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Die Erfindung betrifft einen Abgasführungsabschnitt für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie einen Abgasturbolader gemäß Patentanspruch 4.
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Abgasführungsabschnitte für Abgasturbolader, die zwei axial benachbart angeordnete Spiralkanäle aufweisen, über die einem in einer Radkammer des Abgasführungsabschnittes drehbar angeordneten Turbinenrad Abgas zuführbar ist, sind bekannt. Ebenso bekannt sind Abgasführungsabschnitte, die mindestens zwei über einem Umfang der Radkammer seriell angeordnete Spiralkanäle aufweisen. Bei dieser Ausführung des Abgasführungsabschnittes wird über einen Spiralkanal das Turbinenrad nur abschnittsweise über seinem Umfang angeströmt. Das Problem dieser Spiralanordnung ist jedoch, dass insbesondere bei einem als so genanntes Mixed-Flow-Rad ausgebildeten Turbinenrad ein Überströmen von einem Spiralkanal in den anderen erfolgen kann, wodurch sich ein geringer Wirkungsgrad des Abgasturboladers ergibt.
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Aus der Druckschrift
WO 2015/051 891 A1 geht ein Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers, umfassend einen Hitzeschild hervor, wobei der Abgasführungsabschnitt einen ersten Spiralkanal mit einer Spiralzunge und einen zweiten Spiralkanal mit einer Spiralzunge aufweist. Die Spiralzungen sind in Umfangsrichtung seriell angeordnet. Der Hitzeschild weist zwei die Spiralkanäle im Bereich der Spiralzungen trennende Trennelemente auf.
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Den Druckschriften
DE 102 12 675A1 und
DE 10 2011 016 528A1 kann ein Abgasturbolader mit einem Verdichter und einer Abgasturbine entnommen werden. Die Abgasturbine besitzt mindestens zwei Spiralkanäle, die jeweils in einen radialen Strömungseintrittsquerschnitt münden. In den radialen Strömungseintrittsquerschnitten ist ein Leitgitterring angeordnet, der zwischen zwei axial begrenzenden Wandungen gehalten ist. Eine der Wandungen ist axial verschieblich ausgeführt.
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Die Druckschrift
EP 2 762 683 A2 offenbart eine Abgasturbine mit zwei um 180° zueinander versetzt angeordneten Spiralkanälen, wobei den Spiralkanälen zuzuordnende Zungen mit Hilfe eines Einsatzbauteils realisiert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Abgasführungsabschnitt für einen Abgasturbolader anzugeben. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde einen Abgasturbolader anzugeben, welcher sich durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet.
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Diese Aufgaben werden durch einen Abgasführungsabschnitt für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der erfindungsgemäße Abgasführungsabschnitt ist für einen Abgasturbolader vorgesehen. Der Abgasführungsabschnitt ist durchströmbar ausgebildet und weist eine Radkammer zur drehbaren Aufnahme eines dem Abgasturbolader zugeordneten Turbinenrades mit einer Mehrzahl von Laufradschaufeln auf. Des Weiteren umfasst er einen ersten Spiralkanal und einen zweiten Spiralkanal, wobei der erste Spiralkanal und der zweite Spiralkanal zur abschnittsweisen Überströmung von Abgas einer mit dem Abgasturbolader verbundenen Verbrennungskraftmaschine in die Radkammer ausgebildet sind. Der erste Spiralkanal weist eine erste Spiralzunge und der zweite Spiralkanal weist eine zweite Spiralzunge auf, wobei die Spiralzungen in Umfangsrichtung seriell angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist zur Reduzierung eines Überströmens von Abgas aus dem ersten in den zweiten Spiralkanal und vice versa an der ersten Spiralzunge und an der zweiten Spiralzunge jeweils ein in die Radkammer hineinragendes Trennelement angeordnet.
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Der Vorteil des Trennelementes ist darin zu sehen, dass die beiden Spiralkanäle an ihrer Spiralzunge jeweils gegeneinander abgegrenzt sind, damit kein Überströmen von einem Spiralkanal in den anderen erfolgen kann. Dadurch ist eine verbesserte Trennung der den jeweiligen Spiralkanälen zugeordneten Abgasströme ausgebildet. Dies ist erforderlich, da jedem Spiralkanal bestimmte Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zur Durchströmung zugeordnet sind. Es ergibt sich ein wesentlich höherer Wirkungsgrad des Abgasturboladers.
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Um eine gleichmäßige Beaufschlagung des Turbinenrades zu erlangen ist es anzustreben, bei bspw. einer 4-Zylinder-Verbrennungungskraftmaschine mit einer Zündfolge von 1-3-4-2 den ersten Spiralkanal mit den Zylindern 1 und 4 durchströmbar zu verbinden und den zweiten Spiralkanal mit den Zylindern 2 und 3 durchströmbar zu verbinden, so dass eine gleichmäßige Stoßaufladung ausgebildet werden kann. Eine weitere Zuordnung der Spiralkanäle zu den Zylindern kann auch in Abhängigkeit einer Abgasrohrlänge zwischen den jeweiligen Auslassventilen und dem Turbinenrad erfolgen, da eine Wellenlaufzeit der Abgasströmung eine Funktion der Abgasrohrlänge darstellt.
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Die Unteransprüche stellen weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitts dar, welche zu einer zusätzlichen Steigerung des Wirkungsgrades aufgrund einer Reduzierung von Spaltmaßen zwischen dem Trennelement und dem Turbinenrad führen.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, aufweisend einen durchströmbaren Abgasführungsabschnitt, einen durchströmbaren Luftführungsabschnitt und einen zwischen dem Abgasführungsabschnitt und dem Luftführungsabschnitt angeordneten Lagerabschnitt zum Lagern eines Laufzeugs des Abgasturboladers. Das Laufzeug weist ein von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine beaufschlagbares Turbinenrad und ein mit Hilfe einer Welle mit dem Turbinenrad drehfest verbundenes Verdichterrad zum Ansaugen von Frischluft auf. Erfindungsgemäß ist der Abgasführungsabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgebildet. Der erfindungsgemäße Abgasführungsabschnitt führt gegenüber dem Stand der Technik zu einer Reduzierung eines Überströmens von Abgas aus dem gemäß einer Zündfolge der Verbrennungskraftmaschine beaufschlagten Spiralkanal in den nicht beaufschlagten Spiralkanal, mit der unmittelbaren Folge einer Steigerung des Wirkungsgrades des Abgasturboladers. Der somit effiziente Betrieb des Abgasturboladers, durch die strömungsverlustreduzierte Ausgestaltung des Abgasführungsabschnitts bewirkt weiterhin eine Reduzierung eines Kraftstoffverbrauchs und demzufolge eine Reduzierung von CO2-Emissionen und anderer verbrennungskraftmaschinenspezifischer Emissionen einer in Verbindung mit dem Abgasturbolader stehenden Verbrennungskraftmaschine.
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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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Es zeigen:
- 1 in einem Längsschnitt einen Ausschnitt eines Abgasturboladers gem. dem Stand der Technik,
- 2 in einem Längsschnitt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitts,
- 3 in einem Längsschnitt einen weiteren Ausschnitt des Abgasturboladers gem. 2,
- 4 in einem Querschnitt den Abgasführungsabschnitt gem. 2,
- 5 in einer perspektivischen Draufsichtdarstellung aus Blickrichtung V-V den Abgasturbolader gem. 3,
- 6 in einer perspektivischen Draufsichtdarstellung aus Blickrichtung VI-VI den Abgasführungsabschnitt gem. 2, und
- 7 in einer perspektivischen Schnittansicht einen Ausschnitt des Abgasführungsabschnitts gem. 2 im Bereich eines Trennelementes.
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Ein in 1 dargestellter Abgasführungsabschnitt 1 gemäß dem Stand der Technik ist für einen Abgasturbolader 2 vorgesehen, welcher in einem Abgastrakt einer nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, wobei es sich bei der Verbrennungskraftmaschine um einen Ottomotor oder einen Dieselmotor handelt. Der Abgasturbolader 2 weist weiterhin einen nicht näher dargestellten durchströmbaren Luftführungsabschnitt und einen Lagerabschnitt 3 auf, wobei der Luftführungsabschnitt in einem nicht näher dargestellten Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar aufgenommen ist.
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Der Abgasturbolader 2 umfasst ein Laufzeug 4, welches ein nicht näher dargestelltes Verdichterrad zum Ansaugen und Verdichten von Verbrennungsluft, ein Turbinenrad 5 zur Expansion von Abgas sowie eine das Verdichterrad mit dem Turbinenrad 5 drehfest verbindende Welle 6 aufweist. Die Welle 6 ist im Lagerabschnitt 3 des Abgasturboladers 2 drehbar gelagert, welcher zwischen dem Luftführungsabschnitt und dem Abgasführungsabschnitt 1 positioniert ist.
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Der Abgasführungsabschnitt 1 ist in Form einer so genannten Segmentturbine, oder auch Double-Scroll-Turbine genannt, ausgeführt und weist zwei Spiralkanäle auf, einen ersten Spiralkanal 9 und einen zweiten Spiralkanal 10, die der Bereitstellung einer rotationssymmetrischen Strömung dienen.
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Zur Einströmung des Abgases in den Abgasführungsabschnitt 1 weist jeder Spiralkanal 9, 10 einen stromauf des Spiralkanals 9, 10 im Abgasführungsabschnitt 1 ausgebildeten nicht näher dargestellten Eintrittskanal auf. Der Eintrittskanal dient einer Konditionierung des Abgases, welches im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine das Turbinenrad 5 in eine rotierende Bewegung versetzt. Mit Hilfe der Welle 6 wird das Verdichterrad ebenfalls in Rotation versetzt, so dass es Verbrennungsluft ansaugt und verdichtet.
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Das Turbinenrad 5 ist in einer stromab des Eintrittskanals ausgebildeten Radkammer 8 des Abgasführungsabschnitts 1 drehbar aufgenommen. Stromab der Radkammer 8 weist der Abgasführungsabschnitt 1 einen Austrittskanal 7 zum Entweichen des Abgases aus dem Abgasführungsabschnitt 1 auf.
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Die beiden Spiralkanäle 9, 10 sind jeweils für einen teilumfänglichen Abgaseintritt in die Radkammer 8 ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass, zur Wirkungsgradsteigerung der dem Abgasturbolader 2 zugeordneten Verbrennungskraftmaschine in einem größeren Betriebsbereich, jeder Spiralkanal 9, 10 nur einen bestimmten Umfangsabschnitt der Radkammer 8 durchströmbar ausgebildet ist. Ein erster Kammereintritt 11 des ersten Spiralkanals 9 ist einem zweiten Kammereintritt 12 des zweiten Spiralkanals 10 gegenüberliegend ausgebildet, wobei eine erste Spiralzunge 13 des ersten Spiralkanals 9 einer zweiten Spiralzunge 14 des zweiten Spiralkanals 10 in Umfangsrichtung um 180° versetzt zueinander ausgebildet ist. Die Spiralzunge 13, 14 kennzeichnet jeweils ein umfangsbezogenes Ende des Kammereintritts 11, 12.
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Der erste Kammereintritt 11 und der zweite Kammereintritt 12 weisen einen über jeweils nahezu 180° ausgebildeten ersten Umschlingungswinkel β1 bzw. einen zweiten Umschlingungswinkel β2 auf und sind somit symmetrisch ausgestaltet. Ebenso könnten sie auch asymmetrisch ausgeführt sein. Oder es könnten mehr als zwei Spiralkanäle und somit mehr als zwei Kammereintritte vorgesehen sein. Dies ist insbesondere abhängig von einer Zylinderanzahl der Verbrennungskraftmaschine, denn der Vorteil der Segmentturbine ist darin zu sehen, dass bestimmte Zylinder unabhängig voneinander und gemäß ihrer Zündfolge bestimmte Spiralkanäle beaufschlagen, so dass das Turbinenrad 5 bevorzugt kontinuierlich regelmäßig beaufschlagt wird.
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Das Turbinenrad 5 ist als so genanntes Mixed-Flow-Rad ausgeführt. Das Mixed-Flow-Rad zeichnet sich dadurch aus, dass eine Anströmung des Turbinenrades 5 sowohl eine axiale als auch eine radiale Komponente aufweist. Das bedeutet, dass Laufradschaufeln 15 des Turbinenrades 5 in ihrer Erstreckungsrichtung entlang einer Drehachse 17 eine nicht parallel zur Drehachse 17 des Turbinenrades 5 ausgebildete Radeintrittskante 16 aufweisen. Dadurch ist bei einem Abgasführungsabschnitt 1 gemäß dem Stand der Technik, welcher zur Aufnahme eines üblichen Radialrades ausgestaltet ist, zwischen dem Turbinenrad 5 und dem Kammereintritt 11, 12 ein wesentlich größeres freies Volumen 26 ausgebildet, wodurch eine Anströmung des Turbinenrades 5 begünstigt wird. Ein weiterer Vorteil des Mixed-Flow-Rades ist in seiner im Vergleich zu einem Radialrad geringeren Masse aufgrund der quasi verkürzten Laufradschaufeln 15 zu sehen, so dass eine Beschleunigung des Turbinenrades 5 durch sein reduziertes Massenträgheitsmoment in kürzerer Zeit erfolgen kann.
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Zur Vermeidung eines Überströmens von Abgas an der ersten Spiralzunge 13 aus dem ersten Spiralkanal 9 in den zweiten Spiralkanal 10 bzw. an der zweiten Spiralzunge 14 aus dem zweiten Spiralkanal 10 in den ersten Spiralkanal 9 ist an der jeweiligen Spiralzunge 13, 14 ein in die Radkammer 8 hineinragendes Trennelement 18 ausgebildet. Das Trennelement 18 ist der Radeintrittskante 16 angepasst ausgeführt, derart, dass zwischen dem Trennelement 18 und der Radeintrittskante 16 ein Minimalspalt 19 vorliegt.
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Die Spiralkanäle 9, 10 sind mit wenigstens einer von mehreren nicht näher dargestellten Abgasleitungen des Abgastrakts der Verbrennungskraftmaschine koppelbar und unabhängig voneinander mit Abgas durchströmbar. Der zweite Spiralkanal 10 ist radial an den ersten Spiralkanal 9 angrenzend ausgestaltet, wobei die beiden Spiralkanäle 9, 10 durch eine Trennwand 20 voneinander getrennt sind.
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Da der zweite Spiralkanal 10 radial an den ersten Spiralkanal 9 angrenzend ausgebildet ist, ist seine Gesamtumfassung der Radkammer 8 größer als die des ersten Spiralkanals 9 und weist einen Wert von ca. 360° auf. Ein Strömungsübertritt des Abgases aus dem zweiten Spiralkanal 10 in die Radkammer 8 bzw. in das Turbinenrad 5 ist ausschließlich an dem dem ersten Spiralkanal 9 gegenüberliegenden zweiten Kammereintritt 12 möglich.
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Ebenso könnte die Gesamtumfassung des zweiten Spiralkanals 10 auch nur über 180° ausgebildet sein, wobei ein erster Eintrittskanal des ersten Spiralkanals 9 zu einem zweiten Eintrittskanal des zweiten Spiralkanals 10 um 180° versetzt ausgeführt wäre. Des Weiteren könnte in Abhängigkeit einer Abgasleitungsführung die Gesamtumfassung des zweiten Spiralkanals 10 weitere Werte aufweisen. Dies kann bspw. zur Optimierung des Bauraumbedarfs des Abgasführungsabschnitts 1 sowie einer Anströmcharakteristik auf das Turbinenrad 5 beliebig unterschiedlich ausgeführt sein.
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Zur weiteren Erläuterung ist der erfindungsgemäße Abgasführungsabschnitt 1 in weiteren unterschiedlichen Ansichten in den 4 bis 7 dargestellt. Das Trennelement 18 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Gießverfahren hergestellt. Ebenso kann das Trennelement 18 durch ein spanendes Verfahren ausgebildet werden.
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Das Trennelement 18 weist in seiner entlang der Drehachse 17 verlaufenden axialen Erstreckung einen annähernd trapezförmigen Querschnitt auf. Seine dem Turbinenrad 5 zugewandt ausgebildete erste Seitenfläche 21 ist gemäß der Radeintrittskante 16 geneigt ausgeführt. Eine von der ersten Seitenfläche 21 abgewandt ausgebildete zweite Seitenfläche 22, welche dem Lagerabschnitt 3 zugewandt angeordnet ist, ist zur Vermeidung oder Reduzierung eines Abgaseintritts in den Lagerabschnitt 3 einem zwischen dem Lagerabschnitt 3 und dem Abgasführungsabschnitt 1 angeordneten Abschirmelement 23, welches in Form eines Hitzeschildes ausgeführt ist, angepasst ausgestaltet. Somit dient das Trennelement 18 neben der Reduzierung des Abgasübertritts vom ersten Spiralkanal 9 in den zweiten Spiralkanal 10 einer Vermeidung oder Reduzierung eines Abgaseintritts in den Lagerabschnitt 3.
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Seine in Umfangsrichtung ausgebildete dritte Seitenfläche 24 und von dieser abgewandt ausgebildete vierte Seitenfläche 25 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel parallel zueinander ausgeführt, s. 4. Die der Abgasströmung zugewandt ausgebildete dritte Seitenfläche 24 ist in Richtung des angrenzenden Spiralkanals 9; 10 geneigt ausgebildet.
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In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Trennelement 18 einer in Umfangsrichtung des Turbinenrades 5 ausgebildeten Schrägstellung der Radeintrittskante 16 in seiner axialen Ausrichtung orientiert angepasst. Das heißt mit andern Worten, dass die beiden in Richtung der Drehachse 17 ausgebildeten Seitenflächen 24, 25 zu dieser in Umfangsrichtung geneigt positioniert sind.
