DE102016115141A1

DE102016115141A1 - Exhaust guide section for a turbine and method for controlling a turbine

Info

Publication number: DE102016115141A1
Application number: DE102016115141.6A
Authority: DE
Inventors: Tobias Scheuermann; Hermann Burmester; Daniel Senz; Jens Keim
Original assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Current assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Priority date: 2016-08-16
Filing date: 2016-08-16
Publication date: 2018-02-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasführungsabschnitt (1) für eine Turbine (2), aufweisend einen Durchströmkanal (3) und einen Umgehungskanal (4), wobei der Durchströmkanal (3) und der Umgehungskanal (4) zum Durchströmen des Abgasführungsabschnitts (1) ausgebildet sind, wobei der Durchströmkanal (3) eine Radkammer (8) aufweisend ausgebildet ist, in welcher ein Turbinenrad (9) mit einem Turbinenradaustrittsdurchmesser (D), mit einem Radeintritt (12) und einem Radaustritt (13) drehbar aufgenommen ist, wobei stromab der Radkammer (8) der Durchströmkanal (3) einen Austrittskanal (7) und stromauf der Radkammer (8) der Durchströmkanal (3) einen Durchströmkanaleintritt (5) aufweisend ausgebildet ist, wobei der Umgehungskanal (4) stromauf der Radkammer (8) einen Umgehungskanaleintritt (6) aufweist und in dem Abgasführungsabschnitt (1) zum Umgehen der Radkammer (8) ausgebildet ist und stromab der Radkammer (8) mit mindestens einer Einmündung (18) in den Austrittskanal (7) einmündend ausgestaltet ist.
Erfindungsgemäß ist der Umgehungskanal (4) in Bezug auf den Durchströmkanal (3) um eine Drehachse (20) des Turbinenrades (9) gegenläufig ausgebildet.The invention relates to an exhaust gas guide section (1) for a turbine (2), comprising a throughflow channel (3) and a bypass channel (4), wherein the throughflow channel (3) and the bypass channel (4) are designed to flow through the exhaust gas guide section (1), wherein the flow-through channel (3) has a wheel chamber (8), in which a turbine wheel (9) with a turbine wheel outlet diameter (D), with a wheel inlet (12) and a wheel outlet (13) is rotatably accommodated, wherein downstream of the wheel chamber ( 8) the through-flow channel (3) has an outlet channel (7) and upstream of the wheel chamber (8) the through-flow channel (3) has a throughflow channel inlet (5), wherein the bypass channel (4) has a bypass channel inlet upstream of the wheel chamber (6) and in the exhaust gas guide portion (1) for bypassing the wheel chamber (8) is formed and downstream of the wheel chamber (8) with at least one junction (18) opening into the outlet channel (7) is designed.
According to the invention, the bypass channel (4) is designed in opposite directions with respect to the throughflow channel (3) about an axis of rotation (20) of the turbine wheel (9).

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasführungsabschnitt für eine Turbine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie ein Verfahren zur Regelung einer Turbine gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 10 angegebenen Art.The invention relates to an exhaust gas guide section for a turbine of the type specified in the preamble of patent claim 1 and a method for controlling a turbine according to the specified in the preamble of claim 10. Art.

Heutzutage werden Verbrennungskraftmaschinen unabhängig von ihrer Verbrennungsart mit einem Abgasturbolader aufgeladen. Ein Ziel unter anderem ist ein Motorhubvolumen der Verbrennungskraftmaschinen zu reduzieren, um u. a. zukünftige CO₂-Zielwerte zu erreichen. Dies kann mit Hilfe der Aufladung erreicht werden. Wegen der auch bei kleinem Motorhubvolumen geforderten hohen spezifischen Motorleistungen wachsen die Anforderungen an heutige Aufladesysteme, insbesondere an einen Abgasturbolader, stetig. Es gilt somit aufgrund der zunehmenden Motorhubraumvolumenreduzierung, dem so genannten Motordownsizing, hohe Aufladegrade des Abgasturboladers bei gleichzeitig gutem Instationärverhalten zu sichern.Today, internal combustion engines are charged regardless of their type of combustion with an exhaust gas turbocharger. One of the goals is to reduce the engine displacement of the internal combustion engines in order, among other things, to achieve future CO ₂ target values. This can be achieved by means of charging. Because of the high specific engine power required even with a small engine displacement, the demands on today's supercharging systems, in particular on an exhaust gas turbocharger, are steadily increasing. It is therefore due to the increasing engine displacement volume reduction, the so-called engine downsizing, to ensure high levels of turbocharger supercharging while maintaining good transient behavior.

Eine Möglichkeit einen den hohen Leistungsanforderungen gerechten Aufladegrad und somit Turbinenwirkungsgrad herbeizuführen ist die Umgehung eines Turbinenrades bei hohen Drehzahlen und/oder hohen Lasten der Verbrennungskraftmaschine. Hierzu ist vorgesehen, in einem Abgasführungsabschnitt einer Turbine, in welchem das Turbinenrad drehbar aufgenommen ist, einen Umgehungskanal zu positionieren.One way to bring about the high performance requirements charging level and thus turbine efficiency is the bypass of a turbine wheel at high speeds and / or high loads of the internal combustion engine. For this purpose, it is provided to position a bypass channel in an exhaust gas guide section of a turbine, in which the turbine wheel is rotatably received.

Abgasführungsabschnitte aufweisend einen Umgehungskanal zur Umgehung eines in einer Radkammer des Abgasführungsabschnitts drehbar aufgenommenen Turbinenrades sind bekannt. Die Abgasführungsabschnitte für Turbinen sind vollständig durchströmbar und weisen einen Durchströmkanal zum Durchströmen des Abgasführungsabschnitts auf. Der Durchströmkanal ist die Radkammer aufweisend ausgebildet, in welcher das Turbinenrad mit einem Turbinenradaustrittsdurchmesser, mit einem Radeintritt und einem Radaustritt drehbar aufgenommen ist. Stromab der Radkammer weist der Durchströmkanal einen Austrittsabschnitt und stromauf der Radkammer einen Eintrittsabschnitt auf. Stromauf der Radkammer ist ein Umgehungskanal zum Umgehen der Radkammer ausgebildet und dieser Umgehungskanal ist stromab der Radkammer in den Austrittsabschnitt einmündend derart ausgestaltet, dass die Einmündung einen wirksamen Strömungsquerschnitt aufweist.Exhaust gas guide sections having a bypass channel for bypassing a rotatably received in a wheel chamber of the exhaust gas guide section turbine wheel are known. The exhaust gas guide sections for turbines can be completely flowed through and have a throughflow channel for the flow through the exhaust gas guide section. The flow channel is formed having the wheel chamber, in which the turbine wheel is rotatably received with a turbine wheel outlet diameter, with a wheel inlet and a wheel outlet. Downstream of the wheel chamber, the flow-through channel has an outlet section and an inlet section upstream of the wheel chamber. Upstream of the wheel chamber, a bypass channel for bypassing the wheel chamber is formed, and this bypass channel is designed downstream of the wheel chamber in the outlet section opening in such a way that the junction has an effective flow cross-section.

So ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2012 112 396 A1 ein Abgasführungsabschnitt für eine Turbine offenbart, der einen Durchströmkanal zum Durchströmen des Abgasführungsabschnitts aufweist. Der Durchströmkanal weist eine Radkammer auf, in welcher ein Turbinenrad mit einem Turbinenradaustrittsdurchmesser, mit einem Radeintritt und einem Radaustritt drehbar aufgenommen ist, wobei stromab der Radkammer der Durchströmkanal einen Austrittsabschnitt und stromauf der Radkammer der Durchströmkanal einen Eintrittsabschnitt aufweisend ausgebildet ist. Es ist ein Umgehungskanal im Abgasführungsabschnitt zum Umgehen der Radkammer ausgebildet und dieser Umgehungskanal ist stromab der Radkammer mit einer Einmündung in den Durchströmkanal einmündend ausgestaltet, wobei die Einmündung einen Strömungsquerschnitt aufweist. Die Einmündung ist im Bereich des Radaustritts ausgebildet.For example, in the published patent application DE 10 2012 112 396 A1 discloses an exhaust gas guide portion for a turbine having a flow passage for flowing through the exhaust gas guide portion. The flow-through channel has a wheel chamber, in which a turbine wheel with a turbine wheel outlet diameter, with a wheel inlet and a wheel outlet is rotatably received, wherein downstream of the wheel chamber of the flow passage an outlet portion and upstream of the wheel chamber of the flow passage is formed an inlet portion comprising. It is a bypass channel formed in the exhaust guide section for bypassing the wheel chamber and this bypass channel is designed downstream of the wheel chamber with an opening in the flow-through opening, wherein the junction has a flow cross-section. The junction is formed in the region of the wheel outlet.

Eine Möglichkeit den Umgehungskanal zu schließen oder zu öffnen geht beispielsweise aus der Veröffentlichung DE 11 2010 002 788 T5 hervor. Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasturbolader-Turbine, die eine in einer Waste-Gate-Anordnung vorgesehene Waste-Gate-Schieberhülse aufweist, die den Waste-Gate-Kanal verschließt. Die Abgasturbolader-Turbine weist ein Turbinengehäuse, in dem ein Turbinenrad um eine Turbinengehäuse-Achse drehbar angeordnet ist, das einen Turbinengehäuse-Eintritt, einen Turbinengehäuse-Austritt und eine Waste-Gate-Anordnung aufweist, auf. Die Waste-Gate-Anordnung weist einen im Turbinengehäuse verlaufenden Bypasskanal, einen im Turbinengehäuse zum Turbinengehäuse-Austritt verlaufenden Waste-Gate-Kanal, der über den Bypasskanal mit dem Turbinengehäuse-Eintritt verbunden ist und ein Absperrorgan, das im Turbinengehäuse angeordnet ist, auf. Das Absperrorgan ist zum Öffnen bzw. Schließen des Waste-Gate-Kanals vorgesehen und über eine Stelleinrichtung in eine Öffnungsposition bzw. Schließposition bewegbar, wobei das Absperrorgan als Schieberhülse ausgebildet ist. Hierbei handelt es sich gewöhnlich um so genannte Waste-Gate-Turbinen, bei denen eine so genannte Abblasmenge, das ist die Menge, welche mit Hilfe des Umgehungskanals am Turbinenrad vorbei geleitet wird, über beispielsweise ein einfaches Klappenventil eingestellt werden kann. Diese Möglichkeit hat sich auch und insbesondere bei den sehr hohen Abgastemperaturen der ottomotorischen Verbrennung bewährt und ist vergleichsweise kostengünstig herzustellen.One way to close the bypass channel or open, for example, goes from the publication DE 11 2010 002 788 T5 out. The invention relates to an exhaust gas turbocharger turbine having a waste gate pusher sleeve provided in a waste gate arrangement which closes the waste gate channel. The exhaust gas turbocharger turbine includes a turbine housing in which a turbine wheel is rotatably mounted about a turbine housing axis having a turbine housing inlet, a turbine housing exit, and a waste gate arrangement. The wastegate assembly includes a bypass passage extending in the turbine housing, a waste gate passage extending in the turbine housing to the turbine housing exit, which is connected to the turbine housing inlet via the bypass passage and a shut-off device disposed in the turbine housing. The obturator is provided for opening or closing the waste gate channel and movable via an actuating device into an opening position or closing position, wherein the obturator is designed as a sliding sleeve. These are usually so-called waste-gate turbines, in which a so-called blow-off, which is the amount which is passed by means of the bypass passage past the turbine wheel, can be adjusted via, for example, a simple flapper valve. This possibility has also proven itself and in particular in the case of the very high exhaust gas temperatures of the Otto engine combustion and is relatively inexpensive to produce.

Somit ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abgasführungsabschnitt für eine Turbine bereitzustellen, mit dessen Hilfe ein hoher Turbinenwirkungsgrad bei gleichzeitig gesicherter Turbinenfunktionalität realisierbar ist. Des Weiteren ist es die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren für eine Turbine anzugeben, mit dessen Hilfe ein hoher Turbinenwirkungsgrad herbeiführbar ist.Thus, it is the object of the present invention to provide an exhaust gas guide section for a turbine, with the aid of which a high turbine efficiency can be achieved with simultaneously secured turbine functionality. Furthermore, it is the object of the invention to provide a method for a turbine, with the aid of which a high turbine efficiency can be brought about.

Diese Aufgabe wird mit Hilfe eines Abgasführungsabschnitts einer Turbine mit den Merkmales des Patentanspruchs 1 sowie mit Hilfe eines Verfahrens für eine Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by means of an exhaust gas guide section of a turbine with the features of patent claim 1 and with the aid of a Method for a turbine having the features of claim 10. Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the dependent claims.

Bei einem Abgasführungsabschnitt für eine Turbine, aufweisend einen Durchströmkanal und einen Umgehungskanal, wobei der Durchströmkanal und der Umgehungskanal zum Durchströmen des Abgasführungsabschnitts ausgebildet sind, wobei der Durchströmkanal eine Radkammer aufweisend ausgebildet ist, in welcher ein Turbinenrad mit einem Turbinenradaustrittsdurchmesser, mit einem Radeintritt und einem Radaustritt drehbar aufgenommen ist, wobei stromab der Radkammer der Durchströmkanal einen Austrittskanal und stromauf der Radkammer der Durchströmkanal einen Durchströmkanaleintritt aufweisend ausgebildet ist, wobei der Umgehungskanal stromauf der Radkammer einen Umgehungskanaleintritt aufweist und in dem Abgasführungsabschnitt zum Umgehen der Radkammer ausgebildet ist und stromab der Radkammer mit mindestens einer Einmündung in den Austrittskanal einmündend ausgestaltet ist, ist erfindungsgemäß der Umgehungskanal in Bezug auf den Durchströmkanal um eine Drehachse des Turbinenrades gegenläufig ausgebildet.In an exhaust gas guide section for a turbine, comprising a throughflow channel and a bypass channel, wherein the throughflow channel and the bypass channel are designed to flow through the exhaust gas guide section, the throughflow channel having a wheel chamber, in which a turbine wheel with a turbine wheel outlet diameter, with a wheel inlet and a wheel outlet is rotatably received, wherein downstream of the wheel chamber of the flow passage is formed an outlet channel and upstream of the wheel chamber of the flow passage comprising a Durchströmkanaleintritt, wherein the bypass channel upstream of the wheel chamber has a bypass passage and is formed in the exhaust guide portion for bypassing the wheel chamber and downstream of the wheel chamber with at least one Opening in the outlet channel is designed opening, according to the invention, the bypass channel with respect to the flow passage around an axis of rotation of the turbine wheel g currently trained.

Grundsätzlich ist ein Abgasführungsabschnitt dergestalt ausgebildet, dass eine Expansion eines den Abgasführungsabschnitt durchströmenden Fluides, ausgehend von dem Eintrittsbereich hin zu einem Austrittsbereich erfolgt. Das zwischen dem Austrittsbereich und dem Eintrittsbereich positionierte Turbinenrad wird dabei mit Hilfe des Fluides zu einer Rotationsbewegung angeregt. Diese Rotationsbewegung ist auf verschiedene Weisen nutzbar zu machen. So ist beispielsweise ein üblicher für Verbrennungskraftmaschinen einzusetzender Abgasturbolader neben einer Turbine mit einem Verdichter ausgestattet, in welchem ein Verdichterrad positioniert ist, welches drehfest mit dem Turbinenrad mit Hilfe einer Welle verbunden ist. Wird das Turbinenrad zur Rotationsbewegung angeregt, wird diese Rotationsbewegung auf das Verdichterrad übertragen, damit die Funktion des Verdichters, Ansaugen und Verdichten von üblicherweise Frischluft, ausübbar ist.In principle, an exhaust gas guide section is designed in such a way that an expansion of a fluid flowing through the exhaust gas guide section takes place starting from the inlet region towards an outlet region. The turbine wheel positioned between the outlet region and the inlet region is thereby excited with the aid of the fluid to a rotational movement. This rotational movement can be utilized in various ways. Thus, for example, a conventional exhaust gas turbocharger to be used for internal combustion engines is equipped, in addition to a turbine, with a compressor, in which a compressor wheel is positioned, which is connected in a rotationally fixed manner to the turbine wheel by means of a shaft. If the turbine wheel is excited for rotational movement, this rotational movement is transmitted to the compressor wheel, so that the function of the compressor, suction and compression of usually fresh air, can be exercised.

Zur Bestimmung eines Wirkungsgrades der Turbine ist neben einem entsprechenden Massendurchsatz, das heißt, der Massestrom des den Abgasführungsabschnitt durchströmenden Fluides, insbesondere ein Druck am Radeintritt und ein Druck am Radaustritt ausschlaggebend. Da in der Turbine eine Expansion des Fluides erfolgt, sollte der Druck am Radeintritt größer sein als der Druck am Radaustritt, ansonsten erfolgt eine Umkehrung einer Strömungsrichtung des Fluides. Das Druckgefälle ist die Differenz des Druckes am Radeintritt und des Druckes am Radaustritt, welches es zu steigern gilt, damit ein möglichst hoher Wirkungsgrad erzielbar ist. Der Druck als solcher setzt sich in strömenden Fluiden aus einem statischen Druck und einem dynamischen Druck zusammen.In order to determine an efficiency of the turbine, in addition to a corresponding mass flow rate, that is, the mass flow of the fluid flowing through the exhaust gas guide section, in particular a pressure at the wheel inlet and a pressure at the wheel outlet are decisive. Since an expansion of the fluid takes place in the turbine, the pressure at the wheel inlet should be greater than the pressure at the wheel outlet, otherwise there is a reversal of a flow direction of the fluid. The pressure gradient is the difference of the pressure at the wheel inlet and the pressure at the wheel outlet, which is to be increased, so that the highest possible efficiency can be achieved. The pressure as such is composed in flowing fluids of a static pressure and a dynamic pressure.

Der Vorteil dieses erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitts ist eine gezielte Absenkung des statischen Druckes am Radaustritt, um damit ein am Turbinenrad vorliegendes Druckgefälle zu maximieren. Das heißt, dass nicht wie üblicherweise ein durch den Umgehungskanal geleiteter Abgasmassenstrom ungenutzt in den Austrittskanal geleitet wird, sondern dass dieser Abgasmassenstrom gezielt eingesetzt wird, um das wirksame Druckgefälle am Turbinenrad zu steigern.The advantage of this exhaust gas guide section according to the invention is a targeted lowering of the static pressure at the wheel outlet in order to maximize a pressure gradient present at the turbine wheel. This means that it is not as usual that an exhaust gas mass flow conducted through the bypass channel is conducted unused into the outlet channel, but that this exhaust gas mass flow is used selectively in order to increase the effective pressure gradient on the turbine wheel.

Ein Vorteil des Umgehungskanals, der gegenläufig bzw. in entgegengesetzter Drehrichtung im Vergleich zu dem Durchströmkanal verläuft, besteht darin, dass bei Betrieb des Abgasturboladers der Eintrittsdrall in den Turbinendiffusor den Austrittsdrall aus dem Turbinenrad möglichst gleich für den gewünschten Leistungspunkt der Turbine bzw. der Verbrennungskraftmaschine trifft.An advantage of the bypass channel, which runs in opposite directions or in the opposite direction of rotation in comparison to the throughflow channel, is that during operation of the exhaust gas turbocharger the entry swirl into the turbine diffuser hits the exit swirl from the turbine wheel as equal as possible to the desired power point of the turbine or the internal combustion engine ,

Des Weiteren ist mit Hilfe der gegenläufigen Ausbildung des Umgehungskanals relativ zum Durchströmkanal, d. h. mit anderen Worten relativ zu einem Spiralkanal des Abgasführungsabschnitts, eine verlustarme Einströmung aufgrund geringer Scherschichten erzielt. Ebenso vorteilhaft ist eine geringe Vermischung der Abgasmassenströme der Kanäle.Furthermore, with the help of the opposite design of the bypass channel relative to the flow channel, d. H. In other words, relative to a spiral channel of the exhaust gas guide section, a low-loss inflow due to low shear layers is achieved. Equally advantageous is a low mixing of the exhaust gas mass flows of the channels.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitts ist die mindestens eine Einmündung in einem Grenzbereich zwischen der Radkammer und dem Austrittskanal ausgebildet. insbesondere ist eine dem Turbinenrad zugewandt positionierte Einströmkante oder Einmündung in einem Abstand von einer Turbinenlaufradschaufelaustrittskante des Turbinenrades ausgebildet. idealerweise lässt sich der Abstand in Abhängigkeit eines Turbinenraddurchmessers am Radaustritt bestimmen, wobei ein bestmöglicher Abstand Werte in einem Wertebereich von 0 bis 0,75* Turbinenradaustrittsdurchmesser aufweist. Durch die wandnahe Eindüsung wird erreicht, dass Ablösungen, die am nachgeschalteten Turbinendiffusor auftreten, minimiert werden und die Grenzschichtbeeinflussung der aus dem Turbinenrad austretenden Hauptströmung gering ausfällt. Ein weiterer Vorteil der gezielten Eindüsung von strömendem Strömungsfluid in einen Bereich hinter den Turbinenlaufradschaufelaustrittskanten liegt darin, dass eine an der Turbinendiffusorwand auftretende Turbulenzenbildung unterbunden wird.In a further embodiment of the exhaust gas guide section according to the invention, the at least one junction is formed in a boundary region between the wheel chamber and the outlet channel. In particular, an inflow edge or confluence, positioned facing the turbine wheel, is formed at a distance from a turbine runner blade leading edge of the turbine wheel. Ideally, the distance can be determined as a function of a turbine wheel diameter at the wheel outlet, with the best possible distance having values in a value range of 0 to 0.75 * turbine wheel outlet diameter. The close-to-wall injection ensures that detachments which occur at the downstream turbine diffuser are minimized and the boundary layer influencing of the main flow emerging from the turbine wheel is low. A further advantage of the targeted injection of flowing flow fluid into a region behind the turbine runner blade outlet edges is that turbulence formation occurring at the turbine nozzle wall is prevented.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfinderischen Abgasführungsabschnitts ist der Strömungsquerschnitt der mindestens einen Einmündung ein kleinster Querschnitt des Umgehungskanals. Mit Hilfe des an der mindestens einen Einmündung in dem Austrittskanal platzierten kleinsten Strömungsquerschnitts des Umgehungskanals lässt sich ein besonderer Ejektor-Effekt erzielen. Das heißt, sobald das strömende Strömungsfluid aus dem Umgehungskanal über die mindestens eine Einmündung in den Austrittsbereich gelangt, ist ein Sog erzeugbar, welcher eine weitere Absenkung des Druckes am Radaustritt zur Folge hat. Damit ein großflächiger Wirkbereich des Ejektor-Effektes ausgebildet werden kann, ist vorteilhafterweise der Strömungsquerschnitt der mindestens einen Einmündung ringförmig im Abgasführungsabschnitt ausgebildet. Das heißt, dass der Strömungsquerschnitt der mindestens einen Einmündung über einen vollständigen Radumfang des Turbinenrades am Radaustritt ausgebildet ist. In a further embodiment of the inventive exhaust gas guide section, the flow cross section of the at least one junction is a smallest cross section of the bypass channel. With the aid of the smallest flow cross-section of the bypass channel placed at the at least one junction in the outlet channel, a particular ejector effect can be achieved. That is, as soon as the flowing flow fluid from the bypass channel passes through the at least one junction in the outlet region, a suction is generated, which has a further reduction in the pressure at the wheel outlet result. So that a large-area effective range of the ejector effect can be formed, the flow cross-section of the at least one junction is advantageously formed annularly in the exhaust gas guide section. This means that the flow cross section of the at least one junction is formed over a complete wheel circumference of the turbine wheel at the wheel outlet.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfinderischen Abgasführungsabschnitts ist die mindestens eine Einmündung des Umgehungskanals in den Austrittskanal durch mindestens eine durchströmbare Öffnung in der Wand des Austrittskanals realisiert. Die mindestens eine durchströmbare Öffnung stellt mindestens einen kleinen Strömungskanal dar, der die Waste-Gate-Strömung, d. h. das den Umgehungskanal durchströmende Strömungsfluid, an dem Turbinenrad vorbeiführt, Die durch eine Mehrzahl von durchströmbaren Öffnungen entstehenden Strömungskanäle weisen einen geringen Querschnitt auf, was vorteilhafterweise dazu führt, dass die Fluidströmungsgeschwindigkeit nach Austritt aus den durchströmbaren Öffnungen erhöht ist. Dies führt zu einer weiteren Sogerhöhung am Radaustritt sowie insgesamt zu einer weiteren Optimierung des Ejektor-Effekts.In a further embodiment of the inventive exhaust gas guide section, the at least one confluence of the bypass channel into the outlet channel is realized by at least one through-flow opening in the wall of the outlet channel. The at least one flow-through opening constitutes at least one small flow channel which controls the wastegate flow, i. H. The flow channels flowing through the bypass channel, past the turbine wheel, have a small cross-section which results from a plurality of flow-through openings, which advantageously leads to an increase in the fluid flow speed after exiting from the openings through which it can flow. This leads to a further increase in suction at the wheel outlet and overall to a further optimization of the ejector effect.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitts ist die Mehrzahl von Einmündungen auf mindestens einer virtuellen Ebene ausgebildet, wobei die mindestens eine Ebene senkrecht zu der Drehachse des Turbinenrads verläuft, wobei die Mehrzahl der Einmündungen auf Schnittpunkten der mindestens einen virtuellen Ebene mit der Wand des Austrittskanals angeordnet sind. Die mehrreihige Anordnung der durchströmbaren Öffnungen sorgt dafür, dass der Turbinenwirkungsgrad während der Abblasung erhöht wird. Auch kann hierdurch die geometrische Länge des Turbinengehäusediffusors vorteilhafterweise verkürzt werden.In a further embodiment of the exhaust gas guide section according to the invention, the plurality of junctions is formed on at least one virtual plane, wherein the at least one plane is perpendicular to the axis of rotation of the turbine wheel, wherein the plurality of junctions arranged at intersections of the at least one virtual plane with the wall of the outlet channel are. The multi-row arrangement of the through-flow openings ensures that the turbine efficiency is increased during the blow-off. Also, this can be advantageously shortened the geometric length of the Turbinengehäusediffusors.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitts weist der Umgehungskanal an der mindestens einen Einmündung einen Neigungswinkel gegenüber einer Drehachse des Turbinenrades auf, wobei der Neigungswinkel einen Wert in einem Wertebereich von 20° bis 40° aufweist. Der Umgehungskanal ist dabei so auszubilden, dass der Umgehungskanal in Richtung des Austrittsbereichs geneigt ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass eine Kanalachse des Umgehungskanals im Bereich der Einmündung mit der Drehachse des Turbinenrades einen spitzen Winkel ausbildbar positioniert ist, wobei zur Orientierung des spitzen Winkels, das Turbinenrad in eine Winkelöffnung des Winkels hineinragend ausgebildet ist. Idealerweise hat der Neigungswinkel einen Wert, welcher in einem Wertebereich von 20° bis 40° liegt. Durch das unter einem Winkel in den Austrittskanal strömende Strömungsfluid ist ein optimaler Ejektor-Effekt und damit eine wesentliche Druckreduzierung am Radaustritt erzielbar, bei gleichzeitig geringer Störung der Turbinenradaustrittsströmung.In a further embodiment of the exhaust gas guide section of the invention, the bypass channel at the at least one junction on an inclination angle relative to a rotational axis of the turbine wheel, wherein the inclination angle has a value in a value range of 20 ° to 40 °. The bypass channel is designed so that the bypass channel is inclined in the direction of the outlet region. In other words, this means that a channel axis of the bypass channel in the region of the confluence with the axis of rotation of the turbine wheel is positioned an educated angle, wherein the orientation of the acute angle, the turbine wheel is formed projecting into an angular opening of the angle. Ideally, the angle of inclination has a value which lies in a value range of 20 ° to 40 °. By flowing at an angle in the outlet channel flow fluid is an optimal ejector effect and thus a significant pressure reduction at the wheel outlet can be achieved, while low disturbance of Turbinenradaustrittsströmung.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitts ist der Durchströmkanal mit dem Umgehungskanal durchströmbar verbunden, wobei der Umgehungskanal eine Regelvorrichtung zum Öffnen und zum Schließen des Umgehungskanals aufweisend ausgebildet ist. Diese Regelvorrichtung ermöglicht, dass eine Regulierung der durch den Umgehungskanal strömenden Fluidmenge erzielbar ist. Das heißt, dass die Fluidmenge mit Hilfe der Regelvorrichtung gezielt eingestellt werden kann, so dass auf verschiedene Betriebspunkte, das heißt auf verschiedene Strömungsfluidmengen derart Einfluss genommen werden kann, dass je nach Stromungsfluidmenge eine entsprechend eingestellte Druckreduzierung am Radaustritt einstellbar ist.In a further embodiment of the exhaust gas guide section according to the invention, the flow-through channel is connected to the bypass channel through which the bypass channel is designed to have a regulating device for opening and closing the bypass channel. This control device allows regulation of the amount of fluid flowing through the bypass passage to be achieved. This means that the amount of fluid can be adjusted in a targeted manner with the aid of the control device, so that it is possible to influence different operating points, that is to say different amounts of flow fluid, so that a correspondingly set pressure reduction at the wheel outlet can be set, depending on the flow fluid quantity.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitts sind der Durchströmkanal und der Umgehungskanal spiralförmig um die Drehachse des Turbinenrades ausgebildet. Durch die spiralförmige Ausgestaltung des Umgehungskanals wird der Wirkungsgrad der Turbinenstufe weiter erhöht.In a further embodiment of the exhaust gas guide section according to the invention, the flow-through channel and the bypass channel are formed spirally around the axis of rotation of the turbine wheel. The spiral configuration of the bypass channel, the efficiency of the turbine stage is further increased.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitts ist die mindestens eine Einmündung derart angeordnet, dass ein Eintrittsdrall des in den Austrittskanal strömenden Strömungsfluides einen Austrittsdrall des strömenden Strömungsfluides aus dem Turbinenrad möglichst gliech, d. h. mit anderen Worten, möglichst ohne Scherverluste für den gewünschten Leistungspunkt der Turbine trifft. Vorteilhaft bei dieser Anordnung ist, dass der Turbinenwirkungsgrad während der Abblasung erhöht wird. So kann auch für einen bisher üblichen Abgasführungsabschnitt auf einfache Weise eine Steigerung des Wirkungsgrades bei der Abblasung erzielt werden.In a further embodiment of the exhaust gas guide section according to the invention, the at least one confluence is arranged such that an entrance swirl of the flow fluid flowing into the exit channel is as close as possible to an exit swirl of the flowing flow fluid from the turbine wheel, d. H. in other words, if possible without shear losses for the desired power point of the turbine hits. An advantage of this arrangement is that the turbine efficiency is increased during the blowdown. Thus, an increase in the efficiency in the blow-off can be achieved in a simple way for a previously common exhaust guide section.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. 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.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following Description of preferred embodiments and with reference to the drawings. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Die Zeichnung zeigt in:The drawing shows in:

1 eine dreidimensionale Darstellung sowie eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitts eines Turboladers und 1 a three-dimensional view and a side view of the exhaust gas guide portion of a turbocharger according to the invention and

2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitt in einem ersten Ausführungsbeispiel und 2 a longitudinal section through an exhaust gas guide portion according to the invention in a first embodiment and

3 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitt in einem zweiten Ausführungsbeispiel. 3 a longitudinal section through an exhaust gas guide portion according to the invention in a second embodiment.

Gemäß einem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist ein erfindungsgemäßer durchströmbarer Abgasführungsabschnitt 1 einer Turbine 2, insbesondere einer Turbine eines Abgasturboladers, einen Durchströmkanaleintritt 5 und einen Umgehungskanaleintritt 6 auf. Der Umgehungskanal 4 ist stromab des Durchströmkanaleintritts 5 und stromauf des Durchströmkanals 3 vorgesehen. Der Durchströmkanal 3 und der Umgehungskanal 4 sind durchströmbar miteinander verbunden. Es ist eine nicht näher dargestellte Regelvorrichtung zum Öffnen bzw. Schließen des Strömungsquerschnitts des Umgehungskanals 4 vorgesehen. Die Regelvorrichtung kann eine Öffnungsposition oder eine Schließposition einnehmen. Ebenso ist eine Stellposition der Regelvorrichtung denkbar, die eine Mittelposition zwischen der Öffnungsposition und der Schließposition darstellt. Die Regelvorrichtung kann durch ein Tellerventil realisiert sein, welches beispielsweise durch eine nicht dargestellte Steuerdose oder einen anderen Aktuator geregelt wird. Hierbei ist anzumerken, dass für das Regelventil jedes weitere Ventil zum Einsatz kommen kann, welches in der Lage ist, einen Strömungsfluidstrom nur in einen ersten Strömungsabschnitt zu leiten oder gleichzeitig einen Strömungsfluidstrom in einen ersten und einen zweiten Strömungsabschnitt zu leiten. Folglich kann die Regelvorrichtung insbesondere auch durch ein Klappenventil, ein Drehventil, ein Schiebeventil, ein Kugelventil, ein Kegelventil oder ein Keilventil realisiert sein und ist nicht auf ein Tellerventil beschränkt. Befindet sich die Regelvorrichtung in einer Endlage, bei der beispielsweise das Tellerventil den Strömungsabschnitt des Umgehungskanals 4 geschlossen hält, so können von der Verbrennungskraftmaschine abströmende Abgase nicht in den Umgehungskanal 4 strömen. Die von der Verbrennungskraftmaschine abströmenden Abgase werden dann in den Durchströmkanal 3 geleitet. Befindet sich die Regelvorrichtung in einer weiteren Endlage, bei der beispielsweise das Tellerventil den Strömungsabschnitt des Umgehungskanals 4 freigibt, so können von der Verbrennungskraftmaschine abströmende Abgase sowohl durch den Durchströmkanal 3 als auch durch den Umgehungskanal 4 geleitet werden. Die durch den Durchströmkanal 3 und durch den Umgehungskanal 4 strömenden Strömungsfluide treffen stromab der Radkammer 8 oder im Bereich des Austrittskanals 7 aufeinander. Der Durchströmkanal 3 kann auch als Haupt-Volute und der Umgehungskanal 4 kann als Waste-Gate-Volute bezeichnet werden.According to a in 1 illustrated embodiment, an inventive flow-through exhaust guide section 1 a turbine 2 , in particular a turbine of an exhaust gas turbocharger, a Durchströmkanaleintritt 5 and a bypass channel entry 6 on. The bypass channel 4 is downstream of the flow passage 5 and upstream of the flow channel 3 intended. The flow channel 3 and the bypass channel 4 are interconnected by flow. It is a non-illustrated control device for opening or closing the flow cross-section of the bypass channel 4 intended. The control device may assume an open position or a closed position. Likewise, a parking position of the control device is conceivable, which represents a center position between the open position and the closed position. The control device can be realized by a poppet valve, which is regulated for example by a control box, not shown, or another actuator. It should be noted that for the control valve, any further valve can be used, which is able to direct a stream of flow fluid only in a first flow section or at the same time to direct a flow of fluid flow in a first and a second flow section. Consequently, the control device can be realized in particular by a flapper valve, a rotary valve, a slide valve, a ball valve, a cone valve or a wedge valve and is not limited to a poppet valve. The control device is in an end position, in which, for example, the poppet valve, the flow section of the bypass passage 4 keeps closed, so exhaust gases flowing from the internal combustion engine not in the bypass channel 4 stream. The effluent from the internal combustion engine exhaust gases are then in the flow channel 3 directed. The control device is in a further end position, in which, for example, the poppet valve, the flow section of the bypass passage 4 releases so exhaust gases flowing from the internal combustion engine through both the flow channel 3 as well as through the bypass channel 4 be directed. The through the flow channel 3 and through the bypass channel 4 flowing fluid fluids meet downstream of the wheel chamber 8th or in the area of the outlet channel 7 each other. The flow channel 3 can also be used as the main volute and the bypass channel 4 can be referred to as Waste Gate Volute.

Gemäß einem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist ein ausgebildeter erfindungsgemäßer durchströmbarer Abgasführungsabschnitt 1 einer Turbine 2, insbesondere einer Turbine 2 eines Abgasturboladers, einen Durchströmkanal 3 und einen Umgehungskanal 4 auf. Der Umgehungskanal 4 ist gegenläufig zu dem Durchströmkanal 3 ausgestaltet. Der Durchströmkanal 3 und der Umgehungskanal 4 sind spiralförmig um die Drehachse 20 des Turbinenrades 9 ausgebildet. Wie aus 2 ersichtlich ist, weist das Ausführungsbeispiel einen Durchströmkanaleintritt 5 sowie einen Durchströmkanal 3 zum Antreiben eines auf der Nabe 10 positionierten Turbinenrades 9 in der Radkammer 8 insbesondere durch ein Abgas einer Verbrennungskraftmaschine auf. Der Austrittskanal 7 auch bezeichnet als Turbinengehäusediffusor ist zum Entweichen des Strömungsfluides aus dem Abgasführungsabschnitt 1 vorgesehen. Zwischen dem Durchströmkanaleintritt 5 und dem Austrittskanal 7 ist die Radkammer 8 in dem Abgasführungsabschnitt 1 ausgebildet, wobei in dieser Radkammer 8 ein Turbinenrad 9 um die Drehachse 20 drehbar aufgenommen ist.According to a in 2 illustrated embodiment has a trained inventive flow-through exhaust guide section 1 a turbine 2 , in particular a turbine 2 an exhaust gas turbocharger, a flow passage 3 and a bypass channel 4 on. The bypass channel 4 is opposite to the flow channel 3 designed. The flow channel 3 and the bypass channel 4 are spiral around the axis of rotation 20 of the turbine wheel 9 educated. How out 2 it can be seen, the embodiment has a Durchströmkanaleintritt 5 as well as a flow channel 3 to drive one on the hub 10 positioned turbine wheel 9 in the wheel chamber 8th in particular by an exhaust gas of an internal combustion engine. The exit channel 7 Also referred to as Turbinengehäusediffusor is to escape the flow fluid from the exhaust gas guide section 1 intended. Between the Durchströmkanaleintritt 5 and the exit channel 7 is the wheel chamber 8th in the exhaust gas guide section 1 formed, wherein in this wheel chamber 8th a turbine wheel 9 around the axis of rotation 20 is received rotatably.

Das in 2 dargestellte Turbinenrad 9, ausgebildet mit einer Nabe 10 und einer Mehrzahl an der Nabe 10 fixierten Turbinenlaufradschaufeln 11, weist einen so genannten Radeintritt 12 und einen so genannten Radaustritt 13 auf. Der Radeintritt 12 ist an einer äußersten Turbinenlaufradschaufeleintrittskante 14 einer Turbinenlaufradschaufel 11 und der Radaustritt 13 ist an einer äußersten Turbinenlaufradschaufelaustrittskante 15 der Turbinenlaufradschaufel 11 ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass ein erster Kontakt des Strömungsfluides mit den Turbinenlaufradschaufeln 11 am Radeintritt 12 vorherrscht, wohingegen ein letzter Kontakt des Strömungsfluides mit den Turbinenlaufradschaufeln 11 am Radaustritt 13 vorliegt, selbstverständlich sofern die Strömungsrichtung des strömenden Strömungsfluides von dem Durchströmkanaleintritt 5 in den Austrittskanal 7 ausgebildet ist.This in 2 illustrated turbine wheel 9 , formed with a hub 10 and a plurality at the hub 10 fixed turbine runner blades 11 , has a so-called wheel entry 12 and a so-called wheel exit 13 on. The wheel entry 12 is at an outermost turbine wheel blade leading edge 14 a turbine wheel blade 11 and the wheel exit 13 is at an outermost turbine runner exit edge 15 the turbine wheel bucket 11 educated. In other words, that is a first contact of the flow fluid with the turbine runner blades 11 at the wheel entry 12 prevails, whereas a last contact of the flow fluid with the turbine runner blades 11 at the wheel outlet 13 is provided, of course, provided that the flow direction of the flowing fluid flow from the flow passage 5 in the exit channel 7 is trained.

Zwischen jeweils zwei Turbinenlaufradschaufeln 11 ist quasi ein Strömungskanal 16 für das Strömungsfluid ausgestaltet, wobei das Strömungsfluid an der Turbinenlaufradschaufeleintrittskante 14 in den Strömungskanal 16 eintritt und an der Turbinenlaufradschaufelaustrittskante 15 aus dem Strömungskanal 16 austritt. Das thermodynamische Prinzip der Turbine 2 ist die Expansion des Strömungsfluides. Das heißt, dass am Radeintritt 12 das Strömungsfluid einen größeren Druck aufweist als an dem Radaustritt 13. Sofern dies im Betrieb der Turbine 2 auftritt, ist ein sogenanntes positives Druckgefälle, eine positive Differenz zwischen dem Druck am Radeintritt 12 und dem Druck am Radaustritt 13, gewährleistet. Je höher dieses positive Druckgefälle ist, desto wahrscheinlicher ist die Ausbildung eines hohen Wirkungsgrades der Turbine 2. Between every two turbine impeller blades 11 is a kind of flow channel 16 configured for the flow fluid, wherein the flow fluid at the turbine runner blade leading edge 14 in the flow channel 16 enters and at the turbine runner blade leading edge 15 from the flow channel 16 exit. The thermodynamic principle of the turbine 2 is the expansion of the fluid flow. That means that at the wheel entry 12 the flow fluid has a greater pressure than at the wheel outlet 13 , Unless this is in operation of the turbine 2 occurs, is a so-called positive pressure gradient, a positive difference between the pressure at the wheel inlet 12 and the pressure at the wheel exit 13 , guaranteed. The higher this positive pressure gradient, the more likely is the formation of a high turbine efficiency 2 ,

Da allerdings im Betriebsverhalten der Turbine 2 eine Massenträgheit des Turbinenrades 9, welche im Betrieb der Turbine 2 ein Beschleunigungsverhalten der Turbine 2 bestimmt, mit einer geometrischen Größe des Turbinenrades 9 interagiert, ist darauf zu achten, das Turbinenrad 9 als solches nicht zu groß – wegen des Massenträgheitsmomentes –, allerdings auch nicht zu klein – wegen einer Durchströmbarkeit – zu gestalten.Because, however, in the operating behavior of the turbine 2 an inertia of the turbine wheel 9 which is in operation of the turbine 2 an acceleration behavior of the turbine 2 determined, with a geometric size of the turbine wheel 9 interacts, pay attention to the turbine wheel 9 as such, not too large - because of the moment of inertia -, but not too small - because of a flowability - to make.

Damit das Beschleunigungsverhalten des Turbinenrades 9 optimiert werden kann, ist ein Umgehungskanal 4 zur Umgehung des Turbinenrades 9 in dem Abgasführungsabschnitt 1 vorgesehen. Das heißt, dieser Umgehungskanal 4 wird am Umgehungskanaleintritt 6 geöffnet, sobald eine Menge des Strömungsfluides eine Größe erreicht hat, welche sich negativ auf das Druckgefälle auswirken könnte. Mit anderen Worten, sobald die Menge des Strömungsfluides nicht mehr ungehindert das Turbinenrad 9 durchströmen kann, und es somit zu einem Stopfen der Turbine 2 kommt, wird im Bereich des Eintrittsabschnittes des Umgehungskanals 6 durch Ansteuern der Regelvorrichtung der Umgehungskanal 4 geöffnet, so dass ein Teil des Strömungsfluides das Turbinenrad 9 umgehen, bzw. bypassieren kann und durch den Umgehungskanal 4 geleitet wird.Thus the acceleration behavior of the turbine wheel 9 can be optimized is a bypass channel 4 to bypass the turbine wheel 9 in the exhaust gas guide section 1 intended. That is, this bypass channel 4 becomes at the bypass channel entrance 6 opened as soon as a quantity of the flow fluid has reached a size which could adversely affect the pressure gradient. In other words, once the amount of flow fluid is no longer unhindered the turbine wheel 9 can flow through, and thus to a plug of the turbine 2 comes in the area of the entry section of the bypass channel 6 by driving the control device of the bypass channel 4 open, so that part of the fluid flow the turbine wheel 9 bypass, and can bypass and through the bypass channel 4 is directed.

Am Radaustritt 13 ist im Bereich des Radaustritts 13 eine Einmündung 18 des Umgehungskanals 4 positioniert, so dass das durch den Umgehungskanal 4 strömende Fluid in den Austrittskanal 7 des Durchströmkanals 3 gelangen kann. Die in der 2 dargestellte Einmündung 18 ist in Form eines konzentrischen Ringspaltes ausgeführt, welcher einen Bypass-Kanal bildet. Die Einmündung 18 ist somit in einem Grenzbereich der Radkammer 8 und des Austrittskanals 7 ausgebildet, d. h. in einem Bereich des Durchströmkanals 3, in welchem die Radkammer 8 an den Austrittskanal 7 angrenzt. Das heißt mit anderen Worten, dass eine dem Radeintritt 12 zugewandt ausgebildete Einströmkante 22 des Umgehungskanals 4 am Radaustritt 13 bzw. an der Turbinenlaufradschaufelaustrittskante 15 positioniert ist. Idealerweise weist ein Abstand a zwischen der Einströmkante 22 und der Turbinenlaufradschaufelaustrittskante 15 Werte in einem Wertebereich von 0 < a < 0,75* D auf, wobei D ein Turbinenradaustrittsdurchmesser an der Turbinenlaufradschaufelaustrittskante 15 ist.At the wheel exit 13 is in the area of the wheel outlet 13 a junction 18 of the bypass channel 4 positioned so that through the bypass channel 4 flowing fluid into the outlet channel 7 of the flow channel 3 can get. The in the 2 illustrated junction 18 is designed in the form of a concentric annular gap, which forms a bypass channel. The confluence 18 is thus in a boundary region of the wheel chamber 8th and the exit channel 7 formed, ie in an area of the flow channel 3 in which the wheel chamber 8th to the outlet channel 7 borders. In other words, that means entering the wheel 12 facing trained inflow edge 22 of the bypass channel 4 at the wheel outlet 13 or at the turbine runner blade leading edge 15 is positioned. Ideally, a distance a between the inflow edge 22 and the turbine runner blade leading edge 15 Values in a value range of 0 <a <0.75 * D, where D is a turbine wheel exit diameter at the turbine runner vane trailing edge 15 is.

Der Umgehungskanal 4 weist an der Einmündung 18 einen kleinsten Strömungsquerschnitt 19 auf, so dass mit Hilfe dieses kleinsten Strömungsquerschnitts 19 ein so genannter Ejektor-Effekt erzielbar ist. Der Umgehungskanal 4 ist insbesondere an der Einmündung 18 einen Neigungswinkel α gegenüber einer Drehachse 20 des Turbinenrades 9 aufweisend in dem Abgasführungsabschnitt 1 positioniert. Der Neigungswinkel α weist in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einen Wert von 30° auf. Zur Erzielung einer Steigerung des positiven Druckgefälles, somit zur Reduzierung eines statischen Druckes am Radaustritt 13, sollte der Neigungswinkel α einen Wert in einem Wertebereich von 20° < α < 40° annehmen. Durch den erfindungsgemäßen konzentrischen Ringspalt stromab des Turbinenrades 9 wird der Abblasmassenstrom an dem Turbinenrad 9 vorbeigeleitet und symmetrisch in den Turbinendiffusor eingeleitet. Vorteilhafterweise ist der erfindungsgemäße konzentrische Ringspalt derart ausgebildet, dass durch eine wandnahe Eindüsung/Abblasung Ablösungen am nachgeschalteten Turbinendiffusor reduziert werden und die Grenzschichtbeeinflussung der aus dem Turbinenrad 9 austretenden Hauptströmung möglichst gering ausfällt.The bypass channel 4 indicates the confluence 18 a smallest flow area 19 on, so with the help of this smallest flow cross section 19 a so-called ejector effect can be achieved. The bypass channel 4 is especially at the confluence 18 an inclination angle α with respect to a rotation axis 20 of the turbine wheel 9 having in the exhaust gas guide section 1 positioned. The inclination angle α has in the in 2 illustrated embodiment, a value of 30 °. To achieve an increase in the positive pressure gradient, thus reducing the static pressure at the wheel outlet 13 , the inclination angle α should assume a value in a value range of 20 ° <α <40 °. Due to the concentric annular gap according to the invention downstream of the turbine wheel 9 the blowdown mass flow becomes at the turbine wheel 9 bypassed and introduced symmetrically into the turbine diffuser. Advantageously, the concentric annular gap according to the invention is designed in such a way that detachments on the downstream turbine diffuser are reduced by near-wall injection / blow-off and the boundary layer influence of the turbine wheel 9 exiting main flow as low as possible.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Gegenläufigkeit des Durchströmkanals 3 und des Umgehungskanals 4 derart vorgesehen, dass der Umgehungskanal 4 spiralförmig in umgekehrter Drehrichtung im Vergleich zu dem Durchströmkanal 3 und um die Drehachse 20 des Turbinenrades 9 verläuft. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass das bei einer geöffneten Regelvorrichtung über den Umgehungskanaleintritt 6 und den Umgehungskanal 4 in den Turbinendiffusor strömende Strömungsfluid bei Eintritt in den Turbinendiffusor durch den konzentrischen Bypasskanal einen gegenläufigen Drall zum Drall des durch den Strömungskanal 16 strömenden Strömungsfluides aufweist. Durch dieses entgegengesetzte Drallverhältnis kann erfindungsgemäß erreicht werden, dass der Drall in den Turbinendiffusor den Drall aus dem Turbinenrad 9 möglichst gleich für den gewünschten Leistungspunkt der Turbine bzw. der Verbrennungsmaschine trifft. Es können bspw. Scherverluste reduziert werden.In the present embodiment, the reverse nature of the flow passage 3 and the bypass channel 4 provided such that the bypass channel 4 spiral in the reverse direction of rotation compared to the flow channel 3 and around the axis of rotation 20 of the turbine wheel 9 runs. This has the advantage of entering via the bypass channel when the control device is open 6 and the bypass channel 4 flow fluid flowing into the turbine diffuser upon entering the turbine diffuser through the concentric bypass channel an opposite spin to the spin of the through the flow channel 16 having flowing flow fluid. By this opposite twist ratio can be achieved according to the invention, that the swirl in the turbine diffuser the swirl from the turbine wheel 9 as equal as possible for the desired power point of the turbine or the internal combustion engine. For example, shear losses can be reduced.

Die 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen durchströmbaren Abgasführungsabschnitts 1 und stellt eine Abwandlung des zuvor in Bezug auf die 2 beschriebenen Ausführungsbeispiels dar. Bei diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist anstelle des konzentrischen Ringspaltes als Einmündung 18 eine Mehrzahl von Einmündungen 18 in Gestalt von durchströmbaren Öffnungen realisiert. Die durchströmbaren Öffnungen sind vorliegend als Durchtrittsöffnungen ausgebildet. Durch diese durchströmbaren Öffnungen ist der Umgehungskanal 4 mit dem Austrittskanal 7 des Turbinendiffusors durchströmbar verbunden so wie es in 3 dargestellt ist. Die Mehrzahl der durchströmbaren Öffnungen sind somit in einem Grenzbereich der Radkammer 8 und des Austrittskanals 7 ausgebildet, d. h. in einem Bereich des Durchströmkanals 3, in welchem die Radkammer 8 an den Austrittskanal 7 angrenzt.The 3 shows a further embodiment of the flow-through exhaust gas guide section according to the invention 1 and represents a modification of the above with respect to the 2 In this embodiment inventive embodiment is instead of the concentric annular gap as a junction 18 a plurality of junctions 18 implemented in the form of through-flow openings. The through-flow openings are presently designed as passage openings. Through these openings through which the bypass channel 4 with the outlet channel 7 connected by the turbine diffuser as it flows in 3 is shown. The majority of the openings through which flow is thus in a boundary region of the wheel chamber 8th and the exit channel 7 formed, ie in an area of the flow channel 3 in which the wheel chamber 8th to the outlet channel 7 borders.

In dem vorliegenden erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel sind zwei nebeneinander verlaufende Reihen von durchströmbaren Öffnungen im Bereich zwischen der Radkammer 8 und dem Austrittskanal 7 vorgesehen. Hierbei ist die Mehrzahl von durchströmbaren Öffnungen auf zwei parallelen virtuellen Ebenen ausgebildet, wobei die parallel verlaufenden virtuellen Ebenen senkrecht zur Drehachse 20 des Turbinenrads 9 angeordnet sind, wobei die parallelen virtuellen Ebenen einen Abstand von Δx aufweisen und, wobei die durchströmbaren Öffnungen auf Schnittpunkten der virtuellen Ebenen mit der Wand des Austrittskanals 7 des Turbinendiffusors angeordnet sind. Das heißt, dass die durchströmbaren Öffnungen auf dem Umfang der Strömungsquerschnitte und auf den virtuellen Ebenen positioniert sind.In the present embodiment according to the invention two adjacent rows of through-flow openings are in the area between the wheel chamber 8th and the exit channel 7 intended. Here, the plurality of through-flow openings is formed on two parallel virtual planes, wherein the parallel virtual planes perpendicular to the axis of rotation 20 of the turbine wheel 9 are arranged, wherein the parallel virtual planes have a distance of .DELTA.x and, wherein the openings through which can flow through at points of intersection of the virtual planes with the wall of the outlet channel 7 the turbine diffuser are arranged. This means that the through-flow openings are positioned on the circumference of the flow cross sections and on the virtual planes.

In dem vorliegenden in 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Mehrzahl von durchströmbaren Öffnungen zickzackförmig alternierend auf den virtuellen Ebenen angeordnet. Die durchströmbaren Öffnungen sind derart ausgestaltet, dass ein Fluidstrom durch die Mehrzahl an Öffnungen durchströmen kann. Dabei schneiden die Mittelachsen der durchströmbaren Öffnungen, die auf der jeweiligen virtuellen Ebene und auf dem Umfang des jeweiligen Kanalströmungsquerschnitts 21 des Austrittskanals 7 positioniert sind, vorliegend jeweils senkrecht die Drehachse 20 des Turbinenrads 9. Somit teilt sich ein im Umgehungskanal 4 zu dem Austrittskanal 7 strömender Fluidstrom nach dem Durchtritt durch die Mehrzahl an durchströmbaren Öffnungen in eine Mehrzahl von strömenden Fluidströmen auf. Die durchströmbaren Öffnungen des vorliegenden Ausführungsbeispiels können beispielsweise durch ein Bohrverfahren, durch ein Laserschneidverfahren oder ein Gießverfahren realisiert werden.In the present in 3 illustrated embodiment, the plurality of through-flow openings arranged in a zigzag alternating on the virtual planes. The flow-through openings are designed such that a fluid flow can flow through the plurality of openings. In this case, the center axes of the through-flow openings which intersect on the respective virtual plane and on the circumference of the respective channel flow cross-section 21 the exit channel 7 are positioned, in each case perpendicular to the axis of rotation 20 of the turbine wheel 9 , Thus, a divides in the bypass channel 4 to the exit channel 7 flowing fluid stream after passing through the plurality of through-flow openings in a plurality of flowing fluid streams. The flow-through openings of the present embodiment can be realized for example by a drilling method, by a laser cutting method or a casting method.

Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Einmündungen 18 in Form einer zweireihigen Anordnung von durchströmbaren Öffnungen beschränkt. Ebenso sind eine einreihige oder mehrreihige Anordnungen von durchströmbaren Öffnungen mit einer unterschiedlichen Anzahl von durchströmbaren Öffnungen denkbar. Auch ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung nicht auf eine zickzackförmige alternierende Anordnung der durchströmbaren Öffnungen beschränkt. So ist beispielsweise eine symmetrische Anordnung der durchströmbaren Öffnungen auf den virtuellen Ebenen möglich. Auch ist eine Ausgestaltung denkbar, bei der eine virtuelle Ebene ein Vielfaches an durchströmbaren Öffnungen im Vergleich zu der Anzahl von durchströmbaren Öffnungen auf einer weiteren virtuellen Ebene aufweist. Denkbar ist jede weitere den Wirkungsgrad des Turboladers erhöhende Anordnung der durchströmbaren Öffnungen. Auch kann das in 3 dargestellte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel derart vorgesehen sein, dass die Mittelachsen der Mehrzahl von durchströmbaren Öffnungen in einem spitzen Winkel zur Drehachse 20 des Turbinenrades 9 verlaufen und in Richtung des Austrittskanals 7 orientiert sind. Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Ausgestaltung derart vorgesehen sein, dass die Mittelachsen der Mehrzahl von durchströmbaren Öffnungen keinen gemeinsamen Schnittpunkt mit der Drehachse 20 des Turbinenrades 9 aufweisen.However, the present invention is not limited to the junctions 18 limited in the form of a double row arrangement of through-flow openings. Similarly, a single-row or multi-row arrangements of through-flow openings with a different number of openings through which flow is conceivable. Also, the embodiment of the invention is not limited to a zigzag alternating arrangement of the openings through which can flow. For example, a symmetrical arrangement of the openings through which it is possible to flow on the virtual levels is possible. An embodiment is also conceivable in which a virtual plane has a multiple of openings through which it is possible to flow in comparison to the number of openings through which it is possible to flow on a further virtual plane. Conceivable is any further the efficiency of the turbocharger increasing arrangement of the through-flow openings. Also, that can be done in 3 illustrated embodiment of the invention may be provided such that the central axes of the plurality of openings through which can flow through at an acute angle to the axis of rotation 20 of the turbine wheel 9 run and in the direction of the outlet channel 7 are oriented. Furthermore, the embodiment according to the invention can be provided in such a way that the center axes of the plurality of openings through which they can flow do not have a common point of intersection with the axis of rotation 20 of the turbine wheel 9 exhibit.

Da der Strömungsquerschnitt 19 der mindestens einen Einmündung 18 in diesem Ausführungsbeispiel nicht veränderbar ist, ist der Strömungsquerschnitt 19 der durchströmbaren Öffnung gerade so groß dimensioniert, dass bei einem mit Hilfe der Regelvorrichtung vollständig geöffneten Strömungsquerschnitt des Durchströmkanals 3 ein gewünschter Durchsatzkennwert für eine mit dem Abgasturbolader verbundene Verbrennungskraftmaschine erzielbar ist. Der Ejektor-Effekt ist dabei reduziert auf einen Betrieb bei hohen Abblasraten, das heißt, dass große Mengen des Strömungsfluides durch den Umgehungskanal 4 am Turbinenrad 9 vorbeigeleitet werden.As the flow cross section 19 the at least one junction 18 in this embodiment is not changeable, is the flow cross-section 19 the flow-through opening just dimensioned so large that at a fully open by means of the control device flow cross-section of the flow channel 3 a desired flow rate characteristic for an internal combustion engine connected to the exhaust gas turbocharger can be achieved. The ejector effect is thereby reduced to operation at high blow-off rates, that is, large volumes of the fluid flow through the bypass passage 4 at the turbine wheel 9 be led past.

In den schematisch veranschaulichten Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 ist der Austrittskanal 7 des Abgasführungsabschnitts 1 diffusorartig ausgebildet, das heißt, dass sich ein Kanalströmungsquerschnitt 21 des Austrittskanals 7 ausgehend von dem Radaustritt 13 bis zum Ende des Durchstromkanals 3 stetig vergrößert. Mit Hilfe dieser diffusorartigen Ausbildung des Austrittskanals 7 lässt sich der Ejektor-Effekt am Radaustritt 13 mit dem Ergebnis einer Reduzierung des statischen Druckes am Radaustritt 13 bzw. im Austrittskanal 7 wesentlich steigern.In the schematically illustrated embodiments of the 1 to 3 is the exit channel 7 the exhaust gas guide section 1 diffuser-like design, that is, that a channel flow cross-section 21 the exit channel 7 starting from the wheel exit 13 until the end of the flow channel 3 steadily increased. With the help of this diffuser-like formation of the outlet channel 7 can be the ejector effect at the wheel outlet 13 with the result of a reduction of the static pressure at the wheel outlet 13 or in the outlet channel 7 increase significantly.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102012112396 A1 [0005]
DE 112010002788 T5 [0006]

Claims

Exhaust gas guide section for a turbine, comprising a flow-through channel ( 3 ) and a bypass channel ( 4 ), wherein the flow channel ( 3 ) and the bypass channel ( 4 ) for flowing through the exhaust gas guide section ( 1 ) are formed, wherein the flow channel ( 3 ) a wheel chamber ( 8th ) is formed, in which a turbine wheel ( 9 ) with a turbine wheel outlet diameter (D), with a wheel entry ( 12 ) and a wheel exit ( 13 ) is rotatably received, wherein downstream of the wheel chamber ( 8th ) the flow channel ( 3 ) an exit channel ( 7 ) and upstream of the wheel chamber ( 8th ) the flow channel ( 3 ) a passageway entrance ( 5 ) is formed, wherein the bypass channel ( 4 ) upstream of the wheel chamber ( 8th ) a bypass channel entry ( 6 ) and in the exhaust gas guide section ( 1 ) for bypassing the wheel chamber ( 8th ) is formed and downstream of the wheel chamber ( 8th ) with at least one junction ( 18 ) in the outlet channel ( 7 ) is opening, characterized in that the bypass channel ( 4 ) with respect to the flow channel ( 3 ) about a rotation axis ( 20 ) of the turbine wheel ( 9 ) is formed in opposite directions.

Exhaust guide section according to claim 1, characterized in that the at least one junction ( 18 ) in a boundary region between the wheel chamber ( 8th ) and the exit channel ( 7 ) is trained.

Exhaust gas guide section according to one of claims 1 to 2, characterized in that a flow cross-section ( 19 ) of the at least one junction ( 18 ) a smallest cross-section of the bypass channel ( 4 ).

Exhaust gas guide section according to one of claims 1 to 3, characterized in that the at least one junction ( 18 ) of the bypass channel ( 4 ) in the outlet channel ( 7 ) by at least one through-flowable opening in the wall of the outlet channel ( 7 ) is realized.

Exhaust guide section according to one of claims 1 to 4, characterized in that the plurality of junctions ( 18 ) is formed on at least one virtual plane, wherein the virtual plane perpendicular to the axis of rotation ( 20 ) of the turbine wheel ( 9 ), the junctions ( 18 ) on intersections of the at least one virtual plane with the wall of the exit channel ( 7 ) are arranged.

Exhaust guide section according to one of claims 1 to 5, characterized in that the bypass channel ( 4 ) at the at least one junction ( 18 ) an inclination angle (α) with respect to the axis of rotation ( 20 ) of the turbine wheel ( 9 ), wherein the inclination angle (α) has a value in a value range of 20 ° to 40 °.

Exhaust gas guide section according to one of the preceding claims, characterized in that the throughflow channel ( 3 ) with the bypass channel ( 4 ) is flow-through, wherein the bypass channel ( 4 ) a control device for opening and closing the bypass channel ( 4 ) is formed having.

Exhaust gas guide section according to one of the preceding claims, characterized in that the throughflow channel ( 3 ) and the bypass channel ( 4 ) spirally about the axis of rotation ( 20 ) of the turbine wheel ( 9 ) are formed.

Exhaust gas guide section according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one junction ( 18 ) is arranged such that a swirl of the in the outlet channel ( 7 ) flowing fluid fluid a swirl of the flowing flow fluid from the turbine wheel ( 9 ) if possible without shear losses for the desired power point of the turbine ( 2 ) meets.

Method for a turbine, wherein the turbine ( 2 ) the exhaust gas guide section ( 1 ) according to one of claims 1 to 9, wherein the exhaust gas guide section ( 1 ) is flowed through with a flow fluid which partially through the flow channel ( 3 ) and partly through the bypass channel ( 4 ) flows, characterized in that by means of the to the flow channel ( 3 ) opposing bypass channel ( 4 ) and from the at least one junction ( 18 ) flowing flow fluid a pressure gradient between the wheel inlet ( 12 ) and the wheel outlet ( 13 ) is increased.

The method of claim 10, wherein an entrance swirl of the from the bypass channel ( 4 ) in the outlet channel ( 7 ) flowing fluid flow an outlet spin of a flow channel ( 16 ) flowing flow fluid as possible without shear losses for the desired power point of the turbine ( 2 ) meets.

Method according to one of claims 10 or 11, wherein the inflow of the flow fluid into the bypass channel ( 4 ) through the at least one junction ( 18 ) in the outlet channel ( 7 ) by opening or closing one in the bypass channel ( 4 ) arranged regulating device is controllable.

Method according to one of claims 10 to 12, wherein the through the bypass channel ( 4 ) flowing fluid flow the at least one junction ( 18 ) at an inclination angle (α) of 20 ° to 40 ° into the outlet channel ( 7 ) and, whereby an ejector effect is generated.