DE4209469C1 - Turbo-charged IC engine - has annular channel in spiral housing of exhaust turbine and forming compressor with blade section of turbine wheel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgas­ turbolader und einer Abgasrückführung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Bauart ist aus der DE-PS 29 01 041 bekannt. Die dort beschriebene Abgasrückführung ist jedoch nur im Teillastbereich anwendbar, da bei Vollast der Ladedruck des Verdichters größer ist als der Druck des aus der Abgasturbine rückgeführten Abgasanteils und somit dessen Ein­ leitung in die Ladeluftleitung nicht möglich ist.

Desweiteren ist aus der DE-OS 32 25 867 eine Abgasrückführung bei einer Brennkraftmaschine mit sich anschließendem Abgastur­ bolader bekannt, die nur dann erfolgt, wenn der von der Brenn­ kraftmaschine erzeugte Abgasdruck bis zu einem bestimmten Maße größer ist als der Ladedruck des Turboladers. Wenn jedoch wie bei Vollast der Ladedruck des Laders größer ist als der Abgas­ druck der Brennkraftmaschine ist durch den Zustrom der vorver­ dichteten Frischluft in die Abgasleitung die Abgasrückführung unterbunden.

Die DE-PS 899 298 betrifft lediglich eine Gasturbine, die durch eine zick-zack-förmige Ausbildung ihres Laufrades einen Ver­ dichterabschnitt an dessen Rückenfläche besitzt und die eine spiralförmige Flut mit sich diffusorartig erweiterndem Quer­ schnitt aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Brennkraftmaschine derart weiterzubilden, daß eine Abgasrück­ führung aus der Abgasturbine des Laders im gesamten Last- und Drehzahlbereich erreicht wird.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen kennzeichnenden Merkmale gelöst.

Dabei ist der Ringkanal im Spiralgehäuse der Abgasturbine ange­ ordnet und bildet zusammen mit einem Schaufelabschnitt des Tur­ binenlaufrades einen Abgasverdichter zur Förderung einer Abgas­ rückführmenge. Im Fahrbetrieb wird ein Teilstrom des aus den Abgasfluten des Spiralgehäuses strömenden Abgases von einem Schaufelabschnitt des rotierenden Laufrades unter Erhöhung des Abgasdruckes in den Ringkanal gefördert. Das angehobene Druck­ niveau des Abgases übersteigt im gesamten Last- und Drehzahlbe­ reich den Druck in der Ladeluftleitung, wobei das Abgas somit in jedem Betriebszustand der Brennkraftmaschine zugeführt wer­ den kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach An­ spruch 2 umgibt der Ringkanal das Laufrad der Turbine, wobei der Schaufelabschnitt des Laufrades radial erweitert ist und in den zum Laufrad offenen Ringkanal ragt. Im Bereich des radial erweiterten Schaufelabschnitts wird das Abgas auf eine höhere Umfangsgeschwindigkeit gebracht, wodurch sich dessen Druck er­ höht.

In einer strömungstechnisch günstigen Ausbildung der Erfindung nach Anspruch 3 ist der Ringkanal als spiralförmige Abgasflut mit in Strömungsrichtung diffusorartig sich erweiterndem Quer­ schnitt ausgebildet. Mit dieser Ausbildung wird nach dem Diffu­ sorprinzip die kinetische Energie des Abgases in statische Druckenergie umgewandelt, wodurch zusätzlich eine Druckerhöhung in der Abgasrückführleitung erzielt wird.

In einer weiteren strömungstechnisch günstigen Ausgestaltung nach Anspruch 4 ist der radial erweiterte Schaufelabschnitt der Gestalt von Verdichterschaufeln nachgebildet. Durch die somit entgegen der Drehrichtung des Laufrades gerichtete Krümmung des Schaufelabschnittes wird eine Steigerung des Wirkungsgrades der Abgasturbine zur Verdichtung der rückzuführenden Abgasmenge erzielt.

In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 5 bildet der ra­ dial erweiterte Schaufelabschnitt des Laufrades mit seiner dem Verdichter zugewandten Seite die Rückenfläche des Laufrades. Der Innendurchmesser eines sich verdichterseitig an den Ringka­ nal anschließenden hohlzylindrischen Spiralgehäuseabschnitts ist dabei größer als der Durchmesser des Schaufelabschnitts. Insgesamt hat dies den Vorteil, daß die Montage des erfindungs­ gemäßen Spiralgehäuses der Abgasturbine keinen zusätzlichen Aufwand zur Montage des bisher gebräuchlichen Spiralgehäuses erfordert.

(Es folgt die Zeichnungsbeschreibung aus den ursprünglichen Unterlagen ab Seite 3, Abschnitt 3.)

In der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung wird ein Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Abgasturbolader mit der erfindungsgemäß ausgebil­ deten Abgasturbine in einem Längsschnitt,

Fig. 2 eine Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader in schematischer Darstellung.

In Fig. 1 ist ein Abgasturbolader 1 mit einem Verdichter 2 und einer mit dieser verbundenen Abgasturbine 3 dargestellt.

Die Abgasturbine 3 weist ein mehrflutiges Spiralgehäuse 4 mit in Form von Schneckenwindungen ausgebildeten Abgasfluten 5 und 6 auf. Die Abgasfluten 5, 6 umgeben mit geringem Spiel ein Lauf­ rad 7 der Abgasturbine 3 und vereinigen sich in dessen Umfangs­ bereich in einem Strömungskanal 8.

Verdichterseitig ist parallel zu den Abgasfluten 5, 6 ein zum Laufrad 7 hin offener Ringkanal 9 angeordnet, der durch eine Trennwand 10 von der Abgasflut 5 getrennt und dieser im Verlauf in gleicher Weise nachgebildet ist. Der Ringkanal 9 weist dabei einen sich in Strömungsrichtung diffusorartig erweiternden Querschnitt auf.

In den Ringkanal 9 ragt ein radial erweiterter Schaufelab­ schnitt 11 des Laufrades 7, welcher mit seiner dem Verdichter 2 zugekehrten Seite die Rückenfläche 12 des Laufrades 7 bildet. Der Schaufelabschnitt 11 weist eine unmittelbar entlang der Trennwand 10 verlaufende Außenkontur auf und ist mit Schaufeln zur Förderung einer Abgasrückführmenge aus dem Strömungskanal 8 in den Ringkanal 9 versehen. Diese Schaufeln können der Form von Verdichterschaufeln entsprechend ausgebildet werden.

An den Ringkanal 9 schließt sich in Richtung des Verdichters 2 zur Aufnahme eines Wellenlagers 13 für das Laufrad 7 ein hohl­ zylindrischer Spiralgehäuseabschnitt 14 an, dessen Innendurch­ messer größer ist als der Durchmesser des erweiterten Schaufel­ abschnitts 11 des Laufrades 7.

Im Abgasrückführungsschema aus Fig. 2 ist eine Brennkraftma­ schine 15 abgasseitig über eine Abgasleitung 16 mit der Abgas­ turbine 3 und ansaugseitig über eine Einlaßleitung 17 mit dem Verdichter 2 des Abgasturboladers 1 verbunden.

Zwischen Brennkraftmaschine 15 und Verdichter 2 ist in der Ein­ laßleitung 17 ist beispielhaft noch ein Ladeluftkühler 18 ange­ ordnet.

An die Abgasturbine 3 schließt sich abströmseitig eine Abgas­ rückführleitung 19 an, die zwischen Ladeluftkühler 18 und Ver­ dichter 2 in die Einlaßleitung 17 einmündet und über ein Mag­ netventil 20 zuschaltbar ist.

Stromauf der Abgasturbine 3 zweigt von der Abgasleitung 16 eine Abgasrückführleitung 21 ab, die zwischen Ladeluftkühler 18 und Brennkraftmaschine 15 in die Einlaßleitung 17 einmündet und die über ein Magnetventil 22 zuschaltbar ist.

Im Teillastbereich, in dem ein hoher Prozentsatz (bis etwa 50%) des Abgases ungekühlt der Einlaßseite der Brennkraftmaschine 15 zurückgeführt werden muß um die Schadstoffemissionen möglichst gering zu halten, wird die Abgasrückführleitung 21 durch das Magnetventil 22 geöffnet, während das Magnetventil 20 die Ab­ gasrückführleitung 19 geschlossen hält.

Die Abgasrückführung erfolgt dabei mit einem Teilstrom des Ab­ gases, der aus der Abgasleitung 16 über die Abgasrückführlei­ tung 21 entnommen und in die Einlaßleitung 17 der Brennkraftma­ schine 15 geleitet wird.

Das restliche Abgas wird über die Abgasturbine 3 zur Verdich­ tung der Ladeluft mittels des Verdichters 2 genutzt und zum Auspuff gefördert.

Da in diesem Betriebsbereich der Abgasgegendruck größer ist als der Ladedruck des Verdichters 2, ist für die Einleitung des Abgases in die Einlaßleitung 17 keine Druckerhöhung des Abgases erforderlich.

Zur Erniedrigung der Schadstoffemissionen im Vollastbereich müssen etwa 15% des heißen Abgases gekühlt der Luftansaugung der Brennkraftmaschine 15 rückgeführt werden. Aufgrund des ge­ genüber dem Ladedruck geringeren Abgasgegendrucks ist eine Ver­ dichtung des heißen Abgases um ungefähr 0,5 bar notwendig, um eine Abgasrückführung zu ermöglichen.

Das Magnetventil 20 schließt in diesem Fall die Abgasrückführ­ leitung 19, so daß das gesamte Abgas in die Abgasturbine 3 strömt.

Aus den Abgasfluten 5, 6 des Spiralgehäuses 4 (Fig. 1) heraus strömt das Abgas über den Strömungskanal 8 das Laufrad 7 der Abgasturbine 3 an, wodurch Ladeluft im Einlaßbereich über den Verdichter 2 verdichtet wird. Während das Abgas größtenteils zum Auspuff gefördert wird, wird ein Teilstrom im wesentlichen aus der Abgasflut 5 durch den radial erweiterten Schaufelab­ schnitt 11 des Laufrades 7 auf eine erhöhte Umfangsgeschwindig­ keit gebracht und in den Ringkanal 9 gefördert.

Der infolgedessen höher verdichtete Abgasteilstrom wird aus dem Ringkanal 9 über die vom Magnetventil 22 geöffnete Abgasrück­ führleitung 21 der Einlaßleitung 17 zugeleitet.

Das heiße Abgas wird dann mit der von dem Verdichter 2 aufgela­ denen Frischluft vermischt und nach Abkühlung durch den Lade­ luftkühler 18 der Brennkraftmaschine 15 zugeführt.

Claims (5)

1. Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Ab­ gasrückführung, welche eine Abgasrückführleitung umfaßt, die aus einem am Spiralgehäuse der Abgasturbine ausgebildeten und im Umfangsbereich eines Turbinenlaufrades sich anschließenden Ringkanal abführt und in eine dem Verdichter des Laders nachge­ ordneten Ladeluftleitung einmündet, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal (9) im Spiralgehäuse (4) der Abgasturbine (3) angeordnet ist und zusammen mit einem Schaufelabschnitt (11) des Turbinenlaufrades (7) einen Abgasverdichter zur Förderung einer Abgasrückführmenge bildet.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal (9) das Laufrad (7) umgibt und daß der Schau­ felabschnitt (11) des Laufrades (7) radial erweitert ist und in den zum Laufrad (7) offenen Ringkanal (9) ragt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal (9) als spiralförmige Abgasflut mit in Strö­ mungsrichtung diffusorartig sich erweiterndem Querschnitt aus­ gebildet ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der radial erweiterte Schaufelabschnitt (11) des Laufrades (7) der Form von Verdichterschaufeln nachgebildet ist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der radial erweiterte Schaufelabschnitt (11) des Laufrades (7) mit seiner dem Verdichter (2) zugewandten Seite die Rücken­ fläche (12) des Laufrades (7) bildet, und daß der Innendurch­ messer eines sich verdichterturbinenseitig an den Ringkanal (9) anschließenden hohlzylindrischen Spiralgehäuseabschnitts (14) größer als der Durchmesser des Schaufelabschnitts (11) ist.