DE112013006014T5 - Geteilter Düsenring zum Steuern von AGR und Abgasdurchsatz - Google Patents

Geteilter Düsenring zum Steuern von AGR und Abgasdurchsatz Download PDF

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Abstract

Ein Turbolader (10) für einen Verbrennungsmotor umfasst ein symmetrisches zweiflutiges Turbinengehäuse (12) mit einer ersten und zweiten Spirale (16, 18). Innerhalb des symmetrischen zweiflutigen Turbinengehäuses (12) ist ein um eine Turboladerachse (R1) drehbares Turbinenrad (22) angeordnet. An dem symmetrischen zweiflutigen Turbinengehäuse (12) ist ein Düsenring (42, 58) fest gesichert. Der Düsenring (42, 58) umfasst mehrere, in Umfangsrichtung um die Turboladerachse (R1) angeordnete, feststehende Schaufeln (44, 62, 66). Die mehreren feststehenden Schaufeln (44, 62, 66) bilden Düsendurchgänge aus, die von zumindest einer der ersten und zweiten Spirale (16, 18) zum Turbinenrad (22) führen, um Abgas in einem optimalen Winkel gegen das Turbinenrad (22) zu lenken.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Nutzen der am 14. Januar 2013 eingereichten vorläufigen U.S.-Patentanmeldung Nr. 61/752,007 mit dem Titel ”Split Nozzle Ring To Control EGR And Exhaust Flow” (Geteilter Düsenring zum Steuern von AGR und Abgasdurchsatz).
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turbolader für einen Verbrennungsmotor. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Turbolader mit einem symmetrischen zweiflutigen Turbinengehäuse mit einem Düsenring mit feststehenden Schaufeln.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Ein Turbolader ist ein Typ von Ladersystem, das mit Verbrennungsmotoren verwendet wird. Turbolader liefern Druckluft an einen Motoreinlass, wodurch mehr Kraftstoff verbrannt werden kann, und steigern somit die Leistung eines Motors, ohne das Motorgewicht erheblich zu erhöhen. Turbolader ermöglichen es somit, kleinere Motoren zu verwenden, die dieselbe Menge an Leistung entwickeln wie größere Saugmotoren. Die Verwendung eines kleineren Motors in einem Fahrzeug reduziert die Masse des Fahrzeugs, wodurch die Leistung erhöht und der Kraftstoffverbrauch verbessert wird. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von Turboladern eine vollständigere Verbrennung des dem Motor zugeführten Kraftstoffs, wodurch Emissionen reduziert werden.
  • Allgemein verwenden Turbolader Abgas aus einem Abgaskrümmer dazu, ein in einem Turbinengehäuse untergebrachtes Turbinenrad anzutreiben. Das Turbinenrad und Turbinengehäuse definieren eine Turbine oder Turbinenstufe des Turboladers. Das Turbinenrad ist an einem Ende einer Welle gesichert und an einem anderen Ende der Welle ist ein Verdichterrad gesichert, so dass eine Drehung des Turbinenrads eine Drehung des Verdichterrads bewirkt. Das Verdichterrad ist in einem Verdichtergehäuse untergebracht. Das Verdichterrad und Verdichtergehäuse definieren einen Verdichter oder eine Verdichterstufe des Turboladers. Ein Lagergehäuse koppelt das Turbinengehäuse und das Verdichtergehäuse miteinander. Die Welle ist drehbar im Lagergehäuse gelagert. Während sich das Verdichterrad dreht, saugt es Frischluft an und verdichtet sie, bevor sie über einen Einlasskrümmer in die Motorzylinder eintritt. Dadurch tritt bei jedem Ansaughub eine größere Luftmasse in die Zylinder ein. Nach dem Durchströmen der Turbine tritt das verbrauchte Abgas aus dem Turbinengehäuse aus und wird in der Regel Nachbehandlungsvorrichtungen wie Katalysatoren, Partikelfiltern und Stickstoff(NOx)-Fallen zugeführt, bevor es in die Atmosphäre austritt.
  • Die Turbine wandelt das Abgas in mechanische Energie zum Antreiben des Verdichters um. Das Abgas tritt an einem Einlass in das Turbinengehäuse ein, durchströmt eine Schnecke oder Spirale und wird in das in der Mitte des Turbinengehäuses angeordnete Turbinenrad gelenkt. Nach dem Turbinenrad tritt das Abgas durch einen Auslass oder Exducer aus. Das Abgas, das durch die Strömungsquerschnittsfläche der Turbine gedrosselt wird, hat einen Druck- und Temperaturabfall zwischen dem Einlass und Auslass zur Folge. Dieser Druckabfall wird von der Turbine in kinetische Energie zum Antreiben des Turbinenrads umgesetzt. Am Turbinenrad findet eine Energieüberführung von kinetischer Energie in Wellenleistung statt, wobei das Turbinenrad so konstruiert ist, dass in der Zeit, bis das Abgas den Turbinenauslass erreicht, nahezu die gesamte kinetische Energie umgesetzt wird.
  • Um die Strömung des Abgases zum Turbinenrad zu optimieren, ist es bekannt, einen Düsenring einzugliedern, der an einem Flansch eine Reihe von gekrümmten Schaufeln umfasst, die von der Spirale zum Turbinenrad führende Düsendurchgänge ausbilden. Der Düsenring ist zwischen dem Lagergehäuse und dem Turbinengehäuse angeordnet, und die Schaufeln lenken das Abgas in einem optimalen Winkel gegen das Turbinenrad.
  • Abgasrückführung (AGR) ist weithin als maßgebliches Verfahren zum Reduzieren der Erzeugung von NOx während des Verbrennungsvorgangs anerkannt. Das rückgeführte Abgas kühlt den Verbrennungsvorgang teilweise ab und senkt die während der Verbrennung entstehende Flammspitzentemperatur. Da die Bildung von NOx mit der Flammspitzentemperatur zusammenhängt, reduziert die Rückführung von Abgas die Menge an gebildetem NOx. Um Abgas in den Einlasskrümmer rückzuführen, muss der Druck des Abgases über dem Druck der Einlassluft liegen. Wenn jedoch der Druck des Abgases zu hoch ist, erzeugt das Abgas einen Staudruck auf den Motor, der sich nachteilig auf die Gesamtkraftstoffeffizienz und -leistung auswirkt.
  • Ein Lösungsansatz, um sicherzustellen, dass der Abgasdruck ausreicht, um die AGR zu fördern und dabei einen übermäßigen Staudruck auf den Motor zu verhindern, besteht darin, ein asymmetrisches zweiflutiges Turbinengehäuse zu verwenden, das zwei Spiralen unterschiedlicher Größe für eine getrennte Abgasführung für verschiedene Zylindergruppierungen umfasst. Eine mit einer ersten Zylindergruppierung gekoppelte kleinere Spirale erzielt durch einen vor der Turbine aufgebauten höheren Abgasstaudruck die AGR. Eine mit einer zweiten Zylindergruppierung gekoppelte größere Spirale stellt eine hohe Turbinenleistung bereit, indem sie zur Erzielung eines optimalen, von der AGR nicht beeinflussten Wirkungsgrads Abgasenergie verwendet. Diese Kombination sorgt für ein optimales Ansprechverhalten des Motors und hilft dabei, dass der Motor die globalen Abgasvorschriften erfüllt und dabei gleichzeitig einen besseren Kraftstoffverbrauch und eine verbesserte Leistung erzielt.
  • Es versteht sich jedoch, dass vielfältige Ausgestaltungen des asymmetrischen zweiflutigen Turbinengehäuses erforderlich sind, um je nach der entsprechenden Anwendung die gewünschten AGR- und Turbinenleistungsparameter zu erfüllen.
  • Es ist daher wünschenswert, ein symmetrisches zweiflutiges Turbinengehäuse bereitzustellen, das mit vielfältigen Düsenringen verwendet werden kann, um wirksam ein asymmetrisches zweiflutiges Turbinengehäuse mit den gewünschten AGR- und Turbinenleistungsparametern zu schaffen.
  • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Turbolader für einen Verbrennungsmotor umfasst ein symmetrisches zweiflutiges Turbinengehäuse mit einer ersten und zweiten Spirale. Innerhalb des symmetrischen zweiflutigen Turbinengehäuses ist ein um eine Turboladerachse drehbares Turbinenrad angeordnet. An dem symmetrischen zweiflutigen Turbinengehäuse ist ein Düsenring fest gesichert. Der Düsenring umfasst mehrere, in Umfangsrichtung um die Turboladerachse angeordnete, feststehende Schaufeln. Die mehreren feststehenden Schaufeln bilden Düsendurchgänge aus, die von zumindest einer der ersten und zweiten Spirale zum Turbinenrad führen, um Abgas in einem optimalen Winkel gegen das Turbinenrad zu lenken.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Düsenring mehrere feststehende Schaufeln, die in einem Hals einer der ersten und zweiten Spirale angeordnet sind.
  • Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Düsenring eine erste Seite mit mehreren ersten feststehenden Schaufeln und eine zweite Seite mit mehreren zweiten feststehenden Schaufeln. Die mehreren ersten feststehenden Schaufeln sind in einem Hals der ersten Spirale angeordnet und die mehreren zweiten feststehenden Schaufeln sind in einem Hals der zweiten Spirale angeordnet.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei deren besserem Verständnis aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leicht ersichtlich. Es zeigen:
  • 1 eine Querschnittsansicht eines Turboladers mit einem symmetrischen zweiflutigen Turbinengehäuse zur Verwendung mit einem Düsenring gemäß der Erfindung,
  • 2 eine Querschnittsansicht des symmetrischen zweiflutigen Turbinengehäuses mit einem Düsenring gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
  • 3a eine Seitenansicht eines geteilten Düsenrings zur Verwendung mit dem symmetrischen zweiflutigen Turbinengehäuse gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
  • 3b eine perspektivische Ansicht einer ersten Seite des geteilten Düsenrings und
  • 3c eine perspektivische Ansicht einer zweiten Seite des geteilten Düsenrings.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 zeigt bei 10 allgemein einen Querschnitt eines Turboladers. Der Turbolader 10 umfasst eine Turbine und einen Verdichter. Die Turbine umfasst ein Turbinengehäuse 12, dem durch einen Turbineneinlass 14, der mit einem (nicht gezeigten) Abgaskrümmer verbunden ist, Abgas zugeführt wird. In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist das Turbinengehäuse 12 eine symmetrische Twin-Scroll- oder zweiflutige Konstruktion und umfasst eine erste und zweite Spirale, 16, 18, die axial zueinander benachbart und durch eine Trennwand 20 getrennt sind. Die erste und zweite Spirale 16, 18, erstrecken sich in Umfangsrichtung innerhalb des Turbinengehäuses 12 und die Trennwand 20 stellt eine Trennung der Abgaspulsierungen von einzelnen Zylindergruppierungen bereit. Das symmetrische zweiflutige Turbinengehäuse 12 bewirkt einen für jede Zylindergruppierung gleichen Abgasstaudruck und dient dazu, das Ansprechen bei niedrigen Motordrehzahlen zu verbessern, indem es Abgaspulsierungen bei niedrigen Motordrehzahlen wirksamer nutzt.
  • Innerhalb des Turbinengehäuses 12 ist ein Turbinenrad 22 angeordnet und an einem Ende einer Welle 24 um eine Turboladerachse R1 drehbar montiert. Die Welle 24 ist von einem Lagersystem 26 in einem zwischen der Turbine und dem Verdichter angeordneten Lagergehäuse 28 drehbar gelagert. Das Turbinenrad 22 wird von aus dem Abgaskrümmer zugeführtem Abgas drehbar angetrieben und nach dem Antreiben des Turbinenrads 22 tritt das Abgas durch einen Exducer 30 aus dem Turbinengehäuse 12 aus.
  • Der Verdichter umfasst ein Verdichtergehäuse 32 und wird durch einen Inducer 34 mit Frischluft beliefert. Das Verdichtergehäuse 32 umfasst eine Verdichterspirale 36, die sich darin in Umfangsrichtung erstreckt. Innerhalb des Verdichtergehäuses 32 ist ein Verdichterrad 38 angeordnet und an einem anderen Ende der Welle 24 um eine Turboladerachse R1 in Reaktion auf die Drehung des Turbinenrads 22 drehbar angeordnet. Während sich das Verdichterrad 38 dreht, wird Frischluft durch den Inducer 34 in das Verdichtergehäuse 18 angesaugt und vom Verdichterrad 38 verdichtet, um mit erhöhtem Druck durch einen Verdichterauslass 40 einem (nicht gezeigten) Motor-Einlasskrümmer zugeführt zu werden.
  • In 2 umfasst nun die Turbine einen Düsenring 42 mit mehreren, in Umfangsrichtung um die Turboladerachse R1 angeordneten, feststehenden Schaufeln 44. Die feststehenden Schaufeln 44 bilden Düsendurchgänge aus, die von der zweiten Spirale 18 zum Turbinenrad 22 führen und das Abgas in einem optimalen Winkel gegen das Turbinenrad 22 lenken. Der Düsenring 42 ist fest am Turbinengehäuse 12 gesichert. In der gezeigten Ausführungsform ist der Düsenring 42 mit einer zum Exducer 30 führenden konturierten Oberfläche gekoppelt. Es ist angedacht, dass der Düsenring 42 die Trennwand 20 teilweise oder ganz ersetzen könnte, ohne dass dies vom Schutzumfang der Erfindung abweicht. Der Düsenring 42 ist so positioniert, dass die feststehenden Schaufeln 44 auf das durch einen Hals 46 der zweiten Spirale 18 tretende Abgas einwirken. Es versteht sich jedoch, dass der Düsenring 42 so positioniert werden kann, dass die feststehenden Schaufeln 44 auf das durch einen Hals 48 der ersten Spirale 16 tretende Abgas einwirken, ohne dass dies vom Schutzumfang der Erfindung abweicht. Da die erste und zweite Spirale 16, 18 symmetrisch sind, und die feststehenden Schaufeln 44 nur auf das durch den Hals 46 der zweiten Spirale 18 tretende Abgas einwirken, schafft der Düsenring 42 wirksam ein asymmetrisches zweiflutiges Turbinengehäuse. Von daher erzeugen die zweite Spirale 18 und der Düsenring 42 für die entsprechende Zylindergruppierung einen höheren Abgasstaudruck, um zur Abgasrückführung beizutragen, während die erste Spirale 16 eine hohe Turbinenleistung bereitstellt, ohne von der Abgasrückführung beeinflusst zu werden.
  • In einer, in 3a bis 3c gezeigten, zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Turbine einen geteilten Düsenring 58 mit einer ersten Seite 60 mit mehreren ersten feststehenden Schaufeln 62, die von der ersten Spirale 16 zu einem Turbinenrad 22 führende Düsendurchgänge ausbilden und einer zweiten Seite 64 mit mehreren zweiten feststehenden Schaufeln 66, die von der zweiten Spirale 18 zum Turbinenrad 22 führende Düsendurchgänge ausbilden. Die ersten und zweiten feststehenden Schaufeln 62, 66, lenken das Abgas in einem optimalen Winkel gegen das Turbinenrad 22. In der gezeigten Ausführungsform umfasst der geteilte Düsenring 58 dreizehn erste feststehende Schaufeln 62 und neun zweite feststehende Schaufeln 66, es versteht sich jedoch, dass der geteilte Düsenring 58 eine beliebige Anzahl von ersten und zweiten feststehenden Schaufeln 62, 66 umfassen kann, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Es versteht sich auch, dass die Schaufelzahl der zweiten feststehenden Schaufeln 66 größer sein kann als die Schaufelzahl der ersten feststehenden Schaufeln 62.
  • Der geteilte Düsenring 58 ist zwischen der ersten und zweiten Spirale 16, 18 fest am Turbinengehäuse 12 gesichert. Es ist angedacht, dass der geteilte Düsenring 58 die Trennwand 20 teilweise oder ganz ersetzen könnte. Der Düsenring 58 ist so positioniert, dass die ersten feststehenden Schaufeln 62 auf das durch den Hals 48 der ersten Spirale 16 tretende Abgas einwirken und die zweiten feststehenden Schaufeln 66 auf das durch den Hals 46 der zweiten Spirale 18 tretende Abgas einwirken. Die höhere Schaufelzahl der ersten feststehenden Schaufeln 62 erzeugt für die entsprechende Zylindergruppierung einen höheren Abgasstaudruck, um zur Abgasrückführung beizutragen. Im Gegensatz dazu stellt die niedrigere Schaufelzahl der zweiten feststehenden Schaufeln 66 eine hohe Turbinenleistung bereit, ohne von der Abgasrückführung beeinflusst zu werden. Von daher schafft der geteilte Düsenring 58 wirksam ein asymmetrisches zweiflutiges Turbinengehäuse.
  • Die Erfindung wurde hier beispielhaft beschrieben, und es versteht sich, dass die verwendete Terminologie als beschreibend und nicht als beschränkend zu verstehen ist. Vor dem Hintergrund der vorstehenden Lehren sind viele Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Daher kann die Erfindung selbstverständlich im Rahmen des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche anders ausgeführt werden, als es in der Beschreibung spezifisch aufgezählt ist.

Claims (15)

  1. Turbolader (10) für einen Verbrennungsmotor, mit: einem zweiflutigen Turbinengehäuse (12) mit einer ersten und zweiten Spirale (16, 18), einem innerhalb des zweiflutigen Turbinengehäuses (12) um eine Turboladerachse (R1) drehbar angeordneten Turbinenrad (22), und einem fest an dem zweiflutigen Turbinengehäuse (12) gesicherten Düsenring (42, 58), wobei der Düsenring (42, 58) mehrere, in Umfangsrichtung um die Turboladerachse (R1) angeordnete feststehende Schaufeln (44, 62, 66) umfasst, wobei die mehreren feststehenden Schaufeln (44, 62, 66) Düsendurchgänge ausbilden, die von zumindest einer der ersten und zweiten Spirale (16, 18) zum Turbinenrad (22) führen, um Abgas in einem optimalen Winkel gegen das Turbinenrad (22) zu lenken.
  2. Turbolader (10) nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Spirale (16, 18) symmetrisch sind.
  3. Turbolader (10) nach Anspruch 2, wobei die mehreren feststehenden Schaufeln (44) Düsendurchgänge ausbilden, die von einer der ersten und zweiten Spirale (16, 18) zum Turbinenrad (22) führen.
  4. Turbolader (10) nach Anspruch 3, wobei die mehreren feststehenden Schaufeln (44) die Abgasrückführung fördern.
  5. Turbolader (10) nach Anspruch 4, wobei der Düsenring (42) axial zwischen der ersten und zweiten Spirale (16, 18) angeordnet ist.
  6. Turbolader (10) nach Anspruch 2, wobei der Düsenring (58) eine erste Seite (60) mit den mehreren feststehenden Schaufeln (62) und eine der ersten Seite (60) gegenüberliegende zweite Seite (64) mit den mehreren feststehenden Schaufeln (66) aufweist.
  7. Turbolader (10) nach Anspruch 6, wobei die mehreren feststehenden Schaufeln (62) Düsendurchgänge ausbilden, die von der ersten Spirale (16) zum Turbinenrad (22) führen, und wobei die mehreren feststehenden Schaufeln (66) Düsendurchgänge ausbilden, die von der zweiten Spirale (18) zum Turbinenrad (22) führen.
  8. Turbolader (10) nach Anspruch 7, wobei eine Schaufelzahl der mehreren feststehenden Schaufeln (62) ungleich einer Schaufelzahl der mehreren feststehenden Schaufeln (66) ist.
  9. Turbolader (10) nach Anspruch 8, wobei die mehreren feststehenden Schaufeln (62) die Abgasrückführung fördern und wobei die mehreren feststehenden Schaufeln (66) eine hohe Turbinenleistung fördern.
  10. Turbolader (10) nach Anspruch 9, wobei der Düsenring (58) axial zwischen der ersten und zweiten Spirale (16, 18) angeordnet ist.
  11. Turbinengehäuse (12) für einen Turbolader (10), wobei das Turbinengehäuse (12) umfasst: ein Paar symmetrischer Spiralen, die eine erste Spirale (16) und eine zweite Spirale (18) definieren, ein innerhalb des Turbinengehäuses (12) um eine Turboladerachse (R1) drehbar angeordnetes Turbinenrad (22), und einen fest am Turbinengehäuse (12) gesicherten Düsenring (42), wobei der Düsenring (42) mehrere, in Umfangsrichtung um die Turboladerachse (R1) angeordnete, feststehende Schaufeln (44) umfasst, wobei die mehreren feststehenden Schaufeln (44) Düsendurchgänge ausbilden, die von einer der ersten und zweiten Spirale (16, 18) zum Turbinenrad (22) führen, um Abgas in einem optimalen Winkel gegen das Turbinenrad (22) zu lenken.
  12. Turbinengehäuse (12) für einen Turbolader (10), wobei das Turbinengehäuse (12) umfasst: ein Paar symmetrischer Spiralen, die eine erste Spirale (16) und eine zweite Spirale (18) definieren, ein innerhalb des Turbinengehäuses (12) um eine Turboladerachse (R1) drehbar angeordnetes Turbinenrad (22), und einen fest am Turbinengehäuse (12) gesicherten Düsenring (58), wobei der Düsenring (58) eine erste Seite (60) mit mehreren, in Umfangsrichtung um die Turboladerachse (R1) angeordneten, ersten feststehenden Schaufeln (62) umfasst, und eine zweite Seite (64) mit mehreren, in Umfangsrichtung um die Turboladerachse (R1) angeordneten, zweiten feststehenden Schaufeln (66), wobei die mehreren ersten feststehenden Schaufeln (62) Düsendurchgänge ausbilden, die von der ersten Spirale (16) zum Turbinenrad (22) führen, um Abgas in einem optimalen Winkel gegen das Turbinenrad (22) zu lenken, und wobei die mehreren zweiten feststehenden Schaufeln (66) Düsendurchgänge ausbilden, die von der zweiten Spirale (18) zum Turbinenrad (22) führen, um Abgas in einem optimalen Winkel gegen das Turbinenrad (22) zu lenken.
  13. Turbinengehäuse (12) nach Anspruch 12, wobei eine Schaufelzahl der mehreren ersten feststehenden Schaufeln (62) ungleich einer Schaufelzahl der mehreren zweiten feststehenden Schaufeln (66) ist.
  14. Turbinengehäuse (12) nach Anspruch 13, wobei die mehreren ersten feststehenden Schaufeln (62) die Abgasrückführung fördern, und wobei die mehreren zweiten feststehenden Schaufeln (66) eine hohe Turbinenleistung fördern.
  15. Turbinengehäuse (12) nach Anspruch 14, wobei der Düsenring (58) axial zwischen der ersten und zweiten Spirale (16, 18) angeordnet ist.
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