Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Nutzturbine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der Patentschrift EP 0 171 882 Bl ist eine Brennkraftmaschine mit einer axial angeströmten Nutzturbine bekannt . Die Brennkraftmaschine weist einen Abgasturbolader auf , dessen Abgasturbine einem Abgastrakt und dessen Verdichter einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zugeordnet sind. Die Nutzturbine ist über eine Verbindungsleitung mit der Abgasturbine verbunden, wobei die Nutzturbine stromab der Abgasturbine vorgesehen ist . Die Nutzturbine ist über ein Getriebe an die Brennkraftmaschine angekoppelt . In der Verbindungsleitung ist vor der Nutzturbine ein Strömungsleitkegel vorgesehen . Ein Ringkanal zwischen der Verbindungsleitung und dem Strömungsleitkegel leitet das Abgas zu der axial angeströmten Nutzturbine . Das Abgas treibt die Abgasturbine an, die über eine gemeinsame Welle den Verdichter antreibt . Der Verdichter saugt Luft an und befördert die verdichtete Luft in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine . Das Abgas der Brennkraftmaschine strömt zunächst in die Abgasturbine des Abgasturboladers und dann weiter in die Nutzturbine, welche die restliche Energie aus dem Abgas entnimmt und über das Getriebe an die Brennkraftmaschine wieder abgibt . Die Nutzturbine steigert

den Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine, sofern der Energiegehalt im Abgas ausreicht , die Verlustleistungen der Nutzturbine und des Getriebes zu überwinden . Bei niedrigen Lasten und/oder Drehzahlen kann der Energiegehalt im Abgas so niedrig sein, dass der GesamtWirkungsgrad der Brennkraftmaschine sinkt .

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei der die Leistungsabgabe der Nutzturbine gesteigert ist .

Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist gekennzeichnet durch den Strömungsleitkegel , der axial verschiebbar in der Verbindungsleitung geführt ist und mit der Verbindungsleitung einen im Strömungsquerschnitt veränderbaren Ringkanal bildet . Die Brennkraftmaschine weist eine axial angeströmte Nutzturbine auf, die stromabwärts einer Abgasturbine eines Abgasturboladers vorgesehen ist . Die Abgasturbine ist über eine Welle mit einem Verdichter verbunden und über eine Verbindungsleitung mit der Nutzturbine . Die Abgasturbine ist einem Abgastrakt und der Verdichter einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zugeordnet . In der Verbindungsleitung ist der Nutzturbine ein Strömungsleitkegel zugeordnet . Der Strömungsleitkegel und die Verbindungsleitung bilden einen Ringkanal , der das Abgas zu der Nutzturbine leitet . Der Strömungsleitkegel ist axial verschiebbar in der Verbindungsleitung geführt , wodurch ein radial umlaufender Strömungsquerschnitt vor der Nutzturbine verkleinert werden kann. Durch eine Verkleinerung des Strömungsquerschnitts steigt der Abgasdruck vor der Nutzturbine , wodurch die

Druckdifferenz zwischen dem Abgasdruck vor der Nutzturbine und dem Abgasdruck nach der Nutzturbine steigt . Vorteilhafterweise führt eine erhöhte Druckdifferenz an der Nutzturbine zu einer erhöhten Leistungsabgabe der Nutzturbine .

In Ausgestaltung der Erfindung ist der Strömungsleitkegel von einer Durchgangsstellung in eine Staustellung bringbar und weist in der Staustellung unmittelbar vor dem Leitgitter seinen kleinsten Strδmungsquerschnitt auf . Vorteilhafterweise tritt das Abgas ohne Abfall des Abgasdruckes und somit ohne Energieverlust in die Nutzturbine ein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Strömungsleitkegel in mehreren Stufen oder stufenlos zwischen der Staustellung und der Durchgangsstellung verstellbar . Vorteilhafterweise ist die Leistungsabgabe der Nutzturbine in optimaler Weise an die Betriebszustände der Brennkraftmaschine anpassbar .

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Ringkanal unabhängig von der Verstellung des Strömungsleitkegels seinen kleinsten Strömungsquerschnitt unmittelbar vor der Nutzturbine auf . Vorteilhafterweise tritt das Abgas unabhängig von der Verstellung des Strόmungsleitkegels ohne Abfall des Abgasdruckes und somit ohne Energieverlust nach durchströmen des kleinsten Strömungsquerschnitts des Ringkanals in die Nutzturbine ein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Verbindungsleitung, die Nutzturbine und die Abgasturbine eine gemeinsame Längsachse auf . Die Verbindungsleitung verbindet die Nutzturbine mit der Abgasturbine . Vorteilhafterweise kann

das Abgas aus der Abgasturbine unbeeinflusst zu der Nutzturbine strömen .

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Leitgitter stromaufwärts der Nutzturbine vorgesehen, das das Abgas gezielt auf die Nutzturbine leitet . Vorteilhafterweise steigt der Wirkungsgrad der Nutzturbine mit der Verwendung eines Leitgitters .

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Strömungsleitkegel an dem Leitgitter axial verschiebbar geführt . Der axial verschiebbare Strömungsleitkegel ist stromaufwärts direkt vor dem Leitgitter vorgesehen. Vorteilhafterweise ist der kleinste Strömungsquerschnitt des im Strömungsquerschnitt veränderbaren Ringkanals unmittelbar vor dem Leitgitter positionierbar .

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen . Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert .

Dabei zeigen :

Fig . 1 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer

Brennkraftmaschine mit einer Nutzturbine und einem

Abgasturbolader und Fig . 2 einen Längsschnitt einer Verbindungsleitung zwischen dem Abgasturbolader und der Nutzturbine mit einem im

Strömungsquerschnitt veränderbaren Ringkanal .

In Fig . 1 ist schematisch vereinfacht eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt , die mit einer Nutzturbine 2 und einem Abgasturbolader 3 ausgestattet ist . Der Abgasturbolader 3

weist eine Abgasturbine 4 und einen Verdichter 5 auf , die über eine Welle 6 miteinander verbunden sind. Die Abgasturbine 4 ist einem Abgastrakt 7 und der Verdichter 5 ist einem Ansaugtrakt 8 der Brennkraftmaschine 1 zugeordnet . Die axial angeströmte Nutzturbine 2 ist stromab der Abgasturbine 4 vorgesehen und über eine Verbindungsleitung 9 mit der Abgasturbine 4 verbunden. In der Verbindungsleitung 9 ist ein Leitgitter 10 mit einem axial verschiebbaren Strömungsleitkegel 11 der Nutzturbine 2 zugeordnet . Die Nutzturbine 2 ist über eine Getriebe 12 an die Brennkraftmaschine 1 angekoppelt .

Das Abgas der Brennkraftmaschine 1 strömt zunächst durch die Abgasturbine 4 und treibt über die Welle 6 den Verdichter 5 an. Das Abgas strömt weiter durch die Verbindungsleitung 9 an dem Strömungsleitkegel 11 vorbei zu dem Leitgitter 10. Das Leitgitter 10 leitet das Abgas gezielt auf die Nutzturbine 2. Das Abgas durchströmt die Nutzturbine 2 und die Nutzturbine 2 nimmt Energie aus dem Abgas auf und gibt sie als mechanische Leistung über das Getriebe 12 an die Brennkraftmaschine 1 weiter . Das Abgas gelangt weiter in eine Abgasleitung 13 und von dort aus in die Atmosphäre . In der Abgasleitung 13 kann eine nicht gezeigte Abgasanlage vorgesehen sein . Der über die Welle 6 angetriebene Verdichter 5 saugt Luft über eine Saugleitung 14 an und stellt der Brennkraftmaschine 1 in dem Ansaugtrakt 8 vorverdichtete Luft zur Verfügung . In dem Ansaugtrakt 8 kann eine nicht gezeigte Ladeluft-Kühlung vorgesehen sein .

Die Fig . 2 zeigt einen Längsschnitt der Verbindungsleitung 9 mit dem erfindungsgemäßen, im Strömungsquerschnitt veränderbaren Ringkanal 15. In der Fig . 2 ist oberhalb der Mittellinie 16 der Strömungsleitkegel 11 in seiner Durchgangsstellung und unterhalb der Mittellinie 16 in seiner

Staustellung gezeigt . Es ist selbstverständlich, dass der Strömungsleitkegel 11 als eine Einheit zwischen der DurchgangsStellung und der Staustellung verstellbar ist . Die Verbindungsleitung 9 verbindet die in der Fig . 2 nicht gezeigte Nutzturbine 2 mit der in der Fig . 2 nicht gezeigten Abgasturbine 4. Die axial angeströmte Nutzturbine 2 ist stromabwärts unmittelbar nach dem Leitgitter 10 angeordnet . Die Nutzturbine 2 , die Verbindungsleitung 9 und die Abgasturbine 4 weisen eine gemeinsame Längsachse 17 auf , die mit der in der Fig . 2 gezeigten Mittelinie 16 identisch ist . Die Verbindungsleitung 9 ist strömungsgünstig zu gestalten.

Die Verbindungsleitung 9 weist einen Führungsabschnitt 18 auf , der mit der Abgasturbine 4 verbunden ist . Der Führungsabschnitt 18 ist rohrförmig ausgeformt und konzentrisch zu der Längsachse 17 angeordnet . An dem Führungsabschnitt 18 ist eine Betätigungseinrichtung 19 für den axial verschiebbaren Strömungsleitkegel 11 vorgesehen .

Stromabwärts des Führungsabschnitts 18 und der Betätigungseinrichtung 19 folgt ein Ringkanalabschnitt 20 der Verbindungsleitung 9. Der Ringkanalabschnitt 20 ist vasenförmig bzw. amphorenförmig und konzentrisch zur Längsachse 17 ausgebildet . Ausgehend von einer Verbindungsstelle 21 , an der der Führungsabschnitt 18 und der Ringkanalabschnitt 20 der Verbindungsleitung 9 aneinander stoßen, nimmt ein Durchmesser des Ringkanalabschnitts 20 über etwa dreiviertel der axialen Erstreckung des Ringkanalabschnitts 20 stetig zu, bis der Durchmesser des Ringkanalabschnitt 20 ab dem letzten Viertel der axialen Erstreckung des Ringkanalabschnitts 20 wieder abnimmt . Die Einschnürung des Ringkanalabschnitts 20 endet in einem kurzen hülsenförmigen Anschlussstück 22 der Verbindungsleitung 9.

Die Verbindungsleitung 9 ist über das Anschlussstück 22 mit der Nutzturbine 2 verbunden.

In dem Anschlussstück 22 ist das Leitgitter 10 untergebracht . Das Leitgitter 10 weist einen Leitgitterring 23 auf , über den das Leitgitter 10 mit dem Anschlussstück 22 vorzugsweise mittels einer nicht gezeigten Verschraubung angebracht ist . Der Leitgitterring 23 fasst Leitgitterschaufeln 24 ein, die radial angeordnet zwischen dem Leitgitterring 23 und einer Leitgitternabe 25 angeordnet sind . Die Leitgitternabe 25 weist eine konzentrisch zur Längsachse 17 eingebrachte, stromaufwärts gerichtete, umlaufende Nut 26 auf .

In der Nut 26 ist ein Hülsenabschnitt 27 des Strömungsleitkegels 11 axial verschiebbar geführt . Die Gestaltung bzw. Form des Strömungsleitkegels 11 entspricht im Wesentlichen der Gestaltung bzw . Form des Ringkanalabschnitts 20 , wobei abweichend der Strömungsleitkegel 11 stromaufwärts zu einer Spitze 28 zusammenläuft , derart , dass der Strömungsleitkegel 11 insgesamt eine Tropfenform aufweist .

Zwischen dem Ringkanalabschnitt 20 und dem Strömungsleitkegel 11 ist der Ringkanal 15 so ausgeformt , dass in Durchgangssteilung des Strömungsleitkegels 11 das Abgas , wie oberhalb der Mittellinie 16 gezeigt , unbeeinflusst durch den Ringkanal 15 zu dem Leitgitter 10 strömen kann.

Wie unterhalb der Mittellinie 16 gezeigt ist , ist der Strömungsleitkegel 11 stromabwärts in die Stauposition verschoben . Der Ringkanal 15 zwischen dem Strömungsleitkegel 11 und dem Ringkanalabschnitt 20 ändert sich dabei derart , dass sich der Strömungsquerschnitt des Ringkanals 15 bis unmittelbar vor dem Leitgitter 10 zu einem kleinsten Strömungsquerschnitt a des Ringkanals 15 verkleinert .

Ausgehend von der Spitze 28 sind mindestens zwei Strömungsleitflügel 29 an dem Strömungsleitkegel 11 angebracht , die den Strömungsleitkegel 11 mit einer axial im Führungsabschnitt 18 verschiebbaren Laufbüchse 30 verbinden . Die Laufbüchse 30 ist in einer radialen Ausnehmung 31 einer Innenkontur 32 bzw . Innenwandung des Führungsabschnitts 18 geführt . Die radiale Ausnehmung 31 erstreckt sich axial etwa hälftig in dem Führungsabschnitt 18 und bildet in dem Führungsabschnitt 18 einen Anschlag 33 für die Durchgangsstellung des Strδmungsleitkegels 11. Ein Innendurchmesser der Innenkontur 32 und ein Innendurchmesser der Laufbüchse 30 sind etwa gleich groß.

Die Betätigungseinrichtung 19 für den axial verschiebbaren Strömungsleitkegel 11 greift an der Laufbuchse 30 an . Die Betätigungseinrichtung 19 weist zwei Wellen 34 , 35 mit einer gemeinsamen Drehachse 36 auf , wobei die Drehachse 36 die Längsachse 17 senkrecht schneidet . Die Wellen 34 , 35 sind j eweils in einer an dem Führungsabschnitt 18 ausgebildete flanschartigen Lageraufnahme 37 , 38 drehbar gelagert . Die Wellen 34 , 35 sind über ein nicht dargestelltes Mittel außerhalb des Führungsabschnittes 18 so miteinander verbunden, dass die Wellen 34 , 35 sich gemeinsam über einen Hebel 39 drehen lassen . Die Wellen 34 , 35 ragen etwas in den Führungsabschnitt 18 hinein und weisen endseitig j eweils einen Nocken 40 , 41 auf, der senkrecht zur Drehachse 36 an den Wellen 34 , 35 angebracht ist . Die Nocken 40 , 41 greifen j eweils in eine nicht näher gezeigte Kontur in der Laufbuchse 30 ein, so dass bei einer Drehbewegung der Wellen 34 , 35 bzw. der Nocken 40 , 41 , die Laufbuchse 30 und damit der Strömungsleitkegel 11 axial verschoben wird.

In der Fig . 2 ist unterhalb der Mittellinie 16 der erfindungsgemäße , im Strömungsquerschnitt veränderbare Ringkanal 15 mit dem Strömungsleitkegel 11 in der Staustellung gezeigt . Der Strδmungsleitkegel 11 kann elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch in mehreren Stufen oder stufenlos über den Hebel 39 der Betätigungseinrichtung 19 axial verstellt werden . Der kleinste Strömungsquerschnitt a des Ringkanals 15 ist durch die Formgebung von dem Ringkanalabschnitt 20 und durch die Formgebung des Strömungsleitkegels 11 vorgegeben, so dass er in der Staustellung des Strömungsleitkegels 11 unmittelbar vor dem Leitgitter 10 liegt , derart , dass das Abgas ohne ein Absinken des Abgasdruckes und somit ohne Energieverlust aus dem kleinsten Strömungsquerschnitt a weiter in das Leitgitter 10 und die Nutzturbine 2 strömt .

Durch die Formgebung von dem Ringkanalabschnitt 20 und durch die Formgebung des Strömungsleitkegels 11 weist der Ringkanal 15 in der Durchgangsstellung der Strömungsleitkegels 11 keine Änderung des Strömungsquerschnittes auf und das Abgas strömt unbeeinflusst durch Ringkanal 15 in das Leitgitter 10 und die Nutzturbine 2. Bei Verstellung des Strömungsleitkegels 11 aus seiner Durchgangsstellung in seine Staustellung verkleinert sich der Strömungsquerschnitt des Ringkanals 15 kontinuierlich bis der kleinste Strömungsquerschnitt a in der Staustellung des Strömungsleitkegels 11 erreicht ist . Der kleinste Strömungsquerschnitt a und der Strömungsquerschnitt in den Zwischenstellungen des Strömungsleitkegels 11 liegen an derselben Position unmittelbar vor dem Leitgitter 10. Das Abgas strömt in j eder Stellung des Strömungsleitkegels 11 ohne ein Absinken des Abgasdruckes und somit ohne Energieverlust aus dem Ringkanal 15 in das Leitgitter 10 und die Nutzturbine 2.

Durch entsprechende Gestaltung des Strömungsquerschnittes des Ringkanals 15 ist der Abgasdruck vor der Nutzturbine 2 steigerbar . Der Strömungsquerschnitt des Ringkanals 15 ist in mehreren Stufen oder stufenlos bis zu dem kleinsten Strömungsquerschnitt a verstellbar und wirkt wie eine im Strömungsquerschnitt veränderbare Drossel bzw. Düse, wodurch der Abgasdruck vor dem Leitgitter 10 und der Nutzturbine 2 veränderbar ist . Aufgrund der Drosselwirkung des verkleinerten Strömungsquerschnitts erhöht sich die Druckdifferenz zwischen dem Abgasdruck vor der Nutzturbine 2 und dem Abgasdruck nach der Nutzturbine 2. Damit steht der Nutzturbine 2 Abgas _. mit einem höheren Energiegehalt zur Energierückgewinnung zur Verfügung, wodurch sich die Leistungsabgabe an die Brennkraftmaschine 1 steigern lässt .

Denkbar ist auch eine Ausführung des erfindungsgemäßen, im Strömungsquerschnitt veränderbaren Ringkanals 15 ohne Leitgitter . Der kleinste bzw. engste Strömungsquerschnitt des Ringkanals 15 wäre dann unmittelbar vor der Nutzturbine 2 vorzusehen .