WO2013037437A2 - Turbine für einen abgasturbolader - Google Patents

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WO2013037437A2
WO2013037437A2 PCT/EP2012/002998 EP2012002998W WO2013037437A2 WO 2013037437 A2 WO2013037437 A2 WO 2013037437A2 EP 2012002998 W EP2012002998 W EP 2012002998W WO 2013037437 A2 WO2013037437 A2 WO 2013037437A2
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turbine
wheel
adjustable
adjusting
flow cross
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PCT/EP2012/002998
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Siegfried Sumser
Michael Stiller
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Daimler Ag
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    • 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
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/141—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path
    • F01D17/143—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path the shiftable member being a wall, or part thereof of a radial diffuser
    • 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
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/22—Control of the pumps by varying cross-section of exhaust passages or air passages, e.g. by throttling turbine inlets or outlets or by varying effective number of guide conduits
    • 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
    • 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 a turbine for an exhaust gas turbocharger according to the preamble of patent claim 1.
  • the inlet pressure level of the turbines will continue to be forced upwards by the back pressure of downstream particulate filters, resulting in further geometric downsizing of the turbines to meet compressor side power requirements for combustion air delivery.
  • EP 1 866 534 B1 discloses a turbine for an exhaust-gas turbocharger
  • Internal combustion engine comprising a turbine housing, which comprises a receiving space for at least partially receiving a turbine wheel of the turbine.
  • the Turbine further comprises an adjusting device, by means of which a flow cross section in a turbine wheel outlet region downstream of the turbine wheel is variably adjustable.
  • turbocharger turbochargers In the development of turbocharger turbochargers, the focus of turbine designs has been for mobile applications, such as automotive applications. due to the strong transient requirements developed in vehicle engines on slope divisions in such a way that in most cases before the turbine wheel over the wheel channel, the greater Exergiebetrag the total gradient is converted into speed. The degree of reaction of the turbine, whose definition is the quotient of the
  • Speed conversion from wheel to nozzle is thus generally below the value 0.5 for the turbines of vehicle applications.
  • Such a turbine for an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle, comprises a turbine housing, which has a
  • Receiving space for at least partially receiving a turbine wheel of the turbine has.
  • the turbine further comprises an adjusting device, by means of which a flow cross-section in a turbine wheel outlet region downstream of the turbine wheel is variably adjustable.
  • the adjusting device comprises a plurality of independently
  • Adjusting device at least two adjusting elements which are discretely movable between at least two mutually different positions relative to the turbine housing. This means that advantageously each of the adjusting elements can each be moved individually without having to move at least one other of the adjusting elements likewise. In a first of the positions, the flow cross-section in the turbine wheel outlet region is reduced relative to the other position. This means that the adjusting elements between the positions can be opened and closed.
  • control elements are, in particular, geometric elements by which a so-called wheel outlet variability is created.
  • Internal combustion engine is customizable.
  • the turbine can be operated very efficiently and has a particularly high turbine efficiency.
  • Radaustrittsquerites is called to quantify so far that a
  • Gradient distribution of the total gradient of the turbine is set at least almost so that half the Exergiege we upstream of the turbine wheel is converted into speed energy and converts the second half of the Exergiege sos in the wheel of the turbine wheel, ie in the relative system in speed energy. This is one
  • Reaction level of the turbine can be represented, which is in the range of 0.5 or at least 0.5 or more.
  • the turbine is designed, for example, as a varioturbine, which comprises the adjusting device downstream and optionally a further adjusting device upstream of the turbine wheel, and / or the turbine is asymmetrical, it is advantageous to frequently use the turbine at the nominal point of the internal combustion engine when optimizing for the driving range to operate with low efficiencies and excessive degrees of reaction of greater than 0.6.
  • the wheel outlet variability represented by the actuator makes it possible to influence the degree of reaction of the turbine from the wheel side in order to increase the throughput capability of the turbine from the turbine wheel side and to increase the turbine at high speeds
  • blow-off device by means of which the turbine wheel bypassed by exhaust gas and thus not driven, omitted.
  • a blow-off device usually leads to undesirably high losses. Due to the omission of such a blow-off device, even with the possibly geometrically relatively small-sized turbine, which thus has small flow cross sections has, even at high speeds and / or loads of the internal combustion engine, a very low fuel consumption of the internal combustion engine are shown. This is particularly advantageous in the case of an internal combustion engine designed as a gasoline engine, since in this case due to the requirements on the driving behavior
  • the geometrically small design of the turbine has the advantage of a very good transient behavior and / or an advantageous exhaust gas recirculation functionality (EGR functionality), especially at high speeds and / or loads with simultaneous realization of a sufficient air supply
  • EGR functionality exhaust gas recirculation functionality
  • EGR rates exhaust gas recirculation rates
  • the turbine according to the invention is designed in particular as a radial turbine, in which the exhaust gas flows off the turbine wheel at least substantially in the radial direction and at least substantially flows away in the axial direction.
  • the turbine according to the invention can also be designed as a twin-flow turbine whose turbine housing has at least two passages for guiding the exhaust gas.
  • the floods can be asymmetrical to each other.
  • Such an asymmetrical, double-flow turbine has quasi a degree of reaction for each of the floods, which can be influenced by means of the adjusting device in Turbinenradaustritts Scheme from the side of the turbine wheel forth to realize low fuel consumption and low emissions and to optimize other thermodynamic and mechanical parameters.
  • Turbinenradaustritts Scheme from the side of the turbine wheel forth to realize low fuel consumption and low emissions and to optimize other thermodynamic and mechanical parameters.
  • the same applies to the turbine according to the invention if this is designed as a so-called standard turbine with only one tide.
  • the turbine comprises a further adjusting device with at least one further adjusting element which can be adjusted relative to the turbine housing, by means of which a further flow cross-section is provided in one Turbinenradeintritts Suite is variably adjustable. This means that the further flow cross-section arranged upstream of the turbine wheel is connected by means of the other
  • the wheel outlet variability is coupled with the wheel entry variability to meet optimal conditions with respect to engine demands. Furthermore, this keeps the space requirement, the number of parts, the weight and the cost of the turbine according to the invention low.
  • Influencing the EGR rate as well as on the air ratio ⁇ can take very favorable conditions to keep the fuel consumption and emissions low while implementing the advantageous driving behavior of the
  • Turbinenradaustritts Symposium is particularly efficient operable, which is associated with low fuel consumption of the internal combustion engine.
  • the drawing shows in: a schematic longitudinal sectional view of a turbine for an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine with a
  • Wheel outlet variability a schematic front view of the turbine of FIG. 1a; a schematic longitudinal sectional view of a further embodiment of the turbine according to FIGS. 1a and 1b; a detail of another schematic longitudinal sectional view of the turbine of FIG. 2a; a detail of another schematic longitudinal sectional view of the turbine according to FIGS. 2a and 2b; a detail of another schematic longitudinal sectional view of the turbine according to FIGS. 2a-c; and a fragmentary schematic longitudinal sectional view of another embodiment of the turbine according to FIGS. 2a-d with a wheel inlet variability.
  • FIGS. 1a-b show a turbine 10 for an exhaust-gas turbocharger of an internal combustion engine designed, for example, as a reciprocating internal combustion engine.
  • the turbine 10 includes a turbine housing 12, which has a receiving space 14.
  • a turbine wheel 16 of the turbine 10 is received at least partially.
  • the turbine wheel 16 is rotatably received about a turbine wheel axis of rotation 18 relative to the turbine housing 12.
  • Turbine housing 12 is a so-called nozzle 20 is limited in the axial direction, via which the turbine wheel 16 exhaust gas of the internal combustion engine at least in
  • Directional arrow 22 illustrates.
  • the turbine wheel 16 comprises a wheel hub 24 which is provided with a plurality of
  • Paddles 26 is connected.
  • the paddles have a respective wheel rim 28, which comprises a first edge region 30, an adjoining second edge region 32 and a third edge region 34 adjoining thereto.
  • the first edge region 30 extends at least substantially in the axial direction, ie at least substantially parallel to the axial direction.
  • the third edge region 34 extends at least substantially in the radial direction or slightly obliquely thereto.
  • Edge portion 30 and the third edge portion 34, the second edge portion 32 is arranged, which extends obliquely to the axial direction and with the
  • Edge regions 30, 34 each includes an angle different from 180 °.
  • the first edge region 30 is also referred to as leading edge, since the turbine wheel 16 or the wheel blade 26 is flowed over the first edge region 30 of the exhaust gas.
  • the second edge region 32 and the third edge region 34 are also referred to as trailing edges, since the turbine wheel 16 or the wheel vanes 26 are flowed away via the edge regions 32, 34 from the exhaust gas.
  • Edge region 34 is also referred to as main exit edge.
  • the turbine 10 further comprises an adjusting device 36, by means of which a
  • Flow cross-section in a turbine wheel outlet region 38, via which the turbine wheel 16 is discharged from the exhaust gas, downstream of the turbine wheel 16 is variably adjustable.
  • the adjusting device 36 comprises a plurality of adjusting elements 40 which are adjustable relative to the turbine housing 12 independently of one another.
  • the flow cross section in the turbine wheel outlet region 38 is set variably.
  • the flow cross-section in the turbine wheel outlet region 38 which also as
  • Internal combustion engine are at least substantially optimally adapted. Due to the fact that the adjusting elements 40 can be adjusted independently of one another or moved relative to the turbine housing 12, cross-sectional areas of the
  • the adjusting elements 40 represent geometry elements, by which a so-called wheel outlet variability is created.
  • the adjusting elements are ring segments, which are at least substantially movable in the radial direction and thus are obvious and closable.
  • the ring segments or contour ring segments (adjusting elements 40) are assigned at least one axis of rotation SD about which the adjusting elements 40 can be pivoted.
  • the axis of rotation SD extends at least substantially parallel to the turbine wheel axis of rotation 18 of the turbine wheel 16. It is also possible that the axis of rotation SD extends obliquely or otherwise to the turbine wheel axis of rotation 18.
  • FIG. 1b shows a first intersection point a, a second intersection point b, a third intersection point c and a fourth intersection point d selected on the intersecting lines of a ring segment surface and, in the case of rotation or rotation, respectively when pivoting about the rotation axis SD with a ⁇ in an opening position of the corresponding intersections a '(fifth intersection), b' (sixth intersection), c '(seventh intersection) and d' (eighth intersection) are depicted as an example.
  • Vario exit edge region 42 of the second edge region 32 as a function of the angle ⁇ is determined in particular by the position of the rotation axis SD and the direction to the points of intersection a, b, c and d.
  • the Varioaustrittskanten Trial 42 can be covered by means of the adjusting elements 40 as shown in FIG. 1a or released in contrast and adjusted so variable.
  • dashed line 44 which represents an advantageous and desired contour distance line with a corresponding axis of rotation of the axis of rotation SD in the open state.
  • the target Abhebeabstand For determining the position of the rotation axis SD, for example, the target Abhebeabstand a corresponding ring segment of the Varioaustrittskanten Society 42 at the minimum radius Rmin to the maximum radius Rmax to choose significantly larger, creating an advantageous effect on the edge flow to
  • Varioaustrittskanten Colour 42 is covered maximally.
  • Fig. 2b the innermost in the radial direction of the adjusting elements 40 is opened.
  • Fig. 2c the center in the radial direction actuator 40 is additionally opened.
  • Fig. 2d the radially outermost actuator 40 is additionally opened.
  • directional arrows 50 respectively illustrate how the paddle wheel 26, with appropriate adjustment of the
  • Control elements 40 is discharged from the exhaust gas.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the turbine 10 according to FIGS. 2a-d, which additionally has a further adjusting device 45 in a turbine wheel inlet region 46.
  • a wheel drive variability is created, so that a further flow cross-section in the turbine wheel draw-in area 46 can be set variably.
  • a coupling device 48 is provided, via which the wheel outlet variability illustrated by means of the adjusting device 36 with the means of the other Actuator 45 is shown coupled Radeintrittsvariabiltician.
  • Combustion engine are presented with many advantages in terms of stationary as well as transient operation, with a blow-off, i. a bypass of the turbine wheel 16 with exhaust gas can be avoided. This leads to a particularly low fuel consumption of the internal combustion engine.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine (10) für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Turbinengehäuse (12), welches einen Aufnahmeraum (14) zum wenigstens bereichsweisen Aufnehmen eines Turbinenrads (16) der Turbine (10) umfasst, und mit einer Stelleinrichtung (36), mittels welcher ein Strömungsquerschnitt in einem Turbinenradaustrittsbereich (38) stromab des Turbinenrads (16) variabel einstellbar ist, wobei die Stelleinrichtung (36) eine Mehrzahl von unabhängig voneinander, relativ zum Turbinengehäuse (12) verstellbaren Stellelementen (40) umfasst, mittels welchen der Strömungsquerschnitt variabel einstellbar ist.

Description

Turbine für einen Abgasturbolader
Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die fortwährende Verschärfung von Emissionsgrenzwerten, insbesondere hinsichtlich der Stickoxid- (NOx-) und der Ruß-Emissionen führt auch zu einer starken Beeinflussung von Aufladeeinrichtungen zur Aufladung von Verbrennungskraftmaschinen von Kraftwagen. Die wachsenden Anforderungen hinsichtlich der Bereitstellung eines gewünschten Ladedrucks aufgrund von hohen Abgasrückführraten über den mittleren Lastbereich bis hin zur Volllast führt dazu, Turbinen von Abgasturboladern der Aufladeeinrichtungen geometrisch mehr und mehr zu verkleinern. Dies bedeutet, dass erwünscht hohe
Turbinenleistungen durch eine Steigerung der Aufstaufähigkeit bzw. durch die
Reduzierung der Schluckfähigkeit der Turbinen im Zusammenspiel mit der zugeordneten Verbrennungskraftmaschine realisiert werden.
Des Weiteren wird gegebenenfalls das Eintrittsdruckniveau der Turbinen durch den Gegendruck von stromab angeordneten Partikel- bzw. Rußfiltern weiterhin nach oben getrieben, was eine weitere geometrische Verkleinerung der Turbinen mit sich zieht, um Leistungsanforderungen auf der Verdichterseite für die Verbrennungsluft-Lieferung befriedigen zu können.
Zur Optimierung der Turbinen der Abgasturbolader ist es bekannt, einen
Strömungsquerschnitt im Austrittsbereich eines Turbinenrads der Turbine mittels einer Stelleinrichtung variabel einzustellen.
So offenbart die EP 1 866, 534 B1 eine Turbine für einen Abgasturbolader einer
Verbrennungskraftmaschine, mit einem Turbinengehäuse, welches einen Aufnahmeraum zum wenigstens bereichsweisen Aufnehmen eines Turbinenrads der Turbine umfasst. Die Turbine umfasst ferner eine Stelleinrichtung, mittels welcher ein Strömungsquerschnitt in einem Turbinenradaustrittsbereich stromab des Turbinenrads variabel einstellbar ist.
Im Rahmen der Entwicklung von Turbinen für Abgasturbolader hat sich der Schwerpunkt der Auslegungen der Turbinen für mobile Anwendungen wie z.B. bei Fahrzeugmotoren auf Gefälleaufteilungen aufgrund der starken transienten Anforderungen in der Weise entwickelt, dass in den meisten Fällen vor dem Turbinenrad gegenüber dem Radkanal der größere Exergiebetrag des Gesamtgefälles in Geschwindigkeit umgesetzt wird. Der Reaktionsgrad der Turbine, dessen Definition der Quotient der
Geschwindigkeitsumwandlung von Rad zur Düse bedeutet, liegt somit bei den Turbinen der Fahrzeuganwendungen im Allgemeinen unterhalb des Wertes 0,5. Der
Reaktionsgrad, an dem die maximalen Turbinenwirkungsgrade erzielbar sind, hat sich bei den meisten Radialturbinen jedoch im Bereich von Reaktionsgraden von 0,5 manifestiert.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine für einen Abgasturbolader der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Turbine besonders effizient zu betreiben ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Turbine für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Eine solche Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, umfasst ein Turbinengehäuse, welches einen
Aufnahmeraum zum wenigsten bereichsweisen Aufnehmen eines Turbinenrads der Turbine aufweist. Die Turbine umfasst ferner eine Stelleinrichtung, mittels welcher ein Strömungsquerschnitt in einem Turbinenradaustrittsbereich stromab des Turbinenrads variabel einstellbar ist.
Erfindungsgemäß umfasst die Stelleinrichtung eine Mehrzahl von unabhängig
voneinander, relativ zum Turbinengehäuse verstellbaren Stellelementen, mittels welchen der Strömungsquerschnitt variabel einstellbar ist. Mit anderen Worten umfasst die
Stelleinrichtung wenigstens zwei Stellelemente, welche diskret zwischen wenigstens zwei voneinander unterschiedlichen Stellungen relativ zum Turbinengehäuse bewegbar sind. Dies bedeutet, dass vorteilhafterweise jedes der Stellelemente jeweils einzeln bewegt werden kann, ohne zumindest ein anderes der Stellelemente ebenfalls bewegen zu müssen. In einer ersten der Stellungen ist dabei der Strömungsquerschnitt in dem Turbinenradaustrittsbereich gegenüber der anderen Stellung reduziert. Dies bedeutet, dass die Stellelemente zwischen den Stellungen offen- und schließbar sind.
Bei den Stellelementen handelt es sich insbesondere um Geometrieelemente, durch welche eine sogenannte Radaustrittsvariabilität geschaffen ist. Mittels dieser
Radaustrittsvariabilität kann der Strömungsquerschnitt im Turbinenradaustrittsbereich bedarfsgerecht und variabel eingestellt werden, so dass die Turbine an unterschiedliche Betriebspunkte und damit an unterschiedliche Abgasmassenströme der
Verbrennungskraftmaschine anpassbar ist. So kann die Turbine besonders effizient betrieben werden und weist einen besonders hohen Turbinenwirkungsgrad auf.
Mittels der Stelleinrichtung der erfindungsgemäßen Turbine ist es möglich, den
Strömungsquerschnitt im Turbinenradaustrittsbereich, welcher auch als
Radaustrittsquerschnitt bezeichnet wird, so weit zu quantifizieren, dass eine
Gefälleaufteilung des Gesamtgefälles der Turbine zumindest nahezu so eingestellt wird, dass das halbe Exergiegefälle stromauf des Turbinenrads in Geschwindigkeitsenergie umgesetzt wird und die zweite Hälfte des Exergiegefälles im Radkanal des Turbinenrads, also im Relativsystem, in Geschwindigkeitsenergie umwandelt. Dadurch ist ein
Reaktionsgrad der Turbine darstellbar, welcher im Bereich von 0,5 liegt bzw. wenigstens 0,5 oder mehr beträgt.
Ist die Turbine beispielsweise als Varioturbine ausgebildet, welche die Stelleinrichtung stromab und gegebenenfalls eine weitere Stelleinrichtung stromauf des Turbinenrads umfasst, und/oder ist die Turbine asymmetrisch ausgebildet, so ist es von Vorteil, die Turbine im Nennpunkt der Verbrennungskraftmaschine bei einer Optimierung auf den Fahrbereich häufig mit niederen Wirkungsgraden und überhöhten Reaktionsgraden von größer als 0,6 zu betreiben.
Die durch die Stelleinrichtung dargestellte Radaustrittsvariabilität ermöglicht es, auf den Reaktionsgrad der Turbine von der Radseite her einzuwirken, um die Durchsatzfähigkeit der Turbine von Seiten des Turbinenrads zu steigern und die Turbine bei hohen
Durchsätzen mit günstigen Reaktionsgraden und relativ niederen Austrittsverlusten zu betreiben. So kann auch eine sogenannte Abblaseeinrichtung, mittels welcher das Turbinenrad von Abgas umgangen und somit nicht angetrieben wird, entfallen. Eine solche Abblaseeinrichtung führt in der Regel zu unerwünscht hohen Verlusten. Durch den Entfall einer solchen Abblaseeinrichtung kann auch bei der gegebenenfalls geometrisch relativ klein ausgestalteten Turbine, welche somit geringe Strömungsquerschnitte aufweist, auch bei hohen Drehzahlen und/oder Lasten der Verbrennungskraftmaschine ein sehr geringer Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine dargestellt werden. Dies ist insbesondere bei einer als Ottomotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine von Vorteil, da hier aufgrund der Anforderungen an das Fahrverhalten
herkömmlicherweise Abblaseraten von weit mehr als 50 % vorgesehen sind (die nun entfallen können).
Die geometrisch kleine Ausgestaltung der Turbine birgt dabei den Vorteil eines sehr guten transienten Verhaltens und/oder einer vorteilhaften Abgasrückführfunktionalität (AGR-Funktionalität), insbesondere bei hohen Drehzahlen und/oder Lasten bei gleichzeitiger Realisierung einer ausreichenden Luftversorgung der
Verbrennungskraftmaschine über den Antrieb eines Verdichters des Abgasturboladers mittels der Turbine im Fahrbetrieb.
Mit anderen Worten lassen sich mit der erfindungsgemäßen Turbine auch große
Abgasrückführraten (AGR-Raten) realisieren. Dies bedeutet, dass auch besonders große Mengen an Abgas von der Abgasseite auf die Luftseite der Verbrennungskraftmaschine rückgeführt werden können, so dass sich insbesondere die Stickoxid- und Ruß- Emissionen besonders gering halten lassen.
Die erfindungsgemäße Turbine ist insbesondere als Radialturbine ausgebildet, bei welcher das Abgas das Turbinenrad zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung an- und zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung abströmt.
Die erfindungsgemäße Turbine kann auch als zweiflutige Turbine ausgebildet sein, deren Turbinengehäuse wenigstens zwei Fluten zur Führung des Abgases aufweist. Die Fluten können dabei asymmetrisch zueinander ausgebildet sein. Eine solche asymmetrische, zweiflutige Turbine weist für jede der Fluten quasi einen Reaktionsgrad auf, den man mittels der Stelleinrichtung im Turbinenradaustrittsbereich von Seiten des Turbinenrads her zur Realisierung eines geringen Kraftstoffverbrauchs und geringer Emissionen und zur Optimierung weiterer thermodynamischer und mechanischer Größen beeinflussen kann. Gleiches trifft auch auf die erfindungsgemäße Turbine zu, wenn diese als sogenannte Standard-Turbine mit lediglich einer Flut ausgebildet ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Turbine eine weitere Stelleinrichtung mit wenigstens einem relativ zum Turbinengehäuse verstellbaren weiteren Stellelement, mittels welchem ein weiterer Strömungsquerschnitt in einem Turbinenradeintrittsbereich variabel einstellbar ist. Dies bedeutet, dass der stromauf des Turbinenrads angeordnete weitere Strömungsquerschnitt mittels des weiteren
Stellelements variabel und damit bedarfsgerecht einstellbar ist. Dadurch ist eine
Radeintriebsvariabilität geschaffen, mittels welcher die Turbine besonders effizient an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine anpassbar und somit betreibbar ist.
Vorteilhafterweise ist die Radaustrittsvariabilität mit der Radeintrittsvariabilität gekoppelt, um optimale Bedingungen hinsichtlich der motorischen Forderungen zu erfüllen. Ferner hält dies den Bauraumbedarf, die Teileanzahl, das Gewicht und die Kosten der erfindungsgemäßen Turbine gering.
Bei der Optimierung der Verbrennungskraftmaschine hinsichtlich der Verbrauchs- und Emissionsreduzierung hat sich bei unterschiedlichsten Betriebsbedingungen gezeigt, dass eine Variabilität der Strömungsquerschnitte düsen- sowie radseitig einer
asymmetrischen Turbine und/oder einer einflutigen Vollvarioturbine, die eine
Einflussnahme auf die AGR-Rate wie auch auf das Luftverhältnis λ nehmen können, sehr günstige Voraussetzungen bieten, den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen gering zu halten bei gleichzeitiger Realisierung des vorteilhaften Fahrverhaltens der
Verbrennungskraftmaschine, insbesondere bei Nutzfahrzeug- wie auch bei
Personenkraftwagen-Anwendungen. Ferner hat es sich gezeigt, dass die Turbine insbesondere mittels der Stelleinrichtung mit den Stellelementen im
Turbinenradaustrittsbereich besonders effizient betreibbar ist, was mit einem geringen Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine einhergeht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in: ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine mit einer
Radaustrittsvariabilität; eine schematische Vorderansicht der Turbine gemäß Fig. 1a; ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Turbine gemäß den Fig. 1a und 1b; ausschnittsweise eine weitere schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß Fig. 2a; ausschnittsweise eine weitere schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß den Fig. 2a und 2b; ausschnittsweise eine weitere schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß den Fig. 2a-c; und ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Turbine gemäß den Fig. 2a-d mit einer Radeintrittsvariabilität.
Die Fig. 1a-b zeigen eine Turbine 10 für einen Abgasturbolader einer beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine. Die Turbine 10 umfasst ein Turbinengehäuse 12, welches einen Aufnahmeraum 14 aufweist. In dem Aufnahmeraum 14 ist ein Turbinenrad 16 der Turbine 10 zumindest bereichsweise aufgenommen. Dabei ist das Turbinenrad 16 um eine Turbinenraddrehachse 18 relativ zu dem Turbinengehäuse 12 drehbar aufgenommen. Durch Wandungen des
Turbinengehäuses 12 ist eine sogenannte Düse 20 in axialer Richtung begrenzt, über welche dem Turbinenrad 16 Abgas der Verbrennungskraftmaschine zumindest im
Wesentlichen in radialer Richtung zugeführt wird. Dies ist durch einen ersten
Richtungspfeil 22 veranschaulicht.
Das Turbinenrad 16 umfasst eine Radnabe 24, welche mit einer Mehrzahl von
Radschaufeln 26 verbunden ist. Die Radschaufeln weisen eine jeweilige Radkante 28 auf, welche einen ersten Kantenbereich 30, einen sich daran anschließenden zweiten Kantenbereich 32 sowie einen sich daran anschließenden dritten Kantenbereich 34 umfasst. Wie der Fig. 1a zu entnehmen ist, erstreckt sich dabei der erste Kantenbereich 30 zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung, d.h. zumindest im Wesentlichen parallel zur axialen Richtung. Der dritte Kantenbereich 34 erstreckt sich zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung bzw. leicht schräg dazu. Zwischen dem ersten
Kantenbereich 30 und dem dritten Kantenbereich 34 ist der zweite Kantenbereich 32 angeordnet, welcher sich schräg zur axialen Richtung erstreckt und mit den
Kantenbereichen 30, 34 jeweils einen von 180° unterschiedlichen Winkel einschließt.
Der erste Kantenbereich 30 wird auch als Anströmkante bezeichnet, da das Turbinenrad 16 bzw. die Radschaufel 26 über den ersten Kantenbereich 30 von dem Abgas angeströmt wird. Der zweite Kantenbereich 32 und der dritte Kantenbereich 34 werden auch als Abströmkanten bezeichnet, da das Turbinenrad 16 bzw. die Radschaufeln 26 über die Kantenbereiche 32, 34 von dem Abgas abgeströmt werden. Der dritte
Kantenbereich 34 wird auch als Hauptaustrittskante bezeichnet.
Die Turbine 10 umfasst ferner eine Stelleinrichtung 36, mittels welcher ein
Strömungsquerschnitt in einem Turbinenradaustrittsbereich 38, über welchen das Turbinenrad 16 von dem Abgas abgeströmt wird, stromab des Turbinenrads 16 variabel einstellbar ist.
Wie in Zusammenschau mit der Fig. 1b zu erkennen ist, umfasst die Stelleinrichtung 36 eine Mehrzahl von Stellelementen 40, welche unabhängig voneinander, relativ zum Turbinengehäuse 12 verstellbar sind. Durch Verstellen der Stellelemente 40 wird der Strömungsquerschnitt im Turbinenradaustrittsbereich 38 variabel eingestellt. So kann der Strömungsquerschnitt im Turbinenradaustrittsbereich 38, welcher auch als
Austrittsquerschnitt bezeichnet wird, an unterschiedliche Betriebspunkte der
Verbrennungskraftmaschine zumindest im Wesentlichen optimal angepasst werden. Dadurch, dass die Stellelemente 40 unabhängig voneinander verstellt bzw. relativ zum Turbinengehäuse 12 bewegt werden können, können Querschnittsbereiche des
Strömungsquerschnitts im Turbinenradaustrittsbereich 38 bedarfsgerecht zu- und abgeschaltet werden, so dass der Strömungsquerschnitt verkleinert und vergrößert wird. Die Stellelemente 40 stellen Geometrie-Elemente dar, durch welche eine sogenannte Radaustrittsvariabilität geschaffen ist. Die Stellelemente sind dabei Ringsegmente, welche zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung bewegbar und somit offenbar und schließbar sind. Den Ringsegmenten bzw. Konturringsegmenten (Stellelemente 40) sind wenigstens eine Drehachse SD zugeordnet, um welche die Stellelemente 40 verschwenkt werden können. Vorwiegend verläuft die Drehachse SD zumindest im Wesentlichen parallel zur Turbinenraddrehachse 18 des Turbinenrads 16. Ebenso ist es möglich, dass die Drehachse SD schräg oder anderweitig zur Turbinenraddrehachse 18 verläuft.
Um das Öffnen und Schließen, d.h. das Bewegen der Stellelemente 40, relativ zum Turbinengehäuse 12 übersichtlich zu veranschaulichen, sind in der Fig. 1b ein erster Schnittpunkt a, ein zweiter Schnittpunkt b, ein dritter Schnittpunkt c und ein vierter Schnittpunkt d an den Schnittlinien einer Ringsegmentfläche ausgewählt und bei einer Drehung bzw. bei einem Verschwenken um die Drehachse SD mit einem φ in einer Öffnungslage der korrespondierenden Schnittpunkte a' (fünfter Schnittpunkt), b' (sechster Schnittpunkt), c' (siebter Schnittpunkt) und d' (achter Schnittpunkt) als ein Beispiel abgebildet.
Die Charakteristik des Öffnungsverlaufs von einer durch die Schnittpunkte a, b, c und d charakterisierten Schließstellung in die durch die Schnittpunkte a', b', c' und d' charakterisierte Offenstellung des variablen Strömungsquerschnitts im
Turbinenradaustrittsbereich 38 hinsichtlich eines sogenannten
Varioaustrittskantenbereichs 42 des zweiten Kantenbereichs 32 in Abhängigkeit von dem Winkel φ wird insbesondere durch die Lage der Drehachse SD und die Richtung zu den Schnittpunkten a, b, c und d bestimmt.
Durch entsprechendes Bewegen bzw. Verschwenken der Stellelemente 40 kann der Varioaustrittskantenbereich 42 mittels der Stellelemente 40 wie in der Fig. 1a abgedeckt oder demgegenüber freigegeben und so variabel eingestellt werden.
In der Fig. 1 ist eine strichlierte Linie 44 dargestellt, welche eine vorteilhafte und angestrebte Kontur-Abstandslinie bei entsprechender Drehachsenlage der Drehachse SD im Öffnungszustand darstellt. Am Beispiel des Punktes b ergibt sich dessen Lage folgendermaßen: b = r x φ, wobei r den Abstand bzw. Radius zwischen der Drehachse SD und dem
Schnittpunkt b bezeichnet. Neben der Anzahl der Ringsegmente bzw. der Stellelemente 40 geht somit über die Winkellage der Drehachse SD zur Turbinenraddrehachse 18 des Turbinenrads 16 ein besonders großer Einfluss auf die Variabilität bzw. den Winkelgrad des
Strömungsquerschnitts aus. Um gezielt ein Abheben der Ringsegmente zwischen einem maximalen Radius Rmax und einem minimalen Radius Rmin zu beeinflussen, wird die Drehachse SD, bis auf die Kollisionsvermeidung der Ringsegmente untereinander und zum Turbinenrad 16, als vollständig freier Parameter gesehen, der stark zu dem gezeigten einfachsten Beispiel gemäß den Fig. 1a und 1 b der Parallelführung der Drehachse SD zur Turbinenraddrehachse 18 differiert.
Zur Festlegung der Lage der Drehachse SD ist beispielsweise der Ziel-Abhebeabstand eines entsprechenden Ringsegments von dem Varioaustrittskantenbereich 42 bei dem minimalen Radius Rmin gegenüber dem maximalen Radius Rmax deutlich größer zu wählen, wodurch eine vorteilhafte Beeinflussung der Kantenströmung zur
Turbinenwirkungsgradanhebung und zur Durchsatzkapazitäten-Steigerung entsteht.
Dieser Optimierungsgedanke wird bei den axial bewegbaren Stellelementen 40 der Turbine 10 gemäß den Fig. 2a-d in Form von Ringsegmenten bzw. Ringen durch die Reihenfolge der Querschnittsöffnungen der Ringsegmente vom minimalen Radius Rmin hin zum maximalen Radius Rmax des Varioaustrittskantenbereichs 42 vorteilhafterweise beim Öffnen ebenfalls angewendet.
In der Fig. 2a sind dabei alle drei Stellelemente 40 geschlossen, so dass der
Varioaustrittskantenbereich 42 maximal abgedeckt ist. In der Fig. 2b ist das in radialer Richtung innerste der Stellelemente 40 geöffnet. In der Fig. 2c ist zusätzlich das in radialer Richtung mittlere Stellelement 40 geöffnet. In der Fig. 2d ist zusätzlich das radial äußerste Stellelement 40 geöffnet. In den Fig. 2a - d ist durch Richtungspfeile 50 jeweilig veranschaulicht, wie die Radschaufel 26 bei entsprechender Einstellung der
Stellelemente 40 von dem Abgas abgeströmt wird.
Die Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Turbine 10 gemäß den Fig. 2a - d, welche zusätzlich eine weitere Stelleinrichtung 45 in einem Turbinenradeintrittsbereich 46 aufweist. So ist eine Radantriebsvariabilität geschaffen, so dass auch ein weiterer Strömungsquerschnitt im Turbinenradeinzugsbereich 46 variabel eingestellt werden kann.
Darüber hinaus ist eine Kopplungseinrichtung 48 vorgesehen, über welche die mittels der Stelleinrichtung 36 dargestellte Radaustrittsvariabilität mit der mittels der weiteren Stelleinrichtung 45 dargestellten Radeintrittsvariabilität gekoppelt ist. So kann ein zumindest im Wesentlichen optimales Verhalten der aufzuladenden
Verbrennungskraftmaschine dargestellt werden mit vielerlei Vorteilen hinsichtlich der stationären wie auch instationären Betriebsweise, wobei eine Abblasung, d.h. eine Umgehung des Turbinenrads 16 mit Abgas, vermieden werden kann. Dies führt zu einem besonders geringen Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine.

Claims

Patentansprüche
1. Turbine (10) für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Turbinengehäuse (12), welches einen Aufnahmeraum (14) zum wenigstens bereichsweisen Aufnehmen eines Turbinenrads (16) der Turbine (10) umfasst, und mit einer Stelleinrichtung (36), mittels welcher ein Strömungsquerschnitt in einem Turbinenradaustrittsbereich (38) stromab des Turbinenrads (16) variabel einstellbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Stelleinrichtung (36) eine Mehrzahl von unabhängig voneinander, relativ zum Turbinengehäuse (12) verstellbaren Stellelementen (40) umfasst, mittels welchen der Strömungsquerschnitt variabel einstellbar ist.
2. Turbine (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Stellelemente (40) unabhängig voneinander zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung verstellbar sind.
3. Turbine (10) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Stellelemente (40) um wenigstens eine zugeordnete Schwenkachse (SD) verschwenkbar sind.
4. Turbine (10) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schwenkachse (SD) zumindest im Wesentliche parallel zur Drehachse (18) des Turbinenrads (16) verläuft.
5. Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Stellelemente (40) unabhängig voneinander zumindest in axialer Richtung verstellbar sind.
6. Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Stellelemente (40) zumindest im Wesentlichen als sich in Umfangsrichtung über den Umfangs des Turbinenrads (16) erstreckende Ringkonturelemente ausgebildet sind.
7. Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine weitere Stelleinrichtung (44) mit wenigstens einem relativ zum Turbinengehäuse (12) verstellbaren weiteren Stellelement vorgesehen ist, mittels welchem ein weiterer Strömungsquerschnitt in einem Turbinenradeinstrittsbereich (46) variabel einstellbar ist.
8. Turbine (10) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eines der Stellelemente (40) und das wenigstens eine weitere
Stellelement über eine Koppeleinrichtung (48) miteinander gekoppelt und mittels der Koppeleinrichtung (48) gemeinsam verstellbar sind.
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