DE102006020597A1 - Housing for a waste gas turbine supercharger of an internal combustion engine comprises a gas inlet channel designed so that part of the incoming gas flows toward a separating wall onto a turbine blade - Google Patents

Housing for a waste gas turbine supercharger of an internal combustion engine comprises a gas inlet channel designed so that part of the incoming gas flows toward a separating wall onto a turbine blade Download PDF

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Abstract

Turbine housing (1) for a waste gas turbine supercharger of an internal combustion engine comprises a waste gas inlet channel (2) designed so that part of the incoming waste gas flows in the waste gas flow direction at the latest after a path corresponding to the flow height (H) toward a separating wall (6) onto a turbine blade (5). Preferred Features: The inlet channel is initially shaped as an extension of a wide end (3~~) of a flow screw (3) and then becomes curved.

Description

Die Erfindung betrifft ein Turbinengehäuse für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a turbine housing for an exhaust gas turbocharger with the features of the preamble of claim 1.

Sie geht von der europäischen Patentschrift EP 1 187 980 B1 aus. In dieser ist ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit einer variablen Turbinengeometrie und einer integrierten Pumpe für eine Abgasrückführung beschrieben. Der Abgasturbolader weist einen Abgaseinströmkanal auf, durch den das Abgas in eine Strömungsschnecke eingeleitet wird. Im Inneren der Strömungsschnecke ist ein von dem Abgas angetriebenes Turbinenrad mit Turbinenschaufeln angeordnet. Der Abgaseinströmkanal mündet an ein breites Ende der Strömungsschnecke, wobei das schlanke Ende der Strömungsschnecke wiederum in den Abgaseinströmkanal mündet. In dem Bereich, in dem das schlanke Ende in den Abgaseinströmkanal mündet ist eine von dem Turbinengehäuse gebildete, keilförmig zulaufende Trennwand angeordnet. Im Bereich des schlanken Endes der Strömungsschnecke weist das Turbinengehäuse zur Umhüllenden des Turbinenrades eine durch den radialen Abstand definierte Strömungshöhe auf.It is based on the European patent specification EP 1 187 980 B1 out. In this an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine with a variable turbine geometry and an integrated pump for exhaust gas recirculation is described. The exhaust gas turbocharger has an exhaust gas inlet passage through which the exhaust gas is introduced into a flow screw. Inside the flow screw, a turbine wheel driven by the exhaust gas is arranged with turbine blades. The Abgaseinströmkanal opens at a wide end of the flow screw, wherein the slender end of the flow screw in turn opens into the Abgaseinströmkanal. In the region in which the slender end opens into the exhaust gas inlet channel, a wedge-shaped separating wall formed by the turbine housing is arranged. In the region of the slender end of the flow screw, the turbine housing to the envelope of the turbine wheel has a flow height defined by the radial distance.

Bekanntermaßen nimmt der Wirkungsgrad eines gattungsgemäßen Abgasturboladers zu niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine hin ab, wodurch die Brennkraftmaschine in diesem Drehzahlbereich verhältnismäßig weniger Leistung und Drehmoment aufweist. Allgemein wird dieser Effekt als Turboloch bezeichnet.As is known, takes the efficiency of a generic exhaust gas turbocharger to low Speeds of the internal combustion engine down, whereby the internal combustion engine relatively less in this speed range Has power and torque. Generally, this effect is considered Called turbo lag.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, mit der der Wirkungsgrad eines gattungsgemäßen Abgasturboladers bei niedrigen Drehzahlen einer Brennkraftmaschine verbessert wird.task The present invention is to show a measure with which the efficiency of a generic exhaust gas turbocharger at low Speeds of an internal combustion engine is improved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by the Characteristics solved in the characterizing part of patent claim 1.

Da durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Wirkungsgrad des Abgasturboladers zu niedrigen Drehzahlen hin deutlich verbessert wird, kann der dieser sogar als Teilersatz für eine Stufenaufladung verwendet werden. Der erfindungsgemäße Effekt wird insbesondere dadurch erzielt, dass selbst bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine das in das Turbinengehäuse eintretende Abgas äußerst kurz nach seinem Eintritt in die Strömungsschnecke, d. h. kurz nach durchströmen der Throat-Area, in Wechselwirkung mit einer Turbinenschaufel tritt und somit die Turbine antreibt. Dies ist vergleichbar mit einem Wasserrad einer Wassermühle, bei der stets, d. h. unabhängig von der Fließgeschwindigkeit des Wassers, zumindest ein Teil des Wassers direkt auf eine Schaufel des Wasserrades trifft. Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung wird in vorteilhafter Weise, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine, eine große Leistungs- und Drehmomentsteigerung im zweistelligen Bereich erzielt. Darüber hinaus wird der „Response", die Ansprechgeschwindigkeit des Abgasturboladers deutlich verbessert, was der Brennkraftmaschine zu einer wesentlich verbesserten Dynamik verhilft.There by the embodiment according to the invention the efficiency of the exhaust gas turbocharger to low speeds is significantly improved, this can even as a partial replacement for a step charging be used. The effect of the invention is particularly achieved in that even at low speeds of the internal combustion engine that in the turbine housing entering exhaust gas extremely short after his entry into the flow screw, d. H. flow through shortly after the throat area, interacts with a turbine blade and thus the turbine drives. This is similar to one Waterwheel of a watermill, at the always, d. H. independently from the flow rate the water, at least part of the water directly onto a shovel of the waterwheel hits. The proposed embodiment is in an advantageous manner, in particular at low speeds of Internal combustion engine, a big one Performance and torque increase achieved in the double-digit range. About that In addition, the "response", the response speed the exhaust gas turbocharger significantly improved what the internal combustion engine to a much improved momentum.

Die Ausgestaltungen gemäß den Patentansprüchen 2 bis 4 unterstützen den erfindungsgemäßen Effekt.The Embodiments according to claims 2 to 4 support the effect of the invention.

In Versuchen hat sich der in dem Patenanspruch 5 beschriebene Quotientenbereich als besonders effektiv zur Erzielung des erfindungsgemäßen Effektes herausgestellt.In The quotient range described in patent claim 5 has attempted as particularly effective for achieving the effect of the invention exposed.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in einer einzigen Figur näher erläutert.in the The invention is based on a preferred embodiment in a single figure closer explained.

1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Turbinengehäuse. 1 shows a section through an inventively designed turbine housing.

1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Turbinengehäuse 1 für einen Abgasturbolader einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Das Turbinengehäuse 1 weist in seinem Hohlraum im Wesentlichen einen Abgaseinströmkanal 2 auf, der in Strömungsrichtung eines Abgases, schematisch dargestellt durch Pfeile, in ein breites Ende 3'' einer Strömungsschnecke 3 mündet, wobei ein schlankes Ende 3' der Strömungsschnecke 3 wiederum in den Abgaseinströmkanal 2 mündet. Im Inneren der Strömungsschnecke 3 ist ein Turbinenrad 4 mit elf Turbinenschaufeln 5 angeordnet. In dem Bereich, in dem das schlanke Ende 3' in die Strömungsschnecke 3 mündet, ist eine von dem Turbinengehäuse 1 gebildete Trennwand 6 andeordnet. 1 shows a section through an inventively designed turbine housing 1 for an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine, not shown. The turbine housing 1 has in its cavity substantially a Abgaseinströmkanal 2 in the direction of flow of an exhaust gas, schematically represented by arrows, in a wide end 3 '' a flow screw 3 flows, with a slim end 3 ' the flow screw 3 again in the Abgaseinströmkanal 2 empties. Inside the flow screw 3 is a turbine wheel 4 with eleven turbine blades 5 arranged. In the area where the slim end 3 ' into the flow screw 3 is one of the turbine housing 1 formed partition 6 ande assigns.

Beim Betrieb der Brennkraftmaschine strömt ein von der Brennkraftmaschine ausgeschobenes Abgas zuerst aus einem nicht dargestellten Abgastrakt der Brennkraftmaschine in einen Abgaseinströmbereich 2' des Abgaseinströmkanals 2, wobei die Strömungsrichtung beim Eintritt in das Turbinengehäuse 1 im Bereich des Abgaseinströmbereichs 2' in Richtung einer Abgaseinströmachse 2'' ausgerichtet ist. Anschließend strömt das Abgas weiter durch eine Throat-Area (T) in die Strömungsschnecke 3. Unter Throat-Area (T) wird der kleinste Strömungsquerschnitt verstanden, der in dem Abgaseinströmkanal 2 zwischen dem Abgaseinströmbereich 2' und der Strömungsschnecke 3 liegt. Dann strömt das Abgas weiter durch das breite Ende 3'' der Strömungsschnecke 3 und weiter in Richtung des schlanken Endes 3' der Strömungsschnecke 3, wobei das Abgas mit den Turbinenschaufeln 5 in Wechselwirkung steht und die Turbine 4 in Rotation versetzt. Beim Durchströmen der Strömungsschnecke 3 durchströmt das Abgas im schlanken Ende 3' einen minimalen Strömungsquerschnitt (H) der Strömungsschnecke 3, der im Wesentlichen durch eine Umhüllende des Turbinenrades 4 und der Trennwand 6 begrenzt ist. Der minimale Strömungsquerschnitt weist (H) in radialer Richtung, ausgehend von der Umhüllenden des Turbinenrades 4 eine Höhe (h) auf.During operation of the internal combustion engine, an exhaust gas ejected from the internal combustion engine first flows from an exhaust tract, not shown, of the internal combustion engine into an exhaust gas inflow region 2 ' the Abgaseinströmkanals 2 , wherein the flow direction when entering the turbine housing 1 in the area of the exhaust gas inflow area 2 ' in the direction of a Abgaseinströmachse 2 '' is aligned. Subsequently, the exhaust gas continues to flow through a throat area (T) into the flow screw 3 , Throat area (T) is understood to mean the smallest flow cross-section that is located in the exhaust gas inlet channel 2 between the Abgaseinströmbereich 2 ' and the flow screw 3 lies. Then the exhaust gas continues to flow through the wide end 3 '' the flow screw 3 and continue towards the slender end 3 ' the flow screw 3 , where the exhaust gas with the turbine blades 5 interacts and the turbine 4 set in rotation. When flowing through the flow screw 3 flows through the exhaust gas in the slim end 3 ' a minimum flow cross-section (H) of the flow screw 3 Essentially, through an envelope of the turbine wheel 4 and the partition 6 is limited. The minimum flow cross-section points (H) in the radial direction, starting from the envelope of the turbine wheel 4 a height (h).

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Strömungsquerschnitt der Throat-Area (T) ca. 490 mm2 und der minimale Strömungsquerschnitt (H) ca. 40 mm2. In ausgiebigen Versuchen hat sich herausgestellt, dass der erfindungsgemäße Effekt insbesondere dann erzielt wird, wenn der Quotient aus der Fläche der Throat-Area (T) und der Fläche des minimalen Strömungsquerschnittes (H) kleiner als 0,15 und größer als 0,05 ist (0,05 < T/H < 0,15). Im Bereich dieser Ausgestaltung bläst das das schlanke Ende 3' durchströmende Abgas das den Abgaseinströmkanal 2 durchströmende Abgas im Bereich der Trennwand 6 nicht in Richtung Abgaseinströmkanalmitte, so dass das den Abgaseinströmkanal 2 durchströmende Abgas spätestens nach einer Strecke entsprechend der minimalen Strömungshöhe (h) in Strömungsrichtung nach der Trennwand 6 auf zumindest eine Turbinenschaufel 5 strömt. Hierdurch wird das Turbinenrad 4 auch bei geringen Drehzahlen der Brennkraftmaschine mit Abgas beaufschlagt, wodurch das erfindungsgemäße Turbinengehäuse 1 mit dem Turbinenrad 4, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine, einen deutlich verbesserten Wirkungs grad aufweist. Unter niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine wird ein Drehzahlbereich von kleiner als 2100 1/min verstanden.In the present exemplary embodiment, the flow cross-section of the throat area (T) is approximately 490 mm 2 and the minimum flow cross-section (H) is approximately 40 mm 2 . In extensive experiments, it has been found that the effect according to the invention is achieved, in particular, when the quotient of the area of the throat area (T) and the area of the minimum flow cross-section (H) is less than 0.15 and greater than 0.05 (0.05 <T / H <0.15). In the area of this design blows the slim end 3 ' flowing exhaust gas that the Abgaseinströmkanal 2 flowing exhaust gas in the region of the partition wall 6 not in the direction of Abgaseinströmkanalmitte, so that the Abgaseinströmkanal 2 flowing exhaust gas at the latest after a distance corresponding to the minimum flow height (h) in the flow direction to the partition wall 6 on at least one turbine blade 5 flows. This will cause the turbine wheel 4 Even at low speeds of the internal combustion engine subjected to exhaust gas, whereby the turbine housing according to the invention 1 with the turbine wheel 4 , especially at low speeds of the internal combustion engine, has a significantly improved efficiency degree. Under low speeds of the internal combustion engine, a speed range of less than 2100 1 / min understood.

Um den erfindungsgemäßen Effekt zu erzielen, ist der Einströmkanal 2 weiter entgegen der Strömungsrichtung des Abgases, zuerst als eine Verlängerung des breiten Endes 3'' der Strömungsschnecke 3 ausgeformt und dann entgegen einer Schneckenkrümmungsrichtung der Strömungsschnecke 3 gekrümmt. Dies bedeutet, dass eine Verlängerung der Abgaseinströmachse 2'' in das Turbinengehäuse 1 stets auf die Trennwand 6 ausgerichtet ist. Ferner resultiert aus der erfindungsgemäßen Ausgestaltung, dass mit Blick in Richtung der Verlängerung der Abgaseinströmachse 2'' in das Turbinengehäuse 1 das Turbinenrad 4 von dem Turbinengehäuse 1 und der Trennwand 6 minimal zu 50 % und maximal zu 100 % verdeckt ist.In order to achieve the effect according to the invention, the inflow channel 2 further against the flow direction of the exhaust gas, first as an extension of the wide end 3 '' the flow screw 3 formed and then against a helical direction of the screw screw flow 3 curved. This means that an extension of the Abgaseinströmachse 2 '' in the turbine housing 1 always on the partition 6 is aligned. Furthermore, results from the embodiment of the invention, that with a view towards the extension of the Abgaseinströmachse 2 '' in the turbine housing 1 the turbine wheel 4 from the turbine housing 1 and the partition 6 is minimally obstructed by 50% and maximally by 100%.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist der Differenzdruck zwischen den beiden Seiten der Trennwand 6 ausreichend, damit das in das Turbinengehäuse 1 eintretende Abgas unmittelbar nach der Trennwand 6 auch bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine auf die Turbinenschaufeln 5 des Turbinenrades 4 gelenkt wird.The inventive design of the differential pressure between the two sides of the partition 6 enough for that into the turbine housing 1 entering exhaust immediately after the partition 6 even at low speeds of the internal combustion engine on the turbine blades 5 of the turbine wheel 4 is steered.

11
Turbinengehäuseturbine housing
22
AbgaseinströmkanalAbgaseinströmkanal
2'2 '
AbgaseinströmbereichAbgaseinströmbereich
2''2 ''
AbgaseinströmachseAbgaseinströmachse
33
Strömungsschneckevolute
3'3 '
schlankes Endeslim The End
3''3 ''
breites Endebroad The End
44
Turbinenradturbine
55
Turbinenschaufelturbine blade
66
Trennwandpartition wall

Claims (5)

Turbinengehäuse (1) für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine mit einem Abgaseinströmkanal (2) durch den ein Abgas in eine Strömungsschnecke (3) einleitbar ist, wobei in der Strömungsschnecke (3) ein von dem Abgas angetriebenes Turbinenrad (4) mit Turbinenschaufeln (5) angeordnet ist und die Strömungsschnecke (3) an ihrem schlanken Ende (3') wieder in den Abgaseinströmkanal (2) mündet, wobei das schlanke Ende (3') in radialer Richtung zwischen einer Umhüllenden des Turbinenrades (4) mit dem Turbinengehäuse (1) eine maximale Strömungshöhe (h) aufweist und wobei zwischen dem Abgaseinströmkanal (2) und der Strömungsschnecke (3) eine in Richtung der Turbinenschaufeln (5) keilförmig zulaufende Trennwand (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaseinströmkanal (2) derart ausgeformt ist, dass ein Teil des durch den Abgaseinströmkanal (2) geleiteten Abgases in Strömungsrichtung des Abgases spätestens nach einer Strecke entsprechend der Strömungshöhe (h) in Strömungsrichtung nach der Trennwand (6) auf eine Turbinenschaufel (5) strömt.Turbine housing ( 1 ) for an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine having an exhaust gas inlet channel ( 2 ) through which an exhaust gas into a flow screw ( 3 ), wherein in the flow screw ( 3 ) a turbine wheel driven by the exhaust gas ( 4 ) with turbine blades ( 5 ) and the flow screw ( 3 ) at its slender end ( 3 ' ) back into the Abgaseinströmkanal ( 2 ), the slender end ( 3 ' ) in the radial direction between an envelope of the turbine wheel ( 4 ) with the turbine housing ( 1 ) has a maximum flow height (h) and wherein between the Abgaseinströmkanal ( 2 ) and the flow screw ( 3 ) one in the direction of the turbine blades ( 5 ) wedge-shaped tapered partition wall ( 6 ) is arranged, characterized in that the Abgaseinströmkanal ( 2 ) is formed such that a part of the through the Abgaseinströmkanal ( 2 ) guided exhaust gas in the flow direction of the exhaust gas at the latest after a distance corresponding to the flow height (h) in the flow direction after the partition ( 6 ) on a turbine blade ( 5 ) flows. Turbinengehäuse nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmkanal (2) entgegen der Strömungsrichtung des Abgases zuerst als eine Verlängerung eines breiten Endes (3'') der Strömungsschnecke (3) ausgeformt ist und dann entgegen einer Schneckenkrümmungsrichtung gekrümmt ist.Turbine housing according to claim 1, characterized in that the inflow channel ( 2 ) against the flow direction of the exhaust gas first as an extension of a wide end ( 3 '' ) of the flow screw ( 3 ) is formed and then curved against a helical direction of curvature. Turbinengehäuse nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei der Abgaseinströmkanal (2) einen Abgaseinströmbereich (2') mit einer Abgaseinströmachse (2'') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verlängerung der Abgaseinströmachse (2'') in das Turbinengehäuse (1) auf die Trennwand (6) ausgerichtet ist.Turbine housing according to claim 1 or 2, wherein the Abgaseinströmkanal ( 2 ) an exhaust gas inlet area ( 2 ' ) with an exhaust gas intake axis ( 2 '' ), characterized in that an extension of the Abgaseinströmachse ( 2 '' ) in the turbine housing ( 1 ) on the partition ( 6 ) is aligned. Turbinengehäuse nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit Blick in Richtung der Verlängerung der Abgaseinströmachse (2'') in das Turbinengehäuse (1) das Turbinenrad (4) von dem Turbinengehäuse (1) und der Trennwand (6) minimal zu 50 % und maximal zu 100 % verdeckt ist.Turbine housing according to claim 3, characterized in that viewed in the direction of the extension of the Abgaseinströmachse ( 2 '' ) in the turbine housing ( 1 ) the turbine wheel ( 4 ) of the Turbine housing ( 1 ) and the partition ( 6 ) is minimally obstructed by 50% and maximally by 100%. Turbinengehäuse nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, wobei der Abgaseinströmkanal (2) eine Throat-Area (T) und das schlanke Ende (3') einen minimalen Strömungsquerschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Quotient aus der Fläche der Throat-Area und der Fläche des minimalen Strömungsquerschnittes zwischen 0,05 und 0,15 liegt.Turbine housing according to one of the aforementioned claims, wherein the Abgaseinströmkanal ( 2 ) a throat area (T) and the slim end ( 3 ' ) has a minimum flow cross-section, characterized in that a quotient of the area of the throat area and the area of the minimum flow cross-section is between 0.05 and 0.15.
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CN104612756A (en) * 2015-01-23 2015-05-13 张朝刚 Direct-injection type centripetal gas inlet waste heat utilization device
WO2020050051A1 (en) * 2018-09-04 2020-03-12 株式会社Ihi Turbine and supercharger

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