DE3034271C2

DE3034271C2 - Turbinengehäuse für Turbolader

Info

Publication number: DE3034271C2
Application number: DE3034271A
Authority: DE
Inventors: Takaaki Hachioji Tokyo Koike
Original assignee: Ishikawajima-Harima Jukogyo Kk Tokyo Jp
Current assignee: Ishikawajima-Harima Jukogyo Kk Tokyo Jp
Priority date: 1979-09-17
Filing date: 1980-09-11
Publication date: 1982-11-11
Also published as: IT1151036B; DE3034271A1; FR2465069A1; IT8024691A0; GB2062116A; FR2465069B1; GB2062116B

Description

Die Erfindung betrifft ein Turbinengehäuse fui Abgasturbolader, mit einer ersten radial innenliegenden Spirale, welche entlang des Umfangs des Turbinenrades angeordnet ist, einer zweiten, radial außenliegenden Spirale, die einen einzigen Abgaskanal zur Zuführung der Abgase zu dem Turbinenrad aufweist, sowie mit einem Steuerventil zur Steuerung des in die zweite Spirale gelangenden Abgasanteils.

Bei dem bekannten Turbinengehäuse werden zum Regeln des Turboladers bei einer in allen Drehzahlbereichen stfömungsgerechten, kontinuierlichen Beaufschlagung der Turbine und weitgehenden Dämpfung der im Abgasleitungssystem vorhandenen Druckwellen (s.Sp.2, L Abs- der DE-AS 12 53 510) die jeweils getrennt herangeführten Abgasströme des Motors einem Sammelbehälter zugeführt, von dem aus im unteren Drehzahlbereich das gesamte Abgas der ersten, radial innenliegenden Spirale zugeführt wird und bei Erreichung des optimalen Drehzahlbereichs des Turboladers bei Absperrung der zweiten radial außenliegenden Spirale das Abgas zusätzlich über die zweite Spirale zum Turbinenrad gelangen kann, so daß die Turbine über ihrem gesamten Umfang gleichmäßig beaufschlagt wird (s. Sp. 3,3. Abs. der DE-AS 12 53 510).

Die bekannte Anordnung eignet sich nicht wenn mit

dem Turbolader ein großer Drehzahlbereich abgedeckr werden soll, z. B. ein Drehzahlbereich von 1500 U/min bis 9000 U/min, wie er beispielsweise bei Motorrädern vorkommt Es ist auch in der Tat der bekannte Turbolader insbesondere für Dieselmotoren mit einer Drehzahl zwischen 1200 und 2000 U/min (Sp. 1,2. Abs.) vorgesehen.

Aus der DE-OS 26 33 587 ist ein Turbolader bekannt, bei dem zwei in Achsrichtung des Turboladers hintereinander liegende Spiralen vorgesehen sind, über die die zunächst getrennt herangeführten Abgasströme nach Durchlaufen eines Pulskonverters 5 dem Turbinenrad zugeführt werden. Dabei wird mit zunehmendem Ladedruck automatisch die von einem Schieber abgesperrte zweite Spirale zugeschaltet, wobei kurz vor Erreichen der maximalen Drehzahl das über die zweite Spiralezugeführte Abgas teilweise ungenutzt am Turbinenrad vorbei in den Abgaskanal strömen kann.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den eingangs als bekamt vorausgesetzten Turbolader derart auszubilden, daß er trotz einfachen Aufbaus über einen großen Drehzahlbereich leistungsfähig ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die radial inneitliegende Spirale eine zur Turbinenachse senkrechte Trennwand aufweist, durch die diese Spirale in zwei Abgaskanäle unterteilt ist, durch welche jeweils getrennte Abgasströme des Motors dem Turbinenrad zugeführt werden, und daß stromaufwärts des Turbinenrades ein zusätzlicher Abgasauslaß zur Abführung eines Teiles der Abgase des Motors in die Umgebungsluft vorgesehen und das Steuerventil so ausgebildet und angeordnet ist, daß es auch den abgeführten Abgasanteil steuert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nun an zwei Ausführungsbeispielen und anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Vorderansicht einer ersten Ausführungsform eines Turbinengehäuses nach der Erfindung, wobei eine Auslaßöffnung für den Austritt von Abgasen in die Umgebungsluft vorgesehen ist;

F i g. 2 eine Schnittansicht bei der ersten Ausführungsform, wobei eine erste und eine zweite Spirale miteinander in Verbindung stehen,

f i g. 3 einen Teilschnitt in Richtung des Pfeils F in Fig. 2;

Fig.4 einen Teilschnitt in Richtung des Pfeils G in Fig. 2;

F i g. 5 einen Teilschnitt in Richtung des Pfeils H in Fig.2;

F i g. 6 einen Teilschnitt in Richtung des Pfeils / in Fig.2;

F i g. 7 eine Draufsicht auf die Gaseinlässe;
F ί g. 8 eine Schnittansicht bei einer zweiten Ausführungsform;

Fig.9 einen Teilschnitt in Richtung des Pfeils /der Fig,8s

Fig. 10 einen Teilschnitt in Richtung des Pfeils K in F i g. 8 und

Fig. 11 einen Teilschnitt in Richtung des Pfeils L in F ig. 8.

Erste Ausführungsform, F i g. 1 bis 7:

Das Turbinengehäuse 5 ist mit einem ersten Gaseinlaß 10a und einem zweiten Gaseinlaß 10b (s. F i g. 7) versehen, die durch eine Trennwand 9 in Achsrichtung des Turbinenrades 8 voneinander getrennt und entsprechend mit den Abgasleitungen 3a bzw. 3Zj verbunden sind. Die beiden Gaseinlässe 10a und 106 sind jewei!··- mit einer ersten Spirale 13a bzw. 130 verbunden, die gasdicht mittels einer Trennwand 11 voneinander getrennt sind und die Abgase einem ersten Düsenabschnitt 12 zuführen, der sich am Umfang des Turbinenrades 8 öffnet, wie aus F i g. 2 hervorgeht Eine zweite Spirale 15 mit einem einzelnen Kanal bzw. Durchlaß umgibt die ersten Spiralen 13a und 136 und ist mit den beiden Gaseinlässen 10a und 10Zj verbunden, so daß die Abgase aus beiden Gaseinlässen zusammenströmen und über die zweite Spirale 15 einem zweiten Düsenabschnitt 14 am Umfang des Turbinenrades 8 zugeführt werden.

Ferner sind die ersten Spiralen 13a und !3Z>, die zweite Spirale 15 und ein Abgasauslaß 20 mit c'^n beiden Abgasleitungen 3a und 3b über einen Turbineneinlaß bzw. ein Verbindungsstück 21 verbunden, und ist ein Steuerventil 16 so angeordnet, daß es wahlweise die ersten Spiralen 13a und 136, die zweite Spirale 15 und den Abgasauslaß 20 öffnet bzw. schließt Bei dieser Ausführungsform ist ein Steuerventil 16 gezeigt, welches von einem Schieberventil gebildet ist das mit einem Betätigungselement 22 in Wirkverbindung steht. Anstelle des Schieberventils könnte aber auch ein Flügelventil verwendet werden.

Wenn die Strömungsmenge gering ist, befindet sich das Steuerventil 16 in der in F i g. 1 gezeigten Position, in der Abgase nur durch die ersten Spiralen 13a und 13Zj strömen. Der Gesamtquerschnitt der Spiralanordnung ist dann gering, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit der durch die ersten Spiralen 13a und 13Zj strömenden Abgase erhöht wird. Zusätzlich sind die ersten Spiralen 13a und 13^ durch die Trennwand 11 voneinander getrennt, so daß die Pulsation der Abgase sehr wirksam genutzt und infolgedessen ein ausreichend hoher Ladedruck auch bei niedrigen Geschwindigkeiten gewährleistet werden kann.

Wenn die Strömungsmenge der Abgase zunimmt, arbeitet das Betätigungselement 22 in einer solchen Weise, daß das Steuerventil 16 nicht nur die ersten Spiralen 13a und 13Zj sondern auch die zweite Spirale 15 öffnet. Als Ergebnis vergrößert sich dann das Volumen des Turbinengehäuses 5, so daß die Geschwindigkeit der Abgase abnimmt und infolgedessen der Ladedruck auf einem vorbestimmten Niveau gehalten werden kann. Nimmt die Geschwindigkeit des Motors weiter zu, erhöht sich auch d'e Abgas-Strömungsmenge entsprechend, worauf das Betätigungselement 22 das Schieberventil 16 so verstellt, daß nicht nur die ersten Spiralen 13 und die zweite Spirale 15. sondern auch der Abgasauslaß 20 geöffnet werden. In diesem Fall wird dann ein Teil der Abgase des Motors in die umgebende Atmosphäre ausgestoßen, wodurch verhindert werden kann, daß der Ladedruck übermäßig ansteigt, und es möglich ist, ihn auf einer optimalen Höhe zu halten.

Zusammenfassend ist es also so, daß die ersten Spiralen 13a und 13Zj, die zweite Spirale 15 und der Abgasauslaß 20 wahlweise abhängig von der Strömungsmenge der Abgase aus dorn ivloior 1 geöffnet bzw. geschlossen werden, so daß unabhängig von Veränderungen in der Abgas-Menge die gewünschten Turbinen-Kennwerte eingehalten werden können.

Weiterhin stehen die ersten Spiralen 13a und 13Zj teilweise bzw. bereichsweise mit der zweiten Spirale 15 in Verbindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel können Pumpverluste minimal gehalten und der Turbinen-Wirkungsgrad bei kleinen strömenden Gasmengen erhöht werden. Dabei werden die öffnung — ausgedruckt durch den Beaufschlagungswinkel « — des ersten Düsenabschnitts 12 und die Öffnung — ausgedrückt durch den Beaufschiagungswinkel β — des zweiten Düsenabschnittes 14 so gewählt, daß folgende Beziehunggilt:

öl + JS = 360° 4- γ

wobei γ der Beaufschiagungswinkel einer Öffnung 23 ist, die eine teilweise Verbindung zwischen den ersten Spiralen 13a und 13Zj sowie der zweiten Spirale 15 (s. F i g. 2 und 5) herstellt

Wie am besten aus F i g. 5 he^r"orgeht, wird die öffnung 23 so gewählt, daß r^rei Ströme von Abgasen aus den ersten Spiralen 13a und 13Zj und der zweiten Spirale 15 in das Turbinenrad 8 strömen können, wie dies durch die Pfeile angedeutet ist.

Um einen hohen Turbinen-Wirkungsgrad zu erreichen, ist es sehr wichtig, daß die Spiral-Anordnung so entworfen und konstruiert ist daß die Abgase in das Turbinenrad 8 von dessen gesamten Umfang her eintreten. Bei Radial-Turbinen ist die öffnung — ausgedrückt durch den Beaufschiagungswinkel — des Düsenabschnittes der Spirale auf 360° begrenzt, so daß dann, wenn die Strömungsmenge der Abgase niedrig ist, die Öffnung der ersten Spiralen 13a und 13Zj zu dem Turbinenrad 8 gering ist. d. h. es ergibt sich nur ein teilweiser Zustrom. Als Ergebnis hiervon sinkt der Turbinen-Wirkungsgrad ab. Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind jedoch die ersten Spiralen 13a, 13Zj und die zweite Spirale 15 über die Öffnung 23 miteinander verbunden, so daß die Öffnungen (ausgedrückt durch den Beaufschiagungswinkel) der beiden (ersten bzw. zweiten) Düse.iabschnitte 12 und 14 vergrößert werden können. Als Ergebnis hiervon kann ein gewünschter Turbinen-Wirkungsgrad bzw. eine gewünschte Turbinen-Leistung über einen größeren Betriebsbereich des Motors aufrecht erhalten werden.

Zweite Ausführungsform, F i g. 8 bis 11:

Das zweite Ausführungsbeispiel, das nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig.8 bis 11, im einzelnen beschrieben werden soll, entspricht bezüglich seiner Konstruktion im wesentlichen dem ersten, vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme, daß ein vorderer Endabschnitt 26 der Trennwand 24 zwischen den ersten Spiralen 13a und 13Zj einerseits und der zweiten Spira'j 15 andererseits so ausgebildet ist, daß mi*, ihm die Öffnung 23 wahlweise geöffnet oder geschlossen werden kann, Zu diesem Zweck ist der vordere Endabschnitt bzw. die bewegliche Wand 26 mittels eines Schwenkzapfens 25 nahe den Gaseinlässen 10a und 10Zj derart angelenkt, daß die bewegliche Waifd 26 radial nach innen verschwenkt werden kann, um die öffnung 23

zwischen den ersten Spiralen 13a, 130 und der zweiten Spirale 15 zu schließen, oder radial nach außen bis die Spitze der beweglichen Wand 26 der radial äußeren Wand der zweiten Spirale 15 anliegt wie dies durch die strichpunktierte Linie in P i g. 8 angedeutet ist, in welchem Fall die ersten Spiralen 13a, 130 und die zweite Spirale 15 miteinander in Verbindung stehen.

Die bewegliche Wand 26 wird in Übereinstimmung mit dem Steuerventil 16 betätigt.

Wenn die Strömungsmenge der Abgase aus dein Motor 1 gering ist, befinden sich das Steuerventil 16 und die bewegliche Wand 26 in der in F i g. 8 durch ausgezogene Linien dargestellten Position. Dies bedeutet, daß die zweite Spirale 15 geschlossen und die öffnung 23 zwischen erster Spirale 13a, 136 und zweiter Spirale 15 ebenfalls verschlossen ist, so daß die Abgase nur durch die ersten Spiralen 13a und i3b strömen und auf das Turbinenrad 8 über dessen

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selbst dann, wenn die Strömungsmenge der Abgase gering ist, Pumpverluste minimal gehalten, trotzdem aber eine hohe Turbinenleistung aufrecht erhalten werden kann.

Wenn die Strömungsmenge der Abgase einen vorbestimmten Wert übersteigt, wird das Steuerventil 16 und die bewegliche Wand 26 in die in Fig.8 strichpunktiert angedeutete Position bewegt In diesem Fall strömen dann die Abgase auch in die zweite Spirale 15 aus den Gaseinlässen 10a und 106, so daß der Strömungswiderstand der Abgase vermindert wird. Die Abgase strömen durch die zweite Spirale 15 und die öffnung 23 und vermischen sich mit den Abgasen, die durch die ersten Spiralen 13a und 136 strömen, und gelangen zum Turbinenrad 8.

Wenn die zweite Spirale in der beschriebenen Weise geöffnet ist, vergrößert sich das Volumen des Turbinengehäuses 5, so daß der Ladedruck auf einem vorbestimmten Niveau gehalten werden kann. Die Länge (ausgedrückt durch den Beaufschlagungswinkcl <5), die von der gekrümmten, beweglichen Wand 26 eingenommen wird, kann abhängig von dem Zeitpunkt, zu dem die bewegliche Wand 26 geöffnet wird, oder von den Betriebsbedingungen des Motors in geeigneter Weise gewählt werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern daß verschiedene Abänderungen möglich sind. Beispielsweise kann der Erfindungsgedanke bei verschiedenen Turboladern für Kolben-Verbrennungsmotoren angewendet werden. Anstelle der gezeigten Steuerventile können andere, geeignete Ventile,

KojottjalotuAtea Rl Γι trat van ti to Cj-thiakat^wAntilo Πι·αΚ

(Rotary)-Ventile od. dgl. eingesetzt werden. Das Steuerventil 16 und die bewegliche Wand 26 können auch derart eingebaut sein, daß sie unabhängig voneinander betätigbar sind. Es ist weiterhin möglich, die Ansteuerung abhängig vom Abgasdruck, dem Ladedruck oder der Drehzahl des Motors bzw. des Turbogenerators vorzunehmen.

Nach der Erfindung kann eine optimale Spiralen-Anof inung im Hinblick auf die Strömungsmenge der Abgase des Motors geschaffen werden, so daß Unabhängig von Veränderungen in der Abgas-Menge eine vorbestimmte Vorverdichtungs-Leistung allzeit aufrecht erhalten werden kann, was bedeutet, daß die Zuverlässigkeit des Turboladers erheblich verbessert werden kann.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!.Turbinengehäuse für Abgasturbolader, mit einer ersten radial innenliegenden Spirale, welche entlang des Umfangs des Turbinenrades angeordnet ist, einer zweiten, radial außenliegenden Spirale, die einen einzigen Abgaskanal zur Zuführung der Abgase zu dem Turbinenrad aufweist, sowie mit einem Steuerventil zur Steuerung des in die zweite Spirale gelangenden Abgasanteils, dadurch gekennzeichnet, daß die radial innenliegenue Spirale (13a, \3b) eine zur Turbinenachse senkrechte Trennwand (9,11) aufweist, durch die diese Spirale in zwei Abgaskanäle unterteilt ist, durch weiche jeweils getrennte Abgasströme des Motors dem Turbinenrad (8) zugeführt werden, und daß stromaufwärts des Turbinenrades (8) ein zusätzlicher Abgasauslaß (20) zur Abführung eines Teiles der Abgase des Motors in die Umgebungsluft vorgesehen und das Steuerventil (16) so ausgebildet und angeordnet ist, daß es auch den abgeführten Abgasanteil steuert.
2. Turbinengehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beaufschlagungswinkei («) der ersten Spirale (13a, i3b) größer ist als der Beaufschlagungswinke! der zweiten Spirale (15).
3. Turbinengehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß gegen Ende der innenliegende Spirale (13a, lib) die senkrechte Trennwand (5,11) fehlt
4. Turbinengehäuse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende der innenliegenden Spirale (13a, XZb) eine Strömungsverbindung zwischen den beiden Spiralen (13a, 136 und 15) besteht.
5. Turbinengehäuse nach / nspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung bzw. Unterbrechung der Verbindung zwischen »'in beiden Spiralen (13a, 136; 15) eine bewegliche Wand (26) vorgesehen ist.
6. Turbinengehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (16) als Flügelventil ausgebildet ist.
7. Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (16) ah Schieberventil (F i g. 1) ausgebildet ist.
8. Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (16) als Drehventil (Rotaryventil) ausgebildet ist.