DE102013002894A1

DE102013002894A1 - Turbine für einen Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102013002894A1
Application number: DE201310002894
Authority: DE
Inventors: Nils Brinkert
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2014-09-04
Anticipated expiration: 2033-02-21
Also published as: DE102013002894B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbine (10) für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse (12), welches zumindest zwei zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte und von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Fluten (14, 16) aufweist und in welchem ein von dem Abgas antreibbares Turbinenrad aufgenommen ist, mit wenigstens einem Umgehungskanal (24), über welchen das Turbinenrad zumindest von einem Teil des Abgases zu umgehen ist, mit wenigstens einer Durchströmöffnung (32), über welche die Fluten (14, 16) fluidisch miteinander verbindbar sind, und mit wenigstens einem Ventilelement (26), welches zwischen einer den Umgehungskanal (24) und die Durchströmöffnung (32) verschließenden und wenigstens einer den Umgehungskanal (24) und die Durchströmöffnung (32) jeweils zumindest bereichsweise freigebenden Offenstellung verstellbar ist, wobei das Ventilelement (26) bei einer Verstellung dieses aus der Schließstellung in die Offenstellung gleichzeitig sowohl den Umgehungskanal (24) als auch die Durchströmöffnung (32) freigibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Eine solche Turbine für einen Abgasturbolader ist aus der DE 10 2010 008 411 A1 bekannt. Die Turbine umfasst ein Turbinengehäuse, welches zumindest zwei zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte und von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Fluten aufweist. In dem Turbinengehäuse ist ein von dem Abgas antreibbares Turbinenrad aufgenommen. Das Turbinengehäuse weist auch wenigstens einen Umgehungskanal auf, über welchen das Turbinenrad zumindest von einem Teil des Abgases zu umgehen ist. Dies bedeutet, dass das den Umgehungskanal durchströmende Abgas das Turbinenrad umgeht und somit nicht antreibt.
Üblicherweise wird der Umgehungskanal auch als Wastegate oder Bypass-Kanal bezeichnet. Der Umgehungskanal wird üblicherweise dazu verwendet, einen vom Abgasturbolader bereitstellbaren Ladedruck einzustellen.
Die Turbine weist auch wenigstens eine Durchströmöffnung auf, über welche die Fluten fluidisch miteinander verbindbar sind. Diese Durchströmöffnung ist dabei eine vom Umgehungskanal unterschiedliche und von diesem separate Durchströmöffnung, über die die Fluten fluidisch miteinander verbunden werden können.
Sind die Fluten fluidisch voneinander getrennt, indem die Durchströmöffnung fluidisch verschlossen ist, so kann die sogenannte Stoßaufladung zum Aufladen der Verbrennungskraftmaschine, d. h. zum Versorgen dieser mit verdichteter Luft, durchgeführt werden. Durch Freigeben der Durchströmöffnung, d. h. durch das Verbinden der Fluten miteinander, kann die sogenannte Stauaufladung zum Aufladen der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden.
Die Turbine umfasst darüber hinaus wenigstens ein Ventilelement, welches zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung verstellbar ist. In der Schließstellung sind der Umgehungskanal und die Durchströmöffnung verschlossen. In der Offenstellung sind der Umgehungskanal und die Durchströmöffnung fluidisch freigegeben. Wird das Ventilelement aus seiner Schließstellung in Richtung seiner Offenstellung verstellt, so wird zunächst die Durchströmöffnung zumindest bereichsweise fluidisch freigegeben, während der Umgehungskanal noch verschlossen ist. Wird das Ventilelement dann weiter in die Offenstellung bewegt, so werden schließlich sowohl die Durchströmöffnung als auch der Umgehungskanal fluidisch freigegeben.
Das Freigeben des Umgehungskanals wird üblicherweise auch als Abblasen bezeichnet, da zumindest ein Teil des Abgases stromauf des Turbinenrads abgezweigt und um das Turbinenrad herum geführt wird, ohne das Turbinenrad anzutreiben. Demzufolge wird der Umgehungskanal auch als Abblasekanal bezeichnet.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welcher sich ein besonders effizienter Betrieb der Turbine ermöglichen lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine Turbine für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Turbine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders effizienter Betrieb der Turbine und somit der der Turbine zugeordneten Verbrennungskraftmaschine realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Ventilelement bei einer Verstellung des Ventilelements aus der Schließstellung in die Offenstellung gleichzeitig sowohl den Umgehungskanal als auch die Durchströmöffnung freigibt. Dies bedeutet, dass das Ventilelement sowohl die Durchströmöffnung als auch den Umgehungskanal sofort und unmittelbar dann zumindest bereichsweise freigibt, wenn das Ventilelement aus der Schließstellung bewegt wird. Ist das Ventilelement somit in eine beliebige, von der Schließstellung unterschiedliche Stellung bzw. Offenstellung eines Verstellbereichs, in welchen das Ventilelement verstellbar ist, verstellt, so sind sowohl die Durchströmöffnung als auch der Umgehungskanal zumindest bereichsweise freigegeben, so dass diese von Abgas durchströmt werden können. Eine Stellung des Ventilelements, in welcher die Durchströmöffnung fluidisch verschlossen und der Umgehungskanal fluidisch freigegeben oder umgekehrt ist, ist nicht vorgesehen.
Bei der erfindungsgemäßen Turbine wird somit beim Verstellen des Ventilelements aus der Schließstellung heraus sogleich eine insbesondere sukzessive Verbindung zwischen den Fluten geschaffen, so dass ein in der Schließstellung realisierbarer Stoßaufladeeffekt reduziert und ein Stauaufladeeffekt eingestellt werden kann. Mit anderen Worten ist es dadurch möglich, besonders vorteilhaft von der sogenannten Stoßaufladung in die sogenannte Stauaufladung umzuschalten. Dadurch wird die Turbinenleistung ebenfalls bei einem Abblasen gegenüber der Schließstellung gesenkt, wobei eine Wirkungsgradverschlechterung und eine Massenreduktion zumindest sehr gering gehalten werden können.
Durch das gleichzeitige Öffnen sowohl der Durchströmöffnung als auch des Umgehungskanals kann einerseits ein hoher Durchsatzparameter realisiert werden, da die Turbine von einer besonders hohen Masse an Abgas durchströmt werden kann. Gleichzeitig kann jedoch zumindest ein Teil und vorzugsweise zumindest ein überwiegender Teil dieser Abgasmasse zu dem Turbinenrad geführt werden und dieses antreiben, so dass im Abgas enthaltene Energie genutzt werden kann.
Die Turbine und somit die der Turbine zugeordnete Verbrennungskraftmaschine können daher besonders effizient betrieben werden, was mit einem nur geringen Kraftstoffverbrauch sowie mit geringen CO₂-Emissionen einhergeht. Darüber hinaus können vom Abgas durchströmbare Strömungsquerschnitte der Turbine gering gehalten werden, um so ein sehr gutes Ansprechverhalten sowie eine sehr vorteilhafte Drehmomentencharakteristik zu erzeugen. Trotz der geringen Strömungsquerschnitte kann ein hoher Durchsatzparameter aufgrund des gleichzeitigen Freigebens der Durchströmöffnung und des Umgehungskanals realisiert werden.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ein in der Schließstellung fluidisch versperrter und in der Offenstellung von dem Ventilelement freigegebener, erster Strömungsquerschnitt der Durchströmöffnung größer als ein in der Schließstellung fluidisch versperrter und in der Offenstellung von dem Ventilelement freigegebener, zweiter Strömungsquerschnitt des Umgehungskanals. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass das Freigeben des Umgehungskanals mit dem Freigeben der Durchströmöffnung, d. h. mit dem Verbinden der Fluten, einhergeht, wobei die fluidische Verbindung der Fluten betont, d. h. gegenüber der Freigabe des Umgehungskanals stärker gewichtet ist.
Aufgrund des gegenüber dem zweiten Strömungsquerschnitt größeren, ersten Strömungsquerschnitts ist es möglich, dass zwischen den Fluten ein erster Volumen- und/oder Massenstrom des Abgases überströmen kann, welcher größer ist als ein zweiter Volumen- und/oder Massenstrom des Abgases, welcher in den Umgehungskanal einströmen und diesen durchströmen kann. Dies bedeutet, dass die Verbindung der Fluten miteinander stärker erfolgt als die Freigabe des Umgehungskanals, so dass ein besonders hoher Teil des Abgases zum Antreiben des Turbinenrads genutzt werden kann. Vereinfacht ausgedrückt ist es bei dieser Ausführungsform somit vorgesehen, dass die Fluten stärker miteinander fluidisch verbunden werden als der Umgehungskanal fluidisch freigegeben wird. Dadurch kann ein besonders effizienter Betrieb der Turbine und somit der Verbrennungskraftmaschine gewährleistet 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 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine, wobei ein zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung verstellbares Ventilelement vorgesehen ist, welches bei seiner Verstellung aus der Schließstellung gleichzeitig eine Durchströmöffnung zum fluidischen Verbinden von zwei Fluten der Turbine miteinander sowie einen Umgehungskanal der Turbine freigibt; und
2 eine schematische Seitenansicht des Ventilelements
1 zeigt eine Turbine 10 für einen Abgasturbolader einer in 1 nicht erkennbaren Verbrennungskraftmaschine. Die Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet und umfasst mehrere Brennräume in Form von Zylindern. Während eines gefeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine laufen in den Zylindern Verbrennungsvorgänge ab, aus denen Abgas resultiert.
Die Turbine 10 umfasst ein in 1 ausschnittsweise erkennbares Turbinengehäuse 12 mit einem in 1 nicht erkennbaren Aufnahmeraum. In dem Aufnahmeraum ist ein in 1 nicht erkennbares Turbinenrad der Turbine 10 aufgenommen. Das Turbinenrad ist um eine Drehachse relativ zum Turbinengehäuse 12 drehbar.
Das Turbinengehäuse 12 weist darüber hinaus wenigstens zwei zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte Fluten 14, 16 auf. Wie durch Richtungspfeile 18, 20 veranschaulicht ist, sind die Fluten 14, 16 von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar. In 1 ist auch eine Zwischenwandung 22 des Turbinengehäuses 12 erkennbar, mittels welcher die Fluten 14, 16 fluidisch voneinander getrennt sind.
Ein erster Teil der Zylinder ist nun beispielsweise mit der Flut 14 verbunden, während ein vom ersten Teil unterschiedlicher, zweiter Teil der Zylinder fluidisch mit der Flut 16 verbunden sind. Somit wird das Abgas aus den zum ersten Teil gehörenden Zylindern der Flut 14 zugeführt, während das Abgas aus den zum zweiten Teil gehörenden Zylindern der Flut 16 zugeführt wird. Mit anderen Worten fördert der erste Teil der Zylinder sein Abgas zur Flut 14, während der zweite Teil der Zylinder sein Abgas zur Flut 20 fördert.
Durch diese Flutentrennung ist gegenüber den Zylindern insgesamt eine Verkleinerung von Abgas führenden Volumina zwischen den Zylindern und dem Turbinenrad geschaffen, was zum Effekt der sogenannten Stoßaufladung führt. Mit anderen Worten sind der Abgasturbolader und somit die Verbrennungskraftmaschine durch die Flutentrennung in einem Stoßaufladebetrieb betreibbar, in welchem die Verbrennungskraftmaschine mittels der Stoßaufladung aufgeladen, d. h. mit verdichteter Luft versorgt wird.
Die Turbine 10 umfasst auch einen Umgehungskanal 24, über welchen das Turbinenrad zumindest von einem Teil des Abgases zu umgehen ist. Mit anderen Worten ist mittels des Umgehungskanals 24 zumindest ein Teil des Abgases aus den Zylindern in Strömungsrichtung des Abgases durch die Turbine 10 stromauf des Turbinenrads abzweigbar, so dass das abgezweigte und den Umgehungskanal 24 durchströmende Abgas das Turbinenrad umgeht und somit nicht antreibt.
Die Turbine 10 umfasst darüber hinaus ein Ventilelement 26, welches zwischen einer in 1 gezeigten Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung verstellbar ist. Hierzu ist das Ventilelement 26 mit einem Schwenkarm 28 gekoppelt, welcher um eine Schwenkachse 30 relativ zum Turbinengehäuse 12 verschwenkbar ist. Dies bedeutet, dass das Ventilelement 26 zwischen seiner Schließstellung und seiner Offenstellung um die Schwenkachse 30 relativ zum Turbinengehäuse 12 verschwenkar ist. Die Offenstellung ist in 1 durch gestrichelte Linien veranschaulicht.
In der Schließstellung ist der Umgehungskanal 24 fluidisch versperrt, d. h. verschlossen, so dass das Abgas nicht in den Umgehungskanal 24 einströmen und diesen durchströmen kann. In der Offenstellung ist der Umgehungskanal 24 freigegeben.
Durch das Verstellen des Ventilelements 26 aus der Schließstellung in die Offenstellung und dem damit einhergehenden Freigeben des Umgehungskanals 24 kann der Abgasturbolader und insbesondere sein sogenannter Ladedruck gesteuert oder insbesondere geregelt werden.
Die Turbine 10 weist auch eine stromauf des Turbinenrads angeordnete Durchströmöffnung 32 auf, über welche die Fluten 14, 16 fluidisch miteinander verbindbar sind. Wie aus 1 erkennbar ist, zweigt von der Flut 14 ein erster Abzweigkanal 34 ab, während von der Flut 16 ein zweiter Abzweigkanal 36 abzweigt. Der fluidisch mit der Flut 14 verbundene Abzweigkanal 34 ist über die Durchströmöffnung 32 fluidisch mit dem fluidisch mit der Flut 16 verbundenen Abzweigkanal 36 verbindbar.
Wie aus 1 erkennbar ist, ist die Durchströmöffnung 32 in der Schließstellung des Ventilelements 26 ebenfalls mittels des Ventilelements 26 fluidisch versperrt, d. h. verschlossen.
Wird nun das Ventilelement 26 aus seiner Schließstellung in seine Offenstellung verstellt, so werden die Fluten 14, 16 fluidisch miteinander verbunden, so dass dadurch von der Stoßaufladung in die Stauaufladung umgeschaltet werden kann.
2 zeigt dabei das Ventilelement 26 in seiner Offenstellung. Wie aus einer Zusammenschau von 1 mit 2 erkennbar ist, gibt das Ventilelement 26 bei einer Verstellung dieses aus der Schließstellung in die Offenstellung gleichzeitig sowohl den Umgehungskanal 24 als auch die Durchströmöffnung 32 frei. Wird das Ventilelement 26 somit aus der Schließstellung herausbewegt, so werden unmittelbar und gleichzeitig sowohl die Durchströmöffnung 32 als auch der Umgehungskanal 24 freigegeben.
Ein in der Schließstellung versperrter und in der Offenstellung von dem Ventilelement 26 freigegebener, erster Strömungsquerschnitt C der Durchströmöffnung 32 ist dabei in der Offenstellung größer als ein in der Schließstellung fluidisch versperrter und in der Offenstellung von dem Ventilelement 26 freigegebener, zweiter und im Ganzen mit B bezeichneter Strömungsquerschnitt des Umgehungskanals 24. Der Strömungsquerschnitt B wird dabei durch das Ventilelement 26 und das Turbinengehäuse 12 begrenzt. Der Strömungsquerschnitt C wird durch das Ventilelement 26 und das Turbinengehäuse 12, insbesondere die Zwischenwandung 22 begrenzt.
Das Ventilelement 26 ist dazu ausgelegt, bei der Verstellung aus der Schließstellung in die Offenstellung eine Zunahme des ersten Strömungsquerschnitts C zu bewirken, welche bezogen auf die Verstellung aus der Schließstellung in die Offenstellung stärker ist als eine Zunahme des zweiten Strömungsquerschnitts B. Mit anderen Worten nimmt der erste Strömungsquerschnitt C schneller zu als der zweite Strömungsquerschnitt B, wenn das Ventilelement 26 aus seiner Schließstellung herausbewegt wird. Durch diesen Flächenzugewinn oder Flächenzuwachs des ersten Strömungsquerschnitts C, welcher größer als der Flächenzugewinn bzw. Flächenzuwachs des zweiten Strömungsquerschnitts B ist, wird bei der gleichzeitigen Öffnung des Umgehungskanals 24 und der Durchströmöffnung 32 die Öffnung der Durchströmöffnung 32 betont, d. h. stärker gewichtet als die Öffnung, d. h. das Freigeben des Umgehungskanals 24.
Um dies zu realisieren, ist es bei der anhand von 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsform vorgesehen, dass eine außenumfangsseitige Mantelfläche 38 des Ventilelements 26 zum Verschließen zumindest der Durchströmöffnung 32 in der Schließstellung zumindest in einem Teilbereich konvex ausgebildet ist. Dabei kann die außenumfangsseitige Mantelfläche 38 zumindest in dem Teilbereich zumindest im Wesentlichen kugelförmig oder kugelsegmentförmig ausgebildet sein. Aufgrund dieser Ausgestaltung nimmt ein Abstand zwischen dem Ventilelement 26 und der Zwischenwandung 22 und somit die Durchströmöffnung 32 stärker zu als ein Abstand zwischen dem Ventilelement und Wandungsbereichen 40 des Turbinengehäuses 12, mit denen das Ventilelement 26 den zweiten Strömungsquerschnitt B begrenzt, wenn das Ventilelement 26 aus der Schließstellung bewegt wird. Durch diese Betonung der Verbindung der Fluten 14, 16 kann ein besonders effizienter und somit kraftstoffverbrauchs- und CO₂-emissionsarmer Betrieb realisiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Turbine
12: Turbinengehäuse
14: Abgasflut
16: Abgasflut
18: Richtungspfeil
20: Richtungspfeil
22: Zwischenwandung
24: Umgehungskanal
26: Ventilelement
28: Schwenkarm
30: Schwenkachse
32: Durchströmöffnung
34: Abzweigkanal
36: Abzweigkanal
38: außenumfangsseitige Mantelfläche
40: Wandungsbereich
B: zweiter Strömungsquerschnitt
C: erster Strömungsquerschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010008411 A1 [0002]

Claims

Turbine (10) für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse (12), welches zumindest zwei zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte und von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Fluten (14, 16) aufweist und in welchem ein von dem Abgas antreibbares Turbinenrad aufgenommen ist, mit wenigstens einem Umgehungskanal (24), über welchen das Turbinenrad zumindest von einem Teil des Abgases zu umgehen ist, mit wenigstens einer Durchströmöffnung (32), über welche die Fluten (14, 16) fluidisch miteinander verbindbar sind, und mit wenigstens einem Ventilelement (26), welches zwischen einer den Umgehungskanal (24) und die Durchströmöffnung (32) verschließenden und wenigstens einer den Umgehungskanal (24) und die Durchströmöffnung (32) jeweils zumindest bereichsweise freigebenden Offenstellung verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (26) bei einer Verstellung dieses aus der Schließstellung in die Offenstellung gleichzeitig sowohl den Umgehungskanal (24) als auch die Durchströmöffnung (32) freigibt.
Turbine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Schließstellung mittels des Ventilelements (26) fluidisch versperrter und in der Offenstellung von dem Ventilelement (26) freigegebener, erster Strömungsquerschnitt (C) der Durchströmöffnung (32) in der Offenstellung größer ist als ein in der Schließstellung mittels des Ventilelements (26) fluidisch versperrter und in der Offenstellung von dem Ventilelement (26) freigegebener, zweiter Strömungsquerschnitt (B) des Umgehungskanals (24).
Turbine (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (26) dazu ausgelegt ist, bei der Verstellung aus der Schließstellung in die Offenstellung eine Zunahme des ersten Strömungsquerschnitts (C) zu bewirken, welche bezogen auf die Verstellung aus der Schließstellung in die Offenstellung stärker ist als eine Zunahme des zweiten Strömungsquerschnitts (B).
Turbine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (26) eine außenumfangsseitige Mantelfläche (38) zum Verschließen zumindest der Durchströmöffnung (32) aufweist, wobei die Mantelfläche (38) zumindest in einem Teilbereich konvex ausgebildet ist.
Turbine (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (38) zumindest in dem Teilbereich kugelförmig oder kugelsegmentförmig ausgebildet ist.