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Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Aus dem Serienbau von Abgasturboladern, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen, sind derartige Turbinen hinlänglich bekannt. Eine solche Turbine umfasst ein Turbinengehäuse, welches einen Aufnahmeraum aufweist. In dem Aufnahmeraum ist das Turbinenrad um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse drehbar zumindest teilweise aufnehmbar.
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Die Turbine umfasst ferner eine Umgehungseinrichtung, welche zumindest einen Umgehungskanal umfasst. Über den Umgehungskanal kann das Abgas, welches das Turbinengehäuse durchströmt, das Turbinenrad zumindest teilweise umgehen, so dass das Turbinenrad von diesem Abgas nicht angetrieben wird.
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Die Turbine umfasst ferner eine relativ zum Turbinengehäuse bewegbare Verstelleinrichtung, mittels welcher eine variable Turbinengeometrie zum variablen Einstellen von Strömungsbedingungen für das Abgas bereitgestellt wird. So kann die Turbine bedarfsgerecht an unterschiedliche Betriebspunkte der ihr zugeordneten Verbrennungskraftmaschine eingestellt und an unterschiedliche Abgasmassenströme angepasst werden. Derartige, bekannte Turbinen weisen eine relativ hohe Komplexität auf, was mit hohen Kosten einhergeht.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine für einen Abgasturbolader der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Turbine besonders geringe Kosten aufweist.
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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.
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Erfindungsgemäß ist die Menge des den Umgehungskanal durchströmenden Abgases mittels Bewegen der Verstelleinrichtung einstellbar. Dies bedeutet, dass das Bewegen der Verstelleinrichtung mit dem Einstellen der Menge des Abgases, das das Turbinenrad umgehen und dadurch nicht antreiben kann, einhergeht. Die Verstelleinrichtung wird somit nicht nur dazu genutzt, die Turbinengeometrie der Turbine einzustellen und an unterschiedliche Betriebspunkte mit unterschiedlichen Abgasmassenströmen der Verbrennungskraftmaschine anzupassen. Die Verstelleinrichtung wird auch zum Einstellen der Menge des das Turbinenrad umgebenden Abgases genutzt. Dadurch kann die Teileanzahl der erfindungsgemäßen Turbine gering gehalten werden. Daraus resultieren besonders geringe Kosten der Turbine. Darüber hinaus führt diese Funktionsintegration zu einem geringen Gewicht sowie zu einem geringen Bauraumbedarf der Turbine. Die geringe Teileanzahl kommt auch einer sehr guten Funktionserfüllungssicherheit der erfindungsgemäßen Turbine zugute, so dass diese auch über eine hohe Lebensdauer hinweg und bei hohen Belastungen ihre Funktion erfüllen kann.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein dem Umgehungskanal zugeordneter und von dem den Umgehungskanal durchströmenden Abgas durchströmbarer Strömungsquerschnitt mittels Bewegen der Verstelleinrichtung einstellbar. Dadurch ist eine besonders einfache Möglichkeit geschaffen, die Menge des das Turbinenrad umgebenden Abgases einzustellen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist das Turbinengehäuse wenigstens einen Zuführkanal auf, über welchen dem Aufnahmeraum und somit dem Turbinenrad Abgas zuführbar ist und welcher über wenigstens eine stromauf des Aufnahmeraums angeordnete Durchströmöffnung mit dem Umgehungskanal fluidisch verbunden ist. Das das Turbinenrad umgehende Abgas kann somit von dem Zuführkanal über die Durchströmöffnung in den Umgehungskanal einströmen.
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Dabei ist vorgesehen, dass die Durchgangsöffnung mittels Bewegen der Verstelleinrichtung zumindest in einem Teilbereich fluidisch versperrbar und in dem Teilbereich fluidisch freigebbar ist. Dadurch ist die Einstellbarkeit der Menge des das Turbinenrad umgebenden Abgases auf einfache Weise realisiert und in die Turbine bzw. das Turbinengehäuse integriert.
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Die Verstelleinrichtung umfasst beispielsweise wenigstens ein Leitelement, insbesondere eine Leitschaufel, welche zumindest teilweise von Abgas umströmbar ist. Das Leitelement ist dabei relativ zu dem Turbinengehäuse bewegbar und beispielsweise in dem Zuführkanal angeordnet. Durch Bewegen des Leitelements relativ zu dem Turbinengehäuse kann ein effektiver Strömungsquerschnitt der Turbine eingestellt, d. h. verengt und demgegenüber fluidisch freigegeben werden. Dadurch ist die variable Turbinengeometrie dargestellt und das Turbinenrad kann sowohl bei geringen Abgasmassenströmen als auch bei demgegenüber höheren Abgasmassenströmen effizient von dem Abgas angeströmt und dadurch angetrieben werden.
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Das Leitelement kann das Abgas ableiten bzw. ablenken und dem Abgas beispielsweise eine zumindest im Wesentlichen drallförmige Strömung aufprägen. Dadurch kann eine beispielsweise zumindest im Wesentlichen gerade bzw. radiale Strömung des Abgases in eine demgegenüber drallförmige Strömung umgewandelt werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Turbine handelt es sich beispielsweise um eine Radialturbine oder um eine Mixed-Flow-Turbine, bei denen das Turbinenrad zumindest im Wesentlichen radial und/oder schräg zur radialen Richtung von dem Abgas anzuströmen ist.
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Die variable Turbinengeometrie kann auch derart dargestellt sein, dass das Leitelement, insbesondere die Leitschaufel, relativ zu dem Turbinengehäuse fest, d. h. unbewegbar ist. Die Verstelleinrichtung umfasst wenigstens ein relativ zu dem Turbinengehäuse bewegbares Abdeckelement, mittels welchem das Leitelement zumindest teilweise abdeckbar und demgegenüber freigebbar ist, wodurch der effektive Strömungsquerschnitt der Turbine variabel eingestellt wird.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Verstelleinrichtung das zumindest eine stromauf des Aufnahmeraums in dem Zuführkanal angeordnete und relativ zum Turbinengehäuse bewegbare Leitelement, insbesondere die Leitschaufel. Dabei ist vorgesehen, dass die Durchströmöffnung zumindest in dem Teilbereich mittels des Leitelements fluidisch versperrbar und fluidisch freigebbar ist. Wird das Leitelement relativ zum Turbinengehäuse bewegt, so wird dadurch auch die Durchströmöffnung zumindest in einem weiteren Teilbereich des gesamten Verstellbereichs, in welchem das Leitelement bewegbar ist, fluidisch freigegeben oder fluidisch versperrt. Dies hält die Kosten und den Bauraumbedarf der erfindungsgemäßen Turbine besonders gering, da vorteilhafterweise zum Freigeben und Versperren der Durchströmöffnung lediglich das zumindest eine Leitelement vorgesehen und vonnöten ist, welches ohnehin zum Darstellen der variablen Turbinengeometrie vorgesehen ist.
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Das Leitelement ist beispielsweise um eine Drehachse relativ zum Turbinengehäuse drehbar. Dadurch ist eine besonders bauraumgünstige Bewegbarkeit des Verstellelements dargestellt.
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Vorzugsweise ist der Zuführkanal mit hinsichtlich seines von Abgas durchströmbaren Zuführströmungsquerschnitts mittels Bewegen des Leitelements einstellbar. Dadurch ist eine Funktionskopplung bzw. Funktionsintegration dargestellt, welche die Teileanzahl, die Kosten und den Bauraumbedarf der Turbine besonders gering hält.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Durchströmöffnung in einer Offenstellung des Leitelements, in welcher der Zuführströmungsquerschnitt maximal fluidisch freigegeben ist, zumindest in dem Teilbereich fluidisch frei gegeben. Der maximal fluidisch freigegebene Zuführströmungsquerschnitt und die freigegebene Durchströmöffnung tragen somit beide zur Darstellung eines besonders großen effektiven Strömungsquerschnitts der erfindungsgemäßen Turbine bei, so dass diese sehr gut und wirkungsgradgünstig von besonders hohen Abgasmassenströmen durchströmt werden kann. Dadurch weist die erfindungsgemäße Turbine eine besonders hohe Durchsatzkapazität sowie eine hohe Durchsatzspreizung auf, so dass sie sowohl bei sehr geringen Abgasmassenströmen sowie bei sehr hohen Abgasmassenströmen effizient betreibbar ist.
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Bei der Verbrennungskraftmaschine handelt es sich beispielsweise um einen Dieselmotor, einen Ottomotor oder um eine anderweitige Verbrennungskraftmaschine, insbesondere Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine. Die hohe Durchsatzspreizung der erfindungsgemäßen Turbine ist insbesondere vorteilhaft bei einem Ottomotor, bei welchem besonders hohe Spreizungen des Abgasmassenstroms vorliegen können.
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Durch die vorteilhafte Anpassbarkeit der erfindungsgemäßen Turbine an eine solche, hohe Spreizung ist eine sehr gute und angenehme Fahrbarkeit sowie ein vorteilhaftes, instationäres Verhalten der Verbrennungskraftmaschine bzw. des Ottomotors realisierbar.
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Zur Darstellung einer sehr hohen Durchsatzkapazität der erfindungsgemäßen Turbine ist die Durchströmöffnung in der Offenstellung des Leitelements maximal, insbesondere vollständig, fluidisch freigegeben. So kann die erfindungsgemäße Turbine besonders verlustarm von einer sehr hohen Menge bzw. Masse von Abgas durchströmt werden.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Leitelement zumindest in einem von Abgas wenigstens teilweise umströmbaren Leitbereich als dreidimensionale Beschaufelung ausgebildet. Die dreidimensionale Beschaufelung (3D-Beschaufelung) berücksichtigt die dreidimensionale Strömung des Abgases insbesondere in Grenzschichtbereichen, so dass die dreidimensionale Beschaufelung sehr günstige Strömungsbedingungen für das Abgas bereitstellen kann. Dies kommt einem effizienten Betrieb der Turbine zugute, was einem effizienten und damit kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zuträglich ist. Dies geht mit geringen CO2-Emissionen einher. Die dreidimensionale Beschaufelung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das Leitelement, insbesondere die Leitschaufel, über zumindest einen Teil seiner Leitelementhöhe bzw. Leitschaufelhöhe um eine Achse verwunden bzw. gewunden ist. Dadurch kann das Abgas strömungsgünstig abgelenkt bzw. abgeleitet und dem Turbinenrad zugeführt werden.
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Vorteilhafterweise ist dabei vorgesehen, dass die Durchströmöffnung mittels des Leitbereichs, insbesondere mittels einer der Durchströmöffnung zugewandten Stirnseite des Leitelements in dem Leitbereich, fluidisch freigebbar und fluidisch versperrbar ist. Dadurch ist die Einstellung der das Turbinenrad umgebenden Menge des Abgases auf besonders einfache und kostengünstige Weise dargestellt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Umgehungskanal, insbesondere die Durchströmöffnung, in wenigstens einer Stellung der Verstelleinrichtung vollständig fluidisch versperrbar. Dies bedeutet, dass der Umgehungskanal bzw. die Durchströmöffnung nicht mehr zum effektiven Strömungsquerschnitt der erfindungsgemäßen Turbine beiträgt und der effektive Strömungsquerschnitt auf besonders geringe Werte eingestellt werden kann. Dadurch kann die erfindungsgemäße Turbine auch bei besonders geringen Abgasmassenströmen effizient betrieben werden.
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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.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine, welche eine Umgehungseinrichtung und eine variable Turbinengeometrie aufweist; und
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2 ausschnittsweise eine schematische Draufsicht der Turbine gemäß 1.
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Die 1 zeigt eine vorliegend als Radialturbine ausgebildete Turbine 10 für einen Abgasturbolader einer insbesondere als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine. Die Turbine 10 umfasst ein Turbinengehäuse 12 mit einem Aufnahmeraum 14, in welchem ein Turbinenrad 16 aufgenommen ist. Das Turbinenrad 16 ist dabei um eine Drehachse 19 relativ zum Turbinengehäuse 12 drehbar.
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Das Turbinenrad 16 ist einem Rotor des Abgasturboladers zugeordnet, welcher auch eine Welle umfasst. Die Welle ist um die Drehachse 19 relativ zum Turbinengehäuse 12 drehbar und mit dem Turbinenrad 16 drehfest verbunden. Dadurch kann ein mit der Welle drehfest verbundenes Verdichterrad eines Verdichters des Abgasturboladers von dem Turbinenrad 16 angetrieben werden.
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Das Turbinengehäuse 12 weist wenigstens einen in der 1 nicht dargestellten Spiralkanal auf, welcher von Abgas durchströmbar ist und über welchen dem Turbinenrad 16 das Abgas zugeführt werden kann. Der Spiralkanal ist mit einem Zuführkanal 18 fluidisch verbunden, so dass das Abgas von dem Spiralkanal in den Zuführkanal 18 strömen kann. Der Zuführkanal 18 ist auch fluidisch mit dem Aufnahmeraum 14 verbunden, so dass das Abgas von dem Zuführkanal 18 zum Turbinenrad 16 strömen kann. Mit anderen Worten wird das Abgas über den Zuführkanal 18 dem Turbinenrad 16 zugeführt.
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In axialer Richtung ist der Zuführkanal 18 von einem ersten Wandungsbereich 20 der Turbine 10 begrenzt. Andererseits ist der Zuführkanal 18 von einem Wandungsteil 22 begrenzt. Der erste Wandungsbereich 20 kann einstückig mit dem Turbinengehäuse 12 ausgebildet sein. Das Wandungsteil 22 kann ebenso einstückig mit dem Turbinengehäuse 12 ausgebildet sein. Alternativ ist es möglich, dass das Wandungsteil 22 ein von dem Turbinengehäuse 12 separat ausgebildetes Einsatzteil ist, welches in dem Turbinengehäuse 12 aufgenommen ist.
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Mittels des Wandungsteils 22 ist zudem ein Umgehungskanal 24 einer Umgehungseinrichtung 26 der Turbine 10 begrenzt. Der Umgehungskanal 24 ist auch durch das Turbinengehäuse 12 begrenzt. Die Umgehungseinrichtung 26 mit dem Umgehungskanal 24 dient dazu, Abgas stromauf des Turbinenrads 16 abzuzweigen und an dem Turbinenrad 16 vorbeizuführen, so dass das Turbinenrad von dem den Umgehungskanal 24 durchströmenden Abgas nicht beaufschlagt und nicht angetrieben wird. Mit anderen Worten ist das Turbinenrad 16 mittels des Umgehungskanals 24 von Abgas umgehbar.
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Um ein unerwünschtes Rückströmen des Abgases zu vermeiden, ist wenigstens ein Dichtungselement 28 vorgesehen, mittels welchem der Umgehungskanal 24 zu dem Spiralkanal bzw. zu stromauf des Zuführkanals 18 abgedichtet ist. Wie der 1 zu entnehmen ist, mündet der Umgehungskanal 24 stromab des Turbinenrads 16 in einen Radaustrittsbereich 30, wo das das Turbinenrad 16 umgehende Abgas mit dem das Turbinenrad 16 beaufschlagenden Abgas zusammenströmen kann.
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Die Turbine 10 umfasst auch eine variable Turbinengeometrie 32. Die variable Turbinengeometrie 32 ist von einer Verstelleinrichtung 34 bereitgestellt, welche eine Mehrzahl von Leitschaufeln 36 umfasst. Die Leitschaufeln 36 sind in Umfangsrichtung des Turbinenrads 16 über dessen Umfang verteilt zumindest bereichsweise in dem Zuführkanal 18 angeordnet und können das Abgas entsprechend ablenken, so dass es das Turbinenrad 16 strömungsgünstig anströmen kann.
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Die Leitschaufeln 36 sind um jeweilige weitere Drehachsen 38 relativ zum Turbinengehäuse 12 und relativ zum Wandungsteil 22 einerseits am ersten Wandungsbereich 20 und andererseits am Wandungsteil 22 drehbar gelagert.
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Wie in Zusammenschau mit der 2 zu entnehmen ist, sind die Leitschaufeln 36 als sogenannte dreidimensionale Beschaufelung (3D-Beschaufelung) ausgebildet und weisen eine dreidimensionale Schaufelfußgestaltung 42 auf.
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Durch Drehen der Leitschaufeln 36 relativ zum ersten Wandungsbereich 20 und zum Wandungsteil 22 kann ein effektiver Strömungsquerschnitt der Turbine 10 variabel eingestellt werden, wodurch die Turbine 10 an unterschiedliche Abgasmassenströme angepasst werden kann.
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Werden von der Verbrennungskraftmaschine hohe Abgasmassenströme bereitgestellt, so werden die Leitschaufeln 36 in eine in der 2 mit O bezeichnete Offenstellung gedreht. So kann die Turbine 10 von den besonders hohen Abgasmassenströmen durchströmt werden.
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Werden von der Verbrennungskraftmaschine demgegenüber besonders geringe Abgasmassenströme bereitgestellt, so werden die Leitschaufeln 36 in eine in der 2 mit C bezeichnete Schließstellung gedreht. Die Offenstellung O stellt einen ersten Endanschlag dar. Die Schließstellung C stellt einen zweiten Endanschlag dar. Die Offenstellung O und die Schließstellung C begrenzen dabei einen Verstellbereich der Leitschaufeln 36, in welchem die Leitschaufeln 36 stufenweise oder vorzugsweise zumindest im Wesentlichen kontinuierlich verstellbar sind, um somit unterschiedliche effektive Strömungsquerschnitte der Turbine 10 bzw. des Zuführkanals 18 einzustellen.
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Das Wandungsteil 22 weist stromauf des Turbinenrads 16 eine Durchströmöffnung 40 auf, über welche der Umgehungskanal 24 mit dem Zuführkanal 18 fluidisch verbunden ist. Wie in Zusammenschau mit der 2 erkennbar ist, ist die Durchströmöffnung 40 in der Offenstellung O vollständig freigegeben und in der Schließstellung C mittels der dreidimensionalen Schaufelfußgestaltung 42 der Leitschaufel 36 überdeckt und dadurch zumindest im Wesentlichen vollständig fluidisch versperrt. Dies bedeutet, dass in der Schließstellung C kein Abgas mehr von dem Zuführkanal 18 über die Durchströmöffnung 40 in den Umgehungskanal 24 einströmen kann, so dass das Turbinenrad 16 nicht mehr von Abgas umgangen wird. Dann strömt das zumindest im Wesentlichen gesamte, den Zuführkanal 18 durchströmende Abgas das Turbinenrad 16 an und treibt das Turbinenrad 16 an. In der Schließstellung C ist somit der effektive Strömungsquerschnitt der Turbine auf seinen sehr geringen, insbesondere seinen minimalen Wert eingestellt.
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In der Offenstellung O sowie in gegebenenfalls vorgesehenen, weiteren Stellungen der Leitschaufel 36, in denen die Durchströmöffnung 40 zumindest teilweise freigegeben wird, tragen sowohl der Zuführkanal 18 als auch die Durchströmöffnung 40 zur Darstellung des effektiven Strömungsquerschnitts der Turbine 10 bei, so dass insbesondere in der Offenstellung O der effektive Strömungsquerschnitt auf einen besonders großen Wert eingestellt ist. Vorzugsweise ist die Durchströmöffnung 40 in der Offenstellung O vollständig freigegeben, so dass der effektive Strömungsquerschnitt der Turbine 10 in der Offenstellung O auf seinen maximal möglichen Wert eingestellt ist. Die Turbine 10 weist somit eine besonders hohe Durchsatzspreizung auf.
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Zudem kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Effizienz der Turbine 10 in der Offenstellung O gegenüber Stellungen, in denen der effektive Strömungsquerschnitt geringer ist, verringert ist, was vorteilhaft für zumindest einige Zyklen der mittels des Abgasturboladers aufgeladenen und als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine sein kann.