DE102015005120A1

DE102015005120A1 - Turbine für einen Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102015005120A1
Application number: DE102015005120.2A
Authority: DE
Inventors: Stephan Krätschmer; Siegfried Sumser
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2015-12-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine (26) für einen Abgasturbolader (24) einer Verbrennungskraftmaschine (10), mit einem Turbinengehäuse (28), welches einen Aufnahmeraum (30) für ein Turbinenrad (32), wenigstens einen Zuführkanal (46), mittels welchem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) zu dem Aufnahmeraum (30) führbar ist, und wenigstens ein Abgasrückführkanal (48) aufweist, mittels welchem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) aus dem Turbinengehäuse (28) abzweigbar und von einem von dem Abgas durchströmbaren Abgastrakt (18) zu einem von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt (16) der Verbrennungskraftmaschine (10) rückführbar ist, wobei durch das Turbinengehäuse (28) wenigstens ein stromauf des Abgasrückführkanals (48) und des Zuführkanals (46) angeordneter, dem Abgasrückführkanal (48) und dem Zuführkanal (46) gemeinsamer und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbarer Eintrittskanal (58) gebildet ist, welcher über jeweilige Eintrittsquerschnitte (A1, A2) des Abgasrückführkanals (48) und des Zuführkanals (46) in diese mündet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Eine solche Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise bereits der DE 10 2008 052 088 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Turbine weist ein Turbinengehäuse auf, welches wiederum einen Aufnahmeraum für ein Turbinenrad aufweist. Ferner weist das Turbinengehäuse einen Zuführkanal auf, mittels welchem Abgas der Verbrennungskraftmaschine zu dem Aufnahmeraum führbar ist. Der Zuführkanal erstreckt sich beispielsweise in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums über dessen Umfang zumindest im Wesentlichen spiralförmig und wird daher auch als Spirale oder Spiralkanal bezeichnet.
Im fertig hergestellten Zustand der Turbine ist das Turbinenrad in dem Aufnahmeraum aufgenommen und um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse drehbar. Das Abgas wird mittels des Zuführkanals zu dem Aufnahmeraum und somit zu dem Turbinenrad geführt, sodass das Turbinenrad von dem Abgas angetrieben werden kann.
Das Turbinengehäuse weist ferner wenigstens einen Abgasrückführkanal auf, mittels welchem Abgas der Verbrennungskraftmaschine aus dem Turbinengehäuse abzweigbar und von einem von dem Abgas durchströmbaren Abgastrakt zu einem von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine rückführbar ist. Mit anderen Worten wird wenigstens ein Teil des das Turbinengehäuse durchströmenden Abgases mittels des Abgasrückführkanals abgezweigt, wobei dieser Teil den Abgasrückführkanal durchströmt. Das den Abgasrückführkanal durchströmende Abgas wird mittels des Abgasrückführkanals von dem Abgastrakt zum Ansaugtrakt rückgeführt. Der Abgasrückführkanal ist dabei durch das Turbinengehäuse gebildet, verläuft also in dem Turbinengehäuse beziehungsweise ist in das Turbinengehäuse integriert.
Dabei kann eine separat von dem Turbinengehäuse ausgebildete und zusätzlich dazu vorgesehene Abgasrückführleitung vorgesehen sein, welche beispielsweise fluidisch mit dem Abgasrückführkanal des Turbinengehäuses verbunden ist. Das den Abgasrückführkanal durchströmende Abgas kann aus dem Abgasrückführkanal aus- und in die Abgasrückführleitung einströmen und wird dann mittels der Abgasrückführleitung zu dem und insbesondere in den Ansaugtrakt geführt. Die den Ansaugtrakt durchströmende Luft kann das in den Ansaugtrakt einströmende beziehungsweise rückgeführte Abgas mitnehmen und in wenigstens einen Brennraum, insbesondere Zylinder, der Verbrennungskraftmaschine führen. Hierdurch ist eine Abgasrückführung darstellbar, sodass Stickoxid-Rohemissionen (NO_x-Rohemissionen) der Verbrennungskraftmaschine gering gehalten werden können.
Ferner offenbart die DE 10 2010 045 202 A1 einen Turbolader, mit einer Turbine mit einem Turbinenrad, das an einer Turbinenwelle befestigt ist. Das Turbinenrad und die Turbinenwelle sind in einem Turbinengehäuse mit einem Turbinendiffusorkanal drehbar angeordnet, wobei der Turbinendiffusorkanal einen Turbinendiffusoreinlass und einen AGR-Kanaleinlass aufweist. Der AGR-Kanaleinlass ist vom Turbinendiffusoreinlass entlang des Turbinendiffusorkanals radial beabstandet und mündet in einen AGR-Kanal. Der Turbinendiffusoreinlass ist zur Fluidverbindung eines Abgases, das von einem Motor empfangen wird, zum Turbinenrad konfiguriert, wobei der AGR-Kanal zur Fluidverbindung des Abgases zu einem Motoreinlasskanal konfiguriert ist.
Ferner ist aus der DE 10 2010 021 926 A1 eine Verbrennungskraftmaschine bekannt, mit wenigstens einer Abgasrückführleitung, mittels welcher Abgas der Verbrennungskraftmaschine von einer Abgasseite auf eine Luftseite der Verbrennungskraftmaschine rückführbar ist. Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschine einen eine Turbine aufweisenden Abgasturbolader, welcher ein Turbinengehäuse umfasst, in welchem ein Turbinenrad der Turbine aufgenommen ist. Das Turbinengehäuse weist zumindest einen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Spiralkanal auf, über welchen dem Turbinenrad das Abgas zuführbar ist, wobei eine Verstelleinrichtung der Turbine vorgesehen ist, mittels welcher zumindest ein Düsenquerschnitt des Spiralkanals einstellbar ist. Dabei ist es vorgesehen, dass mittels der Verstelleinrichtung der Düsenquerschnitt des Spiralkanals und ein Durchströmquerschnitt der Rückführleitung gemeinsam einstellbar sind.
Moderne Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere für Nutzfahrzeuge, werden üblicherweise mit einfachen Abgasrückführ-Systemen (AGR-Systemen) ausgestattet, um Abgas vom jeweiligen Abgastrakt zum jeweiligen Ansaugtrakt rückzuführen. Üblicherweise kommen dabei zweiflutige Turbinen zum Einsatz, welche wenigstens zwei zumindest teilweise voneinander getrennte Zuführkanäle, insbesondere Spiralkanäle oder Spiralen, umfassen. Einer der Zuführkanäle wird auch als AGR-Kanal oder AGR-Flut bezeichnet, da die AGR-Flut zumindest vorwiegend zum Bereitstellen von rückzuführendem Abgas genutzt wird. Die andere Flut wird üblicherweise auch als λ-Flut bezeichnet, da sie insbesondere dazu genutzt wird, Abgas zum Antreiben der Turbine beziehungsweise des Turbinenrads bereitzustellen, um dadurch ein vorgebbares Verbrennungsluftverhältnis einzustellen. Dieses Verbrennungsluftverhältnis wird auch als Lambda (λ) bezeichnet. Die jeweilige zweiflutige Turbine erhält entsprechend einem gewünschten Asymmetriegrad die Geometrie-Dimensionierung der AGR-Flut in Zuordnung zur λ-Flut. Der Asymmetriegrad wird auch mit Asy bezeichnet und ergibt sich zu: Asy = Φ_31t/Φ_32t.
Dabei bezeichnet Φ_31t den Durchsatzparameter der AGR-Flut, wobei Φ_32t den Durchsatzparameter der λ-Flut bezeichnet. Kleine Asymmetriegrade stehen im Allgemeinen mit der Erzeugung von hohen AGR-Raten in Verbindung, wodurch die Verbrennung im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine mit abgesenkten Abgastemperaturen erfolgt und damit die Entstehung von Stickoxid dämpft.
Üblicherweise weist die Verbrennungskraftmaschine eine Mehrzahl von Brennräumen, insbesondere Zylindern, auf. Eine erste Anzahl der Zylinder ist einer sogenannten 31-Zylindergruppe zugeordnet, wobei die Zylinder der 31-Zylindergruppe Abgas bereitstellen, das zumindest zum Teil rückgeführt wird. Eine zweite Anzahl der Zylinder ist üblicherweise einer sogenannten 32-Zylindergruppe zugeordnet, deren Abgas insbesondere zum Antreiben der Turbine genutzt wird. Üblicherweise läuft die 32-Zylindergruppe bei vielen Auslegungen eines AGR-Systems verbrauchsgünstig in großen Kennfeldbereichen der Verbrennungskraftmaschine trotz merklicher AGR-Raten der 31-Zylindergruppe im positiven Spülbereich.
Um das AGR-System fortwährend zu verbessern, spielt auch die Gestaltung einer Abzapfstelle eine nicht zu vernachlässigende Rolle. Die Abzapfstelle wird auch als Abzweigstelle bezeichnet, an welcher Abgas aus dem Abgastrakt abgezweigt und zum Ansaugtrakt rückgeführt wird. Üblicherweise ist an der Abzapfstelle eine AGR-Leitung angeordnet, wobei die Abzapfstelle üblicherweise stromauf des Turbinengehäuses, insbesondere eines Abgaseinlasses des Turbinengehäuses, angeordnet ist. An der Abzapfstelle ist die AGR-Leitung fluidisch mit dem Abgastrakt verbunden.
Das Abgas aus den Zylindern wird beispielsweise mittels eines Krümmers gesammelt. Dabei ist wenigstens ein Abzapfrohr im Krümmer oder an einem Turbinenzuführrohr vorgesehen, wobei mittels des Abzapfrohrs Abgas an der Abzapfstelle aus dem Abgastrakt abgezweigt wird. Derartige Abzapfrohre im Krümmer oder am Turbinenzuführrohr stehen im Allgemeinen sehr ungünstig zur Hauptströmungsrichtung des Abgases, wodurch die Abzapfstelle eine merklich negative wirkungsgradmindernde Rückwirkung auf den Haupt-Abgasstrom, der die Turbine schließlich durchströmt, ausübt. Des Weiteren wünscht man sich aus Kostengründen einen Standard-Krümmer, der durch die unterschiedlichsten Platzierungen von Abzapfstellen der vielfältigen Einbauten nur schwer umsetzbar ist.
Mittels Optimierungsbestrebungen wird versucht, im Krümmerbereich oder direkt vor dem Turbineneinlass strömungsgünstige beziehungsweise verlustarme Lösungen auszumachen, die auch stark durch Bauraumbedingungen beeinflusst werden. Es werden also Lösungen gesucht, die mit geringem Aufwand und Platzbedarf in Verbindung stehen und mit dem vorhandenen AGR-System einer beispielsweise zweiflutigen Turbine zu weiteren Vereinfachungen und Verbesserungen führen. Eine wesentliche Entwicklungsrichtung stellt die Annäherung der Strömungsrichtung des abströmenden AGR-Gasstroms zum Haupt-Abgasstrom der Turbine dar. Um dem Standard-Krümmer nahe zu kommen, sollte die Abzapfstelle am Krümmer vermieden werden.
Dies ist – wie zuvor beschrieben – möglich, indem der Abgasrückführkanal und somit die Abzapfstelle oder Abzweigstelle in das Turbinengehäuse integriert ist. Jedoch kann es hier unvorteilhafterweise zu einer merklichen Beeinflussung eines gewünschten Standard-Turbinenspiralverlaufs durch den Abgasrückführkanal kommen, wodurch der Entwicklungsaufwand und das Entwicklungsrisiko zur Auffindung der optimalen gekoppelten Turbinenspiral-Geometrie zum Abgasrückführkanal einen starken Einfluss erfahren. Mit anderen Worten liegen bei den bekannten Turbinen mit in das Turbinengehäuse integrierten Abgasrückführkanälen ungünstige Strömungsbedingungen vor, welche sowohl die Strömung des rückzuführenden Abgases als auch die Strömung zum Aufnahmeraum beziehungsweise zum Turbinenrad negativ beeinträchtigen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Turbine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass besonders vorteilhafte Strömungsbedingungen für das Abgas realisiert werden können.
Diese Aufgabe wird durch eine Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Turbine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass besonders vorteilhafte Strömungsbedingungen für das Abgas, das heißt sowohl für das den Abgasrückführkanal durchströmende Abgas als auch für das den Zuführkanal durchströmende Abgas realisiert werden können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass durch das Turbinengehäuse wenigstens ein stromauf des Abgasrückführkanals und des Zuführkanals angeordneter, dem Abgasrückführkanal und dem Zuführkanal gemeinsamer und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbarer Eintrittskanal gebildet ist, welcher über jeweilige Eintrittsquerschnitte des Abgasrückführkanals und des Zuführkanals in den Abgasrückführkanal und den Zuführkanal mündet. Dies bedeutet, dass ein erster Teil des den Eintrittskanal insgesamt durchströmenden Abgases aus dem Eintrittskanal aus- und über den Eintrittsquerschnitt des Abgasrückführkanals in den Abgasrückführkanal einströmt. Dieser erste Teil kann dann über den Abgasrückführkanal und beispielsweise wenigstens eine, separat vom Turbinengehäuse ausgebildete und zusätzlich dazu vorgesehene und fluidisch mit dem Abgasrückführkanal verbundene Abgasrückführleitung zu dem Ansaugtrakt rückgeführt werden. Ein zweiter Teil des den Eintrittskanal insgesamt durchströmenden Abgases strömt aus dem Eintrittskanal aus und über den Eintrittsquerschnitt des Zuführkanals in den Zuführkanal ein, sodass dieser zweite Teil mittels des Zuführkanals zu dem Aufnahmeraum und somit – im fertig hergestellten Zustand der Turbine – zu dem Turbinenrad geführt wird. Das Turbinenrad kann dann beispielsweise von dem zweiten Teil des Abgases angetrieben werden.
Hierdurch ist es insbesondere möglich, den Entwicklungsaufwand und das Entwicklungsrisiko unter günstigen Bauraumverhältnissen mit verbesserten Bedingungen zur Verlustreduzierung gegenüber bekannten Basislösungen klein zu halten und dem Standard-Krümmer der Verbrennungskraftmaschine nahe zu kommen. Mit anderen Worten kann – da der Abgasrückführkanal und somit eine Abzweigstelle, an welcher Abgas aus dem Abgastrakt abgezweigt wird, in das Turbinengehäuse integriert sind – eine solche Abzweigstelle am Krümmer vermieden werden, sodass dieser besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.
Hintergrund der Erfindung ist, sowohl den ersten Teil, das heißt die rückzuführende Abgasmenge, als auch den zweiten Teil, das heißt das Abgas zum Antreiben des Turbinenrads, durch den Eintrittskanal zu führen, welcher auch als Einlasskanal oder Turbineneinlasskanal bezeichnet wird. Die AGR-Menge wird hierbei beispielsweise durch eine Turbineneintrittsflanschfläche, falls die Turbine als Nicht-Krümmer integrierte Turbine ausgebildet ist, geführt. Vor beziehungsweise stromauf des Eintrittsquerschnitts des Zuführkanals wird die AGR-Menge, insbesondere zumindest nahezu gleichgerichtet zum Haupt-Abgasstrom, in den abzweigenden Abgasrückführkanal eingeleitet. Als Triebkraft zum Abzweigen des Abgases dient eine Druckdifferenz zwischen einem im Ansaugtrakt herrschenden Druck und einem in der Turbine, insbesondere im Turbinengehäuse, herrschenden Druck. Diese Druckdifferenz bestimmt beispielsweise neben der Strömungsflächenfestlegung des engsten Querschnitts des Abgasrückführkanals die abströmende AGR-Menge, das heißt die den Abgasrückführkanal durchströmende Menge des Abgases. Im Gegensatz zum Stand der Technik erfolgt bei der erfindungsgemäßen Turbine keine Durchströmen und Abströmen der AGR-Menge durch und aus dem Zuführkanal, da die AGR-Menge stromauf des Zuführkanals beziehungsweise des Eintrittsquerschnitts des Zuführkanals in den Abgasrückführkanal einströmen kann. Hierdurch ist die Wirkung der vor dem Eintrittsquerschnitt des Zuführkanals abströmenden AGR-Menge auf die verbleibende Menge des den Zuführkanal durchströmenden Abgases beziehungsweise auf das Wirkungsgradverhalten der Turbine als unbedeutend zu erwarten. Die heute bekannten Turbinenauslegungskriterien können somit uneingeschränkt Verwendung finden, ohne dass große Entwicklungsaufwendungen hinsichtlich der aerodynamischen Wirkung und der bekannten Strömungsverhältnisse notwendig werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist es denkbar, im Turbinengehäuse, insbesondere im Eintrittskanal, eine Verstelleinrichtung oder ein Verstellelement anzuordnen, mittels welcher beziehungsweise welchem jeweilige, den Abgasrückführkanal und den Zuführkanal durchströmende Mengen des Abgases einstellbar sind. Mit anderen Worten ist es möglich, mittels eines solchen Verstellelements die AGR-Menge und/oder das Verhalten der Turbine gezielt zu beeinflussen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine Schaltskizze einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader, welcher eine Turbine mit einem Turbinengehäuse aufweist, in welches wenigstens ein Abgasrückführkanal integriert ist;
2 ausschnittsweise eine schematische Draufsicht der Turbine gemäß einer ersten Ausführungsform entlang einer in 3 gezeigten Linie B-B;
3 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Turbine gemäß der ersten Ausführungsform entlang einer in 2 gezeigten Schnittlinie A-A; und
4 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Turbine gemäß einer zweiten Ausführungsform.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer Schaltskizze eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, welcher mittels der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ein Zylindergehäuse 12, welches eine Mehrzahl von in 1 nicht erkennbaren Brennräumen insbesondere in Form von Zylindern aufweist. Beispielsweise weist die Verbrennungskraftmaschine 10 sechs Zylinder auf und kann dabei als Reihen-Sechs-Zylinder-Motor ausgebildet sein. Drei erste der Zylinder sind einer ersten Zylindergruppe in Form einer sogenannten λ-Gruppe zugeordnet, wobei die drei restlichen, zweiten Zylinder zu einer zweiten Zylindergruppe in Form einer sogenannten AGR-Gruppe zugeordnet sind. Die Funktion der AGR-Gruppe und der λ-Gruppe wird im Folgenden noch näher erläutert. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist einen Ansaugtrakt 16 auf, über welchen die Verbrennungskraftmaschine 10 während ihres Betriebs Luft aus der Umgebung ansaugt. Mittels des Ansaugtrakts 16 wird die angesaugte und den Ansaugtrakt 16 durchströmende Luft zu den und insbesondere in die Zylinder geführt.
Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 einen Abgastrakt 18, welcher von Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmbar ist. Den Zylindern wird nicht nur die Luft, sondern auch Kraftstoff insbesondere in Form von flüssigem Kraftstoff zugeführt. Hieraus entsteht in den jeweiligen Zylindern ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches unter Bildung von Abgas verbrannt wird. Das Abgas strömt aus den Zylindern aus und wird mittels eines im Abgastrakt 18 angeordneten Krümmers 14 der Verbrennungskraftmaschine 10 gesammelt. Dabei weist der Abgastrakt 18 vorliegend zwei Fluten 20 und 22 auf, welche von dem jeweiligen Abgas durchströmbar sind. Das Abgas aus den Zylindern der AGR-Gruppe wird mittels des Krümmers 14 gesammelt und zur Flut 20 zusammengeführt. Das Abgas aus den Zylindern der λ-Gruppe wird ebenfalls mittels des Krümmers 14 gesammelt und zur Flut 22 zusammengeführt.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ferner wenigstens einen Abgasturbolader 24, welcher eine im Abgastrakt 18 angeordnete Turbine 26 umfasst. Die Turbine 26 ist in 2 und 3 gemäß einer ersten Ausführungsform und in 4 gemäß einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Wie aus 2 bis 4 erkennbar ist, umfasst die Turbine 26 ein Turbinengehäuse 28, welches einen Aufnahmeraum 30 für ein Turbinenrad 32 (1) der Turbine 26 aufweist. Im fertig hergestellten Zustand der Turbine 26 ist das Turbinenrad 32 um eine Drehachse 34 relativ zu dem Turbinengehäuse 28 drehbar in dem Aufnahmeraum 30 aufgenommen. Der Abgasturbolader 24 umfasst ferner einen im Ansaugtrakt 16 angeordneten Verdichter 36, welcher ein Verdichterrad 38 zum Verdichten der den Ansaugtrakt 16 durchströmenden Luft aufweist. Das Turbinenrad 32 und das Verdichterrad 38 sind Bestandteil eines Rotors des Abgasturboladers 24, wobei der Rotor auch eine in 1 nicht erkennbare Welle umfasst. Das Turbinenrad 32 und das Verdichterrad 38 sind drehfest mit der Welle verbunden.
Die Turbine 26 beziehungsweise das Turbinengehäuse 28 ist als zweiflutige Turbine beziehungsweise zweiflutiges Turbinengehäuse ausgebildet. Hierbei weist das Turbinengehäuse 28 – wie aus 2 erkennbar ist – zwei von Abgas durchströmbare Fluten 40 und 42 auf, wobei die Flut 40 mit der Flut 20 und die Flut 42 mit der Flut 22 fluidisch verbunden ist. Dadurch kann das die Flut 20 durchströmende Abgas aus der Flut 20 aus- und in die Flut 40 einströmen, wobei das die Flut 22 durchströmende Abgas aus der Flut 22 aus- und in die Flut 42 einströmen kann. Die Flut 42 umfasst dabei wenigstens einen ersten Zuführkanal 44, welcher durch das Turbinengehäuse gebildet ist. Mit anderen Worten weist das Turbinengehäuse 28 den ersten Zuführkanal 44 auf. Der erste Zuführkanal 44 ist ein Spiralkanal, der sich in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums 30 über dessen Umfang zumindest im Wesentlichen spiralförmig erstreckt. Die Flut 40 weist – wie in Zusammenschau mit 3 und 4 erkennbar ist – einen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmbaren, zweiten Zuführkanal 46 auf, mittels welchem das Abgas zum Aufnahmeraum 30 und somit zum Turbinenrad 32 führbar ist. Dabei ist der zweite Zuführkanal 46 ebenfalls durch das Turbinengehäuse 28 gebildet. Dies bedeutet, dass das Turbinengehäuse 28 auch den zweiten Zuführkanal 46 aufweist. Vorliegend erstreckt sich auch der zweite Zuführkanal 46 in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums 30 beziehungsweise des Turbinenrads 32 über dessen Umfang zumindest im Wesentlichen spiralförmig, sodass auch der zweite Zuführkanal 46 ein Spiralkanal ist. Der jeweilige Spiralkanal wird auch als Spirale bezeichnet.
Darüber hinaus weist die Flut 40 einen Abgasrückführkanal 48 auf, welcher ebenfalls von Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmbar ist. Dies bedeutet, dass das Turbinengehäuse 28 den Abgasrückführkanal 48 aufweist. Mit anderen Worten ist der Abgasrückführkanal 48 durch das Turbinengehäuse 28 gebildet und somit in das Turbinengehäuse 28 integriert. Mittels des Abgasrückführkanals 48 ist Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 aus dem Turbinengehäuse 28 abzweigbar und zu dem von der Luft durchströmbaren Ansaugtrakt 16 rückführbar. Hierzu ist eine Abgasrückführeinrichtung 50 vorgesehen, welche eine separat vom Turbinengehäuse 28 ausgebildete und zusätzlich dazu vorgesehene Abgasrückführleitung 52 umfasst. Die Abgasrückführleitung 52 ist einerseits fluidisch mit dem Abgasrückführkanal 48 und andererseits an einer Zuführstelle 54 fluidisch mit dem Ansaugtrakt 16 verbunden. Dadurch kann zumindest ein Teil des den Abgasrückführkanal 48 durchströmenden Abgases aus dem Abgasrückführkanal 48 aus- und in die Abgasrückführleitung 52 einströmen. Das die Abgasrückführleitung 52 durchströmende Abgas wird mittels der Abgasrückführleitung 52 zur Zuführstelle 54 und somit zum Ansaugtrakt 16 geführt und an der Zuführstelle 54 in den Ansaugtrakt 16 eingeleitet. Die den Ansaugtrakt 16 durchströmende Luft nimmt das an der Zuführstelle 54 in den Ansaugtrakt 16 eingeleitete Abgas mit und transportiert das Abgas in die Zylinder, in denen das Abgas als Inertgas wirken kann. Hierdurch können Stickoxid-Rohemissionen der Verbrennungskraftmaschine 10 gering gehalten werden.
Im Ansaugtrakt 16 ist darüber hinaus eine Kühleinrichtung in Form eines Ladeluftkühlers 56 angeordnet, mittels welchem die mittels des Verdichters 36 verdichtete und dadurch erwärmte Luft wieder gekühlt wird. Dadurch kann ein besonders hoher Aufladegrad realisiert werden. Aus 1 ist erkennbar, dass die Zuführstelle 54 stromab des Verdichterrads 38, insbesondere stromab des Ladeluftkühlers 56, im Ansaugtrakt 16 angeordnet ist.
Durch die Abgasrückführeinrichtung 50 ist eine Abgasrückführung darstellbar, welche auch als AGR bezeichnet wird. Im Rahmen dieser Abgasrückführung wird das Abgas vom Abgastrakt 18 zum Ansaugtrakt 16 rückgeführt, wodurch die Stickoxid-Rohemissionen gering gehalten werden können. Die Flut 40 wird auch als AGR-Flut bezeichnet, da sie insbesondere dazu benutzt wird, Abgas rückzuführen. Die Flut 42 wird auch als λ-Flut bezeichnet, da sie insbesondere dazu genutzt wird, Abgas zu führen, mittels welchem das Turbinenrad 32 und somit das Verdichterrad 38 angetrieben werden. Durch dieses Antreiben des Verdichterrads 38 wird die Luft auf einen vorgebbaren Ladedruck verdichtet, sodass ein vorgebbares Verbrennungsluftverhältnis in den Zylindern eingestellt werden kann. Das Verbrennungsluftverhältnis wird auch als Lambda (λ) bezeichnet. Demzufolge ist der Zuführkanal 44 ein λ-Kanal in Form einer Turbinenspirale, da das den Zuführkanal 44 durchströmende Abgas zu dem Aufnahmeraum 30 und somit zum Turbinenrad 32 geführt wird und das Turbinenrad 32 antreibt.
Aus 3 ist erkennbar, dass die Zuführkanäle 44 und 46 über eine sich in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums 30 und somit des Turbinenrads 32 über dessen Umfang zumindest im Wesentlichen ringförmig erstreckende Düse 57 in den Aufnahmeraum 30 münden, sodass das die Zuführkanäle 44 und 46 durchströmende Abgas über die Düse 57 in den Aufnahmeraum 30 strömen und dann das Turbinenrad 32 antreiben kann. Die Düse 57 wird dabei auch als Ringdüse bezeichnet.
Um nun besonders vorteilhafte Strömungsbedingungen sowohl für das den Zuführkanal 46 als auch für das den Abgasrückführkanal 48 durchströmende Abgas zu realisieren, ist – wie besonders gut aus 3 und 4 erkennbar ist – durch das Turbinengehäuse 28 wenigstens ein in Strömungsrichtung des Abgases stromauf des Abgasrückführkanals 48 und des Zuführkanals 46 der Flut 40 angeordneter, dem Abgasrückführkanal 48 und dem Zuführkanal 46 gemeinsamer und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmbarer Eintrittskanal 58 gebildet, welcher über jeweilige Eintrittsquerschnitte A1 und A2 des Zuführkanals 46 und des Abgasrückführkanals 48 in den Zuführkanal 46 und in den Abgasrückführkanal 48 mündet. Aus 2 ist ferner ein Verbindungsflansch 60 des Turbinengehäuses 28 erkennbar. Über den Verbindungsflansch 60 kann das Turbinengehäuse 28 zunächst mechanisch mit den Fluten 20 und 22 verbunden werden. Hierzu weist der Verbindungsflansch 60 Schrauböffnungen 61 auf, welche beispielsweise als Durchgangsöffnungen ausgebildet sind. Schraubelemente insbesondere in Form von Schrauben können durch die Schrauböffnungen 61 hindurchgesteckt werden, sodass der Verbindungsflansch 60 mittels dieser Schrauben mit den Fluten 20 und 22 mechanisch verbunden werden kann. Infolge dieser mechanischen Verbindung ist die Flut 20 mit der Flut 40 verbunden, wobei ferner die Flut 42 mit der Flut 22 fluidisch verbunden ist. Der Verbindungsflansch 60 weist Durchströmöffnungen 62 und 64 auf, welche von dem jeweiligen Abgas aus den Fluten 20 und 22 durchströmbar sind. Das die Flut 20 durchströmende Abgas kann somit aus der Flut 20 ausströmen und die Durchströmöffnung 62 durchströmen, sodass das Abgas aus der Flut 20 in die Flut 40 und dabei über die Durchströmöffnung 62 in den Eintrittskanal 58 einströmt. Ferner kann das Abgas aus der Flut 22 ausströmen und die Durchströmöffnung 64 durchströmen, sodass das Abgas aus der Flut 22 über die Durchströmöffnung 64 in die Flut 42 und schließlich in den Zuführkanal 44 einströmt.
Das Abgas aus der Flut 20, das über die Durchströmöffnung 62 in den Eintrittskanal 58 einströmt, wird dann mittels des Turbinengehäuses 28, insbesondere mittels einer den Zuführkanal 46 zumindest teilweise vom Abgasrückführkanal 48 trennenden Wandung 66 des Turbinengehäuses 28, aufgeteilt, sodass ein erster Teil des den Eintrittskanal 58 insgesamt durchströmenden Abgases aus dem Eintrittskanal 58 aus- und über den Eintrittsquerschnitt A1 in den Zuführkanal 46 einströmt. Dieser erste Teil wird dann mittels des Zuführkanals 46 zu dem Aufnahmeraum 30 und schließlich zum Turbinenrad 32 geleitet, sodass der erste Teil das Turbinenrads 32 anströmen kann. Ein vom ersten Teil unterschiedlicher, zweiter Teil des den Eintrittskanal 58 insgesamt durchströmenden Abgases kann aus dem Eintrittskanal 58 aus- und über den Eintrittsquerschnitt in den Abgasrückführkanal 48 einströmen, sodass dieser zweite Teil mittels des Abgasrückführkanals 48 zur Abgasrückführleitung 52 und über diese in den Ansaugtrakt 16 geführt wird. Somit ist der Eintrittsquerschnitt A2 des Abgasrückführkanals 48 an einer Abzweigstelle 68 angeordnet, an welcher der zweite Teil des Abgases abgezweigt und zur Abgasrückführleitung 52 beziehungsweise zum Ansaugtrakt 16 geführt wird.
Aus 3 ist erkennbar, dass der Zuführkanal 46 und der Abgasrückführkanal 48 zumindest in jeweiligen Teilbereichen zumindest im Wesentlichen parallel beziehungsweise gleichförmig zueinander verlaufen, sodass das den Eintrittskanal 58 durchströmende Abgas beispielsweise zumindest im Wesentlichen parallel über die jeweiligen Eintrittsquerschnitte A1 und A2 in den Abgasrückführkanal 48 und den Zuführkanal 46 einströmt, während sich die Turbine 26 in ihrem Betrieb befindet. Stromab des Turbinenrads 32, insbesondere der Turbine 26, ist im Abgastrakt 18 beispielsweise wenigstens eine Abgasnachbehandlungseinrichtung zum Nachbehandeln des Abgases angeordnet.
Aus 1 ist erkennbar, dass die Abgasrückführeinrichtung 50 wenigstens ein Ventilelement 70 umfassen kann, welches auch als AGR-Ventil bezeichnet wird. Vorliegend ist das Ventilelement 70 in der Abgasrückführleitung 52 und somit außerhalb des Turbinengehäuses 28 angeordnet, wobei eine die Abgasrückführleitung 52 durchströmende Menge des Abgases mittels des Ventilelements 70 einstellbar ist. Die Abgasrückführeinrichtung 50 umfasst ferner eine Kühleinrichtung in Form eines AGR-Kühlers 72, welcher in der Abgasrückführleitung 52 stromab des Ventilelements 70 angeordnet ist. Mittels des AGR-Kühlers 72 wird die die Abgasrückführleitung 52 durchströmende Menge des Abgases stromauf der Zuführstelle 54 gekühlt.
Darüber hinaus ist eine Recheneinrichtung 74 vorgesehen, welche beispielsweise als Steuergerät ausgebildet ist. Mittels der Recheneinrichtung 74 erfolgt beispielsweise eine Steuerung oder eine Regelung, in deren Rahmen das Ventilelement 70 mittels der Recheneinrichtung 74 angesteuert wird, um dadurch die die Abgasrückführleitung 52 durchströmende Menge des Abgases einzustellen. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass die Abgasrückführeinrichtung 50 wenigstens ein im Turbinengehäuse 28 angeordnetes, das heißt in das Turbinengehäuse 28 integriertes Verstellelement 76 (1) aufweist, mittels welchem jeweilige, den Abgasrückführkanal 48 und den Zuführkanal 46 durchströmenden Mengen des Abgases einstellbar sind.
Vorliegend ist die Turbine 26 zwar als zweiflutige Turbine ausgebildet. Die vorigen und folgenden Ausführungen können jedoch auch ohne weiteres auf einflutige Turbinen, das heißt auf Turbinen mit genau einer Flut, oder auf Turbinen mit mehr als zwei Fluten oder Segmenten von Segmentturbinen übertragen werden.
Die die Abgasrückführleitung 52 durchströmende und zum Ansaugtrakt 16 rückgeführte Menge wird auch als AGR-Menge bezeichnet. Der Turbine 26 liegt insbesondere die Idee zugrunde, die AGR-Menge durch den Verbindungsflansch 60 und den Eintrittskanal 58 bis nahe vor den Eintrittsquerschnitt A1 zu leiten, welcher auch als Turbinenspiralen-Eintritt bezeichnet wird. Hierdurch können sehr günstige Strömungsverhältnisse bezüglich der AGR-Menge und des den Zuführkanal 46 durchströmenden Haupt-Abgasstroms realisiert werden, die sich dann als nahezu parallele Strömungen zum einen in den Abgasrückführkanal 48 und zum anderen in den Zuführkanal 46 zeigen. Dieser Strömungsrichtungsvorteil gegenüber herkömmlichen Turbinen ermöglicht die Realisierung eines besonders hohen Wirkungsgrads der Turbine 26 und somit der Verbrennungskraftmaschine 10 insgesamt. Das Verstellelement 76 kann als Klappe oder Ventil ausgebildet sein.
Bei der in 3 gezeigten ersten Ausführungsform ist die Turbine 26 als Festgeometrieturbine ausgebildet, bei welcher kein im Turbinengehäuse 28 angeordnetes Verstellelement zum Einstellen des den Zuführkanal 46 und den Abgasrückführkanal 48 durchströmenden Abgases vorgesehen ist.
Aus 2 ist erkennbar, dass die Fluten 40 und 42 asymmetrisch zueinander ausgebildet sind. Hierbei weist die Flut 40 einen kleineren von dem Abgas durchströmbaren Strömungsquerschnitt als die Flut 42 auf. Die Durchströmöffnungen 62 und 64, welche auch als Anströmungsöffnungen bezeichnet werden, sind jedoch zumindest im Wesentlichen symmetrisch zueinander ausgestaltet. Hierdurch kann ein mehr oder weniger symmetrischer Krümmer 14 verwendet werden.
Aus 4 ist eine mögliche Ausführungsform des in das Turbinengehäuse 28 integrierten Verstellelements 76 erkennbar. Das Verstellelement 76 ist im Turbinengehäuse 28 aufgenommen und relativ zu dem Turbinengehäuse 28 bewegbar, wobei das Verstellelement 76 um eine zumindest im Wesentlichen parallel zur Drehachse 34 verlaufende Schwenkachse 78 relativ zum Turbinengehäuse 28 verschwenkbar ist. Das Verstellelement 76 ist zumindest zwischen einer ersten Schließstellung S1 und einer zweiten Schließstellung S2 verstellbar und kann dabei auch in eine zwischen den Schließstellungen S1 und S2 liegende Freigabestellung F geschwenkt werden. Insbesondere ist es möglich, dass das Verstellelement 76 in weitere Stellungen zwischen der Schließstellung S1 und der Freigabestellung F sowie zwischen der Freigabestellung F und der Schließstellung S2 bewegbar ist. In der ersten Schließstellung S1 ist der Abgasrückführkanal 48 mittels des Verstellelements 76 fluidisch versperrt, sodass das Abgas aus dem Eintrittskanal 58 nicht in den Abgasrückführkanal 48 einströmen kann. Das Abgas aus dem Eintrittskanal 58 strömt dann vollständig in den Zuführkanal 46. In der zweiten Schließstellung S2 ist der Zuführkanal 46 durch das Verstellelement 76 fluidisch versperrt, sodass das Abgas aus dem Eintrittskanal 58 nicht in den Zuführkanal 46 einströmen kann. Das Abgas aus dem Eintrittskanal 58 strömt dann vollständig in den Abgasrückführkanal 48 ein. In der Freigabestellung F gibt das Verstellelement 76 sowohl den Abgasrückführkanal 48 als auch den Zuführkanal 46 frei, sodass – wie zuvor beschrieben – der erste Teil des Abgases in den Abgasrückführkanal 48 und der zweite Teil des Abgases in den Zuführkanal 46 einströmen kann.
Aus 4 ist erkennbar, dass das Verstellelement 76, insbesondere außenumfangsseitig, eine Profilierung sowie eine entsprechende Dickenverteilung aufweist, wobei das Verstellelement 76 stromauf der Trennwand 66 angeordnet ist. Die Trennwand 66 ist dabei eine Zwischenwandung, welche zwischen dem Abgasrückführkanal 48 und dem Zuführkanal 46 angeordnet ist und diese voneinander trennt. Vorliegend ist das Verstellelement 76 als verschwenkbare beziehungsweise Drehklappe ausgebildet, mittels welcher sich der wirksame, effektive Eintrittsquerschnitt A1 in Abhängigkeit von dem anderen Eintrittsquerschnitt A2 in gewünschter Weise beeinflussen lässt. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Eintrittsquerschnitte A1 und A2 und somit die jeweiligen Mengen des den Zuführkanal 46 und den Abgasrückführkanal 48 durchströmenden Abgases mittels des Verstellelements 76 gleichzeitig beziehungsweise gemeinsam einstellbar sind. Neben der Beeinflussung der engsten effektiven Strömungsflächen im Turbineneinlauf dient das Verstellelement 76 auch zur Beschleunigung der Strömung insbesondere zum AGR-Kanal oder in einer anderen Position zur Beschleunigung der Strömung im Zuführkanal 46, was sich in den betreffenden Kennfeldbereichen als wirkungsgradpositives Leitelement für den Motorbetrieb erweisen wird.
Zur Erzielung hoher AGR-Raten wird der in 4 verschlossene AGR-Kanal durch Öffnen dieses, das heißt durch Bewegen des Verstellelements 76 aus der ersten Schließstellung S1 für den Gasdurchtritt zugänglich gemacht. Das weitere Öffnen des AGR-Kanals steht ab einer bestimmten Öffnungsposition in Abhängigkeit mit der Verengung des effektiven Eintrittsquerschnitts des Zuführkanals 46, wodurch sich ab dem Maximalwert des AGR-Eintrittsquerschnitts, der dann nicht mehr von der Klappenposition bestimmt wird, eine Erhöhung des Aufstaudrucks P31 ergibt. In der Schließposition des Zulaufs zur Turbinenspirale stellt sich eine AGR-Rate der Verbrennungskraftmaschine 10 von circa 50 Prozent ein, falls die Gas-Leckagen der Verstell-Klappe (Verstellelement 76) gering sind. Durch diese einfache Verstell-Vorrichtung lässt sich der sogenannte Asymmetriegrad Asy der zweiflutigen Turbine 26 bis nahe an die 0 einstellen. Der Asymmetriegrad Asy ergibt sich zu:
Hierbei bezeichnet Φ_31t den Durchsatzparameter der Flut 20, wobei Φ_32t den Durchsatzparameter der Flut 22 bezeichnet. Bei einer Festgeometrie-Turbine ohne das Verstellelement 76 wird der Asymmetriegrad Asy häufig auf einen Kompromisswert zwischen 30 bis 60 Prozent, je nach AGR-Bedarf, durch die Flächenverteilung der AGR-zur-λ-Turbinenspirale festgelegt.
Alternativ oder zusätzlich zu dem hinsichtlich seiner Funktionalität sehr hochwertigen Verstellelement 76, welches die Einsparung der bisherigen normalen AGR-Ventile ermöglicht, sind weitere turbineninterne Verstellvorrichtungen denkbar. Diese sind beispielsweise die Anordnung nur vor oder nahe dem Turbinenspiralenbereich zur Regelung allein der Turbine 26, wobei der AGR-Kanal stets auf ist. Alternativ oder zusätzlich ist eine Anordnung im AGR-Teilkanal der Turbine 26 vorgesehen, wobei der Asymmetriegrad der Turbine 26 unberührt bleibt. Es handelt sich hier um ein turbinenintegriertes AGR-Ventil.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Zylindergehäuse
14: Krümmer
16: Ansaugtrakt
18: Abgastrakt
20: Flut
22: Flut
24: Abgasturbolader
26: Turbine
28: Turbinengehäuse
30: Aufnahmeraum
32: Turbinenrad
34: Drehachse
36: Verdichter
38: Verdichterrad
40: Flut
42: Flut
44: Zuführkanal
46: Zuführkanal
48: Abgasrückführkanal
50: Abgasrückführeinrichtung
52: Abgasrückführleitung
54: Zuführstelle
56: Ladeluftkühler
57: Düse
58: Eintrittskanal
60: Verbindungsflansch
61: Schrauböffnung
62: Durchströmöffnung
64: Durchströmöffnung
66: Trennwand
68: Abzweigstelle
70: Ventilelement
72: AGR-Kühler
74: Recheneinrichtung
76: Verstellelement
78: Sschwenkachse
F: Freigabestellung
S1: Schließstellung
S2: Schließstellung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008052088 A1 [0002]
DE 102010045202 A1 [0006]
DE 102010021926 A1 [0007]

Claims

Turbine (26) für einen Abgasturbolader (24) einer Verbrennungskraftmaschine (10), mit einem Turbinengehäuse (28), welches einen Aufnahmeraum (30) für ein Turbinenrad (32), wenigstens einen Zuführkanal (46), mittels welchem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) zu dem Aufnahmeraum (30) führbar ist, und wenigstens ein Abgasrückführkanal (48) aufweist, mittels welchem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) aus dem Turbinengehäuse (28) abzweigbar und von einem von dem Abgas durchströmbaren Abgastrakt (18) zu einem von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt (16) der Verbrennungskraftmaschine (10) rückführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Turbinengehäuse (28) wenigstens ein stromauf des Abgasrückführkanals (48) und des Zuführkanals (46) angeordneter, dem Abgasrückführkanal (48) und dem Zuführkanal (46) gemeinsamer und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbarer Eintrittskanal (58) gebildet ist, welcher über jeweilige Eintrittsquerschnitte (A1, A2) des Abgasrückführkanals (48) und des Zuführkanals (46) in diese mündet.
Turbine (26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas aus dem Eintrittskanal (58) während eines Betriebs der Turbine (26) zumindest im Wesentlichen parallel über die jeweiligen Eintrittsquerschnitte (A1, A2) in den Abgasrückführkanal (48) und den Zuführkanal (46) einströmt.
Turbine (26) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verstellelement (76) zum Einstellen jeweiliger, den Abgasrückführkanal (48) und den Zuführkanal (46) durchströmender Mengen des Abgases einstellbar sind.
Turbine (26) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement (76) in dem Turbinengehäuse (28) aufgenommen und relativ zu dem Turbinengehäuse (28) bewegbar ist.
Turbine (26) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mengen mittels der Verstellelements (76) gleichzeitig durch Bewegen des Verstellelements (76) einstellbar sind.
Abgasturbolader (24) für eine Verbrennungskraftmaschine (10), insbesondere eines Kraftwagens, mit einer Turbine (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.