Abgasführungsabschnitt für einen Abgasturbolader und Abgasturbolader

Die Erfindung betrifft einen Abgasführungsabschnitt für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Ferner betrifft die Erfindung einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12.

Abgasführungsabschnitte für Abgasturbolader, welche eine Regelvorrichtung zur Regelung eines den Abgasführungsabschnitt durchströmenden Fluids, im Allgemeinen Abgas, aufweisen, sind bekannt. Die Regelvorrichtung ist zum Öffnen und Schließen eines Umgehungskanals im durchströmbaren Abgasführungsabschnitt zur Umgehung eines im Abgasführungsabschnitt in einer Radkammer des Abgasführungsabschnitts drehbar angeordneten Turbinenrades des Abgasführungsabschnitts vorgesehen. Sie weist ein Abdeckelement zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts des Umgehungskanals auf. Mit Hilfe einer derartigen Regelvorrichtung ist es möglich in bestimmten Betriebspunkten des Abgasturboladers, insbesondere in Betriebspunkten, welche große Strömungsmengen aufweisen, das Turbinenrad vollständig oder teilweise zu umgehen, so dass ein effizienter Betrieb des Abgasturboladers ermöglicht ist.

Abgasturbolader werden in den heutigen Kraftfahrzeugen nahezu ausnahmslos eingesetzt, da sie u.a. einem so genannten Down-sizing dienen. D. h. mit anderen Worten, dass eine Verbrennungskraftmaschine, welcher der Abgasturbolader zugeordnet ist, nicht mehr ausnahmslos aus ihrem Hub heraus Frischluft ansaugen muss, sondern dass komprimierte Frischluft der Verbrennungskraftmaschine mit Hilfe des Abgasturboladers zugeführt wird. Damit besteht die Möglichkeit bei gleicher Leistung die Verbrennungskraftmaschine im Vergleich zu einer Verbrennungskraftmaschine ohne Abgasturbolader klein zu gestalten. Dadurch besteht insbesondere die Möglichkeit einer Kraftstoffersparnis.

Jedoch besteht die Notwendigkeit, da Antriebsstränge der heutigen Kraftfahrzeuge üblicherweise eine Abgasnachbehandlungseinheit aufweisen, eine möglichst

gleichmäßige Einströmung in diese zu erzielen um eine möglichst hohe Lebensdauer der Abgasnachbehandlungseinheit zu erreichen. Das über den Umgehungskanal am Turbinenrad vorbeigeleitete Abgas unterbricht die gleichmäßige Einströmung in die Abgasnachbehandlungseinheit, was eine frühzeitige Alterung und Deaktivierung eines Katalysators der Abgasnachbehandlungseinheit zur Folge hat.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2015 201 805 A1 geht ein Abgasführungsabschnitt für einen Abgasturbolader mit einer Regelvorrichtung hervor, wobei stromab eines Schließelementes der Regelvorrichtung, welches zum Öffnen und Schließen eines Umgehungskanals zur Umgehung eines Turbinenrades des Abgasturboladers ausgebildet ist, ein Strömungsleitelement vorgesehen ist. Das Strömungsleitelement dient einer Eindüsung eines durch den Umgehungskanal strömenden Massenstromes in einen über das Turbinenrad in einen Austrittskanal des Abgasführungsabschnitts strömenden Massenstromes. Es ist als hohlzylindrisches Einlegeteil ausgeführt.

Problematisch könnte sein, dass es aufgrund der hohen Abgastemperaturen zu

Verzügen des Einlegeteils verglichen mit dem Abgasführungsabschnittsgehäuse kommt, wodurch die vorgesehene Eindüsung zur Verbesserung einer

Katalysatoranströmung eines nachgeschalteten Katalysators verändert wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun einen verbesserten

Abgasführungsabschnitt für einen Abgasturbolader bereitzustellen. Die weitere Aufgabe ist es einen Abgasturbolader anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Abgasführungsabschnitt für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Abgasturbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen

Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ein erfindungsgemäßer Abgasführungsabschnitt für einen Abgasturbolader weist eine Regelvorrichtung mit einem Abdeckelement zum Öffnen und Schließen eines

Umgehungskanals des Abgasführungsabschnitts auf. Der Umgehungskanal ist im durchströmbaren Abgasführungsabschnitt zur Umgehung eines im

Abgasführungsabschnitt in einer Radkammer des Abgasführungsabschnitts drehbar angeordneten Turbinenrades des Abgasführungsabschnitts vorgesehen. Der

Abgasführungsabschnitt weist weiter ein Strömungsleitelement auf. Stromab der Radkammer ist ein Austrittskanal des Abgasführungsabschnitts ausgebildet, in den stromab des Turbinenrades der Umgehungskanal einmündend ausgeführt ist.

Erfindungsgemäß ist das Strömungsleitelement zur Erzeugung von Strömungswirbel im Austrittskanal stromab des Turbinenrades und stromab des Abdeckelementes im Abgasführungsabschnitt vorgesehen. Der Vorteil dieses stromab der Radkammer sowie stromab des Abdeckelementes angeordneten Strömungsleitelements ist die

gleichzeitige Erfassung des aus dem Turbinenrad austretenden Massenstromes und des aus dem Umgehungskanal austretenden Massenstromes, wodurch eine

Vermischung der beiden Massenströme realisiert werden kann. Das

Strömungsleitelement dient der Herbeiführung eines in seiner Geschwindigkeit und seinen thermodynamischen Zustandsgrößen im Vergleich mit dem Stand der Technik vergleichmäßigteren aus dem Austrittskanal austretenden Massenstromes, so dass eine dem Abgasführungsabschnitt nachgeschaltete Abgasreinigungseinheit,

insbesondere ein Katalysator, gleichmäßig beaufschlagt werden kann.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitts ist das Strömungsleitelement in Form eines Vortex-Generators ausgebildet. Mit dem Vortex-Generator wird künstlich eine Strömungsstörung erzeugt, um eine Vermischung der Massenstromanteile herbeizuführen. Damit können die Geschwindigkeiten und thermodynamische Parameter innerhalb eines Querschnitts des Massenstromes einander angepasst werden. Ein Vorteil ist die Herbeiführung des in seiner Geschwindigkeit und seinen

thermodynamischen Zustandsgrößen vergleichmäßigteren aus dem Austrittskanal austretenden Massenstromes bei gleichzeitig nur geringen Druckverlusten.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass es sich bei dem Begriff der Geschwindigkeiten des Massenstromes um Bereiche des Massenstromes mit unterschiedlichen

Geschwindigkeiten handelt, die insbesondere bei einem Aufeinandertreffen zweier Massenströme mit unterschiedlichen Drücken, Temperaturen und aus

unterschiedlichen Strömungsquerschnitten austretend, hervorgerufen werden.

In einer weiteren Ausgestaltung ist das Strömungsleitelement an eine Austrittsöffnung des Umgehungskanals angrenzend ausgebildet. Dadurch ist die Ausrichtung des aus dem Umgehungskanal austretenden Massenstromes unmittelbar beeinflussbar und er kann bspw. in Richtung des aus dem Turbinenrad austretenden Massenstroms gelenkt werden.

Das Strömungsleitelement ist zumindest teilweise über einer Innenfläche des

Austrittskanals ausgebildet. Insbesondere ist es über zumindest einer Hälfte des Umfangs des Austrittskanals ausgestaltet, wobei insbesondere die Innenfläche, welche eine Austrittsöffnung des Umgehungskanals aufweist, welche einer Einmündung des Umgehungskanals in den Austrittskanal entspricht, teilweise, insbesondere bevorzugt über ein Viertel des Umfangs der Austrittsöffnung das Strömungsleitelement aufweist.

Zur Verbesserung der Verwirbelung sowie zur weiteren Vergleichmäßigung der

Geschwindigkeiten und thermodynamischen Zustandsgrößen des aus dem

Turbinenrad strömenden Massenstromes und des über den Umgehungskanal strömenden Massenstromes weist das Strömungsleitelement einen Strömungskanal auf. In diesem Strömungskanal werden die beiden Massenströme zusammengeführt und ausgerichtet. In einer weiteren Ausgestaltung ist der Strömungskanal sich in Richtung einer Längsachse des Austrittskanals erstreckend ausgebildet. Dies fördert eine direkte Anströmung der stromab des Austrittskanals, bevorzugt am Ende des Austrittskanals angeordneten Abgasreingungseinheit, insbesondere des Katalysators. Das heißt mit anderen Worten, dass der über den Austrittskanal geführte Massenstrom insbesondere durch den sich in Richtung der Längsachse erstreckenden Strömungskanal in seiner Richtung orientiert wird.

Eine weitere Verbesserung der Wirkung des Strömungsleitelementes kann erzielt werden, indem der Strömungskanal einen variablen Strömungsquerschnitt aufweist. Dadurch kann dem auszurichtenden, im Strömungskanal strömenden Massenstrom bei einer Vergrößerung des Strömungsquerschnitts in Strömungsrichtung eine

Verringerung der Geschwindigkeit aufgeprägt werden, wohingegen bei einer

Verkleinerung des Strömungsquerschnitts in Strömungsrichtung eine Vergrößerung der Geschwindigkeit erzielt wird. Insbesondere bei einer über einen Umfang des

Austrittskanals alternierenden Anordnung der Strömungskanäle hinsichtlich ihres variablen Strömungsquerschnitts, d.h. mit anderen Worten ein Strömungskanal mit einem sich in Strömungsrichtung verkleinernden Strömungsquerschnitt neben einem Strömungskanal mit einem sich in Strömungsrichtung vergrößernden

Strömungsquerschnitt, angeordnet ist, kann eine besonders ausgeprägte Wirkung des Strömungsleitelementes erzielt werden.

Zur weiteren Verbesserung der Durchmischung weisen mehrere Strömungskanäle in Umfangsrichtung unterschiedliche Strömungsquerschnitte auf. Auch eine variable Kanaltiefe des Strömungskanals ist vorteilhaft zur Erzielung einer verbesserten

Durchmischung, insbesondere sofern die Kanaltiefe ausgehend von einem ersten Ende des Strömungskanals, welches dem Turbinenrad zugewandt angeordnet ist, hin zu einem zweiten Ende des Strömungskanals, welches vom ersten Ende abgewandt ausgebildet ist, zunimmt. Dadurch kann der Massenstrom ohne zusätzliche

Verwirbelung, bzw. Abriss in den Strömungskanal einströmen. Eine weitere Verbesserung der Wirkung des Strömungsleitelementes wird dadurch erzielt, dass mehrere Strömungskanäle unterschiedliche Kanaltiefen aufweisen.

Das Strömungsleitelement kann als Einsatzbauteil ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil einer vereinfachten Herstellung bspw. insbesondere der Strömungskanäle mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten und Kanaltiefen. Kostengünstig könnte es auch einteilig mit dem Abgasführungsabschnitt in einem Gießverfahren hergestellt werden, wobei ein Guss mit verlorener Form bevorzugt einzusetzen ist, da bspw. die Strömungskanäle unterschiedliche Ausrichtungen haben können.

Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einem

Abgasführungsabschnitt zur Aufnahme eines Turbinenrades des Abgasturboladers, mit einem Einströmkanal und einem Austrittskanal und mit einem Umgehungskanal zur Umgehung des Turbinenrades. Der Umgehungskanal ist stromauf des Turbinenrades vom Eintrittskanal abzweigend und stromab des Turbinenrades in den Austrittskanal mündend ausgebildet. Zum Öffnen und Schließen des Umgehungskanals weist der Abgasturbolader eine Regelvorrichtung mit einem Abdeckelement auf.

Erfindungsgemäß ist der Abgasführungsabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet. Der Vorteil eines derartigen Abgasturboladers ist in der Verbesserung der Anströmung der Abgasnachbehandlungseinheit, insbesondere des Katalysators zu sehen. Somit kann die Abgasnachbehandlungseinheit, insbesondere der Katalysator, wesentlich effizienter arbeiten, wodurch seine Leistung gesteigert werden kann.

Darüber hinaus ergibt sich eine verbesserte Lebensdauer der

Abgasnachbehandlungseinheit, insbesondere des Katalysators. Die Steigerung der Leistung der Abgasnachbehandlungseinheit, insbesondere des Katalysators, wiederum führt in Verbindung mit einer Verbrennungskraftmaschine zur Reduktion von

Abgasemissionen derselben.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele 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. Gleichen oder funktionsgleichen Elementen sind identische Bezugszeichen zugeordnet. Es zeigen:

Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht einen erfindungsgemäßen

Abgasführungsabschnitt für einen Abgasturbolader, und

Fig. 2 in einer grafischen Darstellung eine Geschwindigkeitsverteilung des den Abgasführungsabschnitt durchströmenden Fluids in einem Querschnitt eines

Austrittskanals des Abgasführungsabschnitts gemäß dem Stand der Technik im

Vergleich zum erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitt.

Ein gemäß Fig. 1 ausgebildeter erfindungsgemäßer durchströmbarer

Abgasführungsabschnitt 1 eines Abgasturboladers 2, umfasst einen Eintrittskanal 3 zum Eintritt einer Fluidströmung in den Abgasführungsabschnitt 1 , im Allgemeinen Abgas einer nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine, einen Spiralkanal 4 stromab des Eintrittskanals 3 zur Konditionierung der Strömung und einen

Austrittskanal 5 stromab des Spiralkanals 4, über welchen das Abgas aus dem

Abgasführungsabschnitt 1 gezielt entweichen kann. Zwischen dem Spiralkanal 4 und dem Austrittskanal 5 ist eine Radkammer 6 ausgebildet, in welcher ein nicht näher dargestelltes Turbinenrad drehbar aufgenommen ist.

Der Abgasführungsabschnitt 1 ist mit einem nicht näher dargestellten Abgaskrümmer der Verbrennungskraftmaschine verbunden, so dass das Abgas der

Verbrennungskraftmaschine über den Eintrittskanal 3 in den Spiralkanal 4 eintreten kann um das Turbinenrad zu beaufschlagen. Im Abgasführungsabschnitt 1 ist ein Umgehungskanal 7 vorgesehen, welcher mit Hilfe eines Abdeckelementes 8 geöffnet oder geschlossen werden kann. Der

Umgehungskanal 7 ist stromauf des Spiralkanals 4 vom Eintrittskanal 3 abzweigend ausgebildet und mündet stromab der Radkammer 6 in den Austrittskanal 5 ein. Das Abdeckelement 8 ist mit Hilfe einer Regelvorrichtung 9 bewegbar.

Stromab des Abgasführungsabschnitts 1 , welcher in einem nicht näher dargestellten Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, ist eine nicht näher dargestellte Abgasnachbehandlungseinheit, bevorzugt in Form eines Katalysators aufgenommen. Damit eine Beaufschlagung der Abgasnachbehandlungseinheit gleichmäßig ist, das heißt mit anderen Worten, dass ein die

Abgasnachbehandlungseinheit beaufschlagender Massenstrom, welcher bei

geschlossenem Umgehungskanal 7 dem Massenstrom durch das Turbinenrad entspricht und bei geöffnetem Umgehungskanal 7 sich aus dem Massenstrom durch die Turbine sowie dem Massenstrom aus dem Umgehungskanal 7 zusammensetzt, in Bezug auf seine Strömungsgeschwindigkeit und thermodynamischen Zustandsgrößen möglichst einheitlich ist, ist im Austrittskanal 5 stromab des Turbinenrades und stromab des Abdeckelementes 8 ein Strömungsleitelement 10 angeordnet.

Das Strömungsleitelement 10 ist in Form eines Vortex-Generators ausgebildet, d.h. mit anderen Worten, dass es zur Verwirbelung insbesondere der beiden Massenströme bei geöffnetem Umgehungskanal 7 zu einem einheitlichen Massenstrom stromab des Strömungsleitelementes 10 vorgesehen ist.

Das Strömungsleitelement 10 ist an eine Austrittsöffnung 11 des Umgehungskanals 7, welche in Fig. 1 vom Abdeckelement 8 verschlossen ist, angrenzend ausgebildet. Es weist zahlreiche Strömungskanäle 12 auf, die jeweils einen variablen

Strömungsquerschnitt Q besitzen. Die Strömungskanäle 12 sind sich in Richtung einer Längsachse 13 des Austrittskanals 5 erstreckend ausgebildet. Sie weisen nicht nur einen variablen Strömungsquerschnitt Q auf, sondern jeder Strömungskanal 12 besitzt eine variable Kanaltiefe K, wobei die Kanaltiefe K sich ausgehend von einem dem Turbinenrad zugewandt ausgebildeten ersten Ende 14 des Strömungskanals 12 zu einem vom ersten Ende 14 abgewandt ausgebildeten zweiten Ende 15 des Strömungskanals 12 vergrößert. Die Kanaltiefe K kann für jeden

Strömungskanal 12 unterschiedlich sein. Dies ist abhängig von der Größe des

Turbinenrades und der Größe der Austrittsöffnung, die in Abhängigkeit der

gewünschten maximalen Massenströme ausgelegt sind. Ebenso können die einzelnen Strömungskanäle 12 auch unterschiedliche Strömungsquerschnitte Q aufweisen.

Bevorzugt sind die Strömungskanäle 12 so anzuordnen, dass sie hinsichtlich einer Größe eines Strömungseintrittsquerschnitts S alternierend über einen Umfang 16 des Austrittskanals 5 an dessen Innenfläche 17 angeordnet sind. Der Umfang 16 ist mit Hilfe eines Richtungspfeiles einer Umfangsrichtung des Umfangs gekennzeichnet.

Das heißt mit anderen Worten, dass ein Strömungskanal 12 einen dem Turbinenrad zugewandt ausgebildeten kleinen Einrittsquerschnitt aufweist, wobei ein weiterer Strömungskanal 12, welcher über einem Umfang 16 des Austrittskanals 5 an den Strömungskanal 12 angrenzend ist, einen im Vergleich zum kleinen Eintrittsquerschnitt großen Eintrittsquerschnitt aufweist.

Das Strömungsleitelement 10, welches in Form mehrerer Strömungskanäle 12 ausgeführt ist, ist über den Umfang 16 nur teilweise ausgebildet, wobei es zumindest über die Hälfte des Umfangs ausgestaltet ist. Es ist an einem ersten Flächenabschnitt 18 der Innenfläche 17 ausgebildet, an welcher die Austrittsöffnung 11 ebenfalls ausgeführt ist. Ein dem ersten Flächenabschnitt 18 gegenüberliegender zweiter Flächenabschnitt 19 der Innenfläche 17 mit dem Strömungsleitelement 10 zu bestücken ist nicht zwingend erforderlich, da im Strömungsbereich dieses zweiten Flächenabschnitts 19 die Fluidströmung überwiegend aus dem aus dem Turbinenrad austretenden Massenstrom besteht. In Fig. 2 sind in einer grafischen Darstellung Geschwindigkeitsverteilungen V _v mit Hilfe von Linien konstanter Geschwindigkeit v des den Abgasführungsabschnitt 1

durchströmenden Fluids in einem Querschnitt des Austrittskanals 5 dargestellt. In der linken Hälfte der Fig. 2 ist die Geschwindigkeitsverteilung des Fluids im

Abgasführungsabschnitt 1 gemäß dem Stand der Technik illustriert. Es treten insbesondere im rechten Bereich des Querschnitts Bereiche des Massenstroms des Fluids mit sehr hohen Geschwindigkeiten auf. Im Vergleich ist in der rechten Hälfte der Fig. 2 die Geschwindigkeitsverteilung des Fluids im erfindungsgemäßen

Abgasführungsabschnitt 1 illustriert. Es ist deutlich erkennbar, dass

Geschwindigkeitsunterschiede wesentlich minimiert und auch in ihrem Wert deutlich reduziert sind.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Strömungsleitelement 10 einteilig mit dem Abgasführungsabschnitt 1 in einem Gießverfahren hergestellt. Ebenso kann es auch als Einsatzbauteil ausgebildet sein und unabhängig vom Abgasführungsabschnitt 1 hergestellt sein. Sofern es als Einsatzbauteil ausgeführt ist, sind thermische

Ausdehnungen zu beachten und die Werkstoffauswahl des Abgasführungsabschnitts 1 dem Strömungsleitelement 10 bzw. vice versa anzupassen.