DE102015203549B4

DE102015203549B4 - Abgasturbine und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102015203549B4
Application number: DE102015203549.2A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kindl; Jörg Kemmerling; Vanco Smiljanovski; Franz Arnd Sommerhoff; Franz J. Brinkmann
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2017-11-23
Anticipated expiration: 2035-02-28
Also published as: DE102015203549A1

Abstract

Abgasturbine (13) für ein Kraftfahrzeug (10), das einen Motor (11), einen Zuluftstrang (21) zur Versorgung des Motors (11) mit Zuluft (19), und einen Abgasstrang (12) zum Ableiten eines im Betrieb des Motors (11) entstehenden Abgases (20) umfasst, wobei die Abgasturbine (13) einen Abgaskanal (32) zum Durchleiten des Abgases (20), und ein im Abgaskanal (32) angeordnetes Turbinenrad (30), welches vom durchströmenden Abgas (20) antreibbar ist, aufweist, wobei die Abgasturbine (13) mit einer mit dem Zuluftstrang (21) verbundenen Kühlleitung (17) fluidleitend verbindbar ist und ausgebildet ist, einen Kühlfilm (27) im Abgaskanal (32) aus einem Teil der Zuluft (19) zu erzeugen, wobei die Abgasturbine (13) in der Weise ausgebildet ist, dass der Kühlfilm (27) nur dann erzeugt wird, wenn zwischen einem Druck im Zuluftstrang (21) und einem Druck im Abgasstrang (12) ein bestimmtes Verhältnis herrscht, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (13) eine Pumpvorrichtung (22) mit einer mit dem Abgasstrang (12) fluidleitend verbindbaren Druckkammer (24), und mit einem die Druckkammer (24) begrenzenden Pumpelement (23) aufweist, wobei die Pumpvorrichtung (22) in der Weise ausgebildet ist, dass eine Druckänderung in der Druckkammer (24) das Pumpelement (23) verstellt und ein Verstellen des Pumpelements (23) einen Strom der Zuluft (19) beeinflusst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasturbine und ein Kraftfahrzeug.
Abgasturbinen für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen sind im Stand der Technik bekannt. So zeigt die EP 1 876 335 A1 einen Abgasturbolader für aufgeladene Brennkraftmaschinen, wobei eine Turbine des Abgasturboladers mit einem Sekundärluftsystem zur Kühlung von Bauteilen der Turbine vorgesehen ist. Dabei soll mit Hilfe des Sekundärluftsystems die Oberflächentemperatur von bestimmten Bauteilen abgesenkt werden und somit sollen Ablagerungen, die sich bei einem Schwerölbetrieb oberhalb einer bestimmten Temperatur auf diesen Bauteilen bilden, zumindest minimiert werden.
Ebenfalls in der EP 1 876 335 A1 offenbart ist, dass Sekundärluftsysteme im Gebiet der Gasturbinen verbreitet sind, bei denen das primäre Strömungsmedium sehr hohe Temperaturen aufweist. Die mit Heißgas beaufschlagten Teile werden mittels Sekundärluft gekühlt, welche beispielsweise im Bereich des Verdichters aus der Hauptströmung abgezweigt wird. Die Kühlung erfolgt beispielsweise durch Filmkühlung, bei der Kühlluft durch Bohrungen aus dem jeweiligen Bauteil austritt und einen Kühlfilm an der Oberfläche des Bauteils bildet. Der Kühlfilm soll einen direkten Kontakt eines heißen Fluids mit dem Bauteil verhindern.
Aus der WO 2006/005199 A1 geht eine Turbine eines Abgasturboladers mit einem Sekundärluftsystem zur Kühlung einer Turbinenscheibe hervor. Das Sekundärluftsystem weist dabei einen auf einen Außenrand der Turbinenscheibe gerichteten Zuführungskanal auf. Mit der Kühlung im höchstbelasteten Bereich soll die mechanische Festigkeit der Turbinenscheibe erhöht werden.
Aus der DE 4213678 A1 geht eine axialdurchströmte Abgasturboladerturbine mit einer Reihe einzeln verstellbarer Leitschaufeln hervor, welche über je eine in einem Gehäuse gelagerte und einen Schaufelträger durchdringende Verstellwelle verdrehbar sind, wobei jede Verstellwelle über einen Schwenkhebel betätigt wird. Die Verstell-Elemente sind von einem Kühlmittel umströmt, welches nach Ausüben seiner Kühlfunktion stromaufwärts der Leitschaufeln in die Abgasströmung im durchströmten Kanal eingeleitet wird.
Die JP H07-208189 A zeigt eine Turboladerkühleinheit für einen Verbrennungsmotor. An einer stromabwärtigen Seite eines Zwischenkühlers ist ein Saugrohr vorgesehen, das einen Verdichter eines Turboladers mit einem Einlasskrümmer verbindet. Eine aus einem Ring gebildete Tasche ist an dem Umfang des Verdichters und an einem zwischen der Abgasturbine und dem Verdichter angeordneten Lager vorgesehen. Das Saugrohr und die Tasche sind durch eine Kühlluftleitung verbunden, in der ein elektromagnetisches Ventil vorgesehen ist. Zudem ist eine Steuerung, um Öffnen und Schließen des Ventils in Abhängigkeit des Betriebszustands des Turboladers zu steuern, vorgesehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wärmebelastung einer Abgasturbine eines Kraftfahrzeugs zu verringern.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Abgasturbine nach Anspruch 1 sowie einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 4 Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Die erfindungsgemäße Abgasturbine für ein Kraftfahrzeug, das einen Motor, einen Zuluftstrang zur Versorgung des Motors mit Zuluft, und einen Abgasstrang zum Ableiten eines im Betrieb des Motors entstehenden Abgases umfasst, weist einen Abgaskanal zum Durchleiten des Abgases, und ein im Abgaskanal angeordnetes Turbinenrad, welches vom durchströmenden Abgas antreibbar ist, auf. Die Abgasturbine ist mit einer mit dem Zuluftstrang verbundenen Kühlleitung fluidleitend verbindbar und ausgebildet, einen Kühlfilm im Abgaskanal aus einem Teil der Zuluft zu erzeugen. Erfindungsgemäß weist die Abgasturbine eine Pumpvorrichtung mit einer mit dem Abgasstrang fluidleitend verbindbaren Druckkammer, und mit einem die Druckkammer begrenzenden Pumpelement auf. Dabei ist die Pumpvorrichtung in der Weise ausgebildet, dass eine Druckänderung in der Druckkammer das Pumpelement verstellt und ein Verstellen des Pumpelements einen Strom der Zuluft beeinflusst.
Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist ein Hitzeschutz für die Abgasturbine bereitgestellt, der die Wärmeeinwirkung des heißen Abgases auf das Material der Abgasturbine begrenzt. Der Luftfilm aus Zuluft sorgt dafür, dass das heiße Abgas die Abgasturbine weniger stark erwärmt. Dadurch kann die Abgasturbine aus weniger hitzebeständigen und damit kostengünstigeren Materialien gefertigt werden. Zudem kann durch die vorgeschlagene Luftfilmkühlung eine Wasserkühlung der Abgasturbine kleiner dimensioniert sein oder durch diese ganz ersetzt werden.
Mit der Pumpvorrichtung ist vorteilhaft eine durch den Abgasstrom angetriebene Pumpvorrichtung bereitgestellt, die durch den sich ändernden Druck in der Druckkammer einen Pumpeffekt erzeugt und die Zuluft an die vorgesehenen Stellen pumpt.
Erfindungsgemäß ist die Abgasturbine in der Weise ausgebildet, dass der Kühlfilm dann erzeugt wird, wenn zwischen einem Druck im Zuluftstrang und einem Druck im Abgasstrang ein bestimmtes Verhältnis herrscht, insbesondere dann, wenn der Druck im Zuluftstrang größer als der Druck im Abgasstrang ist.
Damit kann die Erzeugung des Kühlfilms bedarfsgerecht den verschiedenen Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs angepasst werden. Insbesondere soll ein Kühlfilm erzeugt werden bevor ein Gasstoß erfolgt.
Die erfindungsgemäße Abgasturbine ist in allen Ausgestaltungsvarianten bevorzugt in ein Kraftfahrzeug integriert, das einen Motor, einen Zuluftstrang zur Versorgung des Motors mit Zuluft, und einen Abgasstrang zum Ableiten eines im Betrieb des Motors entstehenden Abgases. Wobei die Abgasturbine im Abgasstrang angeordnet ist und über eine Kühlleitung mit dem Zuluftstrang fluidleitend verbunden ist.
Die Vorteile der Abgasturbine kommen somit dem Kraftfahrzeug zugute.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist im Zuluftstrang ein Kühler angeordnet und die Kühlleitung ist stromabwärts des Kühlers an den Zuluftstrang angeschlossen.
Damit ist eine Verwendung von kühlerer Luft zur Erzeugung des Kühlfilms möglich. Die Kühlung ist mit kälterer Luft wirksamer.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist der Abgasturbine ein Rückschlagventil vorgeschaltet.
Damit kann die Zuluft in der Kühlleitung nur in eine Richtung fließen und ein Fluidstrom von der Abgasturbine zum Zuluftstrang wird verhindert.
Ausgestaltungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug in einer beispielhaften Ausgestaltung;
2 einen Pneumatikplan des Kraftfahrzeugs;
3 eine erfindungsgemäße Abgasturbine; und
4 eine Detailansicht der Abgasturbine.
In den 1 und 2 ist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 10 in einer beispielhaften Ausgestaltung in einer Gesamtansicht beziehungsweise in einer Detailansicht schematisch dargestellt. Das Kraftfahrzeug 10 umfasst einen Motor 11, der ein Verbrennungsmotor 11 ist und insbesondere zum Antrieb des Kraftfahrzeugs 10 ausgebildet ist. Zur Zuführung von Zuluft 19, die der Motor 11 für seinen Betrieb benötigt, weist das Kraftfahrzeug 10 einen Zuluftstrang 21 auf. Zur Ableitung von im Betrieb des Motors entstehendem Abgas 20 verfügt das Kraftfahrzeug 10 über einen Abgasstrang 12.
In dem Abgasstrang 12 ist eine Abgasturbine 13 angeordnet. Die Abgasturbine 13 ist insbesondere Teil eines Abgasturboladers und dabei mit einem im Zuluftstrang 21 angeordneten Verdichter 14 mittels einer Welle 31 drehmomentübertragend verbunden. Die Abgasturbine 13 ist dabei ausgebildet, den Verdichter 14 anzutreiben, um die zum Motor 11 strömende Zuluft 19, auch Ladeluft 19 genannt, zu verdichten. Stromabwärts des Verdichters 14 ist insbesondere ein Kühler 15 angeordnet. Der Kühler ist ein Ladeluftkühler 15, und ausgebildet die verdichtete Zuluft 19 stromaufwärts des Motors 11 zu kühlen.
Das Kraftfahrzeug 10 umfasst erfindungsgemäß eine Kühlleitung 17, die einen Teil der Zuluft 19 vom Zuluftstrang 21 zur Abgasturbine 13 leitet. Die Kühlleitung 17 zweigt den Teil der Zuluft 19 insbesondere stromabwärts des Kühlers 15 ab und ist dazu stromabwärts des Kühlers 15 mit dem Zuluftstrang 21 verbunden. Der abgezweigte Teil der Zuluft 19 beträgt etwa 5 % der gesamten Zuluft 19.
In der Kühlleitung 17 ist insbesondere ein Rückschlagventil 16 angeordnet, welches einen Durchfluss nur in Richtung der Abgasturbine 13 zulässt, nicht aber entgegengesetzt in Richtung des Zuluftstrangs 21. Das Rückschlagventil 16 kann in der Kühlleitung 17 angeordnet sein. In der Weise ist es in der 2 dargestellt. Es ist auch möglich, dass das Rückschlagventil 16 zumindest Teilweise in die Abgasturbine 13 integriert ist.
Das Rückschlagventil 16 kann zudem ein gesteuertes Rückschlagventil 16 sein, welches in der Weise ausgebildet ist, dass ein Öffnen des Rückschlagventils 16 und damit der Durchfluss von Zuluft 19 in Richtung der Abgasturbine 13 bei einer Ansteuerung des Rückschlagventils 16 verhindert ist. Das Rückschlagventil 16 ist dazu mit einer nicht dargestellten Steuerleitung verbunden, die insbesondere mit dem Abgasstrang 12 in Wirkverbindung steht. Ist die Steuerleitung mit einem bestimmten Druck beaufschlagt, ist das Öffnen des Rückschlagventils 16 verhindert. Die Zuluft 19 kann insbesondere nur dann dass Rückschlagventil 16 passieren, wenn zwischen einem Druck im Zuluftstrang 21 (Ladedruck) und einem Druck im Abgasstrang 12 (Abgasdruck) ein bestimmtes Verhältnis herrscht, insbesondere kann die Zuluft 19 nur dann dass Rückschlagventil 16 passieren, wenn der Ladedruck größer als der Abgasdruck ist.
In den 3 und 4 ist die erfindungsgemäße Abgasturbine 13 in einer beispielhaften Ausgestaltung in einer Gesamtansicht beziehungsweise in einer Detailansicht dargestellt. Die Abgasturbine 13 weist einen Abgaskanal 32 auf, durch den das Abgas 20 die Abgasturbine 13 passiert. In dem Abgaskanal 32 ist ein Turbinenrad 30 angeordnet, welches drehmomentübertragend mit der Welle 31 verbunden ist. Die Abgasturbine 13 ist in der Weise ausgebildet, dass das Turbinenrad 30 und dadurch die Welle 31 angetrieben wird, wenn Abgas 20 die Abgasturbine 13 durchströmt.
Die Abgasturbine 13 ist erfindungsgemäß in der Weise ausgebildet, einen Kühlfilm 27 im Abgaskanal 32 zu erzeugen. Der Kühlfilm 27 ist gasförmig und schützt das Material der Abgasturbine 13 vor einer zu starken Erwärmung durch das Abgas 20 in der Weise, dass das Abgas 20 vom Material beabstandet gehalten wird. Insbesondere an einem Turbineneingang 29, bei dem das Abgas 20 in den Abgaskanal 32 der Abgasturbine 13 einströmt und die höchste Temperatur aufweist, soll der Kühlfilm 27 ausgebildet sein.
Die an die Kühlleitung 17 angeschlossene Abgasturbine 13 erzeugt den Kühlfilm aus komprimierter Zuluft 19, also Ladeluft 19. Dazu weist die Abgasturbine 13 insbesondere einen Kühlkanal 25 auf, der mit mehreren zum Abgaskanal 32 hin offenen Kühlöffnungen 26 versehen ist. Der Kühlkanal 25 ist dabei insbesondere im Gehäuse 28 des Abgasturboladers 13 angeordnet. Es ist auch vorstellbar, dass der Kühlkanal 25 mit den Kühlöffnungen 26 von einem Einsatz oder dergleichen ausgebildet ist.
In der in der 4 dargestellten Ausgestaltung weist die Abgasturbine 13 eine Pumpvorrichtung 22 auf. Die Pumpvorrichtung 22 umfasst eine Druckkammer 24 und ein Pumpelement 23. Die Druckkammer 24 ist eine geschlossene Kammer, die nur zur Druckleitung 18 hin offen ist. Das Pumpelement 23 trennt die Druckkammer 24 vom Kühlkanal 25. Das Volumen der Druckkammer 24 ist dadurch veränderbar, dass das Pumpelement 23 verschiedene Stellungen einnehmen kann. Die Pumpvorrichtung 22 ist in der Weise ausgebildet, dass das Pumpelement 23 bei einem in der Druckkammer 24 herrschenden ersten Druck eine erste Stellung aufweist und bei einem in der Druckkammer 24 herrschenden zweiten Druck eine zweite Stellung aufweist. Das Pumpelement 23 ist insbesondere eine Membran oder ein Kolben. Ein Verstellen des Pumpelements 23 bewirkt eine Beeinflussung der Zuluft 19 im Kühlkanal 25. So bewirkt ein Verstellen des Pumpelements 23 insbesondere eine Druckveränderung in dem Kühlkanal 25. Durch einen schwankenden Druck in der Druckkammer 24 pumpt das Pumpelement 23 die Zuluft 19 durch die Kühlöffnungen 26. Das Pumpelement 23 kann durch einen regelmäßig schwankenden Druck in Schwingung versetzt werden. Mit dem Rückschlagventil 16 ist verhindert, dass Zuluft 19 zurück in Richtung Zuluftstrang 21 gelangen kann. Die Pumpvorrichtung 22 kann mit einer nicht dargestellten Wasserkühlung versehen sein.
Bezugszeichenliste

10: Kraftfahrzeug
11: Motor
12: Abgasstrang
13: Abgasturbine
14: Verdichter
15: Kühler
16: Rückschlagventil
17: Kühlleitung
18: Druckleitung
19: Zuluft
20: Abgas
21: Zuluftstrang
22: Pumpvorrichtung
23: Pumpelement
24: Druckkammer
25: Kühlkanal
26: Kühlöffnung
27: Kühlfilm
28: Gehäuse
29: Turbineneingang
30: Turbinenrad
31: Welle
32: Abgaskanal

Claims

Abgasturbine (13) für ein Kraftfahrzeug (10), das einen Motor (11), einen Zuluftstrang (21) zur Versorgung des Motors (11) mit Zuluft (19), und einen Abgasstrang (12) zum Ableiten eines im Betrieb des Motors (11) entstehenden Abgases (20) umfasst, wobei die Abgasturbine (13) einen Abgaskanal (32) zum Durchleiten des Abgases (20), und ein im Abgaskanal (32) angeordnetes Turbinenrad (30), welches vom durchströmenden Abgas (20) antreibbar ist, aufweist, wobei die Abgasturbine (13) mit einer mit dem Zuluftstrang (21) verbundenen Kühlleitung (17) fluidleitend verbindbar ist und ausgebildet ist, einen Kühlfilm (27) im Abgaskanal (32) aus einem Teil der Zuluft (19) zu erzeugen, wobei die Abgasturbine (13) in der Weise ausgebildet ist, dass der Kühlfilm (27) nur dann erzeugt wird, wenn zwischen einem Druck im Zuluftstrang (21) und einem Druck im Abgasstrang (12) ein bestimmtes Verhältnis herrscht, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (13) eine Pumpvorrichtung (22) mit einer mit dem Abgasstrang (12) fluidleitend verbindbaren Druckkammer (24), und mit einem die Druckkammer (24) begrenzenden Pumpelement (23) aufweist, wobei die Pumpvorrichtung (22) in der Weise ausgebildet ist, dass eine Druckänderung in der Druckkammer (24) das Pumpelement (23) verstellt und ein Verstellen des Pumpelements (23) einen Strom der Zuluft (19) beeinflusst.
Abgasturbine (13) nach Anspruch 1, wobei die Abgasturbine (13) in der Weise ausgebildet ist, dass der Kühlfilm (27) nur dann erzeugt wird, wenn der Druck im Zuluftstrang (21) größer als der Druck im Abgasstrang (12) ist.
Kraftfahrzeug (10) mit einem Motor (11), einem Zuluftstrang (21) zur Versorgung des Motors (11) mit Zuluft (19), und einem Abgasstrang (12) zum Ableiten eines im Betrieb des Motors (11) entstehenden Abgases (20), sowie einer im Abgasstrang (12) angeordneten Abgasturbine (13) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Abgasturbine (13) über eine Kühlleitung (17) mit dem Zuluftstrang (21) fluidleitend verbunden ist.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 3, wobei im Zuluftstrang (21) ein Kühler (15) angeordnet ist und die Kühlleitung (17) stromabwärts des Kühlers (15) an den Zuluftstrang (21) angeschlossen ist.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Abgasturbine (13) ein Rückschlagventil (16) vorgeschaltet ist.