AT506001B1 - Abgasturbine für einen abgasturbolader - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasturbine (1) für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, mit einem Turbinengehäuse (2), welches eine Zulaufspirale (3) für ein Laufrad (5) ausbildet, wobei die Zulaufspirale (3) einen Eintritt (4) des Laufrades (5) umgibt, wobei das Laufrad (5) sich zwischen dem Eintritt (4) und einem Austritt (6) in einem Laufschaufelraum (7) erstreckende Laufschaufeln (8) aufweist, wobei die Abgasturbine (1) zumindest einen internen Umgehungsströ-mungsweg (9, 9a) mit veränderbarem Querschnitt für Abgas aufweist, welcher stromabwärts des Austrittes (6) wieder in den Abgasstrang einmündet. Um auf möglichst einfache Weise bei kleinkonzipierten Abgasturbinen ein Stopfen bei hohen Drehzahlen zu vermeiden, ist vorgesehen, dass der interne Umgehungsströmungsweg (9, 9a) stromabwärts des Eintrittes (4) des Laufrades (5) vom Laufschaufelraum (7) ausgeht.

Description

österreichisches Patentamt AT 506001 B1 2010-08-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Abgasturbine für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, mit einem Turbinengehäuse, welches eine Zulaufspirale für ein Laufrad ausbildet, wobei die Zulaufspirale einen Eintritt des Laufrades umgibt, wobei das Laufrad sich zwischen dem Eintritt und einem Austritt in einem Laufschaufelraum erstreckende Laufschaufeln aufweist, wobei die Abgasturbine zumindest einen internen Umgehungsströmungsweg mit veränderbarem Querschnitt für Abgas aufweist, welcher stromabwärts des Austrittes wieder in den Abgasstrang einmündet, wobei der interne Umgehungsströmungsweg stromabwärts des Eintrittes des Laufrades vom Laufschaufelraum ausgeht.

[0002] Die Trägheit und damit der Durchmesser des Laufrades der Abgasturbine ist ein maßgeblicher Faktor für das Beschleunigungsverhalten des Abgasturboladers und der Brennkraftmaschine beim raschen Übergang von Teillast auf Volllast. Bekannte Bauformen von Abgasturboladern, beispielsweise solche mit einem sogenannten „wastegate", sind bei zunehmender Verkleinerung der Laufzeugabmessungen hier speziell durch die Betriebsbedingungen beim Ottomotor mit Kompromissen behaftet. Alternative Abgasturbinen mit variabler Turbinengeometrie (VTG), wie sie bei Dieselmotoren Standard sind, würden zwar vorteilhaft kleinere Laufräder als mit Wastegate-Turbinen ermöglichen, haben jedoch Probleme im Betriebsumfeld des Ottomotors hinsichtlich Temperatur und Güte des Ladungswechsels, und sind mit erheblichen Mehrkosten verbunden, ohne dass eine dem Mehraufwand angemessene Verbesserung der Motorkennwerte eintreten würde. Andere Formen variabler Turbinen mit beispielsweise Schiebehülsen als Regelorganen für variable Radbeaufschlagung konnten ihre Eignung bislang nicht erfolgreich nachweisen.

[0003] Ziel ist daher die Ausführung einer einfach gestalteten Turbine mit vergleichsweise sehr kleinem Laufrad und variabler Schluckfähigkeit, welche speziell im thermisch hoch belasteten Umfeld des Ottomotors einsetzbar ist und im gesamten Betriebsbereich gute Aufladewirkungsgrade, also hohen Ladedruck bei vergleichsweise moderatem Abgasgegendruck bereitstellen kann.

[0004] In der Praxis werden bei Ottomotoren überwiegend fixe Turbinen mit sogenann-tem „Wastegate" verwendet, die jeweils ein relativ kleines Laufrad aufweisen, welches im unteren Drehzahlbereich des Motors vom gesamten Abgas durchströmt wird, wobei bei höheren Motordrehzahlen zur Ladedruckerzeugung überschüssiges Abgas über eine Bypassklappe („Wastegate") das Laufrad umströmt. Damit erhält man zwar ein relativ kleines und wenig träges Laufrad, bei hohen Motordrehzahlen muss jedoch wegen der eingeschränkten Schluckfähigkeit eines solchen Rades und des Bypasses einer nennenswerten Teilmenge des Abgases (bis zu 40%) der Druck der Restmenge vor der Abgasturbine deutlich erhöht werden, um die zur Ladedruckerzeugung nötige Turbinenleistung zu erhalten, was die Ausschiebearbeit des Motors sowie die Abgastemperatur erhöht. Dies führt, insbesondere wenn damit beim Ottomotor ein durch vermehrtes Klopfen bedingtes Spätstellen des Zündzeitpunktes einhergeht, zu einer Zunahme der Gemischanfettung zur Einhaltung von Grenztemperaturen der Turbine und folglich zu einem beträchtlichen Anstieg des Kraftstoffverbrauches. Die Abstimmung einer Waste-gate-Abgasturbine an die Brennkraftmaschine erfolgt immer als Kompromiss zwischen engem Austrittsquerschnitt am Laufrad der Abgasturbine und engem Hals der Zulaufspirale (begünstigen Arbeitsabgabe bei niedrigen Durchsätzen, limitieren den Durchsatz nach oben) und großem Austrittsquerschnitt am Laufrad bzw. Hals der Zulaufspirale (erweitern den Gasdurchsatz, reduzieren Arbeitsabgabe bei kleinen Durchsätzen). Die Arbeitsabgabe des Impulses des Arbeitsgases erfolgt daher gemischt an Ein- und Austritt des Laufrades, wobei bei höheren Durchsätzen eine zunehmend große Gasmenge überhaupt nicht an der Arbeitsabgabe teilnimmt (Bypass) und den an sich gleichmäßig hohen Turbinenwirkungsgrad entsprechend schmälert. Eine Wastegate-Abgasturbine ist einfach zu regeln, kommt aber bei spezifischen Leistungen > ca. 80 kW/L zunehmend in Zielkonflikte bezüglich Läuferträgheit (Raddurchmesser) und Gegendruck (Schluckfähigkeit), was Kompromisse beim Ansprechverhalten und dem Kraftstoffverbrauch bei höheren Leistungen bedingt. 1/10 österreichisches Patentamt AT506 001 B1 2010-08-15 [0005] Weiters werden Abgasturbinen mit variabler Geometrie VTG (hauptsächlich mit verstellbaren Leitschaufeln am Eintritt des Laufrades der Abgasturbine) mittlerweile auch beim Ottomotor verwendet. Neben der Variabilität des Schluckverhaltens besteht aufgrund der Regelung der Strömung am Radeintritt gegenüber der Wastegate-Abgasturbine der Vorteil, dass - bezogen auf einen bestimmten maximalen Gasdurchsatz, noch kleinere Laufräder mit tendenziell geringerer Trägheit eingesetzt werden können. Dies gilt speziell für jenen Fall, wenn eine sehr kleine VTG-Abgasturbine mit einem zusätzlichen Wastegate kombiniert wird. Allerdings ist die Anwendung von VTG-Abgasturbinen bei Ottomotoren durch die wesentlich höheren Gastemperaturen als beim Dieselmotor sehr aufwendig und entsprechend limitiert. Die VTG-Abgasturbine baut in der Regel auf einen sehr großen Austrittsquerschnitt am Turbinenrad (für maximalen Gasdurchsatz bei geöffneten Leitschaufeln) und auf die Eintrittsregelung der Schlucklinie im Schaufelbereich (Maximierung des Eintrittsimpulses des Arbeitsgases bei kleinen Mengen, aufgrund des großen Austrittsquerschnittes am Laufrad der Abgasturbinen verlagert sich die Arbeitsabgabe an das Laufrad mehr an den Eintritt). Der Eintritt in das Laufrad hat bei der VTG-Abgasturbine einen größeren Anteil an der Arbeitsabgabe des Impulses des Arbeitsgases als bei der Waste-gate-Abgasturbine. Zudem nimmt im allgemeinen der gesamte Gasstrom an der Arbeitsabgabe teil, wobei in den Randbereichen der Durchsatzregelung, also bei sehr kleinen und sehr großen Durchsätzen, die Wirkungsgrade stark abfallen und diese Bereiche für den Ottomotor wegen der durch den resultierenden hohen Abgasgegendruck verbundenen Restgasproblematik nicht nutzbar sind. Die Regelung ist durch den direkten Eingriff in die Schlucklinie und die damit einhergehende Beeinflussung des Turbinenwirkungsgrades sehr sensibel. Selbst wenn eine (wünschenswert sehr kleine) VTG-Abgasturbine mit einem Wastegate betrieben würde, wäre der Abblasanteil deutlich geringer als bei einer Wastegate-Turbine. Die VTG-Abgasturbine ist weniger gut für hohe Gastemperaturen geeignet als die Wastegate-Abg asturbine, sodass eine Reduktion des Anfettungsbedarfes und somit des Kraftstoffverbrauches aufgrund der Gegendruckabsenkung (höheres Schluckvermögen) relativ gering ausfallen wird.

[0006] Die US 4 776 168 A beschreibt einen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine mit variabler Turbinengeometrie, wobei das Turbinengehäuse der Abgasturbine eine zweiflutige Zulaufspirale ausbildet. Konzentrisch zum Laufrad ist ein Steuerschieber vorgesehen, mit welchen eine Flut der Zulaufspirale auf- oder zugesteuert werden kann.

[0007] Die US 6 715 288 B1 offenbart eine ähnliche Abgasturbine für einen Abgasturbolader, wobei über einen Steuerschieber eine von zwei Fluten einer Zulaufspirale gesteuert werden kann. In zumindest einer Stellung des Steuerschiebers kann die gesteuerte Flut mit einer Umgehungsleitung strömungsverbunden werden, so dass Abgas dieser Flut am Laufrad vorbeigeleitet werden kann. Das Laufrad wird somit entweder voll- oder teilweise mit Abgas beaufschlagt.

[0008] Derartige Abgasturbinen haben den Nachteil einer ungünstigen Wirkungsgradcharakteristik, da es bei geschlossener zweiter Flut zu Störungen der Strömung in den Schaufelkanälen durch Rezirkulationen und bei sich öffnender zweiter Flut zu unterschiedlichen Einströmrichtun-gen in das Laufrad kommen kann.

[0009] Aus der DE 26 24 312 A1 ist eine Abgasturbine bekannt, bei der eine Ringzone zwischen den radial äußersten Kanten der Laufschaufeln an der Auslassseite des Laufrades und der Innenseite des Auslasskanals vorgesehen ist. Koaxial zur Drehachse des Laufrades ist ein Steuerring angeordnet, der zumindest teilweise in die Ringzone ragt und dessen radiale Wandstärke geringer ist als die Dicke der Ringzone, wobei der Steuerring axial vor- und rückbewegbar gelagert ist. Dadurch tritt das in das Laufrad eintretende Gas im einen Totpunkt des Steuerringes im Wesentlichen axial aus dem Laufrad aus und tritt im vom Laufrad entfernten Totpunkt teilweise radial aus dem Laufrad und axial zwischen dem Auslasskanal und dem Steuerring aus.

[0010] Weiters ist aus der DE 101 49 287 A1 ein Abgas-Turbolader für eine Brennkraftmaschine bekannt, welcher einen Abgaseinströmbereich und einen Abgassammler mit zumindest einem Abgasausströmbereich aufweist, wobei der Abgaseinströmbereich stromabwärts des 2/10 österreichisches Patentamt AT 506001 B1 2010-08-15

Abgasausströmbereiches angeordnet ist. Dabei ist eine Klappe zum An- und Abschalten des Abgasmassenstroms vom Abgas-Ausstrombereich im Abgas-Einströmbereich vorgesehen.

[0011] Es ist die Aufgabe der Erfindung, auf möglichst einfache Weise eine kostengünstige und kleindimensionierte Abgasturbine bereitzustellen, welche in einem weiten Betriebsbereich ersetzbar ist.

[0012] Insbesondere soll eine Abgasturbine bereitgestellt werden, mit welcher mit möglichst geringem Aufwand sowohl Vorteile beim transienten Betrieb als auch beim Gegendruck (Verbrauch) bei hohen Leistungen und Abgastemperaturen realisiert werden können.

[0013] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Einmündung vom Laufschaufelraum in den Umgehungsströmungsweg durch zumindest eine Lochreihe im Wandabschnitt des Turbinengehäuses zwischen Eintritt und Austritt gebildet ist, welche vorzugsweise in zumindest einen Sammelraum des Umgehungsströmungsweges einmündet.

[0014] Durch den internen Umgehungsströmungsweg wird einerseits eine signifikante Erweiterung der Schluckcharakteristik da das Schluckvermögen nicht mehr alleine durch den Querschnitt am Radaustritt bestimmt wird. Andererseits wird am Eintritt des Laufrades noch die gesamte Abgasmenge durchgesetzt und zur Arbeitsabgabe in den Schaufelkanälen des Laufrades mit gutem Wirkungsgrad bis hin zu den Abstromöffnungen des internen Bypasses genutzt. Solcherart kann der auf die Brennkraftmaschine rückwirkende Gegendruck auch bei Verwendung eines vergleichsweise kleinen Turbinenrades bei hohen Drehzahlen niedrig gehalten werden. Folglich können sowohl niedrige Kraftstoffverbrauchswerte bei höheren Drehzahlen als auch hoher Ladedruck und gutes Verhalten im instationären Betrieb bei niedrigen Drehzahlen erreicht werden.

[0015] Wesentlich ist, dass die Regelung der Turbinenleistung hauptsächlich nicht durch Abblasen vor der Turbine oder durch Verändern der Anströmung des Turbinenrades erfolgt, sondern durch ein Abblasen stromabwärts des Eintrittes des Laufrades. Der Umgehungsströmungsweg geht dabei von einem Wandabschnitt des Turbinengehäuses zwischen dem Eintritt und dem Austritt des Laufrades aus, welcher vorzugsweise im Bereich der stromabwärtigen Hälfte, besonders vorzugsweise im Bereich des Austrittsseitigen Drittels des Laufrades angeordnet ist. In diesem Bereich weisen die Laufschaufeln des Laufrades üblicherweise Ihre stärkste Krümmung auf, welche ein Stopfen des Laufrades bei zunehmenden Durchsätzen bewirken würden. Noch bevor ein Stopfen einsetzen kann, wird das überschüssige Abgas über die Umgehungskanäle aus dem Laufschaufelraum abgezogen. Bis dahin wird das gesamte oder - bei extrem kleiner Auslegung des Turbinenrades und Vorhandensein eines kleinen Wastegates -der bei weitem überwiegende Anteil des Abgases (mehr als 75%), zur Arbeitsabgabe an das Laufrad verwendet.

[0016] Dabei kann vorgesehen sein, dass der Querschnitt des internen Umgehungsströmungswegs durch ein Steuerorgan veränderbar ist. Das Steuerorgan kann durch eine Steuerklappe oder durch einen Steuerschieber oder Anordnungen mehrerer dieser Organe gebildet sein. Das Steuerorgan kann dabei durch einen Aktuator kennfeldgesteuert verstellt werden. Es ist auch möglich, dass das Steuerorgan oder der Aktuator selbsttätig druckabhängig, beispielsweise in Abhängigkeit des Druckes im Bereich des Eintrittes oder in Abhängigkeit des Ladedruckes, gesteuert werden. Weiters kann das Steuerorgan auch durch eine federbelastete Stauklappe oder ein Überdruckventil gebildet sein.

[0017] Zur Erweiterung der Durchsatzspreizung ist es dabei vorteilhaft, wenn eine zweite Lochreihe im Wandabschnitt angeordnet ist, welche vorzugsweise über einen zweiten Sammelraum zu einem weiteren Umgehungsströmungsweg führt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Durchsätze durch die Umgehungsströmungswege der ersten und zweiten Lochreihen unabhängig voneinander steuerbar sind, wobei in der Reihenfolge der Betätigung der Umgehungsströmungsweg der dem Austritt näher liegenden Lochreihe höhere Priorität zukommt.

[0018] In einer besonders einfachen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zulaufspirale einflutig ausgebildet ist. Dies ermöglicht es, den Herstellungsaufwand auf ein Mindest- 3/10 österreichisches Patentamt AT506 001 B1 2010-08-15 maß zu beschränken.

[0019] Alternativ zu einer aktiven Steuerung des Querschnittes des Umgehungsströmungswegs kann vorgesehen sein, dass der Querschnitt des Umgehungsströmungswegs selbsttätig temperaturabhängig veränderbar ist.

[0020] In weiterer Ausführung der Erfindung ist es auch möglich, dass der Umgehungsströmungsweg durch ein thermisches Steuerorgan veränderbar ist, wobei vorzugsweise das thermische Steuerorgan ein Bimetallelement aufweist.

[0021] Weiters kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass das Steuerorgan durch ein das Laufrad teilweise umgebendes spiralförmiges Metallband gebildet ist, welches vorzugsweise durch einen Steller zusammenziehbar oder erweiterbar ist.

[0022] Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Figuren näher erläutert.

[0023] Es zeigen [0024] Fig. 1 [0025] Fig. 2 [0026] Fig. 3 [0027] Fig. 4 [0028] Fig. 5 [0029] Fig. 6 [0030] Fig. 7 [0031] Fig. 8 [0032] Fig. 9 [0033] Fig. 10 eine erfindungsgemäße Abgasturbine in einem Längsschnitt in einer ersten Ausführungsvariante mit geschlossenem Steuerschieber, diese Abgasturbine mit geöffnetem Steuerschieber, eine erfindungsgemäße Abgasturbine in einem Längsschnitt in einer zweiten Ausführungsvariante, eine erfindungsgemäße Abgasturbine in einem Längsschnitt in einer dritten Variante, eine erfindungsgemäße Abgasturbine in einem Längsschnitt in einer vierten Ausführungsvariante, eine erfindungsgemäße Abgasturbine in einem Längsschnitt in einer fünften Ausführungsvariante mit geschlossenem Umgehungsströmungsweg, diese Abgasturbine in einem Längsschnitt mit geöffnetem Umgehungsströmungsweg, diese Abgasturbine in einem Schnitt gemäß der Linie VIII- VIII in Fig. 7, eine erfindungsgemäße Abgasturbine in einem Längsschnitt in einer sechsten Ausführungsvariante bei beigeschlossenen Umgehungsströmungsweg, diese Abgasturbine in einem Längsschnitt bei geöffnetem Umgehungsströmungsweg, [0034] Fig. 11 eine Motorkennlinie einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, [0035] Fig. 12 ein Turbinendiagramm der erfindungsgemäßen Abgasturbine, [0036] Fig. 13 ein Turbinendiagramm einer bekannten Wastegate-Abgasturbine und [0037] Fig. 14 ein Turbinendiagramm einer bekannten VTG-Abgasturbine.

[0038] In den Figuren 1 bis 10 ist jeweils die Abgasturbine 1 eines Abgasturboladers schematisch dargestellt. Die Abgasturbine 1 weist ein Turbinengehäuse 2 mit einer einflutigen Zulaufspirale 3 auf, welches den Eintritt 4 eines im Turbinengehäuse 2 drehbar gelagerten Laufrades 5 umgibt. Die Drehachse des Laufrades 5 ist mit 5a angedeutet. Zwischen dem radialen Eintritt 4 und dem axialen Austritt 6 des Laufrades 5 erstrecken sich in einem Laufschaufelraum 7 des Turbinengehäuses 2 angeordnete Laufschaufeln 8. Zwischen dem Eintritt 4 und dem Austritt 6 geht vom Laufschaufelraum 7 zumindest ein interner Umgehungsströmungsweg 9 aus, welcher stromabwärts des Austrittes 6 des Laufrades 5 wieder in den Abgasstrang einmündet.

[0039] Im Umgehungsströmungsweg 9 kann dabei ein Steuerorgan 10 angeordnet sein (siehe Fig. 1 bis 4 und 6 bis 8). 4/10 österreichisches Patentamt AT 506001 B1 2010-08-15 [0040] Der Umgehungsströmungsweg 9 geht bevorzugt von der austrittsseitigen Hälfte, insbesondere vom austrittsseitigen Drittel des Laufschaufelraumes 7 aus, wobei die Einmündung vom Laufschaufelraum 7 in den Umgehungsströmungsweg 9 mit Bezugszeichen 11 angedeutet ist. Der Weg der Abgasströmung ist mit den Pfeilen S jeweils angedeutet.

[0041] Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiele weist das Steuerorgan 10 einen ringförmigen Steuerschieber 12 auf, welcher zwischen einer in Fig. 1 dargestellten Schließstellung und einer in Fig. 2 dargestellten Öffnungsstellung axial verschiebbar ist. Der Steuerschieber 12 ist dabei im Wesentlichen fluchtend mit einem Wandabschnitt 13 des Turbinengehäuses 2 zwischen dem Eintritt 4 und dem Austritt 6 ausgebildet. Die Einmündung 11 in den Umgehungsströmungsweg 9 ist dabei durch einen zwischen dem Wandabschnitt 13 und dem Steuerschieber 12 aufgespannten ringförmigen Spalt 11a gebildet, dessen Strömungsquerschnitt durch den Steuerschieber 12 verstellbar sind. In der Schließstellung strömt das gesamte Abgas durch den Austritt 6 des Laufrades 5. Wird der Steuerschieber 12 in der durch Pfeil P in Fig. 2 angedeutete Richtung axial verstellt, so gelangt ein Teil des Abgases entsprechend dem Pfeil S - in den Umgehungsströmungsweg 9, wodurch ein Stopfen der Abgasturbine 1 vermieden wird. Da das gesamte oder, bei Vorhandensein eines Wastegates, zumindest ein Großteil des Abgases über den Eintritt 4 in das Laufrad 5 gelangt, wird im Wesentlichen die gesamte Abgasenergie zur Leistungsabgabe in zumindest Teilstrecken der Kanäle der Laufschaufeln der Abgasturbine 1 genutzt.

[0042] Die Fig. 3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen das Steuerorgan 10 als Steuerklappe 14 ausgebildet ist. Die Einmündungen 11 in den Umgehungsströmungsweg 9 sind dabei durch mehrere Bohrungen einer in Umfangsrichtung angeordneten Lochreihe 11b im Wandabschnitt 13 gebildet, wobei die Bohrungen zu einem Sammelraum 20 des Umgehungsströmungsweges 9 führen. Während in Fig. 3 eine Ausführung mit einer Lochreihe 11b und einem Umgehungsströmungsweg 9 dargestellt ist, geht bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführung zusätzlich ein weiterer Umgehungsströmungsweg 9a über eine weitere Lochreihe 11c vom Laufschaufelraum 7 zwischen dem Eintritt 4 und dem Austritt 6 des Laufrades 5 aus, wobei die Bohrungen der weiteren Lochreihe 11c zu einem weiteren Sammelraum 20a führen. Jeder der Strömungswege 9, 9a kann dabei getrennt durch eine Steuerklappe 14, 14a gesteuert werden, wobei in der Reihenfolge der Betätigung der Strömungsweg 9, welcher dem Austritt 6 näher liegt, eine höhere Priorität hat.

[0043] Fig. 5 zeigt eine Abgasturbine 1, bei der der interne Ungehungsströmungsweg 9 selbstregelnd durch einen mit zunehmender Gastemperatur sich aufweitenden Laufradspalt 15 zwischen dem Wandabschnitt 13 und dem Laufrad 5 im Bereich des Austrittes 6 des Laufrades 5 gebildet ist. Das Turbinengehäuse 2 ist dabei so ausgebildet, dass die wärmebedingte radiale Dehnung im Bereich des Austrittes 6 größer ist als die wärmebedingte axiale Dehnung im Bereich des Eintrittes 4.

[0044] Dadurch wird erreicht, dass aus der Eintrittsspirale 3 die gesamte Abgasmenge in den Eintritt 4 des Laufrades 5 einströmt, ab einer vordefinierten Temperatur aber ein Teil der Abgasströmung - entsprechend dem Pfeil S - dem Austritt 6 des Laufrades 5 umgeht. Somit wird auch hier ein Stopfen des Laufrades 5 bei Volllastbetrieb wirksam verhindert. Das Maß und die Charakteristik des Ausweitens des Turbinengehäuses 2 im Bereich des Austrittes 6 des Laufrades 5 kann durch konstruktive Gestaltung und Materialwahl des Turbinengehäuses 2 beeinflusstwerden.

[0045] Die Fig. 6 bis 8 zeigen eine Ausführungsvariante einer Abgasturbine 1 mit einem internen Umgehungsströmungsweg 9, wobei der interne Strömungsweg 9 durch einen veränderlichen Spalt 21 bildet ist, der durch ein im Abströmbereich angeordnetes Metallband 16 definiert wird. Dieses gewickelte Metallband 16 kann entweder als Bimetallband selbsttätig durch Temperatur/ Druckeinwirkung seinen Durchmesser und somit das Spaltmaß m des Spaltes 21 verändern, oder es ist regelbar mit einem Steller 17 verbunden, welcher das spiralig gewickelte Metallband auf- oder zuzieht. Das Metallband 16 ist an der mit Bezugszeichen 18 angedeuteten Stelle Turbinengehäusefest eingespannt. Ab einer vordefinierten Temperatur oder bei Aufweitung des Metallbandes 16 durch den Steller 17 kann ein Teil des Abgases den Austritt 6 der 5/10

Claims (14)

1. österreichisches Patentamt AT 506001 B1 2010-08-15 Abgasturbine 1 umgehen und somit ein Stopfen der Abgasturbine 1 verhindern. [0046] Die Fig. 9 und 10 zeigen eine weitere Abgasturbine 1, bei der im Bereich des Austrittes 6 ein eingepresstes, ringförmiges Metallelement 19 angeordnet ist. Das Metallelement 19 weist im Querschnitt ein im Wesentlichen C - förmiges Profil auf, wie in den Fig. 9 und 10 dargestellt ist und kann beispielsweise als Bimetallelement ausgebildet sein. Durch das vorbeiströmende heiße Abgas wird der laufradseitige Schenkel 19a stärker erwärmt als der Turbinengehäuseseitige Schenkel 19b, wodurch der Durchmesser im Bereich des Austrittes 6 ab einer definierten Temperatur aufgeweitet wird. Somit kann Abgas entsprechend dem Pfeil S' den Austritt 6 des Laufrades 5 durch den durch die Aufweitung des Metallelementes 19 gebildeten Umgehungsströmungsweg 9 umgehen. Fig. 9 zeigt die Abgasturbine 1 bei niedrigen Durchsetzen und niedriger Abgastemperatur: das Metallelement 19 ist dabei kontrahiert, der Spalt 22 zwischen dem Metallelement 19 und dem Laufrad 5 minimal. In Fig. 10 ist die Situation für hohe Durchsätze und hohe Abgastemperaturen dargestellt: Das Metallelement 19 expandiert durch überproportionale Ausdehnung des laufradseitigen Schenkels 19a - der Spalt 22 wird zum Austritt 6 hin größer. [0047] Fig. 11 zeigt eine typische Betriebskennlinie eines aufgeladenen Ottomotors, wobei das Drehmoment M über der Drehzahl n aufgetragen ist. Dabei sind die drei wichtigsten Auslegungspunkte - untere Drehzahl A, Drehmomentmaximum B und Nenndrehzahl C - eingetragen. Fig. 12 zeigt ein Turbinendiagramm mit Schlucklinien der hier beschriebenen Abgasturbine, wobei der Durchsatz Q über dem Expansionsverhältnis ε aufgetragen ist. Im Turbinendiagramm in Fig. 12 ist die Schlucklinie 30 für die in den Figuren 1 bis 10 dargestellten Abgasturbinen 1 mit geschlossenem Umgehungsströmungsweg 9 dargestellt. Die Linie 31 stellt die Schlucklinie bei voll geöffnetem Umgehungsströmungsweg 9 dar. Wie in Fig. 12 ersichtlich ist, wird ab dem Betriebspunkt B, der Umgehungsströmungsweg 9 nach und nach bis zu seinem vollen Durchsatz geöffnet. Dadurch wird ein deutlich höherer Durchsatz bei steigendem Expansionsverhältnis erreicht. Mit C’ ist eine Variante eingezeichnet, bei der zusätzlich zum Umgehungsströmungsweg noch ein für kleine Menge konzipiertes Wastegate für eine komplette Umgehung der Abgasturbine 1 eingesetzt wird. [0048] Zum Vergleich dazu ist in Fig. 13 ein Turbinendiagramm einer bekannten Wastegate-Abgasturbine und in Fig. 14 ein Turbinendiagramm einer bekannten VTG-Abgasturbine dargestellt, wobei jeweils der Durchsatz Q über dem Expansionsverhältnis ε aufgetragen ist. Bei einer Wastegate-Abgasturbine wird mit steigendem Durchsatz Q ab dem Betriebspunkt B ein Teil des Abgases am Laufrad der Abgasturbine vorbeigeleitet und nimmt somit nicht an der Arbeitsabgabe teil. Der Betriebspunkt C liegt somit weit über der Schlucklinie 32 der Abgasturbine (Fig. 13). Bei der VTG-Abgasturbine dagegen liegen alle Betriebspunkte A, B und C innerhalb der minimalen und maximalen Schlucklinien 33 und 34. Die Linie 35 zeigt den mittleren Öffnungsbereich Bereich mit gutem Turbinenwirkungsgrad an (Fig. 14). [0049] Im Gegensatz zu bekannten Abgasturbinen erfolgt die Regelung der Turbinenleistung bei der beschriebenen Abgasturbine 1 somit hauptsächlich nicht durch Abblasen vor dem Laufrad 5 (wie bei Wastegate-Abgasturbinen) oder durch Verändern der Anströmung des Laufrades 5 (wie bei VTG-Abgasturbinen), sondern durch ein Abblasen über geeignet veränderbare Spalte oder Abströmquerschnitte im Turbinengehäuse 2 in jenem Bereich nahe des Austrittes 6 am Laufrad 5, wo die zunehmende Schaufelkrümmung der Kanäle sowie die weitergehende Expansion des Arbeitsgases das Stopfen des Laufrades 5 bei zunehmenden Durchsätzen bewirken würde. Bis dorthin wird das gesamte oder - bei extremer kleiner Auslegung des Turbinenrades 5 und Vorhandensein eines kleinen Wastegates - der bei weitem überwiegende Anteil des Abgases (etwa mindestens 75%) zur Arbeitsabgabe an das Laufrad 5 verwendet. Patentansprüche 1. Abgasturbine (1) für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, mit einem Turbinengehäuse (2), welches eine Zulaufspirale (3) für ein Laufrad (5) ausbildet, wobei die Zulaufspirale (3) einen Eintritt (4) des Laufrades (5) umgibt, wobei das Laufrad (5) sich zwischen dem Eintritt (4) und einem Austritt (6) in einem Laufschaufelraum (7) erstreckende 6/10 österreichisches Patentamt AT506001 B1 2010-08-15 Laufschaufeln (8) aufweist, wobei die Abgasturbine (1) zumindest einen internen Umgehungsströmungsweg (9, 9a) mit veränderbarem Querschnitt für Abgas aufweist, welcher stromabwärts des Austrittes (6) wieder in den Abgasstrang einmündet, wobei der interne Umgehungsströmungsweg (9, 9a) stromabwärts des Eintrittes (4) des Laufrades (5) vom Laufschaufelraum (7) ausgeht, dadurch gekennzeichnet, dass die Einmündung (11) vom Laufschaufelraum (7) in den Umgehungsströmungsweg (9, 9a) durch zumindest eine Lochreihe (11b, 11c) im Wandabschnitt (13) des Turbinengehäuses (2) zwischen Eintritt (4) und Austritt (6) gebildet ist, welche vorzugsweise in zumindest einen Sammelraum (20, 20a) des Umgehungsströmungsweges (9, 9a) einmündet.
2. 2. Abgasturbine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des internen Umgehungsströmungswegs (9, 9a) durch ein Steuerorgan (10) veränderbar ist.
3. 3. Abgasturbine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerorgan (10) durch ein Steuerventil, vorzugsweise eine Steuerklappe (14, 14a) gebildet ist.
4. 4. Abgasturbine (1) nach einem der Ansprüche 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerorgan (10) durch einen Steuerschieber (12) gebildet ist.
5. 5. Abgasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine weitere Lochreihe (11c) im Wandabschnitt (13) angeordnet ist, welche vorzugsweise über einen weiteren Sammelraum (20) zu einem weiteren Umgehungsströmungsweg (9a) führt.
6. 6. Abgasturbine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchsätze durch die Umgehungsströmungswege (9, 9a) der Lochreihen (11b, 11c) unabhängig voneinander steuerbar sind, wobei in der Reihenfolge der Betätigung der Umgehungsströmungsweg (9) der dem Austritt (6) näher liegenden Lochreihe (11b) höhere Priorität zukommt.
7. 7. Abgasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Umgehungsströmungsweg (9, 9a) von einem zwischen Eintritt (4) und Austritt (6) des Laufrades (5) angeordneten Wandabschnitt (13) des Turbinengehäuses (2) ausgeht.
8. 8. Abgasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandabschnitt (13) torusförmig gekrümmt ist.
9. 9. Abgasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Zulaufspirale (3) einflutig ausgebildet ist.
10. 10. Abgasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Umgehungsströmungsweg (9, 9a) von einer austrittsseitigen Hälfte, vorzugsweise von einem austrittsseitigen letzten Drittel des Laufschaufelraumes (7) ausgeht.
11. 11. Abgasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Umgehungsströmungswegs (9) selbsttätig temperaturabhängig oder druckabhängig veränderbar ist.
12. 12. Abgasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerorgan (10) ein thermisches Steuerorgan ist.
13. 13. Abgasturbine (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Steuerorgan ein Bimetallelement aufweist.
14. 14. Abgasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerorgan durch ein das Laufrad teilweise umgebendes spiralförmiges Metallband (16) gebildet ist, welches vorzugsweise durch einen Steller (17) zusammenziehbar oder erweiterbar ist. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 7/10