WO2009129896A1 - Abgasturbolader für eine brennkraftmaschine und brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2009129896A1
WO2009129896A1 PCT/EP2009/001835 EP2009001835W WO2009129896A1 WO 2009129896 A1 WO2009129896 A1 WO 2009129896A1 EP 2009001835 W EP2009001835 W EP 2009001835W WO 2009129896 A1 WO2009129896 A1 WO 2009129896A1
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WO
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exhaust gas
internal combustion
combustion engine
spiral
exhaust
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PCT/EP2009/001835
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Siegfried Sumser
Stefan KRÄTSCHMER
Michael Stiller
Original Assignee
Daimler Ag
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    • 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
    • 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
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/18—Final actuators arranged in stator parts varying effective number of nozzles or guide conduits, e.g. sequentially operable valves for steam turbines
    • 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
    • F02B37/025—Multiple scrolls or multiple gas passages guiding the gas to the pump drive
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • 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 an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine of a motor vehicle specified in the preamble of claim 1.
  • exhaust gas turbochargers or supercharged internal combustion engines Due to the continuous tightening of the emission limit values, for example the NO x and soot emission limit values, the requirements for exhaust gas turbochargers or supercharged internal combustion engines also increase. Thus, for example, growing demands in terms of boost pressure provision over medium to high load requirement areas of the internal combustion engine, which exhaust gas turbocharger geometrically increasingly must be reduced.
  • the required high turbine outputs of exhaust gas turbochargers are realized in other words by increasing the Aufstaufact or by reducing the absorption capacity of the exhaust gas turbocharger in interaction with the respective internal combustion engine, but this leads to lower efficiencies.
  • a further influence on the performance of exhaust gas turbochargers results from the exhaust gas aftertreatment of the turbine arranged exhaust aftertreatment systems such as soot filters, catalysts or SCR systems.
  • the turbine housing two include independently flowable and usually asymmetrically formed spiral channels, which are each coupled to different exhaust pipes of an exhaust tract of the internal combustion engine.
  • the exhaust pipes are in turn assigned to different cylinders or cylinder groups of the internal combustion engine.
  • the exhaust-gas turbocharger can in this case be designed for a so-called shock charging in that the spiral channels have comparatively large flow cross-sections for the utilization of the pressure pulsations in the exhaust gas flow generated in the exhaust strokes of the individual cylinders.
  • exhaust gas turbochargers which are usually defined by the nominal point, the gas exchange side and the consumption side of the internal combustion engine, but can not be optimally operated by such exhaust gas turbocharger with two spiral channels in particular the lower load and speed range of internal combustion engines.
  • Object of the present invention is therefore to provide an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine or an internal combustion engine with such an exhaust gas turbocharger, which allow an improvement in efficiency in a larger operating range.
  • an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine of a motor vehicle having the features of patent claim 1 and by an internal combustion engine, in particular a gasoline and / or diesel engine, for a motor vehicle having the features of claim 9.
  • Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the respective subclaims, wherein advantageous embodiments of the exhaust gas turbocharger are to be regarded as advantageous embodiments of the internal combustion engine and vice versa.
  • An exhaust-gas turbocharger which makes it possible to improve the efficiency in a larger operating range, is inventively provided in that at least one of the spiral channels comprises at least two fluidically separated spiral segment channels, which can be coupled to different exhaust lines of the internal combustion engine.
  • At least one of the spiral channels is divided into at least two spiral segment channels, which in turn can be fed with different exhaust gas streams.
  • an exhaust gas turbocharger with an at least three-flow turbine is created, which allows the spiral segment channels a shock charging operation with a more effective use of the expansion work of individual cylinders or cylinder groups.
  • the number of spiral segment channels can be adapted to a number of cylinders or cylinder groups. It can also be provided that both spiral channels have two or more spiral segment channels.
  • the turbine of the exhaust gas turbocharger comprises three or more spiral channels.
  • spiral segment channels symmetry equivalent and / or rotationally symmetrical with respect to a rotational axis of the turbine wheel are formed.
  • this enables a simple and cost-effective production of the exhaust gas turbocharger while optimizing space utilization.
  • the spiral segment channels can be arranged in this way around the turbine wheel so that it can be acted upon as continuously as possible with the exhaust gas streams guided through the different exhaust gas lines and permits a correspondingly high efficiency.
  • the guide grid element for adjusting a flow surface in particular translationally and / or rotationally, is movably mounted in the turbine housing. It can be provided that the guide element is moved during an engine braking phase of the internal combustion engine in the spiral channel or spiral segment channel, so that the exhaust gas turbocharger can be used as a so-called "turbo bus.” Alternatively or additionally, however, can also be provided that the guide element during a lighting phase The movement of the guide grid element can thereby advantageously in a conventional manner as a function of corresponding control signals of an internal combustion engine in or out of the spiral channel or the Spiralsegmentkanals Engine control unit done.
  • the exhaust gas turbocharger can be adapted particularly flexibly to its respective application or objective.
  • the at least two spiral channels have different critical overall throughput parameters. This also allows, in combination with an exhaust gas recirculation system, an increase in the efficiency of the exhaust gas turbocharger and thus of the associated internal combustion engine in a larger operating range.
  • the critical total flow rate parameter ⁇ which represents a constant value for the respective spiral channel internal combustion engine system, is in principle based on the function:
  • T 3 N p is a total exhaust gas mass temperature in the unit [K] in front of the turbine wheel at the rated engine power point; and p 3 ⁇ N p a total pressure in the unit [bar] in front of the turbine wheel in the
  • At least the other spiral channel is formed as a full spiral channel.
  • a spiral channel designed as a full spiral channel makes it possible, in a structurally simple way, to provide a flow orifice with a large effective flow cross section.
  • a congestion charging operation of the exhaust gas turbocharger is possible, whereby a further improvement in the overall efficiency of the internal combustion engine at certain load and speed conditions - especially at least substantially constant exhaust gas pressure ratios - is given.
  • Another aspect of the invention relates to an internal combustion engine, in particular a gasoline and / or diesel engine, for a motor vehicle, with at least two cylinders or two cylinder groups, which are assigned a plurality of exhaust pipes and with an exhaust gas turbocharger, which is arranged in an intake tract of the internal combustion engine compressor and a turbine arranged in an exhaust tract of the internal combustion engine, wherein the turbine comprises a turbine housing with at least two spiral channels, each of which is coupled to at least one of the plurality of exhaust pipes of the exhaust tract and independently flowed with exhaust gas, and a turbine disposed within a receiving space of the turbine housing , Which for driving over a bearing shaft rotatably with this coupled compressor wheel of the compressor can be acted upon by the at least two spiral channels feasible exhaust gas of the internal combustion engine, according to the invention before it is seen that at least one of the spiral channels comprises at least two fluidically separate spiral segment channels, which are coupled to different exhaust pipes of the internal combustion engine.
  • At least two different exhaust pipes are associated with at least one cylinder or a cylinder group, which are coupled to the at least two spiral segment channels.
  • the exhaust gases of the cylinder or the cylinder group can be introduced into the turbine fluidly separated, whereby the shock-charging operation, a correspondingly improved energy transport is ensured to the turbine wheel.
  • An intensity of exhaust gas pressure pulsations can be varied in a structurally simple manner by arranging a device in the exhaust gas tract downstream of the cylinder or cylinder group and upstream of the turbine, by means of which exhaust gas is to be circulated between the at least two exhaust gas lines.
  • the device can be designed for this purpose, for example, as a rotary valve. In this way, different operating conditions of the internal combustion engine can be considered particularly flexible and correspondingly high efficiencies can be ensured.
  • the device is designed for bypassing exhaust gas to the turbine.
  • the device can be used, for example in an upper load or speed range of the internal combustion engine, in addition to blowing off exhaust gas upstream of the turbine, whereby a simple power control of the exhaust gas turbocharger can be carried out.
  • the exhaust gas recirculation system can be designed both as an internal as well as an external exhaust gas recirculation system and in particular allows a reduction of nitrogen oxides (NO x ) in the combustion of fuel in the internal combustion engine. Due to the resulting increased variability of the internal combustion engine according to the invention, the ratio of the exhaust gas recirculation rates can be optimally adjusted to the respectively required air-fuel ratio in a larger operating range.
  • NO x nitrogen oxides
  • the inventively improved efficiency of the internal combustion engine and its improved shock charging capability is significantly increased because of lower over Medium to high load and speed ranges correspondingly higher exhaust gas recirculation rates on the exhaust side in relation to the respective required air-fuel ratio figures on the intake side are possible.
  • the exhaust gas recirculation system comprising a valve arranged between the exhaust gas tract and the intake tract, in particular a flutter valve, by means of which a transport of the exhaust gas into the intake tract is to be controlled.
  • a valve allows exhaust gas recirculation under advantageous utilization of Pulsations réellespitzen in the exhaust gas flow even if a mean exhaust gas pressure in the exhaust system is below the boost pressure in the intake and thus results in a positive charge exchange.
  • a further improvement of the emission values of the internal combustion engine is given by the fact that in the exhaust tract, in particular downstream of the blower, an exhaust aftertreatment system, in particular a soot filter and / or a catalyst and / or an SCR system, is arranged.
  • a further advantage is that, downstream of a cylinder or a cylinder group and upstream of the turbine wheel, a blow-off device, in particular a blow-off valve, is provided, by means of which exhaust gas is to be conducted past the turbine wheel. This also makes a structurally simple power control of the exhaust gas turbocharger possible.
  • Fig. 1 is a schematic sectional side view of a turbine of a
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of a first, several
  • FIG. 3 is a schematic sectional view of a second, formed as a full spiral spiral channel along the sectional plane shown in Fig. 1
  • FIG. 4 is a schematic diagram of an internal combustion engine, which is provided with the exhaust gas turbocharger formed according to the first embodiment
  • Fig. 5 is a schematic diagram of the internal combustion engine according to another
  • FIGS. 2 and 3 show respective schematic sectional views according to FIGS Figure 1 shows sectional planes M-II and Ill-Ill, respectively.
  • 4 shows in turn a schematic representation of an internal combustion engine, which is provided with the exhaust gas turbocharger 12 shown in FIGS. 1-3.
  • the turbine 10 of the exhaust-gas turbocharger 12 in the present case comprises a turbine housing 11 with two spiral channels 14a, 14b which can be coupled with exhaust gas in each case to at least one of a plurality of exhaust pipes 16a-d of an exhaust tract 18 of an internal combustion engine , Furthermore, the turbine 10 comprises a turbine wheel 22 which is arranged within a receiving space 20 and which is connected in a manner known per se for rotationally driving a compressor wheel 25, which is coupled in a rotationally fixed manner to the turbine wheel 22 via a bearing shaft 24 and to be arranged in an intake tract 19 of the internal combustion engine can be acted upon by the spiral channels 14a, 14b feasible exhaust gas of the internal combustion engine.
  • the first spiral channel 14a has three spiral segment channels 26a-c, which are fluidically separated and can therefore be flowed through independently of one another with exhaust gas.
  • the spiral segment channels 26a-c can be coupled to associated exhaust pipes 16a-c of the internal combustion engine, for example, designed as manifold pipes.
  • the spiral segment channels 26a-c are to optimize the space requirement of the turbine housing and a Anström characterizing formed on the turbine wheel 22 symmetry equivalent and rotationally symmetrical with respect to a rotational axis I of the turbine 22 arranged.
  • the axis of rotation I represents a threefold axis of rotation.
  • the three flow openings 28a-c of the three spiral segment channels 26a-c in the receiving space 20 are circular arc-shaped in cross-section and, due to the symmetry, have the same circumferential angle of approximately 120 ° and thus the same Flow surfaces on.
  • the number of spiral segment channels 26 is adapted to a number of cylinders 32a-c of the multi-cylinder internal combustion engine combined in a first cylinder group 30a.
  • the cylinders 32a-c feed exhaust gas via the fluidically separated exhaust gas lines 16a-c into their respectively assigned spiral segment channel 26a-c.
  • spiral segment channels 26 may be provided.
  • the circumferential angle of the spiral segment channels 26 may be different and thus have different flow areas.
  • a fundamentally optional guide element 34 is arranged with a plurality of guide vanes 36 in the turbine housing 11, which by known influencing the flow characteristics of the turbine 22, an additional efficiency improvement of the exhaust gas turbocharger 12 and thus the internal combustion engine favors.
  • the guide vanes 36 are designed as a continuation of the turbine housing 11.
  • the guide grid element 34 is mounted to adjust the individual flow surfaces movable in the turbine housing 11 and, for example, to move in response to load or speed conditions of the internal combustion engine.
  • the second, visible in Fig. 3 spiral channel 14b is presently formed as a full spiral channel with an approximately 360 ° extending flow port 28d for the entrance swirl generation and coupled via its flange 27d only with an exhaust pipe 16d.
  • the two spiral channels 14a, 14b have different critical total flow rate parameters ⁇ .
  • the spiral channel 14a which surrounds the spiral segment channels 26a-c is arranged in the region of the bearing shaft 24 and enables a shock charging operating mode of the exhaust gas turbocharger 12 in a manner described in more detail below.
  • the spiral channel formed as a full spiral channel Spiral channel 14b is in contrast together with a present in the Turbine housing 11 integrated Abblasventil 40 in the region of an exhaust outlet 38 of the turbine housing 11 is arranged.
  • the intake tract 19 of the internal combustion engine which is designed, for example, as a gasoline or diesel engine for a motor vehicle, comprises per se known elements an upstream of the compressor wheel 25 of a compressor (not shown) arranged air filter 42 and a downstream of the compressor 25 arranged charge air cooler 44. Downstream The cylinder 32a-c or the cylinder group 30a and upstream of the turbine 10, a device 46 is arranged in the exhaust tract 18, by means of which exhaust gas between the exhaust pipes 16a-c is to be blown. In this way, the intensity of pressure pulsations in the individual exhaust gas conduits 16a-c can be smoothed or controllably smoothed depending on the design of the device 46.
  • the device 46 for supplying exhaust gas to an exhaust gas recirculation system 48 of the internal combustion engine is formed.
  • the exhaust gas recirculation system 48 comprises, in addition to an exhaust gas cooler 50, an optional valve 52, which in the present case is designed as a flutter valve, by means of which a transport of the exhaust gas into the intake tract 19 is to be controlled.
  • the valve 52 permits an advantageous utilization of pressure pulsation peaks in the exhaust gas flow of the cylinder group 30a, whereby exhaust gas can also be transported from the exhaust gas tract 18 into the intake tract 19 if a mean exhaust gas pressure p3m is below a boost pressure p2s.
  • the device 46 thus additionally permits an advantageous influencing of the exhaust gas recirculation capability of the exhaust gas turbocharger 12.
  • the device 46 can be designed, for example, as a rotary valve which can be rotated between a basic position in which the exhaust gas lines 16a-c are fluidically separated and different Umblaswolfen, in which the exhaust pipes 16a-c for flow control of the exhaust gas recirculation system 48 are successively fluidly connected.
  • the second cylinder group 30b is interconnected in front of the second spiral channel 14b, so that the combined exhaust gas mass of the three cylinders 32d-f can flow through the spiral channel 14b formed as a full spiral.
  • the second spiral channel 14b has a larger effective flow area than the segmented spiral channel 14a, despite the lower impact charging effect.
  • the sum of the flow cross sections of the spiral segment channels 26a-c is advantageously dimensioned with regard to the required exhaust gas recirculation capability of the exhaust gas turbocharger 12.
  • the spiral channel 14a which is often referred to as lambda flood, provides over its Exhaust gas capacity for the required air-fuel ratio with the aim of achieving the best possible efficiencies of the turbine 10.
  • a positive charge change (p2-p3 '> 0) between the boost pressure p2s and the exhaust gas pressure p3' of the second cylinder group 30b is preferably ensured.
  • an exhaust aftertreatment system 54 is disposed in the exhaust tract 18, which may be formed as a soot filter, catalyst and / or SCR system depending on the configuration of the internal combustion engine. Due to the inventively increased efficiency of the exhaust gas turbocharger 12 any efficiency reductions are compensated advantageous.
  • Fig. 5 shows a schematic diagram of the internal combustion engine according to a further embodiment.
  • the basic structure is already known from the preceding description of the figures.
  • the positions of the two spiral channels 14a, 14b are reversed.
  • the segmented spiral channel 14a of the exhaust gas turbocharger 12 is arranged in the region of the exhaust gas outlet 38 of the turbine housing 11.
  • the spiral segment channels 26a-c are coupled to the exhaust pipes 16a-c of the cylinders 32d-f of the second cylinder group 30b.
  • the spiral channel 14b designed as a full spiral is arranged in the region of the bearing shaft 24 and coupled to the common exhaust pipe 16d of the cylinders 32a-c of the first cylinder group 30a.
  • the exhaust pipe 16d is in turn coupled to the exhaust gas recirculation system 48.
  • the segmented spiral channel 14a By placing the segmented spiral channel 14a on the principle efficiency-favoring turbine wheel outlet side, a very pronounced impact charging effect can be achieved.
  • This improvement in efficiency of the turbine 10 causes a reduction of a mean turbine inlet pressure p3 compared to known from the prior art, unsegmented trained, multi-flow turbines.
  • the positive charge change p2-p3 thus allows a significant reduction in consumption.
  • With the controllable device 46 can be blown in an upper load or speed range of the internal combustion engine between the exhaust pipes 16a-c, whereby a leveling of the pressure pulsations is possible.
  • the device 46 for blowing around between the exhaust pipes 16a-c is additionally designed in the present exemplary embodiment for bypassing exhaust gas on the turbine 10. This can be up additional, to be integrated in the turbine housing 11 blow-off valves 40 and a simple power control of the exhaust gas turbocharger 12 are made.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem Turbinengehäuse (11), welches wenigstens zwei Spiralkanäle (14a, 14b) umfasst, die jeweils mit wenigstens einer von mehreren Abgasleitungen (16a- d) eines Abgastrakts (18) der Brennkraftmaschine koppelbar und unabhängig voneinander mit Abgas durchströmbar sind, und mit einem innerhalb eines Aufnahmeraums (20) des Turbinengehäuses (11 ) angeordneten Turbinenrad (22), welches zum Antreiben eines über eine Lagerwelle (24) drehfest mit diesem gekoppelten Verdichterrads (25) vorgesehen ist, wobei das Turbinenrad (22) mit dem durch die wenigstens zwei Spiralkanäle (14a, 14b) führbaren Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagbar ist, wobei wenigstens einer der Spiralkanäle (14a) zumindest zwei fluidisch getrennte Spiralsegmentkanäle (26a-c) umfasst, die mit unterschiedlichen Abgasleitungen (16a-c) der Brennkraftmaschine koppelbar sind. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Otto- und/oder Dieselmotor, für ein Kraftfahrzeug.

Description

Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Otto- und/oder Dieselmotor, für ein Kraftfahrzeug der im Oberbegriff des Patentanspruchs 9 angegebenen Art.
Durch die fortwährende Verschärfung der Emissionsgrenzwerte, beispielsweise der NOx- und Rußemissionsgrenzwerte, steigen auch die Anforderungen an Abgasturbolader bzw. an aufgeladene Brennkraftmaschinen. So ergeben sich beispielsweise wachsende Anforderungen hinsichtlich der Ladedruckbereitstellung über mittlere bis hohe Lastanforderungsbereiche der Brennkraftmaschine, wodurch Abgasturbolader geometrisch zunehmend verkleinert werden müssen. Die geforderten hohen Turbinenleistungen von Abgasturboladern werden mit anderen Worten durch eine Steigerung der Aufstaufähigkeit bzw. durch die Reduktion der Schluckfähigkeit der Abgasturbolader im Zusammenspiel mit der jeweiligen Brennkraftmaschine realisiert, was jedoch zu geringeren Wirkungsgraden führt. Eine weitere Beeinflussung der Leistung von Abgasturboladern ergibt sich durch im Abgastrakt stromab der Turbine angeordnete Abgasnachbehandlungssysteme wie beispielsweise Rußfilter, Katalysatoren oder SCR- Anlagen. Diese Abgasnachbehandlungssysteme führen zu einer Druckerhöhung an einem Abgasaustritt des Abgasturboladers. Dies bewirkt eine Reduzierung eines die Leistung des Abgasturboladers beschreibenden Turbinendruckgefälles, wobei das Turbinendruckgefälle als Quotient eines Druckes vor dem Turbinenrad bzw. einem Abgaseintritt des Turbinengehäuses und eines Druckes nach dem Turbinenrad bzw. eines Abgasaustritts des Turbinengehäuses ermittelbar ist. Auch aus diesem Grund muss die Turbinengröße nochmals zu kleineren Werten und damit geringeren Wirkungsgraden ausgelegt werden, um die Leistungsanforderung der Verdichterseite des Abgasturboladers befriedigen zu können. Eine gewisse Verbesserung bieten hierbei aus dem Stand der Technik bekannte Abgasturbolader, deren Turbinengehäuse zwei unabhängig voneinander durchströmbare und üblicherweise asymmetrisch ausgebildete Spiralkanäle umfassen, die jeweils mit unterschiedlichen Abgasleitungen eines Abgastrakts der Brennkraftmaschine gekoppelt werden. Die Abgasleitungen sind dabei ihrerseits unterschiedlichen Zylindern bzw. Zylindergruppen der Brennkraftmaschine zugeordnet. Der Abgasturbolader kann hierbei für eine sogenannte Stoßaufladung ausgebildet sein, indem die Spiralkanäle vergleichsweise große Strömungsquerschnitte für die Verwertung der in den Ausstoßtakten der einzelnen Zylinder erzeugten Druckpulsationen im Abgasstrom aufweisen. Dies ermöglicht es, ein innerhalb eines Aufnahmeraums des Turbinengehäuses angeordnetes Turbinenrad derart mit Abgas zu beaufschlagen, dass ein Teil der ansonsten nicht nutzbaren Expansionsenergie der Zylinder zurückgewonnen werden kann und somit der Gesamtwirkungsgrad des Abgasturboladers verbessert wird. Ein über eine Lagerwelle drehfest mit dem Turbinenrad gekoppeltes Verdichterrad des Abgasturboladers kann in Folge mit einer verbesserten Leistung betrieben werden, so dass auch in mittleren Last- und Drehzahlbereichen der Brennkraftmaschine eine entsprechend verbesserte Frischluftlieferung an die Zylinder bzw. Zylindergruppen ermöglicht ist.
Bei den Auslegungsrandbedingungen von Abgasturboladern, die üblicherweise vom Nennpunkt, der Ladungswechselseite und der Verbrauchsseite der Brennkraftmaschine her definiert werden, kann jedoch auch durch derartige Abgasturbolader mit zwei Spiralkanälen insbesondere der untere Last- und Drehzahlbereich von Brennkraftmaschinen nicht optimal bedient werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine bzw. eine Brennkraftmaschine mit einem derartigen Abgasturbolader bereitzustellen, welche eine Wirkungsgradverbesserung in einem größeren Betriebsbereich ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Otto- und/oder Dieselmotor, für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Abgasturboladers als vorteilhafte Ausgestaltungen der Brennkraftmaschine und umgekehrt anzusehen sind. Ein Abgasturbolader, welcher eine Wirkungsgradverbesserung in einem größeren Betriebsbereich ermöglicht, ist erfindungsgemäß dadurch geschaffen, dass wenigstens einer der Spiralkanäle zumindest zwei fluidisch getrennte Spiralsegmentkanäle umfasst, die mit unterschiedlichen Abgasleitungen der Brennkraftmaschine koppelbar sind. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens einer der Spiralkanäle in wenigstens zwei Spiralsegmentkanäle aufgeteilt ist, welche ihrerseits mit unterschiedlichen Abgasströmen gespeist werden können. Auf diese Weise ist ein Abgasturbolader mit einer wenigstens dreiflutig ausgebildeten Turbine geschaffen, welcher über die Spiralsegmentkanäle einen Stoßaufladungs-Betrieb mit einer effektiveren Nutzung der Expansionsarbeit einzelner Zylinder bzw. Zylindergruppen ermöglicht. Hierdurch können im Gegensatz zum Stand der Technik auch untere Last- und Drehzahlbereiche der Brennkraftmaschine optimal bedient werden, so dass eine erhebliche Wirkungsgradverbesserung über einen größeren Betriebsbereich der Brennkraftmaschine gewährleistet ist. Die Anzahl der Spiralsegmentkanäle kann dabei an eine Anzahl an Zylinder bzw. Zylindergruppen angepasst sein. Ebenso kann vorgesehen sein, dass beide Spiralkanäle über zwei oder mehr Spiralsegmentkanäle verfügen. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Turbine des Abgasturboladers drei oder mehr Spiralkanäle umfasst.
Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, dass die Spiralsegmentkanäle symmetrieäquivalent und/oder rotationssymmetrisch bezüglich einer Drehachse des Turbinenrads ausgebildet sind. Dies ermöglicht einerseits eine einfache und kostengünstige Herstellung des Abgasturboladers unter optimaler Raumausnutzung. Andererseits können die Spiralsegmentkanäle auf diese Weise derart um das Turbinenrad angeordnet werden, dass dieses möglichst kontinuierlich mit den durch die unterschiedlichen Abgasleitungen geführten Abgasströmen beaufschlagbar ist und einen entsprechend hohen Wirkungsgrad ermöglicht.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem Strömungsmündungen der Spiralsegmentkanäle in den Aufnahmeraum im Querschnitt kreisbogenartig ausgebildet und mit gleichen Umfangswinkeln um die Drehachse des Turbinenrads angeordnet sind. Hierdurch kann den durch die Spiralsegmentkanäle geführten Abgasströmen gleichmäßig der gewünschte Vordrall aufgeprägt und das Turbinenrad mit einem hohen Wirkungsgrad angeströmt werden. Zudem ist auf diese Weise eine optimale Ausnutzung des verfügbaren Bauraums innerhalb des Turbinengehäuses gegeben. Dabei hat es sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, dass stromauf des Turbinenrads und stromab wenigstens eines Spiralkanals und/oder eines Spiralsegmentkanals ein Leitgitterelement im Turbinengehäuse angeordnet ist. Ein derartiges Leitgitterelement erlaubt eine Druckerhöhung vor dem Turbinenrad des Abgasturboladers, so dass selbst bei einem geringen Durchsatz von Abgas ein verbesserter Wirkungsgrad des Abgasturboladers erzielt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Leitgitterelement zum Einstellen einer Strömungsfläche, insbesondere translatorisch und/oder rotatorisch, bewegbar im Turbinengehäuse gelagert ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Leitgitterelement während einer Motorbremsphase der Brennkraftmaschine in den Spiralkanal bzw. Spiralsegmentkanal bewegt wird, so dass der Abgasturbolader als sogenannte „Turbobrake" eingesetzt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Leitgitterelement während einer Befeuerungsphase der Brennkraftmaschine in oder aus dem Spiralkanal bzw. dem Spiralsegmentkanals bewegt wird, wodurch eine optimale Anpassbarkeit der Leistungsabgabe des Abgasturboladers an die jeweils vorherrschenden Betriebsparameter der Brennkraftmaschine ermöglicht ist. Die Bewegung des Leitgitterelements kann dabei vorteilhaft in an sich bekannter Weise in Abhängigkeit von entsprechenden Steuersignalen eines Motorsteuergeräts erfolgen.
Indem der wenigstens eine, die Spiralsegmentkanäle umfassende Spiralkanal im Bereich der Lagerwelle und/oder im Bereich eines Abgasaustritts des Turbinengehäuses angeordnet ist, kann der Abgasturbolader besonders flexibel an seine jeweilige Anwendung bzw. Zielsetzung angepasst werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens zwei Spiralkanäle unterschiedliche kritische Gesamtdurchsatzparameter aufweisen. Dies erlaubt auch in Kombination mit einem Abgasrückführungssystem eine Steigerung des Wirkungsgrads des Abgasturboladers und somit der zugeordneten Brennkraftmaschine in einem größeren Betriebsbereich. Der kritische Gesamtdurchsatzparameter Θ, welcher für das jeweilige System Spiralkanal- Brennkraftmaschine einen konstanten Wert darstellt, ist hierbei grundsätzlich mit Hilfe der Funktion:
~ ΓΠ-Γ.NP * VT3 NP
Vy-
P3.NP ermittelbar, wobei
ITIT.NP die durch den Spiralkanal bzw. die Spiralsegmentkanäle unter Passieren des
Turbinenrads strömende Abgasmasse in der Einheit [kg/s] in einem
Nennleistungspunkt der Brennkraftmaschine; T3 Np eine Totaltemperatur der Abgasmasse in der Einheit [K] vor dem Turbinenrad in dem Nennleistungspunkt der Brennkraftmaschine; und p3ιNp einen Totaldruck in der Einheit [bar] vor dem Turbinenrad in dem
Nennleistungspunkt der Brennkraftmaschine bezeichnen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens der andere Spiralkanal als Vollspiralkanal ausgebildet ist. Ein als Vollspiralkanal ausgebildeter Spiralkanal ermöglicht auf konstruktiv einfache Weise, eine Strömungsmündung mit einem großen effektiven Strömungsquerschnitt bereitzustellen. Hierdurch ist zusätzlich zum Stoßaufladungs-Betrieb auch ein Stauaufladungs-Betrieb des Abgasturboladers ermöglicht, wodurch eine weitere Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads der Brennkraftmaschine bei bestimmten Last- und Drehzahlzuständen - insbesondere bei zumindest im wesentlichen konstanten Abgasdruckverhältnissen - gegeben ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Otto- und/oder Dieselmotor, für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens zwei Zylindern bzw. zwei Zylindergruppen, welchen mehrere Abgasleitungen zugeordnet sind und mit einem Abgasturbolader, welcher einen in einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordneten Verdichter und eine in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnete Turbine umfasst, wobei die Turbine ein Turbinengehäuse mit wenigstens zwei Spiralkanälen, die jeweils mit wenigstens einer der mehreren Abgasleitungen des Abgastrakts gekoppelt und unabhängig voneinander mit Abgas durchströmbar sind, und ein innerhalb eines Aufnahmeraums des Turbinengehäuses angeordnetes Turbinenrad umfasst, welches zum Antreiben eines über eine Lagerwelle drehfest mit diesem gekoppelten Verdichterrads des Verdichters mit dem durch die wenigstens zwei Spiralkanäle führbaren Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagbar ist, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass wenigstens einer der Spiralkanäle zumindest zwei fluidisch getrennte Spiralsegmentkanäle umfasst, die mit unterschiedlichen Abgasleitungen der Brennkraftmaschine gekoppelt sind. Auf diese Weise wird eine Wirkungsgradverbesserung in einem größeren Betriebsbereich der Brennkraftmaschine erzielt, da über die Spiralsegmentkanäle des Abgasturboladers ein Stoßaufladungs- Betrieb mit einer effektiveren Nutzung der Expansionsarbeit einzelner Zylinder bzw. Zylindergruppen ermöglicht ist. Im Gegensatz zum Stand der Technik können somit auch untere Last- und Drehzahlbereiche der Brennkraftmaschine optimal bedient werden.
Vorteilhafterweise sind wenigstens einem Zylinder bzw. einer Zylindergruppe zumindest zwei unterschiedliche Abgasleitungen zugeordnet, die mit den zumindest zwei Spiralsegmentkanälen gekoppelt sind. Hierdurch können die Abgase des Zylinders bzw. der Zylindergruppe fluidisch getrennt in die Turbine eingeleitet werden, wodurch beim Stoßaufladungs-Betrieb ein entsprechend verbesserter Energietransport zum Turbinenrad gewährleistet ist.
Eine Intensität von Abgasdruckpulsationen kann auf konstruktiv einfache Weise dadurch variiert werden, dass stromab des Zylinders bzw. der Zylindergruppe und stromauf der Turbine eine Vorrichtung im Abgastrakt angeordnet ist, mittels welcher Abgas zwischen den zumindest zwei Abgasleitungen umzublasen ist. Die Vorrichtung kann hierzu beispielsweise als Drehschieber ausgebildet sein. Auf diese Weise können unterschiedlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine besonders flexibel berücksichtigt und entsprechend hohe Wirkungsgrade sichergestellt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zum Vorbeileiten von Abgas an der Turbine ausgebildet ist. Hierdurch kann die Vorrichtung - beispielsweise in einem oberen Last- oder Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine - zusätzlich zum Abblasen von Abgas vor der Turbine genutzt werden, wodurch eine einfache Leistungsregelung des Abgasturboladers durchführbar ist.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Vorrichtung zum Zuführen von Abgas zu einem Abgasrückführsystem der Brennkraftmaschine ausgebildet ist, mittels welchem zumindest ein Teil des Abgases aus dem Abgastrakt in den Ansaugtrakt zu transportieren ist. Das Abgasrückführungssystem kann dabei sowohl als internes wie auch als externes Abgasrückführungssystem ausgebildet sein und ermöglicht insbesondere eine Verminderung von Stickstoffoxiden (NOx) bei der Verbrennung von Kraftstoff in der Brennkraftmaschine. Aufgrund der hierdurch erhöhten Variabilität der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann das Verhältnis der Abgasrückführungs- Raten zu den jeweils erforderlichen Luft-Kraftstoff-Verhältniszahlen in einem größeren Betriebsbereich optimal eingestellt werden. Durch den erfindungsgemäß verbesserten Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine und ihre verbesserte Stoßaufladungsfähigkeit wird zudem auch die Abgasrückführungs-Fähigkeit signifikant gesteigert, da von unteren über mittlere bis hin zu hohen Last- und Drehzahlbereichen entsprechend höhere Abgasrückführungs-Raten auf der Abgasseite im Verhältnis zu den jeweils erforderlichen Luft-Kraftstoff-Verhältniszahlen auf der Ansaugseite möglich sind.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem das Abgasrückführsystem ein zwischen dem Abgastrakt und dem Ansaugtrakt angeordnetes Ventil, insbesondere ein Flatterventil, umfasst, mittels welchem ein Transport des Abgases in den Ansaugtrakt zu steuern ist. Ein derartiges Ventil erlaubt eine Abgasrückführung unter vorteilhafter Ausnutzung von Pulsationsdruckspitzen im Abgasstrom auch dann, wenn ein mittlerer Abgasdruck im Abgastrakt unterhalb des Ladedrucks im Ansaugtrakt liegt und sich somit ein positiver Ladungswechsel ergibt.
Eine weitere Verbesserung der Emissionswerte der Brennkraftmaschine ist dadurch gegeben, dass im Abgastrakt insbesondere stromab der Abblasvorrichtung eine Abgasnachbehandlungssystem, insbesondere eine Rußfilter und/oder eine Katalysator und/oder eine SCR-Anlage, angeordnet ist.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass stromab eines Zylinders bzw. einer Zylindergruppe und stromauf des Turbinenrads eine Abblasvorrichtung, insbesondere ein Abblasventil, vorgesehen ist, mittels welcher Abgas am Turbinenrad vorbeizuleiten ist. Auch hierdurch ist eine konstruktiv einfache Leistungsregelung des Abgasturboladers ermöglicht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische seitliche Schnittansicht einer Turbine eines
Abgasturboladers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines ersten, mehrere
Spiralsegmentkanäle umfassenden Spiralkanals entlang der in Fig. 1 gezeigten Schnittebene H-Il; Fig. 3 eine schematische Schnittansicht eines zweiten, als Vollspirale ausgebildeten Spiralkanals entlang der in Fig. 1 gezeigten Schnittebene
Fig. 4 eine Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine, welche mit dem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildeten Abgasturbolader versehen ist; und
Fig. 5 eine Prinzipdarstellung der Brennkraftmaschine gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel.
Fig. 1 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht einer Turbine 10 eines Abgasturboladers 12 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und wird im Folgenden in Zusammenschau mit den Fig. 2-4 erläutert werden, von welchen Fig. 2 und Fig. 3 jeweilige schematische Schnittansichten gemäß den in Fig. 1 abgebildeten Schnittebenen M-Il bzw. Ill-Ill zeigen. Fig. 4 zeigt ihrerseits eine Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine, welche mit dem in den Fig. 1-3 gezeigten Abgasturbolader 12 versehen ist.
Wie in Fig. 1 erkennbar ist, umfasst die Turbine 10 des Abgasturboladers 12 vorliegend ein Turbinengehäuse 11 mit zwei Spiralkanälen 14a, 14b, die jeweils mit wenigstens einer von mehreren Abgasleitungen 16a-d eines Abgastrakts 18 einer Brennkraftmaschine koppelbar und unabhängig voneinander mit Abgas durchströmbar sind. Weiterhin umfasst die Turbine 10 ein innerhalb eines Aufnahmeraums 20 angeordnetes Turbinenrad 22, welches in an sich bekannter Weise zum rotierenden Antreiben eines Verdichterrads 25, welches über eine Lagerwelle 24 drehfest mit dem Turbinenrad 22 gekoppelt und in einem Ansaugtrakt 19 der Brennkraftmaschine anzuordnenden ist, mit dem durch die Spiralkanäle 14a, 14b führbaren Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagbar ist. Um eine Wirkungsgradverbesserung der dem Abgasturbolader 12 zugeordneten Brennkraftmaschine in einem größeren Betriebsbereich zu ermöglichen, weist der erste Spiralkanal 14a dabei drei Spiralsegmentkanäle 26a-c auf, die fluidisch getrennt und damit unabhängig voneinander mit Abgas durchströmbar sind. Über entsprechende Flansche 27a-c können die Spiralsegmentkanäle 26a-c mit zugeordneten, beispielsweise als Krümmerrohre ausgebildeten Abgasleitungen 16a-c der Brennkraftmaschine gekoppelt werden. Die Spiralsegmentkanäle 26a-c sind dabei zur Optimierung des Bauraumbedarfs des Turbinengehäuses sowie einer Anströmcharakteristik auf das Turbinenrad 22 symmetrieäquivalent ausgebildet und rotationssymmetrisch bezüglich einer Drehachse I des Turbinenrads 22 angeordnet. Die Drehachse I stellt mit anderen Worten im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine dreizählige Drehachse dar. Die drei Strömungsmündungen 28a-c der drei Spiralsegmentkanäle 26a-c in den Aufnahmeraum 20 sind dabei im Querschnitt kreisbogenartig ausgebildet und weisen symmetriebedingt gleiche Umfangswinkel von jeweils etwa 120° und damit gleiche Strömungsflächen auf. Die Anzahl der Spiralsegmentkanäle 26 ist vorliegend an eine Anzahl von in einer ersten Zylindergruppe 30a zusammengefassten Zylindern 32a-c der mehrzylindrig ausgebildeten Brennkraftmaschine angepasst. Die Zylinder 32a-c speisen mit anderen Worten Abgas über die fluidisch getrennten Abgasleitungen 16a-c in ihren jeweils zugeordneten Spiralsegmentkanal 26a-c ein. Grundsätzlich können jedoch auch zwei oder mehr als drei Spiralsegmentkanäle 26 vorgesehen sein. Auch kann der Umfangswinkel der Spiralsegmentkanäle 26 unterschiedlich sein und somit unterschiedliche Strömungsflächen aufweisen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist stromauf des Turbinenrads 22 und stromab der Strömungsmündungen 28a-c der Spiralsegmentkanäle 26a-c ein grundsätzlich optionales Leitgitterelement 34 mit mehreren Leitschaufeln 36 im Turbinengehäuse 11 angeordnet, welches durch an sich bekannte Beeinflussung der Anströmcharakteristik des Turbinenrads 22 eine zusätzliche Wirkungsgradverbesserung des Abgasturboladers 12 und damit der Brennkraftmaschine begünstigt. In den Zungenbereichen lla-c der einzelnen Spiralsegmentkanäle 26a-c sind die Leitschaufeln 36 dabei als Fortsetzung des Turbinengehäuses 11 gestaltet. Zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrads kann dabei vorgesehen sein, dass das Leitgitterelement 34 zum Einstellen der einzelnen Strömungsflächen bewegbar im Turbinengehäuse 11 gelagert und beispielsweise in Abhängigkeit von Last- oder Drehzahlzuständen der Brennkraftmaschine zu bewegen ist. Der zweite, in Fig. 3 erkennbare Spiralkanal 14b ist vorliegend als Vollspiralkanal mit einer sich über annähernd 360° erstreckenden Strömungsmündung 28d zur Eintrittsdrallerzeugung ausgebildet und über seinen Flansch 27d lediglich mit einer Abgasleitung 16d koppelbar. Die zwei Spiralkanäle 14a, 14b weisen unterschiedliche kritische Gesamtdurchsatzparameter Θ auf.
Wie in Fig. 1 und Fig. 4 erkennbar, ist der die Spiralsegmentkanäle 26a-c umfassende Spiralkanal 14a im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Bereich der Lagerwelle 24 angeordnet und ermöglicht auf im Folgenden näher beschriebene Weise einen Stoßaufladungs-Betriebsmodus des Abgasturboladers 12. Der als Vollspiralkanal ausgebildete Spiralkanal 14b ist demgegenüber zusammen mit einem vorliegend in das Turbinengehäuse 11 integrierten Abblasventil 40 im Bereich eines Abgasaustritts 38 des Turbinengehäuses 11 angeordnet.
Der Ansaugtrakt 19 der Brennkraftmaschine, welche beispielsweise als Otto- oder Dieselmotor für ein Kraftfahrzeug ausgebildet ist, umfasst als an sich bekannte Elemente einen stromauf des Verdichterrads 25 eines Verdichters (nicht gezeigt) angeordneten Luftfilter 42 sowie einen stromab des Verdichterrads 25 angeordneten Ladeluftkühler 44. Stromab der Zylinder 32a-c bzw. der Zylindergruppe 30a und stromauf der Turbine 10 ist eine Vorrichtung 46 im Abgastrakt 18 angeordnet, mittels welcher Abgas zwischen den Abgasleitungen 16a-c umzublasen ist. Auf diese Weise kann die Intensität von Druckpulsationen in den einzelnen Abgasleitungen 16a-c je nach Ausgestaltung der Vorrichtung 46 steuerbar oder regelbar geglättet werden. Darüber hinaus ist die Vorrichtung 46 zum Zuführen von Abgas zu einem Abgasrückführsystem 48 der Brennkraftmaschine ausgebildet. Mit Hilfe des Abgasrückführsystems 48 kann in an sich bekannter Weise zumindest ein Teil des Abgases aus dem Abgastrakt 18 in den Ansaugtrakt 19 transportiert werden, wodurch eine Verbesserung der Abgasemissionswerte der Brennkraftmaschine erzielbar ist. Das Abgasrückführsystem 48 umfasst seinerseits neben einem Abgaskühler 50 ein optionales, vorliegend als Flatterventil ausgebildetes Ventil 52, mittels welchem ein Transport des Abgases in den Ansaugtrakt 19 zu steuern ist. Das Ventil 52 erlaubt hierbei eine vorteilhafte Ausnutzung von Druckpulsationsspitzen im Abgasstrom der Zylindergruppe 30a, wodurch auch dann Abgas aus dem Abgastrakt 18 in den Ansaugtrakt 19 transportiert werden kann, wenn ein mittlerer Abgasdruck p3m unterhalb eines Ladedrucks p2s liegt. Die Vorrichtung 46 ermöglicht damit zusätzlich eine vorteilhafte Beeinflussung der Abgasrückführungs- Fähigkeit des Abgasturboladers 12. Die Vorrichtung 46 kann dabei beispielsweise als Drehschieber ausgebildet sein, welcher zwischen einer Grundstellung, in welcher die Abgasleitungen 16a-c fluidisch getrennt sind, und verschiedenen Umblasstellungen verdrehbar ist, in welchen die Abgasleitungen 16a-c zur Mengenregelung des Abgasrückführsystems 48 nacheinander fluidisch verbunden werden.
Die zweite Zylindergruppe 30b ist vor dem zweiten Spiralkanal 14b zusammengeschaltet, so dass die vereinigte Abgasmasse der drei Zylinder 32d-f den als Vollspirale ausgebildeten Spiralkanal 14b durchströmen kann. Der zweite Spiralkanal 14b weist gegenüber dem segmentierten Spiralkanal 14a trotz des geringeren Stoßaufladungseffekts einen größeren effektiven Strömungsquerschnitt auf. Die Summe der Strömungsquerschnitte der Spiralsegmentkanäle 26a-c wird vorteilhaft im Hinblick auf die erforderliche Abgasrückführungs-Fähigkeit des Abgasturboladers 12 dimensioniert. Der Spiralkanal 14a, der häufig als Lambda-Flut bezeichnet wird, sorgt über seine Abgasaufstaufähigkeit für das erforderliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit der Zielsetzung, bestmögliche Wirkungsgrade der Turbine 10 zu bewirken. Hierbei wird bevorzugt ein positiver Ladungswechsel (p2-p3'>0) zwischen dem Ladedruck p2s und dem Abgasdruck p3' der zweiten Zylindergruppe 30b sichergestellt. Mit anderen Worten ergeben sich bei der Nutzung des gezeigten Abgasturboladers 12 Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine, in welchen sich eine hohe Abgasrückführungs-Fähigkeit mit positivem Ladungswechsel einstellt. Zur weiteren Verbesserung der Abgasemissionswerte ist stromab des Abgasaustritts 38 des Turbinengehäuses 11 ein Abgasnachbehandlungssystem 54 im Abgastrakt 18 angeordnet, welches in Abhängigkeit der Ausgestaltung der Brennkraftmaschine als Rußfilter, Katalysator und/oder SCR- Anlage ausgebildet sein kann. Aufgrund des erfindungsgemäß erhöhten Wirkungsgrads des Abgasturboladers 12 werden etwaige Wirkungsgradsenkungen vorteilhaft kompensiert.
Fig. 5 zeigt eine Prinzipdarstellung der Brennkraftmaschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Der grundsätzliche Aufbau ist dabei bereits aus der vorhergehenden Figurenbeschreibung bekannt. Im Unterschied zu dem in den Fig. 1-4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind jedoch die Stellungen der beiden Spiralkanäle 14a, 14b vertauscht. Hierdurch ist der segmentierte Spiralkanal 14a des Abgasturboladers 12 im Bereich des Abgasaustritts 38 des Turbinengehäuses 11 angeordnet. Weiterhin sind die Spiralsegmentkanäle 26a-c mit den Abgasleitungen 16a-c der Zylinder 32d-f der zweiten Zylindergruppe 30b gekoppelt. Der als Vollspirale ausgebildete Spiralkanal 14b ist demgegenüber im Bereich der Lagerwelle 24 angeordnet und mit der gemeinsamen Abgasleitung 16d der Zylinder 32a-c der ersten Zylindergruppe 30a gekoppelt. Die Abgasleitung 16d ist ihrerseits mit dem Abgasrückführsystem 48 gekoppelt. Durch die Platzierung des segmentierten Spiralkanals 14a auf der prinzipiell wirkungsgradbegünstigteren Turbinenradaustrittsseite kann ein sehr ausgeprägter Stoßaufladungseffekt erzielt werden. Diese Wirkungsgradverbesserung der Turbine 10 bewirkt eine Absenkung eines mittleren Turbineneintrittsdrucks p3 gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten, unsegmentiert ausgebildeten, mehrflutigen Turbinen. Der positive Ladungswechsel p2-p3 ermöglicht somit eine deutliche Verbrauchssenkung. Mit der regelbaren Vorrichtung 46 kann in einem oberen Last- oder Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine zwischen den Abgasleitungen 16a-c umgeblasen werden, wodurch eine Nivellierung der Druckpulsationen möglich ist. Die Vorrichtung 46 zum Umblasen zwischen den Abgasleitungen 16a-c ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zusätzlich auch zum Vorbeileiten von Abgas an der Turbine 10 ausgebildet. Hierdurch kann auf zusätzliche, im Turbinengehäuse 11 zu integrierende Abblasventile 40 verzichtet und eine einfache Leistungsregelung des Abgasturboladers 12 vorgenommen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem Turbinengehäuse (11), welches wenigstens zwei Spiralkanäle (14a, 14b) umfasst, die jeweils mit wenigstens einer von mehreren Abgasleitungen (16a-d) eines Abgastrakts (18) der Brennkraftmaschine koppelbar und unabhängig voneinander mit Abgas durchströmbar sind, und mit einem innerhalb eines Aufnahmeraums (20) des Turbinengehäuses (11) angeordneten Turbinenrad (22), welches zum Antreiben eines über eine Lagerwelle (24) drehfest mit diesem gekoppelten Verdichterrads (25) vorgesehen ist, wobei das Turbinenrad (22) mit dem durch die wenigstens zwei Spiralkanäle (14a, 14b) führbaren Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Spiralkanäle (14a) zumindest zwei fluidisch getrennte Spiralsegmentkanäle (26a-c) umfasst, die mit unterschiedlichen Abgasleitungen (16a-c) der Brennkraftmaschine koppelbar sind.
2. Abgasturbolader nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralsegmentkanäle (26a-c) symmetrieäquivalent und/oder rotationssymmetrisch bezüglich einer Drehachse (I) des Turbinenrads (22) ausgebildet sind.
3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
Strömungsmündungen (28) der Spiralsegmentkanäle (26a-c) in den Aufnahmeraum (20) im Querschnitt kreisbogenartig ausgebildet und mit gleichen Umfangswinkeln um die Drehachse (I) des Turbinenrads (22) angeordnet sind.
4. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf des Turbinenrads (22) und stromab wenigstens eines Spiralkanals (14a) und/oder eines Spiralsegmentkanals (26a-c) ein Leitgitterelement (34) im Turbinengehäuse (11) angeordnet ist.
5. Abgasturbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitgitterelement (34) zum Einstellen einer Strömungsfläche, insbesondere translatorisch und/oder rotatorisch, bewegbar im Turbinengehäuse (11) gelagert ist.
6. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine, die Spiralsegmentkanäle (26a-c) umfassende Spiralkanal (14a) im Bereich der Lagerwelle (24) und/oder im Bereich eines Abgasaustritts (38) des Turbinengehäuses (11) angeordnet ist.
7. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Spiralkanäle (14a, 14b) unterschiedliche kritische Gesamtdurchsatzparameter (Θ) aufweisen.
8. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der andere Spiralkanal (14b) als Vollspiralkanal ausgebildet ist.
9. Brennkraftmaschine, insbesondere Otto- und/oder Dieselmotor, für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens zwei Zylindern (32a-f) bzw. zwei Zylindergruppen (30a, 30b), welchen mehrere Abgasleitungen (16a-d) zugeordnet sind und mit einem Abgasturbolader (12), welcher einen in einem Ansaugtrakt (19) der Brennkraftmaschine angeordneten Verdichter und eine in einem Abgastrakt (18) der Brennkraftmaschine angeordnete Turbine (10) umfasst, wobei die Turbine (10) ein Turbinengehäuse (11) mit wenigstens zwei Spiralkanälen (14a, 14b), die jeweils mit wenigstens einer der mehreren Abgasleitungen (16a-d) des Abgastrakts (18) gekoppelt und unabhängig voneinander mit Abgas durchströmbar sind, und ein innerhalb eines Aufnahmeraums (20) des Turbinengehäuses (11) angeordnetes Turbinenrad (22) umfasst, welches zum Antreiben eines über eine Lagerwelle (24) drehfest mit diesem gekoppelten Verdichterrads (25) des Verdichters mit dem durch die wenigstens zwei Spiralkanäle (14a, 14b) führbaren Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Spiralkanäle (14a) zumindest zwei fluidisch getrennte Spiralsegmentkanäle (26a-c) umfasst, die mit unterschiedlichen Abgasleitungen (16a-c) der Brennkraftmaschine gekoppelt sind.
10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einem Zylinder (32a-f) bzw. einer Zylindergruppe (30a, 30b) zumindest zwei unterschiedliche Abgasleitungen (16a-d) zugeordnet sind, die mit den zumindest zwei Spiralsegmentkanälen (14a, 14b) gekoppelt sind.
11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Zylinders (30a-f) bzw. der Zylindergruppe (30a, 30b) und stromauf der Turbine (10) eine Vorrichtung (46) im Abgastrakt (18) angeordnet ist, mittels welcher Abgas zwischen den zumindest zwei Abgasleitungen (16a-c) umzublasen ist.
12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (46) zum Vorbeileiten von Abgas an der Turbine (10) ausgebildet ist.
13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (46) zum Zuführen von Abgas zu einem Abgasrückführsystem (48) der Brennkraftmaschine ausgebildet ist, mittels welchem zumindest ein Teil des Abgases aus dem Abgastrakt (18) in den Ansaugtrakt (19) zu transportieren ist.
14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrückführsystem (48) ein zwischen dem Abgastrakt (18) und dem Ansaugtrakt (19) angeordnetes Ventil (52), insbesondere ein Flatterventil, umfasst, mittels welchem ein Transport des Abgases in den Ansaugtrakt (19) zu steuern ist.
15. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgastrakt (18), insbesondere stromab eines Abgasaustritts (38) des Turbinengehäuses (11), ein Abgasnachbehandlungssystem (54), insbesondere ein Rußfilter und/oder ein Katalysator und/oder eine SCR-Anlage, angeordnet ist.
16. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass stromab eines Zylinders (32a-f) bzw. einer Zylindergruppe (30a, 30b) und stromauf des Turbinenrads (22) eine Abblasvorrichtung, insbesondere ein Abblasventil (40), vorgesehen ist, mittels welcher Abgas am Turbinenrad (22) vorbeizuleiten ist.
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