DE102019105931A1

DE102019105931A1 - Zweiflutiger Abgasturbolader mit zwei Bypässen und voneinander weg gerichteten Austritten der Bypässe

Info

Publication number: DE102019105931A1
Application number: DE102019105931.3A
Authority: DE
Inventors: Dominik Lückmann; Max Stadermann
Original assignee: FEV Europe GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2018-03-12
Filing date: 2019-03-08
Publication date: 2019-05-09
Also published as: DE102018105595A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1; 101; 201), aufweisend eine Turbinenvolute (2; 102), einen sich zur Turbinenvolute (2; 102) erstreckenden ersten Einlasskanal (3; 103) mit einem ersten Bypass (4; 104), einen sich zur Turbinenvolute (2; 102) erstreckenden zweiten Einlasskanal (5; 105) mit einem zweiten Bypass (6; 106), wobei an einem Austritt (7; 107) des ersten Bypasses (4; 104) ein erster Abschnitt (8; 108) des ersten Bypasses (4; 104) grenzt, der eine erste Hauptrichtung eines aus dem ersten Bypass (4; 104) ausströmenden Abgases vorgibt, und an einem Austritt (10; 110) des zweiten Bypasses (6; 106) ein erster Abschnitt (11; 111) des zweiten Bypasses (6; 106) grenzt, der eine zweite Hauptrichtung eines aus dem zweiten Bypass (6; 106) ausströmenden Abgases vorgibt, und die erste Hauptrichtung durch einen von dem ersten Bypass (4; 104) wegzeigenden ersten Vektor (9; 109) und die zweite Hauptrichtung durch einen von dem zweiten Bypass (6; 106) wegzeigenden zweiten Vektor (12; 112) beschreibbar ist, und ein Winkel (13; 113) zwischen dem ersten Vektor (9; 109) und dem zweiten Vektor (12; 112) größer als zehn Grad ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, aufweisend eine Turbinenvolute, einen zur Turbinenvolute hinführenden ersten Einlasskanal mit einem ersten Bypass und einen zur Turbinenvolute hinführenden zweiten Einlasskanal mit einem zweiten Bypass.
Ein derartiger Abgasturbolader ist aus der US 5,046,317 bekannt. Der erste und zweite Bypass des darin beschriebenen Abgasturboladers geben jeweils eine Richtung eines aus dem jeweiligen Bypass strömenden Abgases vor, wobei die beiden Richtungen parallel zueinander verlaufen. Dies vereinfacht eine Konstruktion einer Abdeckung der beiden Bypässe mit einer Klappe. Strömt Abgas aus den beiden Bypässen, so baut sich ein Druck in einem Nahbereich der Auslässe der Bypässe auf. Dieser Druck wirkt in Form eines Gegendruckes bei einem Ladungswechsel von Zylindern, die über geöffnete Auslassventile mit den Bypässen verbundenen sind. Es hat sich gezeigt, dass sich durch eine gegenseitige Beeinflussung von aus den Bypässen strömenden Abgasen ein höherer Druck aufbaut als es ohne die gegenseitige Beeinflussung der Fall wäre. Aus konstruktiven Gründen sind die beiden Bypässe jedoch nah zueinander angeordnet, weil der erste und der zweite Einlasskanal in die Turbinenvolute führen.
Ausgehend hiervon ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abgasturbolader bereitzustellen, bei welchem eine gegenseitige Beeinflussung von aus den Bypässen strömenden Abgasen reduziert wird.
Diese Aufgabe wird mit einem Abgasturbolader mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Abgasturboladers sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Abgasturbolader, aufweisend eine Turbinenvolute, einen sich zur Turbinenvolute erstreckenden ersten Einlasskanal mit einem ersten Bypass und einen sich zur Turbinenvolute erstreckenden zweiten Einlasskanal mit einem zweiten Bypass, vorgeschlagen. An einem Austritt des ersten Bypasses grenzt ein erster Abschnitt des ersten Bypasses, der eine erste Hauptrichtung eines aus dem ersten Bypass ausströmenden Abgases vorgibt. An einem Austritt des zweiten Bypasses grenzt ein erster Abschnitt des zweiten Bypasses, der eine zweite Hauptrichtung eines aus dem zweiten Bypass ausströmenden Abgases vorgibt. Die erste Hauptrichtung ist durch einen von dem ersten Bypass wegzeigenden ersten Vektor und die zweite Hauptrichtung durch einen von dem zweiten Bypass wegzeigenden zweiten Vektor beschreibbar, wobei ein Winkel zwischen dem ersten Vektor und dem zweiten Vektor größer als zehn Grad ist.
Der jeweilige erste und zweite Abschnitt wird entsprechend durch ein Material des ersten beziehungsweise zweiten Bypasses gebildet, das an den Austritt des ersten beziehungsweise zweiten Bypass grenzt und sich in eine Richtung entlang des Bypasses erstreckt, aus der das Abgas kommt. Das Abgas strömt von zumindest einem ersten Auslassventil eines ersten Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine, an die der Abgasturbolader angeschlossen ist, zu dem ersten Einlasskanal und von zumindest einem zweiten Auslassventil eines zweiten Zylinders der Verbrennungskraftmaschine zu dem zweiten Einlasskanal. Im Sinne der Erfindung können der erste Abschnitt des ersten beziehungsweise zweiten Bypasses die erste beziehungsweise zweite Hauptrichtung vorgeben, indem sie ein in dem ersten Abschnitt des ersten beziehungsweise zweiten Bypasses strömendes Abgas derart Führen, dass es den ersten Abschnitt des ersten beziehungsweise zweiten Bypasses in der ersten beziehungsweise zweiten Hauptrichtung verlässt.
Der erste Abschnitt des ersten Bypasses und der erste Abschnitt des zweiten Bypasses können die erste beziehungsweise zweite Hauptrichtung durch folgende geometrische Beschaffenheit vorgeben. Der erste Abschnitt des ersten Bypasses und der erste Abschnitt des zweiten Bypasses können jeweils eine Mittellinie aufweisen, die an dem Austritt des ersten Bypasses beziehungsweise des zweiten Bypasses einen ersten beziehungsweise zweiten Tangentialvektor haben, der gleich oder annähernd gleich dem ersten beziehungsweise zweiten Vektor ist. Annähernd gleich meint, dass der erste und zweite Tangentialvektor eine Richtungsabweichung gegenüber der ersten beziehungsweise zweiten Hauptrichtung von weniger als fünf Grad haben.
Dabei wird die Mittellinie des ersten Abschnittes des ersten beziehungsweise zweiten Bypasses durch Flächenschwerpunkte von Querschnittsflächen des ersten Abschnitts des ersten beziehungsweise zweiten Bypasses gebildet, die senkrecht zu der Mittellinie des ersten Abschnittes des ersten beziehungsweise zweiten Bypasses ausgerichtet sind. Die Querschnittsflächen begrenzen jeweils einen Hohlraum des ersten beziehungsweise zweiten Bypasses, in dem das Abgas strömen kann. Vorteilhafterweise verläuft die Mittellinie des ersten Abschnittes des ersten beziehungsweise zweiten Bypasses im Wesentlichen parallel zu der ersten beziehungsweise zweiten Hauptrichtung. Im Wesentlichen meint, dass eine Richtung der Mittellinie des ersten Abschnittes des ersten beziehungsweise zweiten Bypasses nicht mehr als fünf Grad von der ersten beziehungsweise zweiten Hauptrichtung abweicht.
Eine Strecke, entlang welcher sich die Mittellinie des ersten Abschnittes des ersten oder zweiten Bypasses erstreckt, beträgt vorzugsweise mindestens etwa zehn Prozent einer gesamten Länge des ersten beziehungsweise zweiten Bypasses, wodurch eine minimale Länge der jeweiligen ersten Abschnitte vorgegeben ist. Bevorzugt ist der erste Abschnitt des ersten beziehungsweise zweiten Bypasses so lang, dass ein Winkel von mehr als zehn Grad zwischen dem ersten Tangentialvektor und dem zweiten Tangentialvektor anhand eines geometrischen Verlaufes der Bypässe mit bloßem Auge erkennbar ist.
Die Turbinenvolute ist Teil eines Turbinengehäuses einer Turbine des Abgasturboladers. Das Turbinengehäuse umfasst bevorzugt den ersten und zweiten Einlasskanal und den ersten und zweiten Bypass. Möglich ist auch, dass der erste und der zweite Bypass an das Turbinengehäuse montiert sind. Die Einlasskanäle leiten das von den Auslassventilen kommende Abgas hin zur Turbinenvolute. Im Sinne der Erfindung erstrecken sich der erste und der zweite Einlasskanal zumindest soweit in Richtung der Auslassventile und soweit in Richtung der Turbinenvolute, dass sie entsprechend eine erste Abzweigung von dem ersten Einlasskanal zum ersten Bypass und eine zweite Abzweigung von dem zweiten Einlasskanal zum zweiten Bypass umfassen.
Der Austritt des ersten beziehungsweise zweiten Bypasses ist durch eine erste Querschnittsfläche des ersten Bypasses beziehungsweise eine zweite Querschnittsfläche des zweiten Bypasses definiert, durch die das Abgas zuletzt hindurchströmt, wenn es den ersten beziehungsweise zweiten Bypass verlässt. Die Austritte sind mittels einer beweglichen Abdeckung verschließbar und freigebbar, wodurch die Bypässe geschlossen beziehungsweise geöffnet werden können.
Die erste und zweite Hauptrichtung können mittels einer Simulation einer über eine räumlich und zeitlich gemittelte Richtung des aus dem Austritt des ersten beziehungsweise zweiten Bypasses strömenden Abgases bestimmbar sein. Die erste oder zweite Hauptrichtung kann beispielsweise eine über ein simuliertes Zeitintervall von beispielsweise zwei Minuten gemittelte räumlich gemittelte erste beziehungsweise zweite erfasste Richtung einer Strömung sein, die das Abgas beim Verlassen des ersten beziehungsweise zweiten Bypasses ausbildet. Die räumlich gemittelte erste beziehungsweise zweite Richtung kann eine an zumindest jeweils zwei Punkten der ersten beziehungsweise zweiten Querschnittsfläche zum selben Zeitpunkt erfasste Richtung der Strömung sein. Bevorzugt ist die räumlich gemittelte erste beziehungsweise zweite Richtung ein über die erste beziehungsweise zweite Querschnittsfläche gemittelter Durchschnittswert, wobei alle drei Raumrichtungen der räumlich gemittelten ersten beziehungsweise zweiten Richtung über die entsprechende Querschnittsfläche gemittelte Werte sind.
Die erste oder zweite Hauptrichtung kann neben der Simulation auch durch eine Messung einer Abgasströmung, beispielsweises mittels Laserstrahlen, an zumindest zwei Punkten in einem Nahbereich der beiden Austritte oder unmittelbar an den Austritten erfassbar sein. Je höher eine Anzahl an Punkten ist, an denen eine jeweilige Richtung der Strömung des Abgases zur Bestimmung der ersten oder zweiten Hauptrichtung gemessen wird, desto genauer können die Hauptrichtungen ermittelt werden.
Weicht eine mittels der Simulation oder Messung der Strömung des Abgases ermittelte erste und zweite Hauptrichtung von einer mittels der Mittellinien der ersten Abschnitte der Bypässe bestimmten ersten und zweiten Hauptrichtung ab, so bestimmt sich die erste und zweite Hauptrichtung über eine Berechnung der Flächenschwerpunkte und der entsprechenden Mittellinien.
Erfindungsgemäß ist der erste Vektor in dem Winkel von größer als zehn Grad zu dem zweiten Vektor ausgerichtet. Damit zeigen die beiden Hauptrichtungen voneinander weg. Voneinander wegzeigen meint, dass ein Abstand zwischen einem ersten Punkt, der sich von dem Austritt des ersten Bypasses entlang der ersten Hauptrichtung bewegt, und einem zweiten Punkt, der sich von dem Austritt des zweiten Bypasses entlang der zweiten Hauptrichtung bewegt, zunimmt.
In jedem Fall ist die erste Hauptrichtung nicht parallel zur zweiten Hauptrichtung ausgerichtet. Mit anderen Worten strömt ein erster Abgasstrom aus dem ersten Abschnitt des ersten Bypasses in eine Richtung weg von einem aus dem ersten Abschnitt des zweiten Bypasses strömenden zweiten Abgasstrom. Dadurch kann eine gegenseitige Beeinflussung von aus den Bypässen strömenden Abgasen und damit ein Druck in einem Nahbereich der Austritte reduziert werden. Hierdurch kann der Gegendruck bei einem Ladungswechsel und ein Verbrauch der Verbrennungskraftmaschine verringert werden. Dass der erste Vektor den Winkel von mehr als zehn Grad zu dem zweiten Vektor einnimmt, kann auch dadurch erreicht werden, dass der erste und/oder der zweite Bypass sich im Wesentlichen gerade wie ein Rohr von dem ersten beziehungsweise zweiten Einlasskanal erstrecken.
Es hat sich gezeigt, dass bei dem Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Vektor von größer als zehn Grad eine Veränderung der Strömungsverhältnisse in einem Nahbereich um den Austritt des ersten Bypasses und/oder den Austritt des zweiten Bypasses im Vergleich zu einer Anordnung der Bypässe, bei welcher der Winkel Null Grad ist, deutlich messbar ist. So kann beispielsweise die Veränderung mithilfe einer Veränderung eines mittleren Druckes in dem Nahbereich bestimmt werden. Die Veränderung des mittleren Druckes ist negativ, wodurch der Gegendruck bei einem Ladungswechsel und zumindest einem geöffneten Bypass reduziert wird. Wie stark eine Verringerung des Gegendruckes ist, wenn der Winkel zehn Grad beträgt, hängt vorzugsweise von einem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine und von einer Motorkonfiguration der Verbrennungskraftmaschine ab. Wichtige Größen zur Definition der Motorkonfiguration sind unter anderem der Hubraum, die Nenndrehzahl, der Liefergrad und ein damit zusammenhängendes Strömungsverhalten bei dem Ladungswechsel bei dem geöffneten ersten oder zweiten Bypass.
Berücksichtigt man zusätzlich einen Aufwand, der bei einer Änderung einer Fertigung des vorgeschlagenen Abgasturboladers entsteht, so kann der Winkel von etwa zehn Grad ein aus fertigungstechnischer und ladungswechseloptimierender Sicht mögliches Optimum darstellen. Es ist davon auszugehen, dass der zusätzliche Aufwand bei der Fertigung mit einem steigenden Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Vektor zunimmt. Üblicherweise werden Abgasturbolader, insbesondere das Turbinengehäuse, das den ersten und zweiten Einlasskanal umfassen kann, mit einem Gießverfahren hergestellt. Ändert sich der Winkel, so müssen entsprechend Gusskokillen und Gusskerne in Abhängigkeit von dem veränderten Winkel entweder verändert oder komplett neu hergestellt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt der Winkel in einem Bereich zwischen zwanzig und neunzig Grad. Der Bereich mit 20 Grad als unterer Grenze und 90 Grad als oberer Grenze stellt einen Bereich dar, innerhalb welcher für die meisten Motorkonfigurationen ein aus ladungswechseltechnischer Sicht optimaler Winkel höchstwahrscheinlich liegt. Steigt der Winkel, ausgehend von einem Wert von etwa 20 Grad, so ist eine Verringerung des Gegendruckes bei fast allen Motorkonfigurationen zu erwarten. Fällt hingegen der Winkel, ausgehend von einem Wert von etwa 90 Grad, so ist bei vielen Motorkonfigurationen eine Vergrößerung des Gegendruckes zu erwarten, da das Abgas zu stark in den Bypässen abgelenkt wird. Möglich ist jedoch, dass es bestimmte Motorkonfigurationen gibt, bei denen die untere ober obere Grenze des oben beschriebenen Bereiches von dem Wert 20 beziehungsweise 90 abweicht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform hat der Abgasturbolader eine Abdeckung zur gemeinsamen Abdeckung des Austrittes des ersten Bypasses und des Austrittes des zweiten Bypasses. Dadurch, dass eine Beeinflussung der aus den Bypässen austretenden Abgase durch den erfindungsgemäßen Abgasturbolader reduziert wird, können die Austritte so nah zusammengelegt werden, dass eine gemeinsame Abdeckung möglich ist, ohne dass sich die Abgase der Bypässe zu stark beeinflussen. Die Abdeckung kann in Form einer verschließbaren Klappe ausgebildet sein.
In einer speziellen Variante ist vorgesehen, dass eine erste Gerade, die parallel zum ersten Vektor verläuft und einen Flächenschwerpunkt eines Querschnittes des ersten Abschnittes des ersten Bypasses am Austritt des ersten Bypasses schneidet, zu einer zweiten Gerade, die parallel zum zweiten Vektor verläuft und einen Flächenschwerpunkt eines Querschnittes des ersten Abschnittes des zweiten Bypasses am Austritt des zweiten Bypasses schneidet, windschief ausgerichtet ist. Dadurch kann eine gegenseitige Beeinflussung der aus den Bypässen austretenden Abgasströme noch weiter verringert werden. Vorteilhafterweise sind die Austritte des ersten und zweiten Bypasses noch weiter voneinander entfernt angeordnet, als es bei einer Variante, bei welcher die erste und die zweite Gerade in einer Ebene liegen würden, der Fall wäre.
In den meisten Fällen ist vorteilhaft vorgesehen, dass der erste Bypass einen stromaufwärts des ersten Abschnittes des ersten Bypasses angeordneten zweiten Abschnitt aufweist, der eine zur ersten Hauptrichtung unterschiedliche dritte Richtung des in dem ersten Bypass strömenden Abgases vorgibt. Der erste und der zweite Abschnitt des ersten Bypasses bewirken in diesem Fall eine erste Richtungsänderung des innerhalb des ersten Bypasses strömenden Abgases, wobei der erste und der zweite Abschnitt des ersten Bypasses bevorzugt aneinander grenzen.
Die erste Richtungsänderung erfolgt vorzugsweise derart, dass die erste Hauptrichtung stärker als die dritte Richtung von der zweiten Hauptrichtung weg zeigt.
Bevorzugt zeigt die dritte Richtung zu dem zweiten Bypass hin und die erste Hauptrichtung von dem zweiten Bypass weg. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass innerhalb des zweiten Bypasses keine wesentlich messbare Umlenkung des in dem zweiten Bypass strömenden Abgases erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass eine Optimierung des gesamten Systems, welches die beiden Bypässe aufweist, einfacher gestaltet werden kann, da nur der erste Bypass im Vergleich zu einem Design gemäß des Standes der Technik verändert wird. Auf diese Weise kann auch ein Aufwand bei der Änderung der Fertigung des Abgasturboladers reduziert werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zweite Bypass einen stromaufwärts des ersten Abschnittes des zweiten Bypasses angeordneten zweiten Abschnitt aufweist, der eine zur zweiten Hauptrichtung unterschiedliche vierte Richtung des in dem zweiten Bypass strömenden Abgases vorgibt. Der erste und der zweite Abschnitt des zweiten Bypasses bewirken bei dieser Ausführungsform eine zweite Richtungsänderung des innerhalb des zweiten Bypasses strömenden Abgases, wobei der erste und der zweite Abschnitt des zweiten Bypasses bevorzugt aneinander grenzen.
Bei dieser Ausführungsform erfolgt sowohl in dem ersten Bypass als auch in dem zweiten Bypass eine Richtungsänderung der darin strömenden Abgasströme.
Dadurch kann insbesondere je nach Geometrie des Turbinengehäuses eine Stärke der ersten Richtungsänderung reduziert werden, wodurch eine Gefahr eines Strömungsabrisses und eine Reibung in dem ersten Bypass vermindert werden können. Des Weiteren können der erste und der zweite Bypass wesentlich flexibler entworfen werden, wodurch beispielsweise eine Verlegung der ersten oder zweiten Abzweigung des ersten beziehungsweise zweiten Bypasses möglich ist. Dies kann einen Reibungsverlust in dem ersten Einlasskanal, dem ersten Bypass, dem zweiten Einlasskanal und/oder dem zweiten Bypass weiter reduzieren, wodurch der Gegendruck beim Ladungswechsel weiter minimiert werden kann.
Vorteilhafterweise ist die erste Richtungsänderung unterschiedlich zur zweiten Richtungsänderung. Diese Variante erlaubt wie die zuletzt beschriebene Ausführungsform des Abgasturboladers eine weitere Flexibilität bei einem Entwerfen des Abgasturboladers, die mit ähnlichen Vorteilen verbunden ist.
So kann beispielsweise die erste Richtungsänderung stärker als die zweite Richtungsänderung ausgebildet sein, was bewirken kann, dass das in dem ersten Bypass strömende Abgas einen längeren Weg als das in den zweiten Bypass strömende Abgas zurücklegt. Dies kann dann vorteilhaft sein, wenn ein Weg des Abgases von einem Auslassventil hin zu dem ersten Einlasskanal kürzer als ein Weg des Abgases von einem weiteren Auslassventil zu dem zweiten Bypass ist. Durch die stärkere erste Richtungsänderung und den damit einhergehenden längeren Weg des Abgases innerhalb des ersten Bypasses kann ein Wegunterschied zwischen dem Auslassventil und dem entsprechenden Bypass ausgeglichen werden.
Dies bewirkt, dass ein Volumen, das sich von den entsprechenden Auslassventilen bis hin zu den Austritten der Bypässe erstreckt, etwa gleich groß ist. Dadurch ist es möglich, dass in den entsprechenden Volumina befindliche Moleküle des Abgases ein ähnliches Schwingungsverhalten aufweisen, was für eine Optimierung des Liefergrades des Verbrennungsmotors förderlich ist. Insbesondere können Schwingungsknoten von Druckwellen in den Bypässen auf diese Art gezielt an die Austritte der Bypässe gelegt werden.
In einer weiteren Ausgestaltungsform hat der erste Bypass eine Mittellinie, auf der Flächenschwerpunkte von Querschnittsflächen des ersten Bypasses liegen, die senkrecht zur Mittellinie des ersten Bypasses ausgerichtet sind. Die Mittellinie des ersten Bypasses hat vorzugsweise einen S-förmigen Verlauf, bei welchem die Mittellinie des ersten Bypasses zumindest einmal ein Vorzeichen ihrer Krümmung ändert. Der S-förmige Verlauf kann derart ausgebildet sein, dass eine Strömung in dem ersten Bypass zunächst weg von dem zweiten Bypass, danach in Richtung zu dem zweiten Bypass und im Anschluss daran durch den ersten Abschnitt des ersten Bypasses führt. Dadurch können die Austritte der beiden Bypässe nah zueinander angeordnet werden, obwohl die ersten Abschnitte der Bypässe die Strömung in die erste beziehungsweise zweite Hauptrichtung lenken. Somit können der erste Bypass und der zweite Bypass mit einer einzelnen Abdeckung abgedeckt und gleichzeitig ein Ausströmen des Abgases aus den Bypässen in unterschiedliche Richtungen, nämlich in die erste und die zweite Hauptrichtung, ermöglicht werden.
Der S-förmige Verlauf des ersten Bypasses kann auch dahingehend positiv wirken, dass ein vom ersten Einlasskanal in den ersten Bypass strömendes Abgas zunächst nicht so stark, bevorzugt gar nicht, umgelenkt wird und erst nach einer Lauflänge innerhalb des ersten Bypasses die erste Richtungsänderung erfolgt. Dies bewirkt, dass das Abgas beim Durchströmen des ersten Bypasses zunächst abgebremst wird und die erste Richtungsänderung des Abgases bei einer Geschwindigkeit des Abgases erfolgt, die geringer als bei einem Einströmen in den ersten Bypass ist. Hierdurch kann unter bestimmten Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine ein Strömungsabriss an einer Innenwand des Bypasses vermieden werden.
In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass der Austritt des ersten Bypasses einen ersten hydraulischen Durchmesser und der Austritt des zweiten Bypasses einen zweiten hydraulischen Durchmesser haben, wobei der erste hydraulische Durchmesser unterschiedlich zu dem zweiten hydraulischen Durchmesser ist. Je nachdem, wie stark die erste und/oder zweite Richtungsänderung innerhalb des ersten bzw. zweiten Bypasses ist, kann ein Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten hydraulischen Durchmesser unterschiedlich groß sein. Dabei ist vorzugsweise der jeweilige hydraulische Durchmesser umso größer, je stärker die erste beziehungsweise zweite Richtungsänderung ist, um einen Druckverlust durch die entsprechende Richtungsänderung zu kompensieren. Da im Zuge eines optimierten Designs bevorzugt die erste Richtungsänderung unterschiedlich zur zweiten Richtungsänderung ist, ist bevorzugt der erste hydraulische Durchmesser unterschiedlich groß gegenüber dem zweiten hydraulischen Durchmesser. Beispielsweise ist der erste hydraulische Durchmesser um fünf Prozent größer als der zweite hydraulische Durchmesser.
Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung hat der erste Bypass an zwei unterschiedlichen Stellen zwei unterschiedliche Krümmungen, wobei sich die Stellen in einer Ebene, die senkrecht zur Mittellinie des ersten Bypasses verläuft, und auf einer Geraden, die sich in der Ebene befindet und die Mittellinie des ersten Bypasses schneidet, befinden. Mit Hilfe der unterschiedlichen Krümmungen ist es möglich, Teile des Abgases je nach Lage innerhalb der Ebene verschieden stark umzulenken. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn Abgaspartikel wie z. B. Ruß, je nach Position in der Ebene eine stark unterschiedliche Geschwindigkeit aufweisen. Vorteilhaft werden schnelle Partikel weniger stark umgeleitet als langsamere Partikel.
Weiterhin kann der vorgeschlagene Abgasturbolader eine erste Abdeckung zum Schließen des ersten Bypasses und eine zweite Abdeckung zum Schließen des zweiten Bypasses aufweisen. Die erste Abdeckung ist bei dieser Variante mit einem Abstand zur zweiten Abdeckung angeordnet. Die erste Abdeckung ist in vorteilhafter Weise separat von der zweiten Abdeckung beweglich und steuerbar. Der Abstand zwischen den beiden Abdeckungen bewirkt, dass der aus dem ersten Bypass ausströmende erste Abgasstrom den aus dem zweiten Bypass strömenden zweiten Abgasstrom weniger stark beeinflusst und dadurch der Gegendruck weiter reduziert werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Figuren. Dabei bezeichnet ein mehrfach verwendetes Bezugszeichen dieselbe Komponente. Die Figuren zeigen schematisch in:

1 eine Schnittansicht eines Abgasturboladers mit zwei Bypässen,
2 eine Schnittansicht des Abgasturboladers nach 1 mit einer Abdeckung der Bypässe,
3 eine Seitenansicht von Austritten von Bypässen einer weiteren Variante des Abgasturboladers nach 1,
4 eine Schnittansicht eines weiteren Abgasturboladers mit zwei Bypässen,
5 eine Schnittansicht eines weiteren Abgasturboladers mit zwei Bypässen.

1 zeigt einen Abgasturbolader 1 mit einer Turbinenvolute 2, einem sich in die Turbinenvolute 2 erstreckenden ersten Einlasskanal 3 mit einem ersten Bypass 4, der an einer ersten Abzweigung 15 von dem ersten Einlasskanal 3 wegführt, einem sich in die Turbinenvolute 2 erstreckenden zweiten Einlasskanal 5 mit einem zweiten Bypass 6, der an einer zweiten Abzweigung 16 von dem zweiten Einlasskanal 5 wegführt. Ein erster Abschnitt 8 des ersten Bypasses 4 grenzt an einen Austritt 7 des ersten Bypasses 4, wobei der erste Abschnitt 8 des ersten Bypasses 4 eine erste Hauptrichtung eines aus dem ersten Bypass 4 ausströmenden Abgases vorgibt. Ein erster Abschnitt 11 des zweiten Bypasses 6 grenzt an einen Austritt 10 des zweiten Bypasses 6, wobei der erste Abschnitt 11 des zweiten Bypasses 6 eine zweite Hauptrichtung eines aus dem zweiten Bypass 6 strömenden Abgases vorgibt.
Die erste Hauptrichtung ist durch einen von dem ersten Bypass 4 weg zeigenden ersten Vektor 9 und die zweite Hauptrichtung durch einen von dem zweiten Bypass 6 weg zeigenden zweiten Vektor 12 beschreibbar. Der erste Vektor 9 und der zweite Vektor 12 können wie jeder Vektor im Raum verschoben werden, so dass ein Winkel 13 zwischen dem ersten Vektor 9 und dem zweiten Vektor 12 bestimmbar ist. Der Winkel 13 ist erfindungsgemäß größer als 10 Grad. In vorteilhafter Weise liegt der Winkel 13 in einem Bereich zwischen 20 und 90 Grad. In dem in 1 gezeigten Beispiel liegt der Winkel 13 bei etwa 30 Grad.
Der Abgasturbolader 1 weist weiterhin ein Turbinengehäuse 23, ein Schaufelrad 21 sowie einen schematisch gezeigten Verdichter 22 auf. Das Schaufelrad 21 ist mit dem Verdichter 22 über eine Welle 24 verbunden.
2 zeigt den in 1 gezeigten Abgasturbolader in einem Zustand, bei welchem die Austritte 7, 10 des ersten und zweiten Bypasses 4, 6 mittels einer gemeinsamen Abdeckung 14 verschlossen sind. In diesem Zustand kann kein Abgas aus den Bypässen 4, 6 strömen. Die Austritte der Bypässe 4, 6 können durch ein Schwenken der Abdeckung 14 geöffnet werden. Die Abdeckung 14 ist vorzugsweise als ein kreisrunder Teller ausgebildet.
In dem in 1 gezeigten Zustand der Abdeckung 14 gibt die Abdeckung 14 die Austritte 7, 10 der beiden Bypässe 4, 6 frei, so dass das Abgas aus den beiden Bypässen 4, 6 strömen kann.
Aus 1 geht weiterhin hervor, dass der erste Abschnitt 8 des ersten Bypasses 4 eine Mittellinie 17 und der erste Abschnitt 11 des zweiten Bypasses 6 eine Mittellinie 18 haben. Auf den Mittellinien 17, 18 liegen jeweils Flächenschwerpunkte von Querschnittsflächen des ersten Abschnittes 8 des ersten Bypasses 4 beziehungsweise des ersten Abschnittes 11 des zweiten Bypasses 6, die senkrecht zu der jeweiligen Mittellinie 17, 18 des ersten Abschnittes 8, 11 des ersten beziehungsweise zweiten Bypasses 4, 6 ausgerichtet sind. Die Querschnittsflächen begrenzen jeweils einen Hohlraum des ersten beziehungsweise zweiten Bypasses 4, 6, in dem Abgas strömen kann. Die jeweilige Mittellinie 17, 18 des ersten Abschnittes des ersten beziehungsweise des zweiten Bypasses 4, 6 verläuft im Wesentlichen parallel zu dem ersten beziehungsweise zweiten Vektor 9, 12.
3 stellt eine Seitenansicht einer speziellen Variante des in 1 und 2 gezeigten Abgasturboladers 1 aus der in 1 gezeigten Blickrichtung A-A dar, wobei in 3 nur die Austritte 7 und 10 der Bypässe 4, 6 gezeigt sind. Gemäß dieser Variante ist eine erste Gerade, die parallel zum ersten Vektor 9 verläuft und einen Flächenschwerpunkt 32 eines Querschnittes 31 des ersten Abschnittes 8 des ersten Bypasses 4 am Austritt 7 des ersten Bypasses 4 schneidet, zu einer zweiten Gerade, die parallel zum zweiten Vektor 12 verläuft und einen Flächenschwerpunkt 34 eines Querschnittes 33 des ersten Abschnittes 11 des zweiten Bypasses 6 am Austritt 10 des zweiten Bypasses 6 schneidet, windschief ausgerichtet. In 3 sind jeweils die Pfeilspitzen des ersten Vektors 9 und des zweiten Vektors 12 dargestellt. Ein Punkt der ersten Gerade fällt in der in 3 gezeigten Seitenansicht mit einem Flächenschwerpunkt 32 des Querschnittes 31 und ein Punkt der zweiten Gerade fällt mit dem Flächenschwerpunkt 34 des Querschnittes 33 zusammen.
Bei der Variante gemäß der 1 und 2 liegen die oben beschriebene erste und zweite Gerade in einer Ebene, d.h. sie sind nicht windschief zueinander ausgerichtet. 1 zeigt weiterhin, dass der erste Bypass 4 einen stromaufwärts des ersten Abschnittes 8 des ersten Bypasses 4 angeordneten zweiten Abschnitt 25 aufweist, der eine zur ersten Hauptrichtung unterschiedliche dritte Richtung 26 des in dem ersten Bypass 4 strömenden Abgases vorgibt. Der erste Abschnitt 8 und der zweite Abschnitt 25 des ersten Bypasses 4 bewirken eine erste Richtungsänderung des innerhalb des ersten Bypasses 4 strömenden Abgases. Zur Übersicht sind der erste Abschnitt 8 und der zweite Abschnitt 25 in 1 beabstandet voneinander gezeichnet. In den meisten Fällen grenzt der erste Abschnitt 8 an den zweiten Abschnitt 25.
4 zeigt einen weiteren Abgasturbolader 101 mit einer Turbinenvolute 102, einem sich in die Turbinenvolute 102 erstreckenden ersten Einlasskanal 103 mit einem ersten Bypass 104, der an einer ersten Abzweigung 115 von dem ersten Einlasskanal 103 wegführt, einem sich in die Turbinenvolute 102 erstreckenden zweiten Einlasskanal 105 mit einem zweiten Bypass 106, der an einer zweiten Abzweigung 116 von dem zweiten Einlasskanal 105 wegführt. Ein erster Abschnitt 108 des ersten Bypasses 104 grenzt an einen Austritt 107 des ersten Bypasses 104, wobei der erste Abschnitt 108 des ersten Bypasses 104 eine erste Hauptrichtung eines aus dem ersten Bypass 104 ausströmenden Abgases vorgibt. Ein erster Abschnitt 111 des zweiten Bypasses 106 grenzt an einen Austritt 110 des zweiten Bypasses 106, wobei der erste Abschnitt 111 des zweiten Bypasses 106 eine zweite Hauptrichtung eines aus dem zweiten Bypass 106 strömenden Abgases vorgibt.
Die erste Hauptrichtung ist durch einen von dem ersten Bypass 104 weg zeigenden ersten Vektor 109 und die zweite Hauptrichtung durch einen von dem zweiten Bypass 106 weg zeigenden zweiten Vektor 112 beschreibbar. Bei dem in 4 gezeigten Abgasturbolader beträgt ein Winkel 113 zwischen dem ersten Vektor 109 und dem zweiten Vektor 112 etwa 70 Grad.
Aus 4 ist ersichtlich, dass der erste Bypass 104 eine Mittellinie 120 hat, auf der Flächenschwerpunkte von Querschnittsflächen des ersten Bypasses 104 liegen, die senkrecht zur Mittellinie 120 des ersten Bypasses 104 ausgerichtet sind, und die Mittellinie 120 des ersten Bypasses 104 einen S-förmigen Verlauf hat, bei welchem die Mittellinie 120 des ersten Bypasses 104 zumindest einmal ein Vorzeichen ihrer Krümmung ändert. Die beiden Austritte 107, 110 sind mithilfe eines Abdecksystems 125 mit einer ersten Abdeckung 126 und einer zweiten Abdeckung 127 verschließbar. Das Abdecksystem 125 ist in 4 in einer geöffneten Stellung gezeigt. Die Abdeckungen 126, 127 sind gemäß einer ersten Variante gemeinsam verschließbar, sodass die beiden Abdeckungen 126, 127 eine gemeinsame Abdeckung ausbilden. Gemäß einer zweiten Variante sind die Abdeckungen 126, 127 getrennt voneinander ansteuerbar, d.h. schließbar und zu öffnen. Entsprechend einer dritten Variante können die beiden Austritte 107, 110 auch durch eine gemeinsame Abdeckung, wie sie in 1 mit der Abdeckung 14 gezeigt ist, verschließbar sein. Dabei kann die gemeinsame Abdeckung ein kreisrunder Teller sein.
4 zeigt weiterhin, dass ein erster hydraulischer Durchmesser 128 des Austritts 107 des ersten Bypass 104 im Vergleich zu einem zweiten hydraulischen Durchmesser 129 des Austrittes 110 des zweiten Bypasses 106 unterschiedlich groß ist.
5 zeigt einen weiteren Abgasturbolader 201, der bis auf einen zweiten Bypass 206 und eine zweite Abzweigung 216 genauso ausgebildet ist wie der in 4 gezeigte Abgasturbolader 101. Sämtliche Komponenten des Abgasturboladers 201, die dieselben Bezugszeichen wie die Komponenten des Abgasturboladers 101 haben, funktionieren in gleicher Weise und sind gleich ausgebildet. Der zweite Bypass 206 weist einen stromaufwärts des ersten Abschnittes 111 des zweiten Bypasses 206 angeordneten zweiten Abschnitt 207 auf, der eine zur zweiten Hauptrichtung unterschiedliche vierte Richtung 208 des in dem zweiten Bypass 206 strömenden Abgases vorgibt. Der erste Abschnitt 111 und der zweite Abschnitt 207 des zweiten Bypasses bewirken eine zweite Richtungsänderung des innerhalb des zweiten Bypasses 206 strömenden Abgases. Die beiden Austritte 107, 110 können mittels allen möglichen Varianten von Abdeckungen, wie sie für den Abgasturbolader 101 beschrieben sind, verschließbar oder freigebbar sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5046317 [0002]

Claims

Abgasturbolader (1; 101; 201), aufweisend eine Turbinenvolute (2; 102), einen sich zur Turbinenvolute (2; 102) erstreckenden ersten Einlasskanal (3; 103) mit einem ersten Bypass (4; 104), einen sich zur Turbinenvolute (2; 102) erstreckenden zweiten Einlasskanal (5; 105) mit einem zweiten Bypass (6; 106), wobei an einem Austritt (7; 107) des ersten Bypasses (4; 104) ein erster Abschnitt (8; 108) des ersten Bypasses (4; 104) grenzt, der eine erste Hauptrichtung eines aus dem ersten Bypass (4; 104) ausströmenden Abgases vorgibt, und an einem Austritt (10; 110) des zweiten Bypasses (6; 106) ein erster Abschnitt (11; 111) des zweiten Bypasses (6; 106) grenzt, der eine zweite Hauptrichtung eines aus dem zweiten Bypass (6; 106) ausströmenden Abgases vorgibt, und die erste Hauptrichtung durch einen von dem ersten Bypass (4; 104) wegzeigenden ersten Vektor (9; 109) und die zweite Hauptrichtung durch einen von dem zweiten Bypass (6; 106) wegzeigenden zweiten Vektor (12; 112) beschreibbar ist, und ein Winkel (13; 113) zwischen dem ersten Vektor (9; 109) und dem zweiten Vektor (12; 112) größer als zehn Grad ist.
Abgasturbolader (1; 101; 201) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (8; 108) des ersten Bypasses (4; 104) und der erste Abschnitt (11; 111) des zweiten Bypasses (6; 106) jeweils eine Mittellinie (17, 18; 117, 118) haben, auf der jeweils Flächenschwerpunkte von Querschnittsflächen des ersten Abschnittes (8, 11; 108, 111) des ersten beziehungsweise zweiten Bypasses (6; 106) liegen, wobei die Querschnittsflächen senkrecht zu der jeweiligen Mittellinie (17, 18; 117, 118) des ersten Abschnittes (8, 11; 108, 111) des ersten beziehungsweise zweiten Bypasses (4, 6; 104, 106) ausgerichtet sind und jeweils einen Hohlraum des ersten beziehungsweise zweiten Bypasses (4, 6; 104, 106) begrenzen, in dem das Abgas strömen kann, und die jeweilige Mittellinie (17, 18; 117, 118) des ersten Abschnittes (8, 11; 108, 111) des ersten beziehungsweise des zweiten Bypasses (4, 6; 104, 106) im Wesentlichen parallel zu dem ersten Vektor (9; 109) beziehungsweise zweiten Vektor (12; 112) verläuft.
Abgasturbolader (1; 101; 201) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (13; 113) in einem Bereich zwischen zwanzig und neunzig Grad liegt.
Abgasturbolader (1; 101; 201) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader eine Abdeckung (14; 125) zur gemeinsamen Abdeckung des Austrittes (7; 107) des ersten Bypasses (4; 104) und des Austrittes (10; 110) des zweiten Bypasses (6; 106) hat.
Abgasturbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Gerade, die parallel zum ersten Vektor (9) verläuft und einen Flächenschwerpunkt eines Querschnittes des ersten Abschnittes (8) des ersten Bypasses (4) am Austritt (7) des ersten Bypasses (4) schneidet, zu einer zweiten Gerade, die parallel zum zweiten Vektor (12) verläuft und einen Flächenschwerpunkt eines Querschnittes des ersten Abschnittes (11) des zweiten Bypasses (6) am Austritt (10) des zweiten Bypasses (6) schneidet, windschief ausgerichtet ist.
Abgasturbolader (1; 101; 201) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bypass (4; 104) einen stromaufwärts des ersten Abschnittes (8; 108) des ersten Bypasses (4; 104) angeordneten zweiten Abschnitt (25) aufweist, der eine zur ersten Hauptrichtung unterschiedliche dritte Richtung (26) des in dem ersten Bypass (4; 104) strömenden Abgases vorgibt, wobei der erste Abschnitt (8; 108) und der zweite Abschnitt des ersten Bypasses (4; 104) eine erste Richtungsänderung des innerhalb des ersten Bypasses (4; 104) strömenden Abgases bewirken.
Abgasturbolader (201) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bypass (206) einen stromaufwärts des ersten Abschnittes (111) des zweiten Bypasses (206) angeordneten zweiten Abschnitt (207) aufweist, der eine zur zweiten Hauptrichtung unterschiedliche vierte Richtung (208) des in dem zweiten Bypass (206) strömenden Abgases vorgibt, wobei der erste Abschnitt (111) und der zweite Abschnitt (207) des zweiten Bypasses (206) eine zweite Richtungsänderung des innerhalb des zweiten Bypasses (206) strömenden Abgases bewirken.
Abgasturbolader (101; 201) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bypass (104) eine Mittellinie (120) hat, auf der Flächenschwerpunkte von Querschnittsflächen des ersten Bypasses (104) liegen, die senkrecht zur Mittellinie (120) des ersten Bypasses (104) ausgerichtet sind, und die Mittellinie (120) des ersten Bypasses (104) einen S-förmigen Verlauf hat, bei welchem die Mittellinie (120) des ersten Bypasses (104) zumindest einmal ein Vorzeichen ihrer Krümmung ändert.
Abgasturbolader (1; 101; 201) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Austritt (7; 107) des ersten Bypasses (4; 104) einen ersten hydraulischen Durchmesser (128) und der Austritt (10; 110) des zweiten Bypasses (6; 106) einen zweiten hydraulischen Durchmesser (129) haben, wobei der erste hydraulische Durchmesser (128) und der zweite hydraulische Durchmesser (129) unterschiedlich groß sind.
Abgasturbolader (101; 201) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 2, 3 und 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader (101; 201) eine erste Abdeckung (126) zum Schließen des ersten Bypasses (4; 104) und eine zweite Abdeckung (127) zum Schließen des zweiten Bypasses (6; 106) aufweist und die erste Abdeckung (126) mit einem Abstand zur zweiten Abdeckung (127) angeordnet ist.