DE102015223257A1

DE102015223257A1 - Abgasturbine, Abgasturbolader, Brennkraftmaschine und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102015223257A1
Application number: DE102015223257.3A
Authority: DE
Inventors: Melf Peters; Jörg R. Seume; Thorsten Kleine Sextro; Jasper Kammeyer; Axel Groenendijk; Oliver Holthoff
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-11-25
Filing date: 2015-11-25
Publication date: 2017-06-01

Abstract

Eine Abgasturbine (10) mit einem Gehäuse (12), das einen Strömungsraum für eine Abgasströmung ausbildet, wobei in dem Strömungsraum ein Axiallaufrad (14) um eine Rotationsachse (18) drehbar gelagert ist und wobei das Axiallaufrad (14) einen um die Rotationsachse (18) umlaufenden Einlasskanal des Strömungsraums von einem Auslasskanal (20) des Strömungsraums separiert, wobei der Einlasskanal einen im Wesentlichen radial bezüglich der Rotationsachse (18) des Axiallaufrads (14) ausgerichteten Kanalabschnitt (28) und einen im Wesentlichen axial bezüglich der Rotationsachse (18) ausgerichteten Kanalabschnitt (36) umfasst, die über einen Umlenkungskanalabschnitt (34) miteinander verbunden sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des radialen Kanalabschnitts (28) ein oder mehrere einen Drall der Abgasströmung beeinflussende, verstellbare Leitelemente (30) angeordnet sind. Eine solche Abgasturbine (10) kombiniert den Vorteil eines relativ geringen Rotationsträgheitsmoments, der durch die Verwendung des Axiallaufrads (14) erreicht werden kann, mit einer kompakten Bauform für die Abgasturbine (10) infolge der Ausgestaltung eines die Leitelemente (30) umfassenden Vorleitgitters als radiales Vorleitgitter. Ein solches verstellbares radiales Vorleitgitter kann zudem konstruktiv einfacher umsetzbar sein, als ein verstellbares axiales Vorleitgitter, das üblicherweise für die Kombination mit einem Axiallaufrad (14) einer Abgasturbine (10) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasturbine, einen Abgasturbolader mit einer solchen Abgasturbine, eine Brennkraftmaschine und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Abgasturbine oder einem solchen Abgasturbolader.
Durch eine sogenannte Aufladung eines Verbrennungsmotors, d.h. dem Verdichten des dem Verbrennungsmotor zugeführten Frischgases, kann die Leistungscharakteristik des Verbrennungsmotors, die insbesondere durch den Verlauf und die Höhe der (Nenn-)Leistung, den Verlauf und die Höhe des (maximalen) Drehmoments, das Ansprechverhalten und den spezifischen Kraftstoffverbrauch charakterisiert ist, in erheblichem Maße positiv beeinflusst werden. Der konkreten Ausgestaltung der zumeist für eine Aufladung von Verbrennungsmotoren vorgesehenen Abgasturbolader kommt dabei eine große Bedeutung zu, da verbesserte Ansprechverhalten und verbesserte Wirkungsgrade der Abgasturbolader im Wesentlichen unmittelbar zu entsprechend verbesserten Ansprechverhalten und verbesserten Wirkungsgraden der Verbrennungsmotoren führen.
Ein Abgasturbolader besteht im Wesentlichen aus zwei Hauptkomponenten, nämlich einem Verdichter, der das dem Verbrennungsmotor zuzuführende Frischgas ansaugt und verdichtet, sowie einer Abgasturbine, die die Enthalpie der Strömung des von dem Verbrennungsmotor erzeugten Abgases nutzt, um die für den Verdichter benötigte Antriebsleistung zu erzeugen. Verdichter und Abgasturbine sind dabei in der Regel starr über eine Welle gekoppelt und bilden so eine Einheit, die vielfach als Laufzeug bezeichnet wird. Da die Abgasturbine den größten Anteil an der Rotationsträgheit des Laufzeugs bewirkt, hat diese einen entsprechend großen Einfluss auf das Ansprechverhalten des Abgasturbolader.
Für die Aufladung von Verbrennungsmotoren existieren diverse Systeme und Lösungen für verschiedenste Anwendungen und Problemstellungen. Dabei können auch die Abgasturbinen von Abgasturboladern prinzipiell in verschiedenen Bauformen ausgeführt werden. Für Kleinmotoren, wie sie zum Antrieb von als Personenkraftwagen ausgebildeten und genutzten Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, hat sich die Verwendung von Radialturbinen (auch als Zentripetalturbinen bezeichnet), bei denen die Turbinenlaufräder im Wesentlichen in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachsen der Turbinenlaufräder angeströmt und in axialer Richtung abgeströmt werden, weitgehend durchgesetzt. Axialturbinen, bei denen die Turbinenlaufräder im Wesentlichen in axialer Richtung bezüglich der Rotationsachse angeströmt und auch wieder abgeströmt werden, haben sich dagegen für Großmotoren, wie sie beispielsweise für den Antrieb von Schiffen vorgesehen sind, durchgesetzt. Der Grund dafür ist die allgemeine Annahme, dass die strömungstechnischen Vorteile von Axialturbinen mit zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend ins Gewicht fallen, Radialturbinen dagegen Vorteile bei relativ kleinen Abgasmassenströmen haben soll.
Bekannt sind weiterhin sogenannte Mixed-Flow-Turbinen (vgl. z.B. US 5,025,629 und DE 20 2014 105 335 U1 ), bei denen die Anströmung der Turbinenlaufräder mit deutlicher Schrägstellung von beispielsweise ca. 45° bezüglich der Rotationsachse und die Abströmung in axialer Richtung erfolgt. Dadurch soll für bestimmte Anwendungen eine bestmögliche Kombination der Vorteile, die Radialturbinen einerseits und Axialturbinen andererseits bieten, erreicht werden können.
Ein Vorteil von Axialturbinen im Vergleich zu Radialturbinen ist das deutlich geringere Rotationsträgheitsmoment der Axiallaufräder von Axialturbinen bei vergleichbarer Leistungsauslegung, das insbesondere auf den geringeren Laufraddurchmesser zurückzuführen ist.
Neben der Bauform hat auch die Art der Regelung von Abgasturbinen einen signifikanten Einfluss auf die Leistungscharakteristik der diese umfassenden Abgasturbolader und damit auch auf die Leistungscharakteristik der mittels dieser Abgasturbolader aufgeladenen Verbrennungsmotoren. Bekannt und verbreitet ist einerseits eine turbinenseitige Regelung von Abgasturboladern mittels sogenannter Wastegates, bei denen es sich um regelbare Bypässe für die Abgasturbinen handelt. Bei Brennkraftmaschinen, die zum Antrieb von Personenkraftwagen vorgesehen sind, und bei denen der dazugehörige Verbrennungsmotor als Ottomotor ausgebildet ist, hat sich diese Art der Regelung aus Kostengründen weitgehend durchgesetzt. Bei entsprechenden Brennkraftmaschinen mit Dieselmotoren kommen dagegen infolge der geringeren Abgastemperaturen vielfach Abgasturbinen mit sogenannten variablen Turbinengeometrien (VTG) zum Einsatz, bei denen verstellbare Leitschaufeln im Anströmbereich der Turbinenlaufräder vorgesehen sind. Eine Regelung von Abgasturbinen mittels variabler Turbinengeometrien ist dabei in der Regel einer Regelung per Wastegates thermodynamisch überlegen.
Trotz der erheblichen Verbreitung von Radialturbinen in Abgasturboladern für Anwendungen bei Personenkraftwagen sind für diesen Bereich auch Abgasturbolader bekannt, die auf einer Axialturbine aufbauen. Bei diesen sind die Abgasturbinen jedoch entweder ungeregelt oder mittels Wastegates geregelt. Hierzu kann auf die US 2011/0252791 A1 , die US 2011/025278 A1 sowie auf die nachfolgend aufgeführten Veröffentlichungen verwiesen werden:

– Lei, V.-M.; Nejedly, M.; Houst, V.; Kares V. (2012): "Dual boost compressor development", IMechE 10th Conference on Turbochargers and Turbocharging;
– Bauer, K.-H.; Balis, C.; Donkin, G.; Davies, P. (2012): "The Next Generation of Gasoline Turbo Technolgy", 33. Internationales Wiener Motorensymposium 2012;
– Lotterman, J.; Schorn, N.; Jeckel, D.; Brinkmann. F.; Bauer, K.-H. (2011): "New Turbocharger Concept for Boosted Gasoline Engines", 16. Aufladetechnische Konferenz, Dresden 2011
– Rahnke, C.J. (1985): "Axial Flow Automotive Turbocharger", ASME Gas Turbine Conference and Exhibit; Houston, Texas, 85-GT-123.

Abgasturbolader mit Axialturbinen und variablen Turbinengeometrien sind dagegen von Großmotoren (z.B. für Schiffe) bekannt. Bei diesen sind die verstellbaren Leitschaufeln jedoch in Form so genannter (verstellbarer) axialer Vorleitgitter, die entsprechend der Turbinenlaufräder in axialer Richtung bezüglich der Rotationsachsen der Turbinenlaufräder durchströmt werden, ausgebildet. Hierzu kann auf die nachfolgend aufgeführte Veröffentlichung verwiesen werden:
Vlaskos, l.; Seiler, M.; Schulz, J. (2002): „ABB TPL65 turbocharger with variable turbine geometry for medium-speed diesel engines"; IMechE 2002 C602/001/2002.
Aus der US 4,648,790 ist zudem eine Abgasturbine mit einem Axiallaufrad bekannt, bei dem die Abgasströmung in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse zunächst durch einen Ring aus statischen Leitelementen strömt und anschließend in eine axiale Strömungsausrichtung umgelenkt wird.
Und schließlich ist aus der EP 1 710 415 A1 noch eine Abgasturbine mit einem Axiallaufrad und einem statischen, d.h. nicht verstellbaren axialen Vorleitgitter bekannt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Abgasturbine, die insbesondere zur Verwendung in einem Abgasturbolader für einen Personenkraftwagen vorgesehen ist, anzugeben, die sich durch eine besonders vorteilhafte Leistungscharakteristik und insbesondere ein gutes Ansprechverhalten auszeichnet.
Diese Aufgabe wird mittels einer Abgasturbine gemäß dem Patentanspruch 1 sowie mittels eines Abgasturboladers gemäß dem Patentanspruch 9 gelöst. Eine Brennkraftmaschine und ein Kraftfahrzeug, jeweils mit einer solchen Abgasturbine oder einem solchen Abgasturbolader, sind Gegenstände der Patentansprüche 10 und 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Abgasturbine, des erfindungsgemäßen Abgasturboladers, der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Eine Abgasturbine mit einem Gehäuse, das einen Strömungsraum für eine Abgasströmung ausbildet, wobei in dem Strömungsraum ein Axiallaufrad um eine Rotationsachse drehbar angeordnet ist und wobei das Axiallaufrad einen um die Rotationsachse umlaufenden Einlasskanal des Strömungsraums von einem Auslasskanal des Strömungsraums separiert, und wobei der Einlasskanal des Strömungsraums einen im Wesentlichen radial bezüglich der Rotationsachse des Axiallaufrads ausgerichteten Kanalabschnitt und einen im Wesentlichen axial bezüglich der Rotationsachse ausgerichteten, dem Axiallaufrad vorzugsweise direkt benachbarten Kanalabschnitt umfasst, die über einen Umlenkungskanalabschnitt miteinander verbunden sind, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des radialen Kanalabschnitts ein oder mehrere einen Drall der Abgasströmung (um die Rotationsachse) beeinflussende und insbesondere verstärkende, verstellbare Leitelemente angeordnet sind. Die Drallrichtung entspricht dabei vorzugsweise der vorgesehenen Rotationsrichtung des Axiallaufrads.
Eine erfindungsgemäße Abgasturbine ist demnach durch die Kombination eines Axiallaufrads mit einem verstellbaren radialen Vorleitgitter gekennzeichnet, was eine entsprechende Umlenkung der Abgasströmung zwischen dem verstellbaren radialen Vorleitgitter und dem Axiallaufrad erfordert. Hierfür ist der Umlenkungskanalabschnitt vorgesehen.
Durch die Verwendung eines Axiallaufrads kann das Rotationsträgheitsmoment im Vergleich zu einer Radialturbine bei vergleichbarer Leistungsauslegung deutlich reduziert werden, was sich in einem entsprechend verbesserten Ansprechverhalten der Abgasturbine und eines eine solche Abgasturbine aufweisenden erfindungsgemäßen Abgasturboladers, der weiterhin zumindest noch einen Verdichter umfasst, wobei das Axiallaufrad der Abgasturbine mit einem Verdichterlaufrad des Verdichters drehantreibend verbunden ist, auswirken kann. Durch die Verwendung eines verstellbaren radialen Vorleitgitters kann zum einen die Baugröße und insbesondere die Baulänge (Erstreckung in Richtung der Rotationachse) der Abgasturbine positiv beeinflusst werden, weil ein solches kompakt in das Gehäuse der Abgasturbine integrierbar ist. Eine erfindungsgemäße Erkenntnis dabei ist, dass die durch die erfindungsgemäße Kombination eines Axiallaufrads mit einem radialen Vorleitgitter erforderliche Strömungsumlenkung nicht zwangsläufig solche Nachteile mit sich bringen muss, die die dadurch erreichbaren Vorteile (über-)kompensieren.
Ein weiterer, besonders relevanter Vorteil, der sich aus der erfindungsgemäßen Kombination eines Axiallaufrads mit einem radialen Vorleitgitter ergeben kann, liegt darin, dass grundsätzlich eine Verstellbarkeit für radiale Vorleitgitter konstruktiv einfacher umsetzbar sein kann, als dies für verstellbare axiale Vorleitgitter der Fall ist. Dementsprechend ist bei der erfindungsgemäßen Abgasturbine vorgesehen, dass diese mit einer sogenannten variablen Turbinengeometrie (VTG) ausgestattet ist und demnach die Leitelemente verstellbar ausgebildet sind. Dabei können die Leitelemente insbesondere um mindestens eine Achse drehbar innerhalb des radialen Kanalabschnitts gelagert sein. Diese Achse kann beispielsweise parallel zu der Rotationsachse des Axiallaufrads verlaufen. Für eine Verstellung der Leitelemente kann eine entsprechende Stellvorrichtung vorgesehen sein, die vorzugsweise so ausgestaltet ist, dass diese gleichzeitig auf sämtliche der Leitelemente wirkt. Hierzu kann beispielsweise ein Aktor der Stellvorrichtung auf einen Stellerring wirken, der um die Rotationsachse des Axiallaufrads (zumindest teilweise) umläuft und dabei innerhalb oder außerhalb des radialen Kanalabschnitts derart mit den Leitelementen verbunden ist, dass eine Teilrotation des Stellerrings zu einer Verstellung der Leitelemente, insbesondere zu einem Verdrehen der einzelnen Leitelemente um die dazugehörigen Achsen, führt.
Unter einer Ausrichtung des radialen Kanalabschnitts „im Wesentlichen“ in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse des Axiallaufrads wird erfindungsgemäß eine Ausrichtung des Kanallängsverlaufs in diesem Kanalabschnitt verstanden, bei der diese einen Winkel von 90°± 20°, vorzugsweise von 90°± 10°, besonders bevorzugt von 90°± 5° und insbesondere von möglichst exakt 90° einschließt.
Dementsprechend wird unter einer Ausrichtung des axialen Kanalabschnitts „im Wesentlichen“ in axialer Richtung bezüglich der Rotationsachse des Axiallaufrads erfindungsgemäß eine Ausrichtung des Kanallängsverlaufs in diesem Kanalabschnitt verstanden, bei der diese einen Winkel von 0° ± 20°, vorzugsweise von 0° ± 10°, besonders bevorzugt von 0° ± 5° und insbesondere von möglichst exakt 0° (exakt parallele oder koaxiale Ausrichtung) einschließt.
Um eine negative Beeinflussung der Abgasströmung infolge der Umlenkung in dem Umlenkungskanalabschnitt zu vermeiden oder zumindest möglichst gering zu halten, kann weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, dass eine (beliebige, besonders bevorzugt jede) Öffnungsfläche des radialen Kanalabschnitts größer als eine (beliebige, besonders bevorzugt jede) Öffnungsfläche des Umlenkungskanalabschnitts und/oder eine (beliebige, besonders bevorzugt jede) Öffnungsfläche des Umlenkungskanalabschnitts größer als eine (beliebige, besonders bevorzugt jede) Öffnungsfläche des axialen Kanalabschnitts ist.
Dabei wird als „Öffnungsfläche“ der jeweilige Öffnungsquerschnitt in senkrechter Ausrichtung zu dem Kanallängsverlauf (beziehungsweise zu der Hauptströmungsrichtung der Abgasströmung) des umlaufenden Einlasskanals verstanden. Die Öffnungsfläche wird somit zum einen durch die Kanalbreite, d.h. den Abstand zwischen den zwei den umlaufenden Einlasskanal begrenzenden Gehäusewänden und zum anderen durch den jeweiligen radialen Abstand von der Rotationsachse definiert. Dies führt dazu, dass eine ausgehend von dem radialen Kanalabschnitt über den Umlenkungskanalabschnitt bis hin zu dem axialen Kanalabschnitt abnehmende Öffnungsfläche nicht notwendigerweise (aber möglich) eine abnehmende Kanalbreite erfordert. Möglich ist sogar eine zunehmende Kanalbreite, wenn diese durch den abnehmenden radialen Abstand überkompensiert wird.
Ebenfalls dem Ziel, eine negative Beeinflussung der Abgasströme infolge der Umlenkung in dem Umlenkungskanalabschnitt zu vermeiden oder möglichst gering zu halten, kann dienen, wenn sich die Öffnungsflächen des Einlasskanals ausgehend von einer (beliebigen) Öffnungsfläche des radialen Kanalabschnitts, bei der es sich insbesondere um die sich direkt an die Leitelemente anschließende Öffnungsfläche handeln kann, kontinuierlich (und somit ohne eine zwischenzeitliche gleichbleibende oder sich sogar vergrößernde Öffnungsfläche) entlang des Kanallängsverlaufs bis zu einer (beliebigen) Öffnungsfläche des axialen Kanalabschnitts, bei der es sich insbesondere um die direkt an die Einlassseite des Axiallaufrads angrenzende Öffnungsfläche handeln kann, verkleinern.
Eine sich über dem Verlauf der Kanallängsachse in Hauptströmungsrichtung des Abgases verkleinernde Öffnungsfläche kann insbesondere zu einer Beschleunigung der Abgasströmung führen, durch die Strömungsablösungen vermieden werden, die ansonsten einen negativen Einfluss auf den Turbinenwirkungsgrad haben können. Dies dient somit dem Zweck einer möglichst verlustarmen Umlenkung der Abgasströmung in dem Umlenkungskanalabschnitt.
Trotz einer bevorzugt vorgesehenen Verkleinerung der Öffnungsflächen des Einlasskanals in Hauptströmungsrichtung der Abgasströmung mit dem Ziel einer Strömungsbeschleunigung sollte eine solche Verkleinerung auch nicht zu ausgeprägt sein, weil diese ansonsten den von den Leitelementen beeinflussten Drall reduzieren könnte. Als in dieser Hinsicht besonders vorteilhaft hat sich gezeigt, wenn die Größe der Eintrittsöffnungsfläche des axialen Kanalabschnitts, die im Übergang von dem Umlenkungskanalabschnitt gelegen ist, zwischen 95% und 75% und vorzugsweise in etwa oder möglichst exakt 80% der Größe der Austrittsöffnungsfläche des radialen Kanalabschnitts, die im Übergang zu dem Umlenkungskanalabschnitt gelegen ist, beträgt.
Dem Ziel einer möglichst verlustarmen Umlenkung der Abgasströmung in dem Umlenkungskanalabschnitt kann auch dienen, wenn die nabenseitige und/oder die umfangsseitige Kanalkontur des Einlasskanals, die durch die Verläufe der den Einlasskanal begrenzenden Gehäusewände beeinflusst ist, zwischen den Leitelementen und dem Axiallaufrad einen stetigen Verlauf und somit keine lokal begrenzten Einbuchtungen oder Ausbuchtungen aufweist. Die nabenseitige Kanalkontur ist dabei diejenige, die der Rotationsachse des Axiallaufrads näher liegt als die umfangsseitige Kanalkontur.
Ebenfalls dem Ziel einer möglichst verlustarmen Umlenkung aber ebenso auch dem Ziel einer möglichst kompakten Integration des Einlasskanals in das Gehäuse der Abgasturbine kann dienen, wenn der Kanallängsverlauf (beziehungsweise die entsprechenden Kanalkonturen) innerhalb des Umlenkungskanalabschnitts bogenförmig, insbesondere teilkreisförmig ist (sind). Dabei sollten der oder die Radien für den bogenförmigen und insbesondere teilkreisförmigen Verlauf (so weit wie sinnvoll) möglichst klein oder (so weit wie sinnvoll) mit einem möglichst großen Verhältnis der Radien der umfangsseitigen Kanalkontur zur nabenseitigen Kanalkontur gewählt werden, um für eine kompakte Integration des Einlasskanals in das Gehäuse der Abgasturbine förderlich zu sein. Andererseits sollte insbesondere der Radius für die umfangsseitige Kanalkontur und damit auch das Verhältnis der Radien der umfangsseitigen Kanalkontur zur nabenseitigen Kanalkontur nicht zu klein gewählt werden, weil der Radius der umfangsseitigen Kanalkontur dadurch zu stark einer Kante angenähert würde, die insbesondere Strömungsablösungen begünstigen könnte. Als besonders vorteilhaft hat sich gezeigt, wenn vorgesehen ist, dass das Verhältnis eines (vorzugsweise jedes) Radius der nabenseitigen Kanalkontur zu dem dazugehörigen (auf kürzestem Weg gegenüberliegenden) Radius der umfangsseitigen Kanalkontur zwischen fünf und fünfzehn, vorzugsweise in etwa siebeneinhalb beträgt.
Für eine strömungstechnisch möglichst vorteilhafte Führung der Abgasströmung in dem Einlasskanal kann es sinnvoll sein, die Längen der Leitelemente (entlang der Richtung, in der die Abgasströmung diese primär umströmt) im Vergleich zu radialen Vorleitgittern, die in Kombination mit Radiallaufrädern aus dem Bereich von Personenkraftwagen und insbesondere in Kombination mit Dieselmotoren üblicherweise verwendet werden, groß auszubilden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasturbine und damit auch des erfindungsgemäßen Abgasturboladers kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Einlasskanal stromauf der Leitelemente eine Volute ausbildet. Diese kann insbesondere für eine gleichmäßige Verteilung der Abgasströmung auf den gesamten Umfang des Einlasskanals vorteilhaft sein. Weiterhin kann durch eine solche Volute bereits ein Drall für die Abgasströmung erzeugt werden, der durch die Leitelemente beeinflusst und insbesondere weiter verstärkt werden kann.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasturbine oder einem erfindungsgemäßen Abgasturbolader, die insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der Antriebsleistung für ein Kraftfahrzeug vorgesehen sein kann. Die Brennkraftmaschine umfasst zumindest einen Verbrennungsmotor (beispielsweise einen Diesel- oder Ottomotor), der einen oder mehrere Brennräume ausbildet, einen Frischgasstrang, über den dem oder den Brennräumen Frischgas zuführbar ist, sowie einen Abgasstrang, über den Abgas, dass bei einer Verbrennung eines Gemischs des Frischgases mit insbesondere direkt in die Brennräume eingebrachtem Kraftstoff entstanden ist, aus dem oder den Brennräumen abführbar ist, wobei die erfindungsgemäße Abgasturbine in den Abgasstrang integriert ist und gegebenenfalls der Verdichter des erfindungsgemäßen Abgasturboladers in den Frischgasstrang integriert ist.
Die Erfindung betrifft zudem ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes Kraftfahrzeug, mit einer erfindungsgemäßen Abgasturbine und/oder einem erfindungsgemäßen Abgasturbolader (beziehungsweise mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine). Das Kraftfahrzeug kann dabei besonders bevorzugt als Personenkraftwagen ausgestaltet sein, weil sich bei einem solchen infolge des relativ beengten Bauraums innerhalb des Motorraums einerseits und aufgrund des häufig ungleichförmigen Betriebs mit unterschiedlichen Leistungsanforderungen andererseits die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Abgasturbine, nämlich gutes Ansprechverhalten bei gleichzeitig geringem Bauraum besonders vorteilhaft auswirken können.
Als „Personenkraftwagen“ wird dabei ein mehrspuriges Kraftfahrzeug, das primär zur Personenbeförderung vorgesehen ist und nach seiner Bauart und Ausstattung zur Beförderung von nicht mehr als neun Personen (inkl. Fahrzeugführer) geeignet und bestimmt ist, verstanden.
Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, teilweise in vereinfachter Darstellung:
1: eine erfindungsgemäße Abgasturbine mit teilweise ausgeschnittenem Gehäuse in einer perspektivischen Darstellung;
2: einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Abgasturbine;
3: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine; und
4: ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.
Die 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Abgasturbine 10. Diese umfasst ein Gehäuse 12, das einen Strömungsraum für eine Abgasströmung ausbildet, wobei ein Axiallaufrad 14 (zumindest mit seinen Laufradschaufeln 16) in dem Strömungsraum angeordnet ist. Das Axiallaufrad 14 ist dabei um eine Rotationsachse 18 drehbar innerhalb des Gehäuses 12 gelagert. Der Strömungsraum ist um die Rotationsachse 18 ringförmig umlaufend ausgebildet und wird durch das Axiallaufrad 14 in einen Einlasskanal und einen Auslasskanal 20 separiert. Eine die Abgasturbine 10 durchströmende Abgasströmung strömt über den Einlasskanal zu dem Axiallaufrad 14, durchströmt dann die Laufradschaufeln 16 des Axiallaufrads 14, wobei die Abgasströmung entspannt und das Axiallaufrad 14 drehend angetrieben wird. Anschließend wird die Abgasströmung über den Auslasskanal 20 und einen in den Zeichnungen nicht sichtbaren Auslass aus der Abgasturbine 10 abgeführt.
Der Einlasskanal umfasst eine schneckenförmige Volute 24, die einen Einlass 26 der Abgasturbine 10 mit einem radialen Kanalabschnitt 28 des Einlasskanals verbindet, wobei durch die Schneckenform der Volute 24 unter anderem eine vorteilhafte Gleichverteilung der Abgasströmung über dem Umfang des (umlaufenden) radialen Kanalabschnitts 28 erreicht werden kann.
Innerhalb des radialen Kanalabschnitts 28 sind in gleichmäßiger Teilung versetzt zueinander, in ringförmiger Anordnung eine Mehrzahl von verstellbaren Leitelementen 30 vorgesehen, die als flächige Leitschaufeln ausgebildet sind. Jedes der Leitelemente 30 ist auf einer Welle, die im Wesentlichen parallel zu der Rotationsachse 18 des Axiallaufrads 14 verläuft und von der in der 2 lediglich die dazugehörige Längs- beziehungsweise Rotationsachse 32 dargestellt ist, drehbar gelagert. Mittels einer auf die Wellen wirkenden, nicht dargestellten Verstellvorrichtung können die Leitelemente 30 gemeinsam um jeweils die Längsachse 32 der dazugehörigen Welle verdreht werden, wodurch ein Drall der Abgasströmung in dem radialen Kanalabschnitt 28, der bereits durch die Strömungsführung innerhalb der Volute erzeugt wurde, in Abhängigkeit von der jeweiligen Drehstellung der Leitelemente 30 beeinflusst und insbesondere auch verstärkt werden kann.
Die Drallströmung des Abgases setzt sich von dem radialen Kanalabschnitt 28 in einen Umlenkungskanalabschnitt 34 fort, in dem diese von der vorherigen radialen Ausrichtung der Hauptströmungsrichtung in eine axiale Ausrichtung der Hauptströmungsrichtung umgelenkt wird. Über einen sich an den Umlenkungskanalabschnitt 34 anschließenden axialen Kanalabschnitt 36 des Einlasskanals wird die Abgasströmung dann den Laufradschaufeln 16 des Axiallaufrads 14 zugeführt.
Die beiden den radialen Kanalabschnitt 28, den Umlenkungskanalabschnitt 34 sowie den axialen Kanalabschnitt 36 begrenzenden Gehäusewände weisen in den einzelnen Abschnitten jeweils einen parallelen Verlauf auf, so dass der kürzeste Abstand zwischen jedem Punktepaar der Gehäusewände in den einzelnen Kanalabschnitten gleich ist. Für die nabenseitige (d.h. der Rotationsachse 18 näher gelegene) Kanalkontur 38 sowie für die umfangsseitige (d.h. von der Rotationsachse weiter beabstandete) Kanalkontur 40 gemäß dem Längsschnitt der 2 ergibt sich dadurch ein paralleler Verlauf von zwei Geraden in sowohl dem radialen Kanalabschnitt 28 als auch dem axialen Kanalabschnitts 36. In dem Umlenkungskanalabschnitt 34 weisen die Kanalkonturen 38, 40 dagegen parallel verlaufende Kurven mit jeweils einem teilkreisförmigen Verlauf auf.
Trotz des parallelen Verlaufs der beiden den radialen Kanalabschnitt 28, den Umlenkungskanalabschnitt 34 und den axialen Kanalabschnitt 36 des Einlasskanals begrenzenden Gehäusewände ergibt sich infolge der unterschiedlichen radialen Abstände bezüglich der Rotationsachse, dass sowohl die von dem radialen Kanalabschnitt 28 ausgebildeten Öffnungsflächen, bei der es sich um die jeweils in senkrechter Ausrichtung bezüglich des Kanallängsverlaufs des Einlasskanals (entsprechend der in der 2 gezeigten Kanallängsachse 42) ausgerichteten Öffnungsquerschnitte handelt, als auch die von dem Umlenkungskanalabschnitt 34 ausgebildeten Öffnungsflächen über dem Kanallängsverlauf in Hauptströmungsrichtung der Abgasströmung, d.h. in Richtung auf das Axiallaufrad zu, kontinuierlich bis zum Erreichen des axialen Kanalabschnitts 36 kleiner werden (z.B. A₁ > A₂ > A₃). Dadurch kann eine Beschleunigung der Abgasströmung innerhalb dieser Kanalabschnitte realisiert werden, wodurch Strömungsablösungen vermieden werden können. Infolge dessen kann das Abgas innerhalb des Einlasskanals möglichst verlustarm strömen. Gleichzeitig sollte die Verkleinerung der Öffnungsflächen im Einlasskanal und damit die Strömungsbeschleunigung nicht zu ausgeprägt sein, weil dadurch der Drall (d.h. die in Umfangsrichtung weisende Komponente der Strömungsgeschwindigkeit) der Abgasströmung negativ beeinflusst werden könnte. Daher sollte vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Größe der (Eintritts-)Öffnungsfläche A₃ des axialen Kanalabschnitts 36 im Übergang von dem Umlenkungskanalabschnitt 34 möglichst zwischen 95% und 75%, besonders bevorzugt in etwa 80% der Größe der (Austritts-)Öffnungsfläche A₁ des radialen Kanalabschnitts 28 in dem Übergang zu dem Umlenkungskanalabschnitt 34 beträgt.
Infolge des parallelen Verlaufs der Gehäusewände in dem Bereich des axialen Kanalabschnitts 36 und des dort gleichzeitig konstanten radialen Abstands zu der Rotationsachse 18 über dem Kanallängsverlauf ergibt sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine konstante Größe für die Öffnungsflächen in dem axialen Kanalabschnitt 36.
Strömungstechnisch vorteilhaft kann sich auswirken, wenn die Umlenkung der Abgasströmung auf möglichst kurzem Wege erfolgt. Dies kann durch möglichst kleine Radien (R₁, R₂) für die teilkreisförmigen Kanalkonturen 38, 40 innerhalb des Umlenkungskanalabschnitts 34 erreicht werden. Gleichzeitig sollte jedoch beachtet werden, dass der Radius R₁ der umfangseitigen Kanalkontur 40 nicht zu klein ist und dieser sich dadurch einer Kante annähert, wodurch die Gefahr einer lokalen Strömungsablösung und damit eines vergrößerten Strömungswiderstands erhöht würde. Vorzugsweise sollte daher vorgesehen sein, dass das Verhältnis des Radius R₂ der nabenseitigen Kanalkontur 38 zu dem Radius R₁ der umfangsseitigen Kanalkontur 40 zwischen fünf und fünfzehn, besonders bevorzugt möglichst exakt siebeneinhalb beträgt.
Für die Erzielung einer Abgasströmung mit einem möglichst geringen Strömungswiderstand ist weiterhin vorgesehen, dass die beiden Kanalkonturen 38, 40 des Einlasskanals über ihren gesamten Verlauf stetig, d.h. ohne lokale Einbuchtungen oder Ausbuchtungen, ausgebildet sind.
Die 3 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 22 mit einem Verbrennungsmotor 44, der eine Mehrzahl von Zylindern 46 ausbildet. Die Zylinder 46 begrenzen gemeinsam mit darin auf und ab geführten Kolben und einem Zylinderkopf (nicht dargestellt) Brennräume, in denen Frischgas (insbesondere Luft) gemeinsam mit Kraftstoff verbrannt wird. Der Kraftstoff wird dabei, gesteuert durch eine Steuervorrichtung 48 (Motorsteuerung), mittels Injektoren 50 direkt in die Brennräume eingespritzt. Das Verbrennen des Kraftstoff-Frischgas-Gemisches führt zu zyklischen Auf-und-Ab-Bewegungen der Kolben, die wiederum in bekannter Weise über nicht dargestellte Pleuel auf eine ebenfalls nicht dargestellte Kurbelwelle übertragen werden, wodurch die Kurbelwelle rotierend angetrieben wird. Das Frischgas wird dem Verbrennungsmotor 44 über einen Frischgasstrang zugeführt und dazu über eine Ansaugmündung 52 aus der Umgebung angesaugt, in einem Luftfilter 54 gereinigt und anschließend in einen Verdichter 56, der Teil eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist, geführt. Das Frischgas wird mittels des Verdichters 56 verdichtet, anschließend in einem Ladeluftkühler 58 abgekühlt und den Brennräumen zugeführt. Eine in den Frischgastrang integrierte Regelklappe 64 kann dabei zur Regelung der Menge des den Brennräumen zugeführten Frischgases dienen (insbesondere bei einer Ausgestaltung des Verbrennungsmotors 44 als Ottomotor). Alternativ oder zusätzlich kann diese auch dazu dienen, ein Nachströmen von Frischgas in die Brennräume nach einem Abschalten des Verbrennungsmotors 44 zu vermeiden (insbesondere bei einer Ausgestaltung des Verbrennungsmotors 44 als Dieselmotor). Der Antrieb des Verdichters 56 erfolgt mittels einer erfindungsgemäßen Abgasturbine 10 des Abgasturboladers, beispielsweise einer Abgasturbine 10 gemäß den 1 und 2, die in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine integriert ist. Abgas, das bei der Verbrennung des Kraftstoff-Frischgas-Gemisches in den Brennräumen des Verbrennungsmotors 44 entsteht, wird über den Abgasstrang aus dem Verbrennungsmotor 44 abgeführt und durchströmt dabei die Abgasturbine 10. Dies führt in bekannter Weise zu einem rotierenden Antrieb des Axiallaufrads 14 der Abgasturbine 10, das über eine Welle 60 drehfest mit einem Verdichterlaufrad des Verdichters 56 verbunden ist. Der rotierende Antrieb des Axiallaufrads 14 der Abgasturbine 10 wird somit auf das Verdichterlaufrad übertragen. Um im Betrieb des Verbrennungsmotors 44 mit unterschiedlicher Last und unterschiedlichen Drehzahlen eine möglichst optimale Nutzung der Enthalpie des Abgases zur Erzeugung von Verdichtungsleistung mittels des Abgasturboladers realisieren zu können, umfasst die Abgasturbine 10 des Abgasturboladers ein mittels der Steuervorrichtung 48 ansteuerbares radiales Vorleitgitter 62, das die Leitelemente 30 umfasst, wodurch eine so genannte variable Turbinengeometrien (VTG) realisiert wird.
Die 4 zeigt noch ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug in einer Ausgestaltung als Personenkraftwagen mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 22 gemäß der 3, wobei die von dem Verbrennungsmotor 44 der Brennkraftmaschine 22 erzeugte Antriebsleistung für den Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs genutzt wird.
Bezugszeichenliste

10: Abgasturbine
12: Gehäuse der Abgasturbine
14: Axiallaufrad
16: Laufradschaufel
18: Rotationsachse des Axiallaufrads
20: Auslasskanal
22: Brennkraftmaschine
24: Volute
26: Einlass der Abgasturbine
28: radialer Kanalabschnitt
30: Leitelement
32: Längsachse der Welle eines Leitelements
34: Umlenkungskanalabschnitt
36: axialer Kanalabschnitt
38: nabenseitige Kanalkontur
40: umfangsseitige Kanalkontur
42: Kanallängsachse
44: Verbrennungsmotor
46: Zylinder
48: Steuervorrichtung
50: Injektor
52: Ansaugmündung
54: Luftfilter
56: Verdichter
58: Ladeluftkühler
60: Welle des Abgasturboladers
62: radiales Vorleitgitter
64: Regelklappe
A₁: Austrittsöffnungsfläche des radialen Kanalabschnitts
A₂: (eine) Öffnungsfläche des Umlenkungskanalabschnitt
A₃: Eintrittsöffnungsfläche des axialen Kanalabschnitts
R₁: Radius der umfangseitigen Kanalkontur im Umlenkungskanalabschnitt
R₂: Radius der nabenseitigen Kanalkontur im Umlenkungskanalabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5025629 [0005]
DE 202014105335 U1 [0005]
US 2011/0252791 A1 [0008]
US 2011/025278 A1 [0008]
US 4648790 [0010]
EP 1710415 A1 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Lei, V.-M.; Nejedly, M.; Houst, V.; Kares V. (2012): “Dual boost compressor development”, IMechE 10th Conference on Turbochargers and Turbocharging [0008]
Bauer, K.-H.; Balis, C.; Donkin, G.; Davies, P. (2012): “The Next Generation of Gasoline Turbo Technolgy”, 33. Internationales Wiener Motorensymposium 2012 [0008]
Lotterman, J.; Schorn, N.; Jeckel, D.; Brinkmann. F.; Bauer, K.-H. (2011): “New Turbocharger Concept for Boosted Gasoline Engines”, 16. Aufladetechnische Konferenz, Dresden 2011 [0008]
Rahnke, C.J. (1985): “Axial Flow Automotive Turbocharger”, ASME Gas Turbine Conference and Exhibit; Houston, Texas, 85-GT-123 [0008]
Vlaskos, l.; Seiler, M.; Schulz, J. (2002): „ABB TPL65 turbocharger with variable turbine geometry for medium-speed diesel engines“; IMechE 2002 C602/001/2002 [0009]

Claims

Abgasturbine (10) mit einem Gehäuse (12), das einen Strömungsraum für eine Abgasströmung ausbildet, wobei in dem Strömungsraum ein Axiallaufrad (14) um eine Rotationsachse (18) drehbar angeordnet ist und wobei das Axiallaufrad (14) einen um die Rotationsachse (18) umlaufenden Einlasskanal des Strömungsraums von einem Auslasskanal (20) des Strömungsraums separiert, wobei der Einlasskanal einen im Wesentlichen radial bezüglich der Rotationsachse (18) des Axiallaufrads (14) ausgerichteten Kanalabschnitt (28) und einen im Wesentlichen axial bezüglich der Rotationsachse (18) ausgerichteten Kanalabschnitt (36) umfasst, die über einen Umlenkungskanalabschnitt (34) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des radialen Kanalabschnitts (28) ein oder mehrere einen Drall der Abgasströmung beeinflussende, verstellbare Leitelemente (30) angeordnet sind.
Abgasturbine (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnungsfläche (A₁) des radialen Kanalabschnitts (28) größer als eine Öffnungsfläche (A₂) des Umlenkungskanalabschnitts (34) und/oder eine Öffnungsfläche (A₂) des Umlenkungskanalabschnitts (34) größer als eine Öffnungsfläche (A₃) des axialen Kanalabschnitts (36) ist.
Abgasturbine (10) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Öffnungsflächen des Einlasskanals ausgehend von einer Öffnungsfläche (A₁) des radialen Kanalabschnitts (28) kontinuierlich entlang des Kanallängsverlaufs bis zu einer Öffnungsfläche (A₃) des axialen Kanalabschnitts (36) verkleinern.
Abgasturbine (10) gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Eintrittsöffnungsfläche (A₃) des axialen Kanalabschnitts (36) zwischen 95% und 75%, vorzugsweise 80% der Größe der Austrittsöffnungsfläche (A₁) des radialen Kanalabschnitts (28) beträgt.
Abgasturbine (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nabenseitige Kanalkontur (38) und/oder die umfangsseitige Kanalkontur (40) des Einlasskanals zwischen den Leitelementen (30) und dem Axiallaufrad (14) einen stetigen Verlauf aufweist.
Abgasturbine (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nabenseitige Kanalkontur (38) und die umfangsseitige Kanalkontur (40) innerhalb des Umlenkungskanalabschnitts (34) bogenförmig parallel verlaufen.
Abgasturbine (10) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis eines Radius (R₂) der nabenseitigen Kanalkontur (38) zu dem dazugehörigen Radius (R₁) der umfangsseitigen Kanalkontur (40) zwischen fünf und fünfzehn, vorzugsweise siebeneinhalb beträgt.
Abgasturbine (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal stromauf der Leitelemente (30) eine Volute (24) ausbildet.
Abgasturbolader mit einer Abgasturbine (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Verdichter (56), wobei das Axiallaufrad (14) der Abgasturbine (10) mit einem Verdichterlaufrad des Verdichters (56) drehantreibend verbunden ist.
Brennkraftmaschine (22) mit einer Abgasturbine (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 oder einem Abgasturbolader gemäß Anspruch 9.
Kraftfahrzeug mit einer Abgasturbine (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 oder einem Abgasturbolader gemäß Anspruch 9 oder einer Brennkraftmaschine (22) gemäß Anspruch 10.