WO2017032433A1 - Turbine für einen abgasturbolader - Google Patents

Turbine für einen abgasturbolader Download PDF

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WO2017032433A1
WO2017032433A1 PCT/EP2016/001028 EP2016001028W WO2017032433A1 WO 2017032433 A1 WO2017032433 A1 WO 2017032433A1 EP 2016001028 W EP2016001028 W EP 2016001028W WO 2017032433 A1 WO2017032433 A1 WO 2017032433A1
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WO
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exhaust gas
turbine
valve body
floods
turbine housing
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PCT/EP2016/001028
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Viktor Buchmiller
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Daimler AG
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/02—Gas passages between engine outlet and pump drive, e.g. reservoirs
    • F02B37/025—Multiple scrolls or multiple gas passages guiding the gas to the pump drive
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
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    • F02B37/18—Control of the pumps by bypassing exhaust from the inlet to the outlet of turbine or to the atmosphere
    • 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
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    • 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
    • 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.
  • Such an exhaust gas turbocharger comprises a turbine which can be driven by exhaust gas of the internal combustion engine and a compressor which can be driven by the turbine for compressing air.
  • the compressed by means of the compressor air can be supplied to the internal combustion engine. Since the compressor of the turbine and the turbine of the exhaust gas of the internal combustion engine is drivable, energy contained in the exhaust gas can be used to compress the air.
  • such a turbine has a turbine housing and a in
  • Turbine housing rotatably received turbine wheel and a bypass passage through which at least a portion of the exhaust gas can bypass the turbine wheel. This means that the exhaust gas flowing through the bypass channel does not flow against the turbine wheel and consequently does not drive.
  • the bypass channel is also referred to as wastegate or bypass and is used in particular to adjust the boost pressure of the exhaust gas turbocharger.
  • Object of the present invention is to provide a turbine for an exhaust gas turbocharger, with a particularly advantageous operation of the turbine can be realized.
  • Internal combustion engine for driving a motor vehicle has a turbine housing which can be flowed through by exhaust gas of the internal combustion engine with at least two at least partially fluidly separated from each other and can be flowed through by the exhaust floods.
  • the turbine housing thus has the floods and at least one overflow opening, via which the floods can be fluidly connected to one another.
  • the turbine further comprises a turbine wheel rotatably received in the turbine housing and driven by the exhaust gas turbine.
  • the turbine has at least one bypass channel over which the turbine wheel is to bypass at least part of the exhaust gas. The exhaust gas flowing through the bypass passage bypasses the turbine wheel and does not flow to the turbine wheel, and accordingly, the turbine wheel is not driven by the exhaust gas flowing through the bypass passage.
  • the turbine includes an about an axis of rotation relative to the
  • Turbine housing rotatable valve element which has a valve body, by means of which a bypass passage flowing through the first amount of the exhaust gas and the overflow opening flowing through a second amount of the exhaust gas are adjustable.
  • bypass channel and / or the overflow opening can be fluidly blocked by means of the valve body, so that no exhaust gas bypasses the bypass channel
  • valve body is designed as a ring segment, the center of which lies on the axis of rotation.
  • the process of passing exhaust gas through the bypass passage is also referred to as exhaust because the exhaust gas flowing through the bypass passage does not drive the turbine wheel, so that energy contained in exhaust gas flowing through the bypass passage is not used to drive the turbine wheel. Because of the
  • Valve element is adjustable, the first passage of the exhaust gas flowing through the first amount of the exhaust gas, the blow-off, which is also referred to as blow-off, can be adjusted by means of the valve element. Furthermore, the valve element is used to adjust the second amount and thus the connection of the floods. The valve element thus has a dual function, since it is used on the one hand to set the first quantity and on the other hand to adjust the second quantity. Based on these
  • Double function the number of parts and thus the weight and the space requirement of the turbine can be kept low, so that a particularly advantageous and efficient operation of the turbine can be realized. Due to the design of the valve body as a ring segment whose center or center is located on the axis of rotation, also a particularly advantageous and efficient operation of the turbine can be realized because the
  • By-pass channel flowing through first amount can be kept low, while the floods can be particularly strongly interconnected and therefore a high second amount can be adjusted.
  • the valve body as a ring segment, it is possible to more strongly balance the connection of the flows than the release of the bypass passage when the valve element and thus the valve body are rotated about the rotation axis.
  • Fig. 1 a-d respective schematic representations of a valve element for a
  • Fig. 2 is a schematic perspective view of the valve element
  • Fig. 3 is a schematic front view of the valve element
  • Fig. 4 is a schematic and perspective side view of the valve element and a part of a turbine housing of the turbine.
  • FIG. 1a shows on the left in a schematic side view or on the right in a schematic sectional view along a section line A a valve element designated as a whole as 10 for a turbine of an exhaust-gas turbocharger.
  • a valve element designated as a whole as 10 for a turbine of an exhaust-gas turbocharger is an internal combustion engine of a motor vehicle, in particular a
  • Passenger car equipped with the exhaust gas turbocharger, wherein the exhaust gas turbocharger includes the turbine and a compressor.
  • the turbine is arranged in an exhaust tract of the internal combustion engine, wherein the exhaust gas of exhaust gas of the
  • Internal combustion engine can be flowed through.
  • the compressor is arranged in an intake tract of the internal combustion engine, wherein the intake tract of air, which is sucked by the internal combustion engine, can be flowed through.
  • the air flowing through the intake tract is compressed by means of the compressor, so that a particularly efficient operation of the internal combustion engine can be realized.
  • the compressor of the turbine and the turbine of the exhaust gas of the internal combustion engine is driven, so that energy contained in the exhaust gas can be used to compress the air.
  • the turbine has a partially visible in Fig. 1 turbine housing 12, which is traversed by the exhaust gas.
  • the turbine housing 12 has at least two floods 14 and 16, through which the exhaust gas can flow.
  • the floods 14 and 16 are at least partially fluidic
  • a turbine wheel is rotatably received in the receiving space, so that the exhaust gas flowing through the flows 14 and 16 is guided by means of the floods 14 and 16 to the turbine wheel.
  • Inlet receiving exhaust flow to the turbine wheel and thereby drive.
  • the turbine wheel is part of a rotor of the exhaust gas turbocharger, wherein the rotor also comprises a shaft and a compressor wheel of the compressor.
  • the compressor comprises a compressor housing in which the compressor wheel is rotatably received.
  • the turbine wheel and the compressor wheel are non-rotatably connected to the shaft so that the compressor wheel can be driven by the turbine wheel via the shaft.
  • the turbine housing 12 has at least one overflow opening 18, via which the floods 14 and 16 can be fluidically connected to one another.
  • the turbine in particular the turbine housing 12 has at least one bypass channel, not visible in the figures, over which the turbine wheel is to be bypassed, at least by a part of the exhaust gas.
  • the turbine housing 12 for example, has an inflow opening, via which the exhaust gas from the floods 1 and 16 can be supplied to the bypass channel.
  • This bypassing of the turbine wheel is also called
  • valve element 10 is coupled to a shaft 20, wherein the shaft 20 is rotatable about an axis of rotation 22 relative to the turbine housing 12. Since the bypass channel is also referred to as wastegate and the valve element 10 as a wastegate valve, the shaft 20 is also referred to as wastegate shaft. The valve member 10 is thus about the axis of rotation 22 relative to the
  • Turbine housing 12 pivotally or rotatably, wherein the valve element 10, for example, between at least one illustrated in Fig. 1 a closed position and at least one in Fig. 1d illustrated open position relative to the
  • Turbine housing 12 is movable.
  • the valve element 10 has a dual function.
  • the valve element 10 has a valve body 24, by means of which a first amount of the exhaust gas flowing through the bypass channel and a
  • Overflow 18 flowing through the second amount of the exhaust gas are adjustable.
  • a first flow cross-section through which the exhaust gas can flow can be set, as well as a second flow cross-section of the overflow opening 18 through which the exhaust gas can flow.
  • the valve body 24 is-as can be seen particularly well from FIGS. 1 a and 1 c-designed as a ring segment whose center lies on the axis of rotation 22.
  • this ring segment has an at least substantially circular cross-section.
  • the valve element 10 is rotatable relative to the turbine housing 12 about a pivot point lying on the axis of rotation 22 and thus movable between the open position and the closed position.
  • the valve body 24 is formed as a ring portion whose center is located in said pivot point.
  • the pivot point is the point around which the valve element 10 and thus the valve body 24 rotate.
  • the valve element 10 also has a pin 26 protruding from the valve body 24, via which the valve element 10 is connected to the shaft 20.
  • valve body 24 Due to the design of the valve body 24 as a ring segment, it is possible to successively move the valve element 10 and thus the valve body 24 from the closed position in the direction of or in the open position and thereby the
  • Overflow 18 continue to release and thus continue to connect the floods 14 and 16, while the inflow or the second
  • Flow cross-section can be kept particularly low and in particular not or only slightly further increases.
  • the flow cross-section of the bypass channel or the inflow opening is also referred to as Abblase analysis, since the exhaust flow through this Abblase pulp in the bypass channel and thus can bypass the turbine wheel. In other words, it is through the described
  • the blow-off surface, through which the exhaust gas can flow and via which the exhaust gas can flow into the bypass channel is, for example, a gap between a first surface designated B in FIG. 1 a and a second surface cross-hatched in FIG. 1 a Closed position shown in Fig. 1a is the fluidly blocked inlet opening, so that the bypass channel is completely closed. In the closed position not only the inflow or the bypass channel is thus fluidly blocked, but in the closed position, the floods 14 and 16 are fluidly separated from each other.
  • Fig. 1 b and 1 c show intermediate positions of the valve element 10 between the
  • valve body 24 By further moving the valve body 24 from the intermediate position shown in Fig. 1c and Fig. 4 in the open position, the valve body 24 is completely moved out of the inflow opening, so that the valve body 24 is disposed in the open position completely outside the inflow opening. Then the inflow opening or the Abblase II is no longer through the wall 28 and the
  • valve element 10 is rotated for example by 3 degrees about the axis of rotation 22.
  • valve body 24 as a ring segment is particularly well from Fig. 1a and 1 c recognizable.
  • the valve body 24 follows in terms of its course or in terms of its extent a circle 33 or a segment of the circle 33, the center of which lies on the axis of rotation 22 and on said pivot point. This makes it - as described above - possible, the Releasing the overflow opening 18 and thus emphasizing the connection of the floods 14 and 16 with respect to the blow-off or weight the connection of the floods 14 and 16 more than the blow-off. In this way, an excessive blow-off can be avoided, while the floods 14 and 16 can be connected to one another over the overflow opening 18 particularly strongly or widely or over a large area.
  • the overflow 18 is upstream of the turbine wheel, so when releasing the overflow 18, that is, in interconnected floods 14 and 16 exhaust gas from the flood 14 into the tide 16 via the overflow 18 can flow
  • valve body 24 has at least one first sealing surface 32 for fluidically obstructing the overflow opening 18 and at least one second sealing surface 34 spaced from the first sealing surface 32 for fluidically blocking the bypass channel. It is preferably the second
  • Sealing surface 34 is arranged on a larger diameter than the first sealing surface 32. In the closed position, the sealing surfaces 32 and 34 act with respective,

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader, mit einem von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Turbinengehäuse (12), welches zumindest zwei zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte und von dem Abgas durchströmbare Fluten (14, 16) und zumindest eine Überströmöffnung (18) aufweist, über welche die Fluten (14, 16) fluidisch miteinander verbindbar sind, mit einem in dem Turbinengehäuse (12) drehbar aufgenommenen und von dem Abgas antreibbaren Turbinenrad, mit wenigstens einem Umgehungskanal, über welchen das Turbinenrad zumindest von einem Teil des Abgases zu umgehen ist, und mit einem um eine Drehachse (22) relativ zu dem Turbinengehäuse (12) drehbaren Ventilelement (10), welches einen Ventilkörper (24) aufweist, mittels welchem eine den Umgehungskanal durchströmende erste Menge des Abgases und eine die Überströmöffnung (18) durchströmende zweite Menge des Abgases einstellbar sind, wobei der Ventilkörper (24) als Ringsegment ausgebildet, dessen Mittelpunkt auf der Drehachse (22) liegt.

Description

Turbine für einen Abgasturbolader
Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik und insbesondere aus dem Serienfahrzeugbau ist es bekannt, Verbrennungskraftmaschinen zum Antreiben von Kraftwagen mit
Abgasturboladern auszustatten, um einen effizienten Betrieb der jeweiligen
Verbrennungskraftmaschine zu realisieren. Ein solcher Abgasturbolader umfasst eine von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbare Turbine sowie einen von der Turbine äntreibbaren Verdichter zum Verdichten von Luft. Die mittels des Verdichters verdichtete Luft kann der Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden. Da der Verdichter von der Turbine und die Turbine von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist, kann im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden.
Üblicherweise weist eine solche Turbine ein Turbinengehäuse und ein im
Turbinengehäuse drehbar aufgenommenes Turbinenrad sowie einen Umgehungskanal auf, über welchen zumindest ein Teil des Abgases das Turbinenrad umgehen kann. Dies bedeutet, dass das den Umgehungskanal durchströmende Abgas das Turbinenrad nicht anströmt und demzufolge nicht antreibt. Der Umgehungskanal wird auch als Wastegate oder Bypass bezeichnet und wird insbesondere dazu genutzt, den Ladedruck des Abgasturboladers einzustellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Turbine für einen Abgasturbolader zu schaffen, wobei sich ein besonders vorteilhafter Betrieb der Turbine realisieren lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben. Die erfindungsgemäße Turbine für einen Abgasturbolader, insbesondere einer
Verbrennungskraftmaschine zum Antreiben eines Kraftwagens, weist ein von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbares Turbinengehäuse mit zumindest zwei zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennten und von dem Abgas durchströmbaren Fluten auf. Das Turbinengehäuse weist somit die Fluten sowie zumindest eine Überströmöffnung auf, über welche die Fluten fluidisch miteinander verbindbar sind. Die Turbine umfasst ferner ein in dem Turbinengehäuse drehbar aufgenommenes und von dem Abgas antreibbares Turbinenrad. Ferner weist die Turbine wenigstens einen Umgehungskanal auf, über welchen das Turbinenrad zumindest von einem Teil des Abgases zu umgehen ist. Das den Umgehungskanal durchströmende Abgas umgeht das Turbinenrad und strömt das Turbinenrad nicht an, sodass demzufolge das Turbinenrad von dem den Umgehungskanal durchströmenden Abgas nicht angetrieben wird.
Darüber hinaus umfasst die Turbine ein um eine Drehachse relativ zu dem
Turbinengehäuse drehbares Ventilelement, welches einen Ventilkörper aufweist, mittels welchem eine den Umgehungskanal durchströmende erste Menge des Abgases und eine die Überströmöffnung durchströmende zweite Menge des Abgases einstellbar sind.
Beispielsweise sind der Umgehungskanal und/oder die Überströmöffnung mittels des Ventilkörpers fluidisch versperrbar, sodass kein Abgas den Umgehungskanal
beziehungsweise die Überströmöffnung durchströmen kann. Der Ventilkörper ist dabei als Ringsegment ausgebildet, dessen Mittelpunkt auf der Drehachse liegt.
Der Vorgang, dass Abgas durch den Umgehungskanal strömt, wird auch als Abblasen bezeichnet, da das den Umgehungskanal durchströmende Abgas das Turbinenrad nicht antreibt, sodass in dem den Umgehungskanal durchströmenden Abgas enthaltene Energie nicht zum Antreiben des Turbinenrads genutzt wird. Da mittels des
Ventilelements die den Umgehungskanal durchströmende erste Menge des Abgases einstellbar ist, kann das Abblasen, das auch als Abblasung bezeichnet wird, mittels des Ventilelements eingestellt werden. Ferner wird das Ventilelement genutzt, um die zweite Menge und somit die Verbindung der Fluten einzustellen. Dem Ventilelement kommt somit eine Doppelfunktion zu, da es einerseits zum Einstellen der ersten Menge sowie andererseits zum Einstellen der zweiten Menge genutzt wird. Aufgrund dieser
Doppelfunktion können die Teileanzahl und somit das Gewicht und der Bauraumbedarf der Turbine gering gehalten werden, sodass ein besonders vorteilhafter und effizienter Betrieb der Turbine realisierbar ist. Durch die Ausgestaltung des Ventilkörpers als Ringsegment, dessen Mittelpunkt beziehungsweise Zentrum auf der Drehachse liegt, kann zudem ein besonders vorteilhafter und effizienter Betrieb der Turbine realisiert werden, da die den
Umgehungskanal durchströmende erste Menge gering gehalten werden kann, während die Fluten besonders stark miteinander verbunden werden können und demzufolge eine hohe zweite Menge eingestellt werden kann. Mit anderen Worten ist es möglich, durch die Ausgestaltung des Ventilkörpers als Ringsegment das Verbinden der Fluten stärker zu gewichten als das Freigeben des Umgehungskanals, wenn das Ventilelement und somit der Ventilkörper um die Drehachse gedreht werden. Der Erfindung liegt die
Erkenntnis zugrunde, dass sich ein besonders effizienter Betrieb der Turbine realisieren lässt, wenn die Überströmöffnung besonders weit freigegeben wird und somit die Fluten besonders stark miteinander verbunden werden, während gleichzeitig das Abblasen so gering wie möglich gehalten wird. Durch das fluidische Verbinden der Fluten kann beispielsweise eine Stauaufladung der Turbine eingestellt werden.
Es ist denkbar, dass in wenigstens einer Schließstellung des Ventilelements und somit des Ventilkörpers die Überströmöffnung mittels des Ventilkörpers fluidisch versperrt ist, sodass die Fluten auch im Bereich der Überströmöffnung voneinander getrennt sind. Dadurch kann beispielsweise eine Stoßaufladung der Turbine eingestellt werden. Durch die genannte und durch die entsprechende Ausgestaltung des Ventilkörpers als
Ringsegment realisierbare, unterschiedliche Gewichtung des Abblasens und des
Verbindens der Fluten, wobei das Verbinden der Fluten betont wird beziehungsweise stärker gewichtet wird als das Abblasen, ist es möglich, bedarfsgerecht zwischen der Stoßaufladung und der Stauaufladung umzuschalten, während die den Umgehungskanal durchströmende erste Menge, das heißt das Abblasen, besonders gering gehalten werden kann. Somit kann die Problematik vermieden oder zumindest gering gehalten werden, dass mit zunehmender Flutenverbindung auch ein übermäßiges, zunehmendes Freigeben des Umgehungskanals erfolgt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels 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 a-d jeweilige schematische Darstellungen eines Ventilelements für eine
Turbine eines Abgasturboladers in unterschiedlichen Stellungen des Ventilelements;
Fig. 2 eine schematische Perspektivansicht des Ventilelements;
Fig. 3 eine schematische Vorderansicht des Ventilelements; und
Fig. 4 eine schematische und perspektivische Seitenansicht des Ventilelements und eines Teils eines Turbinengehäuses der Turbine.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1a zeigt links in einer schematischen Seitenansicht beziehungsweise rechts in einer schematischen Schnittansicht entlang einer Schnittlinie A ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Ventilelement für eine Turbine eines Abgasturboladers. Dabei ist eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, insbesondere eines
Personenkraftwagens, mit dem Abgasturbolader ausgestattet, wobei der Abgasturbolader die Turbine und einen Verdichter umfasst. Die Turbine ist in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet, wobei der Abgastrakt von Abgas der
Verbrennungskraftmaschine durchströmbar ist. Der Verdichter ist in einem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet, wobei der Ansaugtrakt von Luft, die von der Verbrennungskraftmaschine angesaugt wird, durchströmbar ist. Die den Ansaugtrakt durchströmende Luft wird mittels des Verdichters verdichtet, sodass ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist. Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, ist der Verdichter von der Turbine und die Turbine von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbar, sodass im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden kann.
Die Turbine weist ein in Fig. 1 teilweise erkennbares Turbinengehäuse 12 auf, welches von dem Abgas durchströmbar ist. In Zusammenschau mit Fig. 3 ist erkennbar, dass das Turbinengehäuse 12 zumindest zwei Fluten 14 und 16 aufweist, welche von dem Abgas durchströmbar sind. Die Fluten 14 und 16 sind dabei zumindest teilweise fluidisch voneinander getrennt und münden in einen Aufnahmeraum des Turbinengehäuses 12. Im vollständig hergestellten Zustand der Turbine ist in dem Aufnahmeraum ein Turbinenrad drehbar aufgenommen, sodass das die Fluten 14 und 16 durchströmende Abgas mittels der Fluten 14 und 16 zu dem Turbinenrad geführt wird. Somit kann das in den
Aufnahmeraum einströmende Abgas das Turbinenrad anströmen und dadurch antreiben.
Das Turbinenrad ist Bestandteil eines Rotors des Abgasturboladers, wobei der Rotor auch eine Welle und ein Verdichterrad des Verdichters umfasst. Dabei umfasst der Verdichter ein Verdichtergehäuse, in welchem das Verdichterrad drehbar aufgenommen ist. Das Turbinenrad und das Verdichterrad sind dabei drehfest mit der Welle verbunden, sodass das Verdichterrad über die Welle von dem Turbinenrad antreibbar ist.
Besonders gut aus Fig. 1 b-d ist erkennbar, dass das Turbinengehäuse 12 zumindest eine Überströmöffnung 18 aufweist, über welche die Fluten 14 und 16 fluidisch miteinander verbindbar sind. Außerdem weist die Turbine, insbesondere das Turbinengehäuse 12, wenigstens einen in den Fig. nicht erkennbaren Umgehungskanal auf, über welchen das Turbinenrad zumindest von einem Teil des Abgases zu umgehen ist. Dies bedeutet, dass das Turbinengehäuse 12 beispielsweise eine Einströmöffnung aufweist, über welche dem Umgehungskanal das Abgas aus den Fluten 1 und 16 zuführbar ist. Das über die Einströmöffnung - wenn diese freigegeben ist - in den Umgehungskanal einströmende Abgas kann den Umgehungskanal durchströmen und somit das Turbinenrad umgehen, wobei das den Umgehungskanal durchströmende Abgas das Turbinenrad nicht anströmt und demzufolge nicht antreibt. Dieses Umgehen des Turbinenrads wird auch als
Abblasen oder Abblasung bezeichnet, da in dem den Umgehungskanal durchströmenden Abgas enthaltene Energie nicht zum Antreiben des Turbinenrads genutzt wird.
Im fertig hergestellten Zustand der Turbine ist das Ventilelement 10 mit einer Welle 20 gekoppelt, wobei die Welle 20 um eine Drehachse 22 relativ zu dem Turbinengehäuse 12 drehbar ist. Da der Umgehungskanal auch als Wastegate und das Ventilelement 10 als Wastegate-Ventil bezeichnet wird, wird die Welle 20 auch als Wastegate-Welle bezeichnet. Das Ventilelement 10 ist somit um die Drehachse 22 relativ zu dem
Turbinengehäuse 12 verschwenkbar beziehungsweise drehbar, wobei das Ventilelement 10 beispielsweise zwischen wenigstens einer in Fig. 1 a veranschaulichten Schließstellung und wenigstens einer in Fig. 1d veranschaulichten Offenstellung relativ zu dem
Turbinengehäuse 12 bewegbar ist. Um die Teileanzahl und somit das Gewicht, den Bauraumbedarf und die Kosten der Turbine besonders gering zu halten, kommt dem Ventilelement 10 eine Doppelfunktion zu. Hierzu weist das Ventilelement 10 einen Ventilkörper 24 auf, mittels welchem eine den Umgehungskanal durchströmende erste Menge des Abgases und eine die
Überströmöffnung 18 durchströmende zweite Menge des Abgases einstellbar sind.
Insbesondere sind mittels des Ventilkörpers 24 ein von dem Abgas durchströmbarer erster Strömungsquerschnitt der genannten Einströmöffnung sowie ein von dem Abgas durchströmbarer, zweiter Strömungsquerschnitt der Überströmöffnung 18 einstellbar. Dies bedeutet, dass beide Mengen des Abgases mittels des einen Ventilelements 10, insbesondere des Ventilkörpers 24, einstellbar sind, sodass nicht etwa jeweilige, voneinander separate Einstelleiemente zum Einstellen der Mengen vorgesehen werden müssen.
Um nun einen besonders effizienten beziehungsweise vorteilhaften Betrieb der Turbine zu realisieren, ist der Ventilkörper 24 - wie besonders gut aus Fig. 1a und 1c erkennbar ist - als Ringsegment ausgebildet, dessen Mittelpunkt auf der Drehachse 22 liegt. Dieses Ringsegment weist vorliegend einen zumindest im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt auf. Mit anderen Worten ist das Ventilelement 10 um einen auf der Drehachse 22 liegenden Drehpunkt relativ zum Turbinengehäuse 12 drehbar und somit zwischen der Offenstellung und der Schließstellung bewegbar. Dabei ist der Ventilkörper 24 als Ringabschnitt ausgebildet, dessen Zentrum in dem genannten Drehpunkt liegt. Dabei ist der Drehpunkt der Punkt, um den sich das Ventilelement 10 und somit der Ventilkörper 24 drehen. Das Ventilelement 10 weist auch einen von dem Ventilkörper 24 abstehenden Zapfen 26 auf, über welchen das Ventilelement 10 mit der Welle 20 verbunden ist.
Durch die Ausgestaltung des Ventilkörpers 24 als Ringsegment ist es möglich, das Ventilelement 10 und somit den Ventilkörper 24 aus der Schließstellung sukzessive in Richtung der beziehungsweise in die Offenstellung zu bewegen und dabei die
Überströmöffnung 18 immer weiter freizugeben und somit die Fluten 14 und 16 immer weiter zu verbinden, während die Einströmöffnung beziehungsweise der zweite
Strömungsquerschnitt besonders gering gehalten werden kann und insbesondere nicht oder nur geringfügig weiter zunimmt. Der Strömungsquerschnitt des Umgehungskanals beziehungsweise der Einströmöffnung wird auch als Abblasefläche bezeichnet, da das Abgas über diese Abblasefläche in den Umgehungskanal einströmen und somit das Turbinenrad umgehen kann. Mit anderen Worten ist es durch die beschriebene
Ausgestaltung des Ventilkörpers 24 möglich, die Fluten immer weiter miteinander zu verbinden, indem die Überströmöffnung 18 immer weiter freigegeben wird, während gleichzeitig ein Zunehmen, insbesondere ein übermäßiges Zunehmen, der Abblasefläche unterbleibt. Die Abblasefläche, welche von dem Abgas durchströmbar ist und über welche das Abgas in den Umgehungskanal einströmen kann, ist beispielsweise ein Spalt zwischen einer in Fig. 1a mit B bezeichneten ersten Fläche und einer in Fig. 1a kreuzschraffierten zweiten Fläche C. In der in Fig. 1 a gezeigten Schließstellung ist die die Einströmöffnung fluidisch versperrt, sodass der Umgehungskanal vollständig geschlossen ist. In der Schließstellung ist somit nicht nur die Einströmöffnung beziehungsweise der Umgehungskanal fluidisch versperrt, sondern in der Schließstellung sind auch die Fluten 14 und 16 fluidisch voneinander getrennt.
Fig. 1 b und 1c zeigen Zwischenstellungen des Ventilelements 10 zwischen der
Schließstellung und der Offenstellung, wobei der zweite Strömungsquerschnitt wesentlich größer als der erste Strömungsquerschnitt ist. Dies bedeutet, dass die Fluten 14 und 16 zwar fluidisch stark miteinander verbunden sind, jedoch sind der Spalt zwischen den Flächen B und C und somit die Abblasefläche besonders gering. In der Schließstellung und in den Zwischenstellungen ist - wie besonders gut aus Fig. 4 erkennbar ist - der Ventilkörper 24 zumindest teilweise in der Einströmöffnung aufgenommen, welche durch wenigstens eine Wandung 28 des Turbinengehäuses 12 begrenzt wird. Dadurch wird die Abblasefläche in den Zwischenstellungen durch den Ventilkörper 24, insbesondere eine außenumfangsseitige Mantelfläche 30 des Ventilkörpers 24, und die Wandung 28 begrenzt.
Durch weiteres Bewegen des Ventilkörpers 24 aus der in Fig. 1c und Fig. 4 gezeigten Zwischenstellung in die Offenstellung wird der Ventilkörper 24 vollständig aus der Einströmöffnung herausbewegt, sodass der Ventilkörper 24 in der Offenstellung vollständig außerhalb der Einströmöffnung angeordnet ist. Dann wird die Einströmöffnung beziehungsweise die Abblasefläche nicht mehr durch die Wandung 28 und die
außenumfangsseitige Mantelfläche 30, sondern lediglich noch durch die Wandung 28 begrenzt, sodass die Einströmöffnung beispielsweise vollständig freigegeben ist. Um den Ventilkörper 24 aus der in Fig. 1c und 4 gezeigten Zwischenstellung in die Offenstellung zu bewegen, insbesondere zu drehen, wird das Ventilelement 10 beispielsweise um 3 Grad um die Drehachse 22 gedreht.
Die Ausgestaltung des Ventilkörpers 24 als Ringsegment ist besonders gut aus Fig. 1a und 1 c erkennbar. Der Ventilkörper 24 folgt hinsichtlich seines Verlaufs beziehungsweise hinsichtlich seiner Erstreckung einem Kreis 33 beziehungsweise einem Segment des Kreises 33, dessen Mittelpunkt auf der Drehachse 22 beziehungsweise auf dem genannten Drehpunkt liegt. Hierdurch ist es - wie zuvor beschrieben - möglich, das Freigeben der Überströmöffnung 18 und somit das Verbinden der Fluten 14 und 16 gegenüber dem Abblasen zu betonen beziehungsweise das Verbinden der Fluten 14 und 16 stärker zu gewichten als das Abblasen. Hierdurch kann ein übermäßiges Abblasen vermieden werden, während die Fluten 14 und 16 über die Überströmöffnung 18 besonders stark beziehungsweise weit oder großflächig miteinander verbunden werden können.
Bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases durch die Fluten 14 und 16 befindet sich die Überströmöffnung 18 stromauf des Turbinenrads, sodass bei Freigeben der Überströmöffnung 18, das heißt bei miteinander verbundenen Fluten 14 und 16 Abgas aus der Flut 14 in die Flut 16 über die Überströmöffnung 18 strömen kann
beziehungsweise umgekehrt. Dadurch kann eine Stoßaufladung beziehungsweise ein Stoßaufladebetrieb der Turbine realisiert werden. Ist die Überströmöffnung 8 mittels des Ventilkörpers 24 fluidisch versperrt, sodass die Überströmöffnung 18 nicht freigegeben ist, so ist beispielsweise eine Stoßaufladung beziehungsweise ein Stoßaufladebetrieb der Turbine eingestellt.
Besonders gut aus Fig. 1 b ist erkennbar, dass der Ventilkörper 24 wenigstens eine erste Dichtfläche 32 zum fluidischen Versperren der Überströmöffnung 18 und wenigstens eine von der ersten Dichtfläche 32 beabstandete, zweite Dichtfläche 34 zum fluidischen Versperren des Umgehungskanals aufweist. Dabei ist vorzugsweise die zweite
Dichtfläche 34 auf einem größeren Durchmesser als die erste Dichtfläche 32 angeordnet. In der Schließstellung wirken die Dichtflächen 32 und 34 mit jeweiligen,
korrespondierenden Dichtflächen des Turbinengehäuses 12 zusammen, indem die Dichtflächen 32 und 34 beispielsweise an den korrespondierenden, weiteren Dichtflächen des Turbinengehäuses 12 anliegen.
Bezugszeichenliste
10 Ventilelement
12 Turbinengehäuse
14 Flut
16 Flut
18 Überströmöffnung
20 Welle
22 Drehachse
24 Ventilkörper
26 Zapfen
28 Wandung
30 außenumfangsseitige Mantelfläche
32 Dichtfläche
33 Kreis
34 Dichtfläche
A Schnittlinie

Claims

Patentansprüche
1. Turbine für einen Abgasturbolader, mit einem von Abgas einer
Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Turbinengehäuse (12), welches zumindest zwei zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte und von dem Abgas durchströmbare Fluten (14, 16) und zumindest eine Überströmöffnung (18) aufweist, über welche die Fluten (14, 16) fluidisch miteinander verbindbar sind, mit einem in dem Turbinengehäuse (12) drehbar aufgenommenen und von dem Abgas antreibbaren Turbinenrad, mit wenigstens einem Umgehungskanal, über welchen das Turbinenrad zumindest von einem Teil des Abgases zu umgehen ist, und mit einem um eine Drehachse (22) relativ zu dem Turbinengehäuse (12) drehbaren Ventilelement (10), welches einen Ventilkörper (24) aufweist, mittels welchem eine den Umgehungskanal durchströmende erste Menge des Abgases und eine die Überströmöffnung (18) durchströmende zweite Menge des Abgases einstellbar sind, wobei der Ventilkörper (24) als Ringsegment ausgebildet, dessen Mittelpunkt auf der Drehachse (22) liegt.
2. Turbine nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Ringsegment einen kreisrunden Querschnitt aufweist.
3. Turbine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ventilkörper (24) wenigstens eine erste Dichtfläche (32) zum fluidischen Versperren der Überströmöffnung (18) und wenigstens eine von der ersten Dichtfläche (32) beabstandete, zweite Dichtfläche (34) zum fluidischen Versperren des Umgehungskanals aufweist.
4. Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine durch wenigstens eine Wandung (28) des Turbinengehäuses (12) begrenzte Einströmöffnung vorgesehen ist, über welche dem Umgehungskanal das Abgas aus den Fluten zuführbar ist, wobei der Ventilkörper (24) in wenigstens einer ersten Stellung, in welcher der Ventilkörper (24) die Überströmöffnung (18) freigibt, zumindest teilweise in der Einströmöffnung aufgenommen und in wenigstens einer von der ersten Stellung unterschiedlichen, zweiten Stellung, in welcher der
Ventilkörper (24) die Überströmöffnung (18) freigibt, vollständig außerhalb der Einströmöffnung angeordnet ist.
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