one compressor and one turbine, with the two shafts of the turbochargers being arranged in a row in the longitudinal direction of one another and with the compressors each being arranged on the outside of the respective shaft and the turbines on the inside of each shaft.

Ferner ist aus der DE 36 06 944 A1 ein Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse, welches einen Gaseinlass und einen axialen Gasauslasskanal aufweist, bekannt. Dabei mündet eine den Gaseinlass mit dem Gasauslasskanal verbindende Bypassleitung in einer ringförmigen Aussparung in der Wand des Gasauslasskanals. Zur Steuerung der Bypassmenge dient ein ringförmiger Drehschieber, der in der Aussparung angeordnet ist und eine radiale Steueröffnung enthält, die durch Drehen des Drehschiebers mittels eines Betätigungsgestänges mit der Mündung 12 der Bypassleitung 8 in oder außer Deckung gebracht werden kann. Furthermore, from the DE 36 06 944 A1 an exhaust gas turbocharger with a turbine housing, which has a gas inlet and an axial gas outlet channel, is known. A bypass line connecting the gas inlet to the gas outlet channel opens into an annular recess in the wall of the gas outlet channel. A ring-shaped rotary valve is used to control the bypass quantity, which is arranged in the recess and contains a radial control opening which can be brought into or out of alignment with the mouth 12 of the bypass line 8 by rotating the rotary valve by means of an actuating linkage.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Störeinflüsse auf die Abströmung von einer Turbine zu verringern.The object of the present invention is to reduce disruptive influences on the outflow from a turbine.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Turbinenanordnung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.According to the invention, this object is achieved by a turbine arrangement for an internal combustion engine with the features according to claim 1 . Advantageous developments of the invention are characterized in the dependent claims.

Eine erfindungsgemäße Turbinenanordnung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine aufladbare Brennkraftmaschine, weist wenigstens eine Fluidleitung, eine in der Fluidleitung angeordneten Turbine und eine Umgehungsleitung, welche von der Fluidleitung stromauf der Turbine abzweigt und in die Fluidleitung stromab der Turbine mündet, auf. Eine Einmündungsstelle der Umgehungsleitung erstreckt sich nur über einen Azimutalwinkelbereich der Fluidleitung. Die Fluidleitung weist in Richtung stromab der Turbine eine unstetige Öffnungsrate im Azimutalwinkelbereich der Einmündungsstelle auf.A turbine arrangement according to the invention for an internal combustion engine, in particular a chargeable internal combustion engine, has at least one fluid line, a turbine arranged in the fluid line, and a bypass line which branches off from the fluid line upstream of the turbine and opens into the fluid line downstream of the turbine. A junction point of the bypass line only extends over an azimuthal angular range of the fluid line. In the direction downstream of the turbine, the fluid line has a discontinuous opening rate in the azimuthal angle range of the junction point.

Mit der erfindungsgemäßen Ausführung wird eine strömungsgünstige Zusammenführung der Turbinenabströmung und der Umgehungsleitungsströmung weiter stromabwärts des Turbinenaustritts durch eine Unterteilung der Strömungskanals realisiert. Die Unterteilung lässt sich durch den (in Bezug auf die Rotationssymmetrie der Turbine unsymmetrisch ausgeführten Turbinenkanal mit einer unstetigen Öffnungsrate charakterisieren. Anders gesagt, die Fluidleitung öffnet sich sprungartig an oder durch die Einmündungsstelle der Umgehungsleitung in die Fluidleitung. Durch die Unterteilung der Fluidleitung und der Umgehungsleitung werden Störungen der Turbinenabströmung verringert oder verhindert. Durch den reduzierten Strömungswiderstand steigt der Wirkungsgrad, der Druckrückgewinn wird erhöht.With the embodiment according to the invention, a streamlined combination of the turbine outflow and the bypass flow further downstream of the turbine outlet is realized by subdividing the flow channel. The subdivision can be characterized by the turbine channel (which is asymmetrical in relation to the rotational symmetry of the turbine) with a discontinuous opening rate. In other words, the fluid line opens abruptly at or through the junction of the bypass line with the fluid line. By subdividing the fluid line and the bypass line Disturbances of the turbine outflow are reduced or prevented.The reduced flow resistance increases the efficiency and the pressure recovery is increased.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausführung wird die negative Wirkung eines Stoßdiffusors vermieden. Der Wirkungsgrad der Turbine wird weniger in Mitleidenschaft gezogen. Anders gesagt, erfindungsgemäß ist eine Leistungssteigerung eines Austrittsdiffusors ermöglicht. Diese ist besonders im Hinblick auf die bauraumbedingten Anforderungen unter relativ niedriger axialer Baulänge, gerade für Turboladerturbinen von Brennkraftmaschinen, vorteilhaft.Due to the design according to the invention, the negative effect of a shock diffuser is avoided. The efficiency of the turbine is less affected. In other words, according to the invention, an increase in the performance of an outlet diffuser is made possible. This is particularly advantageous with regard to the space-related requirements with a relatively short axial overall length, especially for turbocharger turbines of internal combustion engines.

In besonders vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung weist die Umgehungsleitung an der Einmündungsstelle eine Öffnung mit nichtrotationssymmetrischer Kontur auf. Des Weiteren oder alternativ dazu mündet die Umgehungsleitung in die Fluidleitung in einem spitzen Winkel in Richtung stromab der Turbine. Der Anordnung wird mit einer oder mehrerer dieser Maßnahmen eine dem Strömungsproblem angepasste optimierte Form beziehungsweise Lage gegeben.In particularly advantageous embodiments of the turbine arrangement according to the invention, the bypass line has an opening with a non-rotationally symmetrical contour at the junction point. Furthermore or alternatively, the bypass line opens into the fluid line at an acute angle in the direction downstream of the turbine. With one or more of these measures, the arrangement is given an optimized shape or position adapted to the flow problem.

Auch kann die Fluidleitung von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung wenigstens im Bereich der Einmündungsstelle einen sich in Richtung stromab der Turbine monoton vergrößernden Innenquerschnitt aufweisen. Das zusätzlich für das Fluid zur Verfügung gestellte Volumen erleichtert die gewünschte Umwandlung der kinetischen Energie in statische Druckenergie.The fluid line of embodiments of the turbine arrangement according to the invention can also have an internal cross section that monotonically increases in the direction downstream of the turbine, at least in the region of the junction point. The additional volume made available for the fluid facilitates the desired conversion of kinetic energy into static pressure energy.

Erfindungsgemäß umfasst die Turbinenanordnung für eine Brennkraftmaschine ein Austrittsdiffusor, welcher auch als Austrittsdiffusionsvorrichtung bezeichnet wird: Der Austrittsdiffusor der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung ist stromab der Turbine in der Fluidleitung angeordnet. Dabei umfasst der Austrittsdiffusor einen Nabenkörper und die Einmündungsstelle der Umgehungsleitung liegt im Bereich des Nabenkörpers, insbesondere in der Nähe des Nabenkörpers, in der Wand der Fluidleitung. Ein konkretes Verhältnis des Nabenquerschnitts zum damit gekoppelten Flächenverhältnis ist mit Hilfe von numerischen Berechnungen hinsichtlich einer möglichst großen erzielbaren Druckerhöhung unter stabilem Betriebsverhalten auszulegen.According to the invention, the turbine arrangement for an internal combustion engine includes an outlet diffuser, which is also referred to as an outlet diffusion device: The outlet diffuser of the turbine arrangement according to the invention is arranged downstream of the turbine in the fluid line. The outlet diffuser comprises a hub body and the junction point of the bypass line is in the area of the hub body, in particular in the vicinity of the hub body, in the wall of the fluid line. A specific ratio of the hub cross-section to the area ratio coupled with it is to be designed with the aid of numerical calculations with regard to the greatest possible pressure increase that can be achieved with stable operating behavior.

Erfindungsgemäß weist der Nabenkörper zwei profilierte Streben auf, welche sich in Wesentlichen im Winkelsektor des Azimutalwinkelbereichs, genauer jeweils eine an den Grenzen des Winkelsektors, der Fluidleitung, in welchem sich die Einmündungsstelle befindet, in Richtung Innenwand der Fluidleitung erstrecken.According to the invention, the hub body has two profiled struts which extend essentially in the angle sector of the azimuthal angle range, more precisely one at the limits of the angle sector of the fluid line in which the junction point is located, in the direction of the inner wall of the fluid line.

Des Weiteren kann der Nabenkörper wenigstens im Bereich der Einmündungsstelle einen sich in Richtung stromab der Turbine monoton erweiternden Außenquerschnitt aufweisen. Die Erweiterung kann insbesondere korreliert zum sich in Richtung stromab der Turbine monoton vergrößernden Innenquerschnitt der Fluidleitung erfolgen.Furthermore, the hub body can have an outer cross section that monotonically widens in the direction downstream of the turbine, at least in the area of the confluence point. The widening can in particular be correlated to the internal cross section of the fluid line monotonically increasing in the direction downstream of the turbine.

Aufgrund des erfindungsgemäß unsymmetrischen Turbinenkanals ist der Querschnitt des Nabenkörpers senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (oder Orientierung) der Fluidleitung für die Einhaltung der numerisch ermittelten Geometrie variabel gestaltet.Due to the asymmetrical turbine channel according to the invention, the cross section of the hub body is designed to be variable perpendicular to the main flow direction (or orientation) of the fluid line in order to maintain the numerically determined geometry.

Es ist darüber hinaus oder alternativ dazu vorteilhaft, wenn der Nabenkörper an seiner der Turbine abgewandten Seite eine Abrisskante hat. Auf diese Weise wird die Nachlaufströmung eingegrenzt. Dieses ist besonders vorteilhaft bei Ausführungsformen mit geringer axialer Baulänge.In addition or as an alternative to this, it is advantageous if the hub body has a tear-off edge on its side facing away from the turbine. In this way, the wake flow is limited. This is particularly advantageous in embodiments with a small overall axial length.

Zum Einsatz kann eine erfindungsgemäße Turbinenanordnung mit großem Vorteil bei einer Brennkraftmaschine, konkreter bei einer aufladbaren Brennkraftmaschine, gelangen. Mit anderen Worten, bei einer erfindungsgemäßen Turbinenanordnung für eine Brennkraftmaschine kann die Turbine Teil eines Abgasturboladers sein. Der Abgasturbolader kann insbesondere ein Wastegate-Turbolader sein. Die erfindungsgemäß erreichte Leistungssteigerung kann somit für eine Turbine mit einem hochdynamischen Arbeitsbereich genutzt werden.A turbine arrangement according to the invention can be used with great advantage in an internal combustion engine, more specifically in a chargeable internal combustion engine. In other words, in a turbine arrangement according to the invention for an internal combustion engine, the turbine can be part of an exhaust gas turbocharger. The exhaust gas turbocharger can in particular be a wastegate turbocharger. The increase in output achieved according to the invention can thus be used for a turbine with a highly dynamic working range.

Besonders im Hinblick auf eine möglichst platzsparende Integration ist es vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Turbinenanordnung für eine Brennkraftmaschine in einem Gehäuseteil aufgenommen ist. Anders gesagt, die Turbinenanordnung kann integriert, insbesondere einteilig ausgeführt sein.Particularly with regard to integration that saves as much space as possible, it is advantageous if the turbine arrangement according to the invention for an internal combustion engine is accommodated in a housing part. In other words, the turbine arrangement can be integrated, in particular designed in one piece.

Die Turbine in der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung ist bevorzugt eine Gasturbine.The turbine in the turbine arrangement according to the invention is preferably a gas turbine.

Im Zusammenhang des erfinderischen Gedankens steht auch eine aufladbare Brennkraftmaschine. Eine erfindungsgemäße aufladbare Brennkraftmaschine weist wenigstens eine Turbinenanordnung mit Merkmalen oder Merkmalskombinationen gemäß dieser Darstellung auf. Besonders bevorzugt sind die Ausführungsformen, in welchen die Fluidleitung Teil des Abgasstrangs der aufladbaren Brennkraftmaschine ist.A chargeable internal combustion engine is also related to the inventive idea. A chargeable internal combustion engine according to the invention has at least one turbine arrangement with features or combinations of features according to this illustration. The embodiments in which the fluid line is part of the exhaust line of the chargeable internal combustion engine are particularly preferred.

Die Brennkraftmaschine kann Teil eines Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines schienenlosen Landkraftfahrzeugs, zum Beispiel eines Personenkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs, sein.The internal combustion engine can be part of a drive assembly of a motor vehicle, in particular a trackless land motor vehicle, for example a passenger car or a commercial vehicle.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbinenanordnung in einer Brennkraftmaschine,
  • 2 eine dreidimensionale Ansicht einer vorteilhaften Ausführungsform eines Gehäuseteils der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung mit der Einmündungsstelle der Umgehungsleitung,
  • 3 eine Ansicht der vorteilhaften Ausführungsform der 2 mit Details der Umgehungsleitung,
  • 4 eine Ansicht der vorteilhaften Ausführungsform der 2 aus Richtung stromab der Turbine, und
  • 5 ein Schnittbild entlang der Linie A-A der in der 4 gezeigten Ansicht.
Further advantages and advantageous embodiments and developments of the invention are presented on the basis of the following description with reference to the figures. It shows in detail:
  • 1 a schematic representation of an embodiment of a turbine arrangement according to the invention in an internal combustion engine,
  • 2 a three-dimensional view of an advantageous embodiment of a housing part of the turbine arrangement according to the invention with the confluence point of the bypass line,
  • 3 a view of the advantageous embodiment of FIG 2 with details of the bypass line,
  • 4 a view of the advantageous embodiment of FIG 2 from downstream of the turbine, and
  • 5 a sectional view along the line AA in the 4 shown view.

In der 1 ist schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbinenanordnung 10 in einer aufladbaren Brennkraftmaschine 12 dargestellt. Die Turbinenanordnung 10 umfasst eine Fluidleitung 14, in welcher eine Turbine 16 angeordnet ist, und eine Umgehungsleitung 18, welche von der Fluidleitung 14 stromauf der Turbine 16 abzweigt und in die Fluidleitung 14 stromab der Turbine 16 mündet. Nicht im Detail zeichnerisch dargestellt, ist eine Vorrichtung zur Regelung des Massenstroms durch die Umgehungsleitung 18. Die Turbinenanordnung 10 bildet zusammen mit einem von der Turbine 16 angetriebenen Verdichter 24 einen Abgasturboladers 20 der Brennkraftmaschine 12. Sie befindet sich in einem Gehäuse 22. Alternativ zur zeichnerischen Darstellung kann der Verdichter 24 auch in einem Gehäuse 22 für den gesamten Abgasturbolader 20 aufgenommen sein.In the 1 an embodiment of a turbine arrangement 10 according to the invention in a chargeable internal combustion engine 12 is shown schematically. The turbine arrangement 10 comprises a fluid line 14 in which a turbine 16 is arranged, and a bypass line 18 which branches off from the fluid line 14 upstream of the turbine 16 and opens into the fluid line 14 downstream of the turbine 16 . Not shown in detail in the drawing is a device for controlling the mass flow through the bypass line 18. The turbine assembly 10, together with a compressor 24 driven by the turbine 16, forms an exhaust gas turbocharger 20 of the internal combustion engine 12. It is located in a housing 22. Alternatively to the drawing In the illustration, the compressor 24 can also be accommodated in a housing 22 for the entire exhaust gas turbocharger 20 .

Der Verdichter 24 befindet sich in einem Frischgasstrang 26. Der Verdichter 24 kann in bestimmten Ausführungsformen ebenfalls eine Umgehungsleitung aufweisen. Gegebenenfalls verdichtetes Frischgas wird über ein Saugrohr 28 des Frischgasstrangs 26 dem Motor 30, hier beispielhaft eine Hubkolbenmaschine mit vier Zylindern (durch die Kreise symbolisiert), zugeführt. Der Motor 30 kann aufgeladen betrieben werden. Abgas wird vom Motor 30 der Brennkraftmaschine 12 über einen Abgasstrang 34, konkret zunächst über einen Abgaskrümmer 32 und dann über die Fluidleitung 14 abgeführt. Das Abgas treibt die Turbine 16 der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung 10.The compressor 24 is located in a fresh gas line 26. In certain specific embodiments, the compressor 24 can also have a bypass line. Optionally compressed fresh gas is fed via an intake manifold 28 of the fresh gas line 26 to the engine 30, here by way of example a reciprocating engine with four cylinders (symbolized by the circles). The engine 30 can be operated supercharged. Exhaust gas is discharged from the engine 30 of the internal combustion engine 12 via an exhaust line 34 , specifically first via an exhaust manifold 32 and then via the fluid line 14 . The exhaust gas drives the turbine 16 of the turbine arrangement 10 according to the invention.

Die aufladbare Brennkraftmaschine 12 ist in der in der 1 gezeigten Ausführungsform ein Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeugs.The chargeable internal combustion engine 12 is in the 1 embodiment shown a drive unit of a motor vehicle.

Die 2 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer vorteilhaften Ausführungsform eines Gehäuseteils 38 der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung 10 mit der Einmündungsstelle 40 der Umgehungsleitung 18 in die Fluidleitung 14 stromab der hier nicht zeichnerisch dargestellten Turbine. Die Einmündungsstelle 40 ist nicht vollständig rotationssymmetrisch (nicht 360 Grad Azimutalwinkel) um die Haupterstreckungsrichtung der Fluidleitung 14 herum angeordnet, sondern erstreckt sich nur auf einem Azimutalwinkelsegment, im Azimutalwinkelbereich 42 der Fluidleitung. Dieser Azimutalwinkelbereich 42 hat eine Winkelgröße kleiner als 180 Grad, insbesondere kleiner als 90 Grad, bevorzugt kleiner als 60 Grad. Des Weiteren ist in dieser Ausführungsform ein Austrittsdiffusor 44 im Gehäuseteil 38 angeordnet. Der Austrittsdiffusor 44 umfasst einen Nabenkörper 46, welcher zentral in der Fluidleitung 14 angeordnet ist. Zwei Streben 48 erstrecken sich vom Nabenkörper 46 zur inneren Wand des Gehäuseteils 38. Die Streben 48 verlaufen in etwa in Richtung der Azimutalwinkel der Endpunkte des Azimutalwinkelbereichs 42 der Einmündungsstelle 40 der Umgehungsleitung 18.the 2 shows a three-dimensional view of an advantageous embodiment of a housing part 38 of the turbine arrangement 10 according to the invention with the junction point 40 of the bypass line 18 in the fluid line 14 downstream of the turbine not shown in the drawing here. The junction point 40 is not arranged in a completely rotationally symmetrical manner (not a 360-degree azimuthal angle) around the main extension direction of the fluid line 14, but only extends over an azimuthal angle segment, in the azimuthal angle region 42 of the fluid line. This azimuthal angle range 42 has an angular size of less than 180 degrees, in particular less than 90 degrees, preferably less than 60 degrees. Furthermore, an outlet diffuser 44 is arranged in the housing part 38 in this embodiment. The exit diffuser 44 includes a hub body 46 which is arranged centrally in the fluid line 14 . Two struts 48 extend from the hub body 46 to the inner wall of the housing part 38. The struts 48 run approximately in the direction of the azimuthal angle of the end points of the azimuthal angle range 42 of the junction 40 of the bypass line 18.

Die 3 zeigt Details der Umgehungsleitung 18 der vorteilhaften Ausführungsform der 2. In dieser Darstellung ist erkennbar, dass die Umgehungsleitung 18 unter einem Zuführwinkel 50 an die Fluidleitung 14 gelangt und in diese im Azimutalwinkelbereich 42 mündet. Der Zuführwinkel 50 ist in dieser Ausführungsform ein spitzer Winkel, insbesondere kleiner als 45 Grad, bevorzugt kleiner als 30 Grad. Auf diese Weise werden starke Richtungsänderung der Strömung in der Umgehungsleitung 18 vermieden.the 3 shows details of the bypass line 18 of the advantageous embodiment of FIG 2 . In this illustration it can be seen that the bypass line 18 reaches the fluid line 14 at a feed angle 50 and opens into it in the azimuthal angle area 42 . In this embodiment, the feed angle 50 is an acute angle, in particular less than 45 degrees, preferably less than 30 degrees. In this way, strong changes in direction of the flow in the bypass line 18 are avoided.

In 4 ist eine Ansicht der vorteilhaften Ausführungsform der 2 aus Richtung stromab der Turbine zu sehen. In der Fluidleitung 14, in welche die Umgehungsleitung 18 an der Einmündungsstelle 40 mündet, ist der Nabenkörper 46 mit den zwei Streben 48 gezeigt. Das Gehäuseteil 38 und dessen angesprochene innere Struktur sind spiegelsymmetrisch zur sich senkrecht zum Zeichnungsblatt erstreckende Ebene, in welcher die Linie A-A liegt.In 4 is a view of the advantageous embodiment of FIG 2 seen from downstream of the turbine. The hub body 46 with the two struts 48 is shown in the fluid line 14 into which the bypass line 18 opens at the junction point 40 . The housing part 38 and its internal structure mentioned are mirror-symmetrical to the plane extending perpendicularly to the drawing sheet, in which the line AA lies.

Die 5 ist ein Schnittbild entlang der Linie A-A der in der 4 gezeigten Ansicht. Die Fluidleitung 14 erstreckt sich vom linken Teil der 5 (stromaufwärts) zum rechten Teil der 5 (stromabwärts) im Gehäuseteil 38 mit einem sich monoton vergrößernden Innenquerschnitt von einem ersten Innenquerschnitt 52 zu einem zweiten Innenquerschnitt 54. Der zweite Innenquerschnitt 54 ist deutlich größer als der erste Innenquerschnitt 52. Bevorzugt kann er größer als das 1,5 fache, bevorzugt größer als das 1,8 fache des ersten Innenquerschnitts 52 sein. Diese Aufweitung der Fluidleitung 14 erfolgt auf einer Längsstrecke, die etwa doppelt so groß wie der erste Innenquerschnitt 52 ist. Der Nabenkörper 46 mit den Streben 48 weist ebenfalls einen sich in Richtung stromab der Turbine monoton erweiternden Querschnitt, genauer Außenquerschnitt, auf: Er erweitert sich von einem ersten Außenquerschnitt 56 zu einem zweiten Außenquerschnitt 58. Der zweite Außenquerschnitt 58 ist an der Abrisskante 60 erreicht.the 5 is a sectional view taken along line AA of FIG 4 shown view. The fluid line 14 extends from the left part of the 5 (upstream) to the right part of the 5 (downstream) in the housing part 38 with a monotonously increasing internal cross section from a first internal cross section 52 to a second internal cross section 54. The second internal cross section 54 is significantly larger than the first internal cross section 52. It can preferably be greater than 1.5 times, preferably greater than be 1.8 times the first internal cross-section 52. This widening of the fluid line 14 takes place over a longitudinal section that is approximately twice as large as the first internal cross section 52 . The hub body 46 with the struts 48 also has a cross section, more precisely an outer cross section, that monotonically widens in the direction downstream of the turbine: It widens from a first outer cross section 56 to a second outer cross section 58. The second outer cross section 58 is reached at the tear-off edge 60.

Die Erweiterung des Außenquerschnitts des Nabenkörpers 46 erfolgt im Wesentlichen über dieselbe Längsstrecke der Fluidleitung 14, über welche sich deren Innenquerschnitt erweitert. Darüber hinaus erweitert sich der Außenquerschnitt in dem Maße, wie sich der Innenquerschnitt erweitert. Anders gesagt, der Abstand zwischen der Außenfläche des Nabenkörpers 46 und der Innenfläche des Gehäuseteil 38 bleibt im Wesentlichen konstant über die Längsstrecke der Erweiterung.The widening of the outer cross section of the hub body 46 takes place essentially over the same longitudinal stretch of the fluid line 14 over which its inner cross section is widened. In addition, the outer cross-section expands as the inner cross-section expands. In other words, the distance between the outer surface of the hub body 46 and the inner surface of the shell 38 remains substantially constant over the lengthwise extent of the extension.

Einzige erfindungsgemäße Ausnahme dazu bildet die Einmündungsstelle 40 der Umgehungsleitung 18: Hier weist die Fluidleitung 14 in Richtung stromab der Turbine eine unstetige Öffnungsrate im Azimutalwinkelbereich der Einmündungsstelle 40 auf. Diese Unstetigkeit ist von der sprunghaften Erweiterung an der Sprungstrecke 62 bewirkt. Die Umgehungsleitung 18 mündet in die Fluidleitung 14 in einem spitzen Winkel in Richtung, bevorzugt im Wesentlich parallel zur Richtung der Erstreckung der Fluidleitung 14.The only exception to this according to the invention is the confluence point 40 of the bypass line 18: here the fluid line 14 has a discontinuous opening rate in the azimuthal angle range of the confluence point 40 in the direction downstream of the turbine. This discontinuity is caused by the abrupt widening at the jump path 62. The bypass line 18 opens into the fluid line 14 at an acute angle in a direction that is preferably substantially parallel to the direction in which the fluid line 14 extends.

BezugszeichenlisteReference List

1010
Turbinenanordnungturbine arrangement
1212
Brennkraftmaschineinternal combustion engine
1414
Fluidleitungfluid line
1616
Turbineturbine
1818
Umgehungsleitungbypass line
2020
Abgasturboladerexhaust gas turbocharger
2222
GehäuseHousing
2424
Verdichtercompressor
2626
Frischgasstrangfresh gas line
2828
Saugrohrintake manifold
3030
Motorengine
3232
Abgaskrümmerexhaust manifold
3434
Abgasstrangexhaust line
3636
Kraftfahrzeugmotor vehicle
3838
Gehäuseteilhousing part
4040
Einmündungsstellejunction point
4242
Azimutalwinkelbereichazimuthal angle range
4444
Austrittsdiffusorexit diffuser
4646
Nabenkörperhub body
4848
Strebestrut
5050
Zuführwinkelfeeding angle
5252
erster Innenquerschnittfirst internal cross-section
5454
zweiter Innenquerschnittsecond internal cross-section
5656
erster Außenquerschnittfirst external cross section
5858
zweiter Außenquerschnittsecond external cross section
6060
Abrisskantetear-off edge
6262
Sprungstreckejump distance

Claims (8)

Turbinenanordnung (10) für eine Brennkraftmaschine (12), mit wenigstens einer Fluidleitung (14), einer in der Fluidleitung (14) angeordneten Turbine (16) und einer Umgehungsleitung (18), welche von der Fluidleitung (14) stromauf der Turbine (16) abzweigt und in die Fluidleitung (14) stromab der Turbine (16) mündet, wobei sich eine Einmündungsstelle (40) der Umgehungsleitung (18) nur über einen Azimutalwinkelbereich (42) der Fluidleitung (14) erstreckt und die Fluidleitung (14) in Richtung stromab der Turbine (16) eine unstetige Öffnungsrate im Azimutalwinkelbereich (42) der Einmündungsstelle (40) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Austrittsdiffusor (44) stromab der Turbine (16) in der Fluidleitung (14) angeordnet ist, wobei der Austrittsdiffusor (44) einen Nabenkörper (46) umfasst und die Einmündungsstelle (40) der Umgehungsleitung (18) im Bereich des Nabenkörpers (46) liegt, und wobei der Nabenkörper (46) zwei profilierte Streben (48) aufweist, welche sich im Wesentlichen im Winkelsektor des Azimutalwinkelbereichs (42) der Fluidleitung (14), in welchem sich die Einmündungsstelle (40) befindet, in Richtung Innenwand der Fluidleitung (14) erstrecken.Turbine arrangement (10) for an internal combustion engine (12), having at least one fluid line (14), a turbine (16) arranged in the fluid line (14) and a bypass line (18) which is connected from the fluid line (14) upstream of the turbine (16 ) branches off and opens into the fluid line (14) downstream of the turbine (16), with a junction point (40) of the bypass line (18) only extends over an azimuthal angle range (42) of the fluid line (14) and the fluid line (14) has a discontinuous opening rate in the azimuthal angle range (42) of the junction point (40) in the direction downstream of the turbine (16), characterized in that an outlet diffuser (44) is arranged downstream of the turbine (16) in the fluid line (14), wherein the outlet diffuser (44) comprises a hub body (46) and the junction point (40) of the bypass line (18) is in the region of the hub body (46), and wherein the The hub body (46) has two profiled struts (48) which extend in the direction of the inner wall of the fluid line (14) essentially in the angle sector of the azimuthal angle area (42) of the fluid line (14), in which the junction point (40) is located. Turbinenanordnung (10) für eine Brennkraftmaschine (12) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgehungsleitung (18) an der Einmündungsstelle (40) eine Öffnung mit nichtrotationssymmetrischer Kontur aufweist und/oder in die Fluidleitung (14) in einem spitzen Winkel in Richtung stromab der Turbine (16) mündet.Turbine arrangement (10) for an internal combustion engine (12) according to claim 1 , characterized in that the bypass line (18) at the junction point (40) has an opening with a non-rotationally symmetrical contour and/or opens into the fluid line (14) at an acute angle in the direction downstream of the turbine (16). Turbinenanordnung (10) für eine Brennkraftmaschine (12) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (14) wenigstens im Bereich der Einmündungsstelle (40) einen sich in Richtung stromab der Turbine monoton vergrößernden Innenquerschnitt aufweist.Turbine arrangement (10) for an internal combustion engine (12) according to claim 1 or 2 , characterized in that the fluid line (14), at least in the region of the junction (40), has an internal cross section which increases monotonously in the direction downstream of the turbine. Turbinenanordnung (10) für eine Brennkraftmaschine (12) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nabenkörper (46) wenigstens im Bereich der Einmündungsstelle (40) einen sich in Richtung stromab der Turbine (16) monoton erweiternden Außenquerschnitt und/oder an seiner der Turbine (16) abgewandten Seite eine Abrisskante (60) aufweist.Turbine arrangement (10) for an internal combustion engine (12) according to claim 1 , characterized in that the hub body (46), at least in the area of the junction (40), has an external cross section that widens monotonously in the direction downstream of the turbine (16) and/or has a tear-off edge (60) on its side facing away from the turbine (16). Turbinenanordnung (10) für eine Brennkraftmaschine (12) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (16) Teil eines Abgasturboladers (20) ist.Turbine arrangement (10) for an internal combustion engine (12) according to one of the preceding claims, characterized in that the turbine (16) is part of an exhaust gas turbocharger (20). Turbinenanordnung (10) für eine Brennkraftmaschine (12) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenanordnung (10) in einem Gehäuseteil (22,38) aufgenommen ist.Turbine arrangement (10) for an internal combustion engine (12) according to one of the preceding claims, characterized in that the turbine arrangement (10) is accommodated in a housing part (22, 38). Aufladbare Brennkraftmaschine (12), dadurch gekennzeichnet, durch wenigstens eine Turbinenanordnung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.Chargeable internal combustion engine (12), characterized by at least one turbine arrangement (10) according to one of the preceding claims. Aufladbare Brennkraftmaschine (12) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (14) Teil des Abgasstrangs (34) der Brennkraftmaschine (12) ist.Chargeable internal combustion engine (12) according to claim 7 , characterized in that the fluid line (14) is part of the exhaust system (34) of the internal combustion engine (12).
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