WO2014095003A1 - Abgasf?hrungsabschnitt für eine turbine und verfahren zur regelung einer turbine - Google Patents

Abgasf?hrungsabschnitt für eine turbine und verfahren zur regelung einer turbine Download PDF

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WO2014095003A1
WO2014095003A1 PCT/EP2013/003725 EP2013003725W WO2014095003A1 WO 2014095003 A1 WO2014095003 A1 WO 2014095003A1 EP 2013003725 W EP2013003725 W EP 2013003725W WO 2014095003 A1 WO2014095003 A1 WO 2014095003A1
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WO
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wheel
exhaust gas
gas guide
turbine
section
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PCT/EP2013/003725
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Jan Ehrhard
Dietmar FILSINGER
Manfred GUTHÖRLE
Peter Fledersbacher
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Ihi Charging Systems International Gmbh
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Publication date
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    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/105—Final actuators by passing part of the fluid
    • 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
    • F02B37/18—Control of the pumps by bypassing exhaust from the inlet to the outlet of turbine or to the atmosphere
    • F02B37/183—Arrangements of bypass valves or actuators therefor
    • 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
    • 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
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/60—Fluid transfer

Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas guide section for a turbine specified in the preamble of claim 1. Art and a method for controlling a turbine according to the specified in the preamble of claim 13. Art.
  • Turbine is rotatably received to position a bypass channel.
  • Exhaust gas guide sections having a bypass channel for bypassing a rotatably received in a wheel chamber of the exhaust gas guide section turbine wheel are known.
  • the exhaust gas guide sections for turbines can be completely flowed through and have a throughflow channel for the flow through the exhaust gas guide section.
  • the flow channel is formed having the wheel chamber, in which the
  • Turbine wheel with a turbine wheel outlet diameter is rotatably received with a wheel inlet and a wheel outlet. Downstream of the wheel chamber has the
  • a bypass channel for bypassing the wheel chamber is formed, and this bypass channel is configured downstream of the wheel chamber in the outlet portion, such that the junction has an effective flow cross-section.
  • Exhaust gas guide section which has an axial slide for adjusting the effective flow cross section on a turbine wheel positioned in the wheel chamber, wherein with the aid of the axial slide the effective flow cross section of the
  • Flow cross-section of the bypass channel is adjustable by means of a hinged flap.
  • waste gate turbines in which a so-called Abblasemenge, which is the amount which is passed by means of the bypass passage past the turbine wheel, can be adjusted via a simple flapper valve. This possibility has also proven itself and is especially in the case of the very high exhaust gas temperatures of the Otto engine combustion
  • An exhaust gas guide section for a turbine which has a throughflow channel for flowing through the exhaust gas guide section, wherein the throughflow channel is formed with a wheel chamber, in which a turbine wheel with a
  • Turbinenradaustritts is rotatably received with a wheel inlet and a wheel outlet, wherein downstream of the wheel chamber of the flow channel a
  • Inlet portion is formed having formed, with a bypass channel in the
  • Exhaust passage portion is formed for bypassing the wheel chamber, and this bypass passage downstream of the wheel chamber with an opening in the
  • Through-flow channel is designed opening, and wherein the junction of a
  • the junction is formed positioned in the region of the wheel outlet.
  • an exhaust gas guide portion is formed such that a
  • Expansion of a fluid flowing through the exhaust gas guide section starting from the inlet region towards an outlet region. That between the exit area and the inlet region positioned turbine wheel is thereby excited by means of the fluid to a rotational movement.
  • This rotational movement can be utilized in various ways.
  • a conventional exhaust gas turbocharger to be used for internal combustion engines is equipped, in addition to a turbine, with a compressor, in which a compressor wheel is positioned, which is connected in a rotationally fixed manner to the turbine wheel by means of a shaft. If the turbine wheel is excited for rotational movement, this rotational movement is transmitted to the compressor wheel, so that the function of the compressor, suction and compression of usually fresh air, can be exercised.
  • an efficiency of the turbine is in addition to a corresponding mass flow rate, that is, the mass flow of the exhaust gas flow passage portion flowing fluid, in particular a pressure at the wheel inlet and a pressure on
  • the pressure at the wheel inlet should be greater than the pressure at the wheel outlet. This is usually especially at medium to high operating conditions of the turbine, i. at medium to high mass flow rates, the case.
  • the pressure gradient is the difference of the pressure at the wheel inlet and the pressure at the wheel outlet, which is to be increased, so that the highest possible efficiency can be achieved.
  • the pressure as such is composed of fluids of a static pressure and a dynamic pressure. To influence static pressure versus dynamic pressure is fundamentally safer and easier to practice.
  • Another advantage of the invention is a possible reduction of exhaust backpressure of the internal combustion engine. If the static pressure at the wheel outlet is lowered with the aid of the invention, it is also possible to reduce the static pressure at the wheel inlet, so that a so-called exhaust back pressure of the internal combustion engine is likewise lowered. This gives the possibility of an improved charge exchange bring about the internal combustion engine, which can be a fuel reduction and thus reduce the emission of pollutants can be realized.
  • a particularly high pressure drop at the wheel outlet can be achieved if the
  • Outlet section is formed.
  • an inflow edge of the junction facing the turbine wheel is at a distance from one
  • Impeller blade outlet edge of the turbine wheel formed.
  • the distance can be determined as a function of a turbine wheel diameter at the wheel outlet, with the best possible distance being values in a value range from 0 to 0.15 *.
  • the flow cross section of the junction is a smallest cross section of the bypass channel.
  • Bypass channels can achieve a special ejector effect. That is, as soon as the fluid passes from the bypass channel via the junction in the outlet region, a lowering of the static pressure at the wheel outlet can be generated.
  • a further increase in the pressure reduction at the wheel outlet can be achieved if the bypass channel at the junction has an inclination angle with respect to a rotational axis of the turbine wheel.
  • the bypass channel is designed so that the bypass channel is inclined in the direction of the outlet region. In other words, this means that a channel axis of the bypass channel in the region of the confluence with the axis of rotation of the turbine wheel are positioned an educated, wherein the orientation of the acute angle, the turbine wheel is formed projecting into an angular opening of the angle.
  • Angle of inclination is a value which lies in a value range of 20 ° to 40 °. This is an optimal Ejektor bin and thus a significant pressure reduction on
  • Exhaust guiding section formed. This means that the flow cross section is formed over a complete wheel circumference of the turbine wheel at the wheel outlet. Particularly advantageous is a concentric with the axis of rotation of the turbine wheel
  • Exhaust passage section is the outlet channel diffuser-like or in the form of a diffuser. This diffuser-like design increases the ejector effect, so that an additional reduction of the pressure at the wheel outlet can be achieved.
  • the bypass channel has a
  • Regulating device for opening and closing the bypass channel, so that a regulation of the flowing through the bypass channel amount of fluid can be achieved.
  • control device is designed in the form of a sleeve axially displaceable in the outlet section. That is, the amount of fluid can be adjusted by means of the sleeve, and additionally the smallest flow cross-section, which is positioned in the junction can be adjusted so that different
  • the control device may alternatively be designed as a rotary valve, that is, that the axial slide is not only axially movable but also rotatably disposed in the exhaust gas guide section.
  • the control device is designed in the form of a flap valve.
  • usual exhaust gas guide sections can be modified with conventional flap valves, such that a corresponding redesign of the bypass channel is to be carried out at the wheel outlet.
  • This can be done in a simple case by an upgrade of the exhaust gas guide portion with a correspondingly shaped component, for example.
  • a sheet metal sleeve such that in the region of the wheel outlet a smallest
  • a so-called rotary valve Another way to regulate the exhaust gas flow is the formation of a so-called rotary valve. That is, in the bypass channel is instead of a Flap valve positioned a rotary valve which is rotatable about a generally orthogonal to a channel axis of the bypass channel arranged axis of rotation.
  • control device in the form of an axial slide or a rotary valve, or a rotary valve are advantages in terms of a
  • Fig. 1 is a longitudinal section through an inventive
  • Fig. 2 is a longitudinal section through an inventive
  • Exhaust gas guide section 1 of a turbine 2 in particular a turbine of a
  • Exhaust gas turbocharger comprising a flow channel 3 for complete flow through the exhaust gas guide section 1, in particular by exhaust gas
  • the flow-through channel 3 has an inlet section 4, which serves for the inlet of the flow fluid into the exhaust-gas guide section 1, and an outlet section 5, which is used for the escape of the fluid from the
  • Exhaust gas guide section 1 is provided on. Between the inlet section 4 and the outlet section 5, a wheel chamber 6 is formed in the exhaust gas guide section 1. In this wheel chamber 6, a turbine wheel 7 is rotatably received.
  • the wheel entry 0 is at an outermost
  • Impeller blade leading edge 12 of an impeller blade 9 and the wheel outlet 11 is formed at an outermost impeller blade edge 13 of the impeller blade 9.
  • Impeller blades 9 prevails at the wheel inlet 10, whereas a last contact of the flow fluid with the impeller blades 9 is present at the wheel outlet 1 1,
  • Entry section is formed in the outlet section.
  • Impeller blade leading edge 12 enters the flow channel 4 and at the
  • Impeller blade outlet edge 13 emerges from the flow channel 14.
  • Thermodynamic principle of the turbine 2 which can be mapped with the aid of the exhaust gas guide section 1, is the expansion of the flow fluid. That is, at the wheel inlet 10, the flow fluid has a greater pressure than at the wheel outlet 1 1. If this occurs during operation of the turbine 2, a so-called positive pressure gradient, a positive difference between the pressure at the wheel inlet 10 and the pressure at the wheel outlet. 1 1, guaranteed. The higher this positive pressure gradient, the more likely is the formation of a high efficiency of the turbine 2. The maximization of this
  • a bypass channel 15 for bypassing the turbine wheel 7 in the exhaust gas guide section 1 is provided. That is, this bypass channel 15 is opened as soon as a quantity of the flow fluid has reached a size which could adversely affect the pressure gradient. With In other words, as soon as the amount of the flow fluid can no longer flow freely through the turbine wheel 7, and thus comes to a plug of the turbine 2, the bypass channel 15 is opened, so that a part of the flow fluid
  • Turbine wheel 7 bypass, or can bypass.
  • a junction 16 of the bypass channel 5 is positioned in the region of the wheel outlet 11, so that the through the
  • Passage 15 flowing fluid can reach the outlet section 5 of the flow channel 3.
  • the junction 16 is thus formed in a boundary region of the wheel chamber 6 and the outlet section 5, i. in a region of the flow-through channel, in which the wheel chamber 6 adjoins the outlet section 5.
  • Impeller blade outlet edge 13 is positioned. Ideally, a distance a between the inflow edge 22 and the impeller vane decelerating edge 13 has values in a value range 0 ⁇ a ⁇ 0.15 * D, where D is a turbine wheel diameter at the
  • Impeller blade leading edge 13 is.
  • the bypass channel 15 has at the junction 16 a smallest
  • the bypass channel 15 is in particular at the junction 16 an inclination angle relative to a rotational axis 18 of the turbine wheel 7 having positioned in the exhaust gas guide section 1.
  • Inclination angle ⁇ has a value of 30 ° in this embodiment.
  • the angle of inclination should assume a value in a value range of 20 ° ⁇ ⁇ 40 °.
  • axial slide 19 is provided, said axial slide 19 is formed in the form of an axially displaceable sleeve.
  • the axial slide 19 is secured in the exhaust gas guide section 1 by means of a guide element 23 movable. Ideally, it is the smallest Flow cross-section 17 with the help of the axial slide 19 adjustable and thus adaptable to the bypass channel 15 fluid quantity.
  • the flow cross-section 7 of the junction 16 remains the smallest flow cross-section of the bypass channel 15 despite its adjustability. In other words, it must be ensured during the adjustment of the axial slide 19 that the flow cross-section 17 of the junction 16 does not become larger than a
  • Fig. 2 shows a further embodiment of the invention
  • Exhaust gas guide section 1 Here is an opening and closing of the bypass channel realized by means of a so-called flapper valve 20.
  • This flapper valve 20 is provided independently of a certain position in the bypass passage 15.
  • It is a sleeve-shaped contour element 21 is provided, by means of which the annular flow cross-section 17 of the junction 16 is realized.
  • This contour element 21 may be a simple cover plate.
  • the contour element 21 is to be positioned so that the smallest flow cross-section 17 is formed in the junction 16 and this is arranged in the region of the wheel outlet 11. Since the
  • Flow cross-section 17 of the junction 16 is not changeable in this embodiment, the annular flow area 17 is just so large
  • the outlet section 5 of the exhaust gas guide section 1 is formed diffuser-like, that is, a channel flow cross-section 21 of the outlet section 5, starting from the wheel outlet 11 to the end of the flow channel 3 increases steadily.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasführungsabschnitt für eine Turbine, aufweisend einen Durchströmkanal (3) zum Durchströmen des Abgasführungsabschnitts (1), wobei der Durchströmkanal (3) eine Radkammer (6) aufweisend ausgebildet ist, in welcher ein Turbinenrad (7) mit einem Turbinenradaustrittsdurchmesser (D), mit einem Radeintritt (10) und einem Radaustritt (11) drehbar aufgenommen ist, wobei stromab der Radkammer (6) der Durchströmkanal (3) einen Austrittsabschnitt (5) und stromauf der Radkammer (6) der Durchströmkanal (3) einen Eintrittsabschnitt (4) aufweisend ausgebildet ist, wobei ein Umgehungskanal (15) im Abgasführungsabschnitt (1) zum Umgehen der Radkammer (6) ausgebildet ist, und dieser Umgehungskanal (15) stromab der Radkammer (6) mit einer Einmündung (16) in den Durchströmkanal (3) einmündend ausgestaltet ist, wobei die Einmündung (16) einen Strömungsquerschnitt (17) aufweist. Erfindungsgemäß ist die Einmündung (16) im Bereich des Radaustritts (11) ausgebildet.

Description

Abgasführungsabschnitt für eine Turbine und Verfahren zur Regelung einer Turbine
Die Erfindung betrifft einen Abgasführungsabschnitt für eine Turbine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie ein Verfahren zur Regelung einer Turbine gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 13 angegebenen Art.
Verbrennungsmotoren mit einem Abgasturbolader aufzuladen war in der Vergangenheit üblicherweise einer Diesel-Brennkraftmaschine vorbehalten. Brennkraftmaschinen mit einer ottomotorischen Verbrennung wurden nur begrenzt mit einem Aufladeaggregat versehen. Der Grund ist darin zu sehen, dass die dieselmotorische Verbrennung hinsichtlich eines Kraftstoffverbrauchs durch eine Aufladung wesentlich beeinflussbar ist, während dies bei einer ottomotorischen Verbrennung aufgrund eines in einem engen Rahmen befindlichen notwendigen Verbrennungsluftverhältnisses nicht gegeben ist.
Allerdings ist es heute das Ziel ein Motorhubvolumen der Verbrennungsmotoren zu reduzieren, um u.a. zukünftige C02-Zielwerte zu erreichen. Damit eine entsprechende Leistung, auch bei einem kleineren Motorhubvolumen erzielbar ist, werden heutzutage ebenfalls Brennkraftmaschinen mit einer ottomotorischen Verbrennung aufgeladen.
Wegen der auch bei kleinem Motorhubvolumen geforderten hohen spezifischen
Motorleistungen wachsen die Anforderungen an heutige Aufladesysteme, insbesondere an einen Abgasturbolader, stetig. Es gilt somit aufgrund der zunehmenden
Motorhubraumvolumenreduzierung, dem so genannten Motordownsizing, hohe
Aufladegrade des Abgasturboladers bei gleichzeitigem guten Instationärverhalten zu sichern.
Eine Möglichkeit einen den hohen Leistungsanforderungen gerechten Aufladegrad und somit Turbinenwirkungsgrad herbeizuführen ist die Umgehung eines Turbinenrades bei hohen Drehzahlen und/oder hohen Lasten der Verbrennungskraftmaschine. Hierzu ist vorgesehen, in einem Abgasführungsabschnitt einer Turbine, in welchem das
Turbinenrad drehbar aufgenommen ist, einen Umgehungskanal zu positionieren. Abgasführungsabschnitte aufweisend einen Umgehungskanal zur Umgehung eines in einer Radkammer des Abgasführungsabschnitts drehbar aufgenommenen Turbinenrades sind bekannt. Die Abgasführungsabschnitte für Turbinen sind vollständig durchströmbar und weisen einen Durchströmkanal zum Durchströmen des Abgasführungsabschnitts auf. Der Durchströmkanal ist die Radkammer aufweisend ausgebildet, in welcher das
Turbinenrad mit einem Turbinenradaustrittsdurchmesser, mit einem Radeintritt und einem Radaustritt drehbar aufgenommen ist. Stromab der Radkammer weist der
Durchströmkanal einen Austrittsabschnitt und stromauf der Radkammer einen
Eintrittsabschnitt auf. Stromauf der Radkammer ist ein Umgehungskanal zum Umgehen der Radkammer ausgebildet, und dieser Umgehungskanal ist stromab der Radkammer in den Austrittsabschnitt einmündend ausgestaltet, derart, dass die Einmündung einen wirksamen Strömungsquerschnitt aufweist.
So geht beispielsweise aus der Patentschrift DE 196 51 498 C1 ein
Abgasführungsabschnitt hervor, welcher einen Axialschieber aufweist zur Einstellung des effektiven Strömungsquerschnitts auf ein in der Radkammer positioniertes Turbinenrad, wobei mit Hilfe des Axialschiebers der wirksame Strömungsquerschnitt des
Umgehungskanals verschließbar bzw. zu öffnen ist.
Eine weitere Möglichkeit den Umgehungskanal zu Schließen oder zu Öffnen geht beispielsweise aus der Patentschrift EP 607 523 1 hervor. Der wirksame
Strömungsquerschnitt des Umgehungskanals ist mit Hilfe einer schwenkbaren Klappe einstellbar. Hierbei handelt es sich in der Regel um so genannte Waste-Gate-Turbinen, bei denen eine so genannte Abblasemenge, das ist die Menge, welche mit Hilfe des Umgehungskanals am Turbinenrad vorbei geleitet wird, über ein einfaches Klappenventil eingestellt werden kann. Diese Möglichkeit hat sich auch und insbesondere bei den sehr hohen Abgastemperaturen der ottomotorischen Verbrennung bewährt und ist
vergleichsweise kostengünstig herzustellen.
Generell nachteilig, insbesondere bei einer Waste-Gate-Turbine ist der entsprechend der Abblasemengen abnehmende Turbinenwirkungsgrad, was vor allem bei hohen
Abblasemengen, bei kleineren Verbrennungskraftmaschinen mit einer ottomotorischen Verbrennung sind Abblasemengen bis 50% keine Seltenheit, einen positiven
Ladungswechsel negativ beeinflusst. Hieraus ergibt sich eine grundsätzliche Motivation Systeme mit einer so genannten variablen Turbinengeometrie, wie sie bereits bei einem Verbrennungsmotor mit dieselmotorischer Verbrennung Stand der Technik ist, einzusetzen. Allerdings sind diesen bekannten Systemen aufgrund der wesentlich höheren Abgastemperaturen, welche bei der ottomotorischen Verbrennung entstehen, und den damit verbundenen Herausforderungen hinsichtlich Funktion und Kosten Grenzen gesetzt.
Somit ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Abgasführungsabschnitt für eine Turbine bereitzustellen, mit dessen Hilfe ein hoher Turbinenwirkungsgradüber einen großen Durchsatzbereich bei gleichzeitig gesicherter Funktionalität der Turbine realisierbar ist. Des Weiteren ist es die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren für eine Turbine anzugeben, mit dessen Hilfe ein hoher Turbinenwirkungsgrad herbeiführbar ist.
Diese Aufgabe wird mit Hilfe eines Abgasführungsabschnitts einer Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit Hilfe eines Verfahrens für eine Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Abgasführungsabschnitt für eine Turbine, welcher einen Durchströmkanal zum Durchströmen des Abgasführungsabschnitts aufweist, wobei der Durchströmkanal mit einer Radkammer ausgebildet ist, in welcher ein Turbinenrad mit einem
Turbinenradaustrittsdurchmesser, mit einem Radeintritt und einem Radaustritt drehbar aufgenommen ist, wobei stromab der Radkammer der Durchströmkanal einen
Austrittsabschnitt und stromauf der Radkammer der Durchströmkanal einen
Eintrittsabschnitt aufweisend ausgebildet ist, wobei ein Umgehungskanal im
Abgasführungsabschnitt zum Umgehen der Radkammer ausgebildet ist, und dieser Umgehungskanal stromab der Radkammer mit einer Einmündung in den
Durchströmkanal einmündend ausgestaltet ist, und wobei die Einmündung einen
Strömungsquerschnitt aufweist, ist erfindungsgemäß die Einmündung im Bereich des Radaustritts positioniert ausgebildet.
Grundsätzlich ist ein Abgasführungsabschnitt dergestalt ausgebildet, dass eine
Expansion eines den Abgasführungsabschnitt durchströmenden Fluids, ausgehend vom Eintrittsbereich hin zu einem Austrittsbereich erfolgt. Das zwischen dem Austrittsbereich und dem Eintrittsbereich positionierte Turbinenrad wird dabei mit Hilfe des Fluids zu einer Rotationsbewegung angeregt. Diese Rotationsbewegung ist auf verschiedene Weisen nutzbar zu machen. So ist beispielsweise ein üblicher für Verbrennungsmotoren einzusetzender Abgasturbolader neben einer Turbine mit einem Verdichter ausgestattet, in welchem ein Verdichterrad positioniert ist, welches drehfest mit dem Turbinenrad mit Hilfe einer Welle verbunden ist. Wird das Turbinenrad zur Rotationsbewegung angeregt, wird diese Rotationsbewegung auf das Verdichterrad übertragen, damit die Funktion des Verdichters, Ansaugen und Verdichten von üblicherweise Frischluft, ausübbar ist.
Zur Bestimmung eines Wirkungsgrades der Turbine ist neben einem entsprechenden Massendurchsatz, das heißt, der Massestrom des den Abgasführungsabschnitt durchströmenden Fluids, insbesondere ein Druck am Radeintritt und ein Druck am
Radaustritt ausschlaggebend. Da in der Turbine eine Expansion des Fluids erfolgt sollte, sollte der Druck am Radeintritt größer sein als der Druck am Radaustritt. Dies ist üblicherweise insbesondere bei mittleren bis hohen Betriebszuständen der Turbine, d.h. bei mittleren bis hohen Massendurchsätzen, der Fall. Das Druckgefälle ist die Differenz des Druckes am Radeintritt und des Druckes am Radaustritt, welches es zu steigern gilt, damit ein möglichst hoher Wirkungsgrad erzielbar ist. Der Druck als solcher setzt sich bei Fluiden aus einem statischen Druck und einem dynamischen Druck zusammen. Einen Einfluss auf den statischen Druck gegenüber dem dynamischen Druck zu nehmen ist grundsätzlich sicherer und einfacher zu praktizieren.
Der Vorteil dieses erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitts ist eine gezielte
Absenkung des statischen Druckes am Radaustritt, sodass der Druck am Radaustritt bestehend aus dem statischen Druck und dem dynamischen Druck, gesenkt wird, um damit das Druckgefälle am Turbinenrad zu maximieren. Das heißt, dass nicht wie üblicherweise ein durch den Umgehungskanal geleiteter Abgasmassenstrom einfach in den Austrittsabschnitt geleitet wird, sondern dass dieser Abgasmassenstrom bewusst genutzt wird, das am Turbinenrad anliegende Druckgefälle zu steigern.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist eine mögliche Absenkung eines Abgasgegendruckes des Verbrennungsmotors. Wird mit Hilfe der Erfindung der statische Druck am Radaustritt abgesenkt, besteht auch die Möglichkeit den statischen Druck am Radeintritt zu senken, so dass ein so genannter Abgasgegendruck des Verbrennungsmotors ebenfalls abgesenkt wird. Damit ist die Möglichkeit gegeben einen verbesserten Ladungswechsel des Verbrennungsmotors herbeizuführen, wodurch sich eine Kraftstoffreduzierung und somit eine Reduzierung der Schadstoffemission realisieren lässt.
Eine besonders hohe Drucksenkung am Radaustritt lässt sich erzielen, wenn die
Einmündung in einem Grenzbereich zwischen der Radkammer und dem
Austrittsabschnitt ausgebildet ist. Insbesondere ist eine dem Turbinenrad zugewandt positionierte Einströmkante der Einmündung in einem Abstand von einer
Laufradschaufelaustrittskante des Turbinenrades ausgebildet. Idealerweise lässt sich der Abstand in Abhängigkeit eines Turbinenraddurchmessers am Radaustritt bestimmen, wobei ein bestmöglicher Abstand Werte in einem Wertebereich von 0 bis 0,15*
Turbinenraddurchmesser am Radaustritt aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitts ist der Strömungsquerschnitt der Einmündung ein kleinster Querschnitt des Umgehungskanals. Mit Hilfe des an der Einmündung platzierten kleinsten Strömungsquerschnitts des
Umgehungskanals lässt sich ein besonderer Ejektor-Effekt erzielen. Das heißt, sobald das Fluid aus dem Umgehungskanal über die Einmündung in den Austrittsbereich gelangt, ist ein Absenken des statischen Druckes am Radaustritt erzeugbar.
Eine weitere Steigerung der Druckreduzierung am Radaustritt lässt sich erzielen, wenn der Umgehungskanal an der Einmündung einen Neigungswinkel gegenüber einer Drehachse des Turbinenrades aufweist. Der Umgehungskanal ist dabei so auszubilden, dass der Umgehungskanal in Richtung zum Austrittsbereich geneigt ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass eine Kanalachse des Umgehungskanals im Bereich der Einmündung mit der Drehachse des Turbinenrades einen spitzen Winkel ausbildbar positioniert sind, wobei zur Orientierung des spitzen Winkels, das Turbinenrad in eine Winkelöffnung des Winkels hineinragend ausgebildet ist. Idealerweise hat der
Neigungswinkel einen Wert, welcher in einem Wertebereich von 20° bis 40° liegt. Hierbei ist ein optimaler Ejektoreffekt und damit eine wesentliche Druckreduzierung am
Radaustritt erzielbar.
Damit ein großflächiger Wirkbereich des Ejektoreffektes ausgebildet ist, ist
vorteilhafterweise der Strömungsquerschnitt der Einmündung ringförmig im
Abgasführungsabschnitt ausgebildet. Das heißt, dass der Strömungsquerschnitt über einen vollständigen Radumfang des Turbinenrades am Radaustritt ausgebildet ist. besonders vorteilhaft ist ein konzentrisch zur Drehachse des Turbinenrades
ausgebildeter, ringförmiger Strömungsquerschnitt der Einmündung ausgestaltet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Abgasführungsabschnitts ist der Austrittskanal diffusorartig bzw. in Form eines Diffusors ausgebildet. Diese diffusorartige Ausbildung erhöht den Ejektoreffekt, so dass eine zusätzliche Absenkung des Druckes am radaustritt erzielbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Umgehungskanal eine
Regelvorrichtung zum Öffnen und Schließen des Umgehungskanals auf, so dass eine Regulierung der durch den Umgehungskanal strömenden Fluidmenge erzielbar ist.
Vorteilhafterweise ist die Regelvorrichtung in Form einer im Austrittsabschnitt axial verschiebbaren Hülse ausgebildet. Das heißt, es kann die Fluidmenge mit Hilfe der Hülse eingestellt werden, und es kann zusätzlich der kleinste Strömungsquerschnitt, welcher in der Einmündung positioniert ist, eingestellt werden, so dass auf verschiedene
Betriebspunkte, das heißt auf verschiedene Fluidmengen Einfluss genommen werden kann, derart, dass je nach Fluidmenge eine entsprechend eingestellte Druckreduzierung am Radaustritt einstellbar ist. Die Regelvorrichtung kann alternativ auch als Drehschieber ausgeführt werden, das heißt, dass der Axialschieber nicht nur axial bewegbar sondern auch drehbar im Abgasführungsabschnitt angeordnet ist.
In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitts ist die Regelvorrichtung in Form eines Klappenventils ausgebildet. Das bedeutet, dass übliche Abgasführungsabschnitte mit üblichen Klappenventilen modifizierbar sind, derart, dass am Radaustritt eine entsprechende Umgestaltung des Umgehungskanals vorzunehmen ist. Dies kann in einem einfachen Fall auch durch eine Aufrüstung des Abgasführungsabschnitts mit einem entsprechend geformten Bauteil, bspw. einer Blechhülse erfolgen, derart, dass im Bereich des Radaustritts ein kleinster
Strömungsquerschnitt des Umgehungskanals ausgebildet ist. So kann auch für einen bisher üblichen Abgasführungsabschnitt auf einfache Weise eine Steigerung des
Wirkungsgrades erzielt werden.
Eine weitere Möglichkeit den Abgasstrom zu regeln ist die Ausbildung eines so genannten Drehventils. Das heißt, dass im Umgehungskanal ist anstelle eines Klappenventils ein Drehventil positioniert, welches um eine in der Regel orthogonal zu einer Kanalachse des Umgehungskanals angeordneten Drehachse rotierbar ist.
Insbesondere bei einer Ausbildung der Regelvorrichtung in Form eines Axialschiebers oder eines Drehschiebers, bzw. eines Drehventils sind Vorteile hinsichtlich einer
Geräuschemission erzielbar, da ein Klappern, Rasseln oder Prasseln bereits aufgrund des konstruktiven Aufbaus eliminiert ist.
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:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Abgasführungsabschnitt in einem ersten Ausführungsbeispiel und
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Abgasführungsabschnitt in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Ein gemäß Fig. 1 ausgebildeter erfindungsgemäßer durchströmbarer
Abgasführungsabschnitt 1 einer Turbine 2, insbesondere einer Turbine eines
Abgasturboladers, umfasst einen Durchströmkanal 3 zur vollständigen Durchströmung des Abgasführungsabschnitts 1 , insbesondere durch Abgas einer
Verbrennungskraftmaschine. Der Durchströmkanal 3 weist einen Eintrittsabschnitt 4, welcher dem Eintritt des Strömungsfluids in den Abgasführungsabschnitt 1 dient, und einen Austrittsabschnitt 5, welcher zum Entweichen des Fluids aus dem
Abgasführungsabschnitt 1 vorgesehen ist, auf. Zwischen dem Eintrittsabschnitt 4 und dem Austrittsabschnitt 5 ist eine Radkammer 6 im Abgasführungsabschnitt 1 ausgebildet. In dieser Radkammer 6 ist ein Turbinenrad 7 drehbar aufgenommen. Das Turbinenrad 7, ausgebildet mit einer Nabe 8 und einer Mehrzahl an der Nabe fixierten Laufradschaufeln 9, weist einen so genannten Radeintritt 10 und einen so genannten Radaustritt 11 auf. Der Radeintritt 0 ist an einer äußersten
Laufradschaufeleintrittskante 12 einer Laufradschaufel 9 und der Radaustritt 11 ist an einer äußersten Laufradschaufelaustrittskante 13 der Laufradschaufel 9 ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass ein erster Kontakt des Strömungsfluids mit den
Laufradschaufeln 9 am Radeintritt 10 vorherrscht, wohingegen ein letzter Kontakt des Strömungsfluids mit den Laufradschaufeln 9 am Radaustritt 1 1 vorliegt,
selbstverständlich sofern die Strömungsrichtung des Strömungsfluids vom
Eintrittsabschnitt in den Austrittsabschnitt ausgebildet ist.
Zwischen jeweils zwei Laufradschaufeln 9 ist quasi ein Strömungskanal 14 für das Strömungsfluid ausgestaltet, wobei das Strömungsfluid an der
Laufradschaufeleintrittskante 12 in den Strömungskanal 4 eintritt und an der
Laufradschaufelaustrittskante 13 aus dem Strömungskanal 14 austritt. Das
thermodynamische Prinzip der Turbine 2, welches mit Hilfe des Abgasführungsabschnitts 1 abbildbar ist, ist die Expansion des Strömungsfluids. Das heißt, dass am Radeintritt 10 das Strömungsfluid einen größeren Druck aufweist als an dem Radaustritt 1 1. Sofern dies im Betrieb der Turbine 2 auftritt, ist ein sogenanntes positives Druckgefälle, eine positive Differenz zwischen dem Druck am Radeintritt 10 und dem Druck am Radaustritt 1 1 , gewährleistet. Je höher dieses positive Druckgefälle ist, desto wahrscheinlicher ist die Ausbildung eines hohen Wirkungsgrades der Turbine 2. Die Maximierung dieses
Druckgefälles bei gegebenen Randbedingungen führt zu einer Steigerung des
Turbinenwirkungsgrades.
Da allerdings im Betriebsverhalten der Turbine 2 eine Massenträgheit des Turbinenrades 7, welche im Betrieb der Turbine 2 ein Beschleunigungsverhalten der Turbine 2 bestimmt, mit einer geometrischen Größe des Turbinenrades 7 interagiert, ist darauf zu achten, das Turbinenrad 7 als solches nicht zu groß - wegen des Massenträgheitsmomentes -, allerdings auch nicht zu klein - wegen einer Durchströmbarkeit - zu gestalten. Damit das Beschleunigungsverhalten optimiert werden kann, ist ein Umgehungskanal 15 zur Umgehung des Turbinenrades 7 im Abgasführungsabschnitt 1 vorgesehen. Das heißt, dieser Umgehungskanal 15 wird geöffnet, sobald eine Menge des Strömungsfluids eine Größe erreicht hat, welche sich negativ auf das Druckgefälle auswirken könnte. Mit anderen Worten, sobald die Menge des Strömungsfluids nicht mehr ungehindert das Turbinenrad 7 durchströmen kann, und es somit zu einem Stopfen der Turbine 2 kommt, wird der Umgehungskanal 15 geöffnet, so dass ein Teil des Strömungsfluids das
Turbinenrad 7 umgehen, bzw. bypassieren kann.
Zur Erhöhung des Druckes am Radaustritt 1 ist im Bereich des Radaustritts 11 eine Einmündung 16 des Umgehungskanals 5 positioniert, so dass das durch den
Umgehungskanal 15 strömende Fluid in den Austrittsabschnitt 5 des Durchströmkanals 3 gelangen kann. Die Einmündung 16 ist somit in einem Grenzbereich der Radkammer 6 und des Austrittsabschnittes 5 ausgebildet, d.h. in einem Bereich des Durchströmkanals, in welchem die Radkammer 6 an den Austrittsabschnitt 5 angrenzt.
Das heißt mit anderen Worten, dass eine dem Radeintritt 10 zugewandt ausgebildete Einströmkante 22 des Umgehungskanals 15 am Radaustritt 11 bzw. an der
Laufradschaufelaustnttskante 13 positioniert ist. Idealerweise weist ein Abstand a zwischen der Einströmkante 22 und der Laufradschaufelaustnttskante 13 Werte in einem Wertebereich 0 < a < 0,15* D auf, wobei D ein Turbinenraddurchmesser an der
Laufradschaufelaustrittskante 13 ist.
Der Umgehungskanal 15 weist an der Einmündung 16 einen kleinsten
Strömungsquerschnitt 17 auf, so dass mit Hilfe dieses kleinsten Strömungsquerschnitts 17 ein so genannter Ejektor-Effekt erzielbar ist. Der Umgehungskanal 15 ist insbesondere an der Einmündung 16 einen Neigungswinkel gegenüber einer Drehachse 18 des Turbinenrades 7 aufweisend im Abgasführungsabschnitt 1 positioniert. Der
Neigungswinkel α weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Wert von 30° auf. Zur Erzielung einer Steigerung des positiven Druckgefälles, somit zur Reduzierung eines statischen Druckes am Radaustritt 11 sollte der Neigungswinkel einen Wert in einem Wertebereich von 20° < α < 40° annehmen.
In Fig. 1 ist der erfindungsgemäße Abgasführungsabschnitt 1 in einem ersten
Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei im Austrittsabschnitt 5 zur Änderung der das
Turbinenrad 7 umgehenden Strömungsmenge ein so genannter Axialschieber 19 vorgesehen ist, wobei dieser Axialschieber 19 in Form einer axial verschiebbaren Hülse ausgebildet ist. Der Axialschieber 19 ist im Abgasführungsabschnitt 1 mit Hilfe eines Führungselementes 23 gesichert bewegbar. Idealerweise ist der kleinste Strömungsquerschnitt 17 mit Hilfe des Axialschiebers 19 einstellbar und somit einer den Umgehungskanal 15 durchströmenden Fluidmenge anpassbar. Es gilt selbstredend darauf zu achten, dass der Strömungsquerschnitt 7 der Einmündung 16 der kleinste Strömungsquerschnitt des Umgehungskanals 15 trotz seiner Einstellbarkeit bleibt. Mit anderen Worten, es ist bei der Verstellung des Axialschiebers 19 darauf zu achten, dass der Strömungsquerschnitt 17 der Einmündung 16 nicht größer wird als ein
Strömungsquerschnitt des Umgehungskanals 15 an einer beliebigen weiteren Stelle des Umgehungskanals 15.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Abgasführungsabschnitts 1. Hier ist ein Öffnen und Schließen des Umgehungskanals mit Hilfe eines so genannten Klappenventils 20 realisiert. Dieses Klappenventil 20 ist unabhängig von einer bestimmten Position im Umgehungskanal 15 vorgesehen. Es ist ein hülsenförmiges Konturelement 21 vorgesehen, mit dessen Hilfe der ringförmige Strömungsquerschnitt 17 der Einmündung 16 realisiert ist. Bei diesem Konturelement 21 kann es sich um ein einfaches Abdeckblech handeln. Das Konturelement 21 ist so zu positionieren, dass der kleinste Strömungsquerschnitt 17 in der Einmündung 16 ausgebildet ist und diese im Bereich des Radaustritts 11 angeordnet ist. Da der
Strömungsquerschnitt 17 der Einmündung 16 in diesem Ausführungsbeispiel nicht veränderbar ist, ist der ringförmige Strömungsquerschnitt 17 gerade so groß
dimensioniert, dass bei einem mit Hilfe des Klappenventils 20 vollständig geöffneten Strömungsquerschnitt des Durchströmkanals 3 ein gewünschter Durchsatzkennwert für eine mit dem Abgasturbolader verbundene Brennkraftmaschine erzielbar ist. Der Ejektor- Effekt ist dabei reduziert auf einen Betrieb bei hohen Abblaseraten, das heißt, dass große Mengen des Strömungsfluids durch den Umgehungskanal 15 am Turbinenrad 7 vorbeigeleitet werden.
Sowohl im ersten Ausführungsbeispiel als auch im zweiten Ausführungsbeispiel ist der Austrittsabschnitt 5 des Abgasführungsabschnitts 1 diffusorartig ausgebildet, das heißt, dass sich ein Kanalströmungsquerschnitt 21 des Austrittsabschnittes 5 ausgehend vom Radaustritt 11 bis zum Ende des Durchströmkanals 3 stetig vergrößert. Mit Hilfe dieser diffusorartigen Ausbildung des Austrittsabschnittes 5 lässt sich der Ejektor-Effekt am Radaustritt 11 mit dem Ergebnis einer Reduzierung des statischen Druckes am
Radaustritt 11 bzw. im Austrittsabschnitt 5 wesentlich steigern.

Claims

Patentansprüche
1. Abgasführungsabschnitt für eine Turbine, aufweisend einen Durchströmkanal (3) zum Durchströmen des Abgasführungsabschnitts (1 ), wobei der Durchströmkanal (3) eine Radkammer (6) aufweisend ausgebildet ist, in welcher ein Turbinenrad (7) mit einem Turbinenradaustrittsdurchmesser (D), mit einem Radeintritt (10) und einem
Radaustritt (11 ) drehbar aufgenommen ist, wobei stromab der Radkammer (6) der Durchströmkanal (3) einen Austrittsabschnitt (5) und stromauf der Radkammer (6) der Durchströmkanal (3) einen Eintrittsabschnitt (4) aufweisend ausgebildet ist, wobei ein Umgehungskanal (15) im Abgasführungsabschnitt (1 ) zum Umgehen der Radkammer (6) ausgebildet ist, und dieser Umgehungskanal (15) stromab der Radkammer (6) mit einer Einmündung (16) in den Durchströmkanal (3) einmündend ausgestaltet ist, wobei die Einmündung (16) einen Strömungsquerschnitt (17) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einmündung (16) im Bereich des Radaustritts (11 ) ausgebildet ist.
2. Abgasführungsabschnitt nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einmündung (16) in einem Grenzbereich zwischen der Radkammer (6) und dem Austrittsabschnitt (5) ausgebildet ist.
3. Abgasführungsabschnitt nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine dem Turbinenrad (7) zugewandt positionierte Einströmkante (22) der
Einmündung (16) in einem Abstand (a) von einer Laufradschaufelaustrittskante (13) des Turbinenrades (7) ausgebildet ist, wobei der Abstand (a) Werte in einem
Wertebereich von 0 bis 0,15* D aufweist, wobei D ein Turbinenraddurchmesser am Radaustritt (11 ) des Turbinenrades (7) ist.
4. Abgasführungsabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Strömungsquerschnitt (17) der Einmündung (16) ein kleinster Querschnitt des Umgehungskanals (15) ist.
5. Abgasführungsabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Umgehungskanal (15) an der Einmündung (16) einen Neigungswinkel (a) gegenüber einer Drehachse (18) des Turbinenrades (7) aufweist, wobei der
Neigungswinkel (a) einen Wert in einem Wertebereich von 20° bis 40° aufweist.
6. Abgasführungsabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Strömungsquerschnitt (17) der Einmündung (16) ringförmig im
Abgasführungsabschnitt (1 ) ausgebildet ist.
7. Abgasführungsabschnitt nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Strömungsquerschnitt (17) konzentrisch mit einer Drehachse (18) des
Turbinenrades (7) ausgebildet ist.
8. Abgasführungsabschnitt nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Austrittsabschnitt (5) diffusorartig ausgebildet ist.
9. Abgasführungsabschnitt nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Umgehungskanal ( 5) eine Regelvorrichtung (19, 20) zum Öffnen und Schließen des Umgehungskanals (15) aufweist.
10. Abgasführungsabschnitt nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Regelvorrichtung (19) in Form einer im Austrittsabschnitt (5) axial verschiebbaren
Hülse ausgebildet ist. . Abgasführungsabschnitt nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Regelvorrichtung (20) in Form eines Klappenventils ausgebildet ist.
12. Abgasführungsabschnitt nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Regelvorrichtung (20) in Form eines Drehschiebers ausgebildet ist.
13. Verfahren für eine Turbine, wobei die Turbine (2) einen Abgasführungsabschnitt
(I ) aufweisend einen Durchströmkanal (3) zum Durchströmen des
Abgasführungsabschnitts (1 ) ausgebildet ist, und wobei der Durchströmkanal (3) eine Radkammer (6) aufweist, in welcher ein Turbinenrad (7) mit einem
Turbinenradaustrittsdurchmesser (D), mit einem Radeintritt (10) und einem Radaustritt
(I I ) drehbar aufgenommen ist, wobei stromab der Radkammer (6) der Durchströmkanal (3) einen Austrittsabschnitt (4) aufweisend ausgebildet ist, wobei stromauf der
Radkammer (6) ein Umgehungskanal (15) zum Umgehen der Radkammer (6)
ausgebildet ist, und dieser Umgehungskanal (15) stromab der Radkammer (6) mit einer Einmündung (16) mit einem Strömungsquerschnitt (17) in den Durchströmkanal (3) einmündend ausgestaltet ist, wobei der Abgasführungsabschnitt mit einem
Strömungsfluid durchströmt wird, welches teilweise durch den Durchströmkanal (3) und teilweise durch den Umgehungskanal (15) strömt,
dadurch gekennzeichnet, dass
mit Hilfe des durch den Umgehungskanal (15) strömenden Strömungsfluids ein statischer Druck am Radaustritt (11) abgesenkt wird.
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