EP3186497A1 - Turbine für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Turbine für eine brennkraftmaschine

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Publication number
EP3186497A1
EP3186497A1 EP15759686.7A EP15759686A EP3186497A1 EP 3186497 A1 EP3186497 A1 EP 3186497A1 EP 15759686 A EP15759686 A EP 15759686A EP 3186497 A1 EP3186497 A1 EP 3186497A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine
flow
internal combustion
combustion engine
flow body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15759686.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Arnd Schmidt
Olaf Bechmann
Ingo Köhler
Alexander ALMES
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of EP3186497A1 publication Critical patent/EP3186497A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/02—Gas passages between engine outlet and pump drive, e.g. reservoirs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/04—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
    • F02C6/10—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output supplying working fluid to a user, e.g. a chemical process, which returns working fluid to a turbine of the plant
    • F02C6/12—Turbochargers, i.e. plants for augmenting mechanical power output of internal-combustion piston engines by increase of charge pressure
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a turbine for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • Turbines are used in internal combustion engines mainly in the exhaust system to
  • Flow energy of a fluid of the internal combustion engine in particular the exhaust gas to convert into mechanical energy.
  • the mechanical energy obtained from the exhaust gas is supplied for example by means of a shaft to a compressor which is assigned to the intake tract of the internal combustion engine and increases the boost pressure of the internal combustion engine.
  • Another example is the further transformation of the mechanical energy into electrical energy, which is then stored or supplied directly to electrical consumers.
  • the conversion of the flow energy into mechanical energy is done by means of a turbine wheel, which is rotated by the flow.
  • the turbine wheel also represents a disturbance of the flow, wherein the flow must flow around the complex body of the turbine wheel and receives an additional component of motion in the form of a twist by the rotation of the turbine wheel.
  • WO 2008/155400 A1 discloses devices which are arranged with respect to the flow upstream of a compressor wheel.
  • the devices have centrally arranged in the flow body, which are characterized by a low flow resistance. These bodies are therefore upstream of the associated wheel and have a tip which is oriented counter to the flow direction.
  • the document DE 10 2009 014 279 A1 moreover shows a turbine of a
  • Turbine outlet channel is interspersed by a flow.
  • the object of the present invention is to build a turbine for an internal combustion engine such that an outflow via a turbine wheel is improved.
  • a turbine according to the invention for an internal combustion engine is arranged in an exhaust tract of the internal combustion engine and converts the flow energy of a fluid
  • the fluid is in particular exhaust gas of the internal combustion engine, which is produced by the combustion of fuel with admixture of air in the combustion chambers of the internal combustion engine.
  • the turbine has a turbine wheel with vanes, upstream of the turbine
  • Turbine inlet and downstream of the turbine to a turbine outlet channel The fluid flows into the turbine exhaust passage from the turbine inlet through the blades of the turbine wheel.
  • the turbine wheel is rotated by the geometric configuration of the turbine blades and thus converted a part of the flow energy of the fluid into mechanical energy, which can be tapped by a shaft on which the turbine wheel is arranged.
  • the turbine wheel may in particular be designed as a radial wheel, wherein the turbine inlet is arranged annularly and radially surrounding the turbine wheel.
  • the turbine wheel can be designed, for example, as an axial or as a mixed form between the radial and axial.
  • the downstream turbine may include a device for aftertreatment of the exhaust gas, in particular a
  • the turbine outlet can also be configured as inlet of the exhaust gas aftertreatment device.
  • Downstream of the turbine wheel is a flow body at one or more
  • the fasteners arranged.
  • the fasteners are in turn at the
  • the flow body is disposed substantially centrally in the turbine exhaust passage.
  • the center of gravity of the flow body has substantially the same distance from the points of the inner wall of the turbine outlet channel lying transversely to the flow direction of the fluid from the center of gravity.
  • the distance to the respective points may differ only by 10% or be exactly the same.
  • a substantially centrally arranged flow body characterized by the fact that the free, the flow available standing cross-sectional area between the inner wall of the turbine outlet channel and
  • the flow body may have the shape of a projectile in an un-curved turbine exhaust duct.
  • This shape is characterized in that a circular cross-section initially extends axially in a main region with a constant diameter and then terminates in an end region with a convex curvature or even has a substantially round head as the end region.
  • Variations of the shape may be a flat circular area instead of a tip of the end portion or a conical tip of the end portion, a small diameter increase in the main portion, a small reduction in the diameter in the main portion, and / or a deviation from the circular cross section to a small circle be divergent, polygonal or ellipsoidal cross section.
  • the flow body may also have an initial region that characterizes the upstream end of the flow body.
  • the initial region may be made flat as a flat circular surface or as a substantially round head.
  • the flow body may be formed such that it is adapted to the shape of the turbine outlet channel.
  • the flow body may be deformed from the shape of the flow body described for an un-curved turbine exhaust passage; in particular, this deformation may correspond to the deviation of the shape of the turbine exhaust passage from the shape of an un-curved turbine exhaust passage.
  • a turbine according to the invention has, in the central flow thread, that is to say in the central region of the cross section of the turbine outlet channel, a smaller separation of the flow in comparison to a turbine without flow body.
  • an improvement is achieved by the turbine according to the invention.
  • a turbine according to the invention when an exhaust gas purification catalytic converter is arranged downstream of the turbine, brings about an improvement in the flow of the gas Catalyst.
  • the flow body can optionally be designed as a hollow body or as a solid body.
  • materials there are various materials which fulfill the necessary suitability for a high exhaust gas temperature.
  • metallic or ceramic materials can be used due to the high temperatures.
  • Flow body is designed as a rotationally symmetrical body.
  • the flow body in a plane perpendicular to the flow direction one
  • a central axis of the rotationally symmetrical flow body is identical to a center axis of the turbine wheel.
  • this can cause the distance of a surface segment of the flow body to be opposite to one another
  • the flow-influencing properties of the flow body can be further improved by the function of a diameter of the flow body over the path along the central axis of the flow body in the flow direction of the fluid monotonously decreasing.
  • the cross section of the flow body remains in
  • the transition of the flow from the turbine wheel body to the flow body can be particularly even when the largest diameter of the flow body 90 to 105%, in particular 100%, of the smallest diameter of the blades of the turbine wheel with respect to the central axis of the turbine wheel.
  • the blades of the turbine wheel usually do not form circular contours around the central axis of the turbine wheel, by the smallest diameter is meant the diameter of the circle formed by the point on a blade of the turbine wheel spaced at the least from the central axis a circle is constructed around the central axis of the turbine wheel.
  • turbine wheels usually have a solid hub body to which the blades are connected. Since the hub is formed solid, the turbine wheel is thus flowed through only between the blades of the fluid. By determining the smallest diameter of the blades described above, the radially innermost flow stream in the turbine wheel can be determined. Due to the design of the flow body with a largest diameter of the blades described above, the radially innermost flow stream in the turbine wheel can be determined. Due to the design of the flow body with a largest
  • Diameter which is 90 to 105%, especially 100%, this smallest
  • Vane diameter is, can be advantageously made possible a largely undisturbed transition of the inner flow threads of the turbine wheel to the flow body.
  • a further improvement of this transition of the flow from the turbine wheel to the flow body can be achieved in that an axial distance of the flow body to the turbine wheel with respect to the central axis of the flow body is less than 20%, in particular less than 5%, of the largest diameter of the flow body.
  • a gap between the flow body and the turbine wheel represents an unfavorable disturbing contour for the flow, so that the reduction of the gap is expedient for the purposes of the invention.
  • an advantageous embodiment of the turbine according to the invention is that the fastening elements are designed as struts whose length is at least five times their thickness.
  • fastening elements are designed as baffles whose extension in the flow direction of the fluid is at least four times the extent thereof in the tangential direction to the circumference of the flow body.
  • the fastening elements are formed as flat bodies which extend in the flow direction. Due to this configuration can actually only for Attachment of the flow body serving elements surprisingly easy to be awarded another function.
  • the planar fasteners serve to reduce a swirl in the flow that has been imposed by the flow through the turbine wheel. The reduction of spin is an additional benefit of high flow homogeneity and low flow losses.
  • An advantageous design variant of the turbine according to the invention has exactly three fastening elements, which are arranged around the central axis of the flow body at equal angular intervals.
  • This variant provides a good solution to the conflict between filigree fastening elements that keep the flow losses as low as possible, and a sufficiently stable attachment of the flow body.
  • the advantage of this variant is that regardless of the direction of a loading force on the
  • the invention provides a motor vehicle, which a
  • Figure 1 is a sectional view of a first embodiment of an inventive
  • Figure 2 is a side view of the embodiment of Figure 1 from that in Figure 1
  • Figure 3 is a sectional view of a second embodiment of an inventive
  • Figure 4 is a representation of a third embodiment of an inventive
  • FIG. 1 shows a sectional view of a first embodiment of a
  • Turbine 1 according to the invention.
  • Turbine 1 has a radially arranged turbine inlet 4 and an axially extending turbine outlet channel 5.
  • the fluid of the internal combustion engine flows from the turbine inlet 4 in the direction of the turbine outlet channel 5 and flows through the turbine wheel 2.
  • the turbine wheel 2 has a plurality of blades 3, which are shaped such that the turbine wheel 2 is rotated by the flow about the central axis 9 ,
  • a flow body 6 Downstream of the turbine wheel 2, a flow body 6 is arranged.
  • the flow body 6 is attached to fastening elements 7, which are formed in this embodiment as struts.
  • the fasteners 7 are in turn on the housing wall of the
  • the flow body 6 is a rotational body whose central axis 8 is coaxial with the central axis 9 of the turbine wheel 2.
  • the flow body 6 is slightly spaced from the turbine wheel 2 and has a diameter which decreases monotonically decreasing in the flow direction until it reaches zero and the flow body 6 ends.
  • FIG. 2 shows a side view of the embodiment of FIG. 1 from the viewing direction A marked in FIG. 1.
  • the circular shapes are clearly visible
  • the fasteners 7 are evenly distributed angularly, so that in each case for the embodiment shown, an angle of 120 ° between adjacent
  • Fixing elements 7 is located.
  • the fastening elements are made very thin, so that between the wall of the turbine outlet channel 5 and the flow body 6 as large a flow cross-section remains.
  • FIG. 3 shows a sectional view of a second embodiment of a
  • Turbine 1 according to the invention.
  • the embodiment of Figure 3 differs from that of Figure 1 in that the fastening elements 7 are formed as baffles to take the swirl from the flow.
  • the fasteners 7 are flat and in
  • a side view of the embodiment according to the figure 3 corresponds by the flat shape of the fasteners 7 exactly the side view of Embodiment of Figure 1, so that the smallest possible reduction of the flow cross-section is caused by the baffles.
  • FIG. 4 shows a representation of a third embodiment of a turbine 1 according to the invention. Like the preceding exemplary embodiments, the turbine 1 has a
  • the third embodiment shows as a special feature a turbine outlet channel 5, which has both a widening of the diameter and a curvature. Starting from the turbine wheel 2 in the downstream direction, the turbine outlet duct 5 initially widens gradually and then opens in the form of a considerable expansion and curvature into an inlet of an oxidation catalytic converter 10.
  • the flow body 6 is adapted to this shape of the turbine outlet channel 5.
  • the flow body 6 begins with an initial region in the form of a round head.
  • the initial area may additionally have a flattening.
  • the main area connects, which consists of circular cross-sections and - in adaptation to the turbine outlet 5 - initially increased in cross-section and then tapered again. Also in adaptation to the
  • the flow body 6 is only at the beginning of the main area a rotationally symmetrical body and then follows the curvature of the turbine outlet 5. Finally follows an end portion of the flow body 6, which consists of a conical tip.
  • the end region of the flow body 6 may also be formed as a flat surface, which is parallel to the inlet surface of the oxidation catalyst 10. The entire surface of the flow body 6, with the exception of the areas and / or peaks of the initial region and end region is continuously differentiable. In other words, the surface has no cracks or kinks.
  • the fasteners 7 are not shown in Figure 4, since these the fasteners 7 are not shown in Figure 4, since these the fasteners 7 are not shown in Figure 4, since these the fasteners 7 are not shown in Figure 4, since these the fasteners 7 are not shown in Figure 4, since these the fasteners 7 are not shown in Figure 4, since these the fasteners 7 are not shown in Figure 4, since these the fasteners 7 are not shown in Figure 4, since these the fasteners 7 are not shown in Figure 4, since these the
  • Fixing elements 7 can be selected according to the figures 1 to 3 and this has already been adequately addressed in the description associated with these figures. List of references Turbine

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Abstract

Eine Turbine (1) für eine Brennkraftmaschine, wobei die Turbine (1) in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet ist und Strömungsenergie eines Fluides der Brennkraftmaschine in mechanische Energie umwandelt, wobei die Turbine ein Turbinenrad (2) mit Schaufeln (3) aufweist und stromaufwärts der Turbine (1) ein Turbineneinlass (4) und stromabwärts der Turbine (1) ein Turbinenauslasskanal (5) angeordnet ist, soll derart gebaut werden, dass eine Abströmung über das Turbinenrad verbessert ist. Dazu ist stromabwärts des Turbinenrads (2) ein Strömungskörper (6) an einem oder mehreren Befestigungselementen (7), welche an der Innenwand des Turbinenauslasskanals (5) befestigt sind, derart beabstandet vom Turbinenrad (2) angeordnet, dass die Strömung des Fluides von dem Turbinenrad (2) in den Turbinenauslasskanal (5) durch den Strömungskörper (6) beeinflusst ist.

Description

Beschreibung
Turbine für eine Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Turbine für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Turbinen werden in Brennkraftmaschinen vorwiegend im Abgastrakt eingesetzt, um
Strömungsenergie eines Fluides der Brennkraftmaschine, insbesondere des Abgases, in mechanische Energie zu wandeln. Die aus dem Abgas gewonnene mechanische Energie wird beispielsweise mittels einer Welle einem Verdichter zugeführt, welcher dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zugeordnet ist und den Ladedruck der Brennkraftmaschine erhöht. Ein anderes Beispiel ist die weitergehende Wandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie, welche dann gespeichert oder direkt elektrischen Verbrauchern zugeführt wird.
Die Umwandlung der Strömungsenergie in mechanische Energie geschieht mittels eines Turbinenrads, welches durch die Strömung in Drehung versetzt wird. Das Turbinenrad stellt dabei aber auch eine Störung der Strömung dar, wobei die Strömung den komplexen Körper des Turbinenrads umströmen muss und durch die Drehung des Turbinenrads eine zusätzliche Bewegungskomponente in Form eines Dralls erhält.
Eine Beeinflussung einer Strömung liegt auch bei einem Verdichter einer Brennkraftmaschine vor, wobei mittels eines durch mechanische Energie in Drehung versetzten Verdichterrads die Energie der Strömung erhöht wird. Aus den Schriften DE 10 2009 014 279 A1 und
WO 2008/155400 A1 sind Vorrichtungen bekannt, die bezüglich der Strömung stromauf eines Verdichterrads angeordnet werden. Dabei weisen die Vorrichtungen zentral in der Strömung angeordnete Körper auf, welche sich durch einen niedrigen Strömungswiderstand auszeichnen. Diese Körper befinden sich demnach stromauf des zugeordneten Rads und weisen eine Spitze auf, welche entgegen der Strömungsrichtung ausgerichtet ist.
Die Schrift DE 10 2009 014 279 A1 zeigt darüber hinaus eine Turbine einer
Brennkraftmaschine, welche in Richtung von einem Turbineneinlass zu einem
Turbinenauslasskanal von einer Strömung durchsetzt ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Turbine für eine Brennkraftmaschine derart zu bauen, dass eine Abströmung über ein Turbinenrad verbessert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Turbine für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.
Eine erfindungsgemäße Turbine für eine Brennkraftmaschine ist in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet und wandelt Strömungsenergie eines Fluids der
Brennkraftmaschine in mechanische Energie um. Das Fluid ist insbesondere Abgas der Brennkraftmaschine, welches durch die Verbrennung von Kraftstoff unter Beimischung von Luft in den Brennräumen der Brennkraftmaschine entsteht.
Die Turbine weist ein Turbinenrad mit Schaufeln, stromaufwärts der Turbine einen
Turbineneinlass und stromabwärts der Turbine einen Turbinenauslasskanal auf. Das Fluid strömt ausgehend von dem Turbineneinlass durch die Schaufeln des Turbinenrads in den Turbinenauslasskanal. Dabei wird das Turbinenrad durch die geometrische Gestaltung der Turbinenschaufeln in Drehung versetzt und somit ein Teil der Strömungsenergie des Fluids in mechanische Energie umgewandelt, welche von einer Welle, auf der das Turbinenrad angeordnet ist, abgegriffen werden kann. Das Turbinenrad kann insbesondere als ein Radialrad gestaltet sein, wobei der Turbineneinlass das Turbinenrad ringförmig und radial umschließend angeordnet ist. Das Turbinenrad kann weiter beispielsweise als ein Axialrad oder auch als Mischform zwischen Radial- und Axialrad gestaltet sein. Der Turbine stromabwärts nachfolgend kann eine Vorrichtung zur Nachbehandlung des Abgases, insbesondere ein
Oxidationskatalysator, angeordnet sein. Der Turbinenauslass kann in diesem Fall gleichzeitig auch als Eintritt der Abgasnachbehandlungs-Einrichtung ausgestaltet sein.
Stromabwärts des Turbinenrads ist ein Strömungskörper an einem oder mehreren
Befestigungselementen angeordnet. Die Befestigungselemente sind wiederum an der
Innenwand des Turbinenauslasskanals befestigt. Der Strömungskörper ist im Wesentlichen mittig in dem Turbinenauslasskanal angeordnet. Insbesondere weist der Schwerpunkt des Strömungskörpers im Wesentlichen den gleichen Abstand zu den von dem Schwerpunkt aus betrachtet quer zur Strömungsrichtung des Fluids liegenden Punkten der Innenwand des Turbinenauslasskanals auf. Beispielsweise kann der Abstand zu den jeweiligen Punkten sich nur um 10 % unterscheiden oder genau gleich sein. Weiterhin zeichnet sich ein im Wesentlich mittig angeordneter Strömungskörper dadurch aus, dass die freie, der Strömung zur Verfügung stehende Querschnittsfläche zwischen Innenwand des Turbinenauslasskanals und
Strömungskörper größer als der größte Querschnitt des Strömungskörpers quer zur
Strömungsrichtung ist.
Beispielsweise kann der Strömungskörper bei einem ungekrümmten Turbinenauslasskanal die Form eines Projektils aufweisen. Diese Form ist dadurch charakterisiert, dass ein kreisförmiger Querschnitt sich in einem Hauptbereich zunächst axial bei gleichbleibendem Durchmesser erstreckt und dann in einem Endbereich mit einer konvexen Krümmung spitz ausläuft oder auch einen im Wesentlichen runden Kopf als Endbereich aufweist. Variationen der Form können eine ebene Kreisfläche anstelle einer Spitze des Endbereichs oder auch eine kegelförmige Spitze des Endbereichs, eine geringe Vergrößerung des Durchmessers im Hauptbereich, eine geringe Verkleinerung des Durchmessers im Hauptbereich und/oder eine Abweichung von dem kreisförmigen Querschnitt zu einem gering von der Kreisform abweichenden, polygonalen oder ellipsoiden Querschnitt sein. Der Strömungskörper kann auch einen Anfangsbereich aufweisen, welcher das stromaufwärts liegende Ende des Strömungskörpers charakterisiert. Der
Anfangsbereich kann beispielsweise platt als ebene Kreisfläche oder auch als im Wesentlichen runder Kopf ausgebildet sein.
In anderen Fällen, wenn der Turbinenauslasskanal eine gekrümmte und /oder sich im
Durchmesser erweiternde oder verkleinernde Gestalt aufweist, kann der Strömungskörper derart ausgebildet sein, dass er der Gestalt des Turbinenauslasskanals angepasst ist.
Beispielsweise kann der Strömungskörper ausgehend von der für einen ungekrümmten Turbinenauslasskanal beschriebenen Gestalt des Strömungskörpers verformt sein, insbesondere kann diese Verformung der Abweichung der Gestalt des Turbinenauslasskanals von der Gestalt eines ungekrümmten Turbinenauslasskanals entsprechen. Das heißt, dass bei einer Krümmung des Turbinenauslasskanals in eine Richtung der Strömungskörper ebenfalls eine Krümmung in diese Richtung aufweist oder dass bei einer Durchmesseraufweitung des Turbinenauslasskanals der Strömungskörper in diesem Strömungsbereich eine
Querschnittsvergrößerung aufweist.
Eine erfindungsgemäße Turbine weist im mittleren Strömungsfaden, das heißt im zentralen Bereich des Querschnitts des Turbinenauslasskanals, eine geringere Ablösung der Strömung im Vergleich zu einer Turbine ohne Strömungskörper auf. Bezüglich der Strömungsverluste stromabwärts des Turbinenrads wird durch die erfindungsgemäße Turbine eine Verbesserung erzielt. Insbesondere bewirkt eine erfindungsgemäße Turbine bei Anordnung eines Katalysators zur Abgasreinigung stromabwärts der Turbine eine Verbesserung der Anströmung des Katalysators. Durch Berechnungen konnte bewiesen werden, dass eine erfindungsgemäße Turbine den Homogenitätsindex der Anstromung des Katalysators erhöht, das heißt, dass der Querschnitt des Katalysators gleichmäßiger angeströmt wird.
Der Strömungskörper kann wahlweise als Hohlkörper oder auch als massiver Körper ausgestaltet sein. Für die Materialauswahl gibt es diverse Werkstoffe, welche die notwendige Eignung für eine hohe Abgastemperatur erfüllen. Vorzugsweise können aufgrund der hohen Temperaturen metallische oder keramische Werkstoffe eingesetzt werden.
Eine vorteilhafte Gestaltung der erfindungsgemäßen Turbine besteht darin, dass der
Strömungskörper als rotationssymmetrischer Körper ausgebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung weist der Strömungskörper in zur Strömungsrichtung rechtwinkligen Ebenen einen
kreisförmigen Querschnitt auf. Die kreisförmigen Querschnitte verursachen sehr geringe Strömungsverluste und stellen somit ein zusätzliches Mittel dar, die Abströmung des
Turbinenrads weiter zu verbessern.
Bevorzugt ist eine Mittelachse des rotationssymmetrischen Strömungskörpers identisch mit einer Mittelachse des Turbinenrads. Insbesondere, wenn der Turbinenauslasskanal einen kreisförmigen Strömungsquerschnitt aufweist, kann hierdurch bewirkt werden, dass der Abstand eines Oberflächensegments des Strömungskörpers zu einem gegenüberliegen
Oberflächensegment der Innenwand des Turbinenauslasskanals über den vollständigen Umfang des Strömungskörpers konstant ist. Der verbleibende Strömungsquerschnitt nach Anordnung des Strömungskörpers kann folglich als konzentrischer Ringquerschnitt und somit besonders strömungsgünstig ausgebildet werden.
Die Strömungsbeeinflussenden Eigenschaften des Strömungskörpers lassen sich weiter verbessern, indem die Funktion eines Durchmessers des Strömungskörpers über dem Weg entlang der Mittelachse des Strömungskörpers in Strömungsrichtung des Fluides monoton fallend ist. In anderen Worten bleibt der Querschnitt des Strömungskörpers in
Strömungsrichtung konstant oder verkleinert sich. Insbesondere bei einem kreisförmigen Querschnitt des Turbinenauslasskanals wird dadurch bewirkt, dass der im Kanal für das Fluid verbleibende Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung konstant bleibt oder zunimmt, wodurch die resultierende Homogenität der Strömung weiter erhöht wird.
Der Übergang der Strömung von dem Turbinenradkörper auf den Strömungskörper kann besonders gleichmäßig erfolgen, wenn der größte Durchmesser des Strömungskörpers 90 bis 105 %, insbesondere 100 %, des kleinsten Durchmessers der Schaufeln des Turbinenrads bezüglich der Mittelachse des Turbinenrads beträgt. Da die Schaufeln des Turbinenrads üblicherweise keine kreisförmigen Konturen um die Mittelachse des Turbinenrads bilden, ist in diesem Zusammenhang mit dem kleinsten Durchmesser der Durchmesser des Kreises gemeint, welcher dadurch gebildet wird, dass durch den am geringsten von der Mittelachse beabstandeten Punkt auf einer Schaufel des Turbinenrads ein Kreis um die Mittelachse des Turbinenrads konstruiert wird.
Radial innen bezüglich der Schaufeln weisen Turbinenräder üblicherweise einen massiven Nabenkörper auf, an welchem die Schaufeln angebunden sind. Da die Nabe massiv ausgebildet ist, wird das Turbinenrad folglich lediglich zwischen den Schaufeln von dem Fluid durchströmt. Mittels der Bestimmung des oben beschriebenen kleinsten Durchmessers der Schaufeln kann der radial am weitesten innenliegende Strömungsfaden im Turbinenrad bestimmt werden. Durch die Ausgestaltung des Strömungskörpers mit einem größten
Durchmesser, welcher 90 bis 105 %, insbesondere 100 %, dieses kleinsten
Schaufeldurchmessers beträgt, kann vorteilhaft ein weitestgehend ungestörter Übergang der innenliegenden Strömungsfäden von dem Turbinenrad zu dem Strömungskörper ermöglicht werden.
Eine weitere Verbesserung dieses Übergangs der Strömung von dem Turbinenrad auf den Strömungskörper kann dadurch erzielt werden, dass ein axialer Abstand des Strömungskörpers zum Turbinenrad bezüglich der Mittelachse des Strömungskörpers kleiner als 20 %, insbesondere kleiner als 5 %, des größten Durchmessers des Strömungskörpers ist. Ein Spalt zwischen Strömungskörper und Turbinenrad stellt für die Strömung eine ungünstige Störkontur dar, so dass die Verringerung des Spalts zweckmäßig im Sinne der Erfindung ist.
Um eine negative Beeinflussung der Strömung im verbleibenden Strömungsquerschnitt, insbesondere eine Reduktion des verbleibenden Querschnitts, zu minimieren, besteht eine vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Turbine darin, dass die Befestigungselemente als Streben ausgebildet sind, deren Länge mindestens das Fünffache von deren Dicke beträgt.
Eine alternative gelungene Ausführung sieht vor, dass die Befestigungselemente als Leitbleche ausgebildet sind, deren Erstreckung in Strömungsrichtung des Fluides mindestens das Vierfache von deren Erstreckung in tangentialer Richtung zum Umfang des Strömungskörpers beträgt. Mit anderen Worten sind die Befestigungselemente als flächige Körper ausgebildet, die sich in Strömungsrichtung erstrecken. Durch diese Ausgestaltung kann den eigentlich nur zur Befestigung des Strömungskörpers dienenden Elementen überraschend einfach eine weitere Funktion verliehen werden. Die flächigen Befestigungselemente dienen zur Reduzierung eines Dralls in der Strömung, die dieser durch das Durchströmen des Turbinenrads auferlegt wurde. Die Reduzierung des Dralls ist eine zusätzliche Begünstigung großer Homogenität der Strömung und geringer Strömungsverluste.
Eine vorteilhafte Gestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Turbine weist genau drei Befestigungselemente auf, die um die Mittelachse des Strömungskörpers in gleichmäßigen Winkelabständen angeordnet sind. Diese Variante stellt eine gute Lösung des Konfliktes zwischen filigranen Befestigungselementen, die die Strömungsverluste möglichst gering halten, und einer ausreichend stabilen Befestigung des Strömungskörpers dar. Der Vorteil dieser Variante ist, dass unabhängig von der Richtung einer belastenden Kraft auf den
Strömungskörper jederzeit zumindest eins der Befestigungselemente mit einer bezüglich der Festigkeit günstigen Zugbelastung beansprucht wird.
Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches eine
Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Turbine aufweist, bereit.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen:
Figur 1 Eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Turbine
Figur 2 Eine Seitenansicht der Ausführungsform der Figur 1 aus der in Figur 1
gekennzeichneten Betrachtungsrichtung A
Figur 3 Eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Turbine
Figur 4 Eine Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Turbine
Die Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Turbine 1. Die Turbine 1 weist einen radial angeordneten Turbineneinlass 4 und einen axial verlaufenden Turbinenauslasskanal 5 auf. Das Fluid der Brennkraftmaschine strömt von dem Turbineneinlass 4 in Richtung des Turbinenauslasskanals 5 und durchströmt dabei das Turbinenrad 2. Das Turbinenrad 2 weist mehrere Schaufeln 3 auf, welche so geformt sind, dass das Turbinenrad 2 durch die Strömung in Rotation um die Mittelachse 9 versetzt wird.
Stromabwärts des Turbinenrads 2 ist ein Strömungskörper 6 angeordnet. Der Strömungskörper 6 ist an Befestigungselementen 7, welche in dieser Ausführungsform als Streben ausgebildet sind, befestigt. Die Befestigungselemente 7 sind wiederum an der Gehäusewand des
Turbinenauslasskanals 5 befestigt. Der Strömungskörper 6 ist ein Rotationskörper, dessen Mittelachse 8 koaxial zu der Mittelachse 9 des Turbinenrads 2 ist. Der Strömungskörper 6 ist gering von dem Turbinenrad 2 beabstandet und weist einen Durchmesser auf, welcher sich in Strömungsrichtung monoton fallend verringert, bis dieser Null erreicht und der Strömungskörper 6 endet.
Bereits erläuterte Entitäten werden in den Figuren, auf die nachfolgende Ausführungsformen Bezug nehmen, mit den identischen Bezugszeichen gemäß der Figur 1 bezeichnet und gegebenenfalls nicht ein weiteres Mal erläutert.
Die Figur 2 zeigt eine Seitenansicht der Ausführungsform der Figur 1 aus der in Figur 1 gekennzeichneten Betrachtungsrichtung A. Gut zu erkennen sind die kreisförmigen
Querschnitte des Turbinenauslasskanals 5 und des Strömungskörpers 6. Der Strömungskörper 6 ist mit genau drei Befestigungselementen 7 an der Gehäusewand des Turbinenauslasskanals
5 befestigt. Die Befestigungselemente 7 sind gleichmäßig winkelverteilt, so dass für das gezeigte Ausführungsbeispiel jeweils ein Winkel von 120° zwischen benachbarten
Befestigungselementen 7 liegt. Die Befestigungselemente sind sehr dünn ausgeführt, so dass zwischen der Wand des Turbinenauslasskanals 5 und dem Strömungskörper 6 ein möglichst großer Strömungsquerschnitt verbleibt.
Die Figur 3 zeigt eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Turbine 1. Die Ausführungsform der Figur 3 unterscheidet sich von der der Figur 1 dadurch, dass die Befestigungselemente 7 als Leitbleche ausgebildet sind, um den Drall aus der Strömung zu nehmen. Dazu sind die Befestigungselemente 7 flächig und in
Strömungsrichtung ausgerichtet. Eine Seitenansicht der Ausführungsform gemäß der Figur 3 entspricht durch die flächige Form der Befestigungselemente 7 exakt der Seitenansicht der Ausführungsform der Figur 1 , so dass auch durch die Leitbleche eine möglichst geringe Reduktion des Strömungsquerschnitts verursacht wird.
Die Figur 4 zeigt eine Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbine 1. Wie die vorhergehenden Ausführungsbeispiele weist die Turbine 1 einen
Turbineneinlass 4 und ein Turbinenrad 2 mit Schaufeln 3 auf. Das dritte Ausführungsbeispiel zeigt als Besonderheit einen Turbinenauslasskanal 5, welcher sowohl eine Aufweitung des Durchmessers als auch eine Krümmung aufweist. Ausgehend von dem Turbinenrad 2 in Richtung stromabwärts weitet sich der Turbinenauslasskanal 5 zunächst allmählich auf und mündet dann in Form einer erheblichen Aufweitung und Krümmung in einen Eintritt eines Oxidationskatalysators 10.
Der Strömungskörper 6 ist dieser Form des Turbinenauslasskanals 5 angepasst. In Richtung stromabwärts beginnt der Strömungskörper 6 mit einem Anfangsbereich in Form eines runden Kopfes. Alternativ kann der Anfangsbereich auch zusätzlich eine Abplattung aufweisen. Im Anschluss an den Anfangsbereich schließt sich der Hauptbereich an, welcher aus kreisförmigen Querschnitten besteht und sich - in Anpassung an den Turbinenauslasskanal 5 - zunächst im Querschnitt vergrößert und dann wieder verjüngt. Ebenfalls in Anpassung an den
Turbinenauslasskanal 5 ist der Strömungskörper 6 nur zu Beginn des Hauptbereichs ein rotationssymmetrischer Körper und folgt dann der Krümmung des Turbinenauslasskanals 5. Abschließend folgt ein Endbereich des Strömungskörpers 6, welcher aus einer kegelförmigen Spitze besteht. Alternativ kann der Endbereich des Strömungskörpers 6 auch als platte Fläche ausgebildet sein, welche parallel zur Eintrittsfläche des Oxidationskatalysators 10 steht. Die gesamte Oberfläche des Strömungskörpers 6, mit Ausnahme der Flächen und/oder Spitzen des Anfangsbereichs und Endbereichs ist stetig differenzierbar. Mit anderen Worten weist die Oberfläche keine Sprünge oder Knicke auf.
Die Befestigungselemente 7 sind in Figur 4 nicht dargestellt, da diese den
Befestigungselementen 7 aus den Figuren 1 bis 3 entsprechend gewählt werden können und auf diese in der diesen Figuren zugeordneten Beschreibung bereits ausreichend eingegangen wurde. Bezugszeichenliste Turbine
Turbinenrad
Schaufel
Turbineneinlass
Turbinenauslasskanal
Strömungskörper
Befestigungselement
Mittelachse
Mittelachse
Oxidationskatalysator
Betrachtungsrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Turbine (1 ) für eine Brennkraftmaschine, wobei die Turbine (1 ) in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet ist und Strömungsenergie eines Fluides der
Brennkraftmaschine in mechanische Energie umwandelt, wobei die Turbine ein Turbinenrad (2) mit Schaufeln (3) aufweist und stromaufwärts der Turbine (1 ) ein Turbineneinlass (4) und stromabwärts der Turbine (1 ) ein Turbinenauslasskanal (5) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromabwärts des Turbinenrads (2) ein Strömungskörper (6), welcher im Wesentlichen mittig in dem Turbinenauslasskanal angeordnet ist, an einem oder mehreren
Befestigungselementen (7), welche an der Innenwand des Turbinenauslasskanals (5) befestigt sind, befestigt ist.
2. Turbine (1 ) für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Strömungskörper (6) als rotationssymmetrischer Körper ausgebildet ist.
3. Turbine (1 ) für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Turbinenauslasskanal (5) eine gekrümmte und/oder sich im Durchmesser erweiternde oder verkleinernde Gestalt aufweist und der Strömungskörper (6) derart ausgebildet ist, dass er der Gestalt des Turbinenauslasskanals (5) angepasst ist.
4. Turbine (1 ) für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Mittelachse (8) des Strömungskörpers (6) identisch mit einer Mittelachse (9) des Turbinenrads (2) ist.
5. Turbine (1 ) für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Funktion eines Durchmessers des Strömungskörpers (6) über dem Weg entlang der Mittelachse (8) des Strömungskörpers (6) in Strömungsrichtung des Fluides monoton fallend ist.
6. Turbine (1 ) für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der größte Durchmesser des Strömungskörpers (6) 90 bis 105 % des kleinsten Durchmessers der Schaufeln (3) des Turbinenrads (2) bezüglich der Mittelachse (9) des Turbinenrads (2) beträgt.
7. Turbine (1 ) für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein axialer Abstand des Strömungskörpers (6) zum Turbinenrad (2) bezüglich der Mittelachse (8) des Strömungskörpers (6) kleiner als 20 % des größten Durchmessers des Strömungskörpers (6) ist.
8. Turbine (1 ) für eine Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Befestigungselemente (7) als Streben ausgebildet sind, deren Länge mindestens das Fünffache von deren Dicke beträgt.
9. Turbine (1 ) für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Befestigungselemente (7) als Leitbleche ausgebildet sind, deren Erstreckung in Strömungsrichtung des Fluides mindestens das Vierfache von deren Erstreckung in tangentialer Richtung zum Umfang des Strömungskörpers (6) beträgt.
10. Fahrzeug, welches eine Brennkraftmaschine mit einer Turbine (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
EP15759686.7A 2014-08-28 2015-08-21 Turbine für eine brennkraftmaschine Withdrawn EP3186497A1 (de)

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