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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasturbine mit ventilgesteuertem Bypass.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Abgasturbinen mit einem Bypass, einem sogenannten Wastegate bekannt. Mittels eines Bypasskanals und eines Bypassventils wird ein Teil des Abgases über den Bypass an der Turbine vorbeigeleitet, um somit eine Steuerung der mittels der Turbine bereitgestellten Wellenleistung zu ermöglichen. Dieses Bypassventil ist im Allgemeinen bei Abgasturboladern für Brennkraftmaschinen als Klappe direkt im Turbinengehäuse integriert. Die Ausströmung von durch den Bypass geleitetem Abgas wirkt dabei aufgrund der Positionierung des Bypassventils und der Ausführung des Bypassventils als Klappenventil teilweise störend auf die Hauptströmung. Diese störende Wirkung ist zudem noch von dem Öffnungswinkel des Bypassventils als Klappenventil abhängig. Durch diesen Bypass und insbesondere durch das Bypassventil werden zusätzliche Strömungswiderstände erzeugt, welche sich negativ auf die Ladungswechselarbeit auswirken.
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Im Falle einer nah zur Turbine angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere eines Abgaskatalysators, kann die Ausströmung von durch den Bypass geleitetem Abgas zudem zu heißen lokal begrenzten Bereichen führen, welche sich in Abhängigkeit des Öffnungswinkels des Bypassventils als Klappenventil an unterschiedlichen Stellen ausbilden. Dies führt zu einer erhöhten Belastung der Abgasnachbehand lungseinrichtungen.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 29 39 152 A1 ist eine Turbine eines Abgasturboladers für Brennkraftmaschinen bekannt, mittels welcher der negative Einfluss auf die Ladungswechselverluste gesenkt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass der Bypass über eine etwa in Abströmrichtung des die Turbine verlassenden Abgases gerichtete Düse in den Turbinenauslass mündet und mit diesem eine Strahlpumpe bildet. Die in den Turbinenabgasstrom gerichtete Düse wirkt in Verbindung mit dem Turbinenauslass als Treibdüse einer Strahlpumpe. Dadurch soll die Abgasenergie des durch den Bypass geführten Abgases nicht ungenutzt bleiben, sondern zu einer Absenkung des Drucks nach der Turbine führen. Die Strahldüse ist dazu beispielsweise als ringschiebergesteuerte Ringdüse, welche den Turbinenauslass ummantelt, oder alternativ als hubventil- oder klappengesteuerte Einmündung eines Bypasskanals in einer Wandung des Turbinenauslasses, ausgeführt.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 27 38 929 A1 ist ein Abgasturbolader mit einem ventilgesteuerten Bypass bekannt, wobei das Bypassventil als Hubventil ausgeführt ist und der Ventilteller im Bereich der Einmündung des Bypasskanals in den Turbinenauslass angeordnet ist.
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Aus der
DE 10 2006 001 571 A1 ist ein strömungsoptimierter Bypass für Strömungsmaschinen, insbesondere Abgasturbolader, bekannt, um eine verlustarme Führung des Abgasstromes durch den Bypass zu ermöglichen. Der Bypass weist eine strömungsoptimierte Bypassklappe auf, welche auch bei kleinen und mittleren Öffnungswinkeln zu einer turbulenzarmen Zuströmung des durch den Bypass geleiteten Abgases zu einer als Ringkanal ausgeführten Einmündung in den Turbinenauslass führt. Dazu ist die Bypassklappe am turbineneintrittsseitigen Ende des Bypasskanals angeordnet. Der an die Bypassklappe anschließende Bypasskanal soll dann weiter leicht konisch verlaufen oder als Diffusor ausgebildet sein, so dass dadurch bereits ein Druckrückgewinn erfolgen kann. Daneben wird auch ein Ringschieber vorgeschlagen, welcher die Einmündung des Bypasses im Bereich des Ringkanals möglichst ohne Strömungsbehinderung steuern soll. Zudem wird eine Drallerzeugung durch den Bypasskanal oder Dralleinsätze vorgeschlagen.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2012 112 396 A1 ist ein Abgasführungsabschnitt für eine Turbine mit einem Bypass bekannt. Für eine weitere Steigerung der Druckreduzierung am Turbinenauslass wird vorgeschlagen, dass der Bypasskanal an der um den Turbinenauslass ringförmig verlaufenden Einmündung eine Neigung mit einem spitzen Winkel gegenüber einer Drehachse des Turbinenrades aufweist.
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Aus der Offenlegungsschrift
US 2018/0128162 A1 geht ein Abgasturbolader mit Bypass für Brennkraftmaschinen hervor. Der Bypasskanal wird durch eine besonders ausgeführte Bypassklappe gesteuert, mittels welcher die Ausströmung nicht mehr ungerichtet in den Turbinenauslass erfolgen soll und demnach weniger Turbulenz erzeugt wird. Die Bypassklappe weist dazu bypasskanalseitig eine kurvenförmige Oberfläche mit einer zentralen Teilungswand auf. Durch die Teilungswand wird die Ausströmung unterteilt und durch die kurvenförmige Oberfläche in definierte Richtungen gelenkt.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Abgasturbine mit ventilgesteuertem Bypasskanal bereitzustellen, mittels welchem der Ejektoreffekt weiter verbessert ist.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch eine Abgasturbine mit ventilgesteuertem Bypass nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine erfindungsgemäß vorteilhafte Abgasturbine mit ventilgesteuertem Bypass bereit, bei welcher die Ausströmung von durch den Bypass geleitetem Abgas in einen Hauptabgasstrom und somit auch der Ejektoreffekt verbessert ist.
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Die Abgasturbine weist in einem Turbinengehäuse einen Turbineneinlass, ein im Turbinengehäuse drehbar gelagertes Turbinenlaufrad mit Turbinenwelle, einen Turbinenauslass und einen das Turbinenlaufrad umgehenden ventilgesteuerten Bypass auf. Demnach stellt der Bypass eine direkte Fluidverbindung zwischen Turbineneinlass und Turbinenauslass bereit, so dass durch den Bypass geleitetes Abgas nicht über das Turbinenlaufrad strömt und somit eine Steuerung der Turbinenwellenleistung ermöglicht. Der Bypass wiederum umfasst einen Bypasseinlass im Bereich des Turbineneinlasses, einen Bypasskanal, ein Bypassventil und einen Bypassauslass im Bereich des Turbinenauslasses. Über den Bypasseinlass ist der Bypasskanal mit dem Turbineneinlass und über den Bypassauslass mit dem Turbinenauslass fluidverbunden. Das Bypassventil ist im Bypasskanal im Bereich des Bypasseinlasses oder zwischen dem Bypasseinlass und dem Bypassauslass angeordnet, wobei das Bypassventil derart positioniert ist, dass sich der Bypasskanal durch einen Endabschnitt zumindest teilweise in Strömungsrichtung des durch den Bypass geleiteten Abgases nach dem Bypassventil erstreckt. Demnach stellt dieser Endabschnitt des Bypasskanals eine Fluidverbindung zwischen dem Bypassventil und dem Bypassauslass und somit mit dem Turbinenauslass dar. Erstreckt sich der Bypasskanal auch teilweise in Strömungsrichtung des Abgases durch den Bypass vor dem Bypassventil, verringert sich der effektive Strömungsquerschnitt vom Bypasseinlass zum Bypassventil hin. Der Bypassauslass ist seitlich zum Turbinenauslass angeordnet, so dass das durch den Bypass geleitete Abgas von außen in den Hauptabgasstrom durch den Turbinenauslass einmündet.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ist der Endabschnitt des Bypasskanals in seinem Verlauf zumindest teilweise zum Bereich des Bypassauslasses hin gegenüber dem Verlauf des Turbinenauslasses zum Turbinenauslass senkrecht, parallel oder geneigt ausgerichtet. Die Neigung kann dabei sehr gering sein, so dass der Endabschnitt des Bypasskanals annähernd parallel zum Turbinenauslass oder mit einem geringen eingeschlossenen Winkel zwischen Endabschnitt des Bypasskanals und Turbinenauslass geneigt ist. Die Neigung kann dabei sehr hoch sein, so dass der Endabschnitt des Bypasskanals annähernd senkrecht zum Turbinenauslass oder mit einem großen eingeschlossenen Winkel zwischen Endabschnitt des Bypasskanals und Turbinenauslass geneigt ist.
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Weiter weist der Endabschnitt des Bypasskanals in seinem Verlauf zumindest teilweise zum Bereich des Bypassauslasses hin eine Krümmung auf. Die Krümmung ist so orientiert, dass sich der Endabschnitt des Bypasskanals im Bereich des Bypassauslasses zum Turbinenauslass hin oder vom Turbinenauslass wegkrümmt. Die Krümmung ist demnach mit ihrer konkaven Seite dem Turbinenauslass oder mit ihrer konvexen Seite dem Turbinenauslass zugewandt. Ob die Krümmung zum Turbinenauslass hingekrümmt oder vom Turbinenauslass weggekrümmt ist, hängt dabei von der Neigung des Endabschnitts des Bypasskanals im Bereich des Bypassauslasses ab. Verläuft der Endabschnitt des Bypasskanals im Bereich des Bypassauslasses gegenüber dem Turbinenauslass parallel oder ist sehr gering geneigt, ist der Endabschnitt des Bypasskanals im Bereich des Bypassauslasses zum Turbinenauslass hingekrümmt. Verläuft der Endabschnitt des Bypasskanals im Bereich des Bypassauslasses gegenüber dem Turbinenauslass senkrecht oder ist sehr hoch geneigt, ist der Endabschnitt des Bypasskanals im Bereich des Bypassauslasses vom Turbinenauslass weggekrümmt. Durch die zusätzliche Krümmung des Endabschnitts des Bypasskanals im Bereich des Bypassauslasses wird die Ausströmung des durch den Bypass geleiteten Abgases abgelenkt und ausgerichtet, um den Ejektoreffekt gegenüber der Hauptströmung vom Turbinenlaufrad zu verbessern.
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In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise ist die Krümmung derart ausgestaltet, dass der Coanda-Effekt genutzt werden kann, welcher die Strömung des Abgases durch den Bypass im Bereich des Bypassauslasses optimiert, so dass die Strömung optimal in die Hauptströmung vom Turbinenlaufrad einmünden kann und die Impulsübertragung von der Ausströmung aus dem Bypass als Treibstrahl auf die Hauptströmung als Saugstrahl im Sinne einer Strahlpumpe verbessert ist. Durch den Coanda-Effekt legt sich die Strömung an den Bypasskanal im Bereich der Krümmung an und wird entsprechend der Krümmung geführt, konzentriert und ausgerichtet.
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Im Verlauf des Endabschnitts des Bypasskanals zum Bypassauslass hin ist die Krümmung nicht konstant, sondern verändert sich. Hauptsächlich vergrößert sich die Krümmung beziehungsweise reduziert sich der Krümmungsradius im Verlauf des Bypasskanals zum Bypassauslass hin, welcher durch eine gerundete Bypassauslasskante gebildet wird. Die Krümmung und die Rundung der Bypassauslasskante sind dabei derart aufeinander abgestimmt, dass die Strömung des Abgases durch den Bypass zunächst geführt und ausgerichtet wird, und anschließend ein Strömungsabriss der Ausströmung des durch den Bypass geleiteten Abgases unabhängig von der Öffnung des Bypassventils stets an derselben Stelle oder nur mit geringen örtlichen Abweichungen von der Bypassauslasskante erfolgt.
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Dadurch wird die Strömung unter Vermeidung zusätzlicher Strömungswiderstände vorteilhaft geführt und ausgerichtet, um somit den Ejektoreffekt gegenüber der Hauptströmung weiter zu verbessern und eine gerichtete Strömung bereitzustellen. Im Bereich der Krümmung vergrößert sich der effektive Strömungsquerschnitt des Endabschnitts des Bypasskanals, bevor eine Einmündung der Strömung durch den Bypass in die Hauptströmung des Turbinenauslasses durch den Bypassauslass erfolgt.
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In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise ist der Bypasskanal im Bereich des Bypassauslasses als ein den Turbinenauslass mantelförmig umgreifender Ringkanal ausgeführt. Dazu geht der Bypasskanal ausgehend von einem kreisförmigen Bypasseinlass im Turbineneinlass in einen ringförmigen Bypassauslass im Turbinenauslass über. Demnach ist der Endabschnitt des Bypasskanals zumindest teilweise als Ringkanal ausgeführt, welcher dann zum Bypassauslass die Neigung und / oder die Krümmung aufweist. Der Übergang von Bypassauslass und Turbinenauslass ist dann durch eine um den Turbinenauslass ringförmig verlaufende Rundkante ausgebildet.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter alternativer Weise ist der Bypasskanal im Bereich des Bypassauslasses als einzelner Seitenkanal ausgeführt. Der Endabschnitt des Bypasskanals weist im Bereich des Bypassauslasses einen sichelförmigen Strömungsquerschnitt auf und erstreckt sich demnach in einen bestimmten Winkelbereich über den Umfang des Turbinenauslasses.
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Auch der Einsatz unterschiedlicher an den jeweiligen Bypass angepasste Bypassventile, beispielsweise Klappenventile, Hubventile oder Schieberventile kann den Coanda-Effekt noch weiter unterstützen. Durch die Ausführung der Bypassventile kann die Strömung durch den Bypass durch das individuelle Bypassventil selbst abgelenkt und somit die Krümmung besser angeströmt werden. Die Ausrichtung des Treibstrahls durch den Bypassauslass wird dadurch nicht beeinflusst, die Strömung wird lediglich weiter konzentriert. Dadurch kann den Ejektoreffekt nochmals verbessert werden.
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Durch die erfindungsgemäß vorteilhafte Abgasturbine mit ventilgesteuertem Bypass lässt sich der Einfluss des Bypassventils auf die Ausbildung der Strömung des Abgases durch den Bypassauslass reduzieren, so dass die Ausrichtung des Treibstrahls nicht oder nur gering von der Öffnung des Bypassventils abhängig ist. Die Ausrichtung und Konzentration des Treibstrahls durch den Bypassauslass wird maßgeblich durch die Neigung und die Krümmung des Endabschnitts des Bypasskanals bestimmt. In Folge dessen wird der Mitreißeffekt, also der Ejektor-Effekt verbessert, es kann die Positionsveränderung von thermisch höherbelasteten Stellen reduziert oder sogar vermieden werden und es kann eine optimierte Anpassung von Abgasnachbehandlungseinrichtungen an die durch die Bypassströmung resultierenden thermischen Belastungen erfolgen.
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Figurenliste
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Beispielhaft wird hier eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen Abgasturbine 1 mit ventilgesteuertem Bypass 2 dargestellt. In den dazugehörigen Figuren zeigt:
- 1a: eine schematische Darstellung der Abgasturbine 1 mit einem ventilgesteuerten Bypass 2 mit Seitenkanal und Hubventil,
- 1b: eine schematische Darstellung der Abgasturbine 1 mit einem ventilgesteuerten Bypass 2 mit Ringkanal und Hubventil, sowie
- 1 c: eine schematische Darstellung der Abgasturbine 1 mit einem ventilgesteuerten Bypass 2 mit Seitenkanal und Klappenventil.
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Die Ausführung einer erfindungsgemäß vorteilhaften Abgasturbine 1 mit ventilgesteuertem Bypass 2, dargestellt in 1a, 1b und 1c, weist in einem Turbinengehäuse 3 einen Turbineneinlass 4, ein im Turbinengehäuse 3 drehbar gelagertes Turbinenlaufrad 5 mit Turbinenwelle 6, einen Turbinenauslass 7 und den das Turbinenlaufrad 5 umgehenden Bypass 2 auf. Der Bypass 2 wiederum umfasst einen Bypasseinlass 2a im Bereich des Turbineneinlasses 4, einen Bypasskanal 2b, ein Bypassventil 2c und einen Bypassauslass 2d im Bereich des Turbinenauslasses 7. Das Bypassventil 2c ist als Hubventil, dargestellt in 1a und 1b, oder als Klappenventil, dargestellt in 1c, ausgeführt und im Bypasskanal 2b zwischen dem Bypasseinlass 2a und dem Bypassauslass 2d angeordnet, wobei das Bypassventil 2c derart positioniert ist, dass sich der Bypasskanal 2b durch einen Endabschnitt 2e zumindest teilweise in Strömungsrichtung des durch den Bypass 2 geleiteten Abgases nach dem Bypassventil 2c erstreckt. Der Endabschnitt 2e des Bypasskanals 2b ist in seinem Verlauf zum Bereich des Bypassauslasses 2d hin gegenüber dem Verlauf des Turbinenauslasses 7 zum Turbinenauslass 7 geneigt ausgerichtet, wobei die Neigung dabei sehr gering ist, so dass der Endabschnitt 2e des Bypasskanals 2b annähernd parallel zum Turbinenauslass 7 verläuft. Der Bypasskanal 2b ist im Bereich des Bypassauslasses 2d als einzelner Seitenkanal, dargestellt in 1a, oder als ein den Turbinenauslass 7 mantelförmig umgreifender Ringkanal, dargestellt in 1b, ausgeführt.
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Weiter weist der Endabschnitt 2e des Bypasskanals 2b in seinem Verlauf zum Bypassauslass 2d hin eine Krümmung 2f auf. Die Krümmung 2f ist so orientiert, dass die Krümmung 2f mit ihrer konkaven Seite dem Turbinenauslass 7 zugewandt ist und sich so der Endabschnitt 2e des Bypasskanals 2b im Bereich des Bypassauslasses 2d zum Turbinenauslass 7 hinkrümmt. Im Verlauf des Endabschnitts 2e des Bypasskanals 2b zum Bypassauslass 2d hin vergrößert sich die Krümmung 2f bis zum Bypassauslass 2d. Zudem vergrößert sich der effektive Strömungsquerschnitt des Endabschnitts 2e des Bypasskanals 2b. Der Bypassauslass 2d selbst wird durch eine gerundete Bypassauslasskante 2g gebildet.
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Ausführungsbeispiel 2
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Beispielhaft wird hier eine zweite Ausführung einer erfindungsgemäßen Abgasturbine 1 mit ventilgesteuertem alternativen Bypass 2 dargestellt. In den dazugehörigen Figuren zeigt:
- 2a: eine schematische Darstellung der Abgasturbine 1 mit einem ventilgesteuerten alternativen Bypass 2 mit Seitenkanal, und
- 2b: eine schematische Darstellung der Abgasturbine 1 mit einem ventilgesteuerten alternativen Bypass 2 mit Ringkanal.
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Die alternative Ausführung einer erfindungsgemäß vorteilhaften Abgasturbine 1 mit ventilgesteuertem Bypass 2, dargestellt in 2a, 2b und 2c, weist in einem Turbinengehäuse 3 einen Turbineneinlass 4, ein im Turbinengehäuse 3 drehbar gelagertes Turbinenlaufrad 5 mit Turbinenwelle 6, einen Turbinenauslass 7 und den das Turbinenlaufrad 5 umgehenden Bypass 2 auf. Der Bypass 2 wiederum umfasst einen Bypasseinlass 2a im Bereich des Turbineneinlasses 4, einen Bypasskanal 2b mit einem Endabschnitt 2e, ein Bypassventil 2c und einen Bypassauslass 2d im Bereich des Turbinenauslasses 7. Das Bypassventil 2c ist als Hubventil, dargestellt in 2a und 2b, oder als Klappenventil, dargestellt in 2c, ausgeführt und im Bereich des Bypasseinlasses 2a positioniert. Der Endabschnitt 2e des Bypasskanals 2b ist zumindest teilweise in seinem Verlauf zum Bereich des Bypassauslasses 2d hin gegenüber dem Verlauf des Turbinenauslasses 7 zum Turbinenauslass 7 geneigt ausgerichtet. Der Bypasskanal 2b ist im Bereich des Bypassauslasses 2d als einzelner Seitenkanal, dargestellt in 2a, oder als ein den Turbinenauslass 7 mantelförmig umgreifender Ringkanal, dargestellt in 2b, ausgeführt.
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Weiter weist der Endabschnitt 2e des Bypasskanals 2b in seinem Verlauf zum Bypassauslass 2d hin eine Krümmung 2f auf. Die Krümmung 2f ist so orientiert, dass die Krümmung 2f mit ihrer konvexen Seite dem Turbinenauslass 7 zugewandt ist und sich so der Endabschnitt 2e des Bypasskanals 2b im Bereich des Bypassauslasses 2d vom Turbinenauslass 7 wegkrümmt. Im Verlauf des Endabschnitts 2e des Bypasskanals 2b zum Bypassauslass 2d hin vergrößert sich die Krümmung 2f bis zum Bypassauslass 2d. Zudem vergrößert sich der effektive Strömungsquerschnitt des Endabschnitts 2e des Bypasskanals 2b. Der Bypassauslass 2d selbst wird durch eine gerundete Bypassauslasskante 2g gebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgasturbine
- 2
- Bypass
- 2a
- Bypasseinlass
- 2b
- Bypasskanal
- 2c
- Bypassventil
- 2d
- Bypassauslass
- 2e
- Endabschnitt
- 2f
- Krümmung
- 2g
- Bypassauslasskante
- 3
- Turbinengehäuse
- 4
- Turbineneinlass
- 5
- Turbinenlaufrad
- 6
- Turbinenwelle
- 7
- Turbinenauslass
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2939152 A1 [0004]
- DE 2738929 A1 [0005]
- DE 102006001571 A1 [0006]
- DE 102012112396 A1 [0007]
- US 2018/0128162 A1 [0008]
