DE102019001798A1

DE102019001798A1 - Turbolader und Turbinengehäuse hierfür

Info

Publication number: DE102019001798A1
Application number: DE102019001798.6A
Authority: DE
Inventors: Konstantin DIETRICH
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2020-09-17
Also published as: US11162509B2; US20200291957A1; CN212296514U

Abstract

Ein Turbinengehäuse für einen Turbolader wird vorgestellt. Das Turbinengehäuse umfasst einen Turbinengehäusekörper, der dazu eingerichtet ist, ein Turbinenrad aufzunehmen, einen Einlasskanal, der mit dem Turbinengehäusekörper verbunden ist und der dazu eingerichtet ist, einen Abgasstrom aufzunehmen und den Abgasstrom in den Turbinengehäusekörper zu leiten, und einen Auslasskanal, der mit dem Turbinengehäusekörper verbunden ist und der dazu eingerichtet ist, den Abgasstrom abzuführen. Der Auslasskanal weist eine Längsachse auf und umfasst einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt, der stromabwärts von dem ersten Abschnitt angeordnet ist. Der erste Abschnitt umfasst eine erste Einlassöffnung, die dazu eingerichtet ist, den Abgasstrom von dem Turbinengehäusekörper aufzunehmen, wobei die erste Einlassöffnung eine erste Querschnittsfläche aufweist. Der erste Abschnitt umfasst außerdem eine erste Auslassöffnung, die stromabwärts von der ersten Einlassöffnung angeordnet ist und die dazu eingerichtet ist, den Abgasstrom von dem ersten Abschnitt abzuführen, und eine erste Länge zwischen der ersten Einlassöffnung und der ersten Auslassöffnung, wobei der erste Abschnitt einen Öffnungswinkel von 0° bis 10° bezüglich der Längsachse entlang der ersten Länge aufweist. Der zweite Abschnitt, der stromabwärts von dem ersten Abschnitt angeordnet ist, umfasst eine zweite Einlassöffnung, die dazu eingerichtet ist, den Abgasstrom von dem ersten Abschnitt aufzunehmen, und eine zweite Auslassöffnung, die stromabwärts von der zweiten Einlassöffnung angeordnet ist und die dazu eingerichtet ist, den Abgasstrom von dem Turbinengehäuse abzuführen. Die zweite Auslassöffnung weist eine zweite Querschnittsfläche auf, die mindestens 1,8-mal größer ist als die erste Querschnittsfläche, und eine zweite Länge zwischen der zweiten Einlassöffnung und der zweiten Auslassöffnung, die weniger als 50% der ersten Länge beträgt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Turbolader für einen Verbrennungsmotor. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung ein Turbinengehäuse für einen Turbolader und einen Turbolader, der dieses Turbinengehäuse umfasst.
Hintergrund
Turbolader fördern komprimierte Luft an einen Einlass eines Verbrennungsmotors, wodurch mehr Kraftstoff verbrannt werden kann. Dadurch wird die Leistungsdichte des Motors erhöht, ohne das Motorgewicht wesentlich zu erhöhen. Turbolader ermöglichen somit den Einsatz kleinerer Motoren, welche die gleiche Leistung entwickeln wie größere Saugmotoren. Die Verwendung eines kleineren Motors in einem Fahrzeug hat den gewünschten Effekt der Verringerung der Fahrzeugmasse, Steigerung der Leistung und Senkung des Kraftstoffverbrauchs. Darüber hinaus führt der Einsatz von Turboladern zu einer verbesserten Verbrennung und damit zu geringeren Emissionen.
Turbolader umfassen ein Turbinengehäuse, das einen Einlasskanal aufweist, der mit einem Abgaskrümmer des Motors verbunden ist, ein Verdichtergehäuse, das einen Auslasskanal aufweist, der mit einem Ansaugkrümmer des Motors verbunden ist, und ein Lagergehäuse, welches das Turbinengehäuse und das Verdichtergehäuse miteinander verbindet. Ein Abgasstrom von dem Abgaskrümmer treibt ein Turbinenrad im Turbinengehäuse drehend an. Das Turbinenrad ist über eine im Lagergehäuse drehbar gelagerte Rotorwelle mit einem Turbinenrad verbunden. Das Drehen des Turbinenrades durch den Abgasstrom bewirkt somit ein Drehen des Verdichterrades, um die komprimierte Luft in den Ansaugkrümmer zu fördern.
Nachdem der Abgasstrom das Turbinenrad angetrieben hat, wird der Abgasstrom über einen Auslasskanal, auch Exducer genannt, von dem Turbinengehäuse abgeführt. Der Auslasskanal weist oftmals eine konische Form auf und öffnet sich nach außen zu einem Flansch zum Anschließen des Turboladers an eine Katalysatoranordnung.
Bei der Gestaltung von Turboladern müssen die Packaging-Einschränkungen im Motorraum eines Fahrzeugs berücksichtigt werden. Solche Packaging-Einschränkungen sind besonders ausgeprägt, wenn ein aufgeladener Verbrennungsmotor mit einem Elektromotor zu einem Hybridsystem kombiniert wird.
Eine Möglichkeit, die Packaging-Einschränkungen bei der Turboladergestaltung zu berücksichtigen, ist es, die Exducer-Länge zu verringern, d. h. die Länge des Auslasskanals des Turbinengehäuses. Das Verringern der Auslasskanallänge wirkt sich jedoch nicht nur auf die Turbinenleistung aus, sondern auch auf die Leistung des Katalysators, der stromabwärts von dem Auslasskanal angeordnet ist.
Kurzer Abriss
Es besteht ein Bedarf an einem Turbinengehäuse, das sich leicht an Packaging-Einschränkungen anpassen kann, ohne die Leistungsparameter negativ zu beeinflussen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Turbinengehäuse für einen Turbolader vorgestellt. Das Turbinengehäuse umfasst einen Turbinengehäusekörper, der dazu eingerichtet ist, ein Turbinenrad aufzunehmen, einen Einlasskanal, der mit dem Turbinengehäusekörper verbunden ist und der dazu eingerichtet ist, einen Abgasstrom aufzunehmen und den Abgasstrom in den Turbinengehäusekörper zu leiten, und einen Auslasskanal, der mit dem Turbinengehäusekörper verbunden ist und der dazu eingerichtet ist, den Abgasstrom abzuführen. Der Auslasskanal weist eine Längsachse auf und umfasst einen ersten Abschnitt. Der erste Abschnitt umfasst eine erste Einlassöffnung, die dazu eingerichtet ist, den Abgasstrom von dem Turbinengehäusekörper aufzunehmen, und die eine erste Querschnittsfläche aufweist, eine erste Auslassöffnung, die stromabwärts von der ersten Einlassöffnung angeordnet ist und die dazu eingerichtet ist, den Abgasstrom von dem ersten Abschnitt abzuführen, und eine erste Länge zwischen der ersten Einlassöffnung und der ersten Auslassöffnung, wobei der erste Abschnitt einen Öffnungswinkel von 0° bis 10° bezüglich der Längsachse entlang der ersten Länge aufweist. Der Auslasskanal umfasst zusätzlich einen zweiten Abschnitt, der stromabwärts von dem ersten Abschnitt angeordnet ist und der eine zweite Einlassöffnung umfasst, die dazu eingerichtet ist, den Abgasstrom von dem ersten Abschnitt aufzunehmen, eine zweite Auslassöffnung, die stromabwärts von der zweiten Einlassöffnung angeordnet ist und die dazu eingerichtet ist, den Abgasstrom von dem Turbinengehäuse abzuführen, wobei die zweite Auslassöffnung eine zweite Querschnittsfläche aufweist, die mindestens 1,8-mal größer ist als die erste Querschnittsfläche, und eine zweite Länge zwischen der zweiten Einlassöffnung und der zweiten Auslassöffnung, wobei die zweite Länge weniger als 50% der ersten Länge beträgt.
Ein Öffnungswinkel von 0° entspricht einer im Wesentlichen zylindrischen oder rohrförmigen Form des ersten Abschnitts. In einigen Varianten kann der erste Abschnitt einen Öffnungswinkel größer als 0° aufweisen. Der Öffnungswinkel kann kleiner als 7° oder kleiner als 5° sein.
In einigen Varianten beträgt die zweite Länge weniger als 30% der ersten Länge. Beispielsweise kann die zweite Länge weniger als 25% oder weniger als 20% der ersten Länge betragen. Die zweite Länge kann mehr als 5% der ersten Länge betragen.
Die Summe der ersten Länge und der zweiten Länge kann weniger als 15 cm betragen. Beispielsweise kann die Summe der ersten Länge und der zweiten Länge weniger als 10 cm oder weniger als 7 cm betragen. Die Summe der ersten Länge und der zweiten Länge kann größer als 3 cm oder größer als 5 cm sein.
In einigen Varianten ist die zweite Querschnittsfläche mindestens 2,2-mal größer als die erste Querschnittsfläche. Beispielsweise kann die zweite Querschnittsfläche mindestens 3-, 4- oder 5-mal größer sein als die erste Querschnittsfläche. In einigen Varianten kann die zweite Querschnittsfläche weniger als 6-mal größer sein als die erste Querschnittsfläche.
Der zweite Abschnitt des Auslasskanals kann einen ersten Unterabschnitt umfassen, der die zweite Einlassöffnung definiert und der sich nach außen aufweitet. Der zweite Abschnitt kann zusätzlich einen zweiten Unterabschnitt umfassen, der stromabwärts von dem ersten Unterabschnitt angeordnet ist und der die zweite Auslassöffnung definiert. Der zweite Unterabschnitt kann unmittelbar neben dem ersten Unterabschnitt angeordnet sein. Der zweite Abschnitt kann aus dem ersten Unterabschnitt und dem zweiten Unterabschnitt bestehen.
Der erste Unterabschnitt kann sich mit einem vordefinierten Krümmungsradius nach außen hin aufweiten. In einigen Varianten beträgt der Krümmungsradius zwischen 0,3 cm bis 4 cm (z. B. zwischen 0,7 cm bis 2 cm).
Zumindest ein erster Bereich des zweiten Unterabschnitts kann einen linear zunehmenden Durchmesser aufweisen. Der erste Bereich kann daher konisch geformt sein.
Zumindest ein zweiter Bereich des zweiten Unterabschnitts kann nach innen gekrümmt sein. Infolge der Aufweitung des ersten Unterabschnitts nach außen kann der zweite Auslasskanalabschnitt somit im Querschnitt S-förmig sein.
In einigen Varianten kann eine innere Wand des zweiten Unterabschnitts unter einem Tangentialwinkel von 80° bis 90° in eine Ebene übergehen, die sich parallel zur zweiten Auslassöffnung erstreckt. Die zweite Auslassöffnung kann in dieser Ebene liegen oder von dieser Ebene beabstandet sein.
In anderen Varianten kann die innere Wand des zweiten Unterabschnitts unter einem Tangentialwinkel von 0° bis 10° in die Ebene übergehen, die sich parallel zur zweiten Auslassöffnung erstreckt. Die zweite Auslassöffnung kann in dieser Ebene liegen oder von dieser Ebene beabstandet sein.
Der zweite Auslassöffnungsabschnitt kann einen Flansch definieren, der dazu eingerichtet ist, den Auslasskanal mit einer Katalysatoranordnung zu verbinden. Der Flansch kann mit einer oder mehreren Verbindungsstrukturen, wie Durchgangsbohrungen zur Aufnahme von Befestigungsschrauben, versehen sein.
Das Turbinengehäuse kann zusätzlich eine Vielzahl von Leitschaufeln aufweisen, die Strömungskanäle von dem Einlasskanal in den Turbinengehäusekörper hinein definieren. Zumindest einige der Leitschaufeln können derart einstellbar sein, dass sie einen entsprechenden Querschnitt von zumindest einigen der Strömungskanäle verändern. Die Leitschaufeln können eine sogenannte variable Turbinengeometrie (VTG) definieren.
Der erste Abschnitt kann bezüglich der Längsachse rotationssymmetrisch sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der zweite Abschnitt bezüglich der Längsachse rotationssymmetrisch sein. In einigen Varianten kann der zweite Abschnitt nicht rotationssymmetrisch zur Längsachse oder zu jeder anderen Achse sein. Die Auslassöffnung kann beispielsweise eine asymmetrische (z. B. nicht kreisförmige) Form haben, die zu einer asymmetrischen Form des zweiten Abschnitts führt.
In einigen Implementierungen sind im ersten Abschnitt und im zweiten Abschnitt keine seitlichen Öffnungen vorgesehen. Insbesondere kann eine seitliche Wand des Auslasskanals durch eine geschlossene Oberfläche definiert sein. Mit anderen Worten können keine Öffnungen (z. B. für ein Wastegate) in dieser seitlichen Wand vorgesehen sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Turbolader vorgesehen. Der Turbolader umfasst ein Verdichtergehäuse, ein Turbinengehäuse wie hierin vorgestellt und ein Lagergehäuse, das zwischen dem Verdichtergehäuse und dem Turbinengehäuse angeordnet ist.
Figurenliste
Zusätzliche Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gewürdigt, wobei

1 eine teilgeschnittene perspektivische Ansicht eines Turboladers mit einem Turbinengehäuse gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist;
2 eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer Ausgestaltung eines Auslasskanals des Turbinengehäuses aus 1 ist;
3 eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer Ausgestaltung eines Auslasskanals gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des Turbinengehäuses ist;
4 eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer Ausgestaltung eines Auslasskanals gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Turbinengehäuses ist;
5 in Tabellenform einen Vergleich der Leistungsparameter für die in 2 dargestellte erste Ausgestaltung des Auslasskanals und zwei vergleichende Ausgestaltungen des Auslasskanals zeigt.

Detaillierte Beschreibung
1 zeigt eine teilgeschnittene perspektivische Ansicht eines Turboladers 10 für einen Verbrennungsmotor. Der Turbolader 10 umfasst eine Gehäuseanordnung 12, die aus einem Verdichtergehäuse 14, einem Lagergehäuse 16 und einem Turbinengehäuse 18 besteht, die miteinander verbunden sind. Das Lagergehäuse 16 stützt eine drehbare Welle 20, die eine Turbinenrotationsachse R1 definiert. Ein Verdichterrad (nicht abgebildet), das eine Vielzahl von Schaufeln aufweist, ist an einem Ende der Welle 20 montiert und im Verdichtergehäuse 14 aufgenommen. Das Turbinengehäuse 18 weist einen Turbinengehäusekörper 22 auf, der ein Turbinenrad 24 aufnimmt, das mehrere Schaufeln aufweist. Das Turbinenrad 24 ist an einem gegenüberliegenden Ende der Welle 20 in Bezug auf das Verdichterrad montiert.
Das Turbinengehäuse 18 umfasst einen Einlasskanal 26, der mit einem Abgaskrümmer (nicht abgebildet) des Motors verbunden ist, um einen Abgasstrom aufzunehmen. Der Einlasskanal 26 weist die Form einer Spirale auf und leitet den Abgasstrom in den Turbinengehäusekörper 22 in Richtung des Turbinenrades 24. Der Abgasstrom treibt das Turbinenrad 24 auf der Welle 20 drehend an, wodurch auch ein Drehen des Verdichterrads bewirkt wird. Nachdem der Abgasstrom das Turbinenrad 24 angetrieben hat, wird der Abgasstrom durch einen Auslasskanal 30 des Turbinengehäuses 18 abgeführt. Dieser Auslasskanal 30 wird auch als Exducer bezeichnet.
Um die Leistung und den Wirkungsgrad des Turboladers 10 zu verbessern, ist es üblich, den Abgasstrom zu dem Turbinenrad 24 mit einem Leitapparat 32 zu regeln. Der Leitapparat 32 ist innerhalb des Turbinengehäuses 18 angeordnet und umfasst mehrere Leitschaufeln 34, die stromabwärts von dem Einlasskanal 26 und stromaufwärts von dem Turbinenrad 24 angeordnet sind. Der Raum zwischen benachbarten Leitschaufeln 34 definiert einen Strömungskanal, durch den das Abgas zum Turbinenrad 24 strömt. Durch Variieren einer Winkelstellung der Leitschaufeln 34 ist ein entsprechender Querschnitt der Strömungskanäle einstellbar.
Die Leitschaufeln 34 sind in Umfangsrichtung um die Turbinenrotationsachse R1 angeordnet. Jede Leitschaufel 34 wird zwischen einem ersten Schaufelring 38 und einem zweiten Schaufelring durch eine Schwenkwelle 42 abgestützt. Alternativ hierzu können die Leitschaufeln 34 durch die Schwenkwellen 42 zwischen dem oberen Schaufelring 38 und einer ringförmigen Wand des Turbinengehäusekörpers 22 abgestützt werden. Die Schwenkwellen 42, mit den Leitschaufeln 34 daran fest fixiert, drehen, um eine Schwenkbewegung der Leitschaufeln 34 zu bewirken.
An einem ihrer beiden gegenüberliegenden Enden erstreckt sich jede Schwenkwelle 42 in eine entsprechende Bohrung des zweiten Schaufelrings 40. An ihrem anderen Ende dringt jede Schwenkwelle 42 durch eine entsprechende Bohrung des ersten Schaufelrings 38 hindurch. Ein Schaufelhebel oder eine Schaufelgabel 44 ist fest an einem distalen Ende jeder Schwenkwelle 42, von der Leitschaufel 34 entfernt, fixiert. Die Schaufelgabel 44 erstreckt sich allgemein senkrecht zur Schwenkwelle 42 und umfasst zwei beabstandete Führungsarme 46 mit einer Aussparung dazwischen.
Um eine Winkelstellung der Leitschaufeln 34 zu steuern, ist eine Betätigungsvorrichtung (nicht abgebildet) außerhalb der Gehäuseanordnung 12 vorgesehen, die eine Betätigungsbewegung eines Stößelglieds (nicht abgebildet) steuert, das sich in die Gehäuseanordnung 12 hinein erstreckt. Die Betätigungsbewegung des Stößelglieds wird auf einen Steuer- oder Einstellring 48 übertragen, der neben dem ersten Schaufelring 38 positioniert ist. Die Betätigungsbewegung des Stößelglieds wird in eine Drehbewegung des Steuerrings 48 umgesetzt. Der Steuerring 48 definiert eine Steuerringrotationsachse R2, die zur Turbinenrotationsachse R1 koaxial ist. Die Drehbewegung des Steuerrings 48 um die Steuerringrotationsachse R2 in entgegengesetzter erster und zweiter Richtung ermöglicht die Verstellung der Leitschaufeln 34 zwischen einer offenen oder sich allgemein radial erstreckenden Stellung und einer geschlossenen oder sich allgemein tangential erstreckenden Stellung. Auf diese Weise realisieren die Leitschaufeln 34 eine VTG.
In 1 sind die Leitschaufeln 34 in ihrer offenen Stellung dargestellt. In dieser offenen Stellung erstrecken sich die Leitschaufeln 34 allgemein radial bezüglich der Turbinenrotationsachse R1, um das Abgas mit hohem Massendurchsatz durch den Einlasskanal 26 zum Turbinenrad 24 strömen zu lassen. Im Gegensatz dazu erstrecken sich die Leitschaufeln 34 in der geschlossenen Stellung allgemein tangential bezüglich der Turbinenrotationsachse R1, um das Abgas im Wesentlichen daran zu hindern, durch den Einlasskanal 26 zum Turbinenrad 24 zu strömen (was keinem oder einem geringen Massendurchsatz entspricht).
Der Auslasskanal 30 ist derart eingerichtet, dass insbesondere bei hohen Massenströmen eine hohe Turbinenleistung realisiert werden kann, wie im Folgenden näher erläutert wird. Gleichzeitig ist die Ausgestaltung des Auslasskanals für Anwendungen mit starken Packaging-Einschränkungen sinnvoll, da die Gesamtlänge des Auslasskanals 30 niedrig gehalten werden kann, was zu einer kurzen Gesamtlänge des Turboladers 10 führt.
Wie in 1 dargestellt, weist der Auslasskanal 30 eine Längsachse L auf, die zur Turbinenrotationsachse R1 und zur Steuerringrotationsachse R2 koaxial ist. In dem Ausführungsbeispiel aus 1 ist der Auslasskanal 30 rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse L. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Auslasskanal 30 einen oder mehrere Abschnitte aufweisen, die von einer rotationssymmetrischen Form abweichen.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind im Auslasskanal 30 keine seitlichen Öffnungen vorgesehen. Mit anderen Worten weist der Auslasskanal 30 eine geschlossene innere Oberfläche auf.
Der Auslasskanal 30 weist einen ersten Abschnitt 50 auf, der eine Einlassöffnung 52 umfasst, die dazu eingerichtet ist, den Abgasstrom von dem Turbinengehäusekörper 22 aufzunehmen. Der erste Auslasskanalabschnitt 50 umfasst eine Auslassöffnung 54, die stromabwärts von der Einlassöffnung 52 angeordnet ist und die dazu eingerichtet ist, den Abgasstrom von dem ersten Abschnitt 50 abzuführen. Eine Länge des ersten Auslasskanalabschnittes 50 wird durch einen Abstand zwischen der Einlassöffnung 52 und der Auslassöffnung 54 des ersten Auslasskanalabschnittes 50 entlang der Längsachse L des Auslasskanals 30 definiert.
Der Auslasskanal 30 umfasst ferner einen zweiten Abschnitt 56, der stromabwärts von und unmittelbar neben dem ersten Abschnitt 50 angeordnet ist. Der zweite Abschnitt 56 umfasst eine Einlassöffnung 58, die dazu eingerichtet ist, den Abgasstrom von dem ersten Abschnitt 50 aufzunehmen, und eine Auslassöffnung 60, die stromabwärts von der Einlassöffnung 58 angeordnet ist. Die Auslassöffnung 60 ist dazu eingerichtet, den Abgasstrom von dem Turbinengehäuse 18 abzuführen. Eine Länge des zweiten Auslasskanalabschnittes 56 wird durch einen Abstand zwischen der Einlassöffnung 58 und der Auslassöffnung 60 des zweiten Auslasskanalabschnittes 56 entlang der Längsachse L des Auslasskanals 30 definiert.
In Strömungsrichtung des Abgases endet der zweite Auslasskanalabschnitt 56 in einem Flansch 62, der die Auslassöffnung 60 umfangsmäßig umgibt. Der Flansch 62 umfasst mehrere Anschlussstrukturen in Form von Durchgangsbohrungen 64. Die Durchgangsbohrungen 64 sind dazu eingerichtet, Schrauben zum Verbinden des Turboladers 10 mit einer Katalysatoranordnung (nicht abgebildet) aufzunehmen.
Wie oben erwähnt, wurde die allgemeine geometrische Form des Auslasskanals 30 eigens so ausgestaltet, dass eine hohe Leistung bei einer geringen Gesamtlänge des Auslasskanals 30 realisiert wird. Diese Gesamtlänge ist definiert durch den Abstand zwischen der Einlassöffnung 52 des ersten Auslasskanalabschnittes 50 und der Auslassöffnung 60 des zweiten Auslasskanalabschnittes 56 entlang der Längsachse L des Auslasskanals 30. Allgemein wird die Gesamtlänge so gewählt, dass sie im Bereich von 3 cm bis 15 cm liegt.
Wie in 1 dargestellt, ist die geometrische Gesamtform des Auslasskanals 30 durch ein vergleichsweise langes, im Wesentlichen rohrförmiges (oder zylindrisches) Segment definiert, das durch den ersten Auslasskanalabschnitt 50 definiert wird, und ein vergleichsweise kurzes, durch den zweiten Auslasskanalabschnitt 56 definiertes, sich aufweitendes Segment. Genauer gesagt beträgt die Länge des zweiten Auslasskanalabschnittes 56 allgemein weniger als 50% der Länge des ersten Auslasskanalabschnittes 50. In typischen Realisierungen wird die Länge des zweiten Auslasskanalabschnittes 56 weniger als 40% oder weniger als 30% der Länge des ersten Auslasskanalabschnittes 50 betragen. Es hat sich herausgestellt, dass eine signifikante Aufweitung der Querschnittsfläche des Auslasskanals 30 über den vergleichsweise kurzen zweiten Auslasskanalabschnitt 56 vorteilhaft ist, um eine hohe Turbinenleistung beizubehalten, während die Gesamtlänge des Auslasskanals 30 kurz gewählt werden kann.
Die Einlassöffnung 52 des ersten Auslasskanalabschnittes 50 weist eine erste Querschnittsfläche und die Auslassöffnung 60 des zweiten Auslasskanalabschnittes 56 weist eine zweite Querschnittsfläche in einer zur Längsachse L senkrechten Ebene auf, wobei diese zweite Querschnittsfläche in der Regel mindestens 1,8-mal größer als die erste Querschnittsfläche ist. In bestimmten Realisierungen kann die zweite Querschnittsfläche mehr als 2-, 4- oder 5-mal größer sein als die erste Querschnittsfläche.
Im Folgenden werden die geometrischen Parameter des Auslasskanals 30 des Turbinengehäuses 18 aus 1 anhand der schematischen Querschnittsansicht in 2 näher erläutert. Es ist zu beachten, dass einige Details aus 1, wie z. B. der Flansch 60 und der Leitapparat 32, in 2 zur einfacheren Erläuterung fortgelassen wurden.
Wie in 2 dargestellt, wird eine Länge L1 des ersten Auslasskanalabschnittes 50 durch den Abstand zwischen der Einlassöffnung 52 und der Auslassöffnung 54 des ersten Auslasskanalabschnittes 50 entlang der Längsachse L des Auslasskanals 30 definiert. Eine Länge L2 des zweiten Auslasskanalabschnitts 56 wird in ähnlicher Weise durch den Abstand zwischen der Einlassöffnung 58 und der Auslassöffnung 60 des zweiten Auslasskanalabschnittes 56 entlang der Längsachse L des Auslasskanals 30 definiert. Es versteht sich, dass z. B. der zweite Auslasskanalabschnitt 56 eine Längsachse aufweisen kann, die nicht koaxial zur Längsachse L des gesamten Auslasskanals 30 ist. In einem solchen Fall werden die geometrischen Parameter des zweiten Auslasskanalabschnittes 56, wie z. B. dessen Länge L2, bezüglich der Längsachse des zweiten Auslasskanalabschnittes 56 definiert.
Im Ausführungsbeispiel der 2 und in anderen Ausführungsbeispielen wird die Stelle der Einlassöffnung 52 des ersten Auslasskanalabschnittes 50 durch die Stelle definiert, an welcher der Auslasskanal 30 anfängt, eine im Wesentlichen rohrförmige oder zylindrische Form anzunehmen, welche sich dann in den Rest des ersten Auslasskanalabschnittes 50 hinein fortsetzt.
Wie aus dem Stand der Technik bekannt, kann eine kleine Stufe entlang der Längserstreckung des ersten Auslasskanalabschnittes 50 als Ergebnis des Herstellungsprozesses des Turbinengehäuses 18 vorhanden sein. Diese Stufe ist das Ergebnis des Bohrens oder Fräsens eines Raums, der das Turbinenrad 24 aufnimmt. Die Stufe wird hier zum Zweck des geometrischen Definierens der Parameter des ersten Auslasskanalabschnitts 50 nicht berücksichtigt.
Der erste Auslasskanalabschnitt 50 kann geringfügig von der in 1 und 2 dargestellten, allgemein rohrförmigen oder zylindrischen Form abweichen, bei der ein Öffnungswinkel bezüglich der Längsachse L ungefähr 0° beträgt. Zum Beispiel kann sich der erste Auslasskanalabschnitt 50 unter einem Winkel, der größer als 0° und kleiner als 10°, oder kleiner als 5° ist, bezüglich der Längsachse L entlang seiner Länge L1 öffnen.
Im Ausführungsbeispiel von 2 und in anderen Ausführungsbeispielen wird die Stelle der Auslassöffnung 54 des ersten Auslasskanalabschnittes 50 durch die stromabwärts von der Einlassöffnung 52 liegenden Stelle definiert, an welcher der Auslasskanal 30 anfängt, von der im Wesentlichen rohrförmigen, oder zylindrischen, Form abzuweichen. In dem Ausführungsbeispiel von 2 und in anderen Ausführungsbeispielen wird die Stelle der Einlassöffnung 58 des zweiten Auslasskanalabschnittes 56 durch die Stelle definiert, an welcher der Auslasskanal 30 anfängt, die sich aufweitende Form anzunehmen. In einigen Ausführungsbeispielen, wie in den in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen, stimmen die Stellen der Auslassöffnung 54 des ersten Auslasskanalabschnitts 50 und der Einlassöffnung 58 des zweiten Auslasskanalabschnittes 56 überein, sodass die beiden Öffnungen 54, 58 ebenfalls übereinstimmen.
In dem Ausführungsbeispiel von 2 und in anderen Ausführungsbeispielen liegt die Auslassöffnung 60 des zweiten Auslasskanalabschnittes 56 in einer Ebene, die eine Verbindungsfläche des Flansches 62 (siehe 1) zur Katalysatoranordnung (nicht dargestellt) hin definiert und die sich senkrecht zur Längsachse L erstreckt.
Wie in 2 dargestellt, weist der zweite Auslasskanalabschnitt 56 einen ersten Unterabschnitt 66, der die Einlassöffnung 58 definiert, und einen zweiten Unterabschnitt 68 auf, der stromabwärts von und unmittelbar neben dem ersten Unterabschnitt 66 angeordnet ist. Der zweite Unterabschnitt 68 definiert die Auslassöffnung 60.
Der erste Unterabschnitt 66 weitet sich bezüglich der Längsachse L nach außen auf. Genauer gesagt weitet sich der erste Unterabschnitt 66 nach außen mit einem vordefinierten Krümmungsradius auf, der generell im Bereich von 0,3 cm bis 4 cm gewählt werden kann. Der Beginn des zweiten Unterabschnitts 68 entlang der Länge L2 des zweiten Auslasskanalabschnittes 56 wird durch die Stelle entlang der Länge L2 definiert, an der die Krümmung des sich aufweitenden zweiten Auslasskanalabschnittes 56 anfängt, den vordefinierten Krümmungsradius, der den ersten Unterabschnitt 66 definiert, zu überschreiten.
3 zeigt eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer alternativen Ausgestaltung eines Auslasskanals, der für den Turbolader 10 aus 1 verwendet werden kann. Wie in 3 dargestellt, weitet sich der erste Teilabschnitt 66 nach außen auf und der zweite Teilabschnitt 68 krümmt sich wieder nach innen in Richtung der Auslassöffnung 60. Der zweite Auslasskanalabschnitt 56 weist somit in der Querschnittsansicht von 3 eine S-Form auf.
4 zeigt eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer weiteren alternativen Ausgestaltung eines Auslasskanals, der für den Turbolader 10 aus 1 verwendet werden kann. Wie in 4 dargestellt, weist der zweite Auslasskanalabschnitt 56 eine im Wesentlichen konische Form auf mit einem linear zunehmenden Durchmesser. In dem Ausführungsbeispiel von 4 ist der Krümmungsradius im ersten Unterabschnitt 66 wesentlich kleiner als in den Ausführungsbeispielen der 2 und 3. Dies bedeutet, dass die Länge des zweiten Auslasskanalabschnittes 56 im Wesentlichen durch die Länge des konisch geformten zweiten Unterabschnitts 68 definiert wird.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie eine innere Wand 70 des zweiten Unterabschnitts 68 in eine Ebene übergehen kann, die sich parallel zur Auslassöffnung 60 des zweiten Auslasskanalabschnittes 56 erstreckt (und diese optional einschließt). Dieser Übergang kann durch einen Tangentialwinkel der inneren Wand 70 bezüglich dieser Ebene definiert werden, und verschiedene Realisierungen in dieser Hinsicht sind in den 2 bis 4 dargestellt, wobei der Tangentialwinkel α nur in 4 eigens gekennzeichnet ist.
Die innere Wand 70 kann z. B. unter einem Tangentialwinkel von etwa 0° in diese Ebene übergehen, wie in 2 dargestellt. Alternativ hierzu kann die innere Wand 70 unter einem Tangentialwinkel von etwa 90° in diese Ebene übergehen, wie in 3 dargestellt. Als weitere Alternative kann die innere Wand 70 unter einem Tangentialwinkel α zwischen 10° und 80°, z. B. von etwa 25°, in diese Ebene übergehen, wie in 4 dargestellt. In den in den 3 und 4 dargestellten Szenarien umfasst die Ebene die Auslassöffnung 60, während in dem in 2 dargestellten Szenario die Ebene im Vergleich zur Länge L2 des zweiten Auslasskanalabschnittes 56 minimal von einer durch die Auslassöffnung 60 definierten Ebene beabstandet ist.
In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung kann die Summe von L1 und L2 generell größer als 3 cm (z. B. größer als 5 cm) sein. Darüber hinaus kann die Summe von L1 und L2 generell kleiner als 15 cm (z. B. kleiner als 10 cm) sein.
In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung, wie sie in den 2 bis 4 dargestellt sind, kann die Einlassöffnung 52 einen Durchmesser von mehr als 2 cm (z. B. mehr als 4 cm) aufweisen. Außerdem kann dieser Durchmesser kleiner als 12 cm sein (z. B. kleiner als 9 cm). Als Beispiel kann der Durchmesser der Einlassöffnung 52 etwa 6 cm betragen.
In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung kann die Auslassöffnung 60 allgemein einen Durchmesser von mehr als 5 cm (z. B. mehr als 7 cm) aufweisen. Außerdem kann dieser Durchmesser allgemein kleiner als 20 cm sein (z. B. kleiner als 13 cm). Als Beispiel kann der Durchmesser der Auslassöffnung 60 etwa 9 bis 11 cm betragen.
Die Auslassöffnung 60 kann eine kreisförmige oder nicht-kreisförmige (z. B. ovale) Form aufweisen. Im Fall einer nicht-kreisförmigen Form beziehen sich die oben genannten beispielhaften Durchmesserabmessungen auf den größten Durchmesser der Auslassöffnung 60.
In den Ausführungsbeispielen der 2 bis 4 liegt die Auslassöffnung 60 in einer Ebene, die sich senkrecht bezüglich der Längsachse L erstreckt. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Auslassöffnung 60 in einer Ebene liegen, die sich schräg bezüglich der Längsachse L erstreckt. Die Ebene kann z. B. um bis zu 10°, bis zu 20° oder bis zu 30° bezüglich der Längsachse L gekippt sein.
In den Ausführungsbeispielen der 2 bis 4 ist die Auslassöffnung 60 bezüglich der Längsachse L rotationssymmetrisch. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Auslassöffnung 60 bezüglich einer anderen Achse, die sich parallel und versetzt zur Längsachse L erstreckt, rotationssymmetrisch sein. Diese andere Achse kann alternativ hierzu nicht parallel, sondern bezüglich der Längsachse L gekippt sein.
In den Ausführungsbeispielen der 2 bis 4 weisen der erste Abschnitt 50 und der zweite Abschnitt 56 eine gemeinsame Längsachse L auf, die koaxial zur Turbinenrotationsachse R1 ist. In anderen Ausführungsbeispielen kann der zweite Abschnitt 56 eine bezüglich der Turbinenrotationsachse R1 und damit der Längsachse L gekippte Längsachse aufweisen. In solchen Ausführungsbeispielen liegt die Auslassöffnung 60 in einer bezüglich der Längsachse L gekippten Ebene.
5 zeigt in Tabellenform einen Vergleich von Leistungsparametern für die in 2 dargestellte Ausgestaltung des Auslasskanals („Design 1“) und zwei vergleichende Ausgestaltungen des Auslasskanals („Design 2“ bzw. „Design 3“). Alle drei Ausgestaltungen des Auslasskanals weisen die gleichen Querschnittsflächen an ihrer jeweiligen Einlass- und Auslassöffnung auf. Die beiden vergleichenden Ausgestaltungen des Auslasskanals weisen jeweils einen von ihrer Einlassöffnung zu ihrer Auslassöffnung kontinuierlich zunehmenden Durchmesser auf, wobei der Öffnungswinkel über die gesamte Länge des jeweiligen Auslasskanals jeweils größer als 10° ist. Mit anderen Worten: im Vergleich zu der hierin vorgestellten Ausgestaltung des Auslasskanals weisen die beiden vergleichenden Ausgestaltungen des Auslasskanals keinen im Wesentlichen zylindrischen ersten Abschnitt auf, der die Einlassöffnung definiert, gefolgt von einer vergleichsweise plötzlichen Ausdehnung über einen vergleichsweise kurzen zweiten Abschnitt, der die Auslassöffnung definiert. Die beiden vergleichenden Ausgestaltungen des Auslasskanals weichen insofern voneinander ab, als die Durchmesseraufweitung des Auslasskanals von Design 3 im Wesentlichen linear zunimmt, während die Durchmesseraufweitung des Auslasskanals von Design 2 mehr als linear zunimmt.
Die Simulationsergebnisse haben gezeigt, dass die in 2 dargestellte Ausgestaltung des Auslasskanals, d. h. „Design 1“ in 5, zu einer signifikanten Steigerung des Turbinenwirkungsgrades bei hohen Massenströmen (offenen VTG-Stellungen) führt im Vergleich zu den in 5 dargestellten vergleichenden Ausgestaltungen. Gleichzeitig wird der Wirkungsgrad der Turbine bei niedrigen Massenströmen und stärker geschlossenen VTG-Stellungen durch diese Ausgestaltung nicht stark negativ beeinflusst. Die hier vorgestellte Ausgestaltung des Auslasskanals ist daher für einen Turbolader des VTG-Typs besonders nützlich. Ähnliche Ergebnisse werden auch für die in den 3 und 4 dargestellten alternativen Ausgestaltungen des Auslasskanals erzielt.
Der deutlich erhöhte Turbinenwirkungsgrad der in 2 dargestellten Ausgestaltung des Auslasskanals wird beispielhaft durch den vergleichsweise geringeren Nennleistungsdruckverlust Δp_t, den höheren isentropen Wirkungsgrad η_Pe und den höheren Nennleistungsbetriebspunkt Ppe in 5 ausgedrückt. Gleichzeitig werden der Nenndrehmoment-Druckverlust Δp_t, der isentropische Nenndrehmoment-Wirkungsgrad η_Md und der Nenndrehmoment-Betriebspunkt P_Md nicht stark negativ beeinflusst.
Dabei stehen η_Pe und η_Md für den isentropen Wirkungsgrad η_ST für die Nennleistung bzw. das Nenndrehmoment.
Durch Verwendung der Ausgestaltung des Auslasskanals von 2 wird auch ein Indizierungsparameter θ_CAT für den von dem Turbolader 10 stromabwärts liegenden Katalysator im Vergleich zu Design 2 und Design 3 verbessert, wie in 5 dargestellt. Der Indizierungsparameter θ_CAT ist wie folgt definiert: $θ_{C A T} = \frac{1}{h_{i n l e t}} * \sum_{i = 1}^{n} h_{C A T_{i}} * (1 - \frac{r_{i}}{r_{m a x}}),$
wobei h_inlet die statische Enthalpie stromaufwärts von dem Turbinengehäuse 18, gemittelt über die Querschnittsfläche der Turbineneintrittsfläche, ist. Unter der Annahme, dass die Querschnittsfläche der Katalysatoreintrittsfläche als ein numerisches Netzwerk von Knoten i = 1 bis n modelliert wird, das sich über eine kreisförmige Fläche mit einem Zentrum erstreckt, gibt r_i den radialen Abstand des Knotens i von diesem Zentrum an, und h_CATi ist die entsprechende Enthalpie. Über den Radius rmax dieser Kreisfläche findet eine Normierung statt. Auf diese Weise werden die Enthalpien h_CATi gewichtet.
Die obige Formel für den Indizierungsparameter θ_CAT bewertet grundsätzlich die in den Katalysator eingehende Energie, gewichtet nach der Zentrizität auf der Katalysatoreintrittsfläche (wobei ein Hotspot in der Mitte zu einem schnelleren Light-Off führt). Um die Indizierungsparameter θ_CAT über verschiedene Turbinenausgestaltungen hinweg zu vergleichen, wird der Parameter mittels der Enthalpie des in das Turbinengehäuse 18 einströmenden Abgases normiert.
Auf diese Weise wird es vergleichbar, wie viel Energie durch die Wände des Turbinengehäuses, die Gasexpansion und die Umwandlung in mechanische Energie durch das Turbinenrad 24 „verloren“ geht.
Zusätzliche Simulationen der Wärmeverteilung haben für die in den 2 bis 4 dargestellten Ausgestaltungen des Auslasskanals einen stärker zentrierten Hotspot bezüglich der Längsachse L gezeigt. Der zentrierte Hotspot zeigt eine weniger benetzte Fläche des entsprechenden Auslasskanals 30 und damit einen geringeren Wärmeverlust durch die Wände des Auslasskanals.
Zusammenfassend kombiniert die hier vorgestellte Ausgestaltung des Auslasskanals eine vergleichsweise kurze Länge mit einem hohen Turbinenwirkungsgrad und einer hohen katalytischen Effizienz. Von daher ist die Ausgestaltung des Auslasskanals speziell für Anwendungen mit dichten Packaging-Einschränkungen geeignet. Die Erfindung wurde hier in veranschaulichender Weise beschrieben, und es versteht sich, dass im Licht der obigen Lehren Modifikationen und Variationen möglich sind. Es versteht sich daher, dass die Erfindung in anderen Ausführungsbeispielen praktiziert werden kann, während sie noch durch die folgenden Ansprüche abgedeckt ist.

Claims

Turbinengehäuse (18) für einen Turbolader (10), wobei das Turbinengehäuse (18) umfasst: einen Turbinengehäusekörper (22), der dazu eingerichtet ist, ein Turbinenrad (24) aufzunehmen; einen Einlasskanal (26), der mit dem Turbinengehäusekörper (22) verbunden ist und der dazu eingerichtet ist, einen Abgasstrom aufzunehmen und den Abgasstrom in den Turbinengehäusekörper (22) zu leiten; und einen Auslasskanal (30), der mit dem Turbinengehäusekörper (22) verbunden ist und der dazu eingerichtet ist, den Abgasstrom abzuführen, wobei der Auslasskanal (30) eine Längsachse (L) aufweist und umfasst: einen ersten Abschnitt (50), umfassend: eine erste Einlassöffnung (52), die dazu eingerichtet ist, den Abgasstrom von dem Turbinengehäusekörper (22) aufzunehmen, wobei die erste Einlassöffnung (52) eine erste Querschnittsfläche aufweist; eine erste Auslassöffnung (54), die stromabwärts von der ersten Ein-lassöffnung (52) angeordnet ist und die dazu eingerichtet ist, den Abgasstrom von dem ersten Abschnitt (50) abzuführen; und eine erste Länge (L1) zwischen der ersten Einlassöffnung (52) und der ersten Auslassöffnung (54), wobei der erste Abschnitt (50) einen Öffnungswinkel von 0° bis 10° bezüglich der Längsachse (L) entlang der ersten Länge (L1) aufweist; einen zweiten Abschnitt (56), der stromabwärts von dem ersten Abschnitt (50) angeordnet ist und der umfasst: eine zweite Einlassöffnung (58), die dazu eingerichtet ist, den Abgasstrom von dem ersten Abschnitt (50) aufzunehmen; eine zweite Auslassöffnung (60), die stromabwärts von der zweiten Einlassöffnung (58) angeordnet ist und die dazu eingerichtet ist, den Abgasstrom von dem Turbinengehäuse (18) abzuführen, wobei die zweite Auslassöffnung (60) eine zweite Querschnittsfläche aufweist, die mindestens 1,8-mal größer ist als die erste Querschnittsfläche; und eine zweite Länge (L2) zwischen der zweiten Einlassöffnung (58) und der zweiten Auslassöffnung (60), wobei die zweite Länge (L2) weniger als 50% der ersten Länge (L1) beträgt.
Turbinengehäuse nach Anspruch 1, wobei die zweite Länge (L2) weniger als 30% der ersten Länge (L1) beträgt.
Turbinengehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Summe der ersten Länge (L1) und der zweiten Länge (L2) weniger als 15 cm beträgt.
Turbinengehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Querschnittsfläche mindestens 2,2-mal größer ist als die erste Querschnittsfläche.
Turbinengehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Abschnitt (56) des Auslasskanals umfasst: einen ersten Unterabschnitt (66), der die zweite Einlassöffnung (58) definiert, wobei sich der erste Unterabschnitt (66) nach außen hin aufweitet; und einen zweiten Unterabschnitt (68), der stromab von dem ersten Unterabschnitt (66) angeordnet ist und der die zweite Auslassöffnung (60) definiert.
Turbinengehäuse nach Anspruch 5, wobei sich der erste Unterabschnitt (66) mit einem vordefinierten Krümmungsradius nach außen aufweitet.
Turbinengehäuse nach Anspruch 5 oder 6, wobei zumindest ein erster Bereich des zweiten Unterabschnitts (68) einen linear zunehmenden Durchmesser aufweist.
Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei zumindest ein zweiter Bereich des zweiten Unterabschnitts (68) nach innen gekrümmt ist.
Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei eine innere Wand (70) des zweiten Unterabschnitts (68) unter einem Tangentialwinkel von 80° bis 90° in eine Ebene übergeht, die sich parallel zur zweiten Auslassöffnung (60) erstreckt.
Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei eine innere Wand (70) des zweiten Unterabschnitts (68) unter einem Tangentialwinkel von 0° bis 10° in eine Ebene übergeht, die sich parallel zur zweiten Auslassöffnung (60) erstreckt.
Turbinengehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Abschnitt (56) einen Flansch (62) definiert, der dazu eingerichtet ist, den Auslasskanal (30) mit einer Katalysatoranordnung zu verbinden.
Turbinengehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zusätzlich umfassend eine Vielzahl von Leitschaufeln (34), die Strömungskanäle von dem Einlasskanal (26) in den Turbinengehäusekörper (22) hinein definieren, wobei zumindest einige der Leitschaufeln (34) derart einstellbar sind, dass sie einen entsprechenden Querschnitt von zumindest einigen der Strömungskanäle verändern.
Turbinengehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einer aus dem ersten Abschnitt (50) und dem zweiten Abschnitt (56) bezüglich der Längsachse (L) rotationssymmetrisch ist.
Turbolader (10) umfassend ein Verdichtergehäuse (14); ein Turbinengehäuse (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und ein Lagergehäuse (16), das zwischen dem Verdichtergehäuse (14) und dem Turbinengehäuse (18) angeordnet und das mit diesen verbunden ist.