DE112010003626T5

DE112010003626T5 - Abgas-Zuführvorrichtung eines Turbinenrades eines Abgasturboladers

Info

Publication number: DE112010003626T5
Application number: DE112010003626T
Authority: DE
Inventors: Rolf Sauerstein
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2010-09-01
Publication date: 2012-07-26
Also published as: KR20120053517A; CN102482990A; WO2011031595A3; KR101678010B1; US20120159946A1; US9016060B2; BR112012003946A2; CN102482990B; WO2011031595A2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgas-Zuführvorrichtung (1) eines Turbinenrades (2) eines Abgasturboladers (3) mit einem zweiflutigen Turbinengehäuse (4), das eine erste Flut (5), und das eine zweite Flut (6) aufweist und einen mit einem Verbrennungsmotor (8) verbindbaren Abgaskrümmer (7), der eine erste Krümmerflut (9) aufweist, der erste Zylinder (Z1, Z4) des Verbrennungsmotors (8) zur Bildung einer ersten Krümmer-Abgaslauflänge verbindet, und der eine zweite Krümmerflut (10) aufweist, der zweite Zylinder (Z2, Z3) zur Bildung einer zweiten Krümmer-Abgaslauflänge verbindet, wobei durch Koes Turbinengehäuses nahezu gleiche Gesamt-Abgaslauflängen beider Fluten entstehen. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Abgasturbolader (3) mit einer Abgas-Zuführvorrichtung (1) für ein Turbinenrad (2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgas-Zuführvorrichtung eines Turbinenrades eines Abgasturboladers gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Eine derartige Zuführvorrichtung ist aus der DE 10 2007 017 826 A1 in Form einer zweiflutigen Gasstromzuführung mit einem ersten Einlasskanal und wenigstens einem zweiten Einlasskanal bekannt.
Bei sogenannten Zündfolge-Abgaskrümmern von Verbrennungsmotoren, wie insbesondere von Ottomotoren, wird jeweils das Abgas der Zylinder, die nicht in der direkten Zündfolge stehen, zusammengefasst. So wird beispielsweise bei einem Vierzylindermotor Zylinder 1 und Zylinder 4 sowie die Zylinder 2 und Zylinder 3 bei einer Zylinder-Zündfolge 1-3-4-2 zusammengefasst. Dies ermöglicht einerseits speziell bei Vierzylinder-Motoren eine Verringerung der gegenseitigen Beeinflussung der Zylinder während des Ladungswechsels durch geringere Restgasgehalte, was zu höherer Frischgasfüllung führt, und andererseits kann durch die Flutentrennung die Strömungsgeschwindigkeit erhöht werden, wodurch ein höherer Anteil an kinetischer Energie auf das Turbinenrad eines mit dem Verbrennungsmotor gekoppelten Turboladers auftritt und somit die Turbinenleistung deutlich angehoben wird.
Soll die gattungsgemäße Zuführvorrichtung mit einem derartigen Zündfolge-Abgaskrümmer kombiniert werden, ergeben sich jedoch für den Ladungswechsel des Verbrennungsmotors wie auch für die zeitliche Abfolge der Abgaspulsationen auf das Turbinenrad Wirkungsgradnachteile infolge einer Ungleichbeaufschlagung, wenn das Volumen und die Länge der ersten Flut bzw. des einen Einlasskanals wesentlich größer ist als das Volumen und die Länge der zweiten Flut bzw. des anderen Einlasskanals.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abgas-Zuführvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zu schaffen, die eine Verbesserung des Ladungswechsels des Verbrennungsmotors und eine Verbesserung der zeitlichen Abfolge der Abgaspulsationen auf das Turbinenrad möglich macht.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Dadurch wird erreicht, dass die Volumina und die Gesamt-Abgaslauflängen der Abgasführungen vom Zylinder-Auslassventil des Verbrennungsmotors bis zum Ende der jeweiligen Flut des zweiflutigen Turbinengehäuses des Abgasturboladers möglichst gleich gehalten bzw. deutlich angenähert werden können, was die Erreichung des zuvor genannten Zwecks ermöglicht. Das zweiflutige Turbinengehäuse kann dabei ein Zwillingsstromturbinengehäuse mit nahezu gleichen Spiralfluten oder ein Doppelstromturbinengehäuse mit entweder axial oder radial benachbart angeordneten Spiralfluten mit unterschiedlichen Längen und/oder Volumina sein.
Hierbei kann die erfindungsgemäße Zuführvorrichtung sowohl bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung oder Saugrohreinspritzung als auch bei Dieselmotoren zum Einsatz kommen.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgas-Zuführvorrichtung,
2 eine der 1 entsprechende Darstellung eines Doppelstrom-Turbinengehäuses, das mit einem Abgaskrümmer zur Bildung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgas-Zuführvorrichtung kombinierbar ist,
3 eine der 1 entsprechende Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgas-Zuführvorrichtung
4 eine schematisch stark vereinfachte Draufsicht auf einen Leitapparat eines Turbinengehäuses der erfindungsgemäßen Abgas-Zuführvorrichtung mit variabler Turbinengeometrie, und
5 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Variante mit getrennten Flanschen, und
6 eine vereinfachte Darstellung einer Abgaskrümmervariante.
In 1 ist eine schematisch stark vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Abgas-Zuführvorrichtung 1 eines Turbinenrades 2 eines Abgasturboladers dargestellt, der in seiner Gesamtheit nicht dargestellt ist, sondern repräsentativ für alle seine Teile durch das Turbinengehäuse 4 dargestellt und mit der Bezugsziffer 3 identifiziert ist.
Das Turbinengehäuse 4 ist als Doppelstrom-Turbinengehäuse mit radial benachbart ausgebildeten Fluten ausgeführt und weist eine, in Radialrichtung R des Turbinenrades 2 gesehen, erste Flut 5 auf. Ferner ist eine, in Radialrichtung R des Turbinenrades 2 gesehen, zweite Flut 6 vorgesehen, die jeweils spiralförmig um das Turbinenrad 2 umlaufen, wobei eine derartige Turbinengehäuseausbildung beispielsweise aus der WO 2008/028666 A1 bekannt ist, deren gesamter Offenbarungsinhalt hiermit explizit durch Bezugnahme zum Offenbarungsgehalt vorliegender Anmeldung gemacht wird.
Die erste Flut 5 und die zweite Flut 6 haben aufgrund ihrer geometrischen Anordnung im Turbinengehäuse 4 unterschiedliche Längen und können dementsprechend unterschiedliche Gasvolumina führen, wobei die Länge der zweiten Flut 6 größer ist als diejenige der ersten Flut 5.
Wie 1 verdeutlicht, ist das Turbinengehäuse 4 mit einem Abgaskrümmer 7 verbunden, der wiederum mit einem durch den Block 8 symbolisierten Verbrennungsmotor verbindbar ist. Der Verbrennungsmotor 8 ist im Beispielsfalle ein Vierzylinder-Motor mit den Zylindern Z1 bis Z4. Anwendungen der vorliegenden Erfindung an anderen Motorenarten und Zylinderzahlen (z. B. Reihen-Sechszylinder, V8-Motor, V6-Motor, Sechszylinder-Boxer) sind jedoch auch denkbar.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform weist der Abgaskrümmer 7 eine erste Krümmerflut 9 auf, die die Zylinder Z1 und Z4 des Verbrennungsmotors 8 zur Bildung einer ersten Krümmer-Abgaslauflänge verbindet. Weiter ist eine zweite Krümmerflut 10 vorgesehen, die bei der dargestellten Ausführungsform die Zylinder Z2 und Z3 zur Bildung einer zweiten Krümmer-Abgaslauflänge verbindet.
Hierbei ist aufgrund der Konstruktion des in 1 beispielhaft dargestellten Vierzylinder-Motors die erste Krümmer-Abgaslauflänge länger als die zweite zuvor beschriebene Abgaslauflänge.
Um, wie eingangs beschrieben, möglichst gleiche Gesamt-Abgaslauflängen zu erhalten, ist die erste Krümmerflut 9 mit der ersten Flut 5 des Turbinengehäuses 4 verbunden, während die zweite Krümmerflut 10 mit der zweiten Flut 6 des Turbinengehäuses 4 verbindbar ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die erste Krümmerflut 9, die die längere Abgaslauflänge darstellt, mit der kürzeren Flut, also der ersten Flut 5, des Turbinengehäuses 4 verbindbar ist, während es im Falle der zweiten Krümmerflut 10 zu einer Verbindung mit der zweiten Flut 6, also der längeren Flut des Turbinengehäuses 4 kommt, um den eingangs erläuterten Ausgleich der Gesamtlauflängen zu erreichen.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist hierfür an einem Zugasflansch 11 des Abgaskrümmers 7 ein kombinierter Flansch 12 des Turbinengehäuses 4 befestigt, wozu beispielsweise eine übliche Schraubverbindung 13 vorgesehen sein kann. Alternativ ist es möglich, den Abgaskrümmer 7 und das Turbinengehäuse 4 einteilig, beispielsweise als Gußteil oder Schweißteil, auszubilden.
Ferner zeigt 1, dass bei dem Beispiel eines Vierzylinder-Motors der Abgasturbolader 3 idealerweise mittig zwischen Zylinder Z2 und Zylinder Z3 angeordnet wird.
Das Ziel der annähernd gleichen Gesamtvolumina und Gesamtlängen der beiden Fluten ist prinzipiell durch zwei unterschiedliche Kombinationen von Krümmer- und Turbinengehäusegeometrie erreichbar.
Ein Zwillingsstromturbinengehäuse mit nahezu gleichen Fluten erfordert einen Krümmer, dessen Fluten ebenfalls annähernd gleich sind (s. 6). Die Kombination aus beiden führt dann zwangsläufig zu nahezu gleichen Gesamtfluten der Abgaszuführeinheit.
Ein Doppelstromturbinengehäuse mit deutlich verschiedenen Fluten erfordert eine Krümmergeometrie mit ebenfalls unterschiedlichen Fluten. Durch eine entsprechende Kombination von kurzen und langen Einzelfluten von Turbinengehäuse und Krümmer können annähernd gleiche Gesamtfluten der Abgaszuführeinheit erreicht werden.
Die Ausführungsform gemäß 2 stellt ein Doppelstrom-Turbinengehäuse mit axial benachbarten Spiralfluten 5 und 6 dar. Sie entspricht im Wesentlichen derjenigen der 1, so dass dieselben Bezugsziffern Verwendung gefunden haben und so dass bezüglich aller Übereinstimmungen auf die voranstehende Beschreibung der 1 verwiesen werden kann.
Bei dem Turbolader 3 gemäß 3 handelt es sich um einen Turbolader mit variabler Turbinengeometrie, so dass das Turbinengehäuse 4 einen Leitapparat 14 mit einer Mehrzahl von verstellbaren Schaufeln aufweist, von denen eine repräsentativ für sämtliche Schaufeln mit der Bezugsziffer 15 gekennzeichnet ist. Die sonstigen Komponenten einer derartigen variablen Turbinengeometrie sind in 2 nicht dargestellt, da sie für die Erläuterung der Prinzipien vorliegender Erfindung nicht erforderlich sind. Bei der besonders bevorzugten Ausführungsform gemäß 2 ist der Leitapparat 14 mit einer Leitapparat-Flutentrennung 16, 17 versehen, die eine Verlängerung der Flutentrennung der beiden Fluten 5 und 6 in den Bereich des Leitapparates 14, also zwischen die Schaufeln 15, darstellt. Hierfür ist es beispielsweise möglich, Stege, wie sie in 2 und 3 sichtbar sind, im Leitapparat zu integrieren, wobei es möglich ist, hierfür auch die im Leitapparat 14 ohnehin vorgesehenen Distanzelemente 23, 22 zu verwenden oder diese mit Stegen, wie im Falle der Stege 18 und 19 (s. 4), zu kombinieren.
Wie sich insbesondere aus 4 erschließt, ergibt sich hierdurch eine Verlängerung der Flutentrennungen 20 und 21 im Turbinengehäuse 4 bis in den Bereich des Leitgitters 14.
Die Beeinflussung der Abgaslauflängen der beiden Fluten im Turbinengehäuse 4 kann auch durch den Verzicht eines gemeinsamen Flansches und die Anordnung von mehreren Flanschen 24, 25 an verschiedenen Positionen am Umfang des Turbinengehäuses 4 erreicht werden, wie in 5 dargestellt. Dies bietet sich vor allem beim V-Motor an, bei dem das Turbinengehäuse 4 im „V” des Motors 8 angeordnet werden kann und jede Zylinderbank 26, 27 eine Flut 10 bzw. 9 bildet, die separat zum Turbinengehäuse 4 geführt und mit einem separaten Flansch 24 bzw. 25 versehen werden kann. Bevorzugt ist hierbei eine gegenüberliegende bzw. um 180° versetzte Anordnung der beiden Flansche 24, 25.
Es ist ferner möglich, die erfindungsgemäßen Prinzipien bei einem Turbinengehäuse mit einer Waste-Gate-Klappen-Vorrichtung zum Einsatz zu bringen. Auch die Kombination einer variablen Turbinengeometrie und einer Waste-Gate-Klappe ist möglich.
Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung der Erfindung wird hiermit ergänzend auf deren zeichnerische Darstellung in den 1 bis 6 Bezug genommen.
Bezugszeichenliste

1: Abgas-Zuführvorrichtung
2: Turbinenrad
3: Abgasturbolader
4: Turbinengehäuse
5: Erste Flut
6: Zweite Flut
7: Abgaskrümmer
8: Verbrennungsmotor
9: Erste Krümmerflut
10: Zweite Krümmerflut
11, 12: Flansche
13: Schraubverbindung
14: Leitapparat
15: Schaufeln
16, 17: Flutentrennung im Leitgitter 14
18, 19: Stege zur Flutentrennung
20, 21: Flutentrennung im Turbinengehäuse 4
22, 23: Distanzelemente
24, 25: Flansche
26, 27: Zylinderbank
Z1–Z4: Zylinder
R: Radialrichtung

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 102007017826 A1 [0002]
WO 2008/028666 A1 [0018]

Claims

Abgas-Zuführvorrichtung (1) eines Turbinenrades (2) eines Abgasturboladers (3) – mit einem zweiflutigen Turbinengehäuse (4), • das eine erste Flut (5) mit einer ersten Spirallänge zur Bildung eines ersten Volumens, und • das eine zweite Flut (6) mit einer zweiten Spirallänge zur Bildung eines zweiten Volumens aufweist, gekennzeichnet durch – einen mit einem Verbrennungsmotor (8) verbindbaren Abgaskrümmer (7), • der eine erste Krümmerflut (9) aufweist, die erste Zylinder (Z1, Z4) des Verbrennungsmotors (8) zur Bildung einer ersten Krümmer-Abgaslauflänge mit einem ersten Volumen verbindet, und • der eine zweite Krümmerflut (10) aufweist, die zweite Zylinder (Z2, Z3) zur Bildung einer zweiten Krümmer-Abgaslauflänge mit einem zweiten Volumen verbindet, • wobei die Krümmerfluten (9, 10) mit den Fluten (5, 6) des Turbinengehäuses (4) derart kombinierbar sind, dass nahezu gleiche Gesamt-Abgaslauflängen der kombinierten Fluten (9, 10, 5, 6) entstehen.
Zuführvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden kombinierten Fluten annähernd gleiche Gesamt-Volumina aufweisen.
Zuführvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (4) ein Doppelstromgehäuse ist.
Zuführvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (4) ein Zwillingsstromgehäuse ist.
Zuführvorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (4) mit einer variablen Turbinengeometrie mit einem Leitapparat (14) und verstellbaren Schaufeln (15) versehen ist.
Zuführvorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (4) mit einer variablen Turbinengeometrie mit einem Leitapparat (14) mit verstellbaren Schaufeln (15) und einer Waste-Gate-Klappe versehen ist.
Zuführvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Leitapparat (14) mit einer Leitapparat-Flutentrennung (16, 17, 18, 19) versehen ist.
Zuführvorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (4) mit einer Waste-Gate-Klappen-Vorrichtung versehen ist.
Zuführvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (4) und der Abgaskrümmer (7) mittels einer lösbaren Verbindungseinrichtung miteinander verbindbar sind.
Zuführvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung als Flanschverbindung (11, 12) mit einer Schraubverbindung (13) ausgebildet ist.
Zuführvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Flut (6, 5) des Turbinengehäuses (4) örtlich verschieden positionierte Flanschverbindungen haben.
Zuführvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (4) und der Abgaskrümmer (7) einstückig miteinander ausgebildet sind.
Zuführvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (4) und der Abgaskrümmer (7) verschweißt sind oder als einstückiges Gussteil ausgebildet sind.
Abgasturbolader (3) mit einer Abgas-Zuführvorrichtung (1) für ein Turbinenrad (2) und mit einem zweiflutigen Turbinengehäuse (4) gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, gekennzeichnet durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.
Abgasturbolader nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch wenigstens eines der Merkmale der Ansprüche 2 bis 13.