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Die Erfindung betrifft Turbine für ein Abgasturbolader eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff vom Patentanspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug.
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Eine solche Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, ist beispielsweise bereits der
DE 10 2015 212 381 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Turbine umfasst ein Turbinengehäuse, welches wenigstens eine von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Turbinenflut aufweist. Die Turbine umfasst außerdem ein in dem Turbinengehäuse, insbesondere drehbar, angeordnetes und von dem die Turbinenflut durchströmenden Abgas antreibbares und dadurch relativ zu dem Turbinengehäuse drehbares Turbinenrad. Des Weiteren weist die Turbine wenigstens einen Umgehungskanal auf, in welchen über eine stromauf des Turbinenrads angeordnete Abzweigöffnung des Umgehungskanals zumindest ein Teil des die Turbinenflut durchströmenden Abgases einleitbar ist. Hierdurch kann das Turbinenrad von dem in den Umgehungskanal eingeleiteten und daraufhin in den Umgehungskanal durchströmenden Teil des Abgases umgangen werden. Hierunter ist zu verstehen, dass der über die Abzweigöffnung in den Umgehungskanal eingeleitete und in der Folge den Umgehungskanal durchströmende Teil des Abgases, mithin das in den Umgehungskanal durchströmende Abgas das Turbinenrad umgeht und somit das Turbinenrad nicht antreibt. Insbesondere wird der Umgehungskanal auch als Wastegate, Bypass, Wastegate-Kanal oder Bypass-Kanal bezeichnet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Turbine und eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 gelöst. Vorteilhaft Ausgestaltungen zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Turbine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu verbessern, ist erfindungsgemäß eine Klappe vorgesehen, welche relativ zu dem Turbinengehäuse zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung bewegbar, insbesondere verschwenkbar, ist. In der Schließstellung versperrt die Klappe die Abzweigöffnung, insbesondere vollständig, während gleichzeitig die Klappe einen zumindest überwiegenden Teil, das heißt zumindest mehr als die Hälfte eines in Strömungsrichtung des Abgases stromauf der Abzweigöffnung angeordneten und von den Turbinenflut durchströmenden Abgas durchströmbaren Strömungsquerschnitts der Turbinenflut freigibt. Insbesondere gibt die Klappe in der Schließstellung den gesamten Strömungsquerschnitt frei. In der Offenstellung gibt die Klappe die Abzweigöffnung, insbesondere vollständig, frei, während die Klappe gleichzeitig zumindest den überwiegenden Teil des Strömungsquerschnitts, insbesondere den gesamten Strömungsquerschnitt, überdeckt und dadurch versperrt. Die Klappe funktioniert somit gleichzeitig sowohl als sogenannte Wastegate-Klappe oder Bypass-Klappe als auch als Abgasklappe. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass mittels der Klappe sowohl eine die Abzweigöffnung durchströmende sowie die über die Abzweigöffnung aus der Turbinenflut ausströmende und in den Umgehungskanal einströmende und in der Folge den Umgehungskanal durchströmende Menge des Abgases als auch der Strömungsquerschnitt einstellbar sind. Durch Einstellen, insbesondere Versperren, des Strömungsquerschnitts kann Abgas bedarfsgerecht aufgestaut werden, sodass beispielsweise eine besonders hohe Temperatur des Abgases realisiert werden kann. Durch Einstellen der den Umgehungskanal durchströmende Menge des Abgases können beispielsweise eine Leistung der Turbine und somit ein Ladedruck des Abgasturboladers eingestellt werden.
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Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde. Zur Regeneration von Partikelfiltern sowie zur Realisierung einer besonders hohen Abgastemperatur in Abgasnachbehandlungssystemen, insbesondere um Stickoxid-Emissionen (NOx-Emissionen) gering halten zu können, sind hinreichend hohe Abgastemperaturen vorteilhaft. Gleichzeitig sollten die Stickoxid-Emissionen jedoch mittels einer Abgasrückführung (AGR) geringgehalten werden, wobei gleichzeitig ein übermäßiger Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine vermieden werden sollte. Die Erfindung ermöglicht eine effektive Realisierung einer hinreichend hohen Abgastemperatur, ohne eine Abgasrückführung, das heißt einen Transport von rückzuführendem Abgas signifikant zu beeinflussen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Turbinengehäuse wenigstens eine von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbare und zumindest teilweise von der Turbinenflut getrennte, zweite Turbinenflut aufweist. Somit ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Turbinengehäuse wenigstens oder genau zwei Turbinenfluten und somit beispielweise die erste Turbinenflut und die zweite Turbinenflut aufweist. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die zuvor genannte Abgasrückführung bezogen auf die Turbinenfluten ausschließlich an der zweiten Turbinenflut beziehungsweise an einer fluidisch mit der zweiten Turbinenflut verbundenen Abgasflut der Verbrennungskraftmaschine stattfindet, sodass vorzugsweise die erste Turbinenflut sowie eine fluidisch mit der ersten Turbinenflut verbundene Abgasflut der Verbrennungskraftmaschine vollständig frei von Rückführstellen zum rückführen von Abgas sind. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Turbinenfluten zumindest teilweise voneinander getrennt sind, wobei vorzugsweise auch die Abgasfluten zumindest teilweise voneinander getrennt sind. Somit ist beispielsweise die Klappe in der Offenstellung bezogen auf die Turbinenfluten ausschließlich in der ersten Turbinenflut angeordnet, sodass das mittels der Klappe bewirkbare Aufstauen von Abgas bezogen auf die Turbinenfluten auf die erste Turbinenflut beschränkt wird. Dadurch wird die Abgasrückführung bezogen auf die Turbinenfluten auf die zweite Turbinenflut beschränkt, wodurch der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine besonders gering gehalten werden kann.
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Die erste Turbinenflut wird auch als nicht-AGR Turbinenflut bezeichnet, da weder die erste Turbinenflut noch die fluidisch mit der ersten Turbinenflut verwundene Abgasflut zum Rückführen von Abgas verwendet wird. Die Klappe ist somit beispielsweise in der nicht-AGR-Turbinenflut angeordnet und so positioniert, dass die Klappe sowohl den Strömungsquerschnitt einstellen als auch die Abzweigöffnung versperren kann.
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Zur Erfindung gehört auch eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei die Verbrennungskraftmaschine wenigstens einen Abgasturbolader mit einer erfindungsgemäßen Turbine aufweist. Vorteile und vorteilshafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Turbine sind als Vorteile und vorteilshafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine anzusehen und umgekehrt.
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Durch die vorgeschlagene Einbauposition der Klappe in der nicht-AGR-Turbinenflut kann die Klappe gleichzeitig sowohl eine sogenannte Wastegate-Funktionalität als auch eine sogenannte Abgasklappen-Funktionalität übernehmen. Unter der Wastegate-Funktionalität ist zu verstehen, dass mittels der Klappe die den Umgebungskanal durchströmende Menge des Abgases eingestellt werden kann beziehungsweise dass mittels der Klappe die Abzweigöffnung bedarfsgerecht freigegeben und versperrt werden kann. Unter der Abgasklappen-Funktionalität ist zu verstehen, dass mittels der Klappe und dabei insbesondere durch mittels der Klappe bewirktes Versperren des Strömungsquerschnitts Abgas bedarfsgerecht aufgestaut werden kann. Durch leichtes Öffnen der Klappe kann zunächst beispielsweise der Ladedruck eingestellt, insbesondere geregelt werden. Durch weiteres Öffnen der Klappe können der Strömungsquerschnitt und somit die Turbinenflut versperrt werden, wodurch Abgas aufgestaut wird. Hierdurch wird die Temperatur des Abgases erhöht.
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Die zweite Turbinenflut beziehungsweise die fluidisch mit der zweiten Turbinenflut verbundene Abgasflut wird auch als AGR-Flut bezeichnet, da die zweite Turbinenflut beziehungsweise die fluidisch mit der zweiten Turbinenflut verbundene Abgasflut zur Abgasrückführung genutzt. Die AGR-Flut wird dabei nicht durch die Klappe, das heißt nicht durch die Wastegate-Funktionalität und auch nicht durch die Abgasklappen-Funktionalität beeinflusst. Durch die Kombination mit einer variablen Asymmetrie und einer asymmetrischen Einspritzung kann eine zumindest nahezu volle Flexibilität für ein Thermomanagement insbesondere bezüglich Temperaturerhöhung und Stickoxid-Absenkung dargestellt werden. Üblicherweise wird mittels einer Abgasklappe Abgas stromab des Turbinenrads aufgestaut. Hierdurch wird auch die AGR-Flut so stark aufgestaut beziehungsweise hierdurch wird das Abgas auch in der AGR-Flut so stark aufgestaut, dass ein extremes und üblicherweise nicht mehr regelbares Druckgefälle für die Abgasrückführung entsteht. Dies kann nun durch die Erfindung vermieden werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur 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.
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Die Zeichnungen zeigt in der einzigen Fig. ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht eines Abgastrakts einer Verbrennungskraftmaschine.
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Die einzige Fig. zeigt ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht eines Abgastrakts 10 einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Dies bedeutet dass das vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen, ausgebildete Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand die Verbrennungskraftmaschine und somit den Abgastrakt 10 aufweist und mittels der Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist. In dem Abgastrakt 10 ist ein von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Abgaskrümmer 12 angeordnet, welcher eine erste Abgasflut 14 und eine zweite Abgasflut 16 aufweist beziehungsweise begrenzt. Die Abgasfluten 14 und 16 sind von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar. Dabei veranschaulicht ein Pfeil 18 dass die Abgasflut 14 durchströmende Abgas, und ein Pfeil 20 veranschaulicht dass die Abgasflut 16 durchströmende Abgas. Beispielsweise weist die Verbrennungskraftmaschine mehrere Zylinder auf. Wenigstens ein erster oder mehrere, erste der Zylinder sind beispielsweise einer ersten Bank zugeordnet oder bilden eine erste Bank. Wenigstens ein zweiter der Zylinder oder mehre, zweite der Zylinder sind einer zweiten Bank zugeordnet oder bilden eine zweite Bank, wobei die jeweilige Bank auch als Zylinderbank bezeichnet wird. Beispielsweise ist es vorgesehen, dass der beziehungsweise die Zylinder der ersten Bank fluidisch mit der Abgasflut 16 verbunden sind, sodass das Abgas aus dem beziehungsweise die Zylinder der ersten Bank durch die Abgasflut 16 hindurchströmen kann. Der beziehungsweise die Zylinder der zweiten Bank sind beispielsweise fluidisch mit der Abgasflut 14 verbunden, sodass das Abgas aus den beziehungsweise dem Zylinder der zweiten Bank durch die Abgasflut 14 hindurchströmen kann.
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Die Verbrennungskraftmaschine weist außerdem einen von Luft durchströmbaren und auch als Einlasstrakt bezeichneten Ansaugtrakt auf, mittels welchem diesen Ansaugtrakt durchströmende Luft zu dem und in die Zylinder geführt werden kann. Außerdem umfasst die Verbrennungskraftmaschine auch einen Abgasturbolader, welcher eine in dem Ansaugtrakt angeordneten Verdichter zum Verdichten der den Ansaugtrakt durchströmenden Luft und eine in dem Abgastrakt 10 angeordnete Turbine umfasst. Die Turbine weist ein Turbinengehäuse 22 auf, welches beispielsweise separat von dem Abgaskrümmer 12 ausgebildet ist. Das Turbinengehäuse 22 weist genau zwei von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Turbinenfluten 24 und 26 auf. Aus der Fig. ist erkennbar, dass die Abgasfluten 14 und 16 zumindest teilweise voneinander getrennt sind, und die Turbinenfluten 24, 26 sind zumindest teilweise voneinander getrennt. Ferner ist erkennbar, dass die Turbinenflut 24 fluidisch mit der Abgasflut 14 verbunden ist, und die Turbinenflut 26 ist fluidisch mit der Abgasflut 16 verbunden. Die Abgasflut 14 und die Turbinenflut 24 bilden eine erste Flut, welche auch als nicht-AGR-Flut bezeichnet wird, da die gesamte nicht-AGR-Flut frei von einer Rückführstelle ist, über welche das Abgas in den Ansaugtrakt rückführbar ist. Die Turbinenflut 26 und die Abgasflut 16 bilden jedoch eine sogenannte AGR-Flut, da die AGR-Flut wenigstens eine Rückführstelle RS aufweist, über welche zumindest ein Teil des die AGR-Flut durchströmenden Abgases aus der AGR-Flut abzweigbar und in eine Rückführleitung 28 der Verbrennungskraftmaschine einleitbar ist. Das an der Rückführstelle RS aus der AGR-Flut abgezweigte und dadurch in die Rückführleitung 28 eingeleitete und in der Folge durch die Rückführleitung 28 durchströmende Abgas ist in der Fig. durch einen Pfeil 30 veranschaulicht und wird für Rückführleitung 28 zu dem und in den Ansaugtrakt geführt. Dies wird auch als Abgasrückführung (AGR) bezeichnet. Es ist erkennbar, dass die Rückführstelle RS in der Abgasflut 16 und dabei in Strömungsrichtung des die AGR-Flut durchströmende Abgases stromauf der Turbinenflut 26 angeordnet ist. Der Rückführstelle RS ist ein beispielsweise als Klappe ausgebildetes AGR-Ventil 32 zugeordnet, mittels welchem eine Menge des die Rückführleitung 28 durchströmenden und dadurch rückzuführenden Abgases einstellbar ist.
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In dem Turbinengehäuse 22 ist ein in der Fig. nicht dargestelltes Turbinenrad der Turbine drehbar aufgenommen. Dass die Turbinenflut 24, 26 durchströmende Abgas wird mittels der Turbinenfluten 24, 26 zu dem Turbinenrad geführt, sodass das Turbinenrad von dem die Turbinenfluten 24, 26 durchströmenden Abgas antreibbar und um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse 22 drehbar ist. Außerdem weist die Turbine, insbesondere das Turbinengehäuse 22, einen Umgehungskanal 34 auf, über welchen zumindest ein Teil des die Turbinenflut 24 durchströmenden Abgases an einer in Strömungsrichtung des die Turbinenflut 24 durchströmenden Abgases stromauf des Turbinenrads angeordneten Abzweigstelle A aus der Turbinenflut 24 abzweigbar und in den Umgehungskanal 34 einleitbar ist. Das an der Abzweigstelle A aus der Turbinenflut 24 abgezweigte und in den Umgehungskanal 34 eingeleitete Abgas und insbesondere dessen Strömung durch den Umgehungskanal 34 sind in der Fig. durch einen Pfeil 36 veranschaulicht. Das den Umgehungskanal 34 durchströmende Abgas umgeht das Turbinenrad und treibt somit das Turbinenrad nicht an. Das den Umgehungskanal 34 durchströmende Abgas wird beispielsweise an einer Einleitstelle wieder in den Abgastrakt 10 eingeleitet, wobei die Einleitstelle in Strömungsrichtung des den Abgastrakt 10 durchströmenden Abgases stromab des Turbinenrads angeordnet ist.
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Der Umgehungskanal 34 weist eine Abzweigöffnung 38 auf, über welche zumindest der zuvor genannte Teil des die Turbinenflut 24 durchströmenden Abgases aus der Turbinenflut 24 abzweigbar und in den Umgehungskanal 34 einleitbar ist. Die Abzweigöffnung 38 ist an der Abzweigstelle A angeordnet. Durch Einleiten von Abgas in den Umgehungskanal 34 ist das Turbinenrad von dem in den Umgehungskanal 34 eingeleiteten Abgas zu umgehen.
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Um nun eine besonders Emissions- und Kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren zu können, weist die Turbine eine Klappe 40 auf, welche relativ zu dem Turbinengehäuse 22 zwischen einer Schließstellung S und Offenstellungen 01 und 02 bewegbar, insbesondere um eine Schwenkachse SA verschwenkbar, ist. In der Schließstellung S versperrt die Klappe 40 die Abzweigöffnung 38, insbesondere vollständig, während die Klappe 40 einen zumindest überwiegenden Teil eines in Strömungsrichtung des die Turbinenflut 24 durchströmenden Abgases stromauf der Abzweigöffnung 38 angeordneten und von dem die Turbinenflut 24 durchströmenden Abgas durchströmbaren Strömungsquerschnitts Q freigibt. In der Offenstellung O1 gibt die Klappe 40 die Abzweigöffnung 38, insbesondere vollständig, frei, während die Klappe 40 gleichzeitig zumindest den überwiegenden Teil des Strömungsquerschnitts Q versperrt, das heißt überdeckt und somit verschließt. In der Offenstellung 02 gibt die Klappe 40 die Abzweigöffnung 38 frei und überdeckt den Strömungsquerschnitt Q nur geringfügig, insbesondere weniger als die Hälfte und ganz insbesondere weniger als ein Drittel des Strömungsquerschnitts Q.
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Durch leichtes, von der Schließstellung S ausgehendes Öffnen der Klappe 40 wird somit die Abzweigöffnung 38 freigegeben, ohne den Strömungsquerschnitt Q übermäßig zu versperren. Dadurch kann zumindest ein Teil des die Turbinenflut 24 durchströmenden Abgases in den Umgehungskanal 34 einströmen. Durch weiteres Öffnen der Klappe 40, insbesondere in die Offenstellung 01, wird der Strömungsquerschnitt Q durch die Klappe 40 zumindest überwiegen überdeckt und somit verschlossen, sodass das Abgas besonders vorteilhaft aufgestaut werden kann. Dadurch kann eine besonders hohe Abgastemperatur realisiert werden. Mittels der hohen Temperatur des Abgases kann beispielsweise ein im Abgastrakt 10, insbesondere stromab der Turbine, angeordneter Partikelfilter vorteilhaft regeneriert werden. Ein Beeinflussung der AGR-Flut durch die Klappe 40 in deren Funktionalitäten kann vermieden werden, sodass eine übermäßige Beeinflussung der Abgasrückführung vermieden werden kann. Dadurch können Stickoxid-Emissionen besonders gering gehalten werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Abgastrakt
- 12
- Abgaskrümmer
- 14
- Abgasflut
- 16
- Abgasflut
- 18
- Pfeil
- 20
- Pfeil
- 22
- Turbinengehäuse
- 24
- Turbinenflut
- 26
- Turbinenflut
- 28
- Rückführleitung
- 30
- Pfeil
- 32
- AGR-Ventil
- 34
- Umgehungskanal
- 36
- Pfeil
- 38
- Abzweigöffnung
- 40
- Klappe
- A
- Abzweigstelle
- O1
- Offenstellung
- 02
- Offenstellung
- Q
- Strömungsquerschnitt
- RS
- Rückführstelle
- S
- Schließstellung
- SA
- Schwenkachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015212381 A1 [0002]
