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Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eine solche Turbine für einen Abgasturbolader ist beispielsweise bereits
DE 10 2004 030 703 A1 und
DE 101 52 804 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Turbine umfasst ein Turbinengehäuse sowie ein zumindest teilweise in dem Turbinengehäuse angeordnetes Turbinenrad, welches um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse drehbar ist. Die Turbine weist ferner wenigstens zwei durch das Turbinengehäuse gebildete und zumindest teilweise voneinander getrennte sowie asymmetrisch zueinander ausgebildete Fluten auf, welche von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, durchströmbar sind. Mittels der Fluten ist das die Fluten durchströmende Abgas dem Turbinenrad zuführbar. Mit anderen Worten kann das die Fluten durchströmende Abgas aus den Fluten ausströmen und das Turbinenrad anströmen, wodurch das Turbinenrad angetrieben wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Turbine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders hoher Wirkungsgrad der Turbine realisierbar ist.
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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.
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Um eine Turbine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders hoher Wirkungsgrad der Turbine realisierbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Abgas dem Turbinenrad mittels beider Fluten entlang einer jeweiligen, schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung der Turbinenrads verlaufenden Zuführrichtung zuführbar ist. Mit anderen Worten ist die Turbine, insbesondere das Turbinengehäuse, derart ausgebildet, dass das die Fluten durchströmende Abgas während eines Betriebs der Turbine entlang einer jeweiligen, schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung des Turbinenrads verlaufenden Zuführrichtung aus den Fluten ausströmt und entlang der jeweiligen Zuführrichtung das Turbinenrad anströmt, sodass das Abgas dem Turbinenrad nicht etwa streng in radialer Richtung zugeführt wird, sondern das Abgas wird mittels beider Fluten schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung, das heißt halbaxial dem Turbinenrad zugeführt. Die erfindungsgemäße Turbine ist somit als zweiflutige, asymmetrische Turbine in Halbaxial-Bauweise ausgebildet.
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Ferner ist es bei der erfindungsgemäßen Turbine vorgesehen, dass der mittlere Schaufeleintrittswinkel des Turbinenrads in einem Bereich von ausschließlich 70 Grad bis ausschließlich 140 Grad liegt. Der mittlere Schaufeleintrittswinkel wird auch als β1sm bezeichnet, wobei für den mittleren Schaufeleintrittswinkel β1sm erfindungsgemäß gilt: 70 Grad < β1sm < 140 Grad.
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Im Vergleich zu herkömmlichen Turbinen kann so eine Wirkungsgradanhebung durch eine entsprechende Kanalgestaltung realisiert werden. Mit anderen Worten ist eine zumindest im Wesentlichen optimale Wirkungsgrad-Anpassung des Schaufeleintrittswinkels insbesondere bei streng radialer Turbinenrad-Beschaufelung an den Kraftstoffverbrauchsschwerpunkt der Verbrennungskraftmaschine realisierbar, welche auch als Verbrennungsmotor bezeichnet wird.
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Der Erfindung liegt insbesondere folgende Erkenntnis zugrunde: Neben der Hauptentwicklungsrichtung der Reduktion des Kraftstoffverbrauchs von Verbrennungskraftmaschinen ist die Einhaltung von entsprechenden Emissionsgrenzwerten wünschenswert und vorteilhaft. Obwohl mittlerweile eine wirksame Abgasnachbehandlung durchgeführt wird, ist zur Erreichung von Stickoxid-Grenzwerten durch Zumischung von Abgas zur Verbrennungsluft die Abgasrückführung weiterhin ein kostengünstiges Verfahren, um die gewünschten Stickoxid-Rohemissionen (NOx-ohemissionen) für die Abgasnachbehandlung zu erreichen. Üblicherweise kommen Radialturbinen zum Einsatz, deren Fluten das Abgas streng radial, das heißt ausschließlich in radialer Richtung dem Turbinenrad zuführen. Ferner ist es bekannt, Radialturbinen einzusetzen, bei welchen das Abgas mittels einer ersten Flut streng in radialer Richtung und mittels einer zweiten Flut schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung dem Turbinenrad zugeführt wird. Im Gegensatz dazu ist die erfindungsgemäße Turbine jedoch als reine Halbaxialturbine mit einem zweiflutigen, asymmetrischen Turbinengehäuse ausgebildet.
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Üblicherweise stellt ein fester Schaufeleintrittswinkel von β1s = 90 Grad für die Optimierung einer zweiflutigen, asymmetrischen Radialturbine aufgrund der gewünschten rein radial wirkenden Fliehkräfte eine starke Einschränkung für die Weiterentwicklung dieses einfachen Turbinentyps für die Bewirkung eines zumindest im Wesentlichen optimalen Abgasrückführ-Systems dar (Abgasrückführung – AGR). Der Schaufeleintrittswinkel wird dabei üblicherweise auch als Radeintrittswinkel bezeichnet. Eine Änderung des Radeintrittswinkels einer Radialturbine auf größere oder kleiner Werte als 90 Grad bedeutet zu der Fliehkraftbeanspruchung eine weitere Beanspruchung über Biegemomente, die jedoch wegen der mechanischen Zusatzbelastungen bei entsprechenden Gastemperaturen ausgeschlossen werden sollten. Für die Weiterentwicklung der zweiflutigen Turbine zur Verbesserung des Turbinenverhaltens ist ein Freiheitsgrad wünschenswert, der die Kanalgestaltung verbessert und die Schaufelwinkelanpassung des Turbinenrades an die jeweiligen Fluten ermöglicht, wobei es wünschenswert ist, die Bedingung der streng radialen Beschaufelung aus Beanspruchungsgründen nicht zu verletzen.
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Üblicherweise ist eine der Fluten als so genannte AGR-Flut oder AGR-Flutseite ausgebildet, da zumindest ein Teil des die AGR-Flut durchströmenden Abgases an wenigstens eine Abzweigstelle aus der AGR-Flut abgezweigt und zu einem von Luft durchström baren Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine rückgeführt wird. Die andere der Fluten wird üblicherweise als λ-Flut oder λ-Flutseite bezeichnet, da das die λ-Flut durchströmende Abgas zumindest überwiegend genutzt wird, um ein entsprechendes Verbrennungsluftverhältnis (λ) in wenigstens einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine einzustellen.
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Bildet beispielsweise die zweiflutige, asymmetrische Turbine den Kern eines Abgasrückführsystems, hat es sich als vorteilhaft gezeigt, bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Bauweise einer reinen zweiflutigen, asymmetrischen Halbaxialturbine mit radial stehender Beschaufelung die folgenden Hauptmerkmale darzustellen: Der mittlere Schaufeleintrittswinkel β1sm des Turbinenrades befindet sich vorzugsweise in dem Bereich:
70 Grad < β1sm < 140 Grad.
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Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Radwinkel der Schaufeleintrittskante mit den jeweiligen zuordenbaren Fluten über die Bedingung
β1s31 > β1s32
in Verbindung stehen. Unter der Verbindung beziehungsweise unter dem zuvor genannten Zusammenhang der Schaufeleintrittskanten ist Folgendes zu verstehen: Das Turbinenrad weist eine von dem Abgas anströmbare Beschaufelung auf, wobei die Beschaufelung wenigstens einen einer ersten der Fluten zugeordneten ersten Eintrittskantenbereich mit einem ersten Eintrittswinkel und wenigstens einen der zweiten Flut zugeordneten zweiten Eintrittskantenbereich mit einem gegenüber dem ersten Eintrittswinkel geringeren zweiten Eintrittswinkel aufweist. Dabei wird der erste Eintrittswinkel auch mit β1s31 bezeichnet, wobei der zweiten Eintrittswinkel auch mit β1s32 bezeichnet wird. Dabei ist vorzugsweise die erste Flut als AGR-Flut ausgebildet, wobei die zweite Flut vorzugsweise als λ-Flut ausgebildet ist. Mit anderen Worten weist vorzugsweise die erste Flut wenigstens eine Abzweigstelle auf, in welche zumindest ein Teil des die erste Flut durchströmenden Abgases aus der ersten Flut abzweigbar und zu dem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine rückführbar ist.
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Ferner hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die erste Flut einen von dem Abgas durchströmbaren ersten Strömungsquerschnitt und die zweite Flut einen von dem Abgas durchströmbaren und gegenüber dem ersten Strömungsquerschnitt größeren zweiten Strömungsquerschnitt aufweist, sodass vorzugsweise die zweite Flut größer als die erste Flut ausgebildet ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels 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.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit einer zweiflutigen, asymmetrischen Turbine in Halbaxial-Turbinen-Bauweise;
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2 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Turbine;
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3 eine schematische Meridian-Ansicht einer Beschaufelung eines Turbinenrads der Turbine;
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4 ein Diagramm zum Veranschaulichen der Beschaufelung;
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5 ein weiteres Diagramm zur Veranschaulichung der Beschaufelung;
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6 eine schematische Kanaldarstellung der Beschaufelung gemäß einer ersten Ausführungsform;
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7 eine schematische Kanaldarstellung der Beschaufelung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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8 ausschnittsweise eine schematische Darstellung der Beschaufelung gemäß der ersten Ausführungsform;
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9 ausschnittsweise eine schematische Darstellung der Beschaufelung gemäß der zweiten Ausführungsform.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, welcher mittels der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst dabei ein Zylindergehäuse 12, durch welches wenigstens ein Brennraum insbesondere in Form eines Zylinders der Verbrennungskraftmaschine 10 gebildet ist. In dem Zylinder ist ein Kolben translatorisch bewegbar aufgenommen. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ferner eine Abtriebswelle vorliegend in Form einer Kurbelwelle 14, welche an einem Kurbelgehäuse der Verbrennungskraftmaschine 10 um eine Drehachse relativ zu dem Kurbelgehäuse drehbar gelagert ist. Der Kolben ist über einen Pleuel gelenkig mit der Kurbelwelle 14 verbunden, sodass die translatorischen Bewegungen des Kolbens in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle 14 umgewandelt werden können. Diese rotatorische Bewegung ist in 1 durch einen Pfeil 16 veranschaulicht. Über die Kurbelwelle 14 stellt die Verbrennungskraftmaschine 10 Drehmomente zum Antreiben des Kraftwagens bereit.
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Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst einen von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt 18, in welchem ein Luftfilter 20 zum Filtern der den Ansaugtrakt 18 durchströmenden Luft angeordnet ist. Mittels des Ansaugtrakts 18 wird die Luft in den Zylinder geführt. Dem Zylinder werden die Luft und Kraftstoff insbesondere flüssiger Kraftstoff, zugeführt, sodass in dem Zylinder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird verbrannt, woraus Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 resultiert. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ferner einen von dem Abgas durchströmbaren Abgastrakt 22, mittels welchem das Abgas von dem Zylinder abgeführt wird. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ferner wenigstens einen Abgasturbolader 24, durch welchen ein so genanntes Aufladesystem gebildet ist. Mittels der Abgasturboladers 24 wird die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft verdichtet, sodass ein effektiver Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 realisierbar ist.
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Hierzu umfasst der Abgasturbolader 24 eine besonders gut in Zusammenschau mit 2 erkennbare Turbine 26, welche ein Turbinengehäuse 28 und ein zumindest teilweise in dem Turbinengehäuse 28 aufgenommenes Turbinenrad 30 umfasst. Das Turbinenrad 30 ist um eine Drehachse 32 relativ zu dem Turbinengehäuse 28 drehbar. Das Turbinengehäuse 28 weist genau zwei von dem Abgas durchströmbare Fluten 34 und 36 auf, welche asymmetrisch zueinander ausgebildet sind. Vorliegend weißt die erste Flut 34 einen von dem Abgas durchströmbaren, ersten Strömungsquerschnitt auf, wobei die zweite Flut 36 einen von dem Abgas durchströmbaren und gegenüber dem ersten Strömungsquerschnitt größeren, zweiten Strömungsquerschnitt aufweist. Die zweite Flut 36 ist somit größer als die erste Flut 34 ausgebildet. Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, ist die erste Flut 34 als AGR-Flut (AGR – Abgasrückführung) ausgebildet, wobei die zweite Flut 36 als λ-Flut ausgebildet ist. Die Turbine 26 ist in dem Abgastrakt 22 angeordnet und demzufolge von dem Abgas antreibbar. Mit anderen Worten kann das die Fluten 34 und 36 durchströmende Abgas das Turbinenrad 30 anströmen und dadurch um die Drehachse 32 antreiben. Aus 2 ist erkennbar, dass zwischen den Fluten 34 und 36 wenigstens eine Trennwand 38 angeordnet ist, sodass die Fluten 34 und 36 zumindest teilweise voneinander getrennt sind. Mittels der Fluten 34 und 36 wird das Abgas dem Turbinenrad 30 zugeführt. Das Turbinenrad 30 weist eine im Ganzen mit 40 bezeichnete Beschaufelung auf, welche eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln 42 umfasst. Ferner weist das Turbinenrad 30 eine so genannte Nabe 44 auf, mit welcher die Turbinenschaufeln 42 verbunden sind. Insbesondere sind die Turbinenschaufeln 42 einstückig mit der Nabe 44 ausgebildet.
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Die Beschaufelung 40 wird während eines gefeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 von dem Abgas angeströmt, wodurch das Turbinenrad 30 angetrieben wird. Ferner strömt das Abgas die Beschaufelung 40, das heißt die jeweilige Turbinenschaufel 42, ab. Die jeweilige Turbinenschaufel 42 weist eine Eintrittskante 46 auf, über welche das das Turbinenrad 30 anströmende Abgas die Beschaufelung 40 beziehungsweise das Turbinenrad 30 anströmt. Ferner weist die jeweilige Turbinenschaufel 42 wenigstens eine Austrittskante 48 auf, über welche das Abgas die Beschaufelung 40 abströmt. Die Eintrittskante 46 ist somit an einem Eintritt des Turbinenrads 30, insbesondere über Beschaufelung 40, angeordnet, wobei die Austrittskante 48 an einem Austritt des Turbinenrads 30, insbesondere Beschaufelung 40, angeordnet ist.
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Der Abgasturbolader 24 umfasst ferner einen in dem Ansaugtrakt 18 angeordneten Verdichter 50 zum Verdichten der den Ansaugtrakt 18 durchströmenden Luft. Hierzu umfasst der Verdichter 50 ein Verdichterrad 52, mittels welchem die Luft verdichtet wird. Das Verdichterrad 52 ist koaxial zum Turbinenrad 30 angeordnet und somit ebenfalls um die Drehachse 32 drehbar. Ferner umfasst der Abgasturbolader 24 eine Welle 54, welche sowohl mit dem Turbinenrad 30 als auch mit dem Verdichterrad 52 drehfest verbunden ist. Dadurch kann das Verdichterrad 52 über die Welle 54 von dem Turbinenrad 30 angetrieben werden, wodurch die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft verdichtet wird. Da das Turbinenrad 30 von dem Abgas angetrieben wird, kann im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden, sodass ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist.
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Durch das Verdichten der Luft wird diese erwärmt. Um dennoch einen besonders hohen Aufladegrad zu realisieren, ist in dem Ansaugtrakt 18 stromab des Verdichters 50 eine Kühleinrichtung in Form eines Ladeluftkühlers 56 angeordnet, mittels welchem die verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt wird, bevor die Luft in den Zylinder einströmt. Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 eine Abgasrückführeinrichtung 58, welche auch als Abgasrückführsystem (AGR-System) bezeichnet wird. Die Abgasrückführeinrichtung 58 umfasst wenigstens eine Abgasrückführleitung 60. Die Abgasrückführleitung 60 ist an wenigstens einer Abzweigstelle A der ersten Flut 34 fluidisch mit der ersten Flut 34 verbunden, sodass an der Abzweigstelle A zumindest ein Teil des die Flut 34 durchströmenden Abgases abgezweigt werden kann.
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An einer Einleitstelle E ist die Abgasrückführleitung 60 fluidisch mit dem Ansaugtrakt 18 verbunden. Das an der Abzweigstelle A aus der Flut 34 abgezweigte Abgas strömt aus der Flut 34 in die Abgasrückführleitung 60 und durchströmt die Abgasrückführleitung 60, sodass das die Abgasrückführleitung 60 durchströmende Abgas mittels der Abgasrückführleitung 60 zur Einleitstelle E und somit zum Ansaugtrakt 18 rückgeführt wird. An der Einleitstelle E kann das die Abgasrückführleitung 60 durchströmende Abgas aus der Abgasrückführleitung 60 aus- und in den Ansaugtrakt 18 einströmen. Mittels der den Ansaugtrakt 18 durchströmenden Luft wird das an der Einleitstelle E in den Ansaugtrakt 18 einströmende Abgas in den Zylinder transportiert, sodass das rückgeführte Abgas als Inertgas wirken kann. Dadurch können insbesondere die Stickoxid-Emissionen (NOx-Emissionen) gering gehalten werden.
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Die Abgasrückführeinrichtung 58 umfasst ferner ein Ventil 62, welches auch als Abgasrückführventil (AGR-Ventil) bezeichnet wird. Mittels des Ventils 62 wird eine die Abgasrückführleitung 60 durchströmende Menge des rückzuführenden Abgases eingestellt. Ferner umfasst die Abgasrückführeinrichtung 58 einen Abgasrückführkühler 64, mittels welchem das die Abgasrückführleitung 60 durchströmende Abgas gekühlt wird. Aus 1 ist erkennbar, dass der Abgasrückführkühler 64 (AGR-Kühler) in Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasrückführleitung 60 stromab des Ventils 62 angeordnet ist.
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Ferner ist in 1 durch einen gestrichelten Pfeil 85 dargestellt, dass das Ventil 62 beispielsweise mit einer elektronischen Recheneinrichtung gekoppelt ist. Die elektronische Recheneinrichtung wird auch als Steuergerät bezeichnet, mittels welchem das beispielsweise als elektrisch betätigbares Ventil ausgebildete Ventil 62 einstellbar ist. Mittels des Steuergeräts kann das Ventil 62 angesteuert und somit beispielsweise geregelt werden, sodass mittels des Steuergeräts über das Ventil 62 die die Abgasrückführleitung 60 durchströmende Menge des Abgases einstellbar ist.
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Stromab des Ladeluftkühlers 56 weist die Luft einen Druck P2S auf, mit welchem die Luft in den Zylinder einströmt. Der Druck P2S wird auch als Ladedruck bezeichnet. In dem Abgastrakt 22 ist wenigstens eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 66 zum Nachbehandeln des Abgases angeordnet. Aus 1 ist erkennbar, dass das Abgas stromab der Turbine 26 und stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 66 einen Druck P4 aufweist. Stromab der Abgasnachbehandlungseinrichtung 66 weist das Abgas einen Druck P5 auf.
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Um nun einen besonders hohen Wirkungsgrad der Turbine 64 zu realisieren, ist es – wie aus 2 erkennbar ist – vorgesehen, dass das Abgas sowohl mittels der Flut 34 als auch mittels der Flut 36 entlang einer jeweiligen, in 2 durch einen jeweiligen Pfeil 68 beziehungsweise 70 veranschaulichten Zuführrichtung dem Turbinenrad 30 zuführbar ist beziehungsweise zugeführt wird, wobei die jeweilige Zuführrichtung schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung des Turbinenrads 30 verläuft. Die Turbine 26 ist somit als zweiflutige, asymmetrische Turbine in Halbaxial-Turbinen-Bauweise ausgebildet. Mit anderen Worten ist die Turbine 26 als reine Halbaxialturbine ausgebildet, da das Abgas sowohl mittels der Flut 34 als auch mittels der Flut 36 entlang der jeweiligen, schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung des Turbinenrads 30 verlaufenden Zuführrichtung dem Turbinenrad 30 zugeführt wird. Ferner ist es bei der Turbine 26 vorgesehen, dass der mittlere Schaufeleintrittswinkel β1sm in einem Bereich von ausschließlich 70 Grad bis ausschließlich 140 Grad liegt. Mit anderen Worten gilt:
70 Grad < β1sm < 140 Grad.
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Die Fluten 34 und 36 weisen jeweilige, so genannte Düsen 72 und 74 auf, durch welche das jeweilige Abgas hindurchströmen kann, sodass das Abgas mittels der Düsen 72 und 74 dem Turbinenrad 30 zugeführt wird. Da das Abgas sowohl mittels der Düse 72 als auch mittels der Düse 74 entlang der jeweiligen, schräg zu axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verlaufenden Zuführrichtung dem Turbinenrad 30 zugeführt wird, ist die jeweilige Düse 72 beziehungsweise 74 als Halbaxialdüse ausgebildet. Ferner ist aus 2 erkennbar, dass die Austrittskante 48 des Turbinenrads 30 stark gekrümmt ist, um dadurch die Eigenfrequenz zu steigern und den Nabenaustrittsbereich durch Fliehkraft-Absenkung zu entlasten.
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Des Weiteren weist die Eintrittskante 46 einen der ersten Flut 34 zugeordneten ersten Eintrittskantenbereich 76 und einen der zweiten Flut 36 zugeordneten zweiten Eintrittskantenbereich 78 auf. Der erste Eintrittskantenbereich 76 weist dabei einen ersten Eintrittswinkel β1s31 auf, wobei der zweite Eintrittskantenbereich 78 einen zweiten Eintrittswinkel β1s32 aufweist. Dabei gilt:
β1s31 > β1s32
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Während die erste Flut 34 als AGR-Flut ausgebildet ist, ist die zweite Flut 36 als λ-Flut ausgebildet, da das die zweite Flut 36 durchströmende Abgas zumindest überwiegend zum Antreiben der Turbine 26 und somit zum Antreiben des Verdichters 50 und in der Folge zum Einstellen eines entsprechenden Verbrennungsluftverhältnisses (λ) in dem Zylinder genutzt wird. Die jeweilige Flut 34 beziehungsweise 36 erstreckt sich beispielsweise in Umfangsrichtung des Turbinenrads 30 über dessen Umfang zumindest im Wesentlichen spiralförmig, sodass die jeweilige Flut 34 beziehungsweise 36 auch als Spirale oder Spiralkanal bezeichnet wird.
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3 veranschaulicht die Beschaufelung 40 besonders gut am Beispiel der in 2 und 3 erkennbaren Turbinenschaufel 42. Dabei zeigt 3 ein Diagramm, auf dessen Abszisse 80 die axiale Erstreckung des Turbinenrads 30 aufgetragen ist, wobei auf der Ordinate 82 die radiale Erstreckung des Turbinenrads 30 aufgetragen ist. Der erste Eintrittskantenbereich 76 ist auf Seiten der Nabe 44 angeordnet und somit eine nabenseitige Radeintrittskante beziehungsweise ein nabenseitiger Radeintrittskantenbereich der Eintrittskante 46, wobei der Eintrittskantenbereich 78 auf einer der Nabe gegenüberliegenden Seite angeordnet ist. Daher wird der Eintrittskantenbereich 78 auch als Tip bezeichnet.
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Die Definition des Schaufeleintrittswinkels β1sm, der auf die Umfangsrichtung und Drehrichtung bezogen ist, ist besonders gut aus 6 und 7 erkennbar. Dabei ist in 7 die Drehrichtung des Turbinenrads 30 durch einen Pfeil 84 veranschaulicht. Beispielsweise ist das Turbinenrad 30 als so genannter Zehnschaufler ausgebildet, welcher genau zehn Turbinenschaufeln 42 aufweist. In 6 und 7 ist der Schaufeleintrittswinkel β1s als in eine Ebene geklappt veranschaulicht, wobei ferner eine Verrundung mit Ellipsenkurven a/b = 2 – 3 der Austrittskante 48 vorgesehen ist.
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In 6 ist eine erste Ausführungsform des Turbinenrads 30 gezeigt, wobei bei der ersten Ausführungsform der Schaufeleintrittswinkel β1sm 90 Grad beträgt. Ferner beträgt U/C0,OPT 0,7. 7 zeigt eine zweite Ausführungsform, bei welcher der Schaufeleintrittswinkel β1s 121 Grad und U/C0,OPT 0,6 beträgt. Das Turbinenrad 30 ist somit jeweils als Halbaxialrad ausgebildet. Ferner beträgt bei der ersten Ausführungsform xsc 5, wobei xsc bei der zweiten Ausführungsform 15 beträgt. Ist die Eintrittskante 46 entgegen der Drehrichtung, also rückwärts orientiert, ergeben sich im Allgemeinen mittlere Schaufeleintrittswinkel, welche größer als 90 Grad sind. Im Falle, dass der mittlere Schaufeleintrittswinkel vorwärts in Drehrichtung gekrümmt wird, stellen sich im Allgemeinen Werte unterhalb von 90 Grad ein.
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Wie aus den Figuren erkennbar ist, sind die Hauptmerkmale der radial stehenden Beschaufelung 40 und der Winkelzusammenhang der Eintrittskante β1s31 > β1s32 für die Optimierung der Zuströmbedingung mit geringen Fehleinströmungen aus den unterschiedlichen Fluten 34 und 36 realisierbar. Da die AGR-Flut aufgrund der geringen Aufstaufläche gegenüber der λ-Flut ein höheres Turbinendruckverhältnis bewirkt, führt dies dort zu höheren Strömungsgeschwindigkeiten aus der Düse 72. Durch die Winkelanpassungsmöglichkeit der Eintrittskante 46 an das Geschwindigkeitsprofil von der AGR-Flutseite bis zur λ-Flutseite erhält man für die Strömungsrichtung der Relativgeschwindigkeit einen sehr günstigen Freiheitsgrad über die Bauweise des Halbaxial-Turbinenrads.
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Weist die Verbrennungskraftmaschine 10 beispielsweise eine Mehrzahl von Zylindern auf, so ist beispielsweise eine erste Zylindergruppe der Flut 34 und eine zweite Zylindergruppe der Flut 36 zugeordnet, sodass das Abgas aus der ersten Zylindergruppe der Flut 34 und das Abgas aus der zweiten Zylindergruppe der Flut 36 zugeführt wird. Die erste Zylindergruppe ist somit gasdicht mit der auch als Turbinenflut bezeichneten Flut 34 verbunden. Durch die Dimensionierung der kleinen Flut 34 ergibt sich in den gewünschten Betriebsbereichen der Verbrennungskraftmaschine 10 die Möglichkeit der Abgasrückführung über den Abgasrückführkühler 64 hin zu dem Mischpunkt mit der den Ansaugtrakt 18 durchströmenden Luft, welche auch als Verbrennungsluft bezeichnet wird, wobei der Mischpunkt üblicherweise stromab des Ladeluftkühlers 56 angeordnet ist. Dieser Mischpunkt ist somit die Einleitstelle E. Über die Ansteuerung, insbesondere Regelung, des Ventils 62 wird die Dosierung der Abgasrückführmenge bestimmt. Das Abgas der zweiten Zylindergruppe wird im Allgemeinen oder Abgasabzapfung direkt und gasdicht zur Flut 36 geführt. Das Abgas durchströmt die zweiflutige, asymmetrische Halbaxialturbine und gelangt schließlich zur Abgasnachbehandlungseinrichtung 66, in welcher Partikel aufgenommen und verbrannt werden und eine Denoxierung (Entstickung) mittels Zuführung von Harnstoff erfolgt. Der Typ der zweiflutigen, asymmetrischen Turbine erlaubt trotz der Abgasrückführung über die praktisch unabhängige Flut 34 ein mittleres positives Spülgefälle der Verbrennungskraftmaschine 10 zu bewirken, da deren Turbineneintrittsdruck P32 unterhalb des Drucks P2S liegen kann, wodurch der Ladungswechsel der Verbrennungskraftmaschine 10 positiv beeinflussbar wird. Mittels der Optimierung der Halbaxialturbine wird die Einflussmöglichkeit auf den positiven Ladungswechsel verstärkt, was in der Verbrauchseinsparung bei Einhaltung der Stickoxid-Rohemissionen (NOX-Rohemissionen) sichtbar wird.
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2 zeigt eine Hauptansicht der Turbine 26, welche als zweiflutige, asymmetrische Halbaxialturbine ausgebildet ist. Die Definition der beiden unterschiedlichen Fluten 34 und 36 und deren Lage über der Eintrittskante 46, welche sich von dem Eintrittskantenbereich 76 bis zu dem Eintrittskantenbereich 78 beziehungsweise umgekehrt erstreckt, sind aus 2 erkennbar. Ein interessantes Merkmal der Radhauptansicht in der Meridian-Ansicht stellt die stark gekrümmte Radaustrittskante (Austrittskante 48) dar, wodurch eine relativ dünne Beschaufelung mit hohen Eigenfrequenzen ermöglicht werden kann. Dieser Radtyp kann vorteilhafter Weise auch bei zweiflutigen, asymmetrischen Gehäusen, die in Segment-Bauweise erstellt werden und hier nicht dargestellt sind, genutzt werden.
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Im Gegensatz zu 2 ist die Austrittskante 48 in 3 gerade beziehungsweise nicht gekrümmt ausgebildet und leicht gekippt. Somit zeigen 2 und 3 zwei Auslegungsbeispiele des Turbinenrads 30. Für die beiden Auslegungsbeispiele gibt ein in 4 gezeigtes Diagramm die Information für das Hauptmerkmal der radialen Schaufelgestaltung durch übereinander liegende Linien 86 und 88 der Nabenkontur, Kanal-Mittellinie und Außenkonturlinie an. Die Erzeugenden der Nabe, Schaufelmitte und der Außenkontur der Skelettfläche liegen übereinander auf einer Radialen, woraus eine radial stehende Beschaufelung resultiert. Die Erzeugende führt auf Grenzkanal bei einem Kanalwerkzeug. In 4 ist mit xsc der jeweilige Scheitelpunkt bezeichnet, wobei für die Linie 86 gilt: xsc = 5. Für die Linie 88 gilt: xsc = 15. Für die Linie 88 gilt somit eine Auslegung mit β1sm = 121 Grad für ein abgesenktes U/C0,OPT < 0,62. Im Gegensatz dazu gilt für die Linie 86 ein Eintrittswinkel β1sm = 90 Grad bei U/C0,OPT = 0,7.
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Der Schaufelwinkelverlauf entlang der relativen Länge vom Austritt bis zum Eintritt des Halbaxialrades auf der Nabenkontur, Mittellinie und der Außenkontur der beiden Auslegungsbeispiele gibt ein in 5 gezeigtes Diagramm wieder. Dabei ist der Austritt mit 90 bezeichnet, wobei der Eintritt des Turbinenrads 30 mit 92 bezeichnet ist. Der Eintritt wird auch als Radeintritt bezeichnet, wobei der Austritt auch als Radaustritt bezeichnet wird. Mit 94 ist die Nabenseite bezeichnet, wobei mit 96 die Mitte bezeichnet ist. Ferner bezeichnet 98 die Außenseite. In 5 sind gestrichelte Linien 100 gezeigt, für die gilt: xsc = 15. Ferner sind in 5 durchgezogene Linien 102 gezeigt, für die gilt: xsc = 5. Der in 5 gezeigte Winkel β1s,t = 76 Grad bezieht sich auf die λ-Flutseite, wobei sich der Winkel β1s,t = 113 Grad ebenfalls auf die λ-Flutseite bezieht. Ferner bezieht sich der in 5 gezeigte Winkel β1s,N = 99 Grad auf die AGR-Flutseite, wobei sich auch der in 5 gezeigte Winkel β1s,N = 126 Grad auf die AGR-Flutseite bezieht. Somit beziehen sich die Linien 100 auf die Auslegung mit β1sm = 121 Grad für abgesenktes U/C0,OPT < 0,62, wobei sich die Linien 102 auf die Auslegung mit dem gleichen Eintrittswinkel von β1sm = 90 Grad bei U/C0,OPT = 0,7 beziehen. Am Radeintritt hat das 90 Grad-Halbaxial-Turbinenrad an der Stelle 1s,n den Schaufelwinkelwert 99 Grad und an der Stelle 1s,t den Schaufelwinkelwert 76 Grad zur Umfangsrichtung. Im zweiten Beispiel betragen die beiden Werte (1s,n und 1s,t) 126 und 113 Grad bei einem mittleren Schaufelwinkel von 121 Grad. Ferner ist in 5 ein Winkel β2m gezeigt, welcher 33 Grad beträgt. Es wird offensichtlich, dass durch diese erfindungsgemäßen Anpassungsmöglichkeiten der Schaufeleintrittswinkel an die zweiflutigen, asymmetrischen Verhältnisse Optimierungen bei Schnelllaufzahlen U/C0 von 0,7 bis an die 0,6 leicht möglich sind, ohne dass Biegemomente an der Beschaufelung 40 in Kauf genommen werden müssen. Mit anderen Worten ist beispielsweise β1s,N der zuvor genannte erste Eintrittswinkel des ersten Eintrittskantenbereichs 76, wobei β1s,t beispielsweise der zweite Eintrittswinkel des zweiten Eintrittskantenbereichs 78 ist.
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6 und 7 zeigen Kanaldarstellungen, wobei 8 und 9 eine jeweilige Ansicht längs der Drehachse 32 zeigen. 6 bis 9 gegeben somit Einblick auf die gewichtigen Möglichkeiten der Geometrieanpassungen, insbesondere dem Radeintrittsbereich, an den Bedarf der beiden unterschiedlichen Teilströme des Abgases, die durch die beiden asymmetrischen Fluten 34 und 36 durch die beiden Zylindergruppen der Verbrennungskraftmaschine 10 gegeben sind. Für 6 und 8 gilt somit: xsc = 5, wobei für 7 und 9 gilt: xsc = 15. In 8 und 9 veranschaulicht ein jeweiliger Pfeil 104 die mittlere schaufelkongruente Zuströmung.
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Gegenüber einer reinen Radialturbine lassen sich prinzipiell strömungsgünstigere Radkanäle erzeugen. Ein zusätzlicher Freiheitsgrad der Rad-Auslegung bietet der Radeintrittsschaufelwinkel β1sm, der von dem Schaufelwinkel 90 Grad der reinen Radialturbine um bis ca. 40 Grad abweichen kann, jedoch Kompromisse bei der Kanalgestaltung erfordert. Des Weiteren ist die Abstimmung des Turbinenrad-Eintrittskantenbereichs hinsichtlich der AGR-Flut durch den Schaufelwinkel β1s,31 und zur λ-Flut mit dem Schaufelwinkel β1s,32 optimal realisierbar. Ein entscheidender Vorteil der halbaxialen Kanalführung ist die Beibehaltung der streng radial stehenden Beschaufelung trotz der Variationsmöglichkeit des Schaufeleintrittswinkels, was von der mechanischen Seite in den meisten Fällen eine notwendige Zwangsbedingung darstellt. Um Wirkungsgradvorteile bei einer optimalen Schnelllaufzahl von 0,7 (zum Beispiels xsc = 5) oder im Bereich um 0,6 (zum Beispiel xsc = 15) gegenüber einer reinen Radialturbine in absehbarer Zeit in der Realität ausfindig zu machen, ist der Einstieg in die Hardware so früh wie möglich vorteilhaft.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungskraftmaschine
- 12
- Zylindergehäuse
- 14
- Kurbelwelle
- 16
- Pfeil
- 18
- Ansaugtrakt
- 20
- Luftfilter
- 22
- Abgastrakt
- 24
- Abgasturbolader
- 26
- Turbine
- 28
- Turbinengehäuse
- 30
- Turbinenrad
- 32
- Drehachse
- 34
- Flut
- 36
- Flut
- 38
- Trennwand
- 40
- Beschaufelung
- 42
- Turbinenschaufel
- 44
- Nabe
- 46
- Eintrittskante
- 48
- Austrittskante
- 50
- Verdichter
- 52
- Verdichterrad
- 54
- Welle
- 56
- Ladeluftkühler
- 58
- Abgasrückführeinrichtung
- 60
- Abgasrückführleitung
- 62
- Ventil
- 64
- Abgasrückführkühler
- 66
- Abgasnachbehandlungseinrichtung
- 68
- Pfeil
- 70
- Pfeil
- 72
- Düse
- 74
- Düse
- 76
- Eintrittskantenbereich
- 78
- Eintrittskantenbereich
- 80
- Abszisse
- 82
- Ordinate
- 84
- Pfeil
- 85
- gestrichelter Pfeil
- 86
- Linie
- 88
- Linie
- 90
- Austritt
- 92
- Eintritt
- 94
- Nabe
- 96
- Mitte
- 98
- Außenseite
- 100
- Linien
- 102
- Linien
- 104
- Pfeil
- xsc
- Scheitelpunkt
- A
- Abzweigstelle
- E
- Einleitstelle
- P2
- Druck
- P4
- Druck
- P5
- Druck
- β1s,N
- Winkel
- β1s,t
- Winkel
- β2m
- Winkel
- β1sm
- mittlerer Schaufeleintrittswinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004030703 A1 [0002]
- DE 10152804 A1 [0002]