DE102014215888A1 - Internal combustion engine with variable mixed-flow turbine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft, einem Abgasabführsystem (2) zum Abführen des Abgases und mindestens einer im Abgasabführsystem (2) angeordneten Mixed-Flow-Turbine (1), die mindestens ein in einem Turbinengehäuse (3) angeordnetes und auf einer drehbaren Turbinenwelle (4) gelagertes Laufrad (5) umfasst und bei der das Turbinengehäuse (3) einen Eintrittsbereich (6) aufweist, in welchem stromaufwärts des mindestens einen Laufrades (5) eine verstellbare Leiteinrichtung (8) angeordnet ist, die mittels Verstelleinrichtung (9) verdrehbare Leitschaufeln (8a) umfasst, wobei – die Verstelleinrichtung (9) über einen verdrehbaren Verstellring (9a) verfügt, der koaxial zur Turbinenwelle (4) der Mixed-Flow-Turbine (1) gelagert ist, – jede Leitschaufel (8a) auf einer leitschaufelzugehörigen Welle (8b) angeordnet ist, und – verschwenkbare Hebel (8c) als Zwischenelemente zur kinematischen Koppelung des Verstellringes (9a) mit den leitschaufelzugehörigen Wellen (8b) vorgesehen sind, die jeweils an ihrem einen wellenseitigen Ende (8c´) verdrehfest mit einer leitschaufelzugehörigen Welle (8b) verbunden sind und an ihrem anderen ringseitigen Ende (8c´´) beweglich in einer Ausnehmung (9b) des Verstellringes (9a) gelagert sind, so dass die Leitschaufeln (8a) mittels Verdrehen des Verstellrings (9a) verstellbar sind, wobei – jede leitschaufelzugehörige Welle (8b) geradlinig ausgebildet ist, – die verschwenkbaren Hebel (8c) um einen spitzen Winkel γ gekröpft sind, und – die verschwenkbaren Hebel (8c) ausgehend vom Verstellring (9a) nach außen gerichtet sind.The invention relates to an internal combustion engine having an intake system for supplying charge air, an exhaust gas removal system (2) for discharging the exhaust gas and at least one mixed-flow turbine (1) arranged in the exhaust gas removal system (2) and having at least one turbine housing (3) and on a rotatable turbine shaft (4) mounted impeller (5) and wherein the turbine housing (3) has an inlet region (6), in which upstream of the at least one impeller (5) is arranged an adjustable guide (8) by means of Adjusting device (9) comprises rotatable guide vanes (8a), wherein - the adjusting device (9) has a rotatable adjusting ring (9a) which is mounted coaxially with the turbine shaft (4) of the mixed-flow turbine (1), - each vane ( 8a) is arranged on a guide blade-associated shaft (8b), and - pivotable lever (8c) as intermediate elements for the kinematic coupling of the adjusting ring (9a) m the guide vane-associated shafts (8b) are provided, which are each connected at their one shaft-side end (8c ') rotationally fixed to a guide vane-associated shaft (8b) and at its other ring-side end (8c'') movable in a recess (9b) of Adjusting ring (9a) are mounted so that the guide vanes (8a) by means of rotation of the adjusting ring (9a) are adjustable, - each guide blade associated shaft (8b) is rectilinear, - the pivotable lever (8c) are cranked by an acute angle γ , and - the pivotable levers (8c) are directed outwards from the adjusting ring (9a).
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft, einem Abgasabführsystem zum Abführen des Abgases und mindestens einer im Abgasabführsystem angeordneten Mixed-Flow-Turbine, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse angeordnetes und auf einer drehbaren Turbinenwelle gelagertes Laufrad umfasst und bei der das Turbinengehäuse einen Eintrittsbereich aufweist, in welchem stromaufwärts des mindestens einen Laufrades eine verstellbare Leiteinrichtung angeordnet ist, die mittels Verstelleinrichtung verdrehbare Leitschaufeln umfasst, wobei
- – die Verstelleinrichtung über einen verdrehbaren Verstellring verfügt, der koaxial zur Turbinenwelle der Mixed-Flow-Turbine gelagert ist,
- – jede Leitschaufel auf einer leitschaufelzugehörigen Welle angeordnet ist, und
- – verschwenkbare Hebel als Zwischenelemente zur kinematischen Koppelung des Verstellringes mit den leitschaufelzugehörigen Wellen vorgesehen sind, die jeweils an ihrem einen wellenseitigen Ende verdrehfest mit einer leitschaufelzugehörigen Welle verbunden sind und an ihrem anderen ringseitigen Ende beweglich in einer Ausnehmung des Verstellringes gelagert sind, so dass die Leitschaufeln mittels Verdrehen des Verstellrings verstellbar sind.
- The adjusting device has a rotatable adjusting ring which is mounted coaxially with the turbine shaft of the mixed-flow turbine,
- - Each vane is arranged on a guide blade associated shaft, and
- - Swiveling levers are provided as intermediate elements for kinematic coupling of the adjusting ring with the guide shafts associated shafts, which are each connected at its one shaft-side end rotationally connected to a guide shovel associated shaft and are movably mounted at its other ring-side end in a recess of the adjusting, so that the guide vanes are adjustable by turning the adjusting ring.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.In the context of the present invention, the term internal combustion engine includes diesel engines and gasoline engines, but also hybrid internal combustion engines, which use a hybrid combustion process, and hybrid drives, which in addition to the internal combustion engine comprise an electric motor which can be electrically connected to the internal combustion engine, which receives power from the internal combustion engine or as switchable auxiliary drive additionally delivers power.
In den letzten Jahren hat sich eine Entwicklung hin zu kleinen, hochaufgeladenen Motoren vollzogen, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird. Die wirtschaftliche Bedeutung dieser Motoren für die Automobilbauindustrie nimmt weiter ständig zu.In recent years, there has been a trend toward small, supercharged engines, with supercharging primarily a method of increasing performance by compressing the air needed for the engine combustion process. The economic importance of these engines for the automotive industry continues to increase.
Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.Frequently, an exhaust gas turbocharger is used for charging, in which a compressor and a turbine are arranged on the same shaft. The hot exhaust stream is supplied to the turbine and relaxes with energy release in the turbine, causing the shaft to rotate. The energy emitted by the exhaust gas flow to the turbine and finally to the shaft is used to drive the compressor, which is also arranged on the shaft. The compressor conveys and compresses the charge air supplied to it, whereby a charging of the cylinder is achieved. Advantageously, a charge air cooler is provided downstream of the compressor in the intake system, with which the compressed charge air is cooled before entering the at least one cylinder. The radiator lowers the temperature and thus increases the density of the charge air, so that the cooler to a better filling of the cylinder, d. H. contributes to a larger air mass. There is a compaction by cooling.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.The advantage of an exhaust gas turbocharger compared to a mechanical supercharger is that there is no mechanical connection to the power transmission between the supercharger and the internal combustion engine or is required. While a mechanical supercharger obtains the energy required for its drive completely from the internal combustion engine and thus reduces the power provided and thus adversely affects the efficiency, the exhaust gas turbocharger uses the exhaust gas energy of the hot exhaust gases.
Die Aufladung dient – wie bereits erwähnt – der Leistungssteigerung. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.The charge is - as already mentioned - the increase in performance. The air required for the combustion process is compressed, which allows each cylinder per working cycle, a larger air mass can be supplied. As a result, the fuel mass and thus the medium pressure can be increased.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit geeigneten Getriebeauslegungen kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.The charge is a suitable means to increase the capacity of an internal combustion engine with unchanged displacement or to reduce the displacement at the same power. In any case, the charging leads to an increase in space performance and a lower power mass. If the displacement is reduced, then the load spectrum can be shifted to higher loads, where the specific fuel consumption is lower. By charging in combination with suitable transmission designs and a so-called downspeeding can be realized, in which also a lower specific fuel consumption can be achieved.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.Charging thus supports the constant effort in the development of internal combustion engines to minimize fuel consumption, d. H. to improve the efficiency of the internal combustion engine.
Ein weiteres grundsätzliches Ziel ist es, die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Bei der Lösung dieser Aufgabe kann die Aufladung ebenfalls zielführend sein. Bei gezielter Auslegung der Aufladung können nämlich Vorteile im Wirkungsgrad und bei den Abgasemissionen erzielt werden.Another fundamental goal is to reduce pollutant emissions. In the solution of this task, the charging can also be effective. With targeted design of the charge namely benefits in efficiency and in the exhaust emissions can be achieved.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch Verwendung mehrerer Turbolader verbessert werden, beispielsweise durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden, oder auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient.The torque characteristic of a supercharged internal combustion engine may be improved by use be improved several turbochargers, for example, by a plurality of parallel turbines of smaller turbine cross-section, with successively connected turbines with increasing exhaust gas, or by means of several series-connected exhaust gas turbocharger, of which an exhaust gas turbocharger as a high pressure stage and an exhaust gas turbocharger as a low pressure stage.
Bei der Auslegung der Abgasturboaufladung ist man grundsätzlich bemüht, die Turbine bzw. die Turbinen möglichst nahe am Auslass der Brennkraftmaschine, d. h. nahe der Auslassöffnungen der Zylinder, anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers zu gewährleisten. Nicht nur der Weg der heißen Abgase zur Turbine verkürzt sich durch eine motornahe Anordnung, auch das Volumen des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine nimmt ab. Die thermische Trägheit des Abgasabführsystems nimmt ebenfalls ab und zwar durch Reduzierung der Masse und der Länge des Teilstückes des Abgasabführsystems bis hin zur Turbine.In the design of the turbocharger is basically endeavor, the turbine or turbines as close to the outlet of the engine, d. H. near the exhaust ports of the cylinder, to be arranged in order to be able to use the exhaust enthalpy of the hot exhaust gases, which is largely determined by the exhaust pressure and the exhaust gas temperature, optimally and to ensure a fast response of the turbocharger. Not only the way of the hot exhaust gases to the turbine is shortened by a close-coupled arrangement, also the volume of Abgasabführsystems upstream of the turbine decreases. The thermal inertia of the Abgasabführsystems also decreases by reducing the mass and the length of the portion of Abgasabführsystems to the turbine.
Aus den vorstehend genannten Gründen wird auch der Abgaskrümmer nach dem Stand der Technik häufig im Zylinderkopf integriert. Die Integration des Abgaskrümmers gestattet darüber hinaus ein dichtes Packaging der Antriebseinheit. Zudem kann von einer gegebenenfalls im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung partizipiert werden, so dass der Krümmer nicht aus thermisch hoch belastbaren Werkstoffen gefertigt werden muss, die kostenintensiv sind.For the reasons mentioned above, the exhaust manifold according to the prior art is often integrated in the cylinder head. The integration of the exhaust manifold also allows a dense packaging of the drive unit. In addition, it is possible to participate in a liquid cooling system, which may be provided in the cylinder head, so that the manifold does not have to be manufactured from materials capable of bearing high thermal loads, which are cost-intensive.
Nach dem Stand der Technik kann die im Abgasabführsystem angeordnete Turbine von unterschiedlicher Bauweise sein. Die Turbine eines Abgasturboladers wird häufig in Radialbauweise ausgeführt, d. h. die Anströmung der Laufschaufeln des Laufrades erfolgt im Wesentlichen radial. Im Wesentlichen radial bedeutet, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente. Der Geschwindigkeitsvektor der Strömung schneidet die Welle des Abgasturboladers in einem rechten Winkel, falls die Anströmung exakt radial verläuft. Eine Radialturbine wird beispielsweise in der
Um die Laufschaufeln radial anströmen zu können, wird der Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases nach dem Stand der Technik als rundum verlaufendes Spiral- oder Schneckengehäuse ausgebildet, so dass die Zuströmung des Abgases zum Turbinenlaufrad im Wesentlichen radial erfolgt. In order to be able to flow radially to the rotor blades, the inlet region for supplying the exhaust gas according to the prior art is designed as a spiral or worm casing running all around, so that the inflow of the exhaust gas to the turbine rotor is essentially radial.
Hierzu muss das Abgas gelegentlich umgeleitet bzw. umgelenkt werden, um der Radialturbine zugeführt werden zu können. Um die Abgasenergie möglichst effizient nutzen zu können, sollte das Abgas aber möglichst wenig umgelenkt werden. Jede Richtungsänderung der Abgasströmung, beispielsweise infolge einer Krümmung des Abgasabführsystems, hat einen Druckverlust in der Abgasströmung und damit einen Enthalpieverlust zur Folge. Häufig kann eine Radialturbine aber auch in vorteilhafter Weise Teil des Abgasabführsystems werden, beispielsweise als Hochdruckturbine einer mehrstufigen Aufladung, und die Richtungsänderung in der Turbine genutzt werden, um eine kompakte Bauweise der Aufladung bzw. der Brennkraftmaschine zu realisieren.For this purpose, the exhaust gas must be occasionally diverted or deflected in order to be fed to the radial turbine can. In order to use the exhaust gas energy as efficiently as possible, the exhaust gas should, however, be deflected as little as possible. Any change in direction of the exhaust gas flow, for example as a result of a curvature of the Abgasabführsystems, has a pressure drop in the exhaust gas flow and thus enthalpy loss. Frequently, however, a radial turbine can also advantageously be part of the exhaust-gas removal system, for example as a high-pressure turbine of a multi-stage supercharging, and the directional change in the turbine can be used in order to realize a compact design of the supercharger or the internal combustion engine.
Gelegentlich wird die Turbine eines Abgasturboladers auch als Axialturbine ausgeführt, d. h. die Anströmung der Laufradschaufeln erfolgt im Wesentlichen axial. Im Wesentlichen axial bedeutet, dass die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung größer ist als die radiale Geschwindigkeitskomponente. Der Geschwindigkeitsvektor der Anströmung im Bereich des Laufrades verläuft parallel zur Welle des Abgasturboladers, falls die Anströmung exakt axial verläuft.Occasionally, the turbine of an exhaust gas turbocharger is also designed as an axial turbine, d. H. the flow of the impeller blades takes place substantially axially. Substantially axial means that the velocity component in the axial direction is greater than the radial velocity component. The velocity vector of the flow in the area of the impeller runs parallel to the shaft of the turbocharger, if the flow is exactly axial.
Nach dem Stand der Technik wird auch bei Axialturbinen der Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases häufig als rundum verlaufendes Spiral- oder Schneckengehäuse ausgebildet, so dass zumindest im Eintrittsbereich die Strömung des Abgases schräg bzw. radial zur Welle verläuft bzw. geführt wird. Eine Umlenkung des Abgases führt auch bei Axialturbinen zu Einbußen bei der verfügbaren Abgasenthalpie. Die
In der Regel werden Turbinen in der sogenannten Mixed-Flow-Bauweise ausgeführt, bei der der Geschwindigkeitsvektor der Anströmung sowohl eine radiale Geschwindigkeitskomponente als auch eine axiale Geschwindigkeitskomponente aufweist. Auch die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über mindestens eine Mixed-Flow-Turbine, die vorliegend mindestens ein in einem Turbinengehäuse angeordnetes und auf einer drehbaren Turbinenwelle gelagertes Laufrad umfasst. Die verwendete Mixed-Flow-Turbine muss dabei nicht zwingend die Turbine eines Abgasturboladers sein. Gegenüber einer reinen Radialturbine zeichnet sich die Mixed-Flow-Turbine durch eine geringere Trägheit aus, die aus dem kleineren Durchmesser des Laufrades resultiert. In general, turbines in the so-called mixed-flow design are carried out in which the velocity vector of the flow has both a radial velocity component and an axial velocity component. The internal combustion engine, which is the subject of the present invention, also has at least one mixed-flow turbine, which in the present case comprises at least one impeller arranged in a turbine housing and mounted on a rotatable turbine shaft. The used mixed-flow turbine does not necessarily have to be the turbine of an exhaust gas turbocharger. Compared to a pure radial turbine, the mixed-flow turbine is characterized by a lower inertia, which results from the smaller diameter of the impeller.
Die eingesetzte Mixed-Flow-Turbine ist mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet, die eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes gestattet. Dabei sind im Eintrittsbereich der Turbine Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine.The used mixed-flow turbine is equipped with a variable turbine geometry, which allows a further adaptation to the respective operating point of the internal combustion engine Adjustment of the turbine geometry or the effective turbine cross-section allowed. In this case, guide vanes for influencing the flow direction are arranged in the inlet region of the turbine. Unlike the vanes of the rotating impeller, the vanes do not rotate with the shaft of the turbine.
Verfügt die Turbine über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich im Eintrittsbereich angeordnet, d. h. starr fixiert. Wird hingegen eine Turbine mit variabler Geometrie eingesetzt, sind die Leitschaufeln zwar stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.If the turbine has a fixed invariable geometry, the vanes are not only stationary, but also completely immovable in the entry area, i. H. rigidly fixed. If, on the other hand, a turbine with variable geometry is used, the vanes are indeed arranged stationary, but not completely immobile, but rotatable about their axis, so that the flow of the blades can be influenced.
Bei der Mixed-Flow-Turbine der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist stromaufwärts des mindestens einen Laufrades eine verstellbare Leiteinrichtung angeordnet, die mittels Verstelleinrichtung verdrehbare Leitschaufeln umfasst. Die Verstelleinrichtung verfügt über einen verdrehbaren Verstellring, der koaxial zur Turbinenwelle der Mixed-Flow-Turbine gelagert ist, wobei jede Leitschaufel auf einer leitschaufelzugehörigen Welle angeordnet ist. Die Leitschaufeln sind kinematisch mit dem Verstellring über Zwischenelemente gekoppelt, so dass durch Verdrehen des Ringes die Leitschaufeln verstellt werden.In the case of the mixed-flow turbine of the internal combustion engine according to the invention, an adjustable guide device is arranged upstream of the at least one running wheel and comprises guide vanes which can be rotated by means of an adjusting device. The adjusting device has a rotatable adjusting ring which is mounted coaxially with the turbine shaft of the mixed-flow turbine, wherein each guide vane is arranged on a guide vane-associated shaft. The guide vanes are kinematically coupled to the adjusting ring via intermediate elements, so that the guide vanes are adjusted by turning the ring.
Die
Nachteilig an der beschriebenen Verstelleinrichtung ist, dass die Hebel ausgehend vom Verstellring nach innen gerichtet sind, d. h. der Verstellring in Bezug auf die Hebel ein außenliegender Verstellring ist. Dies führt zu großen Durchmessern des Verstellringes, der sich nicht in das Turbinengehäuse integrieren lässt, sondern benachbart zum Gehäuse angeordnet werden muss. Die Turbine wird dadurch insgesamt größer, d. h. weniger kompakt, insbesondere ihre Länge in Richtung Turbinenwelle nimmt deutlich zu.A disadvantage of the adjustment described is that the levers are directed starting from the adjusting ring inwards, d. H. the adjusting ring with respect to the lever is an outboard adjusting ring. This leads to large diameters of the adjusting ring, which can not be integrated into the turbine housing, but must be arranged adjacent to the housing. The turbine is thus larger overall, d. H. less compact, in particular their length in the direction of the turbine shaft increases significantly.
Darüber hinaus sind die leitschaufelzugehörigen Wellen, auf denen die Leitschaufeln angeordnet sind, gemäß der
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und deren variable Mixed-Flow-Turbine über eine verbesserte Verstelleinrichtung bzw. Leiteinrichtung verfügt.Against this background, it is the object of the present invention to provide an internal combustion engine according to the preamble of claim 1, with which the disadvantages known from the prior art are overcome and whose variable mixed-flow turbine has an improved adjusting device or guide.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft, einem Abgasabführsystem zum Abführen des Abgases und mindestens einer im Abgasabführsystem angeordneten Mixed-Flow-Turbine, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse angeordnetes und auf einer drehbaren Turbinenwelle gelagertes Laufrad umfasst und bei der das Turbinengehäuse einen Eintrittsbereich aufweist, in welchem stromaufwärts des mindestens einen Laufrades eine verstellbare Leiteinrichtung angeordnet ist, die mittels Verstelleinrichtung verdrehbare Leitschaufeln umfasst, wobei
- – die Verstelleinrichtung über einen verdrehbaren Verstellring verfügt, der koaxial zur Turbinenwelle der Mixed-Flow-Turbine gelagert ist,
- – jede Leitschaufel auf einer leitschaufelzugehörigen Welle angeordnet ist, und
- – verschwenkbare Hebel als Zwischenelemente zur kinematischen Koppelung des Verstellringes mit den leitschaufelzugehörigen Wellen vorgesehen sind, die jeweils an ihrem einen wellenseitigen Ende verdrehfest mit einer leitschaufelzugehörigen Welle verbunden sind und an ihrem anderen ringseitigen Ende beweglich in einer Ausnehmung des Verstellringes gelagert sind, so dass die Leitschaufeln mittels Verdrehen des Verstellrings verstellbar sind, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- – jede leitschaufelzugehörige Welle geradlinig ausgebildet ist,
- – die verschwenkbaren Hebel um einen spitzen Winkel γ gekröpft sind, und
- – die verschwenkbaren Hebel ausgehend vom Verstellring nach außen gerichtet sind.
- The adjusting device has a rotatable adjusting ring which is mounted coaxially with the turbine shaft of the mixed-flow turbine,
- - Each vane is arranged on a guide blade associated shaft, and
- - Swiveling levers are provided as intermediate elements for kinematic coupling of the adjusting ring with the guide shafts associated shafts, which are each connected at its one shaft-side end rotationally connected to a guide shovel associated shaft and are movably mounted at its other ring-side end in a recess of the adjusting, so that the guide vanes be adjusted by turning the adjusting ring, which is characterized in that
- Each vane-associated shaft is rectilinear,
- - The pivotable levers are cranked at an acute angle γ, and
- - The pivotable lever are directed starting from the adjusting ring to the outside.
Jede leitschaufelzugehörige Welle der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist geradlinig ausgebildet. Eine geradlinige Ausbildung der Welle vereinfacht die Kinematik der Verstelleinrichtung in der Art, dass ein Verdrehen der leitschaufelzugehörigen Welle am verstellringseitigen Ende eine reine Drehbewegung der zugehörigen Leitschaufel bedingt, wohingegen eine gekröpfte Welle eine Taumelbewegung der Leitschaufel hervorruft. Durch ein Verdrehen des Ringes werden die Leitschaufeln verstellt, wobei die Schaufeln eine reine Drehbewegung vollführen.Each vane-associated shaft of the internal combustion engine according to the invention is rectilinear. A straight-line design of the shaft simplifies the kinematics of the adjusting device in such a way that rotation of the guide-blade-associated shaft at the adjusting ring-side end causes a pure rotational movement of the associated guide blade, whereas a cranked shaft causes a tumbling motion of the guide blade. By rotating the ring, the vanes are adjusted, the blades perform a pure rotational movement.
Infolgedessen ist eine spaltfreie Anordnung der verdrehbaren Leitschaufeln im Eintrittsbereich möglich und zwar in jeder Verdrehposition der Schaufeln. Letzteres ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, da die Abgasströmung über die Leitschaufeln und nicht via Spalt an den Leitschaufeln vorbei geführt werden soll. As a result, a gap-free arrangement of the rotatable vanes in the inlet region is possible in each rotational position of the blades. The latter is a significant advantage over the prior art, since the exhaust gas flow is to be guided over the guide vanes and not via gap on the vanes.
Die verschwenkbaren Hebel sind um einen spitzen Winkel γ gekröpft und damit geeignet, den koaxial zur Turbinenwelle gelagerten Verstellring mit den Leitschaufeln, die jeweils auf einer – gegenüber der Turbinenwelle geneigten – Welle angeordnet sind, kinematisch zu koppeln. Die Kröpfung der Hebel dient dazu, die Neigung der leitschaufelzugehörigen Wellen zur Turbinenwelle auszugleichen.The pivotable levers are bent at an acute angle γ and thus adapted to kinematically couple the coaxial with the turbine shaft adjusting ring with the vanes, which are each arranged on a - relative to the turbine shaft inclined - wave. The cranking of the levers serves to balance the inclination of the guide vane-associated shafts with the turbine shaft.
Im Gegensatz zu dem in der
Der Verstellring bildet in Bezug auf die Hebel einen innenliegenden Verstellring. Folglich kann der erfindungsgemäße Verstellring mit einem vergleichsweise kleinen Durchmesser ausgebildet werden. Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verstellringen lässt sich der erfindungsgemäße Verstellring kleineren Durchmessers in das Turbinengehäuse integrieren, d. h. bei einem Spiral- oder Schneckengehäuse in Richtung der abgasführenden Leitungen einrücken, d. h. benachbart zu diesen anordnen. Die Turbine wird dadurch kompakter, weniger voluminös und in Richtung Turbinenwelle kürzer. Der Verstellring als solcher hat ein niedrigeres Gewicht und aufgrund seines kleineren Durchmessers auch ein vermindertes Trägheitsmoment bezüglich seiner Verdrehbewegung. Beides ist vorteilhaft und stellt eine spürbare Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar.The adjusting ring forms an internal adjusting ring with respect to the levers. Consequently, the adjusting ring according to the invention can be formed with a comparatively small diameter. Compared with the adjusting rings known from the prior art, the adjusting ring according to the invention smaller diameter can be integrated into the turbine housing, d. H. in the case of a spiral or screw housing, engage in the direction of the exhaust-carrying lines, d. H. arrange next to them. This makes the turbine more compact, less voluminous and shorter in the direction of the turbine shaft. The adjusting ring as such has a lower weight and due to its smaller diameter also a reduced moment of inertia with respect to its rotational movement. Both are advantageous and represents a noticeable improvement over the prior art.
Dadurch wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitgestellt, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und deren variable Mixed-Flow-Turbine über eine verbesserte Verstelleinrichtung bzw. Leiteinrichtung verfügt.Thereby, the object underlying the invention is achieved, namely provided a supercharged internal combustion engine, with which the disadvantages known from the prior art are overcome and their variable mixed-flow turbine has an improved adjustment or guide.
Erfindungsgemäß verfügt die Leiteinrichtung über mehrere verdrehbare Leitschaufeln, wobei dies im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass die Leiteinrichtung mindestens zwei Leitschaufeln umfasst, d. h. zwei Leitschaufeln, drei Leitschaufeln, vier Leitschaufeln, fünf Leitschaufeln, sechs Leitschaufeln oder mehr Leitschaufeln.According to the invention, the guide device has a plurality of rotatable guide vanes, which in the context of the present invention means that the guide device comprises at least two guide vanes, i. H. two vanes, three vanes, four vanes, five vanes, six vanes or more vanes.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.Further advantageous embodiments of the internal combustion engine are discussed in connection with the subclaims.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das ringseitige Ende ballig ausgebildet ist. Dies verbessert die Lagerung der Hebel im Verstellring und unterstützt eine Schwenkbewegung der Hebel beim Verdrehen des Verstellringes. Das ballige Ende kann beim Verschwenken des Hebels in der zugehörigen Ausnehmung des Verstellringes abrollen, wodurch die kinematische Koppelung bzw. Zuordnung zwischen dem Verstellring und den Leitschaufeln verfeinert und verbessert wird.Embodiments of the internal combustion engine in which the ring-side end is crowned are advantageous. This improves the bearing of the lever in the adjusting ring and supports a pivoting movement of the lever during rotation of the adjusting ring. The spherical end can roll during pivoting of the lever in the associated recess of the adjusting ring, whereby the kinematic coupling or assignment between the adjusting ring and the guide vanes is refined and improved.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine im Abgasabführsystem angeordnete Mixed-Flow-Turbine die Turbine eines Abgasturboladers ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst. Es wird Bezug genommen auf die eingangs gemachten Ausführungen hinsichtlich der Abgasturboaufladung.Embodiments of the internal combustion engine in which the at least one mixed-flow turbine arranged in the exhaust-gas removal system is the turbine of an exhaust-gas turbocharger comprising a turbine arranged in the exhaust-gas removal system and a compressor arranged in the intake system are advantageous. Reference is made to the statements made at the outset with regard to the turbocharger.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen der zugehörige Verdichter des Abgasturboladers ebenfalls eine variable Verdichtergeometrie aufweist. Vorteile bietet die veränderbare Geometrie des Verdichters insbesondere in den Betriebszuständen, in denen kaum Abgas durch die Mixed-Flow-Turbine strömt und daher kaum Leistung von der Mixed-Flow-Turbine zur Verdichtung der Ladeluft bereitgestellt wird. In diesen Fällen stellt der zugehörige Verdichter lediglich einen Strömungswiderstand für die Ladeluft dar. Eine variable Verdichtergeometrie gestattet dann die Entdrosselung des Ansaugsystems durch Vergrößerung des Strömungsquerschnittes des Verdichters.Embodiments in which the associated compressor of the exhaust-gas turbocharger likewise has a variable compressor geometry are advantageous. Advantages of the variable geometry of the compressor, especially in the operating conditions in which hardly any exhaust gas flows through the mixed-flow turbine and therefore little power is provided by the mixed-flow turbine to compress the charge air. In these cases, the associated compressor merely represents a flow resistance for the charge air. A variable compressor geometry then allows the Entschrosselung of the intake system by increasing the flow cross-section of the compressor.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, die jeweils eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfassen.Embodiments of the internal combustion engine in which at least two exhaust-gas turbochargers are provided, each of which comprises a turbine arranged in the exhaust-gas removal system and a compressor arranged in the intake system, are advantageous.
Bei Verwendung eines einzelnen Abgasturboladers wird nach dem Stand der Technik ein deutlicher Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.When using a single exhaust gas turbocharger is observed in the prior art, a significant torque drop falls below a certain speed. This torque drop becomes understandable if it is taken into account that the boost pressure ratio depends on the turbine pressure ratio. If the engine speed is reduced, this leads to a smaller exhaust gas mass flow and thus to a smaller turbine pressure ratio. Consequently, the boost pressure ratio also decreases toward lower speeds. This is synonymous with a torque drop.
Die Drehmomentcharakteristik der aufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch Verwendung mehrerer parallel angeordneter Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden. The torque characteristic of the supercharged internal combustion engine can be improved by using a plurality of turbochargers arranged in parallel, that is to say by a plurality of turbines of a small turbine cross section arranged in parallel, with turbines being switched on successively as the exhaust gas quantity increases.
Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Motorkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.The torque characteristic can also be advantageously influenced by means of a plurality of exhaust-gas turbochargers connected in series. By switching in series of two exhaust gas turbochargers, one of which is an exhaust gas turbocharger as a high-pressure stage and an exhaust gas turbocharger as a low-pressure stage, the engine map can be widened in an advantageous manner, both towards smaller compressor streams and towards larger compressor streams.
Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was im unteren Drehzahlbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird. Die Bypassleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem ab und mündet stromaufwärts der Niederdruckturbine wieder in das Abgasabführsystem. In der Bypassleitung ist ein Absperrelement angeordnet, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern.In particular, in the case of the exhaust gas turbocharger serving as a high-pressure stage, the pumping limit can be shifted towards smaller compressor flows, which means that high boost pressure ratios can be achieved even with small compressor flows, which significantly improves the torque characteristic in the lower rpm range. This is achieved by designing the high-pressure turbine for small exhaust gas mass flows and providing a bypass line, with which increasing exhaust gas mass flow increasingly exhaust gas is passed to the high-pressure turbine. For this purpose, the bypass line branches off the exhaust-gas removal system upstream of the high-pressure turbine and returns to the exhaust-gas removal system upstream of the low-pressure turbine. In the bypass line, a shut-off element is arranged to control the exhaust gas flow passed past the high-pressure turbine.
Das Downsizing wird durch eine mehrstufige Aufladung mittels Abgasturboladern weiter fortgeführt. Des Weiteren ist das Ansprechverhalten einer derartig aufgeladenen Brennkraftmaschine deutlich verbessert gegenüber einer vergleichbaren Brennkraftmaschine mit einstufiger Aufladung. Die kleinere Hochdruckstufe ist weniger träge, weil sich das Laufzeug eines kleiner dimensionierten Abgasturboladers schneller beschleunigen lässt.The downsizing is continued by a multi-stage turbocharger charge. Furthermore, the response of such a supercharged internal combustion engine is significantly improved over a comparable internal combustion engine with single-stage supercharging. The smaller high-pressure stage is less sluggish, because the running gear of a smaller exhaust gas turbocharger accelerates faster.
Vorteilhaft sind aus den vorstehend genannten Gründen daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein erster Abgasturbolader als Niederdruckstufe und ein zweiter Abgasturbolader als Hochdruckstufe dient, wobei die zweite Turbine des zweiten Abgasturboladers stromaufwärts der ersten Turbine des ersten Abgasturboladers angeordnet ist und der zweite Verdichter des zweiten Abgasturboladers stromabwärts des ersten Verdichters des ersten Abgasturboladers angeordnet ist.Therefore, embodiments of the internal combustion engine in which a first exhaust gas turbocharger as a low-pressure stage and a second exhaust gas turbocharger as a high-pressure stage is advantageous, wherein the second turbine of the second exhaust gas turbocharger upstream of the first turbine of the first exhaust gas turbocharger is arranged and the second compressor of the second Exhaust gas turbocharger is arranged downstream of the first compressor of the first exhaust gas turbocharger.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Ausnehmungen nutenartig ausgebildet sind. Ist die Ausnehmung nutenartig ausgebildet, kann der Hebel mit seinem verstellringseitigen Ende anschlagsfrei in der zugehörigen Nut verschoben werden. Dies hat Vorteile beim Ausgleich von Längenänderungen der leitschaufelzugehörigen Wellen, die aus der thermischen Beanspruchung durch das heiße Abgas resultieren.Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which the recesses are formed like a groove. If the recess formed like a groove, the lever can be moved with its verstellringseitigen end stop-free in the associated groove. This has advantages in compensating for changes in length of the vane-associated shafts that result from the thermal stress of the hot exhaust gas.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die nutenartig ausgebildeten Ausnehmungen parallel zur Turbinenwelle verlaufen, d. h. ausgerichtet sind.Embodiments of the internal combustion engine in which the groove-like recesses run parallel to the turbine shaft are advantageous, ie. H. are aligned.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder verschwenkbare Hebel zu der Seite hin, die von der zugehörigen Leitschaufel abgewandt ist, um den Winkel γ geneigt und damit gekröpft ist.Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which each pivotable lever to the side, which faces away from the associated vane, inclined by the angle γ and thus cranked.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jede leitschaufelzugehörige Welle mit der Turbinenwelle einen spitzen Winkel α bildet, wobei der Winkel γ der Kröpfung dem Winkel α entspricht.Embodiments of the internal combustion engine in which each shaft associated with the turbine shaft forms an acute angle α are advantageous, with the angle γ of the offset corresponding to the angle α.
Eine Kröpfung entsprechend den beiden vorstehenden Ausführungsformen ist besonders vorteilhaft, um die Neigung der leitschaufelzugehörigen Wellen zur Turbinenwelle auszugleichen.A cranking according to the two preceding embodiments is particularly advantageous to compensate for the inclination of the guide vane associated waves to the turbine shaft.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jede leitschaufelzugehörige Welle mit der Turbinenwelle einen spitzen Winkel α bildet, für den gilt: 15° ≤ α ≤ 75°.Embodiments of the internal combustion engine in which each shaft associated with the turbine shaft forms an acute angle α, for which the following applies: 15 ° ≦ α ≦ 75 °, are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jede leitschaufelzugehörige Welle mit der Turbinenwelle einen spitzen Winkel α bildet, für den gilt: 25° ≤ α ≤ 65°.Embodiments of the internal combustion engine in which each shaft associated with the turbine shaft forms an acute angle α are advantageous, for which the following applies: 25 ° ≦ α ≦ 65 °.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jede leitschaufelzugehörige Welle mit der Turbinenwelle einen spitzen Winkel α bildet, für den gilt: 35° ≤ α ≤ 55°.Embodiments of the internal combustion engine in which each shaft associated with the turbine shaft forms an acute angle α, for which the following applies: 35 ° ≦ α ≦ 55 °, are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jede leitschaufelzugehörige Welle mit der Turbinenwelle einen spitzen Winkel α bildet, für den gilt: 40° ≤ α ≤ 75°.Embodiments of the internal combustion engine in which each shaft associated with the turbine shaft forms an acute angle α are advantageous, for which the following applies: 40 ° ≦ α ≦ 75 °.
Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jede leitschaufelzugehörige Welle mit der Turbinenwelle einen spitzen Winkel α bildet, für den gilt: 40° ≤ α ≤ 65°, vorzugsweise 45° ≤ α ≤ 60°.Embodiments of the internal combustion engine in which each shaft associated with the turbine shaft forms an acute angle α are advantageous, for example: 40 ° ≦ α ≦ 65 °, preferably 45 ° ≦ α ≦ 60 °.
Die unterschiedlichen Winkel bzw. Winkelbereiche tragen dem Umstand Rechnung, dass der Geschwindigkeitsvektor der Anströmung bei einer Mixed-Flow-Turbine eine radiale Geschwindigkeitskomponente und eine axiale Geschwindigkeitskomponente aufweist und das Verhältnis dieser beiden Geschwindigkeitskomponenten zueinander stark variieren kann, d. h. der Eintrittsbereich, in dem die Leitschaufeln angeordnet sind und durch den die Anströmung im Wesentlichen festgelegt wird, kann mehr oder weniger stark gegenüber der Turbinenwelle geneigt sein. Folglich kann auch der Winkel α zwischen der Turbinenwelle und einer leitschaufelzugehörigen Welle stark variieren.The different angles or angular ranges take into account the fact that the Velocity vector of the flow in a mixed-flow turbine having a radial velocity component and an axial velocity component and the ratio of these two velocity components can vary widely, ie the inlet region in which the vanes are arranged and by which the flow is substantially fixed more or less inclined to the turbine shaft. Consequently, the angle α between the turbine shaft and a vane-associated shaft can also vary widely.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Hebel an dem wellenseitigen Ende via Bohrung verdrehfest mit der zugehörigen Welle verbunden ist. Eine kraftschlüssige verdrehfeste Verbindung zwischen Hebel und leitschaufelzugehöriger Welle lässt sich wellenseitig dadurch realisieren, dass die Bohrung auf die Welle aufgeschrumpft wird. Zusätzliche Befestigungsmittel entfallen, d. h. sind nicht erforderlich.Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which each lever is connected at the shaft-side end via bore rotationally fixed to the associated shaft. A non-positive rotationally fixed connection between the lever and the guide vane-associated shaft can be realized on the shaft side by shrinking the bore onto the shaft. Additional fasteners omitted, d. H. are not required.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Betätigungseinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher der Verstellring verdrehbar ist.Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which an actuating device is provided, by means of which the adjusting ring is rotatable.
Gemäß dieser Ausführungsform wird nicht der Verstellring direkt betätigt, d. h. verdreht, um die Leitschaufeln zu verstellen. Der Verstellring dient primär zur kinematischen Koordination der verstellringseitig gelagerten Hebel.According to this embodiment, the adjusting ring is not actuated directly, d. H. twisted to adjust the vanes. The adjusting ring serves primarily for the kinematic coordination of the adjusting ring side mounted lever.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Betätigungseinrichtung auf der Seite des Verstellringes angeordnet ist, die vom mindestens einen Laufrad der Turbine abgewandt ist. Die außenliegende Anordnung gestattet eine gute Zugänglichkeit, wohingegen der Verstellring erfindungsgemäß ein innenliegender Verstellring ist, der zwar durch seine innenliegende Anordnung vergleichsweise klein dimensioniert werden kann, aber auch weniger leicht zugänglich ist.In this context, embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which the actuating device is arranged on the side of the adjusting ring, which faces away from the at least one impeller of the turbine. The external arrangement allows good accessibility, whereas the adjusting ring according to the invention is an internal adjusting ring, which can indeed be dimensioned relatively small by its internal arrangement, but also less accessible.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Mixed-Flow-Turbine einen koaxial zur Turbinenwelle verlaufenden und ausgebildeten Austrittsbereich aufweist, so dass die Abströmung des Abgases aus der Turbine im Wesentlichen axial erfolgt.Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which the mixed-flow turbine has a coaxial with the turbine shaft extending and formed outlet region, so that the outflow of the exhaust gas from the turbine takes place substantially axially.
Handelt es sich bei der Mixed-Flow-Turbine beispielsweise um die Hochdruckturbine einer mehrstufigen Aufladung gestattet der koaxial zur Turbinenwelle ausgebildete Austrittsbereich im Zusammenwirken mit einer stromabwärts angeordneten Niederdruckturbine in Axialbauweise eine möglichst druckverlustfreie axiale Zuführung des Abgases zur Niederdruckturbine und damit die Bereitstellung von möglichst enthalpiereichem Abgas an der Niederdruckstufe.If the mixed-flow turbine is, for example, the high-pressure turbine of a multi-stage supercharger, the outlet region formed coaxially with the turbine shaft, in cooperation with a downstream axial-pressure low-pressure turbine, permits axial delivery of the exhaust gas to the low-pressure turbine as pressure-free as possible and thus the provision of enthalpy-rich exhaust gas at the low pressure stage.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist.Embodiments of the internal combustion engine in which exhaust gas recirculation is provided are advantageous.
Um zukünftige Grenzwerte für Stickoxidemissionen einzuhalten, wird zunehmend häufig eine Abgasrückführung eingesetzt, d. h. die Rückführung von Abgasen von der Auslassseite auf die Einlassseite, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate xAGR bestimmt sich dabei mit xAGR = mAGR/(mAGR + mFrischluft), wobei mAGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und mFrischluft die zugeführte – gegebenenfalls durch einen Verdichter geführte und komprimierte – Frischluft bzw. Verbrennungsluft bezeichnet. Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich. Die Abgasrückführung eignet sich auch zur Reduzierung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Teillastbereich.To comply with future limits for nitrogen oxide emissions, an exhaust gas recirculation is increasingly used, ie the return of exhaust gases from the exhaust side to the inlet side, in which the nitrogen oxide emissions can be significantly reduced with increasing exhaust gas recirculation rate. In this case, the exhaust gas recirculation rate x AGR is determined by x AGR = m AGR / (m AGR + m fresh air ), where m AGR designates the mass of recirculated exhaust gas and m fresh air the supplied fresh air or combustion air, possibly guided and compressed by a compressor. In order to achieve a significant reduction in nitrogen oxide emissions, high exhaust gas recirculation rates are required. Exhaust gas recirculation is also suitable for reducing emissions of unburned hydrocarbons in the partial load range.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein Absperrelement vorgesehen ist. Dieses Absperrelement dient der Steuerung der Abgasrückführrate.Embodiments in which a shut-off element is provided in the line for exhaust gas recirculation are advantageous. This shut-off element is used to control the exhaust gas recirculation rate.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die stromabwärts der Mixed-Flow-Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt.In this connection, embodiments of the internal combustion engine in which exhaust gas recirculation is provided, which includes a line which branches off from the exhaust gas removal system downstream of the mixed-flow turbine, are advantageous.
Im Gegensatz zu einer Hochdruck-AGR, die stromaufwärts der Turbine Abgas aus dem Abgasabführsystem entnimmt, wird bei einer Niederdruck-AGR Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu umfasst die Niederdruck-AGR eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt. Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte Abgas dient somit vorher noch zur Energiegewinnung in der Mixed-Flow-Turbine.In contrast to a high pressure EGR, which removes exhaust gas from the exhaust gas removal system upstream of the turbine, exhaust gas is returned to the inlet side in a low pressure EGR which has already passed through the turbine. For this purpose, the low-pressure EGR comprises a return line, which branches off from the exhaust-gas removal system downstream of the turbine. The exhaust gas recirculated to the inlet side by means of low-pressure EGR thus beforehand serves to generate energy in the mixed-flow turbine.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den
Zum Abführen der heißen Abgase aus den Zylindern verfügt die Brennkraftmaschine über ein Abgasabführsystem
Die Mixed-Flow-Turbine
Die Leiteinrichtung
Zur kinematischen Koppelung des Verstellringes
Die verschwenkbaren Hebel
Die Turbine
Die Ausnehmungen
Das ringseitige Ende
Am wellenseitigen Ende
Es ist eine Betätigungseinrichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Mixed-Flow-Turbine Mixed-flow turbine
- 22
- Abgasabführsystem Abgasabführsystem
- 33
- Turbinengehäuse, Spiralgehäuse Turbine housing, spiral housing
- 44
- Welle der Turbine Wave of the turbine
- 4a4a
- Längsachse longitudinal axis
- 55
- Laufrad der Turbine Impeller of the turbine
- 66
- Eintrittsbereich der Turbine Entry area of the turbine
- 77
- Austrittsbereich der Turbine Exit area of the turbine
- 88th
- Leiteinrichtung guide
- 8a8a
- Leitschaufel vane
- 8b8b
- leitschaufelzugehörige Welle vane-associated shaft
- 8c8c
- Hebel lever
- 8c´8c'
- wellenseitiges Ende eines Hebels shaft end of a lever
- 8c´´8c''
- ringseitiges Ende eines Hebels ring-side end of a lever
- 8d8d
- Bohrung drilling
- 99
- Verstelleinrichtung adjustment
- 9a9a
- Verstellring adjusting
- 9b9b
- Ausnehmung des Verstellringes, Nut Recess of the adjusting ring, groove
- 1010
- Betätigungseinrichtung actuator
- AGR AGR
- Abgasrückführung Exhaust gas recirculation
- mAGR m AGR
- Masse an zurückgeführtem Abgas Mass of recirculated exhaust gas
- mFrischluft Fresh air
- Masse an zugeführter Frischluft bzw. Verbrennungsluft Mass of supplied fresh air or combustion air
- xAGR x AGR
- Abgasrückführrate Exhaust gas recirculation rate
- αα
- Winkel zwischen der Turbinenwelle und einer leitschaufelzugehörigen Welle Angle between the turbine shaft and a vane-associated shaft
- γγ
- Winkel, um den ein Hebel geneigt, d. h. gekröpft ist Angle around which a lever is inclined, d. H. is cranked
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 1710415 A1 [0013, 0017] EP 1710415 A1 [0013, 0017]
- WO 2013/116136 A1 [0022, 0024, 0030] WO 2013/116136 A1 [0022, 0024, 0030]
Claims (15)
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DE202014103722.5U DE202014103722U1 (en) | 2014-08-11 | 2014-08-12 | Internal combustion engine with mixed-flow turbine |
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DE (1) | DE102014215888B4 (en) |
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2014
- 2014-08-11 DE DE102014215888.5A patent/DE102014215888B4/en active Active
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Non-Patent Citations (1)
Title |
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Maschinenübersetzung der JP 2000 120 442 A |
Also Published As
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DE102014215888B4 (en) | 2016-06-09 |
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