DE102014220680A1

DE102014220680A1 - Brennkraftmaschine mit Mixed-Flow-Turbine umfassend eine Leiteinrichtung

Info

Publication number: DE102014220680A1
Application number: DE102014220680.4A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kindl; Jörg Kemmerling; Vanco Smiljanovski; Franz Arnd Sommerhoff; Franz J. Brinkmann
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-10-13
Filing date: 2014-10-13
Publication date: 2016-04-14

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), welches Laufschaufeln (5a) umfasst, eine verstellbare Leiteinrichtung (8) angeordnet ist, die mittels Verstelleinrichtung verdrehbare Leitschaufeln (8a) umfasst, wobei jede Leitschaufel (8a) auf einer leitschaufelzugehörigen Welle (8b) angeordnet ist, wobei – jede leitschaufelzugehörige Welle (8b) parallel zur Turbinenwelle (4) verläuft, – jede Laufschaufel (5a) des mindestens einen Laufrades (5) eine Anströmkante (5b) aufweist, die mit der Turbinenwelle (4) einen spitzen Winkel αrot bildet, und – jede Leitschaufel (8a) laufradseitig eine Abströmkante (8c) aufweist, die benachbart und beabstandet zur Anströmkante (5b) jeder Laufschaufel (5a) verläuft und mit der Turbinenwelle (4) einen spitzen Winkel αguide,out bildet.

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, welches Laufschaufeln umfasst, eine verstellbare Leiteinrichtung angeordnet ist, die mittels Verstelleinrichtung verdrehbare Leitschaufeln umfasst, wobei jede Leitschaufel auf einer leitschaufelzugehörigen Welle angeordnet ist.

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 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.
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.
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.
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.
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 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.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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.
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.
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.
Aus den vorstehend genannten Gründen wird 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.
Nach dem Stand der Technik kann die im Abgasabführsystem angeordnete Turbine von unterschiedlicher Bauweise sein. Die Turbine eines Abgasturboladers wird regelmäßig in Radialbauweise ausgeführt, d. h. die Anströmung der Laufschaufeln eines 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 EP 1 710 415 A1 beschrieben.
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.
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.
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.
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 EP 1 710 415 A1 beschreibt eine derartige Axialturbine.
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. Dadurch verbessert sich das Ansprechverhalten und somit das instationäre Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine bei Lastwechsel, weshalb die Mixed-Flow-Turbinen zunehmend an Bedeutung gewinnen.
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.
Verfügt die Turbine über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln – soweit vorhanden – 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.
Bei der Mixed-Flow-Turbine der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist stromaufwärts des mindestens einen Laufrades eine verstellbare Leiteinrichtung angeordnet, die mittels Verstelleinrichtung verdrehbare Leitschaufeln umfasst, wobei jede Leitschaufel auf einer leitschaufelzugehörigen Welle angeordnet ist.
Die Verstelleinrichtung verfügt beispielsweise über einen verdrehbaren Verstellring, der koaxial zur Turbinenwelle der Mixed-Flow-Turbine gelagert ist, wobei die Leitschaufeln mit dem Verstellring über Zwischenelemente kinematisch gekoppelt sind, so dass durch Verdrehen des Ringes die Leitschaufeln verstellt, d. h. verdreht werden.
Die WO 2013/116136 A1 beschreibt eine derartige Leiteinrichtung bzw. Verstelleinrichtung, wobei als Zwischenelemente verschwenkbare Hebel dienen, die jeweils an ihrem einen Ende via Bohrung verdrehfest mit einer leitschaufelzugehörigen Welle verbunden und an ihrem anderen balligen Ende beweglich in einer Ausnehmung des Verstellringes gelagert sind.
Nachteilig an der beschriebenen Verstelleinrichtung ist unter anderem, 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.
Darüber hinaus sind die leitschaufelzugehörigen Wellen, auf denen die Leitschaufeln angeordnet sind, gekröpft ausgebildet und gegenüber der Turbinenwelle geneigt angeordnet. Dies führt zu einer Taumelbewegung der Leitschaufeln beim Verdrehen der leitschaufelzugehörigen Wellen mittels Verstellring, d. h. zu einer komplexen Kinematik, welche die spaltfreie Anordnung der verdrehbaren Leitschaufeln im Eintrittsbereich erschwert bzw. die spaltfreie Anordnung der Leitschaufeln in mehreren Verdrehposition unmöglich macht.
Gegenüber Leiteinrichtungen, die bei reinen Radialturbinen mit exakt radialer Anströmung zum Einsatz kommen, bei denen die leitschaufelzugehörigen Wellen parallel zur Turbinenwelle verlaufen, verkompliziert sich die Kinematik so bei Mixed-Flow-Turbinen erheblich, wodurch sich auch die Kosten für die Verstellvorrichtung bzw. Leiteinrichtung deutlich erhöhen.
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 Leiteinrichtung verfügt, die insbesondere kostengünstiger ist.
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, welches Laufschaufeln umfasst, eine verstellbare Leiteinrichtung angeordnet ist, die mittels Verstelleinrichtung verdrehbare Leitschaufeln umfasst, wobei jede Leitschaufel auf einer leitschaufelzugehörigen Welle angeordnet ist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
– jede leitschaufelzugehörige Welle parallel zur Turbinenwelle verläuft,
– jede Laufschaufel des mindestens einen Laufrades eine Anströmkante aufweist, die mit der Turbinenwelle einen spitzen Winkel α_rot bildet, und
– jede Leitschaufel laufradseitig eine Abströmkante aufweist, die benachbart und beabstandet zur Anströmkante jeder Laufschaufel verläuft und mit der Turbinenwelle einen spitzen Winkel α_guide,out bildet.

Die leitschaufelzugehörigen Wellen der erfindungsgemäßen Leiteinrichtung verlaufen parallel zur Turbinenwelle und sind damit nicht – wie bei herkömmlichen Mixed-Flow-Turbinen üblich – gegenüber der Turbinenwelle geneigt angeordnet. Die leitschaufelzugehörigen Wellen müssen auch nicht gekröpft ausgebildet werden. Beides vereinfacht die Kinematik erheblich, wodurch sich die Kosten für die Verstellvorrichtung bzw. Leiteinrichtung deutlich verringern. Die erfindungsgemäß bei der Mixed-Flow-Turbine eingesetzte Leiteinrichtung ähnelt insofern den nach dem Stand der Technik bei Radialturbinen mit exakt radialer Anströmung zum Einsatz kommenden Leiteinrichtungen, bei denen die leitschaufelzugehörigen Wellen ebenfalls parallel zur Turbinenwelle verlaufen.
Die Leitschaufeln erfordern aber eine Modifikation, um die Laufschaufeln des mindestens einen Laufrades, deren Anströmkanten mit der Turbinenwelle einen spitzen Winkel α_rot bilden, zufriedenstellend anströmen, d. h. mit Abgas beaufschlagen zu können.
Die Leitschaufeln weisen daher erfindungsgemäß jeweils eine laufradseitige Abströmkante auf, die benachbart und beabstandet zu den Anströmkanten der Laufschaufeln verläuft und mit der Turbinenwelle einen spitzen Winkel α_guide,out bildet.
Dadurch wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine bereitgestellt, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und deren variable Mixed-Flow-Turbine über eine verbesserte Leiteinrichtung verfügt, die insbesondere kostengünstiger ist.
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.
Ähnliches gilt für das mindestens eine Laufrad, welches mehrere Laufschaufeln umfasst. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet dies, dass ein Laufrad mindestens zwei Laufschaufeln umfasst, d. h. zwei oder mehr Leitschaufeln.
Die Winkel α_rot und α_guide,out werden im Folgenden auch unter der allgemeinen Bezeichnung α zusammengefasst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen gilt: α_rot = α_guide,out.
Gemäß dieser Ausführungsform folgt die Abströmkante jeder Leitschaufel der Anströmkante jeder Laufschaufel. Die laufradseitigen Abströmkanten der Leiteinrichtung sind unter Ausbildung eines vorzugsweise möglichst kleinen Spaltes benachbart zu den rotierenden Laufschaufeln positioniert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für α_rot und/oder α_guide,out gilt: 15° ≤ α ≤ 75°.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für α_rot und/oder α_guide,out gilt: 25° ≤ α ≤ 65°.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für α_rot und/oder α_guide,out gilt: 35° ≤ α ≤ 55°.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für α_rot und/oder α_guide,out gilt: 40° ≤ α ≤ 75°.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für α_rot und/oder α_guide,out gilt: 40° ≤ α ≤ 65°, vorzugsweise 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 hat und das Verhältnis dieser beiden Geschwindigkeitskomponenten zueinander variieren kann. D. h. die Anströmung kann mehr oder weniger stark gegenüber der Turbinenwelle geneigt sein.
Folglich kann auch der Winkel α_rot, den die Anströmkante einer Laufschaufel mit der Turbinenwelle bildet, sowie der Winkel α_guide,out, den die Abströmkante einer Leitschaufel mit der Turbinenwelle bildet, stark variieren.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jede Leitschaufel eintrittsseitig eine Einströmkante aufweist, die mit der Turbinenwelle einen spitzen Winkel α_guide,in bildet.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einströmkante jeder Leitschaufel parallel zur Abströmkante der Leitschaufel verläuft mit α_guide,in = α_guide,out. Dann weist jede Leitschaufel zumindest in der Projektion die Form eines Parallelogramms auf und das Abgas wird unabhängig vom jeweiligen Strömungsweg durch die Leiteinrichtung über gleichlange Wegstrecken mittels Leitschaufeln gelenkt bzw. geführt.
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen jede Leitschaufel eintrittsseitig eine Einströmkante aufweist, die parallel zur Turbinenwelle verläuft.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jede leitschaufelzugehörige Welle geradlinig ausgebildet ist. Eine geradlinige Ausbildung der Welle vereinfacht die Kinematik der Verstelleinrichtung in der Art, dass ein Verdrehen der leitschaufelzugehörigen Welle eine reine Drehbewegung der zugehörigen Leitschaufel bedingt, wohingegen eine gekröpfte Welle eine Taumelbewegung der Leitschaufel hervorruft.
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 hinweg und nicht via Spalt an den Leitschaufeln vorbei geführt werden sollte.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jede Leitschaufel bezüglich der leitschaufelzugehörigen Welle schraubenförmig verdreht ausgebildet ist.
Die Leitschaufeln dienen der Ausrichtung der Laufradanströmung, wobei der Winkel der Anströmung auf die rotierenden Laufradschaufeln des Laufrades in vorteilhafter Weise beeinflusst, d. h. eingestellt werden soll. Der wesentliche Parameter ist dabei der Neigungswinkel des Geschwindigkeitsvektors gegenüber der Laufschaufeloberfläche, der möglichst klein sein sollte.
Werden die Leitschaufeln schraubenförmig ausgebildet, können die Laufschaufeln unter Umständen gerade, d. h. eben bezüglich der Turbinenwelle ausgebildet werden. Die Laufschaufeln liegen dann jeweils mit der Turbinenwelle in einer Ebene.
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen jede Laufschaufel bezüglich der Turbinenwelle schraubenförmig verdreht ausgebildet ist. Dann können unter Umständen, falls gewollt bzw. dies vorteilhaft ist, die Leitschaufeln eben als flache Plättchen ausgebildet werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Verstelleinrichtung über einen verdrehbaren Verstellring verfügt, der koaxial zur Turbinenwelle der Mixed-Flow-Turbine gelagert ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Leitschaufeln über Zwischenelemente mit dem Verstellring kinematisch gekoppelt sind, so dass die Leitschaufeln durch Verdrehen des Ringes verstellbar sind.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen als Zwischenelemente verschwenkbare Hebel dienen, die jeweils an ihrem einen Ende verdrehfest mit einer leitschaufelzugehörigen Welle verbunden und an ihrem anderen Ende beweglich am Verstellring gelagert sind.
Werden Zwischenelemente verwendet, können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen der Verstellring in Bezug auf die Zwischenelemente ein innenliegender Verstellring ist.
Ein innenliegender Verstellring weist einen vergleichsweise kleinen Durchmesser auf. Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verstellringen lässt sich ein solcher kleinerer Verstellring 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
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.
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.
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.
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.
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.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist.
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 x_AGR bestimmt sich dabei mit x_AGR = m_AGR / (m_AGR + m_Frischluft), wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft 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.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein Absperrelement vorgesehen ist. Dieses Absperrelement dient der Steuerung der Abgasrückführrate.
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.
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.
Vorteilhaft können dennoch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die stromaufwärts der Mixed-Flow-Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt. Die Hochdruck-AGR entnimmt stromaufwärts der Turbine Abgas aus dem Abgasabführsystem. Vorteilhaft ist dabei der hohe Abgasgegendruck stromaufwärts der Turbine, der hohe Rückführraten ermöglicht bzw. sicherstellt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch die Mixed-Flow-Turbine einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, teilweise im Halbschnitt.
1 zeigt schematisch die Mixed-Flow-Turbine 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. Der Geschwindigkeitsvektor der Anströmung in das Laufrad 5 der Turbine 1 weist eine radiale Komponente senkrecht zur Welle 4 der Turbine 1 und eine axiale Komponente entlang der Welle 4 auf.
Zum Abführen der heißen Abgase aus den Zylindern verfügt die Brennkraftmaschine über ein Abgasabführsystem 2. Zwecks Aufladung der Zylinder ist mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen, der eine im Abgasabführsystem 2 angeordnete Mixed-Flow-Turbine 1 umfasst.
Die Mixed-Flow-Turbine 1 umfasst ein in einem Turbinengehäuse 3 angeordnetes und auf einer drehbaren Turbinenwelle 4 gelagertes Laufrad 5. Das als Spiralgehäuse 3 ausgebildete Turbinengehäuse 3 verfügt über einen Eintrittsbereich 6, in dem stromaufwärts des Laufrades 5 eine verstellbare Leiteinrichtung 8 angeordnet ist, so dass es sich bei der Mixed-Flow-Turbine 1 um eine variable Turbine 1 handelt.
Die Leiteinrichtung 8 verfügt über Leitschaufeln 8a, die jeweils auf einer leitschaufelzugehörigen Welle 8b angeordnet sind und die mittels Verstelleinrichtung verdrehbar sind. Die leitschaufelzugehörigen Wellen 8b verlaufen parallel zur Turbinenwelle 4 und sind geradlinig ausgebildet, so dass ein Verdrehen der leitschaufelzugehörigen Wellen 8b eine Drehbewegung der zugehörigen Leitschaufeln 8a hervorruft.
Jede Laufschaufel 5a des Laufrades 5 weist eine Anströmkante 5b auf, die mit der Turbinenwelle 4 einen spitzen Winkel α_rot bildet. Jede Leitschaufel 8a weist laufradseitig eine dazu korrespondierende Abströmkante 8c auf, die benachbart und beabstandet zur Anströmkante 5b jeder Laufschaufel 5a verläuft und mit der Turbinenwelle 4 einen spitzen Winkel α_guide,out bildet.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform gilt: α_rot = α_guide,out, d. h. die Abströmkante 8c jeder Leitschaufel 8a folgt unter Ausbildung eines engen Spaltes der Kontur der Anströmkante 5b jeder Laufschaufel 5a.
Die Leitschaufeln 8a verfügen eintrittsseitig über eine Einströmkante 8d ₁, 8d ₂, die mit der Turbinenwelle 4 entweder einen spitzen Winkel α_guide,in bilden kann oder aber parallel zur Turbinenwelle 4 verläuft. In 1 sind beide Varianten als Alternativen dargestellt.
Die Turbine 1 verfügt über einen Austrittsbereich 7, der koaxial zur Turbinenwelle 4 verläuft, so dass die Abströmung des Abgases im Austrittsbereich 7 der Turbine 1 im Wesentlichen axial erfolgt.
Bezugszeichenliste

1: Mixed-Flow-Turbine
2: Abgasabführsystem
3: Turbinengehäuse, Spiralgehäuse
4: Welle der Turbine
5: Laufrad der Turbine
5a: Laufschaufel
5b: Anströmkante
6: Eintrittsbereich der Turbine
7: Austrittsbereich der Turbine
8: Leiteinrichtung
8a: Leitschaufel
8b: leitschaufelzugehörige Welle
8c: Abströmkante
8d₁: Einströmkante
8d₂: Einströmkante
AGR: Abgasrückführung
m_AGR: Masse an zurückgeführtem Abgas
m_Frischluft: Masse an zugeführter Frischluft bzw. Verbrennungsluft
x_AGR: Abgasrückführrate
α: Oberbegriff für die spitzen Winkel α_rot und α_guide
α_rot: Winkel zwischen der Anströmkante einer Laufschaufel und der Turbinenwelle
α_guide,in: Winkel zwischen der Einströmkante einer Leitschaufel und der Turbinenwelle
α_guide,out: Winkel zwischen der Abströmkante einer Leitschaufel und der Turbinenwelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1710415 A1 [0013, 0017]
WO 2013/116136 A1 [0023]

Claims

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), welches Laufschaufeln (5a) umfasst, eine verstellbare Leiteinrichtung (8) angeordnet ist, die mittels Verstelleinrichtung verdrehbare Leitschaufeln (8a) umfasst, wobei jede Leitschaufel (8a) auf einer leitschaufelzugehörigen Welle (8b) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – jede leitschaufelzugehörige Welle (8b) parallel zur Turbinenwelle (4) verläuft, – jede Laufschaufel (5a) des mindestens einen Laufrades (5) eine Anströmkante (5b) aufweist, die mit der Turbinenwelle (4) einen spitzen Winkel α_rot bildet, und – jede Leitschaufel (8a) laufradseitig eine Abströmkante (8c) aufweist, die benachbart und beabstandet zur Anströmkante (5b) jeder Laufschaufel (5a) verläuft und mit der Turbinenwelle (4) einen spitzen Winkel α_guide,out bildet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: α_rot = α_guide,out.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für α_rot und/oder α_guide,out gilt: 15° ≤ α ≤ 75°.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für α_rot und/oder α_guide,out gilt: 25° ≤ α ≤ 65°.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für α_rot und/oder α_guide,out gilt: 35° ≤ α ≤ 55°.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für α_rot und/oder α_guide,out gilt: 40° ≤ α ≤ 75°.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Leitschaufel (8a) eintrittsseitig eine Einströmkante (8d ₂) aufweist, die mit der Turbinenwelle (4) einen spitzen Winkel α_guide,in bildet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmkante (8d ₂) jeder Leitschaufel (8a) parallel zur Abströmkante (8c) der Leitschaufel (8a) verläuft mit α_guide,in = α_guide,out.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Leitschaufel (8a) eintrittsseitig eine Einströmkante (8d ₁) aufweist, die parallel zur Turbinenwelle (4) verläuft.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede leitschaufelzugehörige Welle (8b) geradlinig ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Leitschaufel (8a) bezüglich der leitschaufelzugehörigen Welle (8b) schraubenförmig verdreht ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Laufschaufel (5a) bezüglich der Turbinenwelle (4) schraubenförmig verdreht ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung über einen verdrehbaren Verstellring verfügt, der koaxial zur Turbinenwelle (4) der Mixed-Flow-Turbine (1) gelagert ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (8a) über Zwischenelemente mit dem Verstellring kinematisch gekoppelt sind, so dass die Leitschaufeln (8a) durch Verdrehen des Ringes verstellbar sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenelemente verschwenkbare Hebel dienen, die jeweils an ihrem einen Ende verdrehfest mit einer leitschaufelzugehörigen Welle (8b) verbunden und an ihrem anderen Ende beweglich am Verstellring gelagert sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellring in Bezug auf die Zwischenelemente ein innenliegender Verstellring ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine im Abgasabführsystem (2) angeordnete Mixed-Flow-Turbine (1) die Turbine (1) eines Abgasturboladers ist, der eine im Abgasabführsystem (2) angeordnete Turbine (1) und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, die jeweils eine im Abgasabführsystem (2) angeordnete Turbine (1) und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfassen.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Abgasturbolader als Niederdruckstufe und ein zweiter Abgasturbolader als Hochdruckstufe dient, wobei die zweite Turbine (1) des zweiten Abgasturboladers stromaufwärts der ersten Turbine (1) des ersten Abgasturboladers angeordnet ist und der zweite Verdichter des zweiten Abgasturboladers stromabwärts des ersten Verdichters des ersten Abgasturboladers angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mixed-Flow-Turbine (1) einen koaxial zur Turbinenwelle (4) verlaufenden und ausgebildeten Austrittsbereich (7) aufweist, so dass die Abströmung des Abgases aus der Turbine (1) im Wesentlichen axial erfolgt.