-
Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
-
Eine solche Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise bereits der
DE 10 2008 039 085 A1 als bekannt zu entnehmen.
-
Die Turbine umfasst dabei ein Turbinengehäuse, welches einen Aufnahmebereich aufweist. Ferner umfasst die Turbine ein zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, in dem Aufnahmebereich angeordnetes und um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse drehbares Turbinenrad.
-
Ferner weist die Turbine wenigstens einen durch das Turbinengehäuse gebildeten Kanal auf, mittels welchem das den Kanal durchströmende Abgas in den Aufnahmebereich und zu dem Turbinenrad geführt werden kann beziehungsweise – während eines Betriebs der Turbine – geführt wird. Das den Kanal durchströmende Abgas kann aus dem Kanal aus- und in den Aufnahmebereich einströmen, so dass das in den Aufnahmebereich einströmende Abgas das Turbinenrad anströmen und dadurch antreiben kann.
-
Die Turbine umfasst ferner einen Zungenschieber, welcher wenigstens eine dem Kanal zugeordnete und um die Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse verschiebbare Zunge aufweist. Mittels der Zunge ist ein Strömungsquerschnitt des der Zunge zugeordneten Kanals einstellbar. Dabei ist das den Kanal durchströmende Abgas über den Strömungsquerschnitt in den Aufnahmebereich einleitbar und dem Turbinenrad zuführbar. Mit anderen Worten mündet der Kanal über den zugehörigen Strömungsquerschnitt in den Aufnahmebereich, so dass das aus dem Kanal aus- und in den Aufnahmebereich einströmende Abgas über den Strömungsquerschnitt aus dem Kanalaus- und in den Aufnahmebereich einströmt.
-
Außerdem offenbart auch die
DE 10 2012 016 984 A1 eine Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine mit einem solchen Zungenschieber. Ferner ist aus der
DE 199 18 232 A1 ein mehrzylindriger Verbrennungsmotor bekannt.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Turbine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders effizienter Betrieb realisierbar ist.
-
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.
-
Um eine Turbine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders effizienter und somit wirkungsgradgünstiger Betrieb realisierbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Turbine als Halbaxialturbine ausgebildet ist, bei welcher eine Strömungsrichtung, in die das Abgas während eines Betriebs der Turbine von dem Kanal durch den Strömungsquerschnitt in den Aufnahmebereich und somit zu dem Turbinenrad strömt, schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung des Turbinenrads verläuft. Insbesondere verläuft die Strömungsrichtung beispielsweise in einer durch die axiale Richtung und durch die radiale Richtung des Turbinenrads aufgespannten Ebene schräg zur radialen Richtung und schräg zur axialen Richtung des Turbinenrads, so dass dem Turbinenrad, insbesondere einer Beschaufelung des Turbinenrads, das Abgas nicht etwa streng in radialer Richtung und auch nicht streng in axialer Richtung zugeführt wird, sondern das Abgas aus dem Kanal wird dem Turbinenrad halbaxial, d. h. schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung zugeführt.
-
Der Erfindung liegt insbesondere folgende Erkenntnis zugrunde: Durch die fortwährende Verschärfung von Emissionsgrenzwerten, insbesondere hinsichtlich NOx- und Rußemissionen, ergibt sich eine starke Beeinflussung des Aufladesystems. Ein solches Aufladesystem kommt bei einer Verbrennungskraftmaschine zum Einsatz, wobei das Aufladesystem genutzt wird, um die Verbrennungskraftmaschine, insbesondere wenigstens einen beispielsweise als Zylinder ausgebildeten Brennraum der Verbrennungskraftmaschine, mit verdichteter Luft zu versorgen. Somit umfasst ein solches Aufladesystem wenigstens einen Abgasturbolader, welcher eine von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbare Turbine und einen Verdichter zum Verdichten der der Verbrennungskraftmaschine zuzuführenden Luft aufweist. Dabei ist der Verdichter von der Turbine antreibbar. Da die Turbine von Abgas antreibbar ist, kann die in dem Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden. Aufgrund von wachsenden Anforderungen hinsichtlich der Ladedruckbereitstellung durch hohe spezifische Leistungsanforderungen und hohen AGR-Raten (AGR – Abgasrückführung) über dem mittleren Lastbereich bis hin zur Volllast ist man gezwungen, die Turbinen der Aufladesysteme mehr und mehr geometrisch zu verkleinern. Die geforderten Turbinenleistungen werden also durch eine Steigerung der Aufstaufähigkeit beziehungsweise durch eine Reduktion der Schluckfähigkeit der Turbinen im Zusammenspiel mit der jeweiligen Verbrennungskraftmaschine realisiert.
-
Des Weiteren kommen üblicherweise Partikel- beziehungsweise Rußfilter zum Einsatz, mittels welchen Partikel, insbesondere Rußpartikel, aus dem jeweiligen Abgas der Verbrennungskraftmaschine gefiltert werden können. Somit wird das Eintrittsdruckniveau der Turbinen durch den Gegendruck der Rußfilter weiter nach oben getrieben, wodurch die Turbine nochmals zu kleineren Werten und damit mit geringeren Wirkungsgraden ausgelegt werden müssen, um Leistungsanforderungen auf der Verdichterseite für die Luft-Abgas-Lieferung befriedigen zu können. Dabei kommen beispielsweise als Kernkomponenten von Abgasrückführsystemen zweiflutige, asymmetrische Turbinen zum Einsatz. Ein größeres Problem bezüglich der AGR-Fähigkeit in Verbindung mit der erforderlichen zu liefernden Verbrennungsluft der Verbrennungskraftmaschine besteht besonders im unteren bis mittleren Motorbetriebsbereich hoher Last. Bei den üblichen Auslegungsrandbedingungen, die auch vom Nennpunkt der Verbrennungskraftmaschine her von der Ladungswechselseite beziehungsweise Verbrauchsseite definiert werden, kann also bei einer asymmetrischen, zweiflutigen Festgeometrie-Turbine der untere Motordrehzahlbereich nicht optimal bedient werden. Unter einer Festgeometrie-Turbine ist eine Turbine mit fester Turbinengeometrie, d. h. ohne variable Turbinengeometrie zu verstehen.
-
Um das Verhältnis der AGR-Raten zu den notwendigen Luft-Kraftstoff-Verhältniszahle in einem größeren Betriebsbereich optimal einstellen zu können, wäre ein zweiflutiger Turbinentyp hilfreich, der hinsichtlich der Stoßaufladungsfähigkeit bei einer Zylinderzusammenfassungsgruppe stärker ausgeprägt ist. Turbinen, die speziell für die Stoßaufladung ausgelegt werden, haben merklich größere Strömungsquerschnitte für die Verwertung der größeren nutzbaren Exergieschwankungen beziehungsweise Druckpulsationen. Diese hohen Druckpulsationen der Verbrennungskraftmaschine existieren an der Turbine des Abgasturboladers dann, wenn die sich üblicherweise einstellenden Drossel- und Reibungsverluste an Auslassventilen der Verbrennungskraftmaschine und im Krümmerbereich durch eine entsprechende Geometriegestaltung bis in die Turbine hinein merklich reduziert werden. Die Reduzierung der genannten Drossel- und Reibungsverluste stromauf der Turbine fördert die Erreichung der Zielsetzung der gewünschten extremen Stoßaufladung, wodurch eine Steigerung des mittleren Gesamtwirkungsgrades der Abgasexergieausnutzung trotz großer zeitlicher Schwankung des Turbinenwirkungsgrades erreicht wird.
-
Der Schlüssel für die Realisierung einer Gewichtung der Stoßaufladung bietet die Segmentturbine, die vorzugsweise mit einer Variabilität wesentlicher Strömungsquerschnitte versehen werden sollte, um auch im oberen Motordrehzahlbereich bestehen zu können. Um auch zukünftig Entwicklungstrends, die durch die weitere Nutzung des vorliegenden Potenzials einer verbesserten Abgasnachbehandlung geprägt werden, vorteilhaft zu realisieren, sind bei vielen Anwendungsfällen die Absenkung des Asymmetriegrades der Turbinen in Richtung eines asymmetrischen Turbinenverhaltens nicht unwahrscheinlich, um auf eine Verbrauchsbegünstigung der Verbrennungskraftmaschinen weiter einwirken zu können.
-
Bei den Entwicklungen von variablen Turbinen steht seit vielen Jahrzehnten für die Turbolader-Anwendung die reine Radialturbine im Mittelpunkt, da die radiale Ringdüse sehr günstige Bedingungen für eine relativ einfache Gestaltung von Eintrittsvariabilitäten im Gegensatz zu den aufwändigen Variabilitäten von Axialturbinen bietet. Unter einer reinen Radialturbine ist zu verstehen, dass Abgas dem Turbinenrad in streng radialer Richtung insbesondere bezogen auf eine Ebene, die durch die axiale Richtung und die radiale Richtung des Turbinenrads aufgespannt wird, zugeführt wird. Neuerdings gibt es zunehmend Halbaxialturbinen, welche üblicherweise jedoch ohne Eintrittsvariabilität stromauf des Turbinenrads ausgestattet sind. Da sich die Umlenkung in der räumlichen Strömung in den Radkanälen von Halbaxialturbinen deutlich gemindert darstellt, sind offensichtliche Wirkungsgradpotenziale der Halbaxialturbinen vorhanden, die gegenüber den weitgehend durchentwickelten Radialturbinen zusätzliche Entwicklungsanreize schaffen.
-
Erfindungsgemäß ist es somit vorgesehen, eine Halbaxialturbine mit dem als Variabilität ausgebildeten beziehungsweise fungierenden Zungenschieber zu kombinieren, wobei der Zungenschieber zumindest teilweise stromauf des Turbinenrades angeordnet ist. Der Zungenschieber ist eine zumindest teilweise stromauf des Turbinenrads angeordnete Variabilität, da mittels des Zungenschiebers der bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases durch die Turbine stromauf des Turbinenrads angeordnete Strömungsquerschnitt des beispielsweise als Segment ausgebildeten Kanals eingestellt, das heißt variiert beziehungsweise verändert werden kann. Zum Variieren beziehungsweise verändern des Strömungsquerschnitts wird die Zunge um die Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse gedreht beziehungsweise verschoben. Hierdurch kann die Turbine besonders vorteilhaft an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden, so dass ein besonders vorteilhafter und insbesondere wirkungsgradgünstiger beziehungsweise effizienter Betrieb darstellbar ist.
-
Die erfindungsgemäße Turbine stellt somit eine Weiterentwicklung einer Zungenschieberturbine dar, die die Serienrelevanz insbesondere hinsichtlich MDEG-Motoren erhöhen kann. Der Zungenschieber ist eine bauraum- und kostengünstige sowie thermisch robuste Möglichkeit, den stromauf des Turbinenrads angeordneten Strömungsquerschnitt des Kanals zu variieren. Der Kanal erstreckt sich beispielsweise in Umfangsrichtung des Turbinenrads über dessen Umfang zumindest im Wesentlichen spiralförmig, so dass der Kanal beispielsweise als Turbinenspirale beziehungsweise Spiralsegment ausgebildet ist.
-
Die Halbaxialturbine ist ein Kompromiss zwischen der reinen Radialturbine und der reinen Axialturbine. Ferner ist die Halbaxialturbine geeignet, um insbesondere bei streng radial stehender Beschaufelung des Turbinenrads an gewünschte Schnelllaufzahlbereiche angepasst werden zu können, ohne mechanische Abschläge hinnehmen zu müssen, so dass Wirkungsgradvorteile gegenüber reinen Radialturbinen und reinen Axialturbinen realisiert werden können. Der Zungenschieber ist dabei eine einfache Turbinen-Variabilität, welche bauraum- und kostengünstig umsetzbar ist und eine hohe thermische Robustheit aufweist.
-
Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei gezeigt, wenn die Zunge wenigstens eine Austrittskante aufweist, über welche das Abgas bei dem Betrieb der Turbine von der Zunge in Richtung des Aufnahmebereichs abströmt. Dabei verläuft die Austrittskante zumindest teilweise entlang einer gedachten, entlang der axialen Richtung des Turbinenrads konusförmig verlaufenden Fläche.
-
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Turbinenrad Laufradschaufeln mit jeweiligen Eintrittskanten aufweist, über welche das Abgas bei dem Betrieb der Turbine das Turbinenrad anströmt, wobei die jeweilige Eintrittskante zumindest teilweise entlang einer gedachten, entlang der axialen Richtung des Turbinenrads konusförmig verlaufenden Fläche verläuft. Durch diesen Verlauf der Austrittskante beziehungsweise der Eintrittskante kann ein besonders effizienter Betrieb dargestellt werden. Während somit beispielsweise Zungenaustrittskanten des Turbinengehäuses und die Austrittskante der Zunge bei reinen Radialturbinen weitgehend auf einer Zylinderfläche aufliegen, werden die Austrittskanten der Zunge und auch die Eintrittskanten der Laufradschaufeln bei der Halbaxialturbine zumindest weitgehend auf Konusflächen orientiert sein und in der Meridiandarstellung gegenüber der Drehachse einen Winkel aufweisen, der sich deutlich von 0 unterscheidet und beispielsweise in einem Bereich von einschließlich 20° bis einschließlich 60° liegt.
-
Durch den Einsatz einer Halbaxialturbine kann ein Freiheitsgrad hinsichtlich der Gestaltung des Schaufeleintrittswinkels gegenüber der reinen Radialturbine geschaffen werden. Unter dem Schaufeleintrittswinkel ist insbesondere der Winkel zu verstehen, unter welchem das Abgas die jeweilige Laufradschaufel des Turbinenrads bei dem Betrieb der Turbine anströmt. Bei der reinen Radialturbine ist üblicherweise aus Festigkeitsgründen ein Schaufeleintrittswinkel von zumindest im Wesentlichen 90° gegenüber der Umfangsrichtung erforderlich. Bei der Kombination der Halbaxialturbine beziehungsweise des Turbinenrads der Halbaxialturbine mit der als Eintrittsvariabilität fungierenden, als Zungenschieber ausgebildeten Variabilität können günstige und breite Anpassungsmöglichkeiten des Wirkungsgradoptimums an den Schnelllaufzahlbereich von ca. 0,5 bis an den Wert von 0,8 für einen sehr vorteilhaften Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht werden.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Zunge in axialer Richtung der Turbine zwischen Deckringen des Zungenschiebers angeordnet, mit den Deckringen verbunden und über die Deckringe drehbar an dem Turbinengehäuse gelagert. Die Deckringe bilden beispielsweise jeweilige, zumindest im Wesentlichen zylindrische Laufflächen, welche die Deckringe beispielsweise zumindest mittelbar drehbar am Turbinengehäuse gelagert sind.
-
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest einer der Deckringe mittels wenigstens eines Dichtungselements gegen das Turbinengehäuse abgedichtet ist. Vorzugsweise sind beide Deckringe mittels jeweiliger Dichtungselemente gegen das Turbinengehäuse abgedichtet. Das jeweilige Dichtungselement ist dabei beispielsweise an der zuvor genannten, zumindest im Wesentlichen zylindrischen Lauffläche angeordnet. Durch das Abdichten des jeweiligen Deckrings gegen das Turbinengehäuse können Leckage- beziehungsweise Strömungsverluste besonders gering gehalten werden, so dass ein besonders effizienter Betrieb der Turbine darstellbar ist.
-
Als weiterhin besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Zunge über einen der jeweiligen Deckringe mit einem Aktor gekoppelt ist, mittels welchem die Zunge relativ zu dem Turbinengehäuse um die Drehachse drehbar beziehungsweise verschiebbar ist. Dadurch können der Bauraumbedarf, die Teileanzahl und das Gewicht der Turbine besonders gering gehalten werden, so dass ein besonders effizienter und somit energiegünstiger Betrieb darstellbar ist.
-
Zur Realisierung eines besonders effizienten Betriebs ist bei einer weiteren Ausführungsform wenigstens ein separat von dem Turbinengehäuse und separat von dem Zungenschieber ausgebildetes und an dem Turbinengehäuse zumindest mittelbar gehaltenes Konturstück vorgesehen, durch welches zumindest ein Teil des Turbinenrads in radialer Richtung nach außen und in axialer Richtung überdeckt ist. Da das Konturstück separat von dem Turbinengehäuse, separat von dem Turbinenrad und separat von dem Zungenschieber ausgebildet ist, kann mittels des Konturstücks bedarfsgerecht ein Spalt zwischen dem Konturstück und dem Turbinenrad eingestellt werden. Durch die präzise und bedarfsgerechte Einstellung des Spalts kann der Spalt besonders gering gehalten werden, so dass Strömungs- beziehungsweise Leckageverluste besonders gering gehalten werden können.
-
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn einer der Deckringe in Richtung des Turbinenrads nach innen zumindest teilweise durch das Konturstück überdeckt ist. Dadurch können unerwünschte Strömungen und somit Strömungsverluste besonders gering gehalten werden, so dass ein besonders effizienter Betrieb dargestellt werden kann.
-
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Zungenschieber über einen der Deckringe drehbar an dem Konturstück gelagert ist. Dadurch kann ein besonders vorteilhafter und somit effizienter Betrieb der Turbine realisiert werden.
-
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:
-
1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einer Turbine, welche als Halbaxialturbine ausgebildet ist und einen Zungenschieber aufweist;
-
2 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß einer ersten Ausführungsform;
-
3 eine schematische Schnittansicht der Turbine gemäß 2 entlang einer in 2 gezeigten Schnittlinie A-A;
-
4 ausschnittsweise ein Drahtgittermodell einer ersten Ausführungsform eines Turbinenrads der Turbine;
-
5 ausschnittsweise ein Drahtgittermodell einer zweiten Ausführungsform des Turbinenrads;
-
6 ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Schaufelwinkelverlaufs der Ausführungsform des Turbinenrads;
-
7 ausschnittsweise eine schematische und geschnittene Seitenansicht einer Radialturbine;
-
8 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
-
9 ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht der Turbine gemäß der zweiten Ausführungsform.
-
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen wie beispielsweise einen Personenkraftwagen oder ein Nutzfahrzeug. Dabei ist das Kraftfahrzeug von der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar. Dabei umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 wenigstens ein beispielsweise als Zylindergehäuse ausgebildetes Motorgehäuse 12, durch welches wenigstens ein in 1 nicht dargestellter Brennraum der Verbrennungskraftmaschine 10 gebildet ist. Der Brennraum ist beispielsweise als Zylinder ausgebildet, in welchem ein Kolben, insbesondere translatorisch, bewegbar aufgenommen ist. Der Kolben ist beispielsweise gelenkig mit einer Abtriebswelle 14 der Verbrennungskraftmaschine 10 verbunden, wobei – wie in 1 durch einen Pfeil 16 veranschaulicht – die Abtriebswelle 14 relativ zu dem Motorgehäuse 12 drehbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 kann dabei über die Abtriebswelle 14 Drehmomente zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellen. Insbesondere weist die Verbrennungskraftmaschine 10 mehrere, beispielsweise als Zylinder ausgebildete Brennräume auf.
-
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist einen von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt 18 auf, mittels welchem die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft zu den und insbesondere in die Zylinder geführt wird. Dabei ist in dem Ansaugtrakt 18 ein Luftfilter 20 angeordnet, mittels welchem die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft gefiltert wird. Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 einen Abgastrakt 22, welcher von Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmbar ist. Außerdem umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 wenigstens einen Abgasturbolader 24, welcher eine in dem Abgastrakt 22 angeordnete und von dem Abgas antreibbare Turbine 26 und einen im Ansaugtrakt 18 angeordneten und von der Turbine 26 antreibbaren Verdichter 28 umfasst. Die Turbine 26 umfasst – wie in Zusammenschau mit 2 erkennbar ist – ein Turbinengehäuse 30, durch welches ein Aufnahmebereich 32 gebildet ist. Ferner umfasst die Turbine 26 ein Turbinenrad 34, welches zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, in dem Aufnahmebereich 32 und somit in dem Turbinengehäuse 30 aufgenommen und um eine Drehachse 36 relativ zu dem Turbinengehäuse 30 drehbar ist.
-
Der Verdichter 28 weist ein in den Figuren nicht dargestelltes Verdichtergehäuse und ein in dem Verdichtergehäuse angeordnetes Verdichterrad 38 auf, welches um die Drehachse 36 relativ zu dem Verdichtergehäuse drehbar ist. Dabei umfasst der Abgasturbolader 24 eine Welle 40, welche drehfest mit dem Turbinenrad 34 und drehfest mit dem Verdichterrad 38 verbunden ist. Das Turbinenrad 34 ist von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar und dadurch um die Drehachse 36 drehbar. Über die Welle 40 ist das Verdichterrad 38 von dem Turbinenrad 34 antreibbar. Durch das Antreiben des Verdichterrads 38 wird mittels des Verdichterrads 38 zumindest ein Teil der den Ansaugtrakt 18 durchströmenden Luft verdichtet. Somit kann zum Verdichten der Luft die im Abgas enthaltene Energie genutzt werden.
-
Im Abgastrakt 18 ist ferner stromab des Verdichters 28 eine Kühleinrichtung 42 angeordnet, welche auch als Ladeluftkühler bezeichnet wird. Mittels des Ladeluftkühlers wird die verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ferner eine Abgasrückführeinrichtung 44, welche wenigstens eine Abgasrückführleitung 46 aufweist. Die Abgasrückführleitung 46 ist an einer Abzweigstelle fluidisch mit dem Abgastrakt 22 verbunden, so dass an der Abzweigstelle zumindest ein Teil des den Abgastrakt 22 durchströmenden Abgases aus dem Abgastrakt 22 abgezweigt werden kann. Das abgezweigte Abgas strömt in die Abgasrückführleitung 46 ein und wird mittels der Abgasrückführleitung 46 zu einer Einleitstelle geleitet, an welcher die Abgasrückführleitung 46 fluidisch mit dem Ansaugtrakt 18 verbunden ist. Das abgezweigte Abgas wird mittels der Abgasrückführleitung 46 zu dem und insbesondere in den Ansaugtrakt 18 rückgeführt und kann an der Einleitstelle in den Ansaugtrakt 18 einströmen. Das in den Ansaugtrakt 18 an der Einleitstelle einströmende Abgas wird von der den Ansaugtrakt 18 durchströmenden Luft mitgenommen und insbesondere in die Zylinder transportiert. Dabei umfasst die Abgasrückführeinrichtung 44 ein in der Abgasrückführleitung 46 angeordnetes Abgasrückführventil 48, mittels welchem eine die Abgasrückführleitung 46 durchströmende Menge des rückzuführenden Abgases einstellbar ist. Ferner umfasst die Abgasrückführeinrichtung 44 einen in der Abgasrückführleitung 46 angeordneten Abgasrückführkühler 50, mittels welchem das die Abgasrückführleitung 46 durchströmende Abgas gekühlt werden kann.
-
Der Abgastrakt 22 weist eine von einem ersten Teil des Abgases durchströmbare erste Flut 52 in einem von einem zweiten Teil des Abgases durchströmbare zweite Flut 54 auf, wobei die Fluten 52 und 54 beispielsweise auch als Abgasfluten oder Krümmerfluten bezeichnet werden. Dass die Flut 52 durchströmende Abgas stammt beispielsweise aus einem ersten der Zylinder, wobei das die Flut 54 durchströmende Abgas beispielsweise aus einem von dem ersten Zylinder unterschiedlichen, zweiten der Zylinder stammt. Somit wird beispielsweise eine erste Gruppe der Zylinder zu der Flut 52 zusammengeführt, wobei eine von der ersten Gruppe unterschiedliche, zweite Gruppe der Zylinder zu der Flut 54 zusammengeführt wird.
-
Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, weist die Turbine 26, insbesondere da Turbinengehäuse 30, beispielsweise wenigstens zwei von dem die Fluten 52 und 54 durchströmenden Abgas durchströmbare, durch das Turbinengehäuse 30 gebildete Kanäle auf, wobei ein erster der Kanäle beispielsweise fluidisch mit der Flut 52 und ein zweiter der Kanäle fluidisch mit der Flut 54 verbunden ist. Dadurch kann das die Flut 52 durchströmende Abgas aus der Flut 52 aus- und in den ersten Kanal einströmen. Ferner kann das die Flut 40 durchströmende Abgas beispielsweise aus der Flut 54 aus- und in den zweiten Kanal einströmen. Das in die Kanäle eingeströmte Abgas wird mittels der Kanäle zu dem und insbesondere in den Aufnahmebereich 32 und somit zu dem Turbinenrad 34 geführt, so dass das die Kanäle durchströmende Abgas aus den Kanälen aus- und in den Aufnahmebereich 32 einströmen kann. Dadurch wird das Turbinenrad 34 von dem aus den Kanälen ausströmenden und in den Aufnahmebereich 32 einströmenden Abgas angetrieben.
-
Aus 1 ist erkennbar, dass die Abgasrückführleitung 46 fluidisch mit der Flut 52 verbunden ist. Die Flut 52 wird somit beispielsweise dazu genutzt, eine hinreichende Menge an rückzuführendem Abgas bereitzustellen, so dass die Flut 52 auch als AGR-Flut bezeichnet wird. Die Hut 54 beziehungsweise das die Flut 54 durchströmende Abgas wird beispielsweise zumindest im Wesentlichen dazu genutzt, eine hinreichende Leistung der Turbine 26 zu realisieren, um somit die Luft hinreichend stark verdichten zu können. Dadurch kann das Verbrennungsluftverhältnis λ im jeweiligen Zylinder bedarfsgerecht eingestellt werden, so dass die Flut 54 auch als Lambda-Flut (λ-Flut) bezeichnet wird. In der Flut 52 weist das Abgas beispielsweise einen ersten Druck auf, wobei das Abgas in der Flut 54 beispielsweise einen zweiten Druck aufweisen kann. Mittels der Turbine 26 wird das Abgas entspannt, so dass das Abgas stromab der Turbine 26 einen gegenüber dem ersten Druck und dem zweiten Druck geringeren dritten Druck aufweist. In dem Abgastrakt 22 ist stromab der Turbine 26 eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 56 angeordnet, mittels welcher das Abgas nachbehandelt werden kann.
-
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 56 umfasst beispielsweise einen Partikelfilter, welcher auch als Rußfilter bezeichnet wird. Mittels des Partikelfilters können im Abgas enthaltene Partikel aus dem Abgas gefiltert werden. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Abgasnachbehandlungseinrichtung 56 Mittel zur Denoxierung, das heißt zur Entstickung des Abgases. Unter Entstickung des Abgases ist zu verstehen, dass im Abgas etwaig enthaltene Stickoxyde (NOx) zumindest zum Teil aus dem Abgas entfernt werden.
-
In Zusammenschau mit 3 ist erkennbar, dass die Turbine 26 als Segmentturbine beziehungsweise als Mehrsegmentturbine ausgebildet ist und dabei die wenigstens zwei durch das Turbinengehäuse 30 gebildete, zumindest teilweise voneinander getrennte, von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmbare und in Umfangsrichtung des Turbinenrads 34 hintereinander in den Aufnahmebereich 32 mündende Kanäle in Form von Segmenten 58 und 60 umfasst, mittels welchen das die Segmente 58 und 60 durchströmende Abgas in den Aufnahmebereich 32 und somit zu dem Turbinenrad 34 geführt werden kann beziehungsweise – während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 – geführt wird. Das Segment 58 ist somit beispielsweise der zuvor genannte erste Kanal und dabei fluidisch mit der Flut 52 verbunden, so dass das die Flut 52 durchströmende Abgas aus der Flut 52 aus- und in das Segment 58 einströmen kann. Das Segment 60 ist beispielsweise der zuvor genannte zweite Kanal und demzufolge mit der Flut 54 fluidisch verbunden, so dass das die Flut 54 durchströmende Abgas aus der Flut 54 aus- und in das Segment 60 einströmen kann.
-
Die Segmente 58 und 60 erstrecken sich beispielsweise in Umfangsrichtung des Turbinenrads 34 über dessen Umfang zumindest im Wesentlichen spiralförmig, so dass die Segmente 58 und 60 als Spiralkanäle ausgebildet sind. Die Spiralkanäle werden aber als Segmentspiralen, Spiralsegmente oder Turbinenspiralen bezeichnet.
-
2 zeigt die Turbine 26 ausschnittsweise in einer schematischen Längsschnittansicht, wobei in 2 stellvertretend für die Segmente 58 und 60 beispielsweise das Segment 58 erkennbar ist. Insbesondere ist es denkbar, dass die Segmente 58 und 60 insbesondere hinsichtlich ihres jeweiligen, von dem Abgas durchströmbaren Querschnitts asymmetrisch zueinander ausgebildet sind.
-
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ferner eine elektronische Recheneinrichtung 62, welche auch als Steuergerät bezeichnet wird. Beispielsweise wird die von der Verbrennungskraftmaschine 10 bereitgestellte Last und/oder die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere der Abtriebswelle 14, erfasst und dem Steuergerät zugeführt, so dass das Steuergerät die Last und/oder die Drehzahl empfängt und die Verbrennungskraftmaschine 10 in Abhängigkeit von der erfassten Last und/oder in Abhängigkeit von der erfassten Drehzahl betreiben kann. Insbesondere wird von dem Steuergerät die Abgasnachbehandlungseinrichtung 56, insbesondere in Abhängigkeit von der erfassten Last und/oder in Abhängigkeit von der erfassten Drehzahl, betrieben, insbesondere gesteuert oder geregelt. Ferner wird beispielsweise das Abgasrückführventil 48 von dem Steuergerät, insbesondere in Abhängigkeit von der erfassten Last und/oder in Abhängigkeit von der erfassten Drehzahl, betrieben, so dass beispielsweise die Menge des rückzuführenden Abgases von dem Steuergerät eingestellt werden kann. Ferner ist dem jeweiligen Zylinder beispielsweise wenigstens eine Konstantdrossel 64 zugeordnet, wobei die jeweilige Konstantdrossel 64 von dem Steuergerät, insbesondere in Abhängigkeit von der erfassten Last und/oder in Abhängigkeit von der erfassten Drehzahl, betrieben werden kann. Die jeweilige Konstantdrossel 64 wird auch als Konstantdrosselventil bezeichnet.
-
Besonders gut aus einer Zusammenschau von 2 und 3 ist erkennbar, dass die Turbine 26 eine als Zungenschieber 66 ausgebildete Variabilität aufweist, welche in Strömungsrichtung des Abgases durch die Turbine 26 zumindest teilweise stromauf des Turbinenrads 34 angeordnet ist und daher auch als Eintrittsvariabilität bezeichnet wird. Der Zungenschieber 66 umfasst je Segment 58 beziehungsweise 60 eine besonders gut aus 3 erkennbare Zunge 68 beziehungsweise 70, wobei beispielsweise die Zunge 68 dem Segment 58 und die Zunge 70 dem Segment 60 zugeordnet ist. Die Zungen 68 und 70, sind, insbesondere gemeinsam beziehungsweise gleichzeitig, um die Drehachse 36 relativ zu dem Turbinengehäuse 30 verschiebbar beziehungsweise drehbar. Mittels der jeweiligen Zunge 68 beziehungsweise 70 ist ein jeweiliger Strömungsquerschnitt des jeweils zugeordneten Segments 58 beziehungsweise 60 einstellbar. Über diesen jeweiligen Strömungsquerschnitt strömt das Abgas aus dem jeweiligen Segment 58 beziehungsweise 60 aus und in den Aufnahmebereich 32 ein. Mit anderen Worten ist das das jeweilige Segment 58 beziehungsweise 60 durchströmende Abgas über den jeweiligen Strömungsquerschnitt in den Aufnahmebereich 32 einleitbar und dem Turbinenrad 34 zuführbar. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt strömt das jeweilige, das jeweilige Segment 58 beziehungsweise 60 durchströmende und von der Verbrennungskraftmaschine 10 bereitgestellte Abgas aus dem jeweiligen Segment 58 beziehungsweise 60 durch den jeweiligen Strömungsquerschnitt hindurch in den Aufnahmebereich 32. Dabei ist der jeweilige Strömungsquerschnitt bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases durch die Turbine 26 stromauf des Turbinenrads 34 angeordnet, so dass der Zungenschieber 66 als Eintrittsvariabilität fungiert beziehungsweise ausgebildet ist.
-
Die Zungen 68 und 70 sind beispielsweise zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung relativ zu dem Turbinengehäuse 30 verschiebbar. In der Schließstellung ist zumindest ein jeweiliger Teilbereich des jeweiligen Strömungsquerschnitts durch die jeweilige Zunge 68 beziehungsweise 70 versperrt, so dass Abgas nicht durch den versperrten Teilbereich hindurchströmen kann. In der jeweiligen Offenstellung gibt die jeweilige Zunge 68 beziehungsweise 70 den jeweiligen Teilbereich frei, so dass das Abgas durch den jeweils freigegebenen Teilbereich hindurchströmen kann. Dies bedeutet, dass in der Schließstellung ein jeweiliger erster Wert des jeweiligen Strömungsquerschnitts eingestellt ist. In der jeweiligen Offenstellung ist ein jeweiliger zweiter Wert des jeweiligen Strömungsquerschnitts eingestellt, wobei der zweite Wert größer als der erste Wert ist. Dies bedeutet, dass die jeweilige Zunge 68 beziehungsweise 70 den jeweils zugeordneten Strömungsquerschnitt in der Offenstellung weiter freigibt als in der Schließstellung. Hierdurch kann die Turbine 26 besonders vorteilhaft an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine 10 und damit insbesondere an unterschiedliche Abgasmassenströme angepasst werden. In Umfangsrichtung des Turbinenrads 34 sind zwischen den Segmenten 58 und 60 jeweilige Wandungen 72 und 74 des Turbinengehäuses 30 angeordnet, wobei die Segmente 58 und 60 mittels der Wandungen 72 und 74 voneinander getrennt sind. Die Wandungen 72 und 74 werden auch als Gehäusewandungen oder Gehäusezungen bezeichnet, wobei in 3 die jeweiligen Enden der Gehäusezungen so wie beispielsweise die jeweiligen Schließstellungen der Zungen 68 und 70 gezeigt sind. Ferner ist erkennbar, dass sich die jeweilige Zunge 68 beziehungsweise 70 von einem Außendurchmesser D1 zu einem Innendurchmesser D2 beziehungsweise umgekehrt erstreckt. Außerdem ist in 3 mit D3 der Außendurchmesser des Turbinenrads 34 bezeichnet.
-
Um nun einen besonders effizienten Betrieb realisieren zu können, ist – wie besonders gut aus 2 erkennbar ist – die Turbine 26 als Halbaxialturbine ausgebildet, bei welcher eine jeweilige, in 2 durch einen Pfeil 76 veranschaulichte Strömungsrichtung, in die das Abgas während des Betriebs der Turbine 26 von dem jeweiligen Segment 58 beziehungsweise 60 durch den jeweiligen Strömungsabschnitt hindurch in den Aufnahmebereich 32 und zu dem Turbinenrad 34 strömt, schräg zur axialen und schräg zur radialen Richtung des Turbinenrads 34 verläuft. Dabei verläuft die Strömungsrichtung des Abgases in einer durch die axiale Richtung und durch die radiale Richtung des Turbinenrads 34 aufgespannten Ebene schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung des Turbinenrads 34. Insgesamt ist die Turbine 26 als Halbaxial-Zungenschieber-Segment-Turbine ausgebildet, mittels welcher sich ein besonders effizienter und somit kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 darstellen lässt.
-
In 2 ist am Beispiel der Zunge 68 erkennbar, dass die jeweilige Zunge 68 beziehungsweise 70 wenigstens eine Austrittskante 78 aufweist, über die das Abgas bei dem Betrieb der Turbinen 26 von der jeweiligen Zunge 68 beziehungsweise 70 in Richtung des Aufnahmebereichs 32 abströmt. Dabei verläuft die jeweilige Austrittskante 78 zumindest teilweise entlang einer gedachten, entlang der axialen Richtung des Turbinenrads 34 konusförmig verlaufenden Fläche. Auch die Gehäusezungen liegen auf einer solchen, entlang der axialen Richtung des Turbinenrads 34 konusförmigen, gedachten Fläche.
-
Aus 2 ist erkennbar, dass das Turbinenrad 34 eine Nabe 80 und eine Beschaufelung 82, die mit der Nabe 80 verbundene und beispielsweise einstückig mit der Nabe 80 ausgebildete Laufradschaufeln umfasst, wobei von den Laufradschaufeln in 2 eine mit 84 bezeichnete Laufradschaufel erkennbar ist. Da die Laufradschaufel 84 eine Laufradschaufel des Turbinenrads 34 ist, wird die Laufradschaufel 84 auch als Turbinenschaufel bezeichnet. Die Laufradschaufel 84 weist eine Austrittskante 86 auf, über welche das Abgas während des Betriebs der Turbine 26 die Laufradschaufel 84 abströmt. Ferner weist die Laufradschaufel 84 eine Eintrittskante 88 auf, welche auch als Anströmkante bezeichnet wird. Über die Eintrittskante 88 strömt das Abgas während des Betriebs der Turbine 26 die Laufradschaufel 84 an. Dabei verläuft die jeweilige Eintrittskante 88 zumindest teilweise entlang einer gedachten entlang der axialen Richtung des Turbinenrads 34 konusförmig verlaufenden Fläche.
-
Im Gegensatz zu einer rein radialen Turbine, welche auch als Radialturbine bezeichnet wird, ist es bei der Halbaxialturbine vorgesehen, dass das Abgas dem Turbinenrad 34 nicht streng radial und auch nicht streng axial zugeführt wird, sondern das Abgas wird dem Turbinenrad 34 schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung des Turbinenrads 34 zugeführt.
-
Der Zungenschieber 66, dessen Austrittskanten 78 zumindest weitgehend längs einer konischen Fläche zumindest im Wesentlichen parallel zu der Eintrittskante 88 verlaufen, weist beispielsweise zwei integrierte Deckringe 90 und 92 auf, die beispielsweise als zylindrische Laufflächen mit Dichtungselementen 94 und 96 versehen sind. Die jeweilige Zunge 68 beziehungsweise 70 ist dabei in axialer Richtung des Turbinenrads 34 zwischen den Deckringen 90 und 92 angeordnet und mit den Deckringen 90 und 92 verbunden. Insbesondere ist es denkbar, dass die Zungen 68 und 70 einstückig mit den Deckringen 90 und 92 ausgebildet sind. Die Zungen 68 und 70 sind beispielsweise über die Deckringe 90 und 92 drehbar an dem Turbinengehäuse 30 gelagert. Die Deckringe 90 und 92 weisen beispielsweise jeweilige, zumindest im Wesentlichen zylindrische, außenumfangsseitige Mantelflächen 98 und 100 auf, über welche die Deckringe 90 und 92 beispielsweise in radialer Richtung nach außen an dem Turbinengehäuse 30 abstützbar beziehungsweise abgestützt sind. Dabei fungieren beispielsweise die außenumfangsseitige Mantelflächen 98 und 100 als die zuvor genannten Laufflächen, an denen die Dichtungselemente 94 und 96 vorgesehen sind. Insbesondere weisen die Mantelflächen 98 und 100 jeweilige Nuten auf, in denen die Dichtungselemente 94 und 96 beispielsweise aufgenommen sind. Mittels der Dichtungselemente 94 und 96 sind die Deckringe 90 und 92 gegen das Turbinengehäuse 30 abgedichtet, so dass unerwünschte Strömungen, wie beispielsweise Leckagenströmungen vermieden werden können. Die Deckringe 90 und 92 sind zusammen mit den Zungen 68 und 70 um die Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse 30 drehbar beziehungsweise verschiebbar. in fertig hergestelltem Zustand des Abgasturboladers 24 ist das Turbinengehäuse 30 beispielsweise mit einem in den Figuren nicht dargestellten Lagergehäuse verbunden. Die Eintrittskante 88 ist in einem Eintrittsbereich angeordnet, über welchen das Abgas die Laufradschaufel 84 anströmt. Die Austrittskante 86 ist beispielsweise in einem Austrittsbereich 102 angeordnet, in den das die Laufradschaufel 84 über die Austrittskante 86 abströmende Abgas einströmt. Dabei ist das Lagergehäuse auf einer dem Austrittsbereich 102 abgewandten Seite angeordnet. Der Deckring 92 ist näher an dem Lagergehäuse angeordnet als der Deckring 90, so dass der Deckring 92 ein lagerseitiges Deckelement ist. Das lagerseitige Deckelement der Zungen 68 und 70 dient beispielsweise dazu, die Zungen 68 und 70 mit einem in den Figuren nicht dargestellten Aktor zu koppeln. Mit anderen Worten sind die Zungen 68 und 70 beispielsweise über den Deckring 92 mit einem Aktor gekoppelt, mittels welchem die Zungen 68 und 70 insbesondere über den Deckring 92 um die Drehachse 36 verschoben werden können. Der Aktor wird somit zur Verursachung der Drehbewegung der Zungen 68 und 70 genutzt und fungiert als Verstellvorrichtung, welche beispielsweise zumindest teilweise in dem Lagergehäuse angeordnet ist.
-
Beispielsweise weist der Deckring 92, welcher auch als Deckscheibenring bezeichnet wird, eine Verzahnung auf, die in ein getrennt gelagertes, drehbares Zahnsegment eingreift. Das Zahnsegment ist beispielsweise fest mit einem Hebel der Verstellvorrichtung verbunden, welcher beispielsweise mittels des turbinenexternen Aktors verschwenkbar ist und infolge seiner Verschwenkung Schwenkbewegungen ausführt. Mittels des Hebels werden die Schwenkbewegungen beispielsweise in Drehbewegungen der Zungen 68 und 70 umgewandelt, so dass die Drehbewegungen der Zungen 68 und 70 definiert und geregelt eingestellt werden können. Der Deckring 90 ist beispielsweise zu einer Radaußenkontur des Turbinenrads 34 hin orientiert und dient ebenfalls der Lagerung, vorzugsweise auch im Turbinengehäuse 32. Die Dichtungselemente 94 und 96 werden insbesondere genutzt, um Leckagegasströmungen über dem jeweiligen Umfang des jeweiligen Deckrings 90 beziehungsweise 92 gering zu halten.
-
Die Turbine 26 weist ferner wenigstens ein separat von dem Turbinengehäuse 30, separat von dem Zungenschieber 66 und separat von dem Turbinenrad 34 ausgebildetes und an dem Turbinengehäuse 30 gehaltenes Konturstück 104 auf, durch welches zumindest ein Teil des Turbinenrads 34 in radialer Richtung nach außen und in axialer Richtung überdeckt ist. Das Konturstück 104 wird auch als Außenkonturstück bezeichnet, welches an dem Turbinengehäuse 30 montierbar beziehungsweise montiert ist. Mittels des Konturstücks 104 kann eine axiale Toleranz des Zungenschiebers 66 für die Gewährleistung der Drehfunktionalität des Zungenschiebers 66 bei hohen Bauteil-Temperaturen im gesamten Motorkennfeld und in instationären Phasen der Verbrennungskraftmaschine 10 geschaffen werden. Des Weiteren ergibt sich durch das montierbare, als Kontur-Bauteil ausgebildete Konturstück 104 eine einfache Lösung, ein Hinterschnitt-Problem zwischen dem Zungenschieber 66 und dem als Halbaxialturbinenrad ausgebildeten Turbinenrad 34 über eine im Folgenden erläuterte Montagefolge zu lösen. Im Rahmen der Herstellung der Turbine 26 erfolgt beispielsweise folgender Montageablauf, um eine einfache und kostengünstige Herstellung der Turbine 26 zu gewährleisten: Zunächst wird beispielsweise das Turbinengehäuse 30 mit dem Lagergehäuse verbunden. Dann wird der Zungenschieber 66 am Turbinengehäuse 30 montiert. Dann wird das Turbinenrad 34 montiert. Daraufhin wird das Konturstück 104 montiert, indem es beispielsweise in axialer Richtung in das Turbinengehäuse 30 eingesteckt wird.
-
Aus 2 ist erkennbar, dass der Deckring 90 zumindest teilweise in radialer Richtung des Turbinenrads 34 nach innen durch das Konturstück 104 überdeckt ist. Dabei ist beispielsweise der Zungenschieber 66 über den Deckring 90 drehbar an dem Konturstück 104 gelagert. Unabhängig von dem als Variabilität fungierenden Zungenschieber 66 ist es denkbar, die Halbaxialturbine mit einem zweiflutigen, asymmetrischen Turbinengehäuse auszustatten und dabei beispielsweise als Festgeometrieturbine ohne Variabilität auszugestalten.
-
Der Zungenschieber 66 ist ein Drehschieber, welcher eine einfache und somit kostengünstige sowie robuste Variabilität darstellt. Um den Zungenschieber 66 zu verdrehen, ist beispielsweise die zuvor genannte Verstellvorrichtung vorgesehen, welche zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig. in dem Lagergehäuse angeordnet ist. Ferner ist über die Deckringe 90 und 92 eine Lagerung des Zungenschiebers 66 vorgesehen. Außerdem ist eine Abdichtung über die Dichtungselemente 94 und 96 vorgesehen, so dass Leckagen und Axialschübe besonders gering gehalten werden können. Ferner kann eine besonders einfache Montage trotz der Variabilität mit den geometrischen Verhältnissen des Drahteintritts und der dazu konischen Zungenlage des Zungenschiebers 66 realisiert werden, so dass ein Hinterschnittproblem gelöst beziehungsweise vermieden werden kann.
-
4 und 5 zeigen ausschnittsweise jeweilige Drahtgittermodelle beziehungsweise Drahtgitterdarstellungen von unterschiedlichen Ausführungsformen des Turbinenrads 34. Gemäß 4 ist das Turbinenrad 34 als Halbaxialrad und dabei als Zehnschaufler ausgebildet, so dass das Turbinenrad 34 gemäß 4 genau zehn Laufradschaufeln 84 umfasst. Das Turbinenrad 34 gemäß 4 weist einen Schaufeleintrittswinkel β1s von zumindest im Wesentlichen 90 Grad auf, was in 4 durch einen Pfeil 106 veranschaulicht ist. Ferner ist in 4 durch eine gestrichelte Linie 109 die radiale Richtung des Turbinenrads 34 veranschaulicht. Außerdem veranschaulicht in 4 ein Pfeil 112 die Drehrichtung, in die sich das Turbinenrad 34 während des Betriebs der Turbine dreht. Bei dem Turbinenrad 34 gemäß 4 ist beispielsweise eine Schnelllaufzahl U/C0,opt von 0,7 vorgesehen. Insbesondere zeigen 4 und 5 Drahtgitterdarstellungen des Turbinenrads 34 mit Blickrichtung längs der Drehachse 36 auf den Turbinenrad-Austritt. Durch einen Schaufeleintrittswinkel β1s von ca. 90 Grad kann eine besonders hohe Robustheit realisiert werden.
-
Bei der in 5 veranschaulichten Ausführungsform weist das Turbinenrad 34 einen Schaufeleintrittswinkel β1s von 121° auf, was in 5 durch den Pfeil 106 und die gestrichelte Linie 109 veranschaulicht ist. Beispielsweise veranschaulicht der Pfeil 106 die Strömungsrichtung, in die das Abgas die jeweilige Eintrittskante 88 anströmt. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Beschaufelung 82 des Turbinenrads 34 streng radial stehend ausgebildet ist und somit streng in radialer Richtung verläuft. Verläuft beispielsweise die Strömungsrichtung gemäß der in 4 und 5 gezeigten Ansicht zumindest im Wesentlichen parallel zur radialen Richtung, so beträgt der Schaufeleintrittswinkel β1s 90 Grad. Bei der in 5 veranschaulichten Ausführungsform schließt die Strömungsrichtung mit der radialen Richtung einen Winkel von 31 Grad ein, woraus ein Schaufeleintrittswinkel β1s von 121 Grad (90 Grad + 31 Grad) resultiert. Das Turbinenrad 34 gemäß 5 weist beispielsweise eine Schnelllaufzahl U/C0opt von ≥ 0,6 auf.
-
In 6 veranschaulichen gestrichelte Verläufe 108 einen jeweiligen Schaufelwinkelverlauf zur Umfangsrichtung entlang der Nabe 80, der Flächenmitte und der Außenkontur des Turbinenrads 34 gemäß 5, wobei durchgezogene Verläufe 110 den jeweiligen Schaufelwinkelverlauf zur Umfangsrichtung entlang der Nabe 80, der Flächenmitte und der Außenkontur des Turbinenrads 34 gemäß 4 veranschaulichen. Dabei veranschaulichen Verläufe 108a und 110a den Schaufelwinkelverlauf entlang der Nabe 80, Verläufe 108b und 110b den Schaufelwinkelverlauf entlang der Mitte und Verläufe 108c und 110c den Schaufelwinkelverlauf entlang der Außenkontur und somit außen.
-
Das Turbinenrad 34 gemäß 4 weist einen Schaufeleintrittswinkel β1s von 90 Grad und somit den gleichen Schaufeleintrittswinkel wie eine Radialturbine auf. Gemäß 6 weist das Turbinenrad 34 gemäß 5 beispielsweise eine Schnelllaufzahl U/C0opt < als 0,62 auf. Bezogen auf die Mitte beträgt der Winkel β2n beispielsweise 33 Grad. Aus 6 ist somit der sehr gutmütige Winkelverlauf der als Halbaxialturbinenräder ausgebildeten Turbinenräder 34 erkennbar. Anhand des sehr gutmütigen Winkelverlaufs der Halbaxialturbinenräder wird der dominierende Vorteil im Kanalverlauf der Halbaxialturbinenräder bei den bekannten Verläufen der Radialturbinen offensichtlich, weshalb hier vom Prinzip her schon Wirkungsgradvorteile der Halbaxialturbinen gegenüber Radialturbinen entwickelbar sein müssten. Der Freiheitsgrad des Schaufeleintrittswinkels β1s bei streng radial stehender Beschaufelung, wodurch Biegemomente vermieden werden können, kann besonders gut aus 5 und 6 erkannt werden.
-
Das in 2 und 3 erkennbare, jeweilige Segment 58 beziehungsweise 60 ist als Monospirale ausgebildet, welche dem Turbinenrad 34 vorgelagert ist. Somit ist das Turbinengehäuse 30 beispielsweise als Mono-Spiralgehäuse ausgebildet. Das jeweilige, das jeweilige Segment 58 beziehungsweise 60 durchströmende Abgas wird dem Aufnahmebereich 32 beispielsweise über eine jeweilige Düse zugeführt, wobei in der der jeweiligen Düse vorgelagerten, jeweiligen Spirale eine Drallerzeugung erfolgt, insbesondere falls es sich gegenüber einem Mono-Spiralgehäuse um ein Mehrsegmentspiralgehäuse handelt. Mittels des beweglichen Zungenschiebers 66 wird der Flächenabgriff des Eintrittsspiralquerschnitts bewerkstelligt, wodurch die Drallerzeugung und die Leistung der Turbine 26 mittels der beeinflussten Turbinen-Durchsatzkapazität und Aufstauverhalten in gewünschter Weise variabel wird. Der Zungenschieber 66 befindet sich also unterhalb der festen, schräg verlaufenden Gehäusezunge.
-
Die Verstellvorrichtung wird beispielsweise lagerseitig auch wegen der Kühlmöglichkeit durch Öl oder Wasser angeordnet, wobei mittels des Aktors über den Deckring 92 der Zungenschieber 66 insbesondere geregelt bewegbar ist, um dadurch die entsprechende Strömungsquerschnitte beziehungsweise Spiralflächen abzugreifen.
-
Nachdem der Zungenschieber 66 in das Turbinengehäuse 30 von der Turbinenaustrittsseite montiert ist, wird der Turbinenrotor mit den Radial- und Axial-Lagerelementen eingebracht und über die Verdichterseite fixiert. Anschließend wird das Außenkonturstück (Konturstück 104) über der Radaußenkontur eingeschoben und zum Beispiel in einem Turbinenaustrittsflanschbereich in definierter axialer Position befestigt, wodurch die axiale Toleranz des drehbaren Zungenschiebers 66 über die Distanz zum Konturstück 104 die volle variable Funktionsfähigkeit der Turbine 26 in allen erwarteten Betriebsphasen für den Zungenschieber 66 eingestellt ist. Dadurch kann ein Hinterschnitt-Problem zwischen dem Turbinenrad 34 und dem Zungenschieber 66 vermieden werden.
-
7 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht eine herkömmliche Radialturbine, bei welcher das Abgas während eines Betriebs der Radialturbine dem in 7 mit 113 bezeichneten Turbinenrad streng radial zugeführt wird.
-
8 zeigt in einer schematischen Längsschnittansicht eine zweite Ausführungsform der Turbine 26, wobei die Turbine 26 gemäß der zweiten Ausführungsform als Zwillingsstromturbine ausgebildet ist. Bei der in 8 veranschaulichten zweiten Ausführungsform weist die Turbine 26 wenigstens zwei durch das Turbinengehäuse 30 gebildete Kanäle in Form von Fluten 114 und 116 auf, welche auch als Turbinenfluten bezeichnet werden und nicht etwa in Umfangsrichtung des Turbinenrads 34 aufeinanderfolgend beziehungsweise hintereinander, sondern in axialer Richtung des Turbinenrads aufeinanderfolgend beziehungsweise hintereinander in den Aufnahmebereich 32 münden. Insbesondere münden die Fluten 114 und 116 über eine gemeinsame Düse 118 in den Aufnahmebereich 32, so dass das die Fluten 114 und 116 durchströmende Abgas aus den Fluten 114 und 116 in die Düse 118 einströmt und über die Düse 118 in den Aufnahmebereich 32 einströmt.
-
Die Fluten 114 und 116 sind dabei durch eine zwischen den Fluten 114 und 116 angeordnete Trennwand 120 des Turbinengehäuses 30 voneinander getrennt. Dabei ist in 9 ein in Umfangsrichtung verlaufender Versatz zwischen den Gehäusezungen beziehungsweise zwischen den Zungen 68 und 70 veranschaulicht. Wie das Segment 58 wird die Flut 114 beispielsweise als AGR-Segment beziehungsweise AGR-Flut verwendet, aus welcher das rückzuführende Abgas abgezweigt wird. Wie das Segment 60 wird beispielsweise die Flut 116 als Lambda-Flut beziehungsweise Lambda-Segment genutzt, um das Verbrennungsluftverhältnis einzustellen. Dabei ist beispielsweise die Zunge 68 der Flut 114 und die Zunge 70 der Flut 116 zugeordnet, wobei die Zungen 68 und 70 einstückig miteinander ausgebildet oder separat voneinander ausgebildet sein können. Dabei ist es denkbar, die Zungen 68 und 70 gemeinsam beziehungsweise gleichzeitig oder aber relativ zueinander beziehungsweise unabhängig voneinander um die Drehachse 36 relativ zu dem Turbinengehäuse 30 verschieben zu können. Beispielsweise sind symmetrische oder asymmetrische Spiralflächen der Gehäuse-Flut mit dem Zungenschieber 66 dargestellt, wobei die Zungen 68 und 70 unterschiedlich lang, insbesondere in Umfangsrichtung des Turbinenrads 34, ausgebildet sein können. Alternativ oder zusätzlich können die Zungen 68 und 70 einen Versatz zu den Gehäusezungen (Wandungen 72 und 74) aufweisen. Aus 8 ist erkennbar, dass zwischen den Zungen 68 und 70 beispielsweise ein Wandungselement 122 angeordnet ist, mittels welchem die Trennwand 120 fortgeführt ist, wobei das Wandungselement 122 mit der Zunge 68 beziehungsweise 70 mitbewegbar beziehungsweise mitverschiebbar ist.
-
Für ein schnelles Ansprechen der Abgasnachbehandlungseinrichtung 56 kann die Regelung der als Varioturbine ausgebildeten Turbine 26 mit dem Abgasrückführventil 48 und dem jeweiligen Konstantdrosselventil im Rahmen eines Thermomanagements sehr wirkungsvoll durchgeführt werden. Ferner kann durch den robusten und variablen Zungenschieber 66 ein vorteilhaftes Motorbremssystem realisiert werden, insbesondere wenn die kleinen Konstantdrosselventile in den Zylindern genutzt werden und in Motorbremsphasen geöffnet sind.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102008039085 A1 [0002]
- DE 102012016984 A1 [0006]
- DE 19918232 A1 [0006]