DE102015008358A1

DE102015008358A1 - Turbine für einen Abgasturbolader sowie Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen

Info

Publication number: DE102015008358A1
Application number: DE102015008358.9A
Authority: DE
Inventors: Nils Brinkert
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-06-27
Filing date: 2015-06-27
Publication date: 2016-01-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine (10) für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse (12), welches zumindest zwei zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte und von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Fluten (14, 16) aufweist, mit einem in dem Turbinengehäuse (12) aufgenommenen und von dem Abgas antreibbaren Turbinenrad, mit wenigstens einem Umgehungskanal (24), über welchen das Turbinenrad zumindest von einem Teil des Abgases zu umgehen ist, mit wenigstens einer Durchströmöffnung (32), über welche die Fluten (14, 16) fluidisch miteinander verbindbar sind, und mit einem Ventilelement (26), welches zwischen einer den Umgehungskanal (24) verschließenden Schließstellung (S) und wenigstens einer den Umgehungskanal (24) und die Durchströmöffnung (32) jeweils zumindest bereichsweise freigebenden Offenstellung (O) verstellbar ist, wobei das Ventilelement (26) in der Schließstellung (S) den Umgehungskanal (24) verschließt und die Durchströmöffnung (32) zumindest teilweise freigibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 6.
Eine solche Turbine für einen Abgasturbolader ist beispielsweise bereits der DE 10 2013 002 894 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Turbine umfasst ein Turbinengehäuse, welches zumindest zwei zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte und von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Fluten aufweist. Die Turbine umfasst ferner ein in dem Turbinengehäuse aufgenommenes und von dem Abgas antreibbares Turbinenrad und wenigstens einen Umgehungskanal, über welchen das Turbinenrad zumindest von einem Teil des Abgases zu umgehen ist. Dies bedeutet, dass das den Umgehungskanal durchströmende Abgas das Turbinenrad umgeht und somit nicht antreibt. Üblicherweise wird der Umgehungskanal auch als Wastegate oder Bypass-Kanal bezeichnet. Der Umgehungskanal wird üblicherweise dazu verwendet, einen vom Abgasturbolader bereitstellbaren Ladedruck einzustellen.
Die Turbine weist auch wenigstens eine Durchströmöffnung auf, über welche die Fluten fluidisch miteinander verbindbar sind. Diese Durchströmöffnung ist dabei eine vom Umgehungskanal unterschiedliche und von diesem separate Durchströmöffnung, über die die Fluten fluidisch miteinander verbunden werden können. Sind die Fluten fluidisch voneinander getrennt, indem die Durchströmöffnung fluidisch verschlossen ist, so kann die sogenannte Stoßaufladung zum Aufladen der Verbrennungskraftmaschine, das heißt zum Versorgen der Verbrennungskraftmaschine mit verdichteter Luft durchgeführt werden. Durch Freigeben der Durchströmöffnung, das heißt durch das Verbinden der Fluten miteinander, kann die sogenannte Stauaufladung zum Aufladen der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden. Die Turbine umfasst darüber hinaus wenigstens ein Ventilelement, welches zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung verstellbar ist. In der Schließstellung ist der Umgehungskanal mittels des Ventilelements verschlossen beziehungsweise versperrt. Dadurch kann kein Abgas den Umgehungskanal durchströmen und somit das Turbinenrad umgehen beziehungsweise bypassieren. In der Offenstellung gibt das Ventilelement den Umgehungskanal und die Durchströmöffnung jeweils zumindest bereichsweise frei, sodass die Fluten fluidisch über die Durchströmöffnung verbunden sind, wobei Abgas den Umgehungskanal durchströmen kann. Das Freigeben des Umgehungskanals wird üblicherweise auch als Abblasen bezeichnet, da zumindest ein Teil des Abgases stromauf des Turbinenrads abgezweigt und um das Turbinenrad herum geführt wird, ohne das Turbinenrad anzutreiben. Demzufolge wird der Umgehungskanal auch als Abblasekanal bezeichnet.
Darüber hinaus offenbart die DE 10 2012 023 118 A1 eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit wenigstens einem Brennraum, welcher beispielsweise als Zylinder ausgebildet ist. Dem Brennraum sind wenigstens zwei Auslasskanäle zum Abführen von Abgas aus dem Brennraum zugeordnet. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst ferner wenigstens eine Turbine eines Abgasturboladers, wobei der Turbine das Abgas zuführbar ist. Ein erster der Auslasskanäle ist mit einer ersten Flut zum Führen von Abgas zu der Turbine fluidisch verbunden, wobei der zweite Auslasskanal mit einer zweiten Flut zum Führen von Abgas zu der Turbine fluidisch verbunden ist. Dies bedeutet, dass das Abgas aus dem ersten Auslasskanal in die erste Flut und nicht etwa in die zweite Flut geführt wird, wobei das Abgas aus dem zweiten Auslasskanal in die zweite Flut und nicht etwa in die erste Flut geführt wird. Ferner ist eine Stelleinrichtung vorgesehen, welche wenigstens ein dem ersten Auslasskanal zugeordnetes, erstes Stellelement zum fluidischen Versperren und Freigeben des ersten Auslasskanals und wenigstens ein dem zweiten Auslasskanal zugeordnetes, zweites Stellelement zum fluidischen Versperren und Freigeben des zweiten Auslasskanals aufweist. Die Stellelemente sind beispielsweise als jeweilige Gaswechselventile, insbesondere Auslassventile, ausgebildet.
Ferner ist die Stelleinrichtung zwischen einem ersten Betriebszustand und einem zweiten Betriebszustand umschaltbar. In dem ersten Betriebszustand erfolgt ein zumindest zeitweises Freigeben beider Auslasskanäle durch die jeweiligen Stellelemente, sodass in dem ersten Betriebszustand die beiden Auslasskanäle zumindest vorübergehend gleichzeitig freigegeben beziehungsweise geöffnet sind. In dem zweiten Betriebszustand erfolgt ein zumindest zeitweises Freigeben des ersten Auslasskanals durch das erste Stellelement, und ein Freigeben des zweiten Auslasskanals durch das zweite Stellelement unterbleibt. Dies bedeutet, dass in dem zweiten Betriebszustand der erste Auslasskanal zumindest vorübergehend geöffnet ist, während der zweite Auslasskanal zumindest vorübergehend verschlossen ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Turbine sowie eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein verbesserter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 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 sich ein verbesserter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Ventilelement in der Schließstellung den Umgehungskanal verschließt und die Durchströmöffnung zumindest teilweise freigibt. Dies bedeutet, dass in der Schließstellung des Ventilelements der Umgehungskanal mittels des Ventilelements fluidisch versperrt ist, sodass kein Abgas den Umgehungskanal durchströmen kann. Da das Ventilelement die Durchströmöffnung jedoch in der Schließstellung freigibt, sind die Fluten in der Schließstellung zumindest geringfügig fluidisch miteinander verbunden. Bei der erfindungsgemäßen Turbine ist es somit möglich, eine maximale Nutzung der Verbindung der Fluten unter Beibehaltung von kostengünstigen Fertigungs- und Bearbeitungsmethoden in einer Großserie zu realisieren. Insbesondere ist es möglich, einen besonders hohen Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine zu realisieren sowie größere Freiheitsgrade bei der Auslegung des Turbinenrads zu ermöglichen. In der Folge können der Kraftstoffverbrauch und insbesondere die CO₂-Emission der Verbrennungskraftmaschine gering gehalten werden. Zudem können ein verbessertes Ansprechverhalten und eine bessere Drehmomentcharakteristik realisiert werden.
Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass in herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen Abgasturbolader zum Einsatz kommen, deren Turbinenbeaufschlagung mehrflutig, in der Regel zweiflutig, erfolgt. Hierbei fördert ein Teil von Brennräumen, insbesondere Zylindern, der Verbrennungskraftmaschine Abgas zu einer ersten der Fluten, während ein anderer Teil der Brennräume Abgas zu der anderen Flut beziehungsweise in die anderen Fluten fördert. Die durch die fluidische Trennung der Fluten verbundene Verkleinerung der abgasführenden Volumina zwischen den Brennräumen und der Turbine für jede der Fluten führt zum Effekt der bekannten Stoßaufladung. Herkömmlicherweise ist es vorgesehen, zur Regelung oder Steuerung des Abgasturboladers, mittels welchem die Stoßaufladung realisiert wird, ein sogenanntes Wastegate zu öffnen, das heißt den Umgehungskanal freizugeben, um gezielt Abgas aus beiden Fluten am Turbinenrad vorbeiströmen zu lassen. Dabei wird Enthalpie unnötigerweise abgebaut, die nicht dem Ladungswechsel und damit dem Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine zugutekommt. Ferner hat es sich gezeigt, dass üblicherweise der Flächenverlauf beim Öffnen des Ventilelements (Wastegate) zu Nachteilen der Verbrennungsregelung führt, was insbesondere durch eine zu frühe Flutenverbindung bedingt ist, woraus bei hoher Motorlast bei geringen Drehzahlen Nachteile in der Laufruhe resultieren, sodass diese Betriebspunkte so nicht darstellbar sind. Diese Probleme können durch die erfindungsgemäße Turbine vermieden werden, da der Stoßaufladeeffekt reduziert und die Stauaufladung bewirkt werden kann.
Wird das Ventilelement ausgehend von der Offenstellung beispielsweise weiter geöffnet, so geht damit eine sukzessive, zunehmende Verbindung der Fluten einher. Dadurch kann die Leistung der Turbine ebenfalls wie beim Abblasen gesenkt werden, jedoch ohne den Nachteil der Wirkungsgradverschlechterung beziehungsweise Massenreduktion. Gleichzeitig mit der Verbindung der Fluten kann bei Bedarf zur weiteren Regelung oder Steuerung des Abgasturboladers durch dasselbe Ventilelement ein Abblasequerschnitt freigegeben werden, über welchen Abgas in den Umgehungskanal strömen und somit am Turbinenrad vorbeigeführt werden kann. Das Ventilelement ist beispielsweise ein Wastegate beziehungsweise ein Ventilkörper mit einem Mitnehmer, der ab einer gewissen Position beziehungsweise Stellung des Ventilkörpers die Abblasung initiiert und somit ermöglicht. Beispielsweise kann das Ventilelement als Axialschieber oder Drehschieber ausgebildet sein.
Als vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Ventilelement und/oder der Umgehungskanal derart ausgebildet sind, dass zumindest in einem Teilbereich der Bewegung des Ventilelements aus der Schließstellung in die Offenstellung eine stärkere Betonung auf die Abblasung beziehungsweise die Turbinenbypassierung erfolgt und nur bei zunehmender Öffnung des Ventilelements eine effektive Flutenverbindung durchgeführt wird. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass ein erstes Maß, um welches das Ventilelement bei dessen Bewegung aus der Schließstellung in die Offenstellung den Umgehungskanal freigibt, zumindest in einem Teilbereich der Bewegung größer als ein zweites Maß ist, um welches das Ventilelement die Durchströmöffnung freigibt. Dies kann über entsprechende, den Umgehungskanal der Durchströmöffnung zugeordnete Flächenverläufe erfolgen. Unter einem solchen Flächenverlauf ist die Veränderung einer jeweiligen Fläche zu verstehen, die das Ventilelement bei seiner Bewegung aus der Schließstellung freigibt. Durch eine entsprechende und gezielte Gestaltung dieser Flächenverläufe kann ein besonders vorteilhaftes Verhältnis zwischen Abblasung und Flutenverbindung realisiert werden.
Die Ausführung des Ventilelements, mittels welchem sowohl die Abblasung als auch die Verbindung der Fluten eingestellt wird, kann derart erfolgen, dass die Bearbeitung des Turbinengehäuses beispielsweise rotationssymmetrisch erfolgt, sodass die Bearbeitung des Turbinengehäuses in Serie kostengünstig dargestellt werden kann. Das Ventilelement weist beispielsweise lediglich in einer Trennfläche der Fluten die notwendige Formgebung auf, während die Formgebung des Ventilelements in übrigen Bereich eine Freifläche darstellt und somit einen nicht-rotationssymmetrischen Verlauf aufweist. Mit anderen Worten ist es beispielsweise vorgesehen, dass das Ventilelement in zumindest einem ersten Teilbereich rotationssymmetrisch um in zumindest einem sich an den ersten Teilbereich anschließenden, zweiten Teilbereich nicht-rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Über den rotationssymmetrischen Teilbereich erfolgt beispielsweise das Versperren und Freigeben der Fluten, während mittels des nicht-rotationssymmetrischen Teilbereichs die Abblasung, das heißt das Freigeben und Versperren des Umgehungskanals, durchgeführt wird.
Um eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 6 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein verbesserter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist, sind wenigstens eine stromab der Auslasskanäle angeordnete Durchströmöffnung, über welche die Fluten fluidisch miteinander verbindbar sind, und ein zusätzliches, das heißt zusätzlich zu den Stellelementen vorgesehenes Ventilelement vorgesehen, welches zwischen einer zumindest einen Teilbereich der Durchströmöffnung fluidisch versperrenden Schließstellung und wenigstens einer den Teilbereich freigebenden Offenstellung verstellbar ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Durchströmöffnung in der Schließstellung des Ventilelements mittels des Ventilelements verschlossen ist, sodass die Fluten nicht über die Durchströmöffnung fluidisch miteinander verbunden sind.
Bei der Verbrennungskraftmaschine gemäß Patentanspruch 6 ist eine Verbindung der Fluten über die beispielsweise als Auslassventil ausgebildeten Stellelemente darstellbar. Im ersten Betriebszustand sind die Stellelemente (Auslassventile) zumindest zeitweise gleichzeitig geöffnet, sodass die Fluten miteinander verbunden sind. In der Folge kann eine Stauaufladung realisiert werden. Im zweiten Betriebszustand jedoch ist das erste Stellelement zumindest zeitweise geöffnet, wobei dann das zweite Stellelement zumindest zeitweise geschlossen ist. Dadurch sind die Fluten getrennt, da von den zwei Stellelementen lediglich ein Stellelement geöffnet ist. Bei der Zuschaltung des zweiten Stellelements, das heißt beim Öffnen des zweiten Stellelements wird auch die zugehörige, andere Flut insbesondere während eines Ausschiebevorgangs des beispielsweise als Zylinder ausgebildeten Brennraums verwendet. Bei der Umschaltung vom zweiten Betriebszustand, in welchem die Fluten getrennt sind, in den ersten Betriebszustand, in welchem die Fluten verbunden sind, kann die Verbrennungskraftmaschine jedoch sehr stark unterschiedlich betrieben werden, was dazu führen kann, dass ein solches Umschalten nur bedingt drehmomentneutral stattfinden kann. Dadurch kann wiederum der Fahrkomfort beeinträchtigt werden.
Durch den Einsatz des zusätzlich zu den Stellelementen vorgesehenen Ventilelements ist es nun jedoch möglich, zwischen den Betriebszuständen zumindest im Wesentlichen drehmomentneutral umzuschalten, sodass ein solches Umschalten von Insassen des beispielsweise als Personenkraftwagen ausgebildeten Kraftwagens nicht wahrgenommen werden kann. Dadurch kann ein besonders hoher Fahrkomfort realisiert werden. Das Ventilelement ist ein zusätzlich zu den Stellelementen vorgesehenes Organ, mittels welchem die Verbindung der Fluten eingestellt werden kann.
Das Organ ist beispielsweise ein Abblaseventil, mittels welchem die sukzessive Verbindung der Fluten sowie vorzugsweise ein Umgehen der Turbine beziehungsweise des Turbinenrads mit Abgas einstellbar ist. Mit anderen Worten ist durch das Organ gleichzeitig ein Wastegate-Ventil dargestellt. Ebenfalls denkbar wäre ein zusätzlich zu einem Wastegate-Ventil vorgesehenes Stellelement, mittels welchem die Fluten sukzessive miteinander verbunden und voneinander getrennt werden können. Das Verbinden der Fluten mittels des Ventilelements erfolgt vorzugsweise, bevor die Fluten über die Auslassventile beziehungsweise Stellelemente miteinander verbunden werden. Dadurch kann ein übermäßiger Unterschied zwischen den Betriebszuständen vermieden werden, und ein Umschalten zwischen den Betriebszuständen ist ohne übermäßigen Drehmomenteinbruch deutlich einfacher darstellbar. Dadurch können die Vorteile der Verbindung der Fluten über die Auslassventile erhalten bleiben bei gleichzeitiger Möglichkeit, einen besonders hohen Fahrkomfort darzustellen.
Insgesamt ist es möglich, den Abgasturbolader besonders vorteilhaft an unterschiedliche Durchsatzbereiche der Verbrennungskraftmaschine anzupassen. Dadurch kann eine vorteilhafte Drehmomentkurve bei gleichzeitig geringerem Kraftstoffverbrauch realisiert werden. Ferner kann ein vorteilhaftes Instationärverhalten bei gleichzeitig hoher Nennleistung ohne Komfortnachteile im Umschaltbereich zwischen den Betriebszuständen realisiert werden. Durch das vorteilhafte Instationärverhalten können ein vorteilhaftes Anfahren, eine vorteilhafte Elastizität und ein vorteilhafter Drehmomentaufbau realisiert werden.
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 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer Turbine gemäß einer ersten Ausführungsform für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine, wobei ein zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung verstellbares Ventilelement vorgesehen ist, welches in seiner Schließstellung eine Durchströmöffnung, über welche zwei Fluten der Turbine miteinander verbindbar sind, teilweise freigibt und einen Umgehungskanal zum Umgehen eines Turbinenrads der Turbine fluidisch versperrt;
2 eine schematische Seitenansicht des Ventilelements;
3 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Turbine gemäß einer zweiten Ausführungsform;
4 ein Diagramm zur Veranschaulichung von Flächenverläufen bei unterschiedlichen Ausführungsformen der Turbine; und
5 ein Diagramm zur Veranschaulichung von Verläufen von Flächenverhältnissen bei den unterschiedlichen Ausführungsformen der Turbine.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine Turbine 10 für einen Abgasturbolader einer in 1 nicht erkennbaren Verbrennungskraftmaschine. Die Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungsmaschine ausgebildet und umfasst mehrere Brennräume in Form von Zylindern. Während eines gefeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine laufen in den Zylindern Verbrennungsvorgänge ab, aus denen Abgas resultiert.
Die Turbine 10 umfasst ein in 1 ausschnittsweise erkennbares Turbinengehäuse 12 mit einem in 1 nicht erkennbaren Aufnahmeraum. In dem Aufnahmeraum ist ein in 1 nicht erkennbares Turbinenrad der Turbine 10 aufgenommen, wobei das Turbinenrad um eine Drehachse relativ zum Turbinengehäuse 12 drehbar ist. Das Turbinengehäuse 12 weist darüber hinaus wenigstens zwei zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte Fluten 14 und 16 auf. Wie durch Richtungspfeile 18 und 20 veranschaulicht ist, sind die Fluten 14 und 16 von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar. In 1 ist auch eine Zwischenwandung 22 des Turbinengehäuses 12 erkennbar, mittels welcher die Fluten 14 und 16 fluidisch voneinander getrennt sind. Ein erster Teil der Zylinder ist nun beispielsweise mit der Hut 14 verbunden, wobei ein vom ersten Teil unterschiedlicher, zweiter Teil der Zylinder fluidisch mit der Flut 16 verbunden ist. Somit wird das Abgas aus den zum ersten Teil gehörenden Zylindern der Flut 14 und nicht der Flut 16 zugeführt, wobei das Abgas aus den zum zweiten Teil gehörenden Zylindern der Flut 16 und nicht der Flut 14 zugeführt wird. Mit anderen Worten fördert der erste Teil der Zylinder sein Abgas zur Flut 14, während der zweite Teil der Zylinder sein Abgas zur Flut 16 fördert.
Durch die zumindest teilweise Trennung der Fluten 14 und 16 ist gegenüber den Zylindern insgesamt eine Verkleinerung von abgasführenden Volumina zwischen den Zylindern und dem Turbinenrad geschaffen, was zum Effekt der Stoßaufladung führt. Mit anderen Worten sind der Abgasturbolader und somit die Verbrennungskraftmaschine durch die Flutentrennung in einem Stoßaufladebetrieb betreibbar, in welchem die Verbrennungskraftmaschine mittels der Stoßaufladung aufgeladen, das heißt mit verdichteter Luft versorgt wird.
Die Turbine 10 umfasst auch einen Umgehungskanal 24, über welchen das Turbinenrad zumindest von einem Teil des Abgases zu umgehen ist. Mit anderen Worten ist mittels des Umgehungskanals 24 zumindest ein Teil des Abgases an einer stromauf des Turbinenrads angeordneten Abzweigstelle abzweigbar, sodass da abgezweigte und den Umgehungskanal 24 durchströmende Abgas das Turbinenrad umgeht und somit nicht antreibt.
Die Turbine 10 umfasst darüber hinaus ein Ventilelement 26, welches zwischen einer in 1 durch durchgezogene Linien gezeigten Schließstellung und wenigstens einer in 2 gezeigten und in 1 durch gestrichelte Linien veranschaulichten Offenstellung verstellbar, insbesondere relativ zum Turbinengehäuse 12 bewegbar. Hierzu ist das Ventilelement 26 vorliegend mit einem Schwenkarm 28 gekoppelt, welcher um eine Schwenkachse 30 relativ zum Turbinengehäuse 12 verschwenkbar ist. Dies bedeutet, dass das Ventilelement 26 zwischen seiner Schließstellung und seiner Offenstellung um die Schwenkachse 30 relativ zum Turbinengehäuse 12 verschwenkbar ist. Alternativ dazu ist es denkbar, dass das Ventilelement 26 relativ zum Turbinengehäuse 12 translatorisch zwischen der Offenstellung und der Schließstellung bewegbar ist.
In der Schließstellung ist der Umgehungskanal 24 mittels des Ventilelements 26 fluidisch versperrt, das heißt verschlossen, sodass das Abgas nicht durch den Umgehungskanal 24 durchströmen kann. In der Offenstellung ist der Umgehungskanal 24 freigegeben. Mit anderen Worten gibt das Ventilelement 26 den Umgehungskanal 24 in der Offenstellung frei, sodass zumindest ein Teil des Abgases den Umgehungskanal 24 durchströmen und somit das Turbinenrad umgehen kann. Durch das Verstellen des Ventilelements 26 und das damit einhergehende Freigeben oder Versperren des Umgehungskanals 24 kann der Abgasturbolader und insbesondere sein Ladedruck gesteuert oder insbesondere geregelt werden.
Die Turbine 10 weist auch eine stromauf des Turbinenrads angeordnete Durchströmöffnung 32 auf, über welche die Fluten 14 und 16 fluidisch miteinander verbindbar sind. Wie aus 1 erkennbar ist, zweigt von der Flut 14 ein erster Abzweigkanal 34 ab, wobei von der Flut 16 ein zweiter Abzweigkanal 36 abzweigt. Der fluidisch mit der Flut 14 verbundene Abzweigkanal 34 ist über die Durchströmöffnung 32 fluidisch mit dem fluidisch mit der Flut 16 verbundenen Abzweigkanal 36 verbindbar. Aus 1 und 2 ist erkennbar, dass die Durchströmöffnung 32 in der Offenstellung zumindest bereichsweise freigegeben ist. Mit anderen Worten gibt das Ventilelement 26 die Durchströmöffnung 32 in der Offenstellung zumindest teilweise frei.
Um nun einen besonders vorteilhaften Betrieb der Turbine und somit der Verbrennungskraftmaschine insgesamt zu realisieren, verschließt das Ventilelement 26 den Umgehungskanal 24 in der Schließstellung, jedoch gibt das Ventilelement 26 in seiner Schließstellung die Durchströmöffnung 32 zumindest teilweise frei. Aus 1 ist erkennbar, dass in der Schließstellung des Ventilelements 26 ein erster Teilbereich 38 der Durchströmöffnung 32 freigegeben ist, sodass die Fluten 14 und 16 über den ersten Teilbereich 38 fluidisch miteinander verbunden sind, wenn sich das Ventilelement 26 in seiner Schließstellung befindet. An den ersten Teilbereich 38 schließt sich ein zweiter Teilbereich 40 der Durchströmöffnung 32 an. Dieser zweite Teilbereich 40 der Durchströmöffnung 32 ist in der Schließstellung des Ventilelements 26 durch das Ventilelement 26 fluidisch versperrt, sodass das Abgas den zweiten Teilbereich 40 nicht durchströmen kann. In der Offenstellung jedoch gibt das Ventilelement 26 den ersten Teilbereich 38 und auch den zweiten Teilbereich 40 beziehungsweise zumindest einen Teil des zweiten Teilbereichs 40 frei, sodass das Abgas in der Offenstellung des Ventilelements 26 sowohl den ersten Teilbereich 38 als auch den zweiten Teilbereich 40 beziehungsweise den Teil des zweiten Teilbereichs 40 durchströmen kann.
In 2 ist mit C eine erste Fläche bezeichnet, über welche die Fluten 14 und 16 fluidisch miteinander verbunden sind. Die Fläche C umfasst beispielsweise die Teilbereiche 38 und 40. Ferner ist in 2 mit B eine zweite Fläche bezeichnet, über welche Abgas in den Umgehungskanal 24 einströmen kann. Mit anderen Worten gibt das Ventilelement 26 die zweite Fläche B in der Offenstellung frei, sodass die Fläche B ein Flächenzugewinn ist, der aus der Verstellung des Ventilelements 26 aus der Schließstellung in die Offenstellung resultiert. Über diesen Flächenzugewinn kann das Abgas in den Umgehungskanal 24 einströmen. Bezogen auf die Durchströmöffnung 32 stellt der in der Schließstellung mittels des Ventilelements 26 versperrte und in der Offenstellung freigebende, zweite Teilbereich 40 einen zweiten Flächenzugewinn dar, da die Fluten 14 und 16 in der Offenstellung im Vergleich zur Schließstellung nicht nur über den ersten Teilbereich 38, sondern auch über den zweiten Teilbereich 40 fluidisch miteinander verbunden sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass der erste Flächenzugewinn bezüglich des Umgehungskanals 24 beim sukzessiven Öffnen des Ventilelements 26 geringer beziehungsweise langsamer ist als der zweite Flächenzugewinn bezüglich der Durchströmöffnung 32.
Beispielsweise ist das Ventilelement 26 dazu ausgelegt, bei der Verstellung aus der Schließstellung in die Offenstellung eine Zunahme des Strömungsquerschnitts C zu bewirken, welche bezogen auf die Verstellung aus der Schließstellung in die Offenstellung stärker ist als eine Zunahme des Strömungsquerschnitts B. Mit anderen Worten nimmt der Strömungsquerschnitt C schneller zu als der Strömungsquerschnitt B, wenn das Ventilelement 26 aus seiner Schließstellung herausbewegt wird. Durch diesen Flächenzugewinn oder Flächenzuwachs des Strömungsquerschnitts C, welcher größer als der Flächenzugewinn beziehungsweise Flächenzuwachs des Strömungsquerschnitts B ist, wird bei der gleichzeitigen Öffnung des Umgehungskanals 24 und der Durchströmöffnung 32 die Öffnung der Durchströmöffnung 32 betont, das heißt starker gewichtet als die Öffnung, das heißt das Freigeben, des Umgehungskanals 24.
Um dies zu realisieren, ist es bei der ersten Ausführungsform vorgesehen, dass eine außenumfangsseitige Mantelfläche 41 des Ventilelements 26 zum Verschließen des zweiten Teilbereichs 40 in der Schließstellung zumindest in einem Teilbereich konvex ausgebildet ist. Dabei kann die außenumfangsseitige Mantelfläche 41 zumindest in einem Teilbereich zumindest im Wesentlichen kugelförmig oder kugelsegmentförmig ausgebildet sein. Aufgrund dieser Ausgestaltung nimmt ein Abstand zwischen dem Ventilelement 26 und der Zwischenwandung 22 und somit die Durchströmöffnung 32 starker zu als ein Abstand zwischen dem Ventilelement 26 und Wandungen 43 des Turbinengehäuses 12, mit denen das Ventilelement 26 den Strömungsquerschnitt B begrenzt, wenn das Ventilelement 26 aus der Schließstellung herausbewegt wird. Durch diese Betonung der Verbindung der Fluten 14 und 16 kann ein besonders effizienter Betrieb realisiert werden.
3 zeigt die Turbine 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Auch bei der zweiten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Fluten 14 und 16 in der Schließstellung des Ventilelements 26 fluidisch miteinander verbunden sind, da zwischen dem Ventilelement 26 und der Zwischenwandung 22 auch in der Schließstellung des Ventilelements 26 ein Spalt in Form des ersten Teilbereichs 38 der Durchströmöffnung 32 existiert. Über diesen Spalt sind die Fluten 14 und 16 fluidisch miteinander verbunden, wenn sich das Ventilelement 26 in seiner Schließstellung befindet. In 3 sind durch unterschiedliche, durchgezogene Linien unterschiedliche Konturen, insbesondere Außenkonturen, des Ventilelements 26 veranschaulicht. Durch derartige, unterschiedliche Konturen, insbesondere Außenkonturen, des Ventilelements 26 können unterschiedliche Flächenverläufe hinsichtlich des Verschließens und Freigebens der Fluten 14 und 16 und des Umgehungskanals 24 realisiert werden.
4 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse 42 die Verstellung beziehungsweise der Verstellbereich des Ventilelements 26 aufgetragen ist. In 4 ist die Schließstellung des Ventilelements 26 mit S bezeichnet, wobei die Offenstellung mit O bezeichnet ist. Auf der Ordinate 44 des Diagramms sind jeweilige Flächen aufgetragen. Ein in das Diagramm eingetragener Verlauf 46 veranschaulicht die Durchströmöffnung 32 beziehungsweise deren Fläche bei der Verstellung des Ventilelements 26. Ein in das Diagramm eingetragener Verlauf 48, welcher zum Verlauf 46 gehört, veranschaulicht die Freigabe und somit den Strömungsquerschnitt B beziehungsweise dessen Verlauf beim Verstellen des Ventilelements 26. Mit anderen Worten werden die Verläufe 46 und 48 beispielsweise durch eine erste Ausführungsform des Ventilelements 26 bewirkt. Diese erste Ausführungsform des Ventilelements 26 ist auf eine maximale Verbindung der Fluten 14 und 16 ausgelegt.
Durch eine von der ersten Ausführungsform unterschiedliche, zweite Ausführungsform des Ventilelements 26 können beispielsweise Verläufe 50 und 52 bewirkt werden. Der Verlauf 50 veranschaulicht die Durchströmöffnung 32 beziehungsweise deren Fläche beim Verstellen des Ventilelements 26, wobei der Verlauf 52 den Strömungsquerschnitt B beziehungsweise dessen Fläche beim Verstellen des Ventilelements 26 veranschaulicht. Anhand der Verläufe 50 und 52 ist erkennbar, dass bei der zweiten Ausführungsform des Ventilelements 26 eine starke Betonung des Strömungsquerschnitts B beziehungsweise der Freigabe des Umgehungskanals 24 und somit der Abblasung in einem unteren Teil des Verstellbereichs, das heißt bei geringer Öffnung des Ventilelements 26, erfolgt. Ferner erfolgt eine maximale Verbindung der Fluten 14 und 16 im Nennpunkt beziehungsweise bei weiterer Öffnung des Ventilelements 26. insbesondere erfolgt eine starke Betonung der Abblasung im sogenannten LET (low end torque). Der Verlauf 50 zeigt dabei die Durchströmöffnung 32 beziehungsweise deren Fläche beim Verstellen des Ventilelements 26, während der Verlauf 52 den Strömungsquerschnitt B beziehungsweise dessen Fläche beim Verstellen des Ventilelements 26 zeigt.
Ferner sind in das Diagramm zusammengehörige Verläufe 54 und 56 eingetragen, welche durch eine dritte Ausführungsform des Ventilelements 26 bewirkt werden können. Der Verlauf 54 zeigt die Durchströmöffnung 32 beziehungsweise deren Fläche beim Verstellen des Ventilelements 26, während der Verlauf 56 den Strömungsquerschnitt B beziehungsweise dessen Fläche beim Verstellen des Ventilelements 26 veranschaulicht. Aus 4 ist erkennbar, dass der Verlauf 54 in einem ersten Teil des Verstellbereichs nicht linear verläuft.
5 zeigt schließlich ein Diagramm, auf dessen Abszisse 42 die Verstellung beziehungsweise der Verstellbereich des Ventilelements 26 aufgetragen ist. Auf der Ordinate 58 des Diagramms ist dabei ein Flächenverhältnis aufgetragen. Ein Verlauf 60 veranschaulicht den Verlauf des Verhältnisses aus der Durchgangsöffnung 32 beziehungsweise deren Fläche zum Strömungsquerschnitt B beziehungsweise dessen Fläche bei der ersten Ausführungsform des Ventilelements 26. Ein Verlauf 62 veranschaulicht den Verlauf des Verhältnisses der Durchströmöffnung 32 beziehungsweise deren Fläche zum Strömungsquerschnitt B beziehungsweise dessen Fläche bei der zweiten Ausführungsform. Ein Verlauf 64 veranschaulicht den Verlauf des Verhältnisses der Durchströmöffnung 32 beziehungsweise deren Fläche zum Strömungsquerschnitt B beziehungsweise dessen Fläche bei der dritten Ausführungsform. Mit anderen Worten sind die Verläufe 60, 62 und 64 jeweilige Flächenverhältnisverläufe der drei Ausführungsformen des Ventilelements 26.
Bezugszeichenliste

10: Turbine
12: Turbinengehäuse
14: Flut
16: Flut
18: Richtungspfeil
20: Richtungspfeil
22: Zwischenwandung
24: Umgehungskanal
26: Ventilelement
28: Schwenkarm
30: Schwenkachse
32: Durchströmöffnung
34: Abzweigkanal
36: Abzweigkanal
38: erster Teilbereich
40: zweiter Teilbereich
41: außenumfangsseitige Mantelfläche
42: Abszisse
43: Wandung
44: Ordinate
46: Verlauf
48: Verlauf
50: Verlauf
52: Verlauf
54: Verlauf
56: Verlauf
58: Ordinate
60: Verlauf
62: Verlauf
64: Verlauf
S: Schließstellung
O: Offenstellung

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 102013002894 A1 [0002]
DE 102012023118 A1 [0004]

Claims

Turbine (10) für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse (12), welches zumindest zwei zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte und von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Fluten (14, 16) aufweist, mit einem in dem Turbinengehäuse (12) aufgenommenen und von dem Abgas antreibbaren Turbinenrad, mit wenigstens einem Umgehungskanal (24), über welchen das Turbinenrad zumindest von einem Teil des Abgases zu umgehen ist, mit wenigstens einer Durchströmöffnung (32), über welche die Fluten (14, 16) fluidisch miteinander verbindbar sind, und mit einem Ventilelement (26), welches zwischen einer den Umgehungskanal (24) verschließenden Schließstellung (S) und wenigstens einer den Umgehungskanal (24) und die Durchströmöffnung (32) jeweils zumindest bereichsweise freigebenden Offenstellung (O) verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (26) in der Schließstellung (S) den Umgehungskanal (24) verschließt und die Durchströmöffnung (32) zumindest teilweise freigibt.
Turbine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (26) in der Schließstellung (S) einen ersten Teilbereich (38) der Durchströmöffnung (32) freigibt und einen sich an den ersten Teilbereich (38) anschließenden, zweiten Teilbereich (40) der Durchströmöffnung (32) fluidisch versperrt.
Turbine (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (26) in der Offenstellung (O) den Umgehungskanal (24) und den zweiten Teilbereich (40) freigibt.
Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Maß, um welches das Ventilelement (26) bei dessen Bewegung aus der Schließstellung (S) in die Offenstellung (O) den Umgehungskanal (24) freigibt, zumindest in einem Teilbereich der Bewegung größer als ein zweites Maß ist, um welches das Ventilelement (26) die Durchströmöffnung (32) freigibt.
Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (26) in zumindest einem ersten Teilbereich rotationssymmetrisch und in zumindest einem sich an den ersten Teilbereich anschließenden, zweiten Teilbereich nicht-rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit wenigstens einem Brennraum, welchem wenigstens zwei Auslasskanäle zum Abführen von Abgas aus dem Brennraum zugeordnet sind, und mit wenigstens einer Turbine (10) eines Abgasturboladers, welcher das Abgas zuführbar ist, wobei ein erster der Auslasskanäle mit einer ersten Flut (14) zum Führen von Abgas zu der Turbine (10) fluidisch verbunden und der zweite Auslasskanal mit einer zweiten Flut (16) zum Führen von Abgas zu der Turbine (10) fluidisch verbunden ist, und wobei eine Stelleinrichtung vorgesehen ist, welche wenigstens ein dem ersten Auslasskanal zugeordnetes, erstes Stellelement zum fluidischen Versperren und Freigeben des ersten Auslasskanals und wenigstens ein dem zweiten Auslasskanal zugeordnetes, zweites Stellelement zum fluidischen Versperren und Freigeben des zweiten Auslasskanals aufweist und zwischen einem ersten Betriebszustand, in welchem ein zumindest zeitweises Freigeben beider Auslasskanäle durch die jeweiligen Stellelemente erfolgt, und einem zweiten Betriebszustand, in welchem ein zumindest zeitweises Freigeben des ersten Auslasskanals durch das erste Stellelement erfolgt und ein Freigeben des zweiten Auslasskanals durch das zweite Stellelement unterbleibt, umschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine stromab der Auslasskanäle angeordnete Durchströmöffnung (32), über welche die Fluten (14, 16) fluidisch miteinander verbindbar sind, und ein zusätzliches Ventilelement (26) vorgesehen sind, welches zwischen einer zumindest einen Teilbereich (40) der Durchströmöffnung (32) fluidisch versperrenden Schließstellung (S) und wenigstens einer den Teilbereich (40) freigebenden Offenstellung (O) verstellbar ist.