DE102014005744A1

DE102014005744A1 - Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens

Info

Publication number: DE102014005744A1
Application number: DE102014005744.5A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Sumser; Torsten Hirth
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Sumser Siegfried De
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2014-04-17
Publication date: 2014-11-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung (10) für eine Verbrennungskraftmaschine (12), mit wenigstens zwei seriell zueinander angeordneten, von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) antreibbaren Turbinen (28, 30) für jeweilige Abgasturbolader (34, 36), wobei die Turbinen (28, 30) jeweils ein Turbinengehäuse (116) und ein im dem jeweiligen Turbinengehäuse (116) um eine Drehachse (84, 90) relativ zu dem jeweiligen Turbinengehäuse (116) drehbar aufgenommenes Turbinenrad (82, 88) umfassen, das einen Turbinenradaustrittsbereich (94, 96) mit einem Austrittsquerschnitt (A2, A3) aufweist, über welchen das jeweilige Turbinenrad (82, 88) von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) abströmbar ist, wobei zumindest eines der Turbinenräder (82, 88) einen zweiten Turbinenradaustrittsbereich (98, 104) mit einem zweiten, dem ersten Austrittsquerschnitt (A2, A3) des zumindest einen Turbinenrads (82, 88) in axialer Richtung gegenüberliegenden Austrittsquerschnitt (A2', A3') aufweist, wobei wenigstens ein Stellelement (80, 108) vorgesehen ist, mittels welchem eine das zumindest eine Turbinenrad (82, 88) über den zweiten Austrittsquerschnitt (A2', A3') abströmende Menge des Abgases einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Derartige Aufladeeinrichtungen für Verbrennungskraftmaschinen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik und beispielsweise aus dem Serienfahrzeugbau bereits hinlänglich bekannt. Die Aufladeeinrichtung weist wenigstens zwei seriell zueinander angeordnete, von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbare Turbinen für jeweilige Abgasturbolader auf. Mit anderen Worten ist eine erste der Turbinen in einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Abgastrakt angeordnet. Die zweite Turbine ist ebenfalls in dem Abgastrakt und in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgastrakt stromab der ersten Turbine angeordnet, so dass also die zweite Turbine fluidtechnisch seriell zur ersten Turbine angeordnet ist.
Mittels der ersten Turbine ist beispielsweise ein erster Verdichter eines ersten der Abgasturbolader antreibbar, wobei mittels des ersten Verdichters der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft zu verdichten ist. Mittels der zweiten Turbine ist ein zweiter Verdichter des zweiten Abgasturboladers antreibbar, wobei mittels des zweiten Verdichters der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft zu verdichten ist. Auch die Verdichter sind beispielsweise fluidtechnisch seriell zueinander angeordnet beziehungsweise geschaltet, so dass die der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft mittels der Verdichter zweimal nacheinander, das heißt in zwei Stufen, verdichtet werden kann. Die Aufladeeinrichtung ist somit als sogenanntes „zweistufiges Aufladesystem” ausgebildet.
Die Turbinen weisen jeweils ein Turbinengehäuse und ein in dem jeweiligen Turbinengehäuse um eine Drehachse relativ zu dem jeweiligen Turbinengehäuse drehbar aufgenommenes Turbinenrad auf. Das jeweilige Turbinenrad weist einen Turbinenradaustrittsbereich mit einem Austrittsquerschnitt auf, über welchen das jeweilige Turbinenrad von Abgas der Verbrennungskraftmaschine abströmbar ist. Mit anderen Worten strömt das Abgas das jeweilige Turbinenrad über dessen Austrittsquerschnitt ab.
Derartige zweistufige Aufladesysteme werden sowohl bei Nutzfahrzeug- als auch bei Personenkraftwagen-Anwendungen eingesetzt, um insbesondere die spezifischen Leistungen von aufgeladenen Diesel- und Ottomotoren sowie Gasmotoren zu erhöhen. Im Allgemeinen steht dabei eine hohe Fahrzeugagilität im Mittelpunkt. Durch die CO₂- und Emissionsgrenzwertdiskussionen gewinnen mittlerweile neben den aufgeladenen Nutzfahrzeug-Antrieben auch Personenkraftwagen-Antriebe einen hohen Stellenwert, mögliche weitere Verbrauchspotenziale zu identifizieren und für die Serienanwendung zu nutzen.
Um die Forderungen nach hohen Agilitäten und die Schaffung von Verbrauchsbegünstigungen in relevanten Motor-Kennfeldbereichen für zweistufige Aufladesysteme zu erreichen, entsteht häufig der Zwang, die stromauf der zweiten Turbine angeordnete, erste und somit hochdruckseitige Turbine im Schluckverhalten relativ klein auszulegen, um das maximale Motormoment bei relativ kleinen Motordrehzahlen mit zufriedenstellenden Verbräuchen zu erreichen. In großen Teillastkennfeld-Bereichen jedoch, wie auch bei mittleren bis hohen Motordrehzahlen und höherer Last, muss dann üblicherweise die sehr kleine, erste Turbine bypassiert werden, was zu ungünstigen Motor-Ladungswechseln beziehungsweise Verbrauchsnachteilen führt. Unter „Bypassieren” ist zu verstehen, dass zumindest ein Teil des Abgases an der Turbine vorbeigeführt wird, ohne dass dieser Teil des Abgases die Turbine antreibt. Mit anderen Worten umgeht zumindest ein Teil des Abgases die Turbine über wenigstens einen Bypass-Kanal, welcher auch als „Umgehungskanal” bezeichnet wird. Die in diesem die Turbine umgehenden Abgas enthaltene Energie kann nicht genutzt werden, um die Turbine anzutreiben und geht somit dieser ungenutzt verloren.
Trotz guter Abgasverwertung durch günstige Turbinenwirkungsgrade der stromab der ersten Turbine angeordneten, zweiten Turbine, welche auch als „Niederdruckturbine” bezeichnet wird, kann diesem Verbrauchsnachteil, der sich im Wesentlichen aus den kleinen Turbinenabmessungen und der dadurch notwendigen Bypassierung ergibt, nur unzureichend entgegengewirkt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Aufladeeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welcher sich ein besonders effizienter und somit kraftstoffverbrauchsarmer und emissionsarmer Betrieb realisieren lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine Aufladeeinrichtung 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 Aufladeeinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders effizienter und somit kraftstoffverbrauchsarmer und emissionsarmer Betrieb realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest eines der Turbinenräder einen zweiten Turbinenradaustrittsbereich mit einem zweiten, dem ersten Austrittsquerschnitt des zumindest einen Turbinenrads in axialer Richtung gegenüberliegenden Austrittsquerschnitt aufweist, wobei wenigstens ein Stellelement vorgesehen ist, mittels welchem eine das zumindest eine Turbinenrad über den zweiten Austrittsquerschnitt abströmende Menge des Abgases einstellbar ist.
Mit anderen Worten weist das zumindest eine Turbinenrad einen zweiten Turbinenradaustrittsbereich mit einem zweiten Austrittsquerschnitt auf, wobei der erste Austrittsquerschnitt auf einer ersten Seite des zumindest einen Turbinenrads und der zweite Austrittsquerschnitt auf einer der ersten Seite in axialer Richtung des zumindest einen Turbinenrads gegenüberliegenden, zweiten Seite angeordnet ist. Mittels des Stellelements ist eine bedarfsgerechte Einstellung der Menge des Abgases möglich, welches das zumindest eine Turbinenrad über den zweiten Austrittsquerschnitt abströmt. Durch die bedarfsgerechte Einstellung dieser Menge, wobei beispielsweise der zweite Austrittsquerschnitt selbst eingestellt wird, ermöglicht die Darstellung eines sehr großen Gesamtquerschnitts, welcher die Austrittsquerschnitte umfasst und über welchen das Turbinenrad von Abgas abgeströmt wird.
Wird der zweite Austrittsquerschnitt beispielsweise zu dem ersten Austrittsquerschnitt zugeschaltet beziehungsweise vergrößert, so kann das zumindest eine Turbinenrad über beide Austrittsquerschnitte von Abgas abgeströmt werden. In der Folge können das zumindest eine Turbinenrad und die zugehörige Turbine von einer besonders hohen Menge an Abgas, das heißt von einem besonders hohen Volumenstrom und/oder Massenstrom des Abgases durchströmt werden. Die zum zumindest einen Turbinenrad gehörende Turbine weist somit eine sehr hohe Schluckfähigkeit auf, ohne dass eine Abblasung vorgesehen und erforderlich ist. Mit anderen Worten ist die hohe Schluckfähigkeit realisierbar, ohne dass das zumindest eine Turbinenrad von Abgas umgangen werden muss. Unter einer solchen Umgehung ist eine Bypassierung zu verstehen, welche herkömmlicherweise vorgesehen ist und bei welcher zumindest ein Teil des Abgases das zumindest eine Turbinenrad umgeht, ohne es anzutreiben. Üblicherweise führt eine solche Umgehung, welche auch als „Abblasung” bezeichnet wird, zu Verbrauchsnachteilen, was bei der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung zumindest überwiegend vermieden werden kann.
Gleichzeitig kann das zumindest eine Turbinenrad jedoch sehr klein und somit mit einem nur geringen polaren Massenträgheitsmoment ausgestaltet werden, so dass es ein sehr gutes Ansprechverhalten und somit eine sehr gute Agilität aufweist. Um das zumindest eine Turbinenrad schnell zu beschleunigen, wird beispielsweise der zweite Austrittsquerschnitt abgeschaltet beziehungsweise verkleinert oder fluidisch versperrt, so dass das Turbinenrad überwiegend oder – abgesehen von etwaige Leckageströmen – ausschließlich über den ersten Austrittsquerschnitt, nicht jedoch auch über den zweiten Austrittsquerschnitt abgeströmt wird. Unter der „Abschaltung” des zweiten Austrittsquerschnitts ist dabei zu verstehen, dass ein Durchströmen des zweiten Austrittsquerschnitts von Abgas mittels des Stellelements verhindert oder gegenüber einer Zuschaltung verringert ist.
Bei der das zumindest eine Turbinenrad umfassende Turbine ist es somit möglich, kleine und für die Agilität dieser Turbine vorteilhafte Durchmesser sowohl des zumindest einen Turbinenrads als auch eines Verdichterrads eines Verdichters zumindest im Wesentlichen unverändert beizubehalten und dennoch die Schluckfähigkeit der Turbine so weit zu steigern, dass eine Abblasung von Abgas nicht mehr notwendig ist und dass der sich einstellende Turbinenwirkungsgrad der beispielsweise als Volldurchsatz-Turbine ausgebildeten Turbine, bezogen auf die Gesamtabgasmenge, besonders bei hohen Abgasdurchsätzen gegenüber Abblaseturbinen, bei denen eine Abblasung durchgeführt wird, höher ist. Der genannte Verdichter ist dabei von der Turbine antreibbar und dient zum Versorgen der Verbrennungskraftmaschine mit verdichteter Luft.
Als Folge dieser realisierten Volldurchsatz-Turbine können Austrittsdrücke an einem Abgasauslass der Verbrennungskraftmaschine sowie Austrittstemperaturen des Abgases bei zumindest im Wesentlichen gleichbleibenden spezifischen Leistungen und/oder Drehmomenten der Verbrennungskraftmaschine abgesenkt werden, wodurch vorteilhafte Turbinenvariabilitäten zum Einstellen von Strömungsquerschnitten mit sehr hohen Funktionalitätssicherheiten besonders leicht entwickelt werden können. Die Turbine ermöglicht es somit, den Zielkonflikt, demzufolge sich eine Steigerung der Schluckfähigkeit herkömmlicherweise nur durch eine unerwünschte Vergrößerung des Turbinenrads realisierbar ist, gelöst werden.
Zur Realisierung eines besonders geringen Bauraumbedarfs sind die Turbinen vorzugsweise als Radialturbinen ausgebildet, wobei das jeweilige Turbinenrad im Betrieb in radialer Richtung von außen nach innen von Abgas angeströmt und zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung von dem Abgas abgeströmt wird.
Da die Turbinen seriell zueinander angeordnet sind, ist eine erste der Turbinen stromauf der zweiten Turbinen angeordnet. Mit anderen Worten ist die zweite Turbine stromab der ersten Turbine angeordnet. Da das Abgas mittels der ersten Turbine entspannt wird, weist das Abgas stromauf der ersten Turbine einen höheren Druck als stromab der ersten Turbine und stromab der zweiten Turbine auf. Daher wird die erste Turbine auch als Hochdruck-Turbine bezeichnet, wobei die zweite Turbine auch als Niederdruck-Turbine bezeichnet wird. Die das zumindest eine Turbinenrad mit den zwei Austrittsquerschnitten umfassende Turbine kann die Niederdruck-Turbine oder vorzugsweise die Hochdruck-Turbine sein. Das erforderliche Turbinenverhalten einer kleinen Turbine wird durch die Dimensionierung des üblichen ersten Austrittsquerschnitts bei verschlossenem Turbinenaustrittskanal des zweiten Austrittsquerschnitts gebildet. Für Motorbetriebsbereiche, in denen die Turbine mit dem verschlossenen zweiten Austrittsquerschnitt zu klein ist, wird das interne oder externe oder intern-extern kombinierte Stellelement geöffnet, wodurch aufgrund der Rad-Schaufelgestaltung eine vorteilhafte Abgasverwertung der beispielsweise als Zweistrom-Turbine ausgebildeten Turbine im Austrittskanal mit befriedigenden Wirkungsgraden erfolgen kann.
Es wird voraussichtlich auch weiterhin Anwendungen geben, bei denen eine gewisse, gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduzierte Bypassierung der Turbine noch seine Berechtigung hat, wobei in der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung mit der das zumindest eine Turbinenrad mit den zwei Austrittsquerschnitten umfassenden Turbine, die mit einer sehr hohen Schluckfähigkeit bei relativ kleinen Raddurchmessern und damit geringen polaren Massenträgheitsmomenten ausgestattet ist, ein Großteil des Verbrauchsbegünstigungs-Potenzials seine Umsetzung findet.
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:
1 eine schematische Darstellung eines zweistufigen Aufladesystems gemäß einer ersten Ausführungsform für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, mit zwei seriell zueinander angeordneten Turbinen, wobei eine erste der Turbinen ein Turbinenrad mit zwei Austrittsquerschnitten aufweist, und wobei die zweite Turbine ein Turbinenrad mit genau einem Austrittsquerschnitt aufweist;
2 eine schematische Darstellung des zweistufigen Aufladesystems gemäß einer zweiten Ausführungsform, wobei beide Turbinen jeweils ein Turbinenrad mit zwei Austrittsquerschnitten aufweisen;
3 eine schematische Darstellung des zweistufigen Aufladesystems gemäß einer dritten Ausführungsform, wobei die erste Turbine ein Turbinenrad mit zwei Austrittsquerschnitten und die zweite Turbine ein Turbinenrad mit genau einem Austrittsquerschnitt aufweist;
4a jeweils ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht und eine schematische Draufsicht der das Turbinenrad mit den zwei Austrittsquerschnitten aufweisenden Turbine gemäß einer ersten Ausführungsform;
4b jeweils ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht und eine schematische Draufsicht der Turbine gemäß der ersten Ausführungsform;
5 jeweils ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht und eine schematische Draufsicht der das Turbinenrad mit den zwei Austrittsquerschnitten aufweisenden Turbine gemäß einer zweiten Ausführungsform;
6 eine schematische und perspektivische Draufsicht des die zwei Austrittsquerschnitte aufweisenden Turbinenrads;
7 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkung der das Turbinenrad mit den zwei Austrittsquerschnitten aufweisenden Turbine;
8a ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der das Turbinenrad mit den zwei Austrittsquerschnitten aufweisenden Turbine gemäß einer dritten Ausführungsform; und
8b ausschnittsweise eine schematische Draufsicht der Turbine gemäß der dritten Ausführungsform.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Aufladeeinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform für eine Verbrennungskraftmaschine 12 eines Kraftwagens. Die Verbrennungskraftmaschine 12 ist als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet und weist sechs Brennräume in Form von Zylindern 14 und 16 auf. In den Zylindern 14 und 16 ist jeweils ein Kolben relativ zu dem jeweiligen Zylinder 14 und 16 translatorisch bewegbar aufgenommen. Die Kolben sind über ein jeweiliges Pleuel mit einer Abtriebswelle in Form einer Kurbelwelle 18 der Verbrennungskraftmaschine 12 gelenkig gekoppelt, so dass sie translatorischen Bewegungen der Kolben in den Zylindern 14 und 16 in eine in 1 durch einen Richtungspfeil 20 angedeutete rotatorische Bewegung der Kurbelwelle 18 umgewandelt werden können.
Während eines gefeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 12 laufen in den Zylindern 14 und 16 Verbrennungsvorgänge jeweiliger Kraftstoff-Luft-Gemische ab, woraus Abgas der Verbrennungskraftmaschine 12 resultiert. Das Abgas wird über einen Abgastrakt 22 der Verbrennungskraftmaschine 12 aus den Zylindern 14 und 16 abgeführt. Im Abgastrakt 22 ist wenigstens ein Abgaselement in Form eines Abgaskrümmers 24 angeordnet, mittels welchem das Abgas aus den Zylindern 14 und 16 gesammelt wird. Bei der ersten Ausführungsform der Aufladeeinrichtung 10 wird mittels des Abgaskrümmers 24 das Abgas aus den Zylindern 14 und 16 zu einer Flut 26 zusammengeführt.
Im Abgastrakt 22 sind zwei Turbinen 28 und 30 angeordnet, wobei die Turbinen 28 und 30 fluidtechnisch, das heißt bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgastrakt 22 seriell zueinander, das heißt nacheinander angeordnet sind. Bei der Turbine 28 handelt es sich somit um eine erste der Turbinen 28 und 30, wobei es sich bei der Turbine 30 um die zweite Turbine handelt. Aus 1 ist erkennbar, dass die erste Turbine 28 bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgastrakt 22 stromauf der zweiten Turbine 30 angeordnet ist. Über die Flut 26 wird das Abgas zunächst der ersten Turbine 28 zugeführt, mittels welcher das Abgas expandiert wird. Stromab der Zylinder 14 und 16 und stromauf der ersten Turbine 28 weist das Abgas einen Druck p₃ auf. Stromab der ersten Turbine 28 und stromauf der zweiten Turbine 30 weist das Abgas einen Druck p₄ auf. Mittels der zweiten Turbine 30 wird das Abgas erneut expandiert, so dass das Abgas stromab der zweiten Turbine 30 einen Druck p₅ aufweist. Stromab der zweiten Turbine 30 ist im Abgastrakt 22 eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 32 angeordnet. Ein Durchsatzparameter der ersten Turbine 28 ist in 1 mit Φ_T1 bezeichnet, wobei ein Abgasdurchsatzparameter der zweiten Turbine 30 in 1 mit Φ_T2 bezeichnet ist. Der Druck p₃ ist der Turbineneintrittsdruck der ersten Turbine 28, wobei der Druck p₄ der Turbineneintrittsdruck der zweiten Turbine 30 ist. Da der Druck p₃ größer als der Druck p₄ ist, wird die erste Turbine 28 auch als „Hochdruck-Turbine” und die zweite Turbine 30 als „Niederdruck-Turbine” bezeichnet.
Die erste Turbine 28 ist Bestandteil eines ersten Abgasturboladers 34, wobei die zweite Turbine 30 Bestandteil eines zweiten Abgasturboladers 36 ist. Der erste Abgasturbolader 34 umfasst einen in einem Ansaugtrakt 38 der Verbrennungskraftmaschine 12 angeordneten, ersten Verdichter 40 mit einem ersten Verdichterrad 42, mittels welchem der Verbrennungskraftmaschine 12 beziehungsweise den Zylindern 14 und 16 zuzuführende Luft verdichtet wird. Der zweite Abgasturbolader 36 weist einen im Ansaugtrakt 38 angeordneten, zweiten Verdichter 44 mit einem zweiten Verdichterrad 46 auf, mittels welchem der Verbrennungskraftmaschine 12 zuzuführende Luft verdichtet wird. Bezogen auf die Strömungsrichtung der durch den Ansaugtrakt 38 strömenden Luft sind auch die Verdichter 40 und 44 seriell zueinander angeordnet, wobei der Verdichter 44 bezogen auf die Strömungsrichtung der Luft durch den Ansaugtrakt 38 stromauf des Verdichters 40 angeordnet ist. Mittels der Verdichter 40 und 44 kann die Luft zweimal nacheinander, das heißt in zwei Stufen verdichtet werden, so dass die Aufladeeinrichtung 10 als zweistufiges Aufladesystem ausgebildet ist. Da der Verdichter 44 von der Niederdruck-Turbine (Turbine 30) angetrieben wird, wird der Verdichter 44 auch als „Niederdruck-Verdichter” bezeichnet. Da der Verdichter 40 von der Hochdruck-Turbine (Turbine 28) angetrieben wird, wird der Verdichter 40 auch als „Hochdruck-Verdichter” bezeichnet.
Im Ansaugtrakt 38 ist stromauf des Verdichters 44 ein Luftfilter 48 zum Filtern der von der Verbrennungskraftmaschine 12 angesaugten Luft angeordnet. Stromab des Luftfilters 48 und stromauf des Verdichters 44 weist die Luft einen ersten Druck p₁ auf. Mittels des Verdichters 44 wird die Luft von dem Druck p₁ auf einen Druck P_2N verdichtet, welcher stromab des Verdichters 44 und stromauf des Verdichters 40 herrscht.
In Strömungsrichtung der Luft durch den Ansaugtrakt 38 ist zwischen den Verdichtern 40 und 44 ein Zwischenkühler 50 angeordnet, mittels welchem die mittels des Verdichters 44 in einer ersten der Stufen verdichtete Luft gekühlt wird.
Mittels des stromab des Zwischenkühlers 50 angeordneten Verdichters wird die Luft in der zweiten Stufe von dem Druck P_2N auf einen Druck P_2H verdichtet, welchen die Luft stromab des Verdichters 40 und stromauf eines im Ansaugtrakt 38 angeordneten Ladeluftkühlers 52 aufweist.
Hieraus ergibt sich ein Druckverhältnis π_ND des Verdichters 44 zu:
Ferner ergibt sich ein Druckverhältnis π_HD des Verdichters 40 zu:
Mittels des Ladeluftkühlers 52 wird die mittels des Verdichters 40 ein zweites Mal verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt, bevor sie schließlich mit einem Druck p_2s mittels eines Ladeluftverteilers 54 auf die Zylinder 14 und 16 verteilt wird. Der Druck p_2s wird auch als Ladedruck bezeichnet.
Die Verbrennungskraftmaschine 12 weist eine Abgasrückführeinrichtung 56 mit wenigstens einer Abgasrückführleitung 58 auf. Die Abgasrückführleitung 58 ist einerseits an einer Abzweigstelle 60 fluidisch mit der Flut 26 und an einer Zuführstelle 62 fluidisch mit dem Ansaugtrakt 38 verbunden. Dadurch kann mittels der Abgasrückführleitung 58 an der Abzweigstelle 60 Abgas aus der Flut 26 abgezweigt, zu dem Ansaugtrakt 38 rückgeführt und an der Zuführstelle 62 in den Ansaugtrakt 38 eingeleitet werden. Die Zuführstelle 62 wird auch als Mischstelle M bezeichnet, da sich dort die den Ansaugtrakt 38 durchströmende Luft mit dem rückgeführten Abgas mischt.
In der Abgasrückführleitung 58 ist ein Abgasrückführventil 64 angeordnet, mittels welchem eine Masse oder Menge des rückzuführenden Abgases bedarfsgerecht einstellbar ist. Stromab des Abgasrückführventils 64 ist ein Abgasrückführkühler 66 zum Kühlen des rückzuführenden Abgases in der Abgasrückführleitung 58 angeordnet.
In der Abgasrückführleitung 58 ist stromab des Abgasrückführkühlers 66 und stromauf der Zuführstelle 62 ein Druckmodulator 68 vorgesehen, mittels welchem Druckschwingungsanregungen, verursacht durch Auslasspulsationen der Verbrennungskraftmaschine 12, in der Abgasrückführleitung 58 so weit moduliert und reduziert werden, dass im Bereich der Zuführstelle 62 keine oder nur sehr geringe wirksame Anregungsintensitäten mehr vorhanden sind. Der Druckmodulator 68 umfasst dabei ein Dämpfungsvolumen 70 sowie einen angepassten und effektiven und durch ein entsprechendes Bauteil, beispielsweise eine Blende, gebildeten Zuströmquerschnitt 72 sowie einen angepassten effektiven und durch ein entsprechendes Bauteil, beispielsweise eine Blende, gebildeten Abströmquerschnitt 74. Der Zuströmquerschnitt 72 und der Abströmquerschnitt 74 verursachen in Verbindung mit der Größe des Dämpfungsvolumens 70 eine starke Dämpfung der Druckschwingungen und damit der Druckpulsationen an der Zuführstelle 62.
Die Verbrennungskraftmaschine 12 umfasst auch eine Recheneinrichtung 76, welche vorliegend mit dem Abgasrückführventil 64 gekoppelt ist. Die Recheneinrichtung 76 ist beispielsweise ein Steuergerät und dient zum Steuern und/oder Regeln der Verbrennungskraftmaschine 12. Mittels der Recheneinrichtung 76 kann die Menge oder Masse des rückzuführenden Abgases eingestellt werden. Die Recheneinrichtung 76 ist auch mit einer im Ganzen mit 78 bezeichneten Stelleinrichtung der ersten Turbine 28 elektrisch verbunden. Die Stelleinrichtung 78 umfasst wenigstens ein Stellelement 80, welches in einem Versteilbereich verstellbar ist. Das Stellelement 80 ist mittels der Recheneinrichtung 76 verstellbar. Die Turbine 30 ist vorliegend als Festgeometrie-Turbine ausgebildet und weist demzufolge kein zu verstellendes Stellelement auf.
Die Turbine 28 weist ein Turbinenrad 82 auf, welches in einem in 1 nicht dargestellten ersten Turbinengehäuse der Turbine 28 angeordnet ist. Das Turbinenrad 82 ist um eine Drehachse 84 relativ zu dem ersten Turbinengehäuse der Turbine 28 drehbar und von dem die Turbine 28 durchströmenden Abgas antreibbar. Das Turbinenrad 82 ist mit einer Welle 86 des Abgasturboladers 34 drehfest verbunden, wobei auch das Verdichterrad 42 drehfest mit der Welle 86 verbunden ist. Dadurch ist das Verdichterrad 42 von dem Turbinenrad 82 antreibbar.
Auch die Turbine 30 weist ein in 1 nicht dargestelltes zweites Turbinengehäuse auf, in welchem ein zweites Turbinenrad 88 der Turbine 30 angeordnet ist. Das zweite Turbinenrad 88 ist um eine Drehachse 90 relativ zum zweiten Turbinengehäuse drehbar und mit einer Welle 92 des Abgasturboladers 36 drehfest verbunden. Auch das Verdichterrad 46 ist mit der Welle 92 drehfest verbunden, so dass das Verdichterrad 46 von dem Turbinenrad 88 antreibbar ist.
Das Turbinenrad 82 weist einen ersten Turbinenradaustrittsbereich 94 mit einem ersten Austrittsquerschnitt A2 auf. Dabei ist das Turbinenrad 82 über den ersten Austrittsquerschnitt A2 von dem Abgas abströmbar. Mit anderen Worten strömt das Abgas das Turbinenrad 82, nachdem das Abgas das Turbinenrad 82 angetrieben hat, über den ersten Austrittsquerschnitt A2 und den ersten Turbinenradaustrittsbereich 94 ab. Die Turbine 28 ist dabei als Radialturbine ausgebildet, so dass das Abgas das Turbinenrad 82 in radialer Richtung von außen nach innen anströmt und zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung abströmt.
Auch das Turbinenrad 88 weist einen ersten Turbinenradaustrittsbereich 96 mit einem ersten Austrittsquerschnitt A3 auf. Dabei ist das Turbinenrad 88 über seinen ersten Austrittsquerschnitt A3 von dem Abgas abströmbar. Mit anderen Worten strömt das Abgas das Turbinenrad 88, nachdem das Abgas das Turbinenrad 88 angetrieben hat, über den ersten Austrittsquerschnitt A3 und den ersten Turbinenradaustrittsbereich 96 ab. Auch die Turbine 30 ist dabei als Radialturbine ausgebildet, so dass das Abgas das Turbinenrad 88 in radialer Richtung von außen nach innen anströmt und zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung abströmt.
Die jeweiligen, ersten Austrittsquerschnitte A2 und A3 sind der besseren Unterscheidbarkeit wegen mit den unterschiedlichen Bezugszeichen, das heißt mit A2 und A3, bezeichnet. Jedoch können die folgenden Ausführungen zu dem Austrittsquerschnitt A2 und der Turbine 28 ohne weiteres auf den Austrittsquerschnitt A3 und die Turbine 30 entsprechend übertragen werden und umgekehrt.
Vorliegend weist das Turbinenrad 82 einen zweiten Turbinenradaustrittsbereich 98 mit einem zweiten Austrittsquerschnitt A2' auf. Das Abgas kann – je nach Einstellung der Stelleinrichtung 78 – das Turbinenrad 82 auch über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' und den zweiten Turbinenradaustrittsbereich 98 abströmen.
Wie aus 1 erkennbar ist, ist der zweite Turbinenradaustrittsbereich 98 mit dem zweiten Austrittsquerschnitt A2' dem ersten Turbinenradaustrittsbereich 94 mit dem ersten Austrittsquerschnitt A2 in axialer Richtung des Turbinenrads 82 gegenüberliegend angeordnet. Mit anderen Worten sind der erste Turbinenradaustrittsbereich 94 und der erste Austrittsquerschnitt A2 auf einer ersten Seite 100 des Turbinenrads 82 angeordnet, während der zweite Turbinenradaustrittsbereich 98 und der zweite Austrittsquerschnitt A2' auf einer der ersten Seite 100 in axialer Richtung abgewandten, zweiten Seite 102 des Turbinenrads 82 und somit auf Seiten eines Laufradrückens des Turbinenrads 82 angeordnet sind.
Das Turbinenrad 82 ist über die Welle 86 beispielsweise an einem Lagergehäuse des Abgasturboladers 34 angeordnet, wobei der zweite Austrittsquerschnitt A2' auf Seiten des Lagergehäuses angeordnet, das heißt zum Lagergehäuse hin ausgerichtet ist.
Mittels des Stellelements 80 ist eine das Turbinenrad 82 über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' abströmende Menge des Abgases einstellbar. Um diese Menge des den zweiten Austrittsquerschnitt A2' durchströmenden Abgases, das heißt des das Turbinenrad 82 über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' abströmenden Abgases einzustellen, ist das Stellelement 80 beispielsweise relativ zum ersten Turbinengehäuse bewegbar. Das Stellelement 80 kann bezogen auf das erste Turbinengehäuse intern, das heißt im ersten Turbinengehäuse oder extern, das heißt außerhalb des ersten Turbinengehäuses, angeordnet sein. Ferner können zwei Stellelemente zum Einstellen der Menge des das Turbinenrad 82 über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' abströmenden Abgases vorgesehen sein, wobei eines dieser zwei Stellelemente bezogen auf das erste Turbinengehäuse extern und das andere der Stellelemente bezogen auf das erste Turbinengehäuse intern angeordnet sein kann.
Bei dem Stellelement 80 handelt es sich somit um eine Radaustrittsvariabilität, mittels welcher Strömungsbedingungen für das Abgas stromab des Turbinenrads 82 einstellbar sind. Eine solche Austrittsvariabilität ist grundsätzlich auch bei der Turbine 30 denkbar.
Die Turbine 28 kann ferner eine Eintrittsvariabilität umfassen, wobei alternativ oder zusätzlich die Turbine 30 eine Eintrittsvariabilität aufweisen kann. Mittels einer solchen Eintrittsvariabilität ist ein stromauf des jeweiligen Turbinenrads 82 beziehungsweise 80 angeordneter, effektiver Strömungsquerschnitt einstellbar, wobei dieser effektive Strömungsquerschnitt von dem Abgas durchströmbar ist. Ein solcher, stromab der Zylinder 14 und 16 und stromauf des Turbinenrads 82 beziehungsweise stromauf des Turbinenrads 88 und stromab des Turbinenrads 82 angeordneter, effektiver Strömungsquerschnitt wird mit A1 bezeichnet. Eine solche Eintrittsvariabilität ist beispielsweise als Zungenschieber, Axialschieber oder Drehschaufler ausgebildet.
Das Stellelement 80 ist zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung verstellbar. 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, das heißt dass das Turbinenrad 82 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 82 über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' von Abgas abgeströmt werden kann. Im Folgenden wird als die Offenstellung die Stellung des Stellelements 80 bezeichnet, in der der zweite Austrittsquerschnitt A2' maximal freigegeben ist. Dies bedeutet, dass das Turbinenrad 82 in der Offenstellung von einer maximal einstellbaren Menge über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' abströmbar ist.
Vorzugsweise ist das Stellelement 80 auch in wenigstens eine Zwischenstellung und vorzugsweise in mehrere Zwischenstellungen zwischen der Offenstellung und der Schließstellung einstellbar, wobei der Austrittsquerschnitt A2' in der Zwischenstellung beziehungsweise in den Zwischenstellungen gegenüber der Schließstellung fluidisch freigegeben und gegenüber der Offenstellung fluidisch verengt ist. Durch das Stellelement 80 ist somit eine Variabilität geschaffen, welche eine bedarfsgerechte Einstellung des zweiten Austrittsquerschnitts A2' ermöglicht.
Mittels des bewegbaren Stellelements 80 ist der zweite Austrittsquerschnitt A2' zu dem stets freigegebenen ersten Austrittsquerschnitt A2 bedarfsgerecht zuschaltbar, so dass die Turbine 28 eine sehr hohe Schluckfähigkeit aufweist. Dies bedeutet, dass die Turbine 28 von einer besonders hohen Menge an Abgas durchströmt werden kann, so dass Abgas gegen Drücke für die Verbrennungskraftmaschine 12 gering gehalten werden können. Gleichzeitig ist bei der Turbine 28 keine Abblasung des Abgases vorgesehen. Mit anderen Worten ist es nicht vorgesehen, dass das Turbinenrad 82 von Abgas umgangen wird. Jedoch ist eine solche Umgehung beziehungsweise Bypassierung mit einem nur sehr geringen Teilstrom des Abgases prinzipiell nicht ausgeschlossen und kann in gewissen Betriebsbereichen vorteilhaft sein. Durch den zuschaltbaren, das heißt fluidisch freigebbaren und abschaltbaren, das heißt fluidisch versperrbaren, zweiten Austrittsquerschnitt A2' ist es ferner möglich, das Turbinenrad 82 besonders klein und somit mit einem geringen polaren Massenträgheitsmoment auszugestalten, so dass die Turbine 28 eine sehr hohe Agilität aufweist.
2 zeigt die Aufladeeinrichtung 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Bei der zweiten Ausführungsform weist auch das Turbinenrad 88 einen zweiten Turbinenradaustrittsbereich 104 mit einem zweiten Austrittsquerschnitt A3' auf. Der zweite Turbinenradaustrittsbereich 104 mit dem zweiten Austrittsquerschnitt A3' ist in axialer Richtung gegenüberliegend des ersten Turbinenradaustrittsbereichs 96 mit dem ersten Austrittsquerschnitt A3 angeordnet. In 2 sind der zweite Austrittsquerschnitt A2' des Turbinenrads 82 und der zweite Austrittsquerschnitt A3' des Turbinenrads 88 der besseren Unterscheidbarkeit wegen mit unterschiedlichen Bezugszeichen versehen, jedoch können die vorigen und folgenden Ausführungen zu dem zweiten Austrittsquerschnitt A2' ohne weiteres auch auf den zweiten Austrittsquerschnitt A3' übertragen werden und umgekehrt.
Demzufolge ist eine zweite Stelleinrichtung 106 vorgesehen, welche wenigstens ein zweites Stellelement 108 aufweist. Mittels des Stellelements 108 ist eine Menge des das Turbinenrad 88 über dessen zweiten Austrittsquerschnitt A3' abströmenden Abgases einstellbar, wobei bei der zweiten Ausführungsform die Stelleinrichtung 106 mit der Recheneinrichtung 76 gekoppelt ist, so dass das Stellelement 108 mittels der Recheneinrichtung 76 verstellbar ist. Die vorigen und folgenden Ausführungen zum Stellelement 80 können ohne weiteres auf das Stellelement 108 übertragen werden. Demzufolge ist das Stellelement 108 zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung verstellbar. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Stellelement 108 in wenigstens eine und vorzugsweise in mehrere Zwischenstellungen zwischen der Schließstellung und der Offenstellung einstellbar ist.
Das Stellelement 108 ist relativ zu dem zweiten Turbinengehäuse verstellbar. Beispielsweise ist das Stellelement 108 um eine Schwenkachse relativ zum zweiten Turbinengehäuse verschwenkbar und/oder entlang einer Bewegungsachse relativ zu dem zweiten Turbinengehäuse translatorisch verschiebbar. Mittels des Stellelements 108 ist auch der zweite Austrittsquerschnitt A3' bedarfsgerecht zuschaltbar oder abschaltbar, so dass auch eine Bypassierung der zweiten Turbine 30 beziehungsweise des zweiten Turbinenrads 88 vermieden oder zumindest besonders gering gehalten werden kann. Jedoch ist grundsätzlich eine Bypassierung des Turbinenrads 88 mit einem nur geringen Teilstrom des Abgases nicht ausgeschlossen. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform, bei der die zweite Turbine 30 als Festgeometrie-Turbine ausgebildet ist, ist die zweite Turbine 30 bei der zweiten Ausführungsform wie die erste Turbine 28 als Vario-Turbine ausgebildet, da die Turbine 30 das Stellelement 108 als Austrittsvariabilität aufweist. Die Turbine 28 und/oder 30 kann als Einsegment-Turbine ausgebildet sein. Dies ist bei der ersten Ausführungsform oder der zweiten Ausführungsform vorgesehen.
3 zeigt die Aufladeeinrichtung 10 gemäß einer dritten Ausführungsform, wobei die dritte Ausführungsform im Wesentlichen der ersten Ausführungsform entspricht. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich insbesondere dadurch von der ersten Ausführungsform, dass die Turbine 28 als Mehrsegment- und vorliegend als Zweisegment-Turbine ausgebildet ist und demzufolge zwei Segmente 110 und 112 aufweist, welche zumindest teilweise fluidisch voneinander getrennt sind. Die Segmente 110 und 112 sind beispielsweise in Umfangsrichtung des Turbinenrads 82 aufeinanderfolgend angeordnet und weisen jeweilige, in Umfangsrichtung des Turbinenrads 82 aufeinanderfolgende Strömungsquerschnitte auf, über welche das die jeweiligen Segmente 110 und 112 durchströmende Abgas in einen Aufnahmeraum, in welchem das Turbinenrad 82 aufgenommen ist, einströmen kann. Mit anderen Worten münden die Segmente 110 und 112 über die jeweiligen Strömungsquerschnitte in den Aufnahmeraum. In 3 ist ein Durchsatzparameter des Segments 112 mit Φ_T1,31 bezeichnet, wobei ein Durchsatzparameter des Segments 110 mit Φ_T1,32 bezeichnet ist.
Im Abgastrakt 22 sind bei der dritten Ausführungsform zwei Abgaskrümmer 24 und 25 angeordnet. Mittels des Abgaskrümmers 24 wird das Abgas aus den Zylindern 16 zu einer Flut 26 zusammengeführt. Die Flut 26 wird auch als λ-Flut bezeichnet, wobei die Zylinder 16 als λ-Zylinder bezeichnet werden. Die Zylinder 16 bilden eine erste Zylindergruppe, welche als λ-Zylinder-Gruppe bezeichnet wird.
Mittels des Abgaskrümmers 25 wird das Abgas aus den Zylindern 14 zu einer zweiten Flut 27 zusammengeführt, wobei die zweite Flut 27 zumindest teilweise fluidisch von der ersten Flut 26 getrennt ist. Aus 3 ist erkennbar, dass die Abgasrückführleitung 58 an der Abzweigstelle 60 fluidisch mit der zweiten Flut 27 verbunden ist, so dass die zweite Flut 27 insbesondere dazu verwendet wird, eine hinreichend große Menge an rückzuführendem Abgas bereitzustellen. Daher wird die zweite Flut 27 auch als AGR-Flut (AGR – Abgasrückführung) bezeichnet. Die Zylinder 14 bilden somit eine zweite Zylindergruppe, welche auch als AGR-Zylinder-Gruppe bezeichnet wird.
Das die Flut 26 durchströmende Abgas wird insbesondere dazu verwendet, die Turbinen 28 und 30 und somit die Verdichter 40 und 44 entsprechend anzutreiben, um ein gewünschtes Verbrennungsluftverhältnis in den jeweiligen Zylindern 14 und 16 einzustellen. Das Verbrennungsluftverhältnis wird üblicherweise mit λ bezeichnet.
Mittels der Flut 26 wird das Abgas zum Segment 110 geführt, wobei mittels der Flut 27 das Abgas zum Segment 112 geführt wird. Mit anderen Worten mündet die Flut 26 in das Segment 110, wobei die Flut 27 in das Segment 112 mündet. Ein in der Flut 26 stromauf des Turbinenrads 82 herrschender Druck des Abgases ist in 3 mit p₃₂ bezeichnet, wobei das Abgas in der Flut 27 einen Druck p₃₁ aufweist.
Bei der dritten Ausführungsform weist die Turbine 28 die bereits genannte und in 3 mit 114 bezeichnete Eintrittsvariabilität auf, welche mit der Recheneinrichtung 26 gekoppelt und dadurch mittels der Recheneinrichtung 26 einstellbar ist. Dadurch kann der Eintrittsquerschnitt A1 eingestellt werden.
4a und 4b zeigen eine erste Ausführungsform der Turbine 28, wobei die Ausführungen zur Turbine 28 auf die Turbine 30 entsprechend übertragen werden können und umgekehrt.
Das Stellelement 80 ist in dem in 4a und 4b ausschnittsweise erkennbaren und mit 116 bezeichneten, ersten Turbinengehäuse der Turbine 28 angeordnet und relativ zu dem Turbinengehäuse 116 translatorisch verschiebbar. Gemäß 4a befindet sich das Stellelement 80 in seiner Schließstellung. In 4b befindet sich das Stellelement 80 in seiner Offenstellung. 4a und 4b zeigen jeweils in der unteren Darstellung einen Zylinderschnitt einer Laufradschaufel 118 des Turbinenrads 82. Dementsprechend ist vom Turbinenrad 82 ein Radsegment 120 erkennbar. Aus 4a und 4b ist besonders gut die Gestaltung der Laufradschaufel 118 erkennbar. Die Laufradschaufel 118 weist zu einer dem ersten Austrittsquerschnitt A2 zugeordneten Schaufelfront 122 hin einen ersten Radaustrittswinkel β₂ und zu einer dem zweiten Austrittsquerschnitt A2' zugeordneten Schaufelfront 124 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 Grad bis einschließlich 60 Grad, so dass bezogen auf die Austrittsquerschnitte A2 und A2' eine vorteilhafte Strömungsumlenkung des Abgases im Turbinenrad 82 bewirkt werden kann. Die jeweiligen Abströmrichtungen des Abgases von der Laufradschaufel 118 im Absolutsystem sind in 4a und 4b durch Richtungspfeile 126 veranschaulicht. Die Form der Laufradschaufel 118 lässt sich zumindest näherungsweise mittels Parabel- beziehungsweise Ellipsenteilkurven beschreiben, die einen Scheitelpunkt und die beiden Endpunkte mit den Radaustrittstangenten besitzen, welche die jeweiligen Radaustrittswinkel β₂ und β_2' zu beiden Schaufelfronten 122 und 124 entgegen der Drehrichtung des Turbinenrads 82 einschließen, wobei die Drehrichtung des Turbinenrads durch einen Richtungspfeil U dargestellt ist. Die Schaufelfronten 122 und 124 sind somit Schaufelaustrittsfronten.
Die Laufradschaufel 118 weist somit zwei Austrittskanten auf, über die die Laufradschaufel 118 von Abgas abgeströmt wird. Eine erste der Austrittskanten ist der Schaufelfront 122 und somit dem ersten Austrittsquerschnitt A2 zugeordnet, während eine zweite der Austrittskanten der Schaufelfront 124 und somit dem zweiten Austrittsquerschnitt A2' zugeordnet ist.
Das Stellelement 80 ist bei der ersten Ausführungsform der Turbine 28 als axial verschiebbare Ringscheibe ausgebildet, welche auch als Varioscheibe bezeichnet wird. Gemäß 4a befindet sich die Varioscheibe in ihrer Schließstellung, wodurch der gesamte Abgasmassenstrom nur durch den herkömmlichen, ersten Austrittsquerschnitt A2 strömen kann.
Die in 4b gezeigte maximale Offenstellung der Ringscheibe gibt einen Sammelraum 128 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 Aufteilung des ausströmenden Abgasmassenstroms durch die beiden Austrittsquerschnitte A2' und A2 der Turbine 28 zur nachfolgenden Abgasnachbehandlungseinrichtung 32 festlegt.
Der Sammelraum 128 mündet zumindest im Wesentlichen gasdicht in eine Austrittsverrohrung, die zumindest weitgehend radial zur Drehachse 84 und dann axial hin zu einer Austrittsverrohrung des ersten Austrittsquerschnitts A2 geführt wird. Die dem ersten Austrittsquerschnitt A2 zugeordnete Abgasverrohrung, welche vom das Turbinenrad 82 über den ersten Austrittsquerschnitt A2 abströmenden Abgas durchströmbar ist, und die dem zweiten Austrittsquerschnitt A2' zugeordnete Abgasverrohrung, die vom das Turbinenrad 82 über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' abströmenden Abgas durchströmbar ist, sind vorzugsweise stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 32 fluidisch miteinander verbunden, das heißt zusammengeführt.
Bei der ersten Ausführungsform umfasst die Turbine 28 die Eintrittsvariabilität 114, welche bei der ersten Ausführungsform der Turbine 28 als Zungenschieber ausgebildet ist. Mittels der Eintrittsvariabilität 114 ist ein stromauf des Turbinenrads 82 angeordneter und von dem dem Turbinenrad 82 zuzuführenden Abgas durchströmbarer Eintrittsquerschnitt einstellbar. Mittels der Eintrittsvariabilität 114 ist der Eintrittsquerschnitt an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine 12 und somit an unterschiedliche Volumen- und/oder Massenströme des Abgases anpassbar. Hierdurch ist ein besonders effizienter Betrieb der Turbine 28 realisierbar.
Bei der Eintrittsvariabilität 114 kann es sich alternativ um einen Drehschaufler oder einen Axialschieber handeln. Vorliegend ist die Eintrittsvariabilität 114 als Zungenschieber ausgebildet, welcher eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung des Turbinenrads 82 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. In 4a und 4b ist eine dieser Zungen erkennbar und mit 130 bezeichnet. Die Zungen sind um die Drehachse 84 des Turbinenrads 82 relativ zum Turbinengehäuse 116 drehbar, wodurch der Eintrittsquerschnitt eingestellt wird. Zur Realisierung einer einfachen Betätigung der Zungen sind diese vorzugsweise mit einem den Zungen gemeinsamen Ring gekoppelt, welcher um die Drehachse 84 des Turbinenrads 82 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.
Jeweilige Zungenspitzen der Zungen greifen hierbei jeweilige Strömungsflächen von jeweils zugeordneten Zuführkanälen des Turbinengehäuses 116 so weit ab, dass der Radeintrittsdrall und eine effektive Radzuströmfläche bedarfsgerecht beeinflussbar sind. Über die jeweiligen Zuführkanäle ist das Abgas zum Turbinenrad 82 führbar ist. Die Zuführkanäle können sich dabei in Umfangsrichtung des Turbinenrads 82 über dessen Umfang zumindest im Wesentlichen spiralförmig erstrecken und somit als Spiralkanäle ausgebildet sein. Einer dieser zumindest im Wesentlichen spiralförmigen Zuführkanäle ist in 4a und 4b erkennbar und mit 132 bezeichnet.
Die Verwendung des Zungenschiebers ist auch insofern vorteilhaft, als mehrere Strömungssegmente der beispielsweise als Mehrsegment-Turbine ausgebildeten Turbine 28 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 sein können. In 4a und 4b ist der Ring, mit dem die Zungen drehfest verbunden sind, mit 134 bezeichnet. Der Ring 134 wird üblicherweise auch als Drehring bezeichnet.
Vorliegend sind die Eintrittsvariabilität 114 (Zungenschieber) und das Stellelement 80 miteinander gekoppelt, so dass sie zumindest in einem Teilbereich ihrer jeweiligen Verstellbereiche simultan, das heißt gleichzeitig miteinander bewegbar sind. Diese Kopplung des Zungenschiebers und der Varioscheibe erfolgt gemäß 4a und 4b über ein oder mehrere in Umfangsrichtung des Turbinenrads 82 über dessen Umfang verteilt angeordnete Kulissenelemente vorliegend in Form von Kulissenstiften 136, die von der festen Gehäuseseite durch Axialnuten 138 geführt werden. Der Drehring, an dem die drehbaren Zungen im Düsenbereich zur Turbine 28 befestigt sind, ist mit Kulissennuten 140 versehen, die bei der Drehung des Drehrings die axiale Position und Zuordnung der Varioscheibe zu den Zungen bestimmen. Mit anderen Worten werden die Kulissenstifte 136 beim Drehen des Rings 134 entlang der Axialnuten 138 derart geführt, dass die Drehbewegung des Rings 134 um die Drehachse 84 in eine axiale Verschiebung der Varioscheibe umgewandelt wird.
Vorzugsweise ist bei einer maximalen Öffnung des Zungenschiebers, das heißt bei einer Einstellung des maximalen Werts des Eintrittsquerschnitts A1, auch das Stellelement 80 in seiner maximalen Offenstellung eingestellt. Eine entsprechende Ausgestaltung der Kulissennuten 140 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 Prozent des Verstellbereichs des Zungenschiebers unabhängig vom Stellelement 80 bewegt wird, wobei sich das Stellelement 80 in diesen ersten 60 Prozent des Verstellbereichs des Zungenschiebers in der Schließstellung des Stellelements 80 befindet. Mit anderen Worten kann der Zungenschieber in den ersten 60 Prozent seines Verstellbereichs bewegt werden, ohne dass es auch zu einer Bewegung des Stellelements 80 kommt.
Erst bei einem Öffnungsgrad des Zungenschiebers von mehr als 60 Prozent 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 28 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 4a und 4b ist auch ein Turbinenradeintrittsbereich E veranschaulicht, über den das Turbinenrad 82 von Abgas anströmbar ist. Das Turbinenrad 82 kann dabei durch zumindest nahezu elliptische Zeugungskurven gekennzeichnet sein, wobei ein jeweiliger Scheitel der Zeugungskurven vorzugsweise auf Radialen der Drehachse 84 liegen kann, die sich noch im Turbineneintrittsbereich E befinden.
5 zeigt die Turbine 28 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Dabei zeigt 5 in einer schematischen Darstellung das abgewickelte Radsegment 120. Die Turbine 28 gemäß 5 unterscheidet sich insbesondere dahingehend von der ersten Ausführungsform, dass das Stellelement 80 als Blende ausgebildet ist. Das Stellelement 80 umfasst zwei Ringelemente 142 und 144, welche jeweilige und sich in axialer Richtung erstreckende Durchgangsöffnungen 146 aufweisen. Dies bedeutet, dass – bei einer entsprechenden Einstellung der Ringelemente 142 und 144 – die Durchgangsöffnungen 146 in axialer Richtung von dem das Turbinenrad 82 abströmenden Abgas durchströmbar sind.
Die Ringelemente 142 und 144 sind bezogen auf die Drehachse 84 koaxial zueinander angeordnet und relativ zueinander drehbar, so dass demzufolge auch die jeweiligen Durchgangsöffnungen 146 relativ zueinander bewegbar sind. Hierdurch können die Durchgangsöffnungen 146 von jeweiligen, die Durchgangsöffnungen 146 begrenzenden Wandungen der Ringelemente 142 und 144 fluidisch versperrt oder demgegenüber fluidisch freigegeben werden, so dass die das Turbinenrad 82 über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' abströmende Menge durch Drehen der Ringelemente 142 und 144 relativ zueinander einstellbar ist. Die jeweiligen Wandungen sind somit Versperrbereiche, die in der Schließstellung des Stellelements 80 die Durchgangsöffnungen 146 versperren, wohingegen die Durchgangsöffnungen 146 in der Offenstellung maximal freigegeben sind.
Vorzugsweise ist eines der Ringelemente 142 und 144 gehäusefest, das heißt relativ zu dem Turbinengehäuse 116 unbewegbar, während das andere der Ringelemente 142 und 144 relativ zum Turbinengehäuse 116 drehbar ist. Vorliegend ist das Ringelement 142 gehäusefest, während das Ringelement 144 relativ zum Turbinengehäuse 116 und somit relativ zum Ringelement 142 um die Drehachse 84 drehbar ist.
Aus 5 geht die voneinander unabhängige Verstellung der Eintrittsvariabilität 114 und des Stellelements 80 hervor. Dem Zungenschieber ist ein Aktor 148 zugeordnet, wobei dem Stellelement 80 und vorliegend dem Ringelement 144 ein vom Aktor 148 unterschiedlicher, separater Aktor 150 zum Drehen des Ringelements 144 zugeordnet ist. In 5 ist mit Richtungspfeilen 152 die Abströmrichtung des Abgases vom Turbinenrad 82 im Relativsystem veranschaulicht.
Wie aus 5 ferner zu erkennen ist, weist das Turbinenrad 82 eine sogenannte Splitbeschaufelung 154 mit Laufradschaufeln 118 und 156 auf. Das Turbinenrad 82 ist somit an die Verwendung von beiden Austrittsquerschnitten A2 und A2' angepasst, was dem Wirkungsgrad zugute kommt. Das Turbinenrad 82 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 80 gemäß 4a bis 5 mit dem externen Stellelement 80 gemäß beispielsweise 1 zu kombinieren. Mittels der externen Variabilität beispielsweise in Form einer 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 128 zulässt, kann eine Rückwirkung verlustträchtiger Strömungsstörungen im Turbinenrad 82 durch den weitgehend abgeschalteten Volumeneffekt des Sammelraums 128 klein gehalten werden.
6 zeigt das Turbinenrad 82 beispielsweise gemäß 5, wobei in 6 mit W₂ die relative Gasaustrittsgeschwindigkeit am Austrittsquerschnitt A2, mit W_2' die relative Gasaustrittsgeschwindigkeit am Austrittsquerschnitt A2' und mit C₁ die absolute Gaseintrittsgeschwindigkeit bezeichnet ist. Dabei ist W_2' größer 0 oder gleich 0. 7 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkung des Stellelements 80 und des zweiten Austrittsquerschnitts A2'. Auf der Abszisse 158 des Diagramms ist das 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 160 des Diagramms ist ein Verhältnis des zweiten Austrittsquerschnitts A2' zur Gesamtfläche A22' aufgetragen. Die Abszisse 158 charakterisiert somit die herkömmliche relative Austrittsfläche, während die Ordinate 160 die relative Austrittsfläche am Radrücken des Turbinenrads 82 charakterisiert. Eine in das Diagramm eingetragene Gerade 162 charakterisiert dabei die Flächenaufteilung zwischen den Austrittsquerschnitten A2 und A2', wobei gilt: A2'/A22' = 1 – A2/A22'.
Aus dem Diagramm ist somit die Wirkung des zweiten Austrittsquerschnitts A2' als Radzusatzströmungsquerschnitt zusätzlich zum Austrittsquerschnitt A2 erkennbar, um ein übermäßiges Abblasen von Abgas zu vermeiden. Die Gerade 162 charakterisiert auch die jeweilige Stellung des Stellelements 80 und somit die zugehörige Öffnung des zweiten Austrittsquerschnitts A2'. In 7 ist ein Auslegungsbereich der Turbine 28 eingezeichnet, bei welchem ein Verhältnis des zweiten Austrittsquerschnitts A2' zu der 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 164 im Diagramm ist die realisierbare Agilitätssteigerung bei entsprechender Auslegung der Turbine 28 veranschaulicht. Mit anderen Worten verdeutlicht 7 in Diagrammform den Zusammenhang der Gesamtfläche A22' und der Strömungsflächenaufteilung in Form des zweiten Austrittsquerschnitts A2' zum herkömmlichen Austrittsquerschnitt A2 der Turbine 28 hinsichtlich der Auslegungsmöglichkeit in Richtung einer Agilitätserhöhung der Verbrennungskraftmaschine 12. Bei 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 Abblasraten von 25 Prozent, 50 Prozent oder 75 Prozent der Fall sein kann. Bei der Turbine 28 ist jedoch kein wirkungsgradschädliches Abblasen, sondern der zusätzlich 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 12 erreicht werden kann.
Mit anderen Worten kann durch die Aufteilung der herkömmlichen Radaustrittsfläche A2 zu A2' ein hoher Durchsatz- und Agilitätsbedarf gedeckt werden. Gegenüber Abblaseturbinen besteht somit ein großes Wirkungsgradpotenzial. Möglicherweise lassen sich über ein Duo-Turbinenrad wie dem Turbinenrad 82 im Zusammenhang mit zweiflutigen, asymmetrischen Turbinen Potenziale hinsichtlich Verbrauch, Emission und Sondermerkmalen wie beispielsweise dem Thermomanagement positiv beeinflussen. Das Duo-Turbinenrad würde in einem zweistufigen Aufladesystem besonders bei der Hochdruck-Turbine und bei Hochdruck-AGR-Systemen vorteilhaft wirken, wobei bei einem solchen Hochdruck-AGR-System die Abzweigstelle 60 stromauf der Hochdruck-Turbine angeordnet ist.
8a und 8b zeigen am Beispiel der Turbine 28 eine dritte Ausführungsform der Turbine 28, wobei die Ausführungen zur Turbine 28 ohne weiteres auf die Turbine 30 übertragen werden können. Bei der dritten Ausführungsform weist das Turbinengehäuse 116 zwei von Abgas durchströmbare und zumindest teilweise fluidisch voneinander getrennte Abgasführungskanäle 166 und 168 auf. Der Abgasführungskanal 166 ist beispielsweise fluidisch mit der Flut 27 verbunden, wobei der Abgasführungskanal 168 fluidisch mit der Flut 26 verbunden ist. Dies bedeutet, dass der Abgasführungskanal 166 mit Abgas aus den Zylindern 14 und der Abgasführungskanal 168 mit Abgas aus den Zylindern 16 durchströmt wird. Eine dazu umgekehrte fluidische Verbindung ist jedoch ohne weiteres möglich.
In 8a ist auch eine Zwischenwandung 170 erkennbar, mittels welcher die Abgasführungskanäle 166 und 168 in axialer Richtung bis zumindest im Wesentlichen zu dem Turbinenrad 82 fluidisch voneinander getrennt sind. Vorteilhafterweise ist die Turbine 28 als zweiflutige, asymmetrische Turbine ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Abgasführungskanäle 166 und 168 asymmetrisch zueinander ausgebildet sind. Durch einen Richtungspfeil 172 in 8b ist die Drehrichtung des Turbinenrads 82 um die Drehachse 84 während des Betriebs der Turbine 28 veranschaulicht.
Die Abgasführungskanäle 166 und 168 münden dabei in den in 8a mit 174 bezeichneten Aufnahmeraum des Turbinengehäuses 116, in welchem das Turbinenrad 82 aufgenommen ist. Mittels der Abgasführungskanäle 166 und 168 wird das Abgas zum Aufnahmeraum 174 und somit zum Turbinenrad 82 geführt, so dass das Abgas das Turbinenrad 82 zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung des Turbinenrads 82 anströmen und dadurch antreiben kann.
Wie aus 8a erkennbar ist, weist das Turbinenrad 82 wenigstens einen mit dem Abgasführungskanal 166 korrespondierenden, ersten Strömungskanal 176 sowie wenigstens einen mit dem Abgasführungskanal 168 korrespondierenden, zweiten Strömungskanal 178 auf. Die Strömungskanäle 176 und 178 sind dabei mittels einer besonders gut aus 8b erkennbaren Trennwandung 180 des Turbinenrads 82 in axialer Richtung fluidisch voneinander getrennt und münden in die jeweiligen, in axialer Richtung gegenüberliegenden Turbinenradaustrittsbereiche 94 und 98.
Der erste Strömungskanal 176 ist dabei durch eine erste Beschaufelung 182 des Turbinenrads 82 gebildet, während der Strömungskanal 178 von einer von der ersten Beschaufelung 182 unterschiedlichen, zweiten Beschaufelung 184 des Turbinenrads 82 gebildet ist. Die Beschaufelungen 182 und 184 weisen jeweilige Austrittskanten 186 und 188 auf, über die das Turbinenrad 82 von dem Abgas abgeströmt wird.
Dieses Abströmen ist in 8b anhand von Richtungspfeilen 190 und 192 veranschaulicht. Anhand der Richtungspfeile 190 ist erkennbar, dass das den Abgasführungskanal 166 und den Strömungskanal 176 durchströmende Abgas das Turbinenrad 82 über die Austrittskante 186 in eine erste Strömungsrichtung abströmt, während das den Abgasführungskanal 168 und den Strömungskanal 178 durchströmende Abgas das Turbinenrad 82 in eine zweite Strömungsrichtung abströmt, was anhand der Richtungspfeile 192 erkennbar ist. Dabei sind die Strömungsrichtungen in axialer Richtung zumindest im Wesentlichen entgegengesetzt. Durch die fluidisch voneinander getrennten Beschaufelungen 182 und 184 ist es möglich, die Beschaufelungen 182 und 184 voneinander unabhängig auszugestalten und auf jeweilige Strömungsbedingungen der Abgasführungskanäle 166 und 168 abzustimmen. So ist es beispielsweise möglich, zwei unterschiedliche Radaustrittswinkel β₂ und β_2,lg darzustellen.
Auch das Turbinenrad 82 gemäß 8a und 8b ist somit als Duo-Turbinenrad ausgebildet, welches die Zweiflutigkeit des Turbinengehäuses 116 durch die eine Trennkontur darstellende Trennwandung 180 bis zum jeweiligen Turbinenradaustrittsbereich 94 und 102 mit autarken Austrittskanälen in Form der Strömungskanäle 176 und 178 fortführt. Hiermit ist eine Optimierungsmöglichkeit des AGR-Zweigs und des λ-Zweigs vom Motoraustritt nicht nur bis stromauf des Turbinenrads 82, sondern bis zum jeweiligen Turbinenradaustrittsbereich 94 und 98 stromab des Turbinenrads 82 geschaffen, wobei der AGR-Zweig und der λ-Zweig bis hin zum jeweiligen Turbinenradaustrittsbereich 94 und 98 zumindest im Wesentlichen unabhängig voneinander gestaltet und an jeweilige Anforderungen der Verbrennungskraftmaschine 12 an das Aufladesystem angepasst werden können. Der in 8b mit β_2,lg bezeichnete Radaustrittswinkel ist dabei der beispielsweise in 4b mit β_2' bezeichnete Radaustrittswinkel.
Bei der dritten Ausführungsform umfasst das Stellelement 30 einen feststehenden, gehäuseseitigen ersten Ring 194, welcher relativ zum Turbinengehäuse 116 fest ist. Das Stellelement 80 umfasst darüber hinaus einen beispielsweise um die Drehachse 84 relativ zum Turbinengehäuse 116 und relativ zu dem Ring 194 drehbaren Drehring 196, welcher auch als Drehscheibe oder Drehblende bezeichnet wird.
Der Ring 194 und der Drehring 196 weisen jeweilige Durchgangsöffnungen 198 auf, welche in Umfangsrichtungen von jeweiligen Wandungen 200 begrenzt sind. Durch Drehen des Drehrings 196 relativ zum Ring 194 können Durchgangsöffnungen 198 mehr oder weniger in gegenseitiger Überdeckung bewegt werden, so dass ein jeweiliger, von Abgas durchströmbarer Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung 198 eingestellt werden kann. Dies geht mit der Einstellung des lagerseitigen Austrittsquerschnitts A2' einher. Der Drehring 196 ist dabei zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung drehbar.
Aus 8a ist ein besonders schematisch dargestellter Aktor 202 zum Drehen des Drehrings 196 erkennbar. Insgesamt ist somit erkennbar, dass bei herkömmlichen, zweistufigen Aufladesystemen vier Flächenparameter zur Verfügung stehen. Ein erster dieser Flächenparameter ist beispielsweise die Festlegung des Niveaus des Eintrittsquerschnitts A1_HD der Hochdruck-Turbine im Absolutsystem. Ein zweiter der Parameter ist die optimale Zuordnung des Radaustrittsquerschnitts A2_HD der Hochdruckturbine im Relativsystem zum Eintrittsquerschnitt A1_HD. Entsprechend dazu ist ein dritter der Parameter die Festlegung des Niveaus des Eintrittsquerschnitts A1_ND der Niederdruck-Turbine im Absolutsystem, wobei der vierte Parameter die optimale Zuordnung des Radaustrittsquerschnitts A2_ND der Niederdruck-Turbine im Relativsystem zum Eintrittsquerschnitt A1_ND ist.
Diesen herkömmlicherweise vorgesehenen vier Parametern stehen sechs Turbinenflächen beziehungsweise Flächenparameter bei der Aufladeeinrichtung 10 gemäß 1 bis 3 gegenüber. Bei diesen sechs Parametern handelt es sich um die Festlegung des Niveaus des Eintrittsquerschnitts A1_HD der Hochdruck-Turbine im Absolutsystem, die optimale Zuordnung des Gesamt-Radaustrittsquerschnitts A2_HD + A2'_HD, die optimale Zuordnung des Quotienten des Radaustrittsquerschnitts A2'_HD/(A2_HD + A2'_HD), wobei diese drei Parameter der Hochdruck-Turbine zugeordnet sind. Die weiteren drei Parameter sind der Niederdruck-Turbine zugeordnet, wobei es sich um die Festlegung des Niveaus des Eintrittsquerschnitts A1_ND im Absolutsystem, die optimale Zuordnung des Gesamt-Radaustrittsquerschnitts A2_ND + A2'_ND und die optimale Zuordnung des Quotienten des Radaustrittsquerschnitts A2'_ND/(A2_ND + A2'_ND) handelt.
Wie bereits erwähnt, lassen sich Anwendungsfälle nicht ausschließen, bei denen auch die Turbine mit dem Duo-Turbinenrad zusätzlich regelbare Bypassierungsflächen besitzt, die aufgrund der Rückwirkung auf die Turbine bei der Auslegung Berücksichtigung finden müssen.
Geht man im groben Vergleich des zweistufigen Aufladesystems gemäß 1 bis 3 mit einem herkömmlichen Aufladesystem vereinfachend von Volldurchsatzturbinen aus, so ergeben sich durch den Vergleichsflächenquotienten von 6 zu 4 eine für die Turbine mit dem Duo-Turbinenrad 50 Prozent höhere Abstimmungsoptionsanzahl über die Haupt-Turbinen-Flächen A1, A2, A2' zur Optimierung der beiden seriellen Turbinen im Vergleich zum Stand der Technik. Das Potenzial zur Agilitätserhöhung, der Reduzierung des Verbrauchs bei Einhaltung der Emissionsgrenzwerte, wie auch die Absenkung der Mechanik-Beanspruchungen durch Druck- und Temperaturabsenkungen des Abgases am Turbineneintritt der Hochdruck-Turbine sollte möglichst durch Vermeidung der Bypassierung des größten Abgasanteils für die angestrebte Anwendung abrufbar sein. Die optimale Abstimmung der Turbine mit dem Duo-Turbinenrad, die neben der Festlegung der Gesamt-Radaustrittsfläche A2 + A2', den maßgeblichen Freiheitsgrad der Zusatzfläche A2'/(A2 + A2') als Quotient bietet, dürfte für die zweistufigen Aufladesysteme nochmals eine höhere Wertigkeit aufweisen als sie bei den einstufigen Anwendungen zeigen wird.
Bezugszeichenliste

10: Aufladeeinrichtung
12: Verbrennungskraftmaschine
14: Zylinder
16: Zylinder
18: Kurbelwelle
20: Richtungspfeil
22: Abgastrakt
24: Abgaskrümmer
25: Abgaskrümmer
26: Flut
27: Flut
28: Turbine
30: Turbine
32: Abgasnachbehandlungseinrichtung
34: Abgasturbolader
36: Abgasturbolader
38: Ansaugtrakt
40: Verdichter
42: Verdichterrad
44: Verdichter
46: Verdichterrad
48: Luftfilter
50: Zwischenkühler
52: Ladeluftkühler
54: Ladeluftverteiler
56: Abgasrückführeinrichtung
58: Abgasrückführleitung
60: Abzweigstelle
62: Zuführstelle
64: Abgasrückführventil
66: Abgasrückführkühler
68: Druckmodulator
70: Dämpfungsvolumen
72: Zuströmquerschnitt
74: Abströmquerschnitt
76: Recheneinrichtung
78: Stelleinrichtung
80: Stellelement
82: Turbinenrad
84: Drehachse
86: Welle
88: Turbinenrad
90: Drehachse
92: Welle
94: Turbinenradaustrittsbereich
96: Turbinenradaustrittsbereich
98: Turbinenradaustrittsbereich
100: erste Seite
102: zweite Seite
104: Turbinenradaustrittsbereich
106: Stelleinrichtung
108: Stellelement
110: Segment
112: Segment
114: Eintrittsvariabilität
116: Turbinengehäuse
118: Laufradschaufel
120: Radsegment
122: Schaufelfront
124: Schaufelfront
126: Richtungspfeil
128: Sammelraum
130: Zunge
132: Zuführkanal
134: Ring
136: Kulissenstift
138: Axialnut
140: Kulissennut
142: Ringelement
144: Ringelement
146: Durchgangsöffnungen
148: Aktor
150: Aktor
152: Richtungspfeil
154: Splitbeschaufelung
156: Laufradschaufel
158: Abszisse
160: Ordinate
162: Gerade
164: Richtungspfeil
166: Abgasführungskanal
168: Abgasführungskanal
170: Zwischenwandung
172: Richtungspfeil
174: Aufnahmeraum
176: Strömungskanal
178: Strömungskanal
180: Trennwandung
182: Beschaufelung
184: Beschaufelung
186: Abströmkante
188: Abströmkante
190: Richtungspfeil
192: Richtungspfeil
194: Ring
196: Drehring
198: Durchgangsöffnungen
200: Wandung
202: Aktor
A2: Austrittsquerschnitt
A2': Austrittsquerschnitt
A22': Austrittsquerschnitt
E: Eintrittsbereich
U: Richtungspfeil
M: Mischstelle
C₁: absolute Gaseintrittsgeschwindigkeit
W₂: relative Gasaustrittsgeschwindigkeit
W_2': relative Gasaustrittsgeschwindigkeit
p₁: Druck
p_2N: Druck
p_2H: Druck
p_2s: Druck
p₃: Druck
p₄: Druck
p₅: Druck
p₃₁: Druck
p₃₂: Druck
Φ_T1: Durchsatzparameter
Φ_T2: Durchsatzparameter
Φ_T1,31: Durchsatzparameter
Φ_T1,32: Durchsatzparameter
β₂: Radaustrittswinkel
β_2': Radaustrittswinkel
β_2,lg: Radaustrittswinkel

Claims

Aufladeeinrichtung (10) für eine Verbrennungskraftmaschine (12), mit wenigstens zwei seriell zueinander angeordneten, von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) antreibbaren Turbinen (28, 30) für jeweilige Abgasturbolader (34, 36), wobei die Turbinen (28, 30) jeweils ein Turbinengehäuse (116) und ein im dem jeweiligen Turbinengehäuse (116) um eine Drehachse (84, 90) relativ zu dem jeweiligen Turbinengehäuse (116) drehbar aufgenommenes Turbinenrad (82, 88) umfassen, das einen Turbinenradaustrittsbereich (94, 96) mit einem Austrittsquerschnitt (A2, A3) aufweist, über welchen das jeweilige Turbinenrad (82, 88) von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) abströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Turbinenräder (82, 88) einen zweiten Turbinenradaustrittsbereich (98, 104) mit einem zweiten, dem ersten Austrittsquerschnitt (A2, A3) des zumindest einen Turbinenrads (82, 88) in axialer Richtung gegenüberliegenden Austrittsquerschnitt (A2', A3') aufweist, wobei wenigstens ein Stellelement (80, 108) vorgesehen ist, mittels welchem eine das zumindest eine Turbinenrad (82, 88) über den zweiten Austrittsquerschnitt (A2', A3') abströmende Menge des Abgases einstellbar ist.
Aufladeeinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Turbinenräder (82, 88) jeweils einen zweiten Turbinenradaustrittsbereich (98, 104) mit einem zweiten, dem ersten Austrittsquerschnitt (A2, A3) des jeweiligen Turbinenrads (82, 88) in axialer Richtung gegenüberliegenden Austrittsquerschnitt (A2', A3') aufweisen, wobei jedem Turbinenrad (82, 88) wenigstens ein Stellelement (80, 108) zugeordneten ist, mittels welchem eine das jeweilige Turbinenrad (82, 88) über den jeweiligen zweiten Austrittsquerschnitt (A2', A3') abströmende Menge des Abgases einstellbar ist.
Aufladeeinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (80. 108) innerhalb wenigstens eines Gehäuseelements des zum zumindest einen Turbinenrad (82, 88) gehörenden Abgasturboladers (34, 36), insbesondere innerhalb des Turbinengehäuses (116), angeordnet ist.
Aufladeeinrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Stellelement zum Einstellen der das zumindest eine Turbinenrad (82, 88) über den zweiten Austrittsquerschnitt (A2', A3') abströmenden Menge des Abgases vorgesehen ist, welches außerhalb des Gehäuseelements, insbesondere des Turbinengehäuses (116), angeordnet ist.
Aufladeeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (80, 108) in axialer Richtung relativ zum Gehäuseelement bewegbar ist.
Aufladeeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Eintrittsstellelement (130) vorgesehen ist, mittels welchem ein stromauf des zumindest einen Turbinenrads (82, 88) angeordneter und von dem zumindest einen Turbinenrad (82, 88) zuzuführendem Abgas durchströmbarer Eintrittsquerschnitt einstellbar ist.
Aufladeeinrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Eintrittselement (130) und das Stellelement (80, 108) über eine Kopplungseinrichtung miteinander gekoppelt sind.
Aufladeeinrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinrichtung dazu ausgelegt ist, dass das Eintrittselement (130) in einem ersten Teilbereich seines Verstellbereichs unabhängig vom Stellelement (80, 108) und in einem zweiten Teilbereich des Verstellbereichs zusammen mit dem Stellelement (80, 108) zu bewegen.
Aufladeeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis des zweiten Austrittsquerschnitts (A2', A3') zu einer Summe aus dem ersten Austrittsquerschnitt (A2, A3) und dem zweiten Austrittsquerschnitt (A2', A3') in einem Bereich von einschließlich 0,25 bis einschließlich 0,75 liegt.
Aufladeeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Turbinenrad (82, 88) erste Laufradschaufeln (118), welche beiden Austrittsquerschnitten (A2, A2', A3, A3') zugeordnet sind, und zweite Laufradschaufeln (156), welche bezogen auf die Austrittsquerschnitte (A2, A2', A3, A3') lediglich dem zweiten Austrittsquerschnitt (A2', A3') zugeordnet sind, aufweist.