WO2013045063A2 - Zweistufige aufladevorrichtung - Google Patents

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WO2013045063A2
WO2013045063A2 PCT/EP2012/003964 EP2012003964W WO2013045063A2 WO 2013045063 A2 WO2013045063 A2 WO 2013045063A2 EP 2012003964 W EP2012003964 W EP 2012003964W WO 2013045063 A2 WO2013045063 A2 WO 2013045063A2
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exhaust gas
exhaust
annular channel
gas flow
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Andreas Thoss
Thomas Zink
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Mtu Friedrichshafen Gmbh
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    • 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
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    • 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 present invention relates to a two-stage supercharger with a high-pressure and a low-pressure turbine for internal combustion engines according to the preamble of claim 1.
  • a modern internal combustion engine is usually with a two-stage
  • a first stage of the charging device provides one
  • High pressure stage a second stage, a low pressure stage. It includes the
  • High-pressure stage a high-pressure turbine and a high-pressure compressor.
  • Low pressure stage includes a low pressure turbine and a low pressure compressor.
  • the high-pressure or low-pressure stage of the supercharger are each equipped with a rotor, which comprises a high-pressure or low-pressure turbine wheel, one shaft each and a high-pressure or low-pressure compressor wheel. In operation, flows from the
  • an exhaust gas flow via an exhaust pipe in the high-pressure turbine and then through an exhaust passage in the low-pressure turbine.
  • the exhaust gas flow is so high that the running gear of the high-pressure stage would turn so high that it would be damaged by centrifugal forces that occur.
  • the exhaust gas stream is split at a branch point in the exhaust pipe into a main exhaust stream and a partial exhaust stream.
  • the main exhaust gas stream flows into the high-pressure turbine, the partial exhaust gas stream flows around the high-pressure turbine in a bypass device.
  • the bypass device comprises a branch line branching off from the exhaust line at the branching point and a shut-off valve arranged therein.
  • the partial exhaust gas flow upstream of the high-pressure turbine is thus branched off from the exhaust gas flow in the branch line, regulated with the shut-off valve and directed downstream of the high-pressure turbine into the exhaust gas channel.
  • the main exhaust gas stream flowing into the high-pressure turbine drops and the high-pressure stage impeller is not damaged as a result.
  • the Indian By-pass device around the high-pressure turbine flowing partial exhaust gas flow merges with the flowing from the high-pressure turbine main exhaust gas flow in the exhaust passage to flow further into the low-pressure turbine.
  • the bypass device together with its constructive connection to the exhaust gas channel is the main focus of the invention and will be described in more detail below.
  • the bypass device here comprises the branch line, the shut-off valve, the connection flange and the annular channel.
  • the partial exhaust gas flow in the branch line branches off in front of the high-pressure turbine.
  • the shut-off valve is arranged in the branch line.
  • the partial exhaust gas flows through a connecting flange in the annular channel which is arranged spirally around the exhaust duct.
  • a separate flow guidance of main and partial exhaust gas flow is shown here directly in front of the low-pressure turbine wheel.
  • the disadvantage here is that the main and partial exhaust stream before the low-pressure turbine can not unite. This leads to a radially uneven flow of the
  • the object of the invention is the flow guidance of the partial exhaust gas flow from the
  • a two-stage charging device for an internal combustion engine, which comprises a high-pressure and a low-pressure turbine, wherein the high-pressure turbine is designed as a radial turbine with a spiral housing and the
  • Low-pressure turbine is designed as an axial turbine, wherein the spiral housing a
  • Exhaust inlet has, which is connected to an exhaust pipe through which flows an exhaust gas flow from the engine to the high-pressure turbine, wherein the
  • High-pressure turbine and the low-pressure turbine are arranged opposite one another on an axis and an exhaust gas outlet of the high-pressure turbine is fluidly connected via an exhaust passage with an exhaust gas inlet of the low-pressure turbine, wherein a
  • Partial exhaust gas flow of the exhaust stream is bypassable in a bypass device around the high-pressure turbine, wherein the bypass device comprises a branch line and a ring channel housing, wherein the annular channel housing forms an annular channel and the branch line opens into the annular channel, wherein the partial exhaust stream upstream of a high-pressure turbine turbine of the high-pressure turbine branches off from the exhaust stream and the annular channel is arranged downstream of the high-pressure turbine to the exhaust duct and is fluidly connected thereto, so that a main exhaust gas leaving the high-pressure turbine combined with the partial exhaust gas flow of the bypass device in the exhaust passage to flow further into the low-pressure turbine, wherein in the bypass means a shut-off valve is arranged.
  • the spiral housing of the high-pressure turbine is formed integrally with the annular channel housing.
  • Integrity eg as a casting, a short and space-saving design, which manifests itself in that it is possible to select a channel formation of a helical housing formed by the spiral channel and the annular channel so that the largest cross sections of the spiral and annular channel on one side lie.
  • This channel formation is new in terms of casting technology and ensures a much better flow with optimal transitions Flow control of the partial exhaust stream than previously usual.
  • improved flow guidance of the partial exhaust gas stream from the annular channel into the exhaust gas duct results.
  • the spiral housing and the annular channel housing are connected to the front side via a common wall region.
  • the spiral housing of the high-pressure turbine is formed integrally with the branch line.
  • the branch line branches off from the exhaust gas inlet nozzle of the spiral housing and is formed integrally with the spiral housing.
  • one-piece housings The advantage in the implementation of one-piece housings is that the components described therein are combined in one housing and this can be produced, for example, as a compact casting. This reduces the number of components and, as a consequence, their time-consuming processing during production. The housing builds shorter and more compact and therefore takes up little space on the internal combustion engine.
  • the annular channel in a mouth region of the branch line has its largest cross-section and starting from the mouth region, the cross-section decreases in both circumferential directions of the annular channel up to a point opposite the mouth region of the branch line at the annular channel.
  • Low-pressure turbine also applied uniformly with exhaust gas, which increases their efficiency.
  • the shut-off valve is arranged in the branch line.
  • shut-off valve allows on the high-pressure turbine or in the bypass device a fast and delay-free reaction of the high-pressure turbine to settings on the shut-off valve.
  • the shut-off valve is formed with a flap and the flap is arranged in a wall of the exhaust inlet nozzle in the region of a branch point of the branch line and forms in the closed state, an approximately the wall contour of the exhaust inlet nozzle wall following the exhaust stream.
  • the advantage here is that the exhaust gas flow in the closed state of the flap can flow over an approximately trouble-free flow contour in the high-pressure turbine, which is necessary for good efficiency.
  • a flow guide for the main exhaust gas stream leaving the high-pressure turbine is integrated into the component forming the annular channel and the volute casing.
  • the advantage here is that so that the functions housing and flow control are combined in one component and a compact and space-saving arrangement is formed.
  • the annular channel is formed with an open in the direction of low pressure turbine annular gap, and the annular channel is fluidly connected via the annular gap with the exhaust passage.
  • the advantage here is that the partial exhaust gas flows through the annular gap evenly and without pressure loss in the direction of low-pressure turbine and thereby increases their efficiency.
  • the advantage here is that the partial exhaust gas stream flowing out of the annular gap flows without appreciable pressure loss points to the low-pressure turbine, thereby uniting with the main exhaust gas stream.
  • the low-pressure turbine is subjected to a relatively high pressure, resulting in a high efficiency.
  • a further preferred embodiment of the invention runs a radially outer wall of the annular channel housing in a connection flange for a compensator, which is connected to the axial turbine.
  • connection flange is cast, for example, on the annular channel housing. This makes it possible to directly connect a compensator or another component without additional connection components.
  • FIG. 1 shows a detail of a longitudinal section of a two-stage charging device with a high-pressure and low-pressure turbine; a section along the section line A-A through the exhaust gas outlet, the annular channel, approach the spiral channel, the exhaust gas inlet nozzle, the branch line and arranged in the branch point flap; a section along the section line A-A as Figure 2, with opened
  • Flap a section along the section line B-B through the annular gap.
  • the high-pressure turbine 2 is designed here as a radial turbine with a spiral channel 7 formed by a spiral housing 6, the low-pressure turbine 4 as an axial turbine. Both turbines are arranged opposite one another on an axis 8. Partially visible is an integrally formed on the spiral housing 6
  • Bypass device 13 which includes a branch line 15 and a ring channel housing 17.
  • an exhaust gas inlet nozzle 9 is integrally formed on the spiral housing 6, from which branches off in a branch point 14, the branch line 15.
  • an exhaust pipe 10 is connected.
  • exhaust gas from the internal combustion engine flows via the exhaust gas line 10, the exhaust gas inlet connection 9 and the spiral channel 7 to one Hochdrucksturbinenrad 3.
  • the exhaust gas flow is simultaneously a main exhaust gas flow of the high-pressure turbine 3 and leaves the high-pressure turbine 2 via an exhaust gas outlet 1 1 along flow guide 12.
  • Main exhaust gas stream flows via an exhaust duct 20, and along a guide body 26 arranged in the exhaust duct 20, further to an exhaust gas inlet 25 of the low-pressure turbine 4 in order to drive a low-pressure turbine wheel 5 there.
  • a guide body 26 arranged in the exhaust duct 20, further to an exhaust gas inlet 25 of the low-pressure turbine 4 in order to drive a low-pressure turbine wheel 5 there.
  • the exhaust gas flow is in part so high that the high-pressure turbine wheel 3 would over-rotate and thereby be damaged.
  • the exhaust stream at the branch 14 is split into a main exhaust stream and a partial exhaust stream.
  • the main exhaust gas flow flows into the high-pressure turbine 2, the partial exhaust gas flow flows around the high-pressure turbine 2 in the bypass device 13.
  • To control the partial exhaust gas flow is in the branch point 14 of the branch line 15 from
  • This check valve 22 is designed as a flap 23 and shown in perspective and incomplete in this view.
  • the flap 23 is opened in the upper load range by a drive (not shown).
  • Ring channel housing 17 is integrally formed on the spiral housing 6.
  • the partial exhaust gas stream is distributed and flows through an annular gap 19 in the annular channel 18 evenly into the exhaust passage 20.
  • the partial exhaust gas stream is combined in the exhaust passage 20 with the
  • a radially outer wall of the annular channel housing 17 terminates in a connection flange 24, to which a compensator 21 is connected, which forms the exhaust passage 20.
  • a compensator 21 is usually used to connect the high-pressure 2 - with the low-pressure turbine 4 in the two-stage charging device 1 shown here.
  • Figure 2 shows a section along the section line A-A through the exhaust gas outlet 1 1, the annular channel 18, ansatzweise the spiral channel 7, the exhaust gas inlet nozzle 9, the
  • the flap 23 closes in this position, the branch line 15.
  • the flap 23 for the exhaust gas flow approximately forms a wall which follows the wall contour of the exhaust inlet nozzle 9 in the spiral channel 7.
  • the exhaust gas flow from the internal combustion engine flows completely as main exhaust gas flow into the spiral channel 7 through which High-pressure turbine 3 and through the exhaust gas outlet 1 1 in the exhaust duct 20, not shown in this view.
  • FIG. 3 shows a section along the section line A-A as in FIG. 2, but with the flap 23 open. As a result, the exhaust gas stream is divided into the main exhaust gas flow and the second exhaust gas flow
  • the main exhaust gas stream flows into the spiral channel 7.
  • the partial exhaust gas stream flows via the branch line 15 in the mouth region 16 into the annular channel 18
  • Annular channel 18 the partial exhaust gas flow is distributed evenly in both circumferential directions and flows through the annular gap 19 (not shown, see Figure 4) in the exhaust duct 20, not shown in this view.
  • Figure 4 shows a section along the section line BB through the annular gap 19.
  • the annular gap 19 has a constant width and is concentric with the axis 8. Through the annular gap 19, the partial exhaust gas flow flows axially into the exhaust gas passage 20, not shown in this view.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine zweistufige Aufladevorrichtung (1) für eine Brennkraftmaschine umfassend eine Hochdruck (2) - und eine Niederdruckturbine (4). Wobei die Hochdruckturbine (2) als Radialturbine mit einem Spiralgehäuse (6) ausgebildet ist und die Niederdruckturbine (4) als Axialturbine ausgebildet ist. Das Spiralgehäuse (6) weist einen Abgaseintrittsstutzen (9) auf, der mit einer Abgasleitung (10) verbunden ist, über die ein Abgasstrom von der Brennkraftmaschine zur Hochdruckturbine (2) strömt. Ein Teilabgasstrom des Abgasstroms kann in einer Umgehungseinrichtung (13) um die Hochdruckturbine (2) strömen und ist mit einem Absperrventil (22) einstellbar. Die Umgehungseinrichtung (13) umfasst eine Abzweigleitung (15) und ein Ringkanalgehäuse (17), welche beide so an das Spiralgehäuse (6) angeformt sind, dass sie zusammen ein einstückiges Bauteil bilden. Die Abzweigleitung (15) zweigt in einer Abzweigstelle (14) vom Abgaseintrittsstutzen (9) ab und mündet in einen durch das Ringkanalgehäuse (17) geformten Ringkanal (18). In der Abzweigstelle (14) ist das Absperrventil (22) als Klappe (23) angeordnet die den Teilabgasstrom einstellt. Dieser strömt durch die Abzweigleitung (15) in den Ringkanal (18) und von dort durch einen axial angeordneten Ringspalt (19) in einen Abgaskanal (20). Dort vereinigt sich der Teilabgasstrom mit einem aus der Hochdruckturbine (2) austretenden Hauptabgasstrom um gemeinsam in die Niederdruckturbine (4) zu strömen.

Description

Zweistufige Aufladevorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine zweistufige Aufladevorrichtung mit einer Hochdruck- und einer Niederdruckturbine für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine moderne Brennkraftmaschine ist üblicherweise mit einer zweistufigen
Aufladevorrichtung ausgestattet. Eine erste Stufe der Aufladevorrichtung stellt eine
Hochdruckstufe dar, eine zweite Stufe eine Niederdruckstufe. Dabei umfasst die
Hochdruckstufe eine Hochdruckturbine und einen Hochdruckverdichter. Die
Niederdruckstufe umfasst eine Niederdruckturbine und einen Niederdruckverdichter. Die Hochdruck- bzw. Niederdruckstufe der Aufladevorrichtung sind mit je einem Laufzeug ausgestattet, welches ein Hochdruck- bzw. Niederdruckturbinenrad, jeweils eine Welle und ein Hochdruck- bzw. Niederdruckverdichterrad umfasst. Im Betrieb strömt von der
Brennkraftmaschine ein Abgasstrom über eine Abgasleitung in die Hochdruckturbine und danach durch einen Abgaskanal in die Niederdruckturbine. In oberen Lastbereichen der Brennkraftmaschine ist der Abgasstrom so hoch, dass das Laufzeug der Hochdruckstufe so hoch drehen würde, dass es durch auftretende Fliehkräfte beschädigt werden würde. Um dies zu verhindern wird der Abgasstrom an einer Abzweigstelle in der Abgasleitung in einen Hauptabgasstrom und einen Teilabgasstrom aufgeteilt. Der Hauptabgasstrom strömt in die Hochdruckturbine, der Teilabgasstrom strömt in einer Umgehungseinrichtung um die Hochdruckturbine herum. Die Umgehungseinrichtung umfasst im einfachsten Fall eine an der Abzweigstelle von der Abgasleitung abzweigende Abzweigleitung und ein darin angeordnetes Absperrventil. Im oberen Lastbereich wird somit in der Abzweigleitung der Teilabgasstrom stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasstrom abgezweigt, mit dem Absperrventil geregelt und stromabwärts der Hochdruckturbine in den Abgaskanal geleitet. Dadurch sinkt der in die Hochdruckturbine strömende Hauptabgasstrom und das Laufzeug der Hochdruckstufe wird in Folge dadurch nicht beschädigt. Der in der Umgehungseinrichtung um die Hochdruckturbine strömende Teilabgasstrom vereinigt sich mit dem aus der Hochdruckturbine strömenden Hauptabgasstrom im Abgaskanal, um weiter in die Niederdruckturbine zu strömen. Die Umgehungseinrichtung samt deren konstruktive Anbindung an den Abgaskanal ist das Hauptaugenmerk der Erfindung und wird im weiteren Verlauf näher beschrieben.
Aus dem Stand der Technik sind Beispiele bekannt die verschiedene Ausführungsformen der konstruktiven Anbindung darstellen. So zeigt die Veröffentlichung DE 10 2007 046 667 A1 als Anbindung einen Ringkanal um den Abgaskanal. Laut Beschreibung strömt in diesen Ringkanal der Teilabgasstrom, verteilt sich gleichmäßig in ihm und strömt dann radial in den Abgaskanal. In der Beschreibung wird schon grundsätzlich die Problematik von
Einströmbedingungen von einem Fluid in ein anderes besprochen, aber noch nicht optimal umgesetzt. Der Nachteil dieser Veröffentlichung ist, dass beim radialen Einströmen des Teilabgasstroms in den Abgaskanal an den Kanten des Ringkanals starke Verwirbelungen auftreten. Damit sind hohe Druckverluste verbunden und für eine gleichmäßige Anströmung der stromabwärts angeordneten Niederdruckturbine ist ein langer Abgaskanal zur
Beruhigung des vereinigten Abgasstroms notwendig. Die Druckverluste bedeuten für die Niederdruckturbine hohe Wirkungsgradverluste. Der stromabwärts der Hochdruckturbine angeordnete Ringkanal und der lange Abgaskanal führen zu einem großen Bauraumbedarf. Wirkungsgradverlust und großer Bauraumbedarf sind für eine Brennkraftmaschine
ungünstig.
Ein weiterer Stand der Technik ist aus EP 1 710 415 A1 bekannt. Die Umgehungseinrichtung umfasst hier die Abzweigleitung, das Absperrventil, Anschlussflansch und den Ringkanal. Dabei zweigt der Teilabgasstrom in der Abzweigleitung vor der Hochdruckturbine ab. Zu einer Regelung des Teilabgasstroms ist in der Abzweigleitung das Absperrventil angeordnet. Der Teilabgasstrom mündet durch einen Anschlussflansch in den Ringkanal der spiralförmig um den Abgaskanal angeordnet ist. Dabei ist hier eine getrennte Strömungsführung von Haupt- und Teilabgasstrom bis direkt vor das Niederdruckturbinenrad dargestellt. Der Nachteil hierbei ist, dass sich der Haupt- und Teilabgasstrom vor der Niederdruckturbine nicht vereinigen können. Dies führt zu einer radial ungleichmäßigen Anströmung des
Niederdruckturbinenrads. In Verbindung mit einem durch die Spiralform des Ringkanals hervorgerufenem Drall des Teilabgasstroms resultiert daraus ein schlechter Wirkungsgrad für die Niederdruckturbine. Ein weiterer Nachteil ist der hohe Bauraum- und Bauteilbedarf der Umgehungseinrichtung für die Leitungsführung der Abzweigleitung und das Absperrventil sowie für den Ringkanal samt separatem Anschlussflansch. Aufgabe der Erfindung ist es, die Strömungsführung des Teilabgasstroms aus dem
Ringkanal in den Abgaskanal zu verbessern und die Umgehungseinrichtung samt Ringkanal bauraum- und bauteiloptimiert anzuordnen.
Die Lösung erfolgt mit einer zweistufigen Aufladevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
Gemäß der Erfindung ist eine zweistufige Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine vorgesehen, welche eine Hochdruck- und eine Niederdruckturbine umfasst, wobei die Hochdruckturbine als Radialturbine mit einem Spiralgehäuse ausgebildet ist und die
Niederdruckturbine als Axialturbine ausgebildet ist, wobei das Spiralgehäuse einen
Abgaseintrittsstutzen aufweist, der mit einer Abgasleitung verbunden ist, über die ein Abgasstrom von der Brennkraftmaschine zur Hochdruckturbine strömt, wobei die
Hochdruckturbine und die Niederdruckturbine sich gegenüberstehend auf einer Achse angeordnet sind und ein Abgasaustritt der Hochdruckturbine strömungstechnisch über einen Abgaskanal mit einem Abgaseintritt der Niederdruckturbine verbunden ist, wobei ein
Teilabgasstrom des Abgasstroms in einer Umgehungseinrichtung um die Hochdruckturbine leitbar ist, wobei die Umgehungseinrichtung eine Abzweigleitung und ein Ringkanalgehäuse umfasst, wobei das Ringkanalgehäuse einen Ringkanal bildet und die Abzweigleitung in den Ringkanal mündet, wobei der Teilabgasstrom stromaufwärts eines Hochdruckturbinenrads der Hochdruckturbine vom Abgasstrom abzweigt und der Ringkanal stromabwärts der Hochdruckturbine um den Abgaskanal angeordnet ist und mit diesem strömungstechnisch verbunden ist, so dass ein die Hochdruckturbine verlassender Hauptabgasstrom sich mit dem Teilabgasstrom der Umgehungseinrichtung im Abgaskanal vereinigt, um weiter in die Niederdruckturbine zu strömen, wobei in der Umgehungseinrichtung ein Absperrventil angeordnet ist. Dabei ist das Spiralgehäuse der Hochdruckturbine einstückig mit dem Ringkanalgehäuse ausgebildet.
Vorteile sind eine kostengünstige Herstellung nur eines Bauteils und demzufolge auch eine günstige Montage ohne viele komplexe Montageschritte. Zusätzlich ermöglicht die
Einstückigkeit, z.B. als Gussteil, eine kurze und Bauraum sparende Bauweise, was sich darin äußert, dass es möglich ist eine Kanalformung von einem durch das Spiralgehäuse geformten Spiralkanal und des Ringkanals so zu wählen, dass die größten Querschnitte vom Spiral- und Ringkanal auf einer Seite liegen. Diese Kanalformung ist gusstechnisch neu und sorgt mit strömungstechnisch optimalen Übergängen für eine wesentlich bessere Strömungsführung des Teilabgasstroms als bisher üblich. Als Folge der gusstechnischen Ausführung ergibt sich auch eine verbesserte Strömungsführung des Teilabgasstroms aus dem Ringkanal in den Abgaskanal.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind das Spiralgehäuse und das Ringkanalgehäuse über einen gemeinsamen Wandungsbereich stirnseitig verbunden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Spiralgehäuse der Hochdruckturbine einstückig mit der Abzweigleitung ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zweigt die Abzweigleitung vom Abgaseintrittsstutzen des Spiralgehäuses ab und ist einstückig mit dem Spiralgehäuse ausgebildet.
Der Vorteil bei der Ausführung von einstückigen Gehäusen ist, dass die darin beschriebenen Bauteile in einem Gehäuse vereint sind und dieses beispielsweise als ein kompaktes Gussteil hergestellt werden kann. Dadurch reduziert sich die Anzahl der Bauteile und als Folge auch deren aufwändige Bearbeitung bei der Fertigung. Das Gehäuse baut kürzer und kompakter und beansprucht daher wenig Bauraum an der Brennkraftmaschine.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung hat der Ringkanal in einem Mündungsbereich der Abzweigleitung seinen größten Querschnitt und ausgehend vom Mündungsbereich nimmt der Querschnitt in beiden Umfangsrichtungen des Ringkanals ab bis zu einer dem Mündungsbereich der Abzweigleitung gegenüber liegenden Stelle am Ringkanal.
Der Vorteil dabei ist, dass der in den Ringkanal einströmende Teilabgasstrom gleichmäßig über den Ringkanal verteilt wird und somit auch gleichmäßig und drallfrei in den Abgaskanal ausströmt und sich mit dem Hauptabgasstrom vereinigt. Dadurch wird die
Niederdruckturbine ebenfalls gleichmäßig mit Abgas beaufschlagt, was ihren Wirkungsgrad erhöht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Absperrventil in der Abzweigleitung angeordnet.
Der Vorteil dabei ist, dass dadurch eine kompakte Anordnung der Bauteile und eine
Bauteilreduktion erreicht wird. Außerdem ermöglicht die nahe Anordnung des Absperrventils an der Hochdruckturbine bzw. in der Umgehungseinrichtung eine schnelle und verzögerungsfreie Reaktion der Hochdruckturbine auf Einstellungen am Absperrventil.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Absperrventil mit einer Klappe ausgebildet und ist die Klappe in einer Wand des Abgaseintrittsstutzens im Bereich einer Abzweigstelle der Abzweigleitung angeordnet und bildet im geschlossenen Zustand eine näherungsweise der Wandkontur des Abgaseintrittstutzens folgende Wand für den Abgasstrom.
Der Vorteil dabei ist, dass der Abgasstrom im geschlossenen Zustand der Klappe über eine näherungsweise störungsfreie Strömungskontur in die Hochdruckturbine strömen kann, was für einen guten Wirkungsgrad notwendig ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Strömungsleitfläche für den die Hochdruckturbine verlassenden Hauptabgasstrom in das den Ringkanal und das Spiralgehäuse formende Bauteil integriert.
Der Vorteil dabei ist, dass damit die Funktionen Gehäuse und Strömungsleitfläche in einem Bauteil vereint sind und eine kompakte und Bauraum sparende Anordnung gebildet wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Ringkanal mit einem in Richtung Niederdruckturbine geöffneten Ringspalt ausgebildet, und ist der Ringkanal über den Ringspalt mit dem Abgaskanal strömungstechnisch verbunden.
Der Vorteil dabei ist, dass der Teilabgasstrom durch den Ringspalt gleichmäßig und druckverlustfrei in Richtung Niederdruckturbine strömt und dadurch deren Wirkungsgrad erhöht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind ein
Außendurchmesser des Ringspalts und ein Nenndurchmesser des Abgaskanals so groß wie ein Außendurchmesser eines Niederdruckturbinenrads der Niederdruckturbine.
Der Vorteil dabei ist, dass der aus dem Ringspalt ausströmende Teilabgasstrom ohne nennenswerte Druckverluststellen zur Niederdruckturbine strömt und sich dabei mit dem Hauptabgasstrom vereinigt. Somit wird die Niederdruckturbine mit einem relativ hohen Druck beaufschlagt, was zu einem hohen Wirkungsgrad führt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung läuft eine radial außen liegende Wand des Ringkanalgehäuses in einen Anschlussflansch für einen Kompensator aus, der an die Axialturbine angeschlossen ist.
Der Vorteil dabei ist, dass der Anschlussflansch beispielsweise am Ringkanalgehäuse angegossen ist. Dadurch ist der Anschluss eines Kompensators, oder eines anderen Bauteils, ohne zusätzliche Anschlussbauteile direkt möglich.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im
Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen: einen Ausschnitt eines Längschnitts einer zweistufigen Aufladevorrichtung mit einer Hochdruck- und Niederdruckturbine; einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A durch den Abgasaustritt, den Ringkanal, ansatzweise den Spiralkanal, den Abgaseintrittsstutzen, die Abzweigleitung und die in der Abzweigstelle angeordnete Klappe; einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A wie Figur 2, mit geöffneter
Klappe; einen Schnitt entlang der Schnittlinie B-B durch den Ringspalt.
Figur 1 zeigt einen Ausschnitt eines Längsschnitts einer zweistufigen Aufladevorrichtung 1 mit einer Hochdruck 2 - und einer Niederdruckturbine 4. Die Hochdruckturbine 2 ist hier als Radialturbine mit einem durch ein Spiralgehäuse 6 gebildeten Spiralkanal 7 ausgeführt, die Niederdruckturbine 4 als Axialturbine. Beide Turbinen sind sich gegenüberstehend auf einer Achse 8 angeordnet. Teilweise sichtbar ist eine an das Spiralgehäuse 6 angeformte
Umgehungseinrichtung 13, welche eine Abzweigleitung 15 und ein Ringkanalgehäuse 17 umfasst. Zusätzlich ist an das Spiralgehäuse 6 ein Abgaseintrittsstutzen 9 angeformt, von dem in einer Abzweigstelle 14 die Abzweigleitung 15 abzweigt. An dem Abgaseintrittsstutzen 9 ist eine Abgasleitung 10 angeschlossen. In einem unteren bis mittleren Lastbereich einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) strömt Abgas von der Brennkraftmaschine über die Abgasleitung 10, den Abgaseintrittsstutzen 9 und den Spiralkanal 7 zu einem Hochdruckturbinenrad 3. Im unteren bis mittleren Lastbereich ist der Abgasstrom gleichzeitig ein Hauptabgasstrom der das Hochdruckturbinenrad 3 antreibt und über einen Abgasaustritt 1 1 entlang von Strömungsleitflächen 12 die Hochdruckturbine 2 verlässt. Der
Hauptabgasstrom strömt über einen Abgaskanal 20, und entlang eines im Abgaskanal 20 angeordneten Leitkörpers 26, weiter zu einem Abgaseintritt 25 der Niederdruckturbine 4 um dort ein Niederdruckturbinenrad 5 anzutreiben. In oberen Lastbereichen der
Brennkraftmaschine ist der Abgasstrom teilweise so hoch, dass das Hochdruckturbinenrad 3 überdrehen und dadurch beschädigt werden würde. Um dies zu verhindern wird der Abgasstrom an der Abzweigstelle 14 in einen Hauptabgasstrom und einen Teilabgasstrom aufgeteilt. Der Hauptabgasstrom strömt in die Hochdruckturbine 2, der Teilabgasstrom strömt in der Umgehungseinrichtung 13 um die Hochdruckturbine 2 herum. Zur Regelung des Teilabgasstroms ist in der Abzweigstelle 14 der Abzweigleitung 15 vom
Abgaseintrittsstutzen 9 ein Absperrventil 22 angeordnet. Dieses Absperrventil 22 ist als Klappe 23 ausgeführt und in dieser Ansicht perspektivisch und unvollständig dargestellt. Die Klappe 23 wird im oberen Lastbereich durch einen Antrieb (nicht dargestellt) geöffnet.
Dadurch strömt der Teilabgasstrom über die Abzweigleitung 15 in einem Mündungsbereich 16 in einen Ringkanal 18, der durch das Ringkanalgehäuse 17 gebildet wird. Das
Ringkanalgehäuse 17 ist an das Spiralgehäuse 6 angeformt. Im Ringkanal 18 verteilt sich der Teilabgasstrom und strömt über einen Ringspalt 19 im Ringkanal 18 gleichmäßig in den Abgaskanal 20. Der Teilabgasstrom vereinigt sich im Abgaskanal 20 mit dem
Hauptabgasstrom und beide strömen entlang des Leitkörpers 26 in den Abgaseintritt 25 der Niederdruckturbine 4. Eine radial außen liegende Wand des Ringkanalgehäuses 17 läuft in einen Anschlussflansch 24 aus, an dem ein Kompensator 21 angeschlossen ist, der den Abgaskanal 20 bildet. Ein Kompensator 21 wird üblicherweise verwendet, um bei der hier dargestellten zweistufigen Aufladevorrichtung 1 die Hochdruck 2 - mit der Niederdruckturbine 4 zu verbinden.
Figur 2 zeigt einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A durch den Abgasaustritt 1 1 , den Ringkanal 18, ansatzweise den Spiralkanal 7, den Abgaseintrittsstutzen 9, die
Abzweigleitung 15 und die in der Abzweigstelle 14 angeordnete Klappe 23. Die Klappe 23 verschließt in dieser Stellung die Abzweigleitung 15. Somit bildet die Klappe 23 für den Abgasstrom näherungsweise eine Wand, die der Wandkontur des Abgaseintrittsstutzens 9 in den Spiralkanal 7 folgt. Der von der Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) kommende Abgasstrom strömt als Hauptabgasstrom vollständig in den Spiralkanal 7, durch das Hochdruckturbinenrad 3 und durch den Abgasaustritt 1 1 in den in dieser Ansicht nicht dargestellten Abgaskanal 20.
Figur 3 zeigt einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A wie Figur 2, jedoch mit geöffneter Klappe 23. Dadurch teilt sich der Abgasstrom in den Hauptabgasstrom und den
Teilabgasstrom auf. Der Hauptabgasstrom strömt in den Spiralkanal 7. Der Teilabgasstrom strömt über die Abzweigleitung 15 im Mündungsbereich 16 in den Ringkanal 18. Im
Ringkanal 18 verteilt sich der Teilabgasstrom gleichmäßig in beiden Umfangsrichtungen und strömt über den Ringspalt 19 (nicht dargestellt, siehe Figur 4) in den in dieser Ansicht nicht dargestellten Abgaskanal 20.
Figur 4 zeigt einen Schnitt entlang der Schnittlinie B-B durch den Ringspalt 19. Bei dieser Ansicht ist der Leitkörper 26 ausgeblendet. Der Ringspalt 19 hat eine konstante Breite und liegt konzentrisch zur Achse 8. Durch den Ringspalt 19 strömt der Teilabgasstrom axial in den in dieser Ansicht nicht dargestellten Abgaskanal 20.
Bezugszeichenliste
1 Zweistufige Aufladevorrichtung
2 Hochdruckturbine
3 Hochdruckturbinenrad
4 Niederdruckturbine
5 Niederdruckturbinenrad
6 Spiralgehäuse
7 Spiralkanal
8 Achse
9 Abgaseintrittsstutzen
10 Abgasleitung
11 Abgasaustritt
12 Strömungsleitflächen
13 Umgehungseinrichtung
14 Abzweigstelle
15 Abzweigleitung
16 Mündungsbereich
17 Ringkanalgehäuse
18 Ringkanal
19 Ringspalt
20 Abgaskanal
21 Kompensator
22 Absperrventil
23 Klappe
24 Anschlussflansch
25 Abgaseintritt
26 Leitkörper

Claims

Patentansprüche
1. Zweistufige Aufladevorrichtung (1 ) für eine Brennkraftmaschine umfassend eine
Hochdruck (2) - und eine Niederdruckturbine (4),
• wobei die Hochdruckturbine (2) als Radialturbine mit einem Spiralgehäuse (6) ausgebildet ist und die Niederdruckturbine (4) als Axialturbine ausgebildet ist,
• wobei das Spiralgehäuse (6) einen Abgaseintrittsstutzen (9) aufweist, der mit einer Abgasleitung (10) verbunden ist, über die ein Abgasstrom von der Brennkraftmaschine zur Hochdruckturbine (2) strömt,
• wobei die Hochdruckturbine (2) und die Niederdruckturbine (4) sich gegenüberstehend auf einer Achse (8) angeordnet sind und ein Abgasaustritt (1 1) der Hochdruckturbine (2) strömungstechnisch über einen Abgaskanal (20) mit einem Abgaseintritt (25) der
Niederdruckturbine (4) verbunden ist,
• wobei ein Teilabgasstrom des Abgasstroms in einer Umgehungseinrichtung (13) um die Hochdruckturbine (2) leitbar ist,
• wobei die Umgehungseinrichtung (13) eine Abzweigleitung (15) und ein Ringkanalgehäuse (17) umfasst,
• wobei das Ringkanalgehäuse (17) einen Ringkanal (18) bildet und die Abzweigleitung (15) in den Ringkanal (18) mündet,
• wobei der Teilabgasstrom stromaufwärts eines Hochdruckturbinenrads (3) der
Hochdruckturbine (2) vom Abgasstrom abzweigt und der Ringkanal (18) stromabwärts der Hochdruckturbine (2) um den Abgaskanal (20) angeordnet ist und mit diesem
strömungstechnisch verbunden ist, so dass ein die Hochdruckturbine (2) verlassender Hauptabgasstrom sich mit dem Teilabgasstrom der Umgehungseinrichtung (13) im
Abgaskanal (20) vereinigt, um weiter in die Niederdruckturbine (4) zu strömen,
• wobei in der Umgehungseinrichtung (13) ein Absperrventil (22) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Spiralgehäuse (6) der Hochdruckturbine (2) einstückig mit dem Ringkanalgehäuse (17) ausgebildet ist.
2. Aufladevorrichtung gemäß Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Spiralgehäuse (6) und das Ringkanalgehäuse (17) über einen gemeinsamen
Wandungsbereich stirnseitig verbunden sind.
3. Aufladevorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Spiralgehäuse (6) der Hochdruckturbine (2) einstückig mit der Abzweigleitung (15) ausgebildet ist.
4. Aufladevorrichtung gemäß Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abzweigleitung (15) vom Abgaseintrittsstutzen (9) des Spiralgehäuses (6) abzweigt und einstückig mit dem Spiralgehäuse (6) ausgebildet ist.
5. Aufladevorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ringkanal (18) in einem Mündungsbereich (16) der Abzweigleitung (15) seinen größten Querschnitt hat und ausgehend vom Mündungsbereich (16) der Querschnitt in beiden Umfangsrichtungen des Ringkanals (18) abnimmt bis zu einer dem Mündungsbereich (16) der Abzweigleitung (15) gegenüber liegenden Stelle am Ringkanal (18).
6. Aufladevorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Absperrventil (22) in der Abzweigleitung (15) angeordnet ist.
7. Aufladevorrichtung gemäß Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Absperrventil (22) mit einer Klappe (23) ausgebildet ist und die Klappe (23) in einer Wand des Abgaseintrittsstutzens (9) im Bereich einer Abzweigstelle (14) der Abzweigleitung (15) angeordnet ist und im geschlossenen Zustand eine näherungsweise der Wandkontur des Abgaseintrittsstutzens (9) folgende Wand für den Abgasstrom bildet.
8. Aufladevorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Strömungsleitfläche (12) für den die Hochdruckturbine (2) verlassenden
Hauptabgasstrom in das den Ringkanal (18) und das Spiralgehäuse (6) formende Bauteil integriert ist.
9. Aufladevorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ringkanal (18) mit einem in Richtung Niederdruckturbine (4) geöffneten Ringspalt (19) ausgebildet ist, und der Ringkanal (18) über den Ringspalt (19) mit dem Abgaskanal (20) strömungstechnisch verbunden ist.
10. Aufladevorrichtung gemäß Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Außendurchmesser des Ringspalts (19) und ein Innendurchmesser des Abgaskanals (20) so groß sind wie ein Außendurchmesser eines Niederdruckturbinenrads (5) der Niederdruckturbine (4).
1 1. Aufladevorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine radial außen liegende Wand des Ringkanalgehäuses (17) in einen Anschlussflansch (24) für einen Kompensator (21) ausläuft, der an die Axialturbine angeschlossen ist.
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