DE3119922A1

DE3119922A1 - "turbolader"

Info

Publication number: DE3119922A1
Application number: DE19813119922
Authority: DE
Inventors: Yasuo Zushi Kanagawa Sumi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1980-05-22
Filing date: 1981-05-19
Publication date: 1982-04-08
Also published as: GB2079380A; JPS56171630U; GB2079380B

Description

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER;

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen Abgas-Turbolader mit 2-facher Beaufschlagung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Es sind zahlreiche Ausfuhrungsformen von mit Abgas-Turboladern ausgerüsteten Verbrennungsmotoren bekannt. Ein Abgas-Turbolader für derartige Verbrennungsmotoren umfaßt eine Abgas-Turbine , die durch den Druck von aus Verbrennungszylindern des Motors ausgestoßenen Abgasen angetrieben xvird. Die Turbine treibt einen Luftverdichter,, der in einer zu einem Ansaugrohr des Motors führenden Luftzuführung angeordnet ist und den Motor mit Luft auflad. Turbolader mit 2-facher Beaufschlagung weisen zwei Einströmungsleitungen für Abgase auf, die jeweils mit einer von zwei Gruppen von Verbrennungszylindern eines mehrzylindrigen Motors in Verbindung stehen= An Abgas-Turboladern dieser Gattung besteht derzeit ein zunehmendes Interesse seitens der Automobilindustrie. Ein Turbolader mit 2-facher Beaufschlagung wird abwechselnd von den pulsierend ausgestoßenen Abgasen der zwei Gruppen von Verbrennungszylindern des Motors angetrieben und ermöglicht ein erhöhtes Drehmoment des Motors, insbesondere bei niedriger Drehzahl.

Figur 1 der beigefügten Zeichnungen, auf die bereits hier Bezug genommen werden soll, zeigt ein typisches Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Turboladers 4 mit 2-fächer Beaufschlagung zusammen mit einem Vierzylinder-Verbrennungsmotor mit einem Ansaugrohr 2 und zwei stromaufwärts verzweigten Auspuff leitungen 3 und 3'ο Die Äuspuffleitung 3 wird von den Abgasen eines ersten und eines vierten Zylinders des Motors 1 beschickt» Die Auspuffleitung 3" wird von den Abgasen eines zweiten und eines dritten Zylinders des Motors 1 beschickt. Die hier gewählte Numerierung der Zylinder des Motors 1 entspricht der Zündfolge dieser Zylinder.

Der Verbrennungsmotor 1 ist mit einem Turbolader 4 mit 2-facher

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Beaufschlagung ausgerüstet, der eine Turbineneinheit mit einem Spiralgehäuse 5 und einem in dem Spiralgehäuse 5 drehbaren Turbinen-Rotor 6 sowie ein Kompressorgehäuse 7 mit einem in dem Kompressorgehäuse 7 drehbaren Kompressor-Rotor 8 umfaßt. Wie in Figur 1 durch gestrichelte Linien angedeutet, ist der Kompressor-Rotor 8 über eine Antriebswelle 9 mit dem Turbinen-Rotor 6 verbunden und besitzt mit diesem eine gemeinsame Rotationsachse. Das Spiralgehäuse 5 weist zwei mit den Auspuffleitungen 3 bzw. 3" verbundene Einströmungsöffnungen für Abgase und eine zur Atmosphäre hin geöffnete Austrittsöffnung 10 für Abgase auf. Das Kompressorgehäuse 7 weist eine zur Atmosphäre hin geöffnete Ansaugseite und eine mit dem Ansaugrohr 2 des Verbrennungsmotors verbundene Hochdruckseite auf.

Wenn der Verbrennungsmotor 1 in Betrieb ist, treten die aus den Zylindern des Motors 1 ausgestoßenen Abgase in das Spiralgehäuse 5 der Turbineneinheit ein und treiben den in dem Gehäuse 5 rotierenden Turbinen-Rotor. 6 an. Der Turbinen-Rotor 6 treibt seinerseits über die Antriebswelle 9 den Kompressor-Rotor 8 an, der Außenluft in das Kompressorgehäuse 7 ansaugt und dort komprimiert. Auf diese Weise wird ständig komprimierte Luft in das Luftansaugrohr 2 des Motors 1 eingespeist, der dadurch mit einem höheren Luft-Durchsatz aufgeladen wird als bei einem Betrieb des Motors 1 ohne Turbolader.

Ein wesentliches Merkmal des gemäß Figur 1 mit einem 2-fach beaufschlagten Turbolader 4 ausgerüsteten Verbrennungsmotors ist die erhöhte Lufteinströmung und effektivere Aufladung und die daraus resultierende erhöhte Leistungsabgabe des Motors 1, dem Außenluft mit Hilfe des Kompressor-Rotors 8 zugeführt wird, der durch den Ausstoßdurck der in dem Spiralgehäuse 5 den Turbinen-Rotor 6 beaufschlagenden Auspuffgase angetrieben wird.

Dadurch, daß die Abgase des Motors 1 dem Turbolader 4 in getrennten Auspuffleitungen 3 und 3' zugeführt werden, wird eine

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gegenseitige Auslöschung von Druckwellen der von den einzelnen Zylindern des Motors 1 ausgestoßenen Abgase vermieden und die Wirksamkeit des Turboladers 4 bei niedriger Drehzahl des Motors 1 erhöht.
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Um zu verhindern, daß der Motor 1 bei hoher Drehzahl und hoher Vorverdichtung übermäßig mit Luft aufgeladen wird, sind bereits Ausführungen von mit Turboladern ausgerüsteten Motoren verwirklicht worden,, bei denen in den Auspuff leitungen 3,3' Einrichtungen zur Regulierung der Abgas-Strömung vorgesehen sind. Eine derartige Einrichtung zur Regulierung der Abgas-Strömung umfaßt Umgehungsventile 11,11', die von den Auspuff leitungen 3 bzw. 3¹ zu der. Austrittsöffnung 10 stromabwärts der Turbineneinheit des Turboladers 4 führende Umgehungsleitungen 12,12' öffnen oder verschließen. Die Umgehungsventile 11,11' besitzen Ventilteller, die jeweils mechanisch mit einer membrangesteuerten Ventilsteuerung 13,13' verbunden sind. Jede der Ventilsteuerungen 13,13' weist eine Membran auf, die auf den Kompressionsdruck der Luft anspricht, die von der Kompressoreinheit des Turboladers 4 in das Ansaugrohr 2 des Motors 1 eingespeist wird. Wenn der von der Kompressoreinheit des Turboladers 4 erzeugte Kompressionsdruck der Luft einen vorgegebenen Wert unterschreitet, schließen die Ventilsteuerungen 13,13' die Ventile 11,11', so daß beide Umgehungsleitungen 12,12' versperrt sind. In diesem Fall werden die gesamten von den einzelnen Zylindern des Motors 1 erzeugten Abgase in das Spiralgehäuse 5 der Turbineneinheit des Turboladers 4 eingeleitet- Wenn der Druck der von der Kompressoreinheit des Turboladers 4 komprimierten Luft zunimmt und den vorgegebenen Wert übersehreitet, werden die Umgehungsventile 11,11' und damit die Umgehungsleitungen 12,12" durch die membrangesteuerten Ventilsteuerungen 13,13' geöffnet. In diesem Fall strömen die von den Zylindern des Motors 1 in die Auspuffleitungen 3,3' ausgestoßenen Abgase teilwiese in das Spiralgehäuse 5 und teilweise durch die Umgehungs-

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ventile 11,11' in die Umgehungsleitungen 12,12'. Die durch die Umgehungsleitungen 12,12' strömenden Abgase werden durch die Austrittsöffnung 10 für Abgase in die Atmosphäre abgegeben und verrichten keine Arbeit an dem Turbinen-Rotor 6 c des Truboladers 4. Wenn der Druck der in das Ansaugrohr 2 des Motors 1 eingespeisten komprimierten Luft höher als der vorgegebenen Wert ist, wird auf diese Weise nur ein Teil der Engerie der von dem Motor 1 in die Auspuffleitungen 3,3' ausgestoßenen Abgase von dem Turbolader 4 genützt.

Einer der Nachteile eines mit einem herkömmlichen 2-fach beaufschlagten Turbolader der oben beschriebenen Gattung ausgerüsteten Motors ergibt sich daraus, daß in den getrennten Auspuffleitungen 3 und 3' des Motors 1 zwei unabhängige Um-(-gehungsventile 11,11' vorgesehen sind. Da die beiden Umgehungsventile 11,11' unabhängig voneindander durch die membrangesteuerten Ventilsteuerungen 13,13' geregelt werden, ist es schwierig, diese Ventile 11,11" so einzustellen, daß sie genau gleichzeitig öffnen. Ferner steht bei der Ausrüstung

₂„ des Verbrennungsmotors 1 mit dem Turbolader 4 nur ein begrenzter Raum zu Verfügung, und es erweist sich als schwierig, die membrangesteuerten Ventilregler 13,13' und die Rohranlage für die Umgehungsleitungen 12,12' an dem Auspuffsystem des Motors 1 anzubringen.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden und einen 2-fach beaufschlagten Turbolader der oben beschriebenen Gattung mit einem einfach einzustellenden Mechanismus zur Regulierung der Abgas-Strömung vorzusehen, der sich bei geringem Raumbedarf leicht an einem Motor installieren läßt.

Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs. Ein erfindungsgemäßer Turbolader für einen Verbrennungsmotor mit einem Ansaugrohr und zwei Gruppen von Verbrennungszylindern umfaßt eine Kompressoreinheit mit

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einer an das Ansaugrohr des Motors angeschlossenen Hochdruckseite und eine mit der Kompressoreinheit verbundene und diese antreibende Turbineneinheit mit einem eine Rotorkammer einschließenden Turbinengehäuse, zwei jeweils mit einer d©r Zylindergruppen des Motors verbundene Einströmungsöffnungen für Abgase, einen stromabwärts der Rotorkammer angeordneten und zu dieser hin geöffneten Austrittskanal für Abgase^ eine umgehungsleitung für Abgase, die eine der Einströmungsöffnungen mit dem Austrittskanal verbindet, einen in der Rotorkammer drehbaren Turbinen-.Rotor und ein auf den Luftdruck in dem Ansaugrohr des Motors ansprechendes Umgehungsventil, das die Umgehungsleitungen für Abgase verschließt, wenn der Luftdruck in dem Ansaugrohr kleiner als ein vorgegebener Wert ist, und das öffnet, wenn der Luftdruck in dem Ansaugrohr den vorgegebenen Wert übersteigt»

Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungs

beispiel eines herkömmlichen an einen Verbrennungsmotor angeschlossenen Turboladers mit 2-facher Beaufschlagung;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die

Turbineneinheit eines erfindungsgemäßen Turboladers=

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eirie^s" 'erfindungsgemäßen Turboladers mit 2-facher Beaufschlagung, dessen Turbineneinheit in Figur 2 dargestellt ist, ist in seinem grundsätzlichen Aufbau mit Ausnahme der Einrichtung zur Regulierung der Abgas-Strömung der in Figur 1 dargestellten Ausführung eines herkömmlichen Turboladers ähnlich.

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Die in Figur 2 dargestellte Turbineneinheit einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Turboladers umfaßt ein Spiralgehäuses 21 mit einer zentralen Rotorkammer und einer ringförmig^ koaxial um die Rotorkammer umlaufenden Abgas-Eintrittskammer· Das Spiralgehäuse 21 weist ferner eine ringförmige Trennwand 22 auf, die in die Abgas-Eintrittskammer ragt und diese in zwei getrennte Abgas-Einströmungskanäle 23,24 teilt. In diese Abgas-Einströmungskanäle 23,24 mündet jeweils eine Auspuffleitung, die ähnlich den Auspuffleitungen 3,3' der in Figur 1 dargestellten Anordnung mit zwei Gruppen von Zylindern eines Verbrennungsmotors verbunden sind.

In der Rotorkammer des Spiralgehäuses 21 ist ein um die Mittelachse der Rotorkammer drehbarer Turbinen-Rotor 25 mit einer Vielzahl von Schaufeln 26 vorgesehen. Der Turbinen-Rotor 25 ist durch eine in Figur 2 teilweise dargestellte Antriebswelle 27 mit einem nicht gezeigten Kompressor-Rotor verbunden und gemeinsam mit diesem drehbar. Der Kompressor-Rotor ist Teil einer ebenfalls nicht gezeigten Kompressoreinheit des erfindungsgemäßen Turboladers und ist von einem Kompressorgehäuse umgeben, das ähnlich der in Figur 1 dargestellten Anordnung eine zur Atmosphäre hin geöffnete Niederdruckseite und eine mit dem Ansaugrohr des Motors verbundene Hochdruckseite besitzt.

Die Rotorkammer des Spiralgehäuses 21 mündet stromabwärts in einen Abgas-Austrittskanal 29, der sich im Inneren eines Abgas-Austrittsstutzens 28 befindet. Der Austrittsstutzen 28 ist an dem Spiralgehäuse 21 befestigt oder integral an dieses angeformt - Der Austrittskanal 29 bildet zusammen mit einem der Abgas-Einströmungskanäle 23,24 und einem in dem Spiralgehäuse 21 ausgesparten Umgehungskanal 30 eine Umgehung der Rotorkammer des Spiralgehäuses 21 . Bei der in Figur 2 dargestellten Turbineneinheit verbindet der Umgehungskanal 30 den Einströmungskanal 23 mit dem Austritts-

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kanal 29. Das Spiralgehäuse 21 und der Austrittsstutzen 28 bilden zusammen ein Turbinengehäuse der Turbineneinheit der in Figur 2 dargestellten Ausführung des Turboladers.

In dem Abgas-Austrittskanal 29 ist ein Umgehungsventil 31 vorgesehen, mit dem der ümgehungskanal 30 geöffnet oder geschlossen werden kann. Das Umgehungsventil 31 ist mit einer in Figur 2 nicht gezeigten Ventilsteuerung kombiniert, die beispielsweise aus einem ähnlich den Ventilreglern 13,13' des herkömmlichen Turboladers gemäß Figur 1 angeordneten membrangesteuerten Ventilregler bestehen kann. Das Umgehungsventil 31 ist drehbar an-einem in dem Austrittsstutzen 28 her · festigten Ventilschaft 32 montiert und wird derart gesteuert, daß.es den Umgehungskanal 30 öffnet, wenn der Druck der die Ventilsteuerung beaufschlagenden komprimierten Luft höher als ein vorgegebener Wert ist. Wenn der Druck der von der Kompressoreinheit des Turboladers komprimierten Luft abnimmt und den vorgegebenen Wert erreicht, wird das Umgehungsventil 31 durch die Ventilsteuerung in eine Position gebracht, in der es den Umgehungskanal 30 verschließt.

Wenn der Ümgehungskanal 30 derart durch das Umgehungsventil 31 verschlossen ist, werden die gesamten von den Zylindern des Motor in die Einströmungskanäle 23,24 der Turbineneinheit ausgestoßenen Abgase in die Rotorkammer des Spiralgehäuses 21 geleitet. In diesem Fall sind die beiden Abgas-Strömungen in den Einströmungskanälen 23,24 voneinander unabhängig, so daß die pulsierenden Abgasströme in den beiden Einströmungskanälen 23,24 sich nicht gegenseitig beeinflussen können, bevor die Abgase den Turbinenrotor· 2& beaufschlagen. Die Ausstoßenergie dieser¹'Abgasströme wird nicht nur bei unter hoher Last laufendem Motor, sondern auch bei unter geringer Last laufendem Motor mit ausreichender Effektivität zum Antrieb des Turbinen-Rotors 25 genutzt. Dadurch wird ermöglicht, daß der Motor auch bei geringer Last ein angemessenes Drehmoment

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- 10 erzeugt.

Wenn bei unter hoher Last laufendem Motor der Druck der von der Kompressoreinheit des Turboladers komprimierten Luft ansteigt und den vorgegebenen Wert überschreitet, öffnet die Ventilsteuerung das Umgehungsventil 31 und damit die Umgehungsleitung 30. Nun ist die Abgas-Einströmungsöffnung 23 nicht mehr nur mit der Rotorkammer des Spiralgehäuses 21 , sondern durch das geöffnete Umgehungsventil 31 und den Umgehungskanal 30 mit dem Austrittskanal 20 verbunden. Da in diesem Fall die in dem Austrittskanal mündende Umgehungsleitung 30 den in den Einströmungskanal 23 einströmenden Abgasen einen geringeren Strömungswiderstand entgegensetzt als die Rotorkammer des Spiralgehäuse 21 mit dem Turbinen-Rotor 25 werden die in den Einströmungskanal 23 eingetretenen Abgase überwiegend durch den Umgehungskanal 30 in den Austrittskanal 29 abgeleitet. Infolgedessen wird der Turbinen-Rotor 25, vorwiegend durch die Ausstoßenergie der durch den Einströmungskanal 24 in die Rotorkammer des Spiralgehäuses 21 eingeleiteten Abgase angetrieben und treibt daher die Kompressoreinheit mit verminderter Kraft an.

Bei Abgas-Turboladern für Verbrennungsmotoren kann eine übermäßige Vorverdichtung der von dem Motor angesaugten Luft vermieden werden, wenn bei unter hoher Last laufendem Motor 30 bis 40 % der insgesamt von dem Motor ausgestoßenen Abgase stromaufwärts der Turbineneinheit des Turboladers abgeleitet werden, so daß sie nicht den Turbinen-Rotor 25 beaufschlagen. Bei dem erfindungsgemäßen Turbolader kann demnach zuverlässig eine übermäßige Vorverdichtung der von dem Motor angesaugten Luft vermieden werden, da der Abgasstrom einer der beiden Einströmungskanäle 23,24 stromaufwärts des Turbinen-Rotor 25 abgeleitet wird.

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Beim Europäischen Patentamt zugelassene Vertreter — Professional Representatives betöre the European Patent Orfice Mandataires agrees pres ['Office europeen des brevets

Dipl.-Chem. Dr. N₁ ter Meer Dipl.-Ing. H. Steinmeister ?Ä°

Triftstrasse A, Artur-Ladebeck-Strasse 51

D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1

G81-024-043
St/Wi/os

NISSAN MOTOR COMPANY, LTD. No. 2, Takara-cho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa-ken, Japan

TÜR0B0LADER

PRIORITÄT: 22. Mai 1980, Japan, No. 70632/1980

PATENTANSPRÜCHE

Abgas-Turbolader für Verbrennungsmotoren mit einem Ansaugrohr und zwei Gruppen von Verbrennungszylindern, der eine Kompressoreinheit mit einer mit dem Ansaugrohr verbundenen Hochdruckseite und eine mit der Kompressoreinheit verbundene und diese antreibende Turbineneinheit mit einem eine Rotorkammer umschließenden Turbinengehäuse, einem in der Rotorkammer drehbaren Turbinen-Rotor und einem Abgas-Austrittskanal, zwei getrennt von jeweils einer der Gruppen von Verbrennungszylindern zu dem Turbinengehäuse führende Auspuffleitungen und ein durch den in dem Ansaugrohr herrschenden Luftdruck gesteuertes Umgehungssystem für Abgase umfaßt? dadurch gekennzeichnet, daß die Turbineneinheit zwei voneinander getrennte Abgas-Einströmungskanäle (23,23) aufweist, in die jeweils eine der Aus-

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puffleitungen (3,3') mündet, und daß das Umgehungssystem für Abgase nur einen in dem Turbinengehäuse ausgesparten Umgehungskanal (30) , der einen der Abgas-Einströmungskanäle (23) mit dem Abgas-Austrlt^skanal (29) verbindet, und nur ein auf den Luftdruck in dem Ansaugrohr (2) -.ansprechendes Umgehungsventil (31) aufweist, das den Umgehungskanal (30) verschließt, wenn der Druck in dem Ansaugrohr (2) kleiner als ein vorgegebener Wert ist, und öffnet, wenn der Druck in dem Ansaugrohr (2) diesen vorgegebenen Wert überschreitet. 10
2. Abgas-Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Umgehungsventil (31) in dem Abgas-Austrittskanal (29) untergebracht ist.