AT501234B1 - Abgasturbine für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Description

2 AT 501 234 B1

Die Erfindung betrifft eine Abgasturbine für eine Brennkraftmaschine, mit einem doppelflutigen Spiralgehäuse mit einer ersten und einer zweiten Einlaufspirale und einem um eine Drehachse drehbaren Laufrad, wobei zwischen den beiden Einlaufspiralen zumindest eine Trennwand angeordnet ist, wobei die Einlaufspiralen in Bezug auf die Drehachse des Laufrades verdreht 5 zueinander angeordnet sind.

Um die den Ladungswechsel beeinträchtigenden Abgasströme der einzelnen Zylinder trennen zu können, ohne einen weiteren Turbolader verbauen zu müssen, werden üblicherweise Turbinengehäuse in Zwillingsstromausführung umgesetzt. 10

Bedingt durch die großflächige ungekühlte Trennwand zwischen den beiden Einlaufspiralen sind diese Turbinengehäuse allerdings nur begrenzt temperaturfest, so dass, speziell bei Otto-Motoren, eine den Wirkungsgrad beeinträchtigende Absenkung der Abgastemperaturen vorgenommen werden oder extrem teuere Materialien verwendet werden müssen, um eine dauer-15 haltbare Verwendung deutlich über den Bereich von 950° bis 1000°C hinaus zu ermöglichen. Derartig hohe Temperaturen sind zwar für den Motor wirkungsgradvorteilhaft, können aber für den stromabwärts der Turbine angeordneten Katalysator problematisch werden. Konstruktiv sind Zwillingsstromturbinen zwar vorteilhaft kompakt, die zur Zündfolgetrennung erforderliche Gasführung zwischen Motor und Turbine aber speziell bei 4-Zylinder-Motoren ungünstig verwi-20 ekelt. Bei Brennkraftmaschinen mit zwei Zylinderbänken und einer zentral angeordneten Turbine sind hingegen starke Umlenkungen in das Turbinengehäuse erforderlich.

Abgasturbinen mit doppelflutigen Spiralgehäusen sind beispielsweise aus den Veröffentlichungen US 6,715,288, JP 63-134815 A und WO 00/73630 A1 bekannt. Obwohl die Einlaufspiralen 25 zum Teil mit unterschiedlichen Geometrien ausgeführt sind, ist insbesondere im Bereich der Trennwand zwischen den beiden Einlaufspiralen die Wärmeabfuhr problematisch.

Die WO 2002/27164 A1 offenbart eine Abgasturbine für eine Brennkraftmaschine mit einem doppelflutigen Spiralgehäuse mit zwei separaten Einlaufspiralen, wobei zwischen den Einlauf-30 spiralen eine Trennwand angeordnet ist. Die Einlaufspiralen sind im Bezug auf die Drehachse des Laufrades verdreht und weisen getrennte Eintrittsflansche auf. Ähnliche Abgasturbinen sind auch aus der WO 2003/080999 A1 und WO 2005/040560 A1 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und bei einer Abgasturbine mit 35 einem doppelflutigen Spiralgehäuse die thermische Bauteilbeanspruchung zu verbessern, um den Betrieb mit hoher Abgastemperatur zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass das Spiralgehäuse vorzugsweise im Bereich der Trennwand zwischen den beiden Einlaufspiralen zumindest einen Kühlkanal für ein Kühl-40 medium aufweist.

Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr kann vorgesehen sein, dass der Waste-Gate-Kanal von zumindest einem Kühlwasserkanal umgeben ist. Die Gestaltung des Kühlwassermantels ist derart gewählt, dass die Verwendung von Leichtmetall anstelle von Hochtemperaturmaterialien 45 möglich wird.

Die Einlaufspiralen sind zueinander um einen solchen Winkel verdreht, dass zumindest ein Bereich mit größerer radialer Weite der einen Einlaufspirale neben zumindest einem Bereich mit geringerer radialer Weite der anderen Einlaufspirale angeordnet ist. Dadurch wird die üblicher-50 weise kritische Trennwand zwischen den Einlaufspiralen auf wesentlichen Bereichen ihrer Fläche nicht mehr beidseitig dem heißen Abgas ausgesetzt. Die radiale Erstreckung der beidseitig beheizt verbleibenden Trennwand ist wesentlich geringer und die der Umgebung zugewandten kühlenden, bzw. aktiv mit Wasserdurchtritten gekühlten Außenflächen größer. 55 Dadurch, dass die Waste-Gate-Kanäle ebenfalls vom Kühlwassermantel umgeben sind, kann 3 AT 501 234 B1 bei Abblasebetrieb (hohe Leistung) die thermische Last des Katalysators reduziert werden, ohne zusätzliche Anfettung im Zylinder.

Die getrennte Ausführung der Eintrittsflansche hat den Vorteil, dass thermomechanisch kritische 5 doppelnierenförmige Eintrittsflansche vermieden werden können.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Zuläufe zu den einzelnen Einlaufspiralen gemäß den konstruktiven Gegebenheiten des Motors und unter Berücksichtigung der Zündfolgetrennung strömungsgünstig gestaltet werden können. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Einlaufspiralen io um einen Winkel von mindestens 90°, vorzugsweise mindestens 120°, besonders vorzugsweise 180° in Bezug auf die Drehachse des Laufrades verdreht angeordnet sind.

Um bei einer Reihen-Brennkraftmaschine möglichst gleiche Strömungslängen zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn ein erster Zulauf zur ersten Einlaufspirale kürzer ausgebildet ist als ein 15 zweiter Zulauf zur zweiten Einlaufspirale, wobei vorzugsweise der erste Zulauf mit den äußersten Zylindern und der zweite Zulauf mit den zwischen den äußersten Zylindern angeordneten inneren Zylindern verbunden ist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. 20

Es zeigen schematisch Fig. 1 die Einlaufspiralen einer erfindungsgemäßen Abgasturbine in einer ersten Ausführungsvariante für eine V-Brennkraftmaschine, Fig. 2 die Einlaufspiralen einer erfindungsgemäßen Abgasturbine in einer zweiten Ausführungsvariante für eine Reihenbrennkraftmaschine mit Zündfolgetrennung, Fig. 3 die Abgasturbine in einem Schnitt gemäß der 25 Linien lll-lll in Fig. 1, bzw. Fig. 2 und Fig. 3a eine Variante der in Fig. 3 dargestellten Abgasturbine.

Funktionsgleiche Bauteile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen. 30

Fig. 1 zeigt eine Abgasturbine 10 für eine Brennkraftmaschine mit einem doppelflutigen Spiralgehäuse 12 mit einer ersten und einer zweiten Einlaufspirale 14, 16. Die beiden Einlaufspiralen 14, 16 sind in Bezug auf die Drehachse 34a eines Laufrades 34 um einen Winkel α von etwa 180° verdreht zueinander angeordnet. 35

In die erste Einlaufspirale 14 mündet der durch den Pfeil 18 angedeutete Abgasstrom einer ersten Zylinderbank A und in die zweite Einlaufspirale 16 der Abgasstrom 20 einer zweiten Zylinderbank B. In Folge der gegenseitigen Verdrehung der Einlaufspiralen 14, 16 um etwa 180° sind die Eintrittsflansche 22, 24 getrennt und auf verschiedenen Seiten der Abgasturbine 40 10 angeordnet, was besonders bei V-Brennkraftmaschinen mit zentraler Anordnung des Abgas turboladers von Vorteil für die Gasführung sein kann.

Mit Bezugszeichen 26, 28 sind Waste-Gate-Kanäle zur Umgehung des Laufrades 34 angedeutet. Die Trennwand 30 zwischen den beiden Einlaufspiralen 14, 16, sowie die Waste-Gate-45 Kanäle 26, 28 werden mittels in Fig. 1 durch strichlierte Linien angedeutete Kühlwasserkanäle 32 gekühlt.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Abgasturbine 10 für eine Reihenbrennkraftmaschine mit vier in Reihe angeordneten Zylindern 1, 2, 3, 4. Mit Bezugszeichen 38, 40, 42, 44 sind in die so erste, bzw. zweite Einlaufspirale 14, 16 mündende Abgasströme bezeichnet, wobei eine Zündfolgetrennung der Abgasströme durchgeführt wird. Auch hier sind die beiden Einlaufspiralen 14, 16 gegeneinander um einen Winkel α von etwa 120° bis 180° verdreht, um die Trennwand 30 freizustellen. Der Zulaufteil 16c der Einlaufspirale 16 ist jedoch so gestaltet, dass die Eintrittsflansche 22, 24 der beiden Turbinenaustritte 22a, 24a so zu liegen kommen, dass sich eine 55 vorteilhafte Gestaltung des Auspuffkrümmers ergibt. Dabei erfolgt die Verschaltung der Einlauf-

Claims (7)

1. 4 AT501 234B1 spiralen 14, 16 mit den Zylindergruppen vorzugsweise derart, dass der sehr kurz ausgeführte Zulauf 14c mit den äußeren Zylindern 1, 4 und der vergleichsmäßig lange Zulauf 16c mit den inneren Zylindern 2, 3 verbunden ist. Dadurch vergleichmäßigen sich die Strömungslängen zwischen den Zylindern 1, 2, 3, 4 und den Laufradeintritten über ein heute übliches Ausmaß 5 hinaus. Durch die Verdrehung der beiden Einlaufspiralen 14, 16 um einen Winkel α von etwa 120° bis 180° können die Zuläufe 14c, 16c zu den einzelnen Einlaufspiralen 14, 16 strömungsgünstig und unter Berücksichtigung der Zündfolgetrennung konstruktiv einfach und platzsparend durchgeführt werden. Die Eintrittsflansche 22, 24 sind voneinander getrennt ausgebildet, wodurch ein thermomechanisch hinsichtlich Rissbildung kritischer doppelnierenförmiger Ein-io trittsflansch vermieden werden kann. Die beiden Spiralen 14, 16 sind um einen solchen Winkel α verdreht, dass Bereiche 16a, 14a mit größerer radialer Weite W der einen Einlaufspirale 16, 14 neben Bereichen 14b, 16b mit geringer radialer Weite w der anderen Einlaufspirale 14, 16 positioniert werden können. Dies bewirkt, dass die thermisch kritische Trennwand 30 zwischen den beiden Einlaufspiralen 14,16 auf wesentlichen Bereichen ihrer Fläche nicht mehr beidseitig 15 den heißen Abgasen ausgesetzt ist und die radiale Erstreckung der beidseitig beheizt verbleibenden Trennwand 30 wesentlich geringer ist. Auch bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsvariante können die Einlaufspiralen 14, 16 speziell im Bereich der Trennwand 30 mit einem durch Kühlkanäle 32 gebildeten Kühlwassermantel versehen sein. Die Gestaltung des Kühlwassermantels ist so gewählt, dass Leichtmetall anstelle von kostenaufwendigen Hoch-20 temperaturwerstoffen als Material für das Spiralgehäuse 12 eingesetzt werden kann. Patentansprüche: 1. Abgasturbine (10) für eine Brennkraftmaschine, mit einem doppelflutigen Spiralgehäuse (12) mit einer ersten und einer zweiten Einlaufspirale (14,16) und einem um eine Drehachse (34a) drehbaren Laufrad (34), wobei zwischen den beiden Einlaufspiralen (14, 16) zumindest eine Trennwand (30) angeordnet ist, wobei die Einlaufspiralen (14, 16) in Bezug auf die Drehachse (34a) des Laufrades (34) verdreht zueinander angeordnet sind, dadurch 30 gekennzeichnet, dass das Spiralgehäuse (12) vorzugsweise im Bereich der Trennwand (30) zwischen den beiden Einlaufspiralen (14, 16) zumindest einen Kühlkanal (32) für ein Kühlmedium aufweist.
2. 2. Abgasturbine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bereich 35 (14a, 16a) mit größerer radialer Weite (W) der einen Einlaufspirale (14, 16) neben zumin dest einem Bereich (16b, 14b) mit geringerer radialer Weite (w) der anderen Einlaufspirale (16, 14) angeordnet ist.
3. 3. Abgasturbine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlaufspira- 40 len (14, 16) um einen Winkel (α) von mindestens 90°, vorzugsweise mindestens 120°, be sonders vorzugsweise 180° in Bezug auf die Drehachse (34a) des Laufrades (34) verdreht angeordnet sind.
4. 4. Abgasturbine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die 45 beiden Einlaufspiralen (14,16) getrennte Eintrittsflansche (22, 24) aufweisen.
5. 5. Abgasturbine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für eine Brennkraftmaschine mit zumindest drei in Reihe angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Zulauf (14c) zur ersten Einlaufspirale (14) kürzer ausgebildet ist als ein zweiter so Zulauf (16c) zur zweiten Einlaufspirale (16), wobei vorzugsweise der erste Zulauf (14c) mit den äußersten Zylindern (1, 4) und der zweite Zulauf (16c) mit den zwischen den äußersten Zylindern (1,4) angeordneten inneren Zylindern (2, 3) verbunden ist.
6. 6. Abgasturbine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit zumindest einem Waste-Gate- 55 Kanal (26, 28) zur Umgehung des Laufrades (34), dadurch gekennzeichnet, dass der 5 AT 501 234 B1 Waste-Gate-Kanal (26, 28) von zumindest einem Kühlkanal (32) umgeben ist.
7. 7. Abgasturbine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiralgehäuse (12) aus Leichtmetall besteht. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55