WO2018141608A1 - Abgasturbolader mit ringkatalysator für eine brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2018141608A1
WO2018141608A1 PCT/EP2018/051775 EP2018051775W WO2018141608A1 WO 2018141608 A1 WO2018141608 A1 WO 2018141608A1 EP 2018051775 W EP2018051775 W EP 2018051775W WO 2018141608 A1 WO2018141608 A1 WO 2018141608A1
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WO
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turbine
exhaust gas
housing
catalyst
turbine housing
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/051775
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French (fr)
Inventor
Jan Ehrhard
Rolf BRÜCK
Achim Koch
Ivo Sandor
Original Assignee
Continental Automotive Gmbh
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Publication date
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N2340/00—Dimensional characteristics of the exhaust system, e.g. length, diameter or volume of the apparatus; Spatial arrangements of exhaust apparatuses
    • F01N2340/06—Dimensional characteristics of the exhaust system, e.g. length, diameter or volume of the apparatus; Spatial arrangements of exhaust apparatuses characterised by the arrangement of the exhaust apparatus relative to the turbine of a turbocharger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01N5/04—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using kinetic energy
    • 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
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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 invention relates to an exhaust gas turbocharger with a ring catalyst for an internal combustion engine, in which the turbine housing and the annular catalyst form an integral unit.
  • Exhaust gas turbochargers are increasingly used to increase performance in automotive internal combustion engines. This is becoming increasingly common with the aim of reducing the size and weight of the internal combustion engine with the same or even increased performance and at the same time reducing consumption and thus the CO 2 emissions in view of increasingly stringent legal requirements in this regard.
  • the operating principle is to use the energy contained in the exhaust stream to increase the pressure of the intake fresh air in an intake tract of the engine and thus to effect a better filling of a combustion chamber of the internal combustion engine with air-oxygen.
  • more fuel such as gasoline or diesel, per combustion process can be implemented, so the performance of the engine can be increased.
  • the exhaust gas turbocharger has an exhaust gas turbine arranged in the exhaust gas tract of the internal combustion engine, a radial compressor arranged in the intake tract and a rotor bearing arranged therebetween.
  • the exhaust gas turbine has a turbine housing and a turbine runner, which is arranged therein and driven by the exhaust gas mass flow.
  • the radial compressor has a compaction tergephaseuse and is arranged, a boost pressure to ⁇ slung compressor impeller.
  • the turbine runner and the compressor runner are arranged on the opposite ends of a common shaft, the so-called rotor shaft, rotatably and thus form the so-called turbocharger rotor.
  • the rotor shaft extends axially between the turbine impeller and the compressor impeller through the exhaust gas turbine disposed between and Radi ⁇ alverêtr in a bearing housing rotor bearing, and in this, with respect to the rotor shaft axis, radial and axially rotatably mounted.
  • the driven from Ab ⁇ gas mass flow turbine wheel drives via the rotor ⁇ wave the compressor impeller on, whereby the pressure of the fresh air in the intake system of the engine, based on the fresh air mass flow downstream of the centrifugal compressor is increased and thereby a better filling of the combustion chamber with air Oxygen is effected.
  • Particulate matter exhaust after-treatment systems employing catalyst and filter units.
  • catalysts for example, an arrangement in the exhaust gas flow near the combustion chambers of the internal combustion engine is advantageous for thermal reasons.
  • the only very limited space available and the ever more extensive number to be housed auxiliary units therefore require a compact design and arrangement of the individual components.
  • the cold start behavior referred to by a so-called catalyst light-off (this means the time that elapses during a cold start of the turbocharger or a motor vehicle until the catalyst has reached its operating temperature and then the catalysis, ie the Schad ⁇ substance reduction, is effective , also called the response time of the catalyst),
  • conversion would be by inhomogeneous inflow - in particular with an open wastegate valve of the exhaust gas turbocharger - not ideal.
  • An object on which the invention is based is to provide a concept for an exhaust-gas turbocharger which contributes to an efficient use of the available construction space and enables a placement of a catalyst unit close to the combustion engine and efficient operation thereof.
  • An exhaust gas turbocharger with an annular catalytic converter that forms an integral unit with the turbine housing for an internal combustion engine.
  • the exhaust-gas turbocharger has a radial compressor with a compressor housing, a rotor bearing with a bearing housing in which a rotor shaft is rotatably mounted, and an exhaust gas turbine with a turbine housing, in which a turbine wheel is non-rotatably mounted on the rotor shaft and, on its side facing away from the bearing housing, a turbine outlet, on.
  • the turbine housing is mechanically fixed to the bearing housing and has a turbine exhaust pipe adjoining the turbine outlet for discharging an exhaust gas mass flow along a flow path from the turbine housing.
  • a catalyst substrate of a ring catalyst is arranged annularly and a pot-shaped Ringkatalysa ⁇ tor outer housing comprises the turbine exhaust pipe and the Kata ⁇ lysatorsubstrat from an outlet side of the turbine exhaust pipe ago so that formed between the turbine exhaust pipe and the annular catalyst outer housing an annular channel is, in which the catalyst substrate is arranged.
  • the annular catalyst forms an integral unit with the turbine housing, wherein the catalyst outer housing is directly connected to the turbine housing so that at least one outer wall portion of the turbine housing at the same time limits the annular channel, in the exhaust gas mass flow downstream of the catalyst substrate.
  • the ring catalyst is thereby an integral part of the turbine housing and thus of the turbocharger.
  • Integral unit means for example that the ring catalyst is connected to the turbine housing to form a unit, wherein at ⁇ play the turbine housing, in particular the turbine ⁇ exhaust pipe and certain outer wall sections of the exhaust gas volute of the turbine housing, at the same time part of the housing of the annular catalyst, in particular, a ring catalyst inner tube and a Forming the boundary of the annular channel of the ring catalyst.
  • the ring catalyst thus forms a coherent whole with the turbine housing.
  • the ring catalyst is thus not to be understood as a separate, separated from the exhaust gas turbocharger unit, which is flanged to the modular turbocharger or the turbine housing as spatially downstream unit, but rather is to be understood together with the exhaust gas turbocharger as a structural unit.
  • a ring catalyst is a catalyst unit, in the core of which a ring catalyst inner tube is arranged so that the ring catalyst unit runs through almost its entire axial length.
  • the exhaust gas flow mixes particularly well.
  • the catalyst substrate which comprises ring catalyst inner tube as a sleeve encloses. From the outside are the annular catalyst-in ⁇ nenrohr and the active catalyst substrate surrounded by the Katalysa ⁇ torau touchgephase.
  • the exhaust gas turbocharger described allows due to the in ⁇ tegrated annular catalyst a number of advantages, in particular ⁇ special compared to conventionally connected via flange and / or one or more additional pipe connections Ka ⁇ catalysts. It contributes to a compact, thermodynamically advantageous design, whereby the catalyst substrate is positioned closer to the internal combustion engine and thus can be brought to operating temperature more quickly. It also contributes to improved turbine efficiency, as a gerer exhaust backpressure can be realized. It is further contributed to a better mixing of the exhaust gas mass flow, which flows through the turbine wheel, with the exhaust gas mass flow, which is optionally conducted past a turbine door via a wastegate channel.
  • the pot-shaped ring catalyst outer case includes the turbine exhaust pipe and the catalyst substrate so that the flow path of the ex ⁇ gas mass flow first runs in the flow direction through the turbine exhaust gas pipe, then deflected at the bottom of the pot, then in the opposite direction on the outside of the turbine exhaust pipe passes through the annular channel and through the catalyst substrate and is finally passed through a catalyst outlet from the ring catalyst.
  • the exhaust gas mass flow flows around at least parts of the door ⁇ binengekoruses and in particular the turbine exhaust pipe on both sides.
  • the bilateral flow around means that the exhaust gas ⁇ mass flow initially from a first side, for instance on the inside of an exhaust gas volute of the turbine housing and the turbine exhaust pipe flows around a wall portion of the turbine housing during operation of the turbocharger, or flows along this, and then the wall portion from a second side , About an outside of the turbine housing and the turbine exhaust ⁇ pipe, flows around or flows along this.
  • the flow path of the exhaust gas mass flow thus initially runs within the range Gasvolute the turbine housing and then on the turbine ⁇ impeller.
  • the exhaust gas mass flow flows around the turbine exhaust pipe, which simultaneously represents the annular catalyst inner pipe, and the predetermined wall section of the turbine housing, which delimits the annular channel on the inside and the outside.
  • An outer wall portion of the turbine housing Ab denotes a ⁇ cut on the outside of the housing wall of the turbine housing, wherein the housing wall of the turbine casing at least partially surrounds the turbine wheel and / or defining an exhaust gas volute.
  • This profile of the flow path of the exhaust gas mass flow allows a particularly thorough mixing, ie homogenization ⁇ tion of the exhaust gas mass flow, resulting in the improvement of the efficiency of the catalytic reaction, thus contributing to improve the emissions.
  • this flow guide downstream of the turbine runner allows for improved flow and throughflow of the catalyst substrate.
  • the catalytic converter outer housing of the annular catalytic converter is mechanically connected to the turbine housing, for example. It can, for example, by means of a cohesive weld ⁇ connection firmly and permanently, be connected to the turbine housing.
  • the two housing parts are circumferential and thus welded together gas-tight.
  • the catalyst housing is directly connected to the turbine housing. But there are also other connection techniques such as screwing against a flange, clamping or gluing to connect the two housing parts.
  • the catalyst outer housing at least partially surrounds the turbine housing ⁇ at least in the region of the outer wall portion which also limits the annular channel.
  • the surrounding part of the turbine housing forms the above-mentioned outer-wall section, which flows around on both sides.
  • the Kata ⁇ lysatorau at least partially overlaps the turbine housing axially with respect to a rotor axis of rotation of the rotor shaft, and includes over the circumference.
  • the turbine housing is at least partially disposed within the catalyst ⁇ housing, encapsulated approximately.
  • the housing or a portion of the housing is understood, which is fixed to the bearing housing of the exhaust gas turbocharger and surrounds the turbine wheel, wherein radially outside the turbine ⁇ impeller at least one exhaust gas volutes in the turbine housing is arranged ⁇ , through which the exhaust gas mass flow radially inwardly the turbine runner flows. Furthermore, the Turbi ⁇ nengephaseuse to a turbine exhaust through which the exhaust gas ⁇ mass flow downstream of the turbine impeller in relation to the rotor axis of rotation axial direction leaves the turbine impeller.
  • the Katalysa ⁇ torau joint surrounds the outer wall portion of the turbine outlet and at least part of the outer wall of the exhaust gas volute forming portion of the turbine housing, so this is Tur ⁇ binenlaufradrad at least partially axially with respect.
  • the rotor ⁇ rotational axis overlapped by the catalyst outer case.
  • the turbine housing has at least one exhaust gas volute and the outer wall section, which at the same time limits the annular channel, is an outer wall section of the turbine housing in the region of the at least one exhaust gas volute.
  • the outer catalyst housing surrounds the Turbine housing, in the region of the outer wall of the Abgasvolute forming region of the turbine housing, at least partially.
  • the catalyst housing is adapted to an outer shape of the turbine housing, at least in the region of the exhaust gas volutes or the plurality of exhaust gas volutes.
  • the catalyst housing completely surrounds the turbine housing, so that the latter is completely encapsulated.
  • the catalyst outer housing is at least partially formed as a heat shield for thermal insulation of the turbine housing from the environment.
  • the catalyst outer housing at least partially serves for thermal insulation of the turbine housing.
  • the heat output is effectively reduced by the naturally very hot turbine housing in operation to surrounding units of the internal combustion engine.
  • it contributes to a reduction of thermal stresses in the turbine housing, especially when the turbine housing is made of a cast material.
  • a heat insulation just makes sense in the field of exhaust gas volutes, since the exhaust gas mass flow should reach the turbine wheel as possible without previous heat loss.
  • the turbine exhaust pipe is an integral part of the turbine housing or is connected by means of a cohesive, formschlüs ⁇ sigen or non-positive connection with this into a unit.
  • the turbine exhaust pipe is directly on and aligned with the exhaust port of the turbine housing, the so-called turbine outlet, directly attached to the turbine housing, directly connected thereto, and at the same time forms a ring catalyst inner pipe.
  • the connection between turbine housing and turbine exhaust pipe may be formed by means of material connection, such as a welded joint, wherein the weld circumferentially over the Can be executed circumferentially or punctiform with multiple distributed over the circumference welds.
  • the connection between turbine housing and turbine exhaust pipe can also be formed by a positive and / or non-positive connection, such as a press connection, screw connection or latching connection.
  • the turbine outlet thus passes directly into the turbine exhaust pipe and forms it so over an axial extent that it can simultaneously serve as Kata ⁇ lysator inner tube. That is, the axial extent is dimensioned so that a ring-shaped catalyst ⁇ torsubstrat can be arranged on its outer diameter.
  • This arrangement and design of the turbine exhaust pipe allows a particularly compact arrangement of the annular catalyst in direct contact with the turbine housing of the exhaust gas turbocharger.
  • a flow inlet cross section on a turbine runner facing the inlet side of the turbine exhaust pipe and thus at the same time the annular catalyst inner tube a Strömungsaustrittsquer- section of the turbine ⁇ formed by the turbine housing outlet.
  • This allows a seamless transition with regard to the flow cross section.
  • This contributes to a favorable flow guidance in the channel.
  • the flow inlet cross section of the turbine exhaust pipe over the entire axial extent of the turbine exhaust pipe beibe ⁇ keep, ie downstream of the turbine runner over the entire extent of the turbine exhaust pipe constant. This contributes to a favorable flow guidance in the channel.
  • the turbine exhaust gas pipe has a flow cross section, which is opposite to the flow inlet cross section at least over a partial section or the entire axial extension of the
  • Turbine exhaust pipe continuously increases in the flow direction, thus forming a diffuser, to slow down the flow velocity of the exhaust gas mass flow.
  • the inner periphery of the turbine exhaust pipe widens conically at least over a portion of its axial extent. If the wall thickness of the turbine exhaust gas pipe is maintained in the region of the conical enlargement, a corresponding widening of the flow cross section and thus a further increase in the exhaust gas mass flow also result for the annular channel on the outside of the turbine exhaust gas pipe in the opposite direction, ie again in the flow direction of the exhaust gas mass flow.
  • the catalyst substrate is arranged annularly on the outer circumference of the turbine exhaust gas pipe and extends axially at least over a part of the diffuser of the turbine exhaust gas pipe. ⁇ be indicated steady enlargement that no changing cross sections are available. A particularly good flow guidance is achieved for the Abgasmas ⁇ senstrom.
  • the turbine housing has a wastegate device, then it is advantageous if the wastegate channel, if possible in the vicinity of the turbine outlet or the flow inlet cross section and in particular upstream of the diffuser region, opens into the turbine exhaust gas pipe. In this way, a maximum distance of the flow path for mixing, homogenizing and slowing down the exhaust gas mass flow is available until it enters the catalyst substrate.
  • a flow path for the exhaust gas mass flow exiting the turbine runner between the turbine outlet and the upstream end of the catalyst substrate is five times the diameter of the turbine outlet or less. This contributes to the compactness of the arrangement and other advantages mentioned above.
  • the turbine housing and / or the catalyst outer housing have a thermal insulation from the environment, in particular they are formed in multiple layers.
  • the turbine and / or the catalyst ⁇ torau touchpiece are formed as sheet metal housing, two or more layers of sheet metal and intermediate insulation, such as air or other insulation material, be provided. This measure protects mainly the surrounding aggregates, for example in the engine compartment of a motor vehicle.
  • the catalyst outer housing is formed as a shaped sheet metal part or as a cast ⁇ molded part, that is formed from a sheet material or a cast material.
  • the outer wall portion which limits the annular channel at the same time formed as a molded part or at least partially as a sheet metal part, ie from a cast material or at least partially from a
  • Sheet material be formed.
  • it is sheet metal housing, cast housing or an advantageous combination of sheet metal and castings.
  • the turbine housing may, for example, also be made of an aluminum material and have devices for water cooling.
  • the exhaust gas turbocharger has one or more further exhaust aftertreatment devices as integral constituents, in particular a particulate filter and / or an oxidation catalytic converter.
  • Figure 1 is a schematically simplified sectional view of a
  • Figure 2 is a schematically simplified sectional view of a section of an exhaust gas turbocharger and a closed- ⁇ to separate annular catalyst, according to the prior art and
  • Cutouts of inventive exhaust gas turbocharger with integrated ring catalyst according to embodiments of the invention Cutouts of inventive exhaust gas turbocharger with integrated ring catalyst according to embodiments of the invention.
  • FIG. 1 shows schematically an exemplary exhaust gas turbocharger 1 in a simplified sectional view, which has an exhaust gas turbine 20, a radial compressor 30 and a rotor bearing 40.
  • the exhaust gas turbine 20 is equipped with a wastegate valve 29 and an exhaust gas mass flow AM is indicated by arrows.
  • the centrifugal compressor 30 has a thrust recirculation valve 39 and a fresh air mass flow FM is also indicated by arrows.
  • a so-called turbo charger rotor 10 of the turbocharger 1 has a turbine impeller 12 (also shortened as the turbine wheel be ⁇ distinguished), a compressor impeller 13 (also shortened as Ver ⁇ up terrad hereinafter) and a rotor shaft 14 (also shaft hereinafter).
  • the turbocharger rotor 10 rotates in operation about a rotor axis of rotation 15 of the rotor shaft 14.
  • the rotor axis 15 and at the same time the turbocharger axis 2 are Darge ⁇ represents by the drawn center line and mark the axial orientation of the exhaust gas turbocharger 1.
  • the turbocharger rotor 10th is mounted with its rotor shaft 14 by means of two radial bearings 42 and a thrust washer 43. Both the radial bearing 42 and the thrust washer 43 are supplied via oil supply channels 44 of an oil port 45 with lubricant.
  • a conventional exhaust-gas turbocharger 1 has a multi-part construction.
  • a further structural unit of the exhaust gas turbocharger 1 is the turbocharger rotor 10, which has the rotor shaft 14, the turbine wheel 12 arranged in the turbine housing 21 with an impeller blading 121 and the compressor impeller 13 with an impeller blading 131 arranged in the compressor housing 31.
  • the turbine runner 12 and the compressor runner 13 are disposed on the opposite ends of the common rotor shaft 14 and rotatably connected thereto.
  • the rotor shaft 14 extends in the direction of the turbocharger axis 2 axially through the bearing housing 41 and is rotatably mounted therein axially and radially about its longitudinal axis, the rotor axis of rotation 15, the rotor axis of rotation 15 coinciding with the turbocharger axis 2.
  • the turbine housing 21 has one or more annularly around the turbocharger shaft 2 and the turbine impeller 12 is arranged, is helically to the turbine impeller 12 tapering from ⁇ gas-ring channels, so-called Abgasvoluten 22.
  • These exhaust ⁇ volutes 22 have a respective or common tangentially outwardly Abgaszu 1500kanal 23 with an elbow connection stub 24 for connection to an exhaust manifold (not shown) of an internal combustion engine, through which the exhaust gas mass flow AM flows into the respective exhaust gas volute 22nd
  • the exhaust gas volutes 22 furthermore each have a gap opening extending over at least part of the inner circumference, the so-called exhaust gas inlet gap 25, which is directed toward the turbine runner 12 in an at least partially radial direction and through which the exhaust gas mass flow AM flows onto the turbine runner 12.
  • the turbine housing 21 further comprises a Abgasab adoptedkanal, the so-called turbine outlet 26, 2, a Abgasab2020kanal adjoins the the axial end of the turbine runner 12 in the direction away of the turbocharger shaft 27 and t and an off ⁇ puff connection stub 27a for connection to the exhaust system (not shown) of the internal combustion engine.
  • a Abgasab2020kanal 27 exiting the turbine runner 12 through the turbine outlet 26 exhaust gas mass flow AM is discharged into the exhaust system of the engine.
  • the radial inner contour of the turbine housing 21 follows the outer contour of the turbine runner 12 received therein.
  • This region of the inner contour of the turbine housing 21 is referred to as turbine seal contour 28 and causes the exhaust gas mass flow AM flows as completely as possible through the impeller blading 121 of the turbine runner 12 and not past it.
  • a bypass valve device on the turbine side, through which in the open state at least part of the exhaust gas mass flow AM can be discharged around the turbine runner 12, is referred to as wastegate valve 29.
  • the wastegate valve 29 connects the Abgaszu 1500kanal 23 in the flow direction of the exhaust gas mass flow AM in front of the turbine wheel 12 with the Ab ⁇ gasab adoptedkanal 27 in the flow direction of the exhaust gas mass flow AM behind the turbine wheel 12 via a wastegate channel 291 in the turbine housing 21. Further details of the turbocharger 1 seem for the representation of the invention is not relevant and are therefore not explained here.
  • FIG 2 shows a section of the turbine housing 21 of an exhaust gas turbocharger 1 and an adjoining Ringkata ⁇ lysators 50 in a schematically simplified sectional view.
  • the ring catalyst 50 is connected as a downstream exhaust aftertreatment device to the tur- Flanged housing housing 21, for example, to the ⁇ puff connection piece 27 a.
  • the annular catalyst 50 is thus fluidly coupled to the turbine housing 21, esp.
  • the ring 50 has an annular catalyst-catalyst inner tube 51a, a catalyst substrate 53, and a Kata ⁇ lysatorau touchgephase 52 with a cup base 52a.
  • the Ka ⁇ talysatorau touchgeophuse encloses the ring catalyst inner tube 51a such that 52 an annular channel 54 is formed between the outer periphery of the Ringkatalysa ⁇ tor inner tube 51a and the inner periphery of Katalysatorau touch- housing, and a distance between the cup bottom 52a and the downstream end of
  • the catalyst substrate 53 is annularly formed on the outer circumference of the annular catalyst inner pipe 51a and adjoins the inner circumference of the catalyst outer casing 52 so that the annular gap is completely filled in the radial direction by the catalyst substrate 53 so that the exhaust gas mass flow AM must completely flow through the catalyst substrate 53 , ,
  • the annular catalyst inner tube 51a is therefore at least partially with respect to the said longitudinal axis in the example with the turbocharger axis 2 coincident to a longitudinal axis of the annular catalyst inner tube 51a manner of a sleeve surrounded by the Ka ⁇ talysatorsubstrat 53rd
  • the exhaust gas mass flow AM flows according to the arrows, which together with a dashed line the
  • Flow path SP of the exhaust gas mass flow AM represent, after passing through the turbine runner 12 first through the turbine outlet 26 and the Abgasab adoptedkanal 27 in the Ringka ⁇ inner inner tube 51 a, which extends over the axial length of the annular catalyst 50 on the pot bottom 52 a of Katalysatorau ⁇ Hzgepatuses 52nd to extend.
  • the exhaust gas mass flow AM is mixed and homogenized particularly well.
  • the exhaust gas mass flow AM is first deflected radially outward and then by 180 ° and now flows through the arranged in the annular channel 54 catalyst substrate 53, which surrounds the annular catalyst inner tube 51 a as a cuff , in the opposite direction.
  • catalyst substrate 53 which surrounds the annular catalyst inner tube 51 a as a cuff , in the opposite direction.
  • FIGS. 3 to 7 show exemplary embodiments of the invention, each likewise based on a detail of the turbine housing 21 of an exhaust-gas turbocharger 1 and of an annular catalyst 50 connected thereto in a schematically simplified manner
  • annular catalytic converter 50 forms an integral unit with the turbine housing 21 and thus with the exhaust-gas turbocharger 1. All embodiments have in common that the annular catalyst 50 is arranged axially with respect to the turbocharger 2 closer to the exhaust gas turbocharger 1 than in the conventional separate downstream arrangement as a separate module, as shown in Figure 2, wherein the turbine housing 21 and the catalyst outer housing 52 is a related, integral Form building unit.
  • the catalyst substrate 53 of the annular catalyst 50 is an annular combustion shape on an outer periphery of the turbine exhaust gas pipe disposed ⁇ 51 and a cup-shaped ring catalyst outer housing 52 includes the turbine exhaust pipe 51 and the catalyst substrate 53 from an outlet side 57 of the turbine exhaust pipe 51 forth such that between the turbine exhaust duct 51 and the annular catalyst outer housing 52, an annular channel 54 is formed, in which the catalyst substrate 53 is arranged.
  • the outer catalyst ⁇ housing 52 is directly connected to the turbine casing 21 such that at least one outer wall portion 210 of the
  • Turbine housing 21 at the same time the annular channel 54, in the Abgasmas ⁇ senstrom downstream of the catalyst substrate (53) limited.
  • the turbine housing 21 has a wall section 210, which flows around or is flowed on in operation from two sides, that is, on both sides, by the exhaust gas mass flow AM.
  • the flow path SP of the exhaust gas mass flow AM runs in the flow direction first through the turbine exhaust duct 51, which also forms the Ringkatalysa ⁇ tor inner tube 51a, is then deflected at the cup base 52a, and extends further in the opposite direction through the catalyst substrate 53, and finally through the cata- Outlet opening 55 out of the ring catalyst.
  • the turbine housing 21 is designed as a cast housing, which is indicated by the greater wall thickness, and the catalyst outer housing 52 is a sheet metal part, which is evident by the smaller wall thickness.
  • the catalyst outer housing 52 is welded at its end facing the turbine housing 21 with the turbine housing 21, this is symbolized by the illustrated weld 212.
  • the catalyst outer housing 52 surrounds the turbine housing 21 in the region of the outer wall section 210, which at the same time limits the annular channel 54.
  • the catalyst outer housing 52 overlaps the turbine housing 21 in the axial direction, with respect to the turbocharger axis 2 and the rotor axis of rotation 15, in the region of the turbine runner 12, wherein between the outside of the turbine housing 21 and the catalyst housing ⁇ kaly ⁇ 52 forms part of an exhaust passage is.
  • the turbine housing 21 in this example has an exhaust gas volute 22 and the outer wall section At the same time limits the annular channel 54 in the exhaust gas mass flow at the downstream of the catalyst substrate 53210, an Au ⁇ Hzwandabrough 210 of the turbine housing 21 in the region of the exhaust gas volute 22 is.
  • the turbine exhaust duct 51 which also provides the Ringkatalysa ⁇ tor inner tube 51a is in the range of Turbinenaus ⁇ passage 26 connected to the turbine housing 21st To produce the connection, the turbine exhaust pipe 51 is pressed into an opening of the turbine housing 21, whereby a force- locking connection exists.
  • the turbine exhaust pipe 51 is designed here as a relatively thick-walled, dimensionally stable tube.
  • an external thread on the turbine exhaust pipe 51 and an internal thread in the opening of the turbine housing 21, ie a screw connection between turbine exhaust pipe 51 and turbine housing 21 could be provided here, for example, whereby a combination of positive engagement and adhesion would be given.
  • FIG. 4 The embodiment shown in Figure 4 is similar to We ⁇ sentlichen 3 to that of FIG rerum forms the annular catalyst 50 with the turbine housing 21 an integral unit wherein the catalyst outer housing 52 is directly connected to the turbine housing 21 so that an outer wall portion 210 of the turbine housing 21 at the same time the annular channel 54, in the Abgasmas- senstrom downstream of the catalyst substrate 53, limited and the exhaust gas mass flow AM the wall portion 210th of the turbine housing 21 flows around from two sides.
  • Figure 4 shows a different turbine exhaust pipe 51.
  • this is designed as a thin-walled sheet metal part and is materially connected to the turbine housing 21 in the region of the turbine outlet 26 by means of a welded joint 512.
  • Figure 3 corresponds to the Strömungsein SharePointsquer- section Q2 at the turbine runner 12, however, faces a ⁇ inlet side 58 of the turbine exhaust gas pipe 51 a flow ⁇ outlet cross-section Q of the ge through the turbine housing 21 ⁇ formed turbine outlet 26.
  • a flow cross-section QD on which to ⁇ minimum, increased compared to the inlet flow cross section Q2 over a portion or, as shown here over the entire axial extension of the turbine exhaust gas pipe 51 in the direction of flow is continuous and preferably uniformly, thus forming a diffuser 56, the mass flow at the exhaust AM slows down, so reduces the Strömungsge ⁇ speed in the direction downstream.
  • the turbine exhaust pipe 51 has a cone-shaped geometry. Due to the consistently thin-walled geometry of the turbine ⁇ exhaust pipe 51 thus simultaneously changes the annular channel width RB of the annular channel 54 over the extension of the turbine exhaust pipe
  • the turbine housing 21 is here thus partially or in other embodiments possibly also completely encased by the outer housing Kataly ⁇ sator 52nd
  • the Katalysatorau ⁇ tgephaseuse 52 is at least partially formed as a heat shield 52b for thermal insulation of the turbine housing 21 from the environment and causes a thermal shield and at the same time a reduction of thermal stresses in the turbine housing 21, by a more uniform temperature distribution.
  • the catalyst outer housing 52 is by a
  • Weld 212 connected to the turbine housing 21 to form a structural unit, for example, on a provided on the turbine housing 21 around the circumference surrounding connecting edge 213rd
  • the turbine exhaust pipe 21 5 is formed as an integral part of the turbine housing 21 from ⁇ wherein and so further underlines the integral Cha- rakter the unit of turbocharger 1 and ring catalyst 50.
  • the turbine exhaust duct 51 has here a, in the direction of flow of the exhaust gas mass flow AM from radially inwardly steadily decreasing wall thickness, thereby increasing its inner diameter in the flow direction, whereby the turbine exhaust pipe 51 here also a diffuser 56 is formed whose flow ⁇ cross-section QD extends correspondingly in the flow direction, which causes an advantageous reduction of the flow velocity of the exhaust gas mass flow AM ,
  • the annular channel width RB of the annular channel 54 remains constant here.
  • the turbine housing 21 is at least partially or completely made of shaped sheet metal parts, as the catalyst outer housing 52 is, which is symbolized by the small wall thickness.
  • the Katalysa ⁇ torau touchpiece 52 here forms simultaneously a part of the turbine housing 21. This not only contributes to a weight-saving, but also simplifies the integration of the turbine housing 21 and ring catalyst 50, since the elements are integrated in a common shell. At least a part of the turbine housing 21 and the turbine exhaust pipe 51 and the catalyst outer housing 52 are thus formed with sheet metal parts.
  • the ring catalyst 50 forms with the turbine housing 21 form an integral unit wherein the Kataly ⁇ sator outer housing 52 is directly connected to the turbine casing 21 so that an outer wall portion 210 turbines ⁇ housing 21 while limiting the annular channel 54, the exhaust gas mass flow downstream of the catalyst substrate 53, and the
  • Exhaust gas mass flow AM flows around the wall portion 210 of the turbine housing 21 from two sides.
  • a housing part surrounding the turbine runner 12 directly is attributable to the turbine housing 21.
  • Figure 7 shows a further embodiment of an OF INVENTION ⁇ to the invention the exhaust gas turbocharger 1 which forms a ring catalyst 50 to the turbine housing 21 form an integral unit, wherein the catalyst outer case 52 is connected directly to the turbine ⁇ housing 21 so that an outer wall portion 210 of the turbine housing 21 at the same time the Ring channel 54, in the Abgasmas ⁇ senstrom downstream of the catalyst substrate 53, limited and the exhaust gas mass flow AM flows around the wall portion 210 of the turbine housing 21 from two sides.
  • the exporting ⁇ approximately example shown corresponds largely to the embodiment according to FIG 6.
  • the catalyst outer case 52 and / or at least outer parts of the turbine casing 21 are multilayered out ⁇ forms. Between the layers, air or insulating material 52c may be provided for heat insulation.
  • the catalyst housing 52 is fixed by means of welded connection to the turbine housing 21.
  • other connection techniques such as screwing, clamping or gluing are also conceivable.
  • another material such as an aluminum material, may be provided for the turbine housing 21.
  • the ring catalyst 50 such as the Katalysatorau touch- housing 52 may optionally be made of a material other than steel plate, for example, of a laminated Ver ⁇ composite material. The same applies to the turbine exhaust pipe 51.
  • individual features described on the basis of the various exemplary embodiments can be combined or exchanged with one another, provided that they do not constitute mutually exclusive alternatives.
  • From ⁇ gas post-treatment process can be integrated with the described arrangements, as mentioned above.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1) mit einem Ringkatalysator, für eine Brennkraftmaschine, der einen Radialverdichter (30), ein Läuferlager (40) mit einem Lagergehäuse (41) und eine Abgasturbine (20) mit einem Turbinengehäuse (21) aufweist. Das Turbinengehäuse (21) ist mechanisch an dem Lagergehäuse (41) festgelegt und weist ein an seinem Turbinenauslass (26) anschließendes Turbinenabgasrohr (51) zur Ableitung eines Abgasmassenstromes (AM) auf. Ein Katalysatorsubstrat (53) eines Ringkatalysators (50) ist auf einem Außenumfang des Turbinenabgasrohrs (51) angeordnet und ein topfförmiges Katalysatoraußengehäuse (52) umfasst das Turbinenabgasrohr (51) und das Katalysatorsubstrat (53) von einer Austrittsseite (57) des Turbinenabgasrohrs (51) her so, dass zwischen dem Turbinenabgasrohr (51) und dem Katalysatoraußengehäuse (52) ein Ringkanal (54) gebildet ist, in dem das Katalysatorsubstrat (53) angeordnet ist. Der Ringkatalysator (50) bildet zusammen mit dem Turbinengehäuse (21) eine integrale Einheit.

Description

Beschreibung
Abgasturbolader mit Ringkatalysator für eine Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit Ringkatalysator für eine Brennkraftmaschine, bei dem das Turbinengehäuse und der Ringkatalysator eine integrale Einheit bilden.
Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel, den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO2-AUS- stoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen, um den Druck der angesaugten Frischluft in einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung eines Brennraumes des Verbrennungsmotors mit Luft-Sauerstoff zu bewirken. Somit kann mehr Treibstoff, wie Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umgesetzt werden, also die Leistung des Verbrennungsmotors erhöht werden.
Dazu weist der Abgasturbolader eine im Abgastrakt des Ver- brennungsmotors angeordnete Abgasturbine, einen im Ansaugtrakt angeordneten Radialverdichter und ein dazwischen angeordnetes Läuferlager auf. Die Abgasturbine weist ein Turbinengehäuse und ein darin angeordnetes, durch den Abgasmassenstrom angetriebenes Turbinenlaufrad auf. Der Radialverdichter weist ein Verdich- tergehäuse und ein darin angeordnetes, einen Ladedruck auf¬ bauendes Verdichterlaufrad auf. Das Turbinenlaufrad und das Verdichterlaufrad sind auf den sich gegenüberliegenden Enden einer gemeinsamen Welle, der sogenannten Läuferwelle, drehfest angeordnet und bilden so den sogenannten Turboladerläufer. Die Läuferwelle erstreckt sich axial zwischen Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad durch das zwischen Abgasturbine und Radi¬ alverdichter in einem Lagergehäuse angeordnete Läuferlager und ist in diesem, in Bezug auf die Läuferwellenachse, radial und axial drehgelagert. Gemäß diesem Aufbau treibt das vom Ab¬ gasmassenstrom angetriebene Turbinenlaufrad über die Läufer¬ welle das Verdichterlaufrad an, wodurch der Druck der Frischluft im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors, bezogen auf den Frisch- luftmassenstrom hinter dem Radialverdichter, erhöht und dadurch eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff bewirkt wird.
Des Weiteren kommen zur Reduzierung umweltschädlicher Stoffe im Abgas, wie zum Beispiel Stickstoff, Kohlendioxid, Ruß und
Feinstaub, Systeme zur Abgas-Nachbehandlung zum Einsatz die Katalysator- und Filter-Einheiten umfassen. Bei Katalysatoren beispielsweise ist aus thermischen Gründen eine Anordnung im Abgasstrom nahe der Brennräume des Verbrennungsmotors von Vorteil . Der nur sehr begrenzt zur Verfügung stehende Bauraum und die immer umfangreicher werdende Anzahl unterzubringender Hilfsaggregate erfordern deshalb eine möglichst kompakte Bauweise und Anordnung der einzelnen Komponenten. Aktuelle und zukünftige Emissionsgrenzwerte für Abgase von
Verbrennungsmotoren lassen sich ohne Abgas-Nachbehandlung nicht darstellen. Typischerweise treten beim Einsatz von Katalysatoren als Abgas-Nachbehandlungssysteme, insbesondere herkömmlichen Katalysatoren, zahlreiche Herausforderungen auf. Dabei sind in erster Linie zu nennen:
- Das Kaltstartverhalten, bezeichnet durch einen sogenannten Katalysator Light-Off (dies bedeutet die Zeit, die bei einem Kaltstart des Turboladers bzw. eines Kraftfahrzeugs vergeht, bis der Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat und dann die Katalyse, also die Schad¬ stoffreduktion, wirksam ist, auch Ansprechzeit des Katalysators genannt) ,
- der erforderliche Bauraum,
- die thermodynamische Beanspruchung und
- der Abgasgegendruck und
- die Anströmung des Katalysators.
So wäre beispielsweise bei herkömmlichen Katalysatoren eine Konvertierung durch eine inhomogene Zuströmung - insbesondere bei einem geöffneten Wastegate-Ventil des Abgasturboladers - nicht ideal.
Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Konzept für einen Abgasturbolader anzugeben, welches zu einer effizienten Nutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums beiträgt und eine nahe am Verbrennungsmotor liegenden Platzierung einer Katalysatoreinheit und einen effizienten Betrieb dieser ermöglicht.
Es wird ein Abgasturbolader mit einem Ringkatalysator, der mit dem Turbinengehäuse eine integrale Einheit bildet, für eine Brennkraftmaschine offenbart. Der Abgasturbolader weist einen Radialverdichter mit einem Verdichtergehäuse, ein Läuferlager mit einem Lagergehäuse, in dem eine Läuferwelle drehbar gelagert ist, und eine Abgasturbine mit einem Turbinengehäuse, in dem ein Turbinenlaufrad drehfest auf der Läuferwelle angeordnet ist und das, auf seiner dem Lagergehäuse abgewandten Seite, einen Turbinenauslass aufweist, auf. Das Turbinengehäuse ist me- chanisch an dem Lagergehäuse festgelegt und weist ein an den Turbinenauslass anschließendes Turbinenabgasrohr zur Ableitung eines Abgasmassenstromes entlang eines Strömungspfads aus dem Turbinengehäuse auf. Auf einem Außenumfang des Turbinenab¬ gasrohrs ist ein Katalysatorsubstrat eines Ringkatalysators ringförmig angeordnet und ein topfförmiges Ringkatalysa¬ tor-Außengehäuse umfasst das Turbinenabgasrohr und das Kata¬ lysatorsubstrat von einer Austrittsseite des Turbinenabgasrohrs her so, dass zwischen dem Turbinenabgasrohr und dem Ringkatalysator-Außengehäuse ein Ringkanal gebildet ist, in dem das Katalysatorsubstrat angeordnet ist. Der Ringkatalysator bildet mit dem Turbinengehäuse eine integrale Einheit, wobei das Katalysatoraußengehäuse unmittelbar mit dem Turbinengehäuse so verbunden ist, dass zumindest ein Außenwandabschnitt des Turbinengehäuses zugleich den Ringkanal, im Abgasmassenstrom stromabwärts des Katalysatorsubstrats, begrenzt.
Der Ringkatalysator ist dadurch integraler Bestandteil des Turbinengehäuses und somit des Turboladers. Integrale Einheit bedeutet beispielsweise, dass der Ringkatalysator mit dem Turbinengehäuse zu einer Einheit verbunden ist, wobei bei¬ spielsweise das Turbinengehäuse, insbesondere das Turbinen¬ abgasrohr und bestimmte Außenwandabschnitte der Abgasvolute des Turbinengehäuses, gleichzeitig einen Teil des Gehäuses des Ringkatalysators, insbesondere ein Ringkatalysator-Innenrohr und eine Begrenzung des Ringkanals des Ringkatalysators bilden. Der Ringkatalysator bildet also mit dem Turbinengehäuse ein zusammengehöriges Ganzes. Der Ringkatalysator ist somit nicht als separate, vom Abgasturbolader separierte Baueinheit zu verstehen, die modular an den Turbolader bzw. das Turbinengehäuse als räumlich nachgeschaltete Einheit angeflanscht ist, sondern ist vielmehr zusammen mit dem Abgasturbolader als eine Baueinheit zu verstehen.
Bei einem Ringkatalysator handelt es sich prinzipiell um eine Katalysatoreinheit, in deren Kern ein Ringkatalysator-Innenrohr angeordnet ist, dass die Ringkatalysatoreinheit nahezu über seine gesamte axiale Länge durchzieht. Auf dieser zusätzlichen Rohrstrecke vermischt sich der Abgasstrom besonders gut. An dem stromabwärts liegenden axialen Ende des Ringkatalysator-Innenrohres, dem Turbinenlaufrad abgewandt, wird der Abgasmas¬ senstrom um 180° umgelenkt und durchströmt nun - in entge¬ gengesetzter Richtung - den katalytisch wirksamen Teil, das Katalysatorsubstrat, das das Ringkatalysator-Innenrohr wie eine Manschette umschließt. Von außen sind das Ringkatalysator-In¬ nenrohr und das aktive Katalysatorsubstrat von dem Katalysa¬ toraußengehäuse umgeben. Der beschriebene Abgasturbolader ermöglicht aufgrund des in¬ tegrierten Ringkatalysators eine Reihe von Vorteilen, insbe¬ sondere im Vergleich zu herkömmlich über Flansch- und/oder ein oder mehrere zusätzliche Rohrverbindungen angeschlossene Ka¬ talysatoren. Es wird zu einer kompakten, thermodynamisch vor- teilhaften Bauweise beigetragen, wobei das Katalysatorsubstrat näher am Verbrennungsmotor positioniert ist und somit schneller auf Betriebstemperatur gebracht werden kann. Weiter wird zu einem verbesserten Turbinenwirkungsgrad beigetragen, da ein gerin- gerer Abgasgegendruck realisiert werden kann. Es wird weiter zu einer besseren Durchmischung des Abgasmassenstroms, der das Turbinenlaufrad durchströmt, mit dem Abgasmassenstrom, der gegebenenfalls über einen Wastegate-Kanal am Turbinenlaufrad vorbeigeleitet wird, beigetragen. Weiter wird zu einer günstigen Einleitung des gegebenenfalls durch einen Wastegate-Kanal in das Turbinenabgasrohr strömenden Abgasmassenstroms beigetragen. Dies bedeutet, dass der über den Wastegate-Kanal strömende Abgasstrom an einer geeigneten Position stromabwärts des Turbinenlaufrads in den Hauptmassenstrom eingeleitet werden kann. Dies trägt dazu bei, Druckverluste minimal zu halten, eine Beeinflussung des Hauptmassenstroms zu reduzieren und eine gute Durchmischung der Ströme vor Erreichen des Katalysatorsubstrats sicherzustellen. Durch die Integration von Turbine und Kata- lysator sind diesbezüglich mehr Freiheitsgrade als bei sepa¬ rierten Bauteilen ermöglicht.
Bei einer Ausführung des Abgasturboladers umfasst das topf- förmige Ringkatalysator-Außengehäuse das Turbinenabgasrohr und das Katalysatorsubstrat so, dass der Strömungspfad des Ab¬ gasmassenstromes in Strömungsrichtung zunächst durch das Turbinenabgasrohr verläuft, dann am Topfboden umgelenkt ist, dann in Gegenrichtung, auf der Außenseite des Turbinenabgasrohrs durch den Ringkanal und durch das Katalysatorsubstrat verläuft und schließlich durch eine Katalysatorauslassöffnung aus dem Ringkatalysator geführt ist.
Dabei umströmt der Abgasmassenstrom zumindest Teile des Tur¬ binengehäuses und insbesondere das Turbinenabgasrohr beid- seitig. Das beidseitige Umströmen bedeutet, dass der Abgas¬ massenstrom einen Wandabschnitt des Turbinengehäuses im Betrieb des Turboladers zunächst von einer ersten Seite, etwa auf der Innenseite einer Abgasvolute des Turbinengehäuses und des Turbinenabgasrohrs, umströmt oder entlang dieser strömt, und anschließend den Wandabschnitt von einer zweiten Seite, etwa einer Außenseite des Turbinengehäuses und des Turbinenabgas¬ rohrs, umströmt oder entlang dieser strömt. Der Strömungspfad des Abgasmassenstroms verläuft somit zunächst innerhalb der Ab- gasvolute des Turbinengehäuses und dann über das Turbinen¬ laufrad. Stromabwärts des Turbinenlaufrads führt der Strö¬ mungspfad durch den Turbinenauslass und verläuft zunächst im Turbinenabgasrohr durch den Ringkatalysator bis zum Topfboden des Katalysatoraußengehäuses. Am Topfboden wird der Strö¬ mungspfad nach radial außen und dann in Gegenrichtung in den Ringkanal umgelenkt, verläuft nun in entgegengesetzter Richtung im Ringkanal auf der Außenseite des Turbinenabgasrohrs und durch das Katalysatorsubstrat hindurch. Nach Verlassen des Kataly- satorsubstrats führt der Strömungspfad auf der Außenseite des Turbinengehäuses vorbei, dabei umströmt der Abgasmassenstrom den Wandabschnitt des Turbinengehäuses von der zweiten Seite. Mit anderen Worten umströmt der Abgasmassenstrom das Turbinenabgasrohr, das gleichzeitig das Ringkatalysator-Innenrohr dar- stellt und den vorbestimmten Wandabschnitt des Turbinengehäuses, der den Ringkanal begrenzt auf der Innen- und der Außenseite. Ein Außenwandabschnitt des Turbinengehäuses bezeichnet einen Ab¬ schnitt auf der Außenseite der Gehäusewand des Turbinengehäuses, wobei die Gehäusewand des Turbinengehäuses zumindest teilweise das Turbinenlaufrad umgibt und/oder eine Abgasvolute begrenzt. Schließlich wird der Abgasmassenstrom entlang des Strömungspfades durch eine Katalysatorauslassöffnung aus dem Ringkatalysator geführt und durch das anschließende Abgassystem abgeleitet .
Dieser Verlauf des Strömungspfades des Abgasmassenstromes ermöglicht eine besonders gute Durchmischung, also Homogeni¬ sierung des Abgasmassenstromes, was zur Verbesserung des Wirkungsgrades der katalytischen Reaktion und so zur Verbes- serung der Abgaswerte beiträgt. Mit anderen Worten ermöglicht diese Strömungsführung stromabwärts des Turbinenlaufrads eine verbesserte An- und Durchströmung des Katalysatorsubstrats.
Das Katalysatoraußengehäuse des Ringkatalysators ist bei- spielsweise mechanisch mit dem Turbinengehäuse verbunden. Es kann beispielsweise mittels einer stoffschlüssigen Schwei߬ verbindung fest und unlösbar, mit dem Turbinengehäuses verbunden sein. Beispielsweise sind die beiden Gehäuseteile umlaufend und somit abgasdicht miteinander verschweißt. Anders ausgedrückt ist das Katalysatorgehäuse unmittelbar mit dem Turbinengehäuse verbunden. Es bieten sich aber auch andere Verbindungstechniken wie beispielsweise Verschrauben gegen einen Flansch, Festklemmen oder Kleben zum Verbinden der beiden Gehäuseteile an.
Bei einer weiteren Ausführung des Abgasturboladers ist es vorgesehen, dass das Katalysatoraußengehäuse das Turbinenge¬ häuse zumindest im Bereich des Außenwandabschnitts, der zugleich den Ringkanal begrenzt, zumindest teilweise umgibt. Der umgebene Teil des Turbinengehäuses bildet den oben erwähnten beidseitig umströmten Außenwandabschnitt. Dies bedeutet, dass das Kata¬ lysatoraußengehäuse das Turbinengehäuse zumindest teilweise axial bezüglich einer Läuferdrehachse der Läuferwelle überlappt und über den Umfang umfasst. Mit anderen Worten ist das Turbinengehäuse zumindest teilweise innerhalb des Katalysator¬ gehäuses angeordnet, etwa eingekapselt. Als Turbinengehäuse wird das Gehäuse oder ein Abschnitt des Gehäuses verstanden, welches an dem Lagergehäuse des Abgasturboladers festgelegt ist und das Turbinenlaufrad umgibt, wobei radial außerhalb des Turbinen¬ laufrades zumindest eine Abgasvolute im Turbinengehäuse an¬ geordnet ist, durch die der Abgasmassenstrom radial nach innen auf das Turbinenlaufrad strömt. Weiterhin weist das Turbi¬ nengehäuse einen Turbinenauslass auf, durch den der Abgas¬ massenstrom stromabwärts des Turbinenlaufrads in auf die Läuferdrehachse bezogen axialer Richtung das Turbinenlaufrad verlässt. Beispielsweise umgibt somit also das Katalysa¬ toraußengehäuse den Außenwandabschnitt des Turbinenauslasses und zumindest einen Teil der Außenwand des die Abgasvolute bildenden Abschnitts des Turbinengehäuses, sodass das Tur¬ binenlaufradrad zumindest teilweise axial bzgl. der Läufer¬ drehachse vom Katalysatoraußengehäuse überlappt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Turbinengehäuse zumindest eine Abgasvolute auf und der Außenwandabschnitt, der zugleich den Ringkanal begrenzt, ist ein Außenwandabschnitt des Turbinengehäuses im Bereich der zumindest einen Abgasvolute. Anders ausgedrückt umgibt das Katalysatoraußengehäuse das Turbinengehäuse, im Bereich der Außenwand des die Abgasvolute bildenden Bereichs des Turbinengehäuses, zumindest teilweise. Beispielsweise ist das Katalysatorgehäuse an eine äußere Formgebung des Turbinengehäuses zumindest im Bereich der Ab- gasvolute oder der mehreren Abgasvoluten angepasst. Beispielsweise umgibt das Katalysatorgehäuse das Turbinengehäuse vollständig, so dass letzteres vollständig eingekapselt ist. Eine derartige Anordnung trägt zu den obigen Vorteilen und Funktionen bei.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Abgasturboladers ist das Katalysatoraußengehäuse zumindest teilweise als Hitzeschild zur Wärmeisolierung des Turbinengehäuses gegenüber der Umgebung ausgebildet. Somit dient das Katalysatoraußengehäuse zumindest teilweise zur Wärmeisolierung des Turbinengehäuses . Dadurch wird die Wärmeabgabe von dem im Betrieb naturgemäß sehr heiß werdenden Turbinengehäuse an umliegende Aggregate des Verbrennungsmotors wirksam verringert. Weiterhin wird zu einer Reduktion thermischer Spannungen im Turbinengehäuse beigetragen, insbesondere wenn das Turbinengehäuse aus einem Gusswerkstoff hergestellt ist. Beispielsweise ist eine Wärmeisolierung gerade im Bereich der Abgasvolute sinnvoll, da der Abgasmassenstrom möglichst ohne vorherigen Wärmeverlust das Turbinenlaufrad erreichen sollte. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Abgasturboladers ist das Turbinenabgasrohr einstückiger Bestandteil des Turbinengehäuses oder ist mittels einer stoffschlüssigen, formschlüs¬ sigen oder kraftschlüssigen Verbindung mit diesem zu einer Einheit verbunden.
Beispielsweise ist das Turbinenabgasrohr unmittelbar an und fluchtend zu der Auslassöffnung des Turbinengehäuses, dem sogenannten Turbinenauslass , an dem Turbinengehäuse direkt angeordnet, mit diesem unmittelbar verbunden und bildet gleichzeitig ein Ringkatalysator-Innenrohr. Die Verbindung zwischen Turbinengehäuse und Turbinenabgasrohr kann gebildet sein mittels stoffschlüssiger Verbindung, wie etwa einer Schweißverbindung, wobei die Schweißnaht umlaufend über den Umfang oder punktförmig mit mehreren über den Umfang verteilten Schweißpunkten ausgeführt sein kann. Die Verbindung zwischen Turbinengehäuse und Turbinenabgasrohr kann alternativ auch gebildet sein durch eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung, wie zum Beispiel eine Pressverbindung, Schraubverbindung oder Rastverbindung. Der Turbinenauslass geht somit direkt in das Turbinenabgasrohr über und bildet dieses so über eine axiale Erstreckung fort, dass es gleichzeitig als Kata¬ lysator-Innenrohr dienen kann. Das heißt die axiale Erstreckung ist so bemessen, dass ein ringförmig ausgebildetes Katalysa¬ torsubstrat auf seinem Außendurchmesser angeordnet werden kann. Diese Anordnung und Ausbildung des Turbinenabgasrohrs erlaubt eine besonders kompakte Anordnung des Ringkatalysators im direkten Kontakt mit dem Turbinengehäuse des Abgasturboladers.
Gemäß einer Ausführungsform entspricht ein Strömungseintrittsquerschnitt auf einer dem Turbinenlaufrad zugewandten Eintrittsseite des Turbinenabgasrohrs, und somit zugleich des Ringkatalysator-Innenrohres einem Strömungsaustrittsquer- schnitt des durch das Turbinengehäuse gebildeten Turbinen¬ auslasses. Dadurch wird ein nahtloser Übergang hinsichtlich des Strömungsquerschnitts ermöglicht. Dies trägt zu einer günstigen Strömungsführung im Kanal bei. Gemäß einer Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform ist der Strömungseintrittsquerschnitt des Turbinenabgasrohrs über die gesamte axiale Erstreckung des Turbinenabgasrohrs beibe¬ halten, also stromabwärts des Turbinenlaufrads über die gesamte Erstreckung des Turbinenabgasrohrs konstant. Dies trägt zu einer günstigen Strömungsführung im Kanal bei.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform des Abgasturboladers weist das Turbinenabgasrohr einen Strömungsquerschnitt auf, der sich gegenüber dem Strömungseintrittsquerschnitt zumindest über einen Teilabschnitt oder die gesamte axiale Erstreckung des
Turbinenabgasrohrs in Strömungsrichtung stetig vergrößert und so einen Diffusor bildet, zur Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgasmassenstromes. Mit anderen Worten erweitert sich der Innenumfang des Turbinenabgasrohrs zumindest über einen Teilbereich seiner axialen Erstreckung konusförmig. Wird dabei die Wandstärke des Tur- binenabgasrohrs im Bereich der konusförmigen Erweiterung beibehalten, ergibt sich auch für den Ringkanal auf der Außenseite des Turbinenabgasrohrs in Gegenrichtung, also wiederum in Strömungsrichtung des Abgasmassenstromes eine entsprechende Erweiterung des Strömungsquerschnittes und somit eine weitere Verlanqsamung des Abgasmassenstromes. Das Katalysatorsubstrat ist dabei ringförmig auf dem Außenumfang des Turbinenabgasrohrs angeordnet und erstreckt sich axial zumindest über einen Teil des Diffusors des Turbinenabgasrohres. Stetige Vergrößerung be¬ deutet, dass keine Querschnittsprünge vorhanden sind. Dadurch wird eine besonders gute Strömungsführung für den Abgasmas¬ senstrom erreicht.
Weist das Turbinengehäuse eine Wastegate-Vorrichtung auf, so ist es vorteilhaft, wenn der Wastegate-Kanal , möglichst in der Nähe des Turbinenauslasses bzw. des Strömungseintrittsquerschnittes und insbesondere stromaufwärts des Diffusorbereichs , in das Turbinenabgasrohr mündet. Auf diese Weise steht eine maximale Strecke des Strömungspfades zur Durchmischung, Homogenisierung und Verlangsamung des Abgasmassenstromes bis zum Eintritt in das Katalysatorsubstrat zur Verfügung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Abgasturboladers entspricht ein Strömungspfad für den aus dem Turbinenlaufrad austretenden Abgasmassenstrom zwischen dem Turbinenauslass und dem stromaufwärtigen Ende des Katalysatorsubstrats dem Fünf- fachen des Durchmessers des Turbinenauslasses oder weniger. Dies trägt zu der Kompaktheit der Anordnung und weiteren oben erwähnten Vorteilen bei.
Gemäß einer Ausführungsform weisen das Turbinengehäuse und/oder das Katalysatoraußengehäuse eine Wärmeisolierung gegenüber der Umgebung auf, insbesondere sind sie mehrlagig ausgebildet. Beispielsweise wenn das Turbinen- und/oder das Katalysa¬ toraußengehäuse als Blechgehäuse gebildet sind, können zwei oder mehr Lagen Blech und dazwischenliegender Isolierung, etwa Luft oder anderes Isolationsmaterial, vorgesehen sein . Diese Maßnahme schützt vor allem die umliegenden Aggregate, beispielsweise im Motorraum eines Kraftfahrzeugs.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Abgasturboladers ist das Katalysatoraußengehäuse als Blechformteil oder als Guss¬ formteil ausgebildet, also aus einem Blechwerkstoff oder einem Gusswerkstoff gebildet.
Des Weiteren kann bei einer Ausführung des Abgasturboladers auch das Turbinengehäuse, zumindest jedoch der Außenwandabschnitt, der zugleich den Ringkanal begrenzt, als Gussformteil oder zumindest teilweise als Blechformteil ausgebildet, also aus einem Gusswerkstoff oder zumindest teilweise aus einen
Blechwerkstoff gebildet sein. Mit anderen Worten handelt es sich um Blechgehäuse, Gussgehäuse oder auch eine vorteilhafte Kombination aus Blech- und Gussformteilen. Das Turbinengehäuse kann beispielsweise auch aus einem Aluminiumwerkstoff herge- stellt sein und Vorrichtungen für eine Wasserkühlung aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Abgasturbolader ein oder mehrere weitere Abgasnachbehandlungsvorrichtungen als integrale Bestandteile auf, insb. einen Partikelfilter und/oder einen Oxidationskatalysator .
Weitere Vorteile und Funktionen sind in der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung von Ausführungsbeispielen offenbart. Die Ausführungsbeispiele werden unter Zuhilfenahme der ange- fügten Figuren nachfolgend beschrieben. Gleichartige oder gleichwirkende Funktionselemente sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In den Figuren zeigen:
Figur 1 eine schematisch vereinfachte Schnittansicht eines
Abgasturboladers gemäß dem Stand der Technik, zur Erläuterung der wichtigsten Funktionseinheiten, Figur 2 eine schematisch vereinfachte Schnittansicht eines Ausschnittes eines Abgasturboladers und einem an¬ geschlossenen separaten Ringkatalysator, gemäß dem Stand der Technik und
Figuren 3 bis 7 schematisch vereinfachte Schnittansichten von
Ausschnitten erfindungsgemäßer Abgasturbolader mit integriertem Ringkatalysator gemäß Ausführungsbei- spielen der Erfindung.
Figur 1 zeigt schematisiert einen exemplarischen Abgasturbolader 1 in vereinfachter Schnittdarstellung, der eine Abgasturbine 20, einen Radialverdichter 30 und ein Läuferlager 40 aufweist. Die Abgasturbine 20 ist mit einem Wastegate-Ventil 29 ausgestattet und ein Abgasmassestrom AM ist mit Pfeilen angedeutet. Der Radialverdichter 30 weist ein Schub-Umluftventil 39 auf und ein Frischluft-Massestrom FM ist ebenfalls mit Pfeilen angedeutet. Ein sogenannter Turboladerläufer 10 des Abgasturboladers 1 weist ein Turbinenlaufrad 12 (auch verkürzt als Turbinenrad be¬ zeichnet) , ein Verdichterlaufrad 13 (auch verkürzt als Ver¬ dichterrad bezeichnet) sowie eine Läuferwelle 14 auf (auch Welle bezeichnet) . Der Turboladerläufer 10 rotiert im Betrieb um eine Läuferdrehachse 15 der Läuferwelle 14. Die Läuferdrehachse 15 und gleichzeitig die Turboladerachse 2 (auch ggf. als Längsachse bezeichnet) sind durch die eingezeichnete Mittellinie darge¬ stellt und kennzeichnen die axiale Ausrichtung des Abgasturboladers 1. Der Turboladerläufer 10 ist mit seiner Läuferwelle 14 mittels zweier Radiallager 42 und einer Axiallagerscheibe 43 gelagert. Sowohl die Radiallager 42 als auch die Axiallagerscheibe 43 werden über Ölversorgungskanäle 44 eines Ölan- schlusses 45 mit Schmiermittel versorgt.
In der Regel weist ein gebräuchlicher Abgasturbolader 1, wie m Figur 1 dargestellt, einen mehrteiligen Aufbau auf. Dabei sind ein im Abgastrakt des Verbrennungsmotors anordenbares Turbi¬ nengehäuse 21, ein im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors an¬ ordenbares Verdichtergehäuse 31 und zwischen Turbinengehäuse 21 und Verdichtergehäuse 31 ein Lagergehäuse 41 bezüglich der gemeinsamen Turboladerachse 2 hintereinander angeordnet und montagetechnisch miteinander verbunden. Eine weitere Baueinheit des Abgasturboladers 1 stellt der Turboladerläufer 10 dar, der die Läuferwelle 14, das in dem Turbinengehäuse 21 angeordnete Turbinenlaufrad 12 mit einer Laufradbeschaufelung 121 und das in dem Verdichtergehäuse 31 angeordnete Verdichterlaufrad 13 mit einer Laufradbeschaufelung 131 aufweist. Das Turbinenlaufrad 12 und das Verdichterlaufrad 13 sind auf den sich gegenüberliegenden Enden der gemeinsamen Läuferwelle 14 angeordnet und mit dieser drehfest verbunden. Die Läuferwelle 14 erstreckt sich in Richtung der Turboladerachse 2 axial durch das Lagergehäuse 41 und ist in diesem axial und radial um seine Längsachse, die Läuferdrehachse 15, drehgelagert, wobei die Läuferdrehachse 15 mit der Turboladerachse 2 zusammenfällt.
Das Turbinengehäuse 21 weist einen oder mehrere ringförmig um die Turboladerachse 2 und das Turbinenlaufrad 12 angeordnete, sich schneckenförmig zum Turbinenlaufrad 12 hin verjüngende Ab¬ gas-Ringkanäle, sogenannte Abgasvoluten 22 auf. Diese Abgas¬ voluten 22 weisen einen jeweiligen oder gemeinsamen, tangential nach außen gerichteten Abgaszuführkanal 23 mit einem Krümmer-Anschlussstutzen 24 zum Anschluss an einen Abgaskrümmer (nicht dargestellt) eines Verbrennungsmotors auf, durch den der Abgasmassenstrom AM in die jeweilige Abgasvolute 22 strömt. Die Abgasvoluten 22 weisen weiterhin jeweils eine zumindest über einen Teil des Innenumfanges verlaufende Spaltöffnung, den sogenannten Abgas-Eintrittsspalt 25, auf, der in zumindest anteilmäßig radialer Richtung auf das Turbinenlaufrad 12 hin gerichtet verläuft und durch den der Abgasmassenstrom AM auf das Turbinenlaufrad 12 strömt.
Das Turbinengehäuse 21 weist weiterhin einen Abgasabführkanal , den sogenannten Turbinenauslass 26 auf, an den vom axialen Ende des Turbinenlaufrades 12 weg in Richtung der Turboladerachse 2 ein Abgasabführkanal 27 anschließt und t und der einen Aus¬ puff-Anschlussstutzen 27a zum Anschluss an das AuspuffSystem (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors aufweist. Über diesen Abgasabführkanal 27 wird der aus dem Turbinenlaufrad 12 durch den Turbinenauslass 26 austretende Abgasmassenstrom AM in das AuspuffSystem des Verbrennungsmotors abgeführt.
Über einen bestimmten Bereich hinweg, zwischen Abgas-Eintrittsspalt 25 und Turbinenauslass 26, folgt die radiale Innenkontur des Turbinengehäuses 21 der Außenkontur des darin aufgenommenen Turbinenlaufrades 12. Dieser Bereich der Innenkontur des Turbinengehäuses 21 wird als Turbinen-Dichtkontur 28 bezeichnet und bewirkt, dass der Abgasmassenstrom AM möglichst vollständig durch die Laufradbeschaufelung 121 des Turbinenlaufrades 12 strömt und nicht daran vorbei. Insofern ist es erforderlich, dass zwischen Dichtkontur 28 des Turbinengehäuses 21 und Außenkontur des Turbinenlaufrades 12 im Betrieb ein möglichst kleiner Spalt gewährleistet ist, der zwar ein freies Drehen des Turbinen¬ laufrades 12 erlaubt, jedoch die Umströmungsverluste auf ein Minimum beschränkt. Eine Bypass-Ventil-Einrichtung auf der Turbinenseite, durch die im geöffneten Zustand zumindest ein Teil des Abgasmassenstroms AM um das Turbinenlaufrad 12 herum abgeleitet werden kann, wird als Wastegate-Ventil 29 bezeichnet. Das Wastegate-Ventil 29 verbindet den Abgaszuführkanal 23 in Strömungsrichtung des Abgasmassenstroms AM vor dem Turbinenlaufrad 12 mit dem Ab¬ gasabführkanal 27 in Strömungsrichtung des Abgasmassenstroms AM hinter dem Turbinenlaufrad 12 über einen Wastegate-Kanal 291 im Turbinengehäuse 21. Weitere Details des Turboladers 1 scheinen für die Darstellung der Erfindung nicht maßgeblich und werden deshalb hier nicht näher erläutert.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt des Turbinengehäuses 21 eines Abgasturboladers 1 und eines daran anschließenden Ringkata¬ lysators 50 in einer schematisch vereinfachten Schnittansicht. In der dargestellten Anordnung ist der Ringkatalysator 50 als nachgeschaltete Abgasnachbehandlungsvorrichtung an das Tur- binengehäuse 21 angeflanscht, beispielsweise an den Aus¬ puff-Anschlussstutzen 27a. Der Ringkatalysator 50 ist somit fluidisch mit dem Turbinengehäuse 21 , insb. dem Abgasabführkanal 27 gekoppelt. Der Ringkatalysator 50 weist ein Ringkatalysa- tor-Innenrohr 51a, ein Katalysatorsubstrat 53 und ein Kata¬ lysatoraußengehäuse 52 mit einem Topfboden 52a auf. Das Ka¬ talysatoraußengehäuse umschließt das Ringkatalysator-Innenrohr 51a derart, dass zwischen dem Außenumfang des Ringkatalysa¬ tor-Innenrohrs 51a und dem Innenumfang des Katalysatoraußen- gehäuses 52 ein Ringkanal 54 ausgebildet ist, sowie ein Abstand zwischen Topfboden 52a und dem stromabwärtigen Ende des
Ringkatalysator-Innenrohrs gegeben ist. Das Katalysatorsubstrat 53 ist auf dem Außenumfang des Ringkatalysator-Innenrohrs 51a ringförmig angeordnet und schließt an den Innenumfang des Katalysatoraußengehäuses 52 an, so dass der Ringspalt in radialer Richtung vollständig durch das Katalysatorsubstrat 53 gefüllt ist, so dass der Abgasmassenstrom AM das Katalysatorsubstrat 53 vollständig durchströmen muss. Das Ringkatalysator-Innenrohr 51a ist also zumindest teilweise bezüglich einer Längsachse des Ringkatalysator-Innenrohrs 51a manschettenartig von dem Ka¬ talysatorsubstrat 53 umgeben, wobei die besagte Längsachse im Beispiel mit der Turboladerachse 2 zusammenfällt.
Der Abgasmassenstrom AM strömt entsprechend den eingezeichneten Pfeilen, die zusammen mit einer gestrichelten Linie den
Strömungspfad SP des Abgasmassenstroms AM darstellen, nach Durchströmen des Turbinenlaufrads 12 zunächst durch den Tur- binenauslass 26 und den Abgasabführkanal 27 in das Ringka¬ nal-Innenrohr 51a, welches sich über die axiale Länge des Ringkatalysators 50 auf den Topfboden 52a des Katalysatorau¬ ßengehäuses 52 zu erstreckt. Auf dieser Rohrstrecke vermischt und homogenisiert sich der Abgasmassenstrom AM besonders gut. Am stromabwärtigen Ende, also der Austrittsseite 57 des Ringka¬ talysator-Innenrohrs 51a wird der Abgasmassenstrom AM zunächst nach radial außen und dann um 180° umgelenkt und durchströmt nun das im Ringkanal 54 angeordnete Katalysatorsubstrat 53, welches das Ringkatalysator-Innenrohr 51a wie eine Manschette umschließt, in Gegenrichtung. Nach Durchströmen des Katalysa- torsubstrats 53 verlässt der Abgasmassenstrom AM den Ringka¬ talysator 50 über eine Katalysator-Auslassöffnung 55.
Figuren 3 bis 7 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, jeweils ebenfalls anhand eines Ausschnittes des Turbinengehäuses 21 eines Abgasturboladers 1 und eines daran anschließenden Ringkatalysators 50 in einer schematisch vereinfachten
Schnittansicht. Auf die Darstellung der üblichen sonstigen Merkmale eines Abgasturboladers wurde hier aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet, diese sind in Figur 1 und der zugehörigen Beschreibung ersichtlich. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß der Figuren 3 bis 7 bildet der Ringkatalysator 50 mit dem Turbinengehäuse 21 und somit dem Abgasturbolader 1 eine integrale Einheit. Allen Ausführungsbeispielen ist gemein, dass der Ringkatalysator 50 axial bezüglich der Turboladerachse 2 näher an den Abgasturbolader 1 angeordnet ist als bei der üblichen separat nachgeschalteten Anordnung als eigenständiges Modul, wie in Figur 2 dargestellt, wobei das Turbinengehäuse 21 und das Katalysatoraußengehäuse 52 eine zusammengehörige, integrale Baueinheit bilden.
Dabei weist das mechanisch an dem Lagergehäuse 41 festgelegte Turbinengehäuse 21 ein an den Turbinenauslass 26 anschließendes Turbinenabgasrohr 51 zur Ableitung eines Abgasmassenstromes AM entlang eines Strömungspfads SP aus dem Turbinengehäuse 21 auf. Das Katalysatorsubstrat 53 des Ringkatalysators 50 ist ring¬ förmig auf einem Außenumfang des Turbinenabgasrohrs 51 ange¬ ordnet und ein topfförmiges Ringkatalysator-Außengehäuse 52 umfasst das Turbinenabgasrohr 51 und das Katalysatorsubstrat 53 von einer Austrittsseite 57 des Turbinenabgasrohrs 51 her so, dass zwischen dem Turbinenabgasrohr 51 und dem Ringkatalysator-Außengehäuse 52 ein Ringkanal 54 gebildet ist, in dem das Katalysatorsubstrat 53 angeordnet ist. Das Katalysatoraußen¬ gehäuse 52 ist unmittelbar mit dem Turbinengehäuse 21 so verbunden, dass zumindest ein Außenwandabschnitt 210 des
Turbinengehäuses 21 zugleich den Ringkanal 54, im Abgasmas¬ senstrom stromabwärts des Katalysatorsubstrats (53), begrenzt. Insbesondere zeichnet dabei alle Beispiele aus, dass das Turbinengehäuse 21 einen Wandabschnitt 210 aufweist, der von zwei Seiten, also beidseitig, von dem Abgasmassenstrom AM im Betrieb umströmt bzw. angeströmt wird. Der Strömungspfad SP des Ab- gasmassenstromes AM verläuft in Strömungsrichtung zunächst durch das Turbinenabgasrohr 51, das zugleich das Ringkatalysa¬ tor-Innenrohr 51a bildet, wird dann am Topfboden 52a umgelenkt und verläuft weiter in Gegenrichtung durch das Katalysatorsubstrat 53 und wird schließlich durch die Katalysato- rauslassöffnung 55 aus dem Ringkatalysator geführt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist das Turbinengehäuse 21 als Gussgehäuse ausgeführt, was durch die größere Wandstärke kenntlich gemacht ist, und bei dem Katalysatoraußengehäuse 52 handelt es sich um ein Blechformteil, was durch die geringere Wandstärke ersichtlich wird. Das Katalysatoraußengehäuse 52 ist an seinem dem Turbinengehäuse 21 zugewandten Ende mit dem Turbinengehäuse 21 verschweißt, dies wird durch die dargestellte Schweißnaht 212 symbolisiert. Das Katalysatoraußengehäuse 52 ist umgibt das Turbinengehäuse 21 im Bereich des Außenwandabschnitts 210, der zugleich den Ringkanal 54 begrenzt. Auf diese Weise überlappt das Katalysatoraußengehäuse 52 das Turbinengehäuse 21 in axialer Richtung, in Bezug auf die Turboladerachse 2 bzw. die Läuferdrehachse 15, im Bereich des Turbinenlaufrads 12, wobei zwischen der Außenseite des Turbinengehäuses 21 und dem Ka¬ talysatoraußengehäuse 52 ein Teil eines Abgaskanals gebildet ist .
Somit wird zumindest ein Wandabschnitt 210 des Turbinengehäuses 21, der einen Teil der Abgasvolute 22 formt, das Turbinenlaufrad 12 umgibt und bis zum Turbinenauslass 26 reicht, von zwei Seiten durch den Abgasmassenstrom AM umströmt. Letzterer strömt folglich zunächst innerhalb des Turbinengehäuses 21 und nach dem Austritt aus dem Katalysatorsubstrat 53 außerhalb des Turbi- nengehäuses 21, also von zweiten Seiten um den Wandabschnitt 210.
Deutlich erkennbar ist, dass das Turbinengehäuse 21 in diesem Beispiel eine Abgasvolute 22 aufweist und der Außenwandabschnitt 210, der zugleich den Ringkanal 54 im Abgasmassenstrom AM stromabwärts des Katalysatorsubstrats 53 begrenzt, ein Au¬ ßenwandabschnitt 210 des Turbinengehäuses 21 im Bereich der Abgasvolute 22 ist.
Das Turbinenabgasrohr 51, das zugleich das Ringkatalysa¬ tor-Innenrohr 51a darstellt, ist im Bereich des Turbinenaus¬ lasses 26 mit dem Turbinengehäuse 21 verbunden. Zur Herstellung der Verbindung ist das Turbinenabgasrohr 51 hier in eine Öffnung des Turbinengehäuses 21 eingepresst, wodurch eine kraft¬ schlüssige Verbindung besteht. Dazu ist das Turbinenabgasrohr 51 hier als verhältnismäßig dickwandiges, formstabiles Rohr ausgeführt. Alternativ könnte hier beispielsweise auch ein Außengewinde auf dem Turbinenabgasrohr 51 und eine Innengewinde in der Öffnung des Turbinengehäuses 21, also eine Schraub¬ verbindung zwischen Turbinenabgasrohr 51 und Turbinengehäuse 21 vorgesehen sein, wodurch eine Kombination aus Formschluss und Kraftschluss gegeben wäre. Weiterhin ist in Figur 3 ersichtlich, dass der Strömungseintrittsquerschnitt Q2 auf der dem Turbinenlaufrad 12 zugewandten Eintrittsseite 58 des Turbinenabgasrohres 51 dem Strömungs¬ austrittsquerschnitt Ql des durch das Turbinengehäuse 21 ge¬ bildeten Turbinenauslasses 26 entspricht und dass der Strö- mungseintrittsquerschnitt Q2 des Turbinenabgasrohrs 51 über die gesamte axiale Erstreckung des Turbinenabgasrohrs 51 beibehalten ist. Insofern wird ein glatter Übergang hinsichtlich der Strömungsquerschnitte realisiert und der Strömungswiderstand gering gehalten.
Die in Figur 3 gezeigte Ausführung ermöglicht die eingangs erwähnten Vorteile und Funktionen, insbesondere werden im Vergleich zur bekannten Ausführung nach Figur 2 ein geringerer Bauraumbedarf, ein verbesserter Turbinenwirkungsgrad, ein geringerer Abgasgegendruck und weitere Vorteile ermöglicht.
Das in Figur 4 gezeigte Ausführungsbeispiel gleicht im We¬ sentlichen dem der Figur 3. Wiederrum bildet der Ringkatalysator 50 mit dem Turbinengehäuse 21 eine integrale Einheit wobei das Katalysatoraußengehäuse 52 unmittelbar mit dem Turbinengehäuse 21 so verbunden ist, dass ein Außenwandabschnitt 210 des Turbinengehäuses 21 zugleich den Ringkanal 54, im Abgasmas- senstrom stromabwärts des Katalysatorsubstrats 53, begrenzt und der Abgasmassenstrom AM den Wandabschnitt 210 des Turbinengehäuses 21 von zwei Seiten umströmt.
Im Unterschied zu der in Figur 2 gezeigten Ausführung zeigt Figur 4 jedoch ein unterschiedliches Turbinenabgasrohr 51. Zunächst ist dieses als dünnwandiges Blechformteil ausgeführt und ist mit dem Turbinengehäuse 21 im Bereich des Turbinenauslasses 26 mittels einer Schweißverbindung 512 stoffschlüssig verbunden. Wie auch in Figur 3, entspricht der Strömungseintrittsquer- schnitt Q2 auf der dem Turbinenlaufrad 12 zugewandten Ein¬ trittsseite 58 des Turbinenabgasrohres 51 einem Strömungs¬ austrittsquerschnitt Ql des durch das Turbinengehäuse 21 ge¬ bildeten Turbinenauslasses 26. Im weiteren Verlauf weist das Turbinenabgasrohr 51 jedoch einen Strömungsquerschnitt QD auf, der sich gegenüber dem Strömungseintrittsquerschnitt Q2 zu¬ mindest über einen Teilabschnitt oder, wie hier gezeigt, über die gesamte axiale Erstreckung des Turbinenabgasrohrs 51 in Strömungsrichtung stetig und vorzugsweise gleichförmig vergrößert und so einen Diffusor 56 bildet, der auf den Abgas- massenstromes AM verlangsamend wirkt, also die Strömungsge¬ schwindigkeit in Richtung stromabwärts verringert. Anders ausgedrückt weist das Turbinenabgasrohr 51 eine konusförmige Geometrie auf. Durch die gleichbleibend dünnwandige Geometrie des Turbinen¬ abgasrohrs 51 ändert sich somit gleichzeitig die Ringkanalbreite RB des Ringkanals 54 über die Erstreckung des Turbinenabgasrohrs
51 in Strömungsrichtung, also in Gegenrichtung auf der Außenseite des Turbinenabgasrohrs 51, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasmassenstroms AM vorteilhaft weiter reduziert wird.
Das ist Figur 5 gezeigte Ausführungsbeispiel gleicht weitgehend dem Beispiel der Figur 4, auch hier bildet der Ringkatalysator 2
50 mit dem Turbinengehäuse 21 eine integrale Einheit wobei das Katalysatoraußengehäuse 52 unmittelbar mit dem Turbinengehäuse
21 so verbunden ist, dass ein Außenwandabschnitt 210 des Turbinengehäuses 21 zugleich den Ringkanal 54, im Abgasmas- senstrom stromabwärts des Katalysatorsubstrats 53, begrenzt und der Abgasmassenstrom AM den Wandabschnitt 210 des Turbinengehäuses 21 von zwei Seiten umströmt.
Im Unterschied zum Beispiel der Figur 4 ist das Katalysa¬ toraußengehäuse 52 in Figur 5 weiter um das, auch hier als Gussteil gefertigte, Turbinengehäuse 21 herumgeführt. Insbe¬ sondere ist die Formgebung des Katalysatoraußengehäuses 52 an die äußere Kontur des Turbinengehäuses 21 im Bereich der Abgasvolute
22 angepasst. Das Turbinengehäuse 21 ist hier somit teilweise oder in anderer Ausführung ggf. auch vollständig vom Kataly¬ satoraußengehäuse 52 ummantelt. Somit ist das Katalysatorau¬ ßengehäuse 52 zumindest teilweise als Hitzeschild 52b zur Wärmeisolierung des Turbinengehäuses 21 gegenüber der Umgebung ausgebildet und bewirkt eine thermische Abschirmung und gleichzeitig ein Reduktion thermischer Spannungen im Turbinengehäuse 21, durch eine gleichmäßigere Temperaturverteilung. Auch hier ist das Katalysatoraußengehäuse 52 durch eine
Schweißnaht 212 mit dem Turbinengehäuse 21 zu einer Baueinheit verbunden, beispielsweise an einem am Turbinengehäuse 21 dafür vorgesehenen über den Umfang umlaufenden Verbindungsrand 213.
Weiterhin ist bei dem Beispiel der Figur 5 das Turbinenabgasrohr 21 als einstückiger Bestandteil des Turbinengehäuses 21 aus¬ gebildet und unterstreicht so zusätzlich den integralen Cha- rakter der Einheit aus Abgasturbolader 1 und Ringkatalysator 50. Das Turbinenabgasrohr 51 weist hier eine in Strömungsrichtung des Abgasmassenstroms AM, von radial innen her stetig abnehmende Wandstärke auf, wodurch sich sein Innendurchmesser in Strömungsrichtung vergrößert, wodurch durch das Turbinenabgasrohr 51 auch hier ein Diffusor 56 ausgebildet ist dessen Strömungs¬ querschnitt QD sich in Strömungsrichtung entsprechend erweitert, was eine vorteilhafte Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgasmassenstroms AM bewirkt . Im Gegensatz zur Ausführung der Figur 4 bleibt hier jedoch die Ringkanalbreite RB des Ringkanals 54 konstant.
Gemäß der stark vereinfachten Darstellung in Figur 6 ist das Turbinengehäuse 21 zumindest teilweise oder vollständig, wie das Katalysatoraußengehäuse 52 aus Blechformteilen gefertigt, was durch die geringe Wandstärke symbolisiert ist. Das Katalysa¬ toraußengehäuse 52 bildet hier gleichzeitig einen Teil des Turbinengehäuses 21. Dies trägt nicht nur zu einer Ge- wichtseinsparung bei, sondern vereinfacht die Integration von Turbinengehäuse 21 und Ringkatalysator 50, da die Elemente in eine gemeinsame Hülle integriert sind. Zumindest ein Teil des Turbinengehäuses 21 sowie das Turbinenabgasrohr 51 und das Katalysatoraußengehäuse 52 sind demnach mit Blechformteilen ausgebildet. Auch hier bildet der Ringkatalysator 50 mit dem Turbinengehäuse 21 eine integrale Einheit wobei das Kataly¬ satoraußengehäuse 52 unmittelbar mit dem Turbinengehäuse 21 so verbunden ist, dass ein Außenwandabschnitt 210 des Turbinen¬ gehäuses 21 zugleich den Ringkanal 54, im Abgasmassenstrom stromabwärts des Katalysatorsubstrats 53, begrenzt und der
Abgasmassenstrom AM den Wandabschnitt 210 des Turbinengehäuses 21 von zwei Seiten umströmt. Ein das Turbinenlaufrad 12 direkt umgebender Gehäuseteil ist dem Turbinengehäuse 21 zuzurechnen. Figur 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen Abgasturboladers 1 mit einem Ringkatalysator 50 der mit dem Turbinengehäuse 21 eine integrale Einheit bildet, wobei das Katalysatoraußengehäuse 52 unmittelbar mit dem Turbinen¬ gehäuse 21 so verbunden ist, dass ein Außenwandabschnitt 210 des Turbinengehäuses 21 zugleich den Ringkanal 54, im Abgasmas¬ senstrom stromabwärts des Katalysatorsubstrats 53, begrenzt und der Abgasmassenstrom AM den Wandabschnitt 210 des Turbinengehäuses 21 von zwei Seiten umströmt. Das gezeigte Ausfüh¬ rungsbeispiel entspricht weitgehend dem Beispiel gemäß Figur 6. Dabei sind das Katalysatoraußengehäuse 52 und/oder zumindest außenliegende Teile des Turbinengehäuses 21 mehrlagig ausge¬ bildet. Zwischen den Lagen kann Luft oder Isolationsmaterial 52c zur Wärmeisolierung vorgesehen sein. Bei allen zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das Katalysatorgehäuse 52 mittels Schweißverbindung am Turbinengehäuse 21 festgelegt. Es sind jedoch auch andere Verbin- dungstechniken wie beispielsweise Verschrauben, Festklemmen oder Kleben denkbar. Weiterhin kann optional anstelle eines Stahl-Gusswerkstoffs auch ein anderes Material, etwa ein Aluminiumwerkstoff, für das Turbinengehäuse 21 vorgesehen sein. Auch kann der Ringkatalysator 50, etwa das Katalysatoraußen- gehäuse 52, optional aus einem anderen Werkstoff als Stahlblech gefertigt sein, beispielsweise aus einem laminierten Ver¬ bundwerkstoff. Gleiches trifft auf das Turbinenabgasrohr 51 zu. Weiterhin können einzelne, anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebene Merkmale miteinander kombiniert oder ausgetauscht werden, sofern diese keine sich gegenseitig ausschließenden Alternativen darstellen.
Weiterhin können optional ein oder mehrere zusätzliche Ab¬ gasnachbehandlungsverfahren in die beschriebenen Anordnungen integriert sein, wie eingangs erwähnt.
Es sei weiterhin erwähnt, dass der in Figur 1 erläuterte Ab¬ gasturbolader 1 in seiner Ausgestaltung lediglich als Beispiel zur Erläuterung der möglichen Funktionseinheiten eines Ab- gasturboladers dient und in dieser Konfiguration nicht zwingend Voraussetzung für die anhand von Figuren 3 bis 7 beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele ist, sondern bei¬ spielsweise hinsichtlich einzelner oder mehrerer Merkmale und hinsichtlich der konstruktiven Ausgestaltung variiert sein kann.

Claims

Patentansprüche
1. Abgasturbolader (1) für eine Brennkraftmaschine, auf¬ weisend
- einen Radialverdichter (30) mit einem Verdichtergehäuse (31) ,
- ein Läuferlager (40) mit einem Lagergehäuse (41), in dem eine Läuferwelle (14) drehbar gelagert ist;
- eine Abgasturbine (20) mit einem Turbinengehäuse (21) , in dem ein Turbinenrad (12) drehfest auf der Läuferwelle (14) angeordnet ist und das, auf seiner dem Lagergehäuse (41) abgewandten Seite, einen Turbinenauslass (26) aufweist;
- wobei das Turbinengehäuse (21) mechanisch an dem La¬ gergehäuse (41) festgelegt ist und ein an den Turbinen¬ auslass (26) anschließendes Turbinenabgasrohr (51) zur Ableitung eines Abgasmassenstromes (AM) entlang eines Strömungspfads (SP) aus dem Turbinengehäuse (21) aufweist;
- wobei ein Katalysatorsubstrat (53) eines Ringkatalysators (50) ringförmig auf einem Außenumfang des Turbinenabgasrohrs (51) angeordnet ist und
- wobei ein topfförmiges Katalysatoraußengehäuse (52) das Turbinenabgasrohr (51) und das Katalysatorsubstrat (53) von einer Austrittsseite (57) des Turbinenabgasrohrs (51) her so umfasst, dass zwischen dem Turbinenabgasrohr (51) und dem Katalysatoraußengehäuse (52) ein Ringkanal (54) gebildet ist, in dem das Katalysatorsubstrat (53) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkatalysator (50) mit dem Turbinengehäuse (21) eine integrale Einheit bildet, wobei das Katalysatoraußengehäuse (52) unmittelbar mit dem Turbinengehäuse (21) so verbunden ist, dass zumindest ein Außenwandabschnitt (210) des Turbinengehäuses (21) zu¬ gleich den Ringkanal (54), im Abgasmassenstrom stromabwärts des Katalysatorsubstrats (53), begrenzt.
2. Abgasturbolader (1) nach Anspruch 1, wobei das topfförmige Katalysatoraußengehäuse (52) das Turbinenabgasrohr (51) und das Katalysatorsubstrat (53) so umfasst, dass der Strömungspfad (SP) des Abgasmassenstromes (AM) in Strö- mungsrichtung zunächst durch das Turbinenabgasrohr (51) verläuft, dann am Topfboden (52a) umgelenkt ist, dann in Gegenrichtung, auf der Außenseite des Turbinenabgasrohrs (51) durch den Ringkanal (54) und das Katalysatorsubstrat (53) verläuft und schließlich durch eine Katalysato¬ rauslassöffnung 55 aus dem Ringkatalysator (50) geführt ist .
Abgasturbolader (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Katalysatoraußengehäuse (52) das Turbinengehäuse (21) zumindest im Bereich des Außenwandabschnitts (210), der zugleich den Ringkanal (54) begrenzt, zumindest teilweise umgibt .
Abgasturbolader (1) nach Anspruch 3, wobei das Turbinengehäuse (21) zumindest eine Abgasvolute (22) aufweist und der Außenwandabschnitt (210), der zugleich den
Ringkanal (54) begrenzt, ein Außenwandabschnitt (210) des Turbinengehäuses (21) im Bereich der zumindest einen Abgasvolute (22) ist.
Abgasturbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Katalysatoraußengehäuse (52) zumindest teilweise als Hitzeschild (52b) zur Wärmeisolierung des Turbinengehäuses (21) gegenüber der Umgebung ausgebildet ist .
Abgasturbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Turbinenabgasrohr (51) einstückiger Bestandteil des Turbinengehäuses (21) ist oder mittels einer stoffschlüssigen, formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung mit diesem zu einer Einheit verbunden ist.
Abgasturbolader (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Strömungseintrittsquerschnitt (Q2) auf einer dem Turbinenlaufrad (12) zugewandten Eintrittsseite (58) des Turbinenabgasrohres (51) einem Strömungsaustrittsquer- schnitt (Ql) des durch das Turbinengehäuse (21) gebildeten Turbinenauslasses (26) entspricht.
Abgasturbolader (1) nach Anspruch 7, wobei der Strömungseintrittsquerschnitt (Q2) des Turbinenabgasrohrs (51) über die gesamte axiale Erstreckung des Turbinenabgasrohrs (51) beibehalten ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 7, wobei das Turbinenabgasrohr (51) einen Strömungsquerschnitt (QD) aufweist, der sich gegenüber dem Strömungseintrittsquerschnitt (Q2) zumindest über einen Teilabschnitt oder die gesamte axiale Erstreckung des Turbinenabgasrohrs (51) in Strömungs¬ richtung stetig vergrößert und so einen Diffusor (56) bildet, zur Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgasmassenstromes (AM) .
Abgasturbolader (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Länge des Strömungspfads (SP) des Abgasmassenstroms (AM) zwischen dem Turbinenauslass (26) und dem strom- aufwärtigen Ende des Katalysatorsubstrats (53) dem
Fünffachen des Durchmessers des Turbinenauslasses (26) oder weniger entspricht.
Abgasturbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Turbinengehäuse (21) und/oder das Katalysatoraußengehäuse (52) eine Wärmeisolierung ge¬ genüber der Umgebung aufweisen.
Abgasturbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Katalysatoraußengehäuse (52) als Blechformteil oder als Gußformteil ausgebildet ist.
Abgasturbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Turbinengehäuse (21), zumindest jedoch der Außenwandabschnitt (210), der zugleich den Ringkanal (54) begrenzt, als Gußformteil oder zumindest teilweise als Blechformteil ausgebildet ist. Abgasturbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend ein oder mehrere weitere Abgasnach¬ behandlungsvorrichtungen als integrale Bestandteile, insb einen Partikelfilter oder einen Oxidationskatalysator .
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