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Die
Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine
kontinuierliche Reduktion von Emissionsgrenzwerten, insbesondere
der Grenzwerte von NOx- und Rußemission,
von mit Hilfe von Abgasturboladern aufgeladenen Brennkraftmaschinen,
führen zu einer Beeinflussung von konstruktiven und thermodynamischen
Kennwerten des Abgasturboladers. So erfordert ein hoher Ladedruck,
welcher für eine effektive Abgasrückführung
bereits im mittleren Lastbereich der Brennkraftmaschine zur Verfügung
stehen sollte, eine geometrische Verkleinerung einer Turbine des
Abgasturboladers, da aufgrund der dadurch herbeigeführten
Steigerung einer Aufstaufähigkeit bzw. Reduzierung einer
Schluckfähigkeit der Turbine eine hohe Turbinenleistung
bei bereits niedrigen Drehzahlen erzielbar ist.
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Zusätzlich
führt ein der Turbine nachgeschalteter Rußfilter
zu einer Druckerhöhung stromab der Turbine, welche zur
Erzielung einer entsprechend hohen Turbinenleistung durch eine Erhöhung
eines Druckes stromauf der Turbine kompensierbar ist. Diese Druckerhöhung
ist ebenfalls mit Hilfe einer geometrischen Verkleinerung der Turbine
erzielbar.
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Aus
der Patentschrift
US 4 776 168 geht
ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine hervor, wobei
der Abgasturbolader ein Gehäuse mit einem Abgasführungsabschnitt,
einem Luftführungsabschnitt und einem Lagerabschnitt aufweist.
Ein Laufzeug ist im Gehäuse positioniert, umfassend ein
Turbinenrad mit einer Mehrzahl von Schaufeln, ein Verdichterrad
und eine das Turbinenrad mit dem Verdichterrad drehfest verbindenden
Welle, wobei das Turbinenrad im Abgasführungsabschnitt
und das Verdichterrad im Luftführungsabschnitt drehbar
aufgenommen sind und die Welle im Lagerabschnitt drehbar gelagert
ist. Das Turbinenrad ist mit Hilfe von Abgas aus der Brennkraftmaschine
beaufschlagbar, wobei das Verdichterrad über die Welle
vom Turbinenrad zur Luftansaugung und Verdichtung antreibbar ist.
Zur Konditionierung des das Turbinenrad beaufschlagenden Abgases
ist ein hülsenförmiges Schiebeelement im Abgasführungsabschnitt
positioniert.
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Das
hülsenförmige Schiebeelement ist stromauf des
Turbinenrades positioniert, derart, dass eine im Abgasführungsabschnitt
einem Spiralkanal zugeordnete Flut in ihrem Strömungsquerschnitt
veränderbar ist. Mit Hilfe dieses Schiebeelementes ist ein
Enthalpiegefälle des Strömungsmediums, in diesem
Falle Abgas, am Turbinenrad einstellbar, wobei das Enthalpiegefälle
sich als Differenz der Enthalpie vor dem Turbinenrad und der Enthalpie
nach dem Turbinenrad darstellen lässt. Mit Hilfe des hülsenförmigen
Schiebeelementes kann somit auf die Enthalpie vor dem Turbinenrad
Einfluss genommen werden.
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Ein
Kennwert der Turbine des Abgasturboladers ist ein sogenannter Reaktionsgrad
der Turbine, im Weiteren als Turbinenreaktionsgrad bezeichnet, welcher
mit dem Quotient der Strömungsgeschwindigkeitsveränderung
im Turbinenrad zum Gesamtenthalpiegefälle der Turbine in
Verbindung steht. Üblicherweise wird zur Optimierung der
Turbine der Strömungsquerschnitt der Flut bzw. der Spirale
und der nachfolgenden Düse dem Strömungsquerschnitt
des Turbinenradaustritts derart angepasst, dass eine erste Hälfte
einer Exergie des Strömungsmediums vor dem Turbinenrad
in Geschwindigkeitsenergie und eine zweite Hälfte der Exergie
in einem von jeweils zwei Turbinenschaufeln begrenzten Turbinenradschaufelkanal
in Geschwindigkeitsenergie umgesetzt wird, wobei ein Anteil der
Exergie die Enthalpie ist.
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Aufgrund
der hohen Anforderungen an das Beschleunigungsverhalten bzw. transiente
Verhalten des Abgasturboladers, tendierte die Entwicklung der Turbine
in der Vergangenheit unter Einsatz variabler Elemente, wie beispielsweise
ein hülsenförmiges Schiebeelement oder verdrehbare
Leitschaufeln, stromauf des Turbinenrades dahin, dass der Teil der Exergie
des Strömungsmediums, welche vor dem Turbinenrad in Geschwindigkeitsenergie
umgewandelt wird, einen größeren Betrag aufweist
als der Teil der Exergie, welche im Turbinenradschaufelkanal in Geschwindigkeitsenergie
umgewandelt wird. Somit liegt der Turbinenreaktionsgrad der heute
insbesondere im Automobilbau eingesetzter Turbinen üblicherweise
bei einem Wert unterhalb von 0,5. Ein maximaler Turbinenwirkungsgrad
ist allerdings im Bereich eines Turbinenreaktionsgrades von 0,5
zu erzielen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Abgasturbolader
bereitzustellen, welcher ein verbesserten Turbinenwirkungsgrad bei
gleichzeitiger Variabilität des Turbinenreaktionsgrades
mit Hilfe einer Beeinflussung der im Turbinenradschaufelkanal in
Geschwindigkeitsenergie umwandelbaren Exergie aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Abgasturbolader
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen
Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen
angegeben.
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Ein
Abgasturbolader, welcher ein verbessertes transientes Verhalten
bei gleichzeitiger Variabilität eines Turbinenreaktionsgrades
mit Hilfe einer Beeinflussung der im Turbinenradschaufelkanal in
Geschwindigkeitsenergie umwandelbaren Exergie aufweist, ist erfindungsgemäß dadurch
geschaffen, dass das hülsenförmige Schiebeelement
eine Schaufelaußenkontur des Turbinenrades höchstens
teilweise aufnehmbar ausgebildet ist. Somit ist ein freier Strömungsquerschnitt
im Turbinenradschaufelkanal beeinflussbar. Der freie Strömungsquerschnitt
im Turbinenradschaufelkanal ist die geometrische Größe,
mit Hilfe derer thermodynamische Größen, wie bspw. Druck,
Geschwindigkeit vor und im Turbinenradschaufelkanal beeinflussbar
sind. Damit ist auf den Anteil der Exergie Einfluss zu nehmen, welcher
im Turbinenradschaufelkanal in Geschwindigkeitsenergie umwandelbar
ist, sodass der Turbinenreaktionsgrad über die Geschwindigkeitsenergie
im Turbinenradschaufelkanal variierbar ist. Es kann ein Turbinenreaktionsgrad
eingestellt werden, welcher einen Wert von mindestens 0,5 aufweist.
Vorteilhafterweise können somit kleine Turbinen im Betrieb
einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden, wodurch das Beschleunigungsverhalten
des Abgasturboladers gesteigert werden kann und sich z. B. eine
Reduzierung des bekannten „Turbolochs” ergibt.
Dies führt zu einer Wirkungsgradsteigerung des Gesamtsystems Abgasturbolader-Brennkraftmaschine,
wodurch eine Kraftstoffverbrauchsreduktion der Brennkraftmaschine
erreicht werden kann. Sofern die Brennkraftmaschine eine Abgasrückführvorrichtung
aufweist, ist auch bei hohen Lasten der Brennkraftmaschine eine effektive
Abgasrückführung bei gleichzeitiger ausreichenden
Frischluftversorgung der Brennkraftmaschine mit Hilfe eines von
der Turbine angetriebenen Verdichters des Abgasturboladers möglich,
so dass auch hier eine Verbrauchsreduktion des Brennkraftmaschine
erzielbar ist.
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In
einer Ausgestaltung ist das hülsenförmige Schiebeelement
die Schaufelaußenkontur in einem Austrittsbereich des Turbinenrades
aufnehmbar ausgebildet ist, wodurch eine weitere Steigerung des Turbinenreaktionsgrades
herbeiführbar ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist das hülsenförmige
Schiebeelement derart im Abgasführungsabschnitt positioniert,
dass in einem Bereich eines engsten Turbinenradquerschnitts das
Abgas konditionierbar ist. Der engste Turbinenradquerschnitt ist
maßgegend für eine Durchsatzfähigkeit
der Turbine, da hier der Schalldurchgang im Turbinenrad erfolgt.
Vorteilhafterweise ist hierdurch der Turbinenreaktionsgrad und mit
ihm das Turbinenschluckverhalten wesentlich beeinflussbar, derart,
dass Einfluss auf eine Ladungswechselarbeit der Brennkraftmaschine
genommen werden kann. Durch ein Öffnen des engsten Turbinenradquerschnitts
kann die Ladungswechselarbeit reduziert werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das hülsenförmige
Schiebeelement einen freien Strömungsquerschnitt auf, welcher
integriert über eine erste Länge kegelstumpfförmig,
entsprechend einer Düse, ausgebildet ist, wobei ein erster
Strömungsquerschnitt um einen Bewegungsspalt größer ist
als ein erster Turbinenradaustrittsdurchmesser und ein zweiter Strömungsquerschnitt
um den Bewegungsspalt größer ist als ein zweiter
Turbinenradaustrittsdurchmesser, wobei der erste Turbinenradaustrittsdurchmesser
zum zweiten Turbinenradaustrittsdurchmesser in einem ersten Verhältnis
zueinander stehen, und das zweite Verhältnis quadriert
einen Wert aufweist, welcher größer als 1,1 ist.
Mit Hilfe des über die erste Länge integriert
kegelstumpfförmig ausgebildeten Strömungsquerschnitts
des Schiebeelementes kann quasi ein für die Strömungsquerschnittsveränderung
charakteristischer Austrittsdurchmesser des Turbinenrades variiert
werden, wobei der entsprechende Turbinenradaustrittsdurchmesser
einem Betriebspunkt der Abgasturboladers entsprechend anpassbar
ist, so dass eine Steigerung des Wirkungsgrades der Turbine als
Resultat einer Steigerung des Turbinenreaktionsgrades z. B. bei niederen
Motordrehzahlen und hohen Lasten, erzielbar ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung stehen der zweite Turbinenradaustrittsdurchmesser
zu einem Turbinenradeintrittsdurchmesser in einem zweiten Verhältnis
zueinander, wobei das zweite Verhältnis quadriert einen
Wert aufweist, welcher kleiner als 0,66 ist, so dass positiver Einfluss
auf den spezifischen Durchmesser der Turbine in Abhängigkeit
des Gesamt-Turbinengefälles und dem Austrittsvolumenstrom
des Abgases genommen werden kann und eine daraus resultierende Steigerung
des Wirkungsgrad erzielbar ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein freier Strömungsquerschnitt
des hülsenförmigen Schiebeelementes entlang einer
Längsachse des Schiebeelementes lavaldüsenförmig
ausgestaltet ist, wodurch das Strömungsmedium beim Austritt aus
dem Turbinenrad beeinflussbar ist und Strömungsverluste
beim Austritt des Strömungsmedium aus dem Turbinenrad reduzierbar
sind.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist in einer Schließposition
des hülsenförmigen Schiebeelementes ein kleinster
freier Strömungsquerschnitt außerhalb des Turbinenrades
in unmittelbarer Nähe des zweiten Turbinenradaustrittsdurchmessers
positioniert ist. Dadurch bleibt eine axiale Abströmung
des Strömungsmediums im Bereich des engsten Turbinenradquerschnittes
erhalten. Zur Vermeidung mechanischer Probleme ist somit eine Turbinenradschaufelgestaltung
möglich, welche eine günstige Drallverteilung
der Strömung im Absolutsystem auch bei hohen Massendurchsätzen
des Abgases erlaubt. Bevorzugt ist die Turbinenradschaufelgestaltung
in radialer Ausrichtung ausgestaltet, wodurch Biegemomente vermeidbar
sind und somit eine Lebensdauererhöhung erzielbar ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist der Abgasführungsabschnitt
zur Anströmung des Turbinenrades einen erste Spiralkanal
und eine zweiten Spiralkanal auf, wodurch sich eine Verbesserung
des Betriebsverhaltens des Abgasturboladers, insbesondere bei Brennkraftmaschine
mit mehr als vier Zylindern, erzielen lässt. Mit Hilfe
des Schiebeelementes kann selbst bei hohen Durchsätzen
ein Turbinenreaktionsgrad von mindestens 0,5 für den Abgasturbolader
mit einem ersten Spiralkanal und einem zweiten Spiralkanal erzielt
werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung sind vorteilhafterweise der erste Spiralkanal
und der zweite Spiralkanal asymmetrisch ausgestaltet, wobei eine
erste Flut des ersten Spiralkanals und eine zweite Flut des zweiten
Spiralkanals unterschiedliche Strömungsquerschnitte aufweisen.
Mit Hilfe der asymmetrischen Ausgestaltung der Spiralkanäle
sind die Spiralkanäle ihrem maximalen Durchsatz entsprechend einsetzbar.
So kann z. B. bei einem geringen Durchsatz von Abgas eine hohe Abgasturboladerdrehzahl erzielt
werden, wenn das Abgas durch den kleineren Spiralkanal geleitet
wird. Mit Hilfe des Schiebeelementes ist der Turbinenreaktionsgrad
für jede Flut anpassbar, so dass eine Verbesserung von
Verbrauchs- und Emissionswerten der Brennkraftmaschine erreicht
werden kann.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist der erste Spiralkanal oder der
zweite Spiralkanal mit einer Abgasrückführleitung
verbunden. Zur verbesserten Abgasrückführung wird üblicherweise
die kleinere der beiden Fluten genutzt, wobei hier mittlerweile
auslegungsbedingt kleine Strömungsquerschnitte erreicht sind,
deren Strömungsverluste aufgrund hoher Strömungsgeschwindigkeiten überwiegend
durch Reibung an Wänden der Spiralkanal erwirkt werden.
Mit Hilfe des Schiebeelementes ist es nun möglich diese Strömungsverluste
durch eine entsprechende Auslegung des Turbinengehäuses
zu reduzieren, so dass auch bei einer Abgasrückführung
eine Verbesserung von Verbrauchs- und Emissionswerten der Brennkraftmaschine
erzielbar ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung sind zur Verbesserung des Ansprechverhaltens
und der Abgasrückführungsfunktionen des Abgasturboladers
der erste Spiralkanal und/oder der zweite Spiralkanal das Turbinenrad
segmentartig umfassend ausgestaltet.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist das hülsenförmige
Schiebeelement bevorzugt mit Hilfe einer Regel- und Steuereinheit
verstellbar, so dass eine Positionierung des Schiebeelements programmierbar
und automatisch einstellbar ist In einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung ist das hülsenförmige Schiebeelement
vorteilhafterweise in Abhängigkeit von Motorbetriebsparameter
verstellbar. Die Regelung kann beispielsweise in Abhängigkeit
eines Ladedruckes, welcher sich stromab des Verdichters einstellt,
und/oder in Abhängigkeit eines Turbineneintrittsdruckes,
welcher sich stromauf des Turbinenrades einstellt, erfolgen.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand
der nachfolgenden Beschreibungen mehrerer Ausführungsbeispiele sowie
anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche
Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind.
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Dabei
zeigen:
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1 in
einem Längsschnitt einen Ausschnitt einer Turbine eines
erfindungsgemäßen Abgasturboladers,
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2 in
einem Längsschnitt die Turbine des erfindungsgemäßen
Abgasturboladers in einer ersten Variante,
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3 in
einer Prinzipdarstellung eine Brennkraftmaschine mit dem erfindungsgemäßen
Abgasturbolader in einer zweiten Variante und
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4 ein
Durchsatz-Kennfeld einer Turbine des erfindungsgemäßen
Abgasturboladers gem. 2.
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Eine
in 1 dargestellte Turbine 1 eines erfindungsgemäßen
Abgasturboladers 2, bevorzugt für eine Brennkraftmaschine 100 (wie
in 3 dargestellt) gemäß einem Otto-
oder Dieselmotor, weist ein Gehäuse 2A mit einem
Abgasführungsabschnitt 3 mit einer Radkammer 4 auf,
in welche ein Turbinenrad 5 der Turbine 1 mit
einer Drehachse 6 drehbar aufgenommen ist. Der Abgasturbolader 2 umfasst weiterhin
als Teile des Gehäuses 2A einen Luftführungsabschnitt 28 und
einen Lagerabschnitt 29, sowie ein Laufzeug 2B,
umfassend das Turbinenrad 5, ein Verdichterrad 30 und
eine das Turbinenrad 5 mit dem Verdichterrad 30 drehfest
verbindenden Welle 31. Das Verdichterrad 30 ist
im Luftführungsabschnitt 28 drehbar aufgenommen
und die Welle 31 ist im Lagerabschnitt 29 drehbar
gelagert ist. Das Turbinenrad 5 ist von Abgas aus der Brennkraftmaschine 100 beaufschlagbar,
wodurch das Turbinenrad 5 in eine Rotationsbewegung versetzt
wird und das Verdichterrad 30 mit Hilfe der Welle 31 vom
Turbinenrad 5 zur Luftansaugung und Verdichtung angetrieben wird.
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Stromauf
der Radkammer 4 ist im Abgasführungsabschnitt 3 eine
erste Flut 7 eines in 1 nicht näher
dargestellten ersten Spiralkanals 8 angeordnet. Stromab
der Radkammer 4 weist der Abgasführungsabschnitt 3 einen
Austrittskanal 9 auf. Eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln 10 sind
auf einer Nabe 11 des Turbinenrades 5 positioniert,
wobei eine Schaufelaußenkontur 12 des Turbinenrades 5 von
einer Wandung 13 des Abgasführungsabschnitts 3 im Bereich
der Radkammer 4 überwiegend begrenzt ist.
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Das
Turbinenrad 5 bzw. zwischen jeweils zwei Turbinenschaufeln 10 ausgebildete
Turbinenradschaufelkanäle 23 sind in Richtung
der Pfeile von einem gasförmigen Strömungsmedium,
in diesem Falle Abgas der Brennkraftmaschine 100, durchströmbar.
Ein hülsenförmiges Schiebeelement 14 ist im
Bereich des Austrittskanals 9 die Schaufelaußenkontur 12 teilweise
aufnehmbar ausgebildet, wobei das hülsenförmige Schiebeelement 14 die
Schaufelaußenkontur 12 in einem Austrittsbereich
des Turbinenrades 5 aufnehmbar ausgebildet ist. Das hülsenförmige
Schiebeelement 14 ist axial verschiebbar.
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In
der 1 ist eine Zwischenposition des hülsenförmigen
Schiebeelementes 14 dargestellt, wobei ein ringförmiger
Querschnitt 15 zwischen einem dem Abgasführungsabschnitt 3 zugewandt
positionierten axialen Ende des Schiebeelementes 14 und
dem Abgasführungsabschnitt 3 ausgebildet ist. Eine
Schließposition des Schiebeelementes 14 ist dann
eingestellt, wenn dieser ringförmige Querschnitt 15 aufgrund
einer axialen Bewegung des Schiebeelementes 14 in Richtung
des Turbinenrades 5 geschlossen ist. Eine vollständige Öffnungsposition zeichnet
sich dadurch aus, dass der ringförmige Querschnitt 15 die
Schaufelaußenkontur 12 vollständig freigibt,
das heißt, das Schiebeelement 14 ist aufgrund
einer dem Turbinenrad 5 abgewandten axialen Bewegung in
den Austrittskanal 9 positioniert.
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In 2 ist
eine erste Variante des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 2 dargestellt,
wobei der Abgasführungsabschnitt 3 den ersten
Spiralkanal 8 sowie einen zweiten Spiralkanal 16 aufweist. Die
Spiralkanäle 8, 16 sind in diesem Ausführungsbeispiel
asymmetrisch ausgebildet, insbesondere zur effektiven Abgasrückführung.
Der zweite, kleinere der beiden Spiralkanäle 8, 16 ist,
wie in 3 prinzipiell dargestellt, mit einer Abgasrückführeinrichtung 17,
umfassend eine Abgasrückführleitung 17A,
ein Abgasrückführventil 17B sowie ein
Abgaskühler 17C, verbunden. Das hülsenförmige
Schiebeelement 14 ist dabei so im Abgasführungsabschnitt 3 positioniert, dass
in einem Bereich eines engsten Turbinenradquerschnitts 18 das
Abgas konditionierbar ist.
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Das
hülsenförmige Schiebeelement 14 weist in
diesem Ausführungsbeispiel eine bevorzugt ausgebildete
Innenkontur 19 auf, wobei ein freier Strömungsquerschnitt 20 des
hülsenförmigen Schiebeelementes 14 entlang
einer Längsachse 21 des Schiebeelementes 14 lavaldüsenförmig
ausgestaltet ist. Der Strömungsquerschnitt 20 ist
sich zunächst entlang der Längsachse 21 bis
zu einer ersten Länge L1 des Schiebeelementes 14 bevorzugt
kontinuierlich verengend ausgebildet, wodurch der Strömungsquerschnitt 20 über
die erste Länge L1 integriert kegelstumpfförmig
ausgestaltet ist. Ab dieser ersten Länge L1 ist der Strömungsquerschnitt 20 sich
ebenfalls bevorzugt kontinuierlich über eine zweite Länge L2
weitend ausgebildet. Die Summe der ersten Länge L1 und
der zweiten Länge L2 entspricht einer Gesamtlänge
L des Schiebeelementes 14. Strömungsbegünstigend
ist der Strömungsquerschnitt 20 integriert über
die erste Länge L1 in der Form eines stumpfen Kegelstumpfes
ausgebildet.
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Weiterhin
stehen ein erster Turbinenradaustrittsdurchmesser D2max zu einem
zweiten Turbinenradaustrittsdurchmesser D2min, welcher dem kleinsten
Turbinenradaustrittsdurchmesser entspricht, in einem ersten Verhältnis
V1 zueinander, wobei das erste Verhältnis V1 quadriert
einen Wert aufweist, welcher 1,4 ist. Bevorzugt soll das erste Verhältnis
V1 einen Wert größer als 1,1 aufweisen.
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Weiterhin
stehen in diesem Ausführungsbeispiel der zweite Turbinenradaustrittsdurchmesser D2min
des Turbinenrades 5 zu einem Turbinenradeintrittsdurchmesser
D1 des Turbinenrades 5 in einem zweiten Verhältnis
V2 zueinander, welches quadriert einen Wert von 0,6 aufweist. Bevorzugt
sollte der erfindungsgemäße Abgasturbolader 2 das
zweite Verhältnis V2 mit einem Wert, welcher kleiner als 0,66
aufweisen.
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In
der 2 sind zwei unterschiedliche Positionierungen
des Schiebeelementes 14 dargestellt. Oberhalb der Drehachse 6 ist
das Schiebeelement 14 in seiner Schließposition
dargestellt, wobei ein kleinster freier Strömungsquerschnitt
in S2 unmittelbarer Nähe des Austrittsbereiches des Turbinenrades 5 aufweisend
den zweiten Turbinenradaustrittsdurchmessers D2min, das heißt
des kleinsten Turbinenradaustrittsdurchmesser positioniert ist.
Dabei entspricht der kleinste freie Strömungsquerschnitt
S2 nahezu einem Strömungsquerschnitt mit dem zweiten Turbinenradaustrittsdurchmessers
D2min, wobei aufgrund der Rotationsbewegung des Turbinenrades 5 der
kleinste freie Strömungsquerschnitt S2 um einen Flächenbetrag
eines Bewegungsspalt größer sein muss, da ansonsten
im Betrieb des Abgasturboladers 2 und in der Schließposition
Reibung bzw. eine Kollision auftreten kann. Die Strömung
des Abgases kann, durch Pfeile angedeutet, axial erst ab dem zweiten
Turbinenradaustrittsdurchmessers D2min aus den Turbinenschaufelkanälen 23 in
den Austrittskanal 9 strömen.
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Unterhalb
der Drehachse 6 ist das Schiebeelement 14 in seiner
vollständigen Öffnungsposition dargestellt. Das
Schiebeelement 14 ist dabei soweit axial vom Turbinenrad 5 entfernt
verschoben positioniert, dass die Strömung bereits ab der
von der Wandung 13 des Abgasführungsabschnitt 3 freigegebenen
Schaufelaußenkontur 12, bzw. bereits ab dem ersten
Turbinenradaustrittsdurchmesser D2max aus den Turbinenschaufelkanälen 23 in
den Austrittskanal 9 strömen kann.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel weist eine Außenkontur 24 des
Schiebeelementes 14 zur Begrenzung der maximalen Verschiebung
in Richtung auf das Turbinenrad 5 eine Sicherungsvorrichtung 25 in
Form eines ringförmigen Absatzes auf, wobei dieser ringförmige
Absatz 25 korrespondierend zur Wandung 13 des
Abgasführungsabschnitts 3 im Bereich des Austrittskanals 9 ausgebildet
ist. Mit Hilfe des Absatzes 25 ist die maximale Verschiebung
des Schiebeelementes 14 in Richtung auf das Turbinenrad 5 somit
einfachst sichergestellt.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der erste Spiralkanal 8 segmentartig
ausgestaltet, wie in 3 prinzipiell dargestellt ist.
Zur Abgasnachbehandlung ist der Brennkraftmaschine 100 in
einem Abgasstrang 101 der Brennkraftmaschine 100 stromab
der Turbine 3, welche im Abgasstrang 101 der Brennkraftmaschine 100 angeordnet
ist, eine Abgasnachbehandlungseinheit 102 zugeordnet. Eine
Umschaltung zwischen den einzelnen Segmenten erfolgt dabei mit Hilfe
einer Umblasevorrichtung 26. Die Brennkraftmaschine 100 weist
eine Regel- und Steuereinheit 27 zur Regelung und Steuerung
auf, mit Hilfe derer unter anderem die Umblasevorrichtung 26 einstellbar
und das Schiebeelement 14 axial verschiebbar ist. Bevorzugt
ist das Schiebeelement 14 in Abhängigkeit von
Motorbetriebsparameter verstellbar. Statt der dargestellten Segmentturbine
ist auch eine einflutige Turbine mit herkömmlich verstellbaren Leitgittern
vor dem Turbinenrad denkbar, wodurch die vollständige Variabilität
am Radeintritt und erfindungsgemäß auch am Radaustritt
für die optimale Reaktionsgradanwahl der Turbine ermöglichbar
ist.
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In 4 ist
beispielhaft ein Durchsatz-Kennfeld der Turbine 1 des erfindungsgemäßen
Abgasturboladers 2 dargestellt, wobei ein Durchsatzparameter über
einem Turbinendruckverhältnis aufgetragen ist. Die Linien
LD1 sind zu erwartende Durchsatzparameter bei geschlossener Flut 7,
d. h. beispielsweise in einem Betrieb der Brennkraftmaschine 100,
bei geringen Durchsätzen. Ist der zweite Spiralkanal 16 gesperrt,
bzw. wird nicht von Abgas durchströmt, ergibt sich eine
Beaufschlagung des Turbinenrades 5 ausschließlich
von Abgas aus dem ersten Spiralkanal B. Ist dabei das Schiebeelement 14 in
seiner Schließposition, ergeben sich als Durchsatzparameter
Werte über dem Turbinendruckverhältnis gemäß der
Linien LD2. Eine axiale Verschiebung des Schiebeelementes 14 zur Öffnung
des ringförmigen Querschnitts 15 führt
zu Durchsatzparameter gemäß der Linien LD3. Eine
gleichzeitige Beaufschlagung beider Spiralkanäle 8, 16 sowie
eine Positionierung des Schiebeelementes 14 in seiner Schließposition
ergibt Durchsatzparameter gemäß den Linien LD4,
wobei eine axiale Verschiebung des Schiebeelementes 14 zur Öffnung
des ringförmigen Querschnitts 15 zu Durchsatzparameter
gemäß der Linien LD5 führt und eine wesentliche
Steigerung der Durchsatzparameter ergibt.
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Neben
der Entwicklung von aufwändigen Regelungsvorrichtungen
des Schiebeelements 14 können aus Kostengründen
auch sehr einfache Steuerungsvorrichtungen zur Positionierung des
Schiebeelements, z. B. unter Zuhilfenahme von herkömmlichen
kostengünstigen Druckdosen, herangezogen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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