DE102014217217A1

DE102014217217A1 - Turbine for an internal combustion engine

Info

Publication number: DE102014217217A1
Application number: DE102014217217.9A
Authority: DE
Inventors: Arnd Schmidt; Olaf Bechmann; Ingo Köhler; Alexander Almes
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2016-03-03
Also published as: EP3186497A1; WO2016030282A1

Abstract

Eine Turbine (1) für eine Brennkraftmaschine, wobei die Turbine (1) in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet ist und Strömungsenergie eines Fluides der Brennkraftmaschine in mechanische Energie umwandelt, wobei die Turbine ein Turbinenrad (2) mit Schaufeln (3) aufweist und stromaufwärts der Turbine (1) ein Turbineneinlass (4) und stromabwärts der Turbine (1) ein Turbinenauslasskanal (5) angeordnet ist, soll derart gebaut werden, dass eine Abströmung über das Turbinenrad verbessert ist. Dazu ist stromabwärts des Turbinenrads (2) ein Strömungskörper (6), welcher im Wesentlichen mittig in dem Turbinenauslasskanal (5) angeordnet ist, an einem oder mehreren Befestigungselementen (7), welche an der Innenwand des Turbinenauslasskanals (5) befestigt sind, befestigt.A turbine (1) for an internal combustion engine, wherein the turbine (1) is arranged in an exhaust tract of the internal combustion engine and converts flow energy of a fluid of the internal combustion engine into mechanical energy, wherein the turbine has a turbine wheel (2) with blades (3) and upstream of the turbine Turbine (1) a turbine inlet (4) and downstream of the turbine (1) a turbine outlet channel (5) is arranged, is to be constructed such that an outflow through the turbine wheel is improved. For this purpose, downstream of the turbine wheel (2) a flow body (6), which is arranged substantially centrally in the turbine outlet duct (5), is fastened to one or more fastening elements (7) which are fastened to the inner wall of the turbine outlet duct (5).

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a turbine for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.

Turbinen werden in Brennkraftmaschinen vorwiegend im Abgastrakt eingesetzt, um Strömungsenergie eines Fluides der Brennkraftmaschine, insbesondere des Abgases, in mechanische Energie zu wandeln. Die aus dem Abgas gewonnene mechanische Energie wird beispielsweise mittels einer Welle einem Verdichter zugeführt, welcher dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zugeordnet ist und den Ladedruck der Brennkraftmaschine erhöht. Ein anderes Beispiel ist die weitergehende Wandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie, welche dann gespeichert oder direkt elektrischen Verbrauchern zugeführt wird. Turbines are used in internal combustion engines mainly in the exhaust system to convert flow energy of a fluid of the internal combustion engine, in particular of the exhaust gas into mechanical energy. The mechanical energy obtained from the exhaust gas is supplied for example by means of a shaft to a compressor which is assigned to the intake tract of the internal combustion engine and increases the boost pressure of the internal combustion engine. Another example is the further transformation of the mechanical energy into electrical energy, which is then stored or supplied directly to electrical consumers.

Die Umwandlung der Strömungsenergie in mechanische Energie geschieht mittels eines Turbinenrads, welches durch die Strömung in Drehung versetzt wird. Das Turbinenrad stellt dabei aber auch eine Störung der Strömung dar, wobei die Strömung den komplexen Körper des Turbinenrads umströmen muss und durch die Drehung des Turbinenrads eine zusätzliche Bewegungskomponente in Form eines Dralls erhält. The conversion of the flow energy into mechanical energy is done by means of a turbine wheel, which is rotated by the flow. The turbine wheel also represents a disturbance of the flow, wherein the flow must flow around the complex body of the turbine wheel and receives an additional component of motion in the form of a twist by the rotation of the turbine wheel.

Eine Beeinflussung einer Strömung liegt auch bei einem Verdichter einer Brennkraftmaschine vor, wobei mittels eines durch mechanische Energie in Drehung versetzten Verdichterrads die Energie der Strömung erhöht wird. Aus den Schriften DE 10 2009 014 279 A1 und WO 2008/155400 A1 sind Vorrichtungen bekannt, die bezüglich der Strömung stromauf eines Verdichterrads angeordnet werden. Dabei weisen die Vorrichtungen zentral in der Strömung angeordnete Körper auf, welche sich durch einen niedrigen Strömungswiderstand auszeichnen. Diese Körper befinden sich demnach stromauf des zugeordneten Rads und weisen eine Spitze auf, welche entgegen der Strömungsrichtung ausgerichtet ist. An influencing of a flow is also present in a compressor of an internal combustion engine, wherein the energy of the flow is increased by means of a compressor wheel rotated by mechanical energy. From the scriptures DE 10 2009 014 279 A1 and WO 2008/155400 A1 Devices are known, which are arranged with respect to the flow upstream of a compressor wheel. In this case, the devices have centrally arranged in the flow body, which are characterized by a low flow resistance. These bodies are therefore upstream of the associated wheel and have a tip which is oriented counter to the flow direction.

Die Schrift DE 10 2009 014 279 A1 zeigt darüber hinaus eine Turbine einer Brennkraftmaschine, welche in Richtung von einem Turbineneinlass zu einem Turbinenauslasskanal von einer Strömung durchsetzt ist. The font DE 10 2009 014 279 A1 further shows a turbine of an internal combustion engine, which is traversed in the direction of a turbine inlet to a turbine exhaust duct of a flow.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Turbine für eine Brennkraftmaschine derart zu bauen, dass eine Abströmung über ein Turbinenrad verbessert ist. The object of the present invention is to build a turbine for an internal combustion engine such that an outflow via a turbine wheel is improved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Turbine für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert. This object is achieved by a turbine for an internal combustion engine with the features of claim 1. Advantageous developments of the invention are characterized in the dependent claims.

Eine erfindungsgemäße Turbine für eine Brennkraftmaschine ist in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet und wandelt Strömungsenergie eines Fluids der Brennkraftmaschine in mechanische Energie um. Das Fluid ist insbesondere Abgas der Brennkraftmaschine, welches durch die Verbrennung von Kraftstoff unter Beimischung von Luft in den Brennräumen der Brennkraftmaschine entsteht. A turbine according to the invention for an internal combustion engine is arranged in an exhaust tract of the internal combustion engine and converts flow energy of a fluid of the internal combustion engine into mechanical energy. The fluid is in particular exhaust gas of the internal combustion engine, which is produced by the combustion of fuel with admixture of air in the combustion chambers of the internal combustion engine.

Die Turbine weist ein Turbinenrad mit Schaufeln, stromaufwärts der Turbine einen Turbineneinlass und stromabwärts der Turbine einen Turbinenauslasskanal auf. Das Fluid strömt ausgehend von dem Turbineneinlass durch die Schaufeln des Turbinenrads in den Turbinenauslasskanal. Dabei wird das Turbinenrad durch die geometrische Gestaltung der Turbinenschaufeln in Drehung versetzt und somit ein Teil der Strömungsenergie des Fluids in mechanische Energie umgewandelt, welche von einer Welle, auf der das Turbinenrad angeordnet ist, abgegriffen werden kann. Das Turbinenrad kann insbesondere als ein Radialrad gestaltet sein, wobei der Turbineneinlass das Turbinenrad ringförmig und radial umschließend angeordnet ist. Das Turbinenrad kann weiter beispielsweise als ein Axialrad oder auch als Mischform zwischen Radial- und Axialrad gestaltet sein. Der Turbine stromabwärts nachfolgend kann eine Vorrichtung zur Nachbehandlung des Abgases, insbesondere ein Oxidationskatalysator, angeordnet sein. Der Turbinenauslass kann in diesem Fall gleichzeitig auch als Eintritt der Abgasnachbehandlungs-Einrichtung ausgestaltet sein. The turbine has a turbine wheel with vanes, a turbine inlet upstream of the turbine, and a turbine outlet duct downstream of the turbine. The fluid flows into the turbine exhaust passage from the turbine inlet through the blades of the turbine wheel. In this case, the turbine wheel is rotated by the geometric configuration of the turbine blades and thus converted a part of the flow energy of the fluid into mechanical energy, which can be tapped by a shaft on which the turbine wheel is arranged. The turbine wheel may in particular be designed as a radial wheel, wherein the turbine inlet is arranged annularly and radially surrounding the turbine wheel. The turbine wheel can be designed, for example, as an axial or as a mixed form between the radial and axial. Downstream of the turbine downstream, a device for after-treatment of the exhaust gas, in particular an oxidation catalytic converter, can be arranged. In this case, the turbine outlet can also be configured as inlet of the exhaust gas aftertreatment device.

Stromabwärts des Turbinenrads ist ein Strömungskörper an einem oder mehreren Befestigungselementen angeordnet. Die Befestigungselemente sind wiederum an der Innenwand des Turbinenauslasskanals befestigt. Der Strömungskörper ist im Wesentlichen mittig in dem Turbinenauslasskanal angeordnet. Insbesondere weist der Schwerpunkt des Strömungskörpers im Wesentlichen den gleichen Abstand zu den von dem Schwerpunkt aus betrachtet quer zur Strömungsrichtung des Fluids liegenden Punkten der Innenwand des Turbinenauslasskanals auf. Beispielsweise kann der Abstand zu den jeweiligen Punkten sich nur um 10 % unterscheiden oder genau gleich sein. Weiterhin zeichnet sich ein im Wesentlich mittig angeordneter Strömungskörper dadurch aus, dass die freie, der Strömung zur Verfügung stehende Querschnittsfläche zwischen Innenwand des Turbinenauslasskanals und Strömungskörper größer als der größte Querschnitt des Strömungskörpers quer zur Strömungsrichtung ist. Downstream of the turbine wheel, a flow body is disposed on one or more fasteners. The fasteners are in turn secured to the inner wall of the turbine exhaust passage. The flow body is disposed substantially centrally in the turbine exhaust passage. In particular, the center of gravity of the flow body has substantially the same distance from the points of the inner wall of the turbine outlet channel lying transversely to the flow direction of the fluid from the center of gravity. For example, the distance to the respective points may differ only by 10% or be exactly the same. Furthermore, a substantially centrally arranged flow body characterized by the fact that the free, the flow available cross-sectional area between the inner wall of the turbine outlet channel and flow body is greater than the largest cross section of the flow body transverse to the flow direction.

Beispielsweise kann der Strömungskörper bei einem ungekrümmten Turbinenauslasskanal die Form eines Projektils aufweisen. Diese Form ist dadurch charakterisiert, dass ein kreisförmiger Querschnitt sich in einem Hauptbereich zunächst axial bei gleichbleibendem Durchmesser erstreckt und dann in einem Endbereich mit einer konvexen Krümmung spitz ausläuft oder auch einen im Wesentlichen runden Kopf als Endbereich aufweist. Variationen der Form können eine ebene Kreisfläche anstelle einer Spitze des Endbereichs oder auch eine kegelförmige Spitze des Endbereichs, eine geringe Vergrößerung des Durchmessers im Hauptbereich, eine geringe Verkleinerung des Durchmessers im Hauptbereich und/oder eine Abweichung von dem kreisförmigen Querschnitt zu einem gering von der Kreisform abweichenden, polygonalen oder ellipsoiden Querschnitt sein. Der Strömungskörper kann auch einen Anfangsbereich aufweisen, welcher das stromaufwärts liegende Ende des Strömungskörpers charakterisiert. Der Anfangsbereich kann beispielsweise platt als ebene Kreisfläche oder auch als im Wesentlichen runder Kopf ausgebildet sein. For example, the flow body in an un-curved turbine exhaust duct the Shape of a projectile exhibit. This shape is characterized in that a circular cross-section initially extends axially in a main region with a constant diameter and then ends in an end region with a convex curvature pointed or also has a substantially round head as an end region. Variations of the shape may be a flat circular area instead of a tip of the end portion or a conical tip of the end portion, a small diameter increase in the main portion, a small reduction in the diameter in the main portion, and / or a deviation from the circular cross section to a small circle be divergent, polygonal or ellipsoidal cross section. The flow body may also have an initial region that characterizes the upstream end of the flow body. For example, the starting region may be formed flat as a flat circular surface or as a substantially round head.

In anderen Fällen, wenn der Turbinenauslasskanal eine gekrümmte und/oder sich im Durchmesser erweiternde oder verkleinernde Gestalt aufweist, kann der Strömungskörper derart ausgebildet sein, dass er der Gestalt des Turbinenauslasskanals angepasst ist. Beispielsweise kann der Strömungskörper ausgehend von der für einen ungekrümmten Turbinenauslasskanal beschriebenen Gestalt des Strömungskörpers verformt sein, insbesondere kann diese Verformung der Abweichung der Gestalt des Turbinenauslasskanals von der Gestalt eines ungekrümmten Turbinenauslasskanals entsprechen. Das heißt, dass bei einer Krümmung des Turbinenauslasskanals in eine Richtung der Strömungskörper ebenfalls eine Krümmung in diese Richtung aufweist oder dass bei einer Durchmesseraufweitung des Turbinenauslasskanals der Strömungskörper in diesem Strömungsbereich eine Querschnittsvergrößerung aufweist. In other cases, when the turbine exhaust passage has a curved and / or widening or decreasing shape, the flow body may be configured to match the shape of the turbine exhaust passage. For example, the flow body may be deformed from the shape of the flow body described for an un-curved turbine exhaust passage; in particular, this deformation may correspond to the deviation of the shape of the turbine exhaust passage from the shape of an un-curved turbine exhaust passage. That is to say, if the turbine exhaust duct in one direction curves in one direction, the flow body likewise has a curvature in this direction, or if the flow body in this flow region has a cross-sectional enlargement with a diameter widening of the turbine outlet duct.

Eine erfindungsgemäße Turbine weist im mittleren Strömungsfaden, das heißt im zentralen Bereich des Querschnitts des Turbinenauslasskanals, eine geringere Ablösung der Strömung im Vergleich zu einer Turbine ohne Strömungskörper auf. Bezüglich der Strömungsverluste stromabwärts des Turbinenrads wird durch die erfindungsgemäße Turbine eine Verbesserung erzielt. Insbesondere bewirkt eine erfindungsgemäße Turbine bei Anordnung eines Katalysators zur Abgasreinigung stromabwärts der Turbine eine Verbesserung der Anströmung des Katalysators. Durch Berechnungen konnte bewiesen werden, dass eine erfindungsgemäße Turbine den Homogenitätsindex der Anströmung des Katalysators erhöht, das heißt, dass der Querschnitt des Katalysators gleichmäßiger angeströmt wird. A turbine according to the invention has, in the central flow thread, that is to say in the central region of the cross section of the turbine outlet channel, a smaller separation of the flow in comparison to a turbine without flow body. With regard to the flow losses downstream of the turbine wheel, an improvement is achieved by the turbine according to the invention. In particular, a turbine according to the invention causes an improvement in the flow of the catalyst in the arrangement of a catalyst for exhaust gas purification downstream of the turbine. By calculations it could be proved that a turbine according to the invention increases the homogeneity index of the flow of the catalyst, that is, that the cross-section of the catalyst is more uniformly flown.

Der Strömungskörper kann wahlweise als Hohlkörper oder auch als massiver Körper ausgestaltet sein. Für die Materialauswahl gibt es diverse Werkstoffe, welche die notwendige Eignung für eine hohe Abgastemperatur erfüllen. Vorzugsweise können aufgrund der hohen Temperaturen metallische oder keramische Werkstoffe eingesetzt werden. The flow body can optionally be designed as a hollow body or as a solid body. For the selection of materials, there are various materials which fulfill the necessary suitability for a high exhaust gas temperature. Preferably, metallic or ceramic materials can be used due to the high temperatures.

Eine vorteilhafte Gestaltung der erfindungsgemäßen Turbine besteht darin, dass der Strömungskörper als rotationssymmetrischer Körper ausgebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung weist der Strömungskörper in zur Strömungsrichtung rechtwinkligen Ebenen einen kreisförmigen Querschnitt auf. Die kreisförmigen Querschnitte verursachen sehr geringe Strömungsverluste und stellen somit ein zusätzliches Mittel dar, die Abströmung des Turbinenrads weiter zu verbessern. An advantageous embodiment of the turbine according to the invention is that the flow body is designed as a rotationally symmetrical body. In this embodiment, the flow body in a direction perpendicular to the flow direction planes on a circular cross-section. The circular cross sections cause very low flow losses and thus provide an additional means to further improve the outflow of the turbine wheel.

Bevorzugt ist eine Mittelachse des rotationssymmetrischen Strömungskörpers identisch mit einer Mittelachse des Turbinenrads. Insbesondere, wenn der Turbinenauslasskanal einen kreisförmigen Strömungsquerschnitt aufweist, kann hierdurch bewirkt werden, dass der Abstand eines Oberflächensegments des Strömungskörpers zu einem gegenüberliegen Oberflächensegment der Innenwand des Turbinenauslasskanals über den vollständigen Umfang des Strömungskörpers konstant ist. Der verbleibende Strömungsquerschnitt nach Anordnung des Strömungskörpers kann folglich als konzentrischer Ringquerschnitt und somit besonders strömungsgünstig ausgebildet werden. Preferably, a central axis of the rotationally symmetrical flow body is identical to a center axis of the turbine wheel. In particular, when the turbine outlet channel has a circular flow cross-section, this may cause the distance of a surface segment of the flow body to an opposite surface segment of the inner wall of the turbine outlet channel to be constant over the complete circumference of the flow body. The remaining flow cross-section after arrangement of the flow body can thus be formed as a concentric annular cross-section and thus particularly streamlined.

Die strömungsbeeinflussenden Eigenschaften des Strömungskörpers lassen sich weiter verbessern, indem die Funktion eines Durchmessers des Strömungskörpers über dem Weg entlang der Mittelachse des Strömungskörpers in Strömungsrichtung des Fluides monoton fallend ist. In anderen Worten bleibt der Querschnitt des Strömungskörpers in Strömungsrichtung konstant oder verkleinert sich. Insbesondere bei einem kreisförmigen Querschnitt des Turbinenauslasskanals wird dadurch bewirkt, dass der im Kanal für das Fluid verbleibende Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung konstant bleibt oder zunimmt, wodurch die resultierende Homogenität der Strömung weiter erhöht wird. The flow-influencing properties of the flow body can be further improved by the function of a diameter of the flow body over the path along the central axis of the flow body in the flow direction of the fluid monotonically decreasing. In other words, the cross section of the flow body in the flow direction remains constant or decreases. In particular, in the case of a circular cross section of the turbine outlet channel, this causes the flow cross section remaining in the channel for the fluid to remain constant or increase in the flow direction, whereby the resulting homogeneity of the flow is further increased.

Der Übergang der Strömung von dem Turbinenradkörper auf den Strömungskörper kann besonders gleichmäßig erfolgen, wenn der größte Durchmesser des Strömungskörpers 90 bis 105 %, insbesondere 100 %, des kleinsten Durchmessers der Schaufeln des Turbinenrads bezüglich der Mittelachse des Turbinenrads beträgt. Da die Schaufeln des Turbinenrads üblicherweise keine kreisförmigen Konturen um die Mittelachse des Turbinenrads bilden, ist in diesem Zusammenhang mit dem kleinsten Durchmesser der Durchmesser des Kreises gemeint, welcher dadurch gebildet wird, dass durch den am geringsten von der Mittelachse beabstandeten Punkt auf einer Schaufel des Turbinenrads ein Kreis um die Mittelachse des Turbinenrads konstruiert wird. The transition of the flow from the turbine wheel body to the flow body can take place particularly uniformly when the largest diameter of the flow body is 90 to 105%, in particular 100%, of the smallest diameter of the blades of the turbine wheel with respect to the central axis of the turbine wheel. Since the blades of the turbine wheel usually do not form circular contours about the central axis of the turbine wheel, in this connection with the smallest diameter is meant the diameter of the circle, which is formed by constructing a circle about the central axis of the turbine wheel through the point at the lowest point on the central axis on a blade of the turbine wheel.

Radial innen bezüglich der Schaufeln weisen Turbinenräder üblicherweise einen massiven Nabenkörper auf, an welchem die Schaufeln angebunden sind. Da die Nabe massiv ausgebildet ist, wird das Turbinenrad folglich lediglich zwischen den Schaufeln von dem Fluid durchströmt. Mittels der Bestimmung des oben beschriebenen kleinsten Durchmessers der Schaufeln kann der radial am weitesten innenliegende Strömungsfaden im Turbinenrad bestimmt werden. Durch die Ausgestaltung des Strömungskörpers mit einem größten Durchmesser, welcher 90 bis 105 %, insbesondere 100 %, dieses kleinsten Schaufeldurchmessers beträgt, kann vorteilhaft ein weitestgehend ungestörter Übergang der innenliegenden Strömungsfäden von dem Turbinenrad zu dem Strömungskörper ermöglicht werden. Radially inward with respect to the blades, turbine wheels usually have a solid hub body to which the blades are connected. Since the hub is formed solid, the turbine wheel is thus flowed through only between the blades of the fluid. By determining the smallest diameter of the blades described above, the radially innermost flow stream in the turbine wheel can be determined. Due to the design of the flow body with a largest diameter, which is 90 to 105%, in particular 100%, of this smallest blade diameter, advantageously a largely undisturbed transition of the inner flow threads of the turbine wheel to the flow body can be made possible.

Eine weitere Verbesserung dieses Übergangs der Strömung von dem Turbinenrad auf den Strömungskörper kann dadurch erzielt werden, dass ein axialer Abstand des Strömungskörpers zum Turbinenrad bezüglich der Mittelachse des Strömungskörpers kleiner als 20 %, insbesondere kleiner als 5 %, des größten Durchmessers des Strömungskörpers ist. Ein Spalt zwischen Strömungskörper und Turbinenrad stellt für die Strömung eine ungünstige Störkontur dar, so dass die Verringerung des Spalts zweckmäßig im Sinne der Erfindung ist. A further improvement of this transition of the flow from the turbine wheel to the flow body can be achieved in that an axial distance of the flow body to the turbine wheel with respect to the central axis of the flow body is less than 20%, in particular less than 5%, of the largest diameter of the flow body. A gap between the flow body and the turbine wheel represents an unfavorable disturbing contour for the flow, so that the reduction of the gap is expedient for the purposes of the invention.

Um eine negative Beeinflussung der Strömung im verbleibenden Strömungsquerschnitt, insbesondere eine Reduktion des verbleibenden Querschnitts, zu minimieren, besteht eine vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Turbine darin, dass die Befestigungselemente als Streben ausgebildet sind, deren Länge mindestens das Fünffache von deren Dicke beträgt. In order to minimize a negative influence on the flow in the remaining flow cross section, in particular a reduction of the remaining cross section, an advantageous embodiment of the turbine according to the invention is that the fastening elements are designed as struts whose length is at least five times the thickness thereof.

Eine alternative gelungene Ausführung sieht vor, dass die Befestigungselemente als Leitbleche ausgebildet sind, deren Erstreckung in Strömungsrichtung des Fluides mindestens das Vierfache von deren Erstreckung in tangentialer Richtung zum Umfang des Strömungskörpers beträgt. Mit anderen Worten sind die Befestigungselemente als flächige Körper ausgebildet, die sich in Strömungsrichtung erstrecken. Durch diese Ausgestaltung kann den eigentlich nur zur Befestigung des Strömungskörpers dienenden Elementen überraschend einfach eine weitere Funktion verliehen werden. Die flächigen Befestigungselemente dienen zur Reduzierung eines Dralls in der Strömung, die dieser durch das Durchströmen des Turbinenrads auferlegt wurde. Die Reduzierung des Dralls ist eine zusätzliche Begünstigung großer Homogenität der Strömung und geringer Strömungsverluste. An alternative successful embodiment provides that the fastening elements are designed as baffles whose extension in the flow direction of the fluid is at least four times the extent thereof in the tangential direction to the circumference of the flow body. In other words, the fastening elements are formed as flat bodies which extend in the flow direction. As a result of this embodiment, the elements which are actually only used for fastening the flow body can surprisingly be given a further function. The planar fasteners serve to reduce a swirl in the flow that has been imposed by the flow through the turbine wheel. The reduction of spin is an additional benefit of high flow homogeneity and low flow losses.

Eine vorteilhafte Gestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Turbine weist genau drei Befestigungselemente auf, die um die Mittelachse des Strömungskörpers in gleichmäßigen Winkelabständen angeordnet sind. Diese Variante stellt eine gute Lösung des Konfliktes zwischen filigranen Befestigungselementen, die die Strömungsverluste möglichst gering halten, und einer ausreichend stabilen Befestigung des Strömungskörpers dar. Der Vorteil dieser Variante ist, dass unabhängig von der Richtung einer belastenden Kraft auf den Strömungskörper jederzeit zumindest eins der Befestigungselemente mit einer bezüglich der Festigkeit günstigen Zugbelastung beansprucht wird. An advantageous design variant of the turbine according to the invention has exactly three fastening elements, which are arranged around the central axis of the flow body at equal angular intervals. This variant provides a good solution to the conflict between filigree fasteners that minimize the flow losses, and a sufficiently stable attachment of the flow body. The advantage of this variant is that regardless of the direction of a loading force on the flow body at any time at least one of the fasteners is claimed with a tensile strength favorable in terms of strength.

Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Turbine aufweist, bereit. According to a further aspect, the invention provides a motor vehicle having an internal combustion engine with a turbine according to the invention.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen: Further advantages and advantageous embodiments and developments of the invention will be described with reference to the following description with reference to the figures. It shows in detail:

1 Eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbine 1 A sectional view of a first embodiment of a turbine according to the invention

2 Eine Seitenansicht der Ausführungsform der 1 aus der in 1 gekennzeichneten Betrachtungsrichtung A 2 A side view of the embodiment of the 1 from the in 1 marked viewing direction A

3 Eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbine 3 A sectional view of a second embodiment of a turbine according to the invention

4 Eine Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbine 4 An illustration of a third embodiment of a turbine according to the invention

Die 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbine 1. Die Turbine 1 weist einen radial angeordneten Turbineneinlass 4 und einen axial verlaufenden Turbinenauslasskanal 5 auf. Das Fluid der Brennkraftmaschine strömt von dem Turbineneinlass 4 in Richtung des Turbinenauslasskanals 5 und durchströmt dabei das Turbinenrad 2. Das Turbinenrad 2 weist mehrere Schaufeln 3 auf, welche so geformt sind, dass das Turbinenrad 2 durch die Strömung in Rotation um die Mittelachse 9 versetzt wird. The 1 shows a sectional view of a first embodiment of a turbine according to the invention 1 , The turbine 1 has a radially disposed turbine inlet 4 and an axial turbine exhaust passage 5 on. The fluid of the internal combustion engine flows from the turbine inlet 4 in the direction of the turbine exhaust duct 5 and flows through the turbine wheel 2 , The turbine wheel 2 has several blades 3 on which are shaped so that the turbine wheel 2 through the flow in rotation about the central axis 9 is offset.

Stromabwärts des Turbinenrads 2 ist ein Strömungskörper 6 angeordnet. Der Strömungskörper 6 ist an Befestigungselementen 7, welche in dieser Ausführungsform als Streben ausgebildet sind, befestigt. Die Befestigungselemente 7 sind wiederum an der Gehäusewand des Turbinenauslasskanals 5 befestigt. Der Strömungskörper 6 ist ein Rotationskörper, dessen Mittelachse 8 koaxial zu der Mittelachse 9 des Turbinenrads 2 ist. Der Strömungskörper 6 ist gering von dem Turbinenrad 2 beabstandet und weist einen Durchmesser auf, welcher sich in Strömungsrichtung monoton fallend verringert, bis dieser Null erreicht und der Strömungskörper 6 endet. Downstream of the turbine wheel 2 is a flow body 6 arranged. The flow body 6 is on fasteners 7 , which are formed in this embodiment as struts attached. The fasteners 7 are in turn on the housing wall of the turbine outlet channel 5 attached. The flow body 6 is a rotation body whose center axis 8th coaxial with the central axis 9 of the turbine wheel 2 is. The flow body 6 is low from the turbine wheel 2 spaced and has a diameter which decreases monotonically decreasing in the flow direction until it reaches zero and the flow body 6 ends.

Bereits erläuterte Entitäten werden in den Figuren, auf die nachfolgende Ausführungsformen Bezug nehmen, mit den identischen Bezugszeichen gemäß der 1 bezeichnet und gegebenenfalls nicht ein weiteres Mal erläutert. Already explained Entitäten are in the figures, refer to the following embodiments, with the identical reference numerals according to the 1 and may not be explained again.

Die 2 zeigt eine Seitenansicht der Ausführungsform der 1 aus der in 1 gekennzeichneten Betrachtungsrichtung A. Gut zu erkennen sind die kreisförmigen Querschnitte des Turbinenauslasskanals 5 und des Strömungskörpers 6. Der Strömungskörper 6 ist mit genau drei Befestigungselementen 7 an der Gehäusewand des Turbinenauslasskanals 5 befestigt. Die Befestigungselemente 7 sind gleichmäßig winkelverteilt, so dass für das gezeigte Ausführungsbeispiel jeweils ein Winkel von 120° zwischen benachbarten Befestigungselementen 7 liegt. Die Befestigungselemente sind sehr dünn ausgeführt, so dass zwischen der Wand des Turbinenauslasskanals 5 und dem Strömungskörper 6 ein möglichst großer Strömungsquerschnitt verbleibt. The 2 shows a side view of the embodiment of the 1 from the in 1 marked viewing direction A. Good to see the circular cross-sections of the turbine exhaust duct 5 and the flow body 6 , The flow body 6 is with exactly three fasteners 7 on the housing wall of the turbine exhaust duct 5 attached. The fasteners 7 are evenly distributed angularly, so that in each case for the embodiment shown, an angle of 120 ° between adjacent fasteners 7 lies. The fasteners are made very thin, so that between the wall of the turbine exhaust duct 5 and the flow body 6 the largest possible flow cross-section remains.

Die 3 zeigt eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbine 1. Die Ausführungsform der 3 unterscheidet sich von der der 1 dadurch, dass die Befestigungselemente 7 als Leitbleche ausgebildet sind, um den Drall aus der Strömung zu nehmen. Dazu sind die Befestigungselemente 7 flächig und in Strömungsrichtung ausgerichtet. Eine Seitenansicht der Ausführungsform gemäß der 3 entspricht durch die flächige Form der Befestigungselemente 7 exakt der Seitenansicht der Ausführungsform der 1, so dass auch durch die Leitbleche eine möglichst geringe Reduktion des Strömungsquerschnitts verursacht wird. The 3 shows a sectional view of a second embodiment of a turbine according to the invention 1 , The embodiment of the 3 is different from that of 1 in that the fasteners 7 are formed as baffles to take the swirl from the flow. These are the fasteners 7 flat and aligned in the flow direction. A side view of the embodiment according to the 3 corresponds by the flat shape of the fasteners 7 exactly the side view of the embodiment of 1 , so that the smallest possible reduction of the flow cross-section is caused by the baffles.

Die 4 zeigt eine Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbine 1. Wie die vorhergehenden Ausführungsbeispiele weist die Turbine 1 einen Turbineneinlass 4 und ein Turbinenrad 2 mit Schaufeln 3 auf. Das dritte Ausführungsbeispiel zeigt als Besonderheit einen Turbinenauslasskanal 5, welcher sowohl eine Aufweitung des Durchmessers als auch eine Krümmung aufweist. Ausgehend von dem Turbinenrad 2 in Richtung stromabwärts weitet sich der Turbinenauslasskanal 5 zunächst allmählich auf und mündet dann in Form einer erheblichen Aufweitung und Krümmung in einen Eintritt eines Oxidationskatalysators 10. The 4 shows a representation of a third embodiment of a turbine according to the invention 1 , Like the previous embodiments, the turbine 1 a turbine inlet 4 and a turbine wheel 2 with shovels 3 on. The third embodiment shows as a special feature a turbine exhaust duct 5 which has both an expansion of the diameter and a curvature. Starting from the turbine wheel 2 Towards the downstream, the turbine exhaust duct widens 5 initially gradually and then opens in the form of a significant expansion and curvature in an inlet of an oxidation catalyst 10 ,

Der Strömungskörper 6 ist dieser Form des Turbinenauslasskanals 5 angepasst. In Richtung stromabwärts beginnt der Strömungskörper 6 mit einem Anfangsbereich in Form eines runden Kopfes. Alternativ kann der Anfangsbereich auch zusätzlich eine Abplattung aufweisen. Im Anschluss an den Anfangsbereich schließt sich der Hauptbereich an, welcher aus kreisförmigen Querschnitten besteht und sich – in Anpassung an den Turbinenauslasskanal 5 – zunächst im Querschnitt vergrößert und dann wieder verjüngt. Ebenfalls in Anpassung an den Turbinenauslasskanal 5 ist der Strömungskörper 6 nur zu Beginn des Hauptbereichs ein rotationssymmetrischer Körper und folgt dann der Krümmung des Turbinenauslasskanals 5. Abschließend folgt ein Endbereich des Strömungskörpers 6, welcher aus einer kegelförmigen Spitze besteht. Alternativ kann der Endbereich des Strömungskörpers 6 auch als platte Fläche ausgebildet sein, welche parallel zur Eintrittsfläche des Oxidationskatalysators 10 steht. Die gesamte Oberfläche des Strömungskörpers 6, mit Ausnahme der Flächen und/oder Spitzen des Anfangsbereichs und Endbereichs ist stetig differenzierbar. Mit anderen Worten weist die Oberfläche keine Sprünge oder Knicke auf. The flow body 6 is this form of turbine exhaust duct 5 customized. Towards the downstream, the flow body begins 6 with a starting area in the form of a round head. Alternatively, the initial area may additionally have a flattening. Following the initial area, the main area joins, which consists of circular cross-sections and - in adaptation to the Turbinenauslasskanal 5 - First enlarged in cross-section and then rejuvenated. Also in adaptation to the turbine exhaust duct 5 is the flow body 6 only at the beginning of the main area a rotationally symmetric body and then follows the curvature of the turbine outlet channel 5 , Finally follows an end region of the flow body 6 , which consists of a conical tip. Alternatively, the end region of the flow body 6 Also be formed as a flat surface, which is parallel to the entrance surface of the oxidation catalyst 10 stands. The entire surface of the flow body 6 , with the exception of the areas and / or peaks of the start area and end area is continuously differentiable. In other words, the surface has no cracks or kinks.

Die Befestigungselemente 7 sind in 4 nicht dargestellt, da diese den Befestigungselementen 7 aus den 1 bis 3 entsprechend gewählt werden können und auf diese in der diesen Figuren zugeordneten Beschreibung bereits ausreichend eingegangen wurde. The fasteners 7 are in 4 not shown, as these the fasteners 7 from the 1 to 3 can be selected accordingly and has already been adequately addressed in this description associated with these figures.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Turbine turbine
2 2: Turbinenrad turbine
3 3: Schaufel shovel
4 4: Turbineneinlass turbine inlet
5 5: Turbinenauslasskanal Turbinenauslasskanal
6 6: Strömungskörper flow body
7 7: Befestigungselement fastener
8 8th: Mittelachse central axis
9 9: Mittelachse central axis
10 10: Oxidationskatalysator oxidation catalyst
A A: Betrachtungsrichtung viewing direction

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009014279 A1 [0004, 0005]
WO 2008/155400 A1 [0004]

Claims

Turbine ( 1 ) for an internal combustion engine, wherein the turbine ( 1 ) is arranged in an exhaust tract of the internal combustion engine and converts flow energy of a fluid of the internal combustion engine into mechanical energy, wherein the turbine is a turbine wheel ( 2 ) with blades ( 3 ) and upstream of the turbine ( 1 ) a turbine inlet ( 4 ) and downstream of the turbine ( 1 ) a turbine exhaust duct ( 5 ), characterized in that downstream of the turbine wheel ( 2 ) a flow body ( 6 ) substantially centered in the turbine exhaust passage (FIG. 5 ) is arranged on one or more fastening elements ( 7 ), which on the inner wall of the turbine outlet channel ( 5 ) are fastened.

Turbine ( 1 ) for an internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the flow body ( 6 ) is designed as a rotationally symmetrical body.

Turbine ( 1 ) for an internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the turbine exhaust duct ( 5 ) has a curved and / or widening or decreasing shape in diameter and the flow body ( 6 ) is designed such that it corresponds to the shape of the turbine outlet channel ( 5 ) is adjusted.

Turbine ( 1 ) for an internal combustion engine according to claim 2, characterized in that a central axis ( 8th ) of the flow body ( 6 ) identical to a central axis ( 9 ) of the turbine wheel ( 2 ).

Turbine ( 1 ) for an internal combustion engine according to claim 4, characterized in that the function of a diameter of the flow body ( 6 ) over the path along the central axis ( 8th ) of the flow body ( 6 ) is monotonically decreasing in the flow direction of the fluid.

Turbine ( 1 ) for an internal combustion engine according to claim 5, characterized in that the largest diameter of the flow body ( 6 ) 90 to 105% of the smallest diameter of the blades ( 3 ) of the turbine wheel ( 2 ) with respect to the central axis ( 9 ) of the turbine wheel ( 2 ) is.

Turbine ( 1 ) for an internal combustion engine according to claim 5 or 6, characterized in that an axial distance of the flow body ( 6 ) to the turbine wheel ( 2 ) with respect to the central axis ( 8th ) of the flow body ( 6 ) smaller than 20% of the largest diameter of the flow body ( 6 ).

Turbine ( 1 ) for an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the fastening elements ( 7 ) are formed as struts whose length is at least five times the thickness thereof.

Turbine ( 1 ) for an internal combustion engine according to one of claims 1 to 7, characterized in that the fastening elements ( 7 ) are formed as baffles whose extension in the flow direction of the fluid at least four times the extent thereof in the tangential direction to the circumference of the flow body ( 6 ) is.

Vehicle having an internal combustion engine with a turbine ( 1 ) according to one of the preceding claims.