DE19758642C2 - Throttle for liquid or gaseous media, as control for IC engines - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Turbine, welche einen Verdichter, eine Pumpe oder einen Generator antreibt.The invention relates to a turbine which comprises a compressor, a pump or drives a generator.
Aus der DE 32 05 722 A1 ist eine Drossel für gasförmige Medien, nämlich für die Ansaugluft einer Brennkraftmaschine bekannt. Diese macht sich die Erkenntnis zunutze, daß die bei der Lastregelung oder Steuerung an der Lastverstellvorrichtung auftretende Verringerung der kinetischen Energie der Strömung im Saugrohr umgewandelt wird in eine andere Energieform. Damit soll sowohl der in einem Energieverlust für die Brennkraftmaschine bestehende Nachteile der bekannten Drosselklappe als auch der in einem großen baulichen Aufwand bestehende Nachteil der bekannten drosselfreien Laststeuerung oder Regelung vermieden werden.DE 32 05 722 A1 describes a throttle for gaseous media, namely for the intake air of an internal combustion engine is known. This is what she does Take advantage of the knowledge that the load control or control on the Load adjustment device occurring reduction in the kinetic energy of the Flow in the intake manifold is converted into another form of energy. In order to both the existing in an energy loss for the internal combustion engine Disadvantages of the known throttle as well as that in a large structural Existing disadvantage of the known throttle-free load control or Regulation can be avoided.
Auch ist aus der DE 32 05 722 A1 eine Lastverstellvorrichtung, insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bekannt. Diese Lastverstellvorrichtung ist eine Arbeitsmaschine mit Mitteln zum Austausch von kinetischer Energie zwischen ihr und der Strömung im Saugrohr, wobei die Arbeitsmaschine zumindest im Teillastbereich der Brennkraftmaschine von der Strömung angetrieben wird. Die Arbeitsmaschine kann unter bestimmten Bedingungen auch als Lader arbeiten.DE 32 05 722 A1 also discloses a load adjustment device, in particular known for an internal combustion engine of a motor vehicle. This Load adjustment device is a working machine with means for exchanging kinetic energy between it and the flow in the intake manifold, the Working machine at least in the partial load range of the internal combustion engine Current is driven. The work machine can under certain Conditions also work as a loader.
Ein Nachteil dieser Einrichtung ist darin zu sehen, daß eine Bypassleitung erforderlich ist. In dieser Bypassleitung ist die Arbeitsmaschine angeordnet. Sowohl in der Bypassleitung als auch in der Hauptleitung sind jeweils Drosselklappen vorgesehen zur Steuerung der Luftverteilung. Damit wird dieses System aufwendig und aufgrund der zusätzlich benötigten mechanischen Komponenten störanfällig.A disadvantage of this device is the fact that a bypass line is required. The work machine is arranged in this bypass line. Both in the bypass line and in the main line Throttle valves are provided to control the air distribution. So that will this system is complex and due to the additional required mechanical components prone to failure.
Ein Nachteil der veröffentlichten Ausführung ist ferner darin zu sehen, daß die Drosselung der Brennkraftmaschine sehr träge erfolgt. Another disadvantage of the published version is that the Throttling of the internal combustion engine is very slow.
Es ist ferner aus der DE 36 28 687 A1 eine Turbine bekannt, welche einen Verdichter antreibt wobei die Drosselung des gasförmigen Stromes durch Änderung des Lastzustandes der Turbine erfolgt und wobei die Rotorlagerung elastisch ausgebildet ist. Der gesamt Aufbau zeigt Metallteile, welche die bei einen Abgasturbolader auftretenden thermischen Belastungen aushalten. Diese Anordnung weist ein sehr hohes Gewicht auf und ist bezüglich der Herstellung kostenintensiv.It is also known from DE 36 28 687 A1 a turbine which one Compressor drives the throttling of the gaseous stream Change in the load state of the turbine takes place and the rotor bearing is elastic. The entire structure shows metal parts, which the withstand an exhaust gas turbocharger from thermal loads. This Arrangement has a very high weight and is in terms of manufacture expensive.
Aus der DE 37 34 386 A1 ist ebenfalls ein Abgasturbolader bekannt, dieser weist eine zweischalige Bauweise auf. Auch dieser Turbolader ist aufwendig in der Herstellung und besteht vollständig aus metallischen Komponenten.An exhaust gas turbocharger is also known from DE 37 34 386 A1, which has a double-shell construction. This turbocharger is also expensive in the Manufacturing and consists entirely of metallic components.
Eine variable Strömungsmaschine ist aus der DE 42 00 507 C2 bekannt. Dort wird durch die Verwendung einer Verstelleinrichtung der Strömungsquerschnitt verändert. Die Verstelleinrichtung weist eine Blattfeder auf, welche den rechteckig ausgebildeten Strömungsquerschnitt im Gehäuse in radialer Richtung verändert. Bei einer solchen Einrichtung besteht die Gefahr, dass die, Blattfeder in Schwingung gerät und damit die Kontrolle der Verstellung erschwert.A variable flow machine is known from DE 42 00 507 C2. There will through the use of an adjustment device the flow cross section changed. The adjusting device has a leaf spring, which the rectangular flow cross section in the housing in radial Direction changed. With such a facility, there is a risk that the Leaf spring starts to vibrate and thus controls the adjustment difficult.
Die DE 27 06 110 A1 beschreibt ein Verdichtergehäuse für einen Abgasturbolader, wobei ein Teil der Wand des Verdichtergehäuses mit einer eingegossenen oder übergeschobenen Verstärkung versehen ist. Die Verstärkung besteht vorzugsweise aus einem gelochten Stahlband, einem Gitternetz oder Ähnlichem. Diese Verstärkung erfordert eine aufwendige Herstellung außerdem erschwert die Anwendung von Verstärkungen die sortenreine Trennung bei der Entsorgung dieser Einrichtung.DE 27 06 110 A1 describes a compressor housing for an exhaust gas turbocharger, wherein part of the wall of the compressor housing with a cast or pushed reinforcement is provided. The reinforcement exists preferably from a perforated steel strip, a grid or Like. This reinforcement requires complex production in addition, the use of reinforcements makes it more difficult to separate them Separation in the disposal of this facility.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Turbine zu schaffen, welche einen einfachen Aufbau aufweist und für eine Vielzahl von Anwendungszwecken geeignet ist. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 4 gelöst. Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Drosselung des flüssigen oder gasförmigen Stromes durch Änderung des Lastzustandes der Turbine erfolgt.The object of the invention is therefore to create a turbine, which has a simple structure and for a variety of Application is suitable. This task is characterized by the characteristics of Claims 1 and 4 solved. The main advantage of the invention lies in that the throttling of the liquid or gaseous stream through The load state of the turbine is changed.
Durch die Erfindung wird damit die Energie, welche üblicherweise an Drosselstellen vernichtet wird, genutzt, und zwar durch eine Einrichtung wie z. B. einen Verdichter oder eine Pumpe, welche die Energie umwandelt. Mit einer Pumpe kann beispielsweise ein Druckspeicher mit Luft gespeist werden. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, die von der Turbine zur Verfügung gestellte Energie zum Antrieb einer Pumpe zu nutzen, welche Wasser, Öle oder andere Flüssigkeiten fördert.By means of the invention, the energy which is usually present Throttling points is destroyed, used by a facility such as z. B. a compressor or a pump that converts the energy. With In a pump, for example, a pressure accumulator can be fed with air. Of course, there is also the option of using the turbine To use the energy provided to drive a pump, which Conveys water, oils or other liquids.
Die Erfindung sieht vor, die Rotorlagerung der Turbine elastisch auszubilden. Damit kann der Rotor um die Achse seines größten Trägheitsmomentes rotieren, es lassen sich geringe Unwuchten ausgleichen. Außerdem verringert eine elastische Lagerung den Lagerverschleiß.The invention provides for the rotor bearing of the turbine to be made elastic. This allows the rotor to rotate around its largest moment of inertia rotate, minor imbalances can be compensated. Also reduced an elastic bearing the bearing wear.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, daß beispielsweise die von der Turbine erzeugte Energie in verschiedene Energieformen umgewandelt werden kann. So besteht auch die Möglichkeit, die Energie in thermische Energie umzuwandeln und zur Heizung bzw. zur Erwärmung eines Systems zu nutzen.An advantageous embodiment of the invention is that, for example Energy generated by the turbine is converted into various forms of energy can be. So there is also the possibility to convert the energy into thermal Convert energy and to heat or to warm a system use.
Eine Ausgestaltung der Turbine sieht vor, diese in Zwei- oder Mehrschalenbauweise herzustellen. Dies ist besonders bei der Verwendung von Kunststoff für das Gehäuse vorteilhaft, die Einzelteile können im Spritzgießverfahren hergestellt werden und sind deshalb besonders kostengünstig zu produzieren.The turbine is designed in two or two Manufacture multi-shell construction. This is especially so when using it of plastic for the housing advantageous, the items can be in Injection molding processes are made and are therefore special to produce inexpensively.
Die Turbine kann Kunststoff- oder Metallschaufelräder aufweisen, auch hier lassen sich bei der Verwendung von thermoplastischem Kunststoff die Schaufelräder wirtschaftlich herstellen. The turbine can have plastic or metal paddle wheels, also here can be when using thermoplastic Produce paddle wheels economically.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Turbine liegt darin, daß ungemantelte Laufräder angewendet werden und in einem Kunststoffgehäuse eine metallische Gegenschale zu den Laufrädern vorhanden ist. Die Spaltbreite zwischen dem jeweiligen Laufrad und der Gegenschale kann im Fertigungsprozeß oder bereits bei der konstruktiven Erarbeitung der Lösung optimiert werden.A particularly advantageous embodiment of the turbine is that Unclad impellers are used and in a plastic case there is a metallic counter shell to the impellers. The gap width between the respective impeller and the counter shell can Manufacturing process or already in the design phase of the solution be optimized.
Eine alternative Ausgestaltung der Turbine sieht vor, diese mit gemantelten Laufrädern zu versehen, zur Abdichtung gegenüber dem Gehäuse bieten sich beispielsweise Labyrinthdichtungen an.An alternative embodiment of the turbine provides for this to be covered To provide impellers for sealing against the housing for example labyrinth seals.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor.These and other features of preferred developments of the invention go beyond the claims also from the description and the Drawings.
Die Erfindung wir nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments explained.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 eine Turbine mit elastischer Rotorlagerung Fig. 1 shows a turbine with elastic rotor bearings
Fig. 2 eine Detaildarstellung eines Laufrades Fig. 2 shows a detail of an impeller
Fig. 3 ein Kunststoffgehäuse in Zweischaltentechnik Fig. 3 is a plastic housing in two-switch technology
Fig. 4 eine Variante eines Kunststoffgehäuses Fig. 4 shows a variant of a plastic housing
Fig. 5 ein Ansaugsystem mit Turbine Fig. 5 shows an intake system with a turbine
In der Detaildarstellung gemäß Fig. 1 ist eine Turbine mit elastischer Lagerung des Rotors und angekuppelter Pumpe gezeigt. Die gemeinsame Welle 10 ist in üblicher Weise mit zwei Kugellagern 11, 12 in einer Lagerbuchse 13 rotierend befestigt. Die Lagerbuchse weist an ihren beiden Enden elastische Ringe 14, 15 auf, diese sind in entsprechenden Nuten eines Trägers 16 fixiert. In the detailed view of FIG. 1, a turbine with an elastic mounting of the rotor and angekuppelter pump is shown. The common shaft 10 is fastened in a conventional manner with two ball bearings 11 , 12 rotating in a bearing bush 13 . The bearing bush has elastic rings 14 , 15 at both ends, these are fixed in corresponding grooves in a carrier 16 .
Die elastische Bettung des Lagers hat den Vorteil, daß der Rotor auch bei geringen Unwuchten um ihre Trägheitsachse rotiert.The elastic bedding of the bearing has the advantage that the rotor also rotates around its axis of inertia.
Sowohl auf der Turbinenseite 17 als auch auf der Pumpenseite 18 ist jeweils eine eingespritzte, eingesenkte oder eingeschnappte metallische Gegenschale 19, 20 vorgesehen. Die Spaltbreite zu den ungemantelten Laufrädern 21, 22 kann über Abstandshalter zwischen der Schale 19, 20 und dem Gehäuse 23 eingestellt werden.An injected, countersunk or snapped-in metallic counter shell 19 , 20 is provided on both the turbine side 17 and the pump side 18 . The gap width to the uncovered impellers 21 , 22 can be adjusted via spacers between the shell 19 , 20 and the housing 23 .
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, gemantelte Laufräder zu verwenden. In einer Detaildarstellung gemäß Fig. 2 ist ein Ausschnitt eines gemantelten Laufrades gezeigt. Dieses weist in Verbindung mit dem Gehäuse mehrere Labyrinthdichtungsbereiche 24, 25 auf, die Labyrinthdichtung ist damit zum Teil in das Laufrad 11 integriert.However, it is also possible to use jacketed wheels. A detail of a jacketed impeller is shown in a detailed illustration according to FIG. 2. This has several labyrinth seal areas 24 , 25 in connection with the housing, the labyrinth seal is thus partially integrated into the impeller 11 .
Das Laufrad 21 ist zu dem Gehäuse auf der Turbinenseite 17 hin, wie bereits erwähnt geschlossen, die jeweiligen Turbinenöffnungen 37 sind gestrichelt dargestellt. Der Spalt zwischen dem Laufrad 21 und der Turbinenseite 17 läßt sich selbstverständlich durch eine beliebige Variation der Labyrinthdichtungsbereiche vergrößern und damit die Abdichtung verbessern.The impeller 21 is closed to the housing on the turbine side 17 , as already mentioned, the respective turbine openings 37 are shown in dashed lines. The gap between the impeller 21 and the turbine side 17 can of course be increased by any variation of the labyrinth seal areas and thus improve the seal.
Fig. 3 zeigt ein Kunststoffgehäuse für eine Turbine in Zweischalentechnik. Die beiden Schalen 26, 27 weisen eine Trennung längs der Turbinenachse auf, das Laufrad ist hier nicht dargestellt, es wird nach dem Herstellen der beiden Kunststoffteile mit der gesamten Lagerung eingelegt und die Kunststoffteile miteinander im Ultraschallverfahren verschweißt. Fig. 3 shows a plastic housing for a turbine in two-shell technology. The two shells 26 , 27 have a separation along the turbine axis, the impeller is not shown here, the entire bearing is inserted after the two plastic parts have been produced, and the plastic parts are welded to one another in an ultrasound process.
Fig. 4 zeigt ebenfalls schematisch ein Kunststoffgehäuse für eine Turbine, hierbei sind zwei Trennebenen vorgesehen, diese Trennebenen liegen jeweils im Bereich der Laufräder. Die Kunststoffteile 28, 29, 30 werden ebenfalls miteinander im Ultraschallverfahren verschweißt, nachdem die Laufräder und die Lagerung in das mittlere Bauteil 28 eingefügt worden sind. Fig. 4 also schematically shows a plastic housing for a turbine, here two separation levels are provided, these separation levels are each in the area of the impellers. The plastic parts 28 , 29 , 30 are also ultrasonically welded to one another after the impellers and the bearing have been inserted into the central component 28 .
Fig. 5 zeigt die Anordnung einer Drossel bzw. einer Turbine an einem Ansaugsystem einer Brennkraftmaschine. Das Ansaugsystem besteht aus einem Sammler 33, von dem aus ein oder mehrere Ansaugrohre 34 zu einer Anschlußflansch 35 führen. Dieser Anschlußflansch 35 wird an einer Brennkraftmaschine befestigt. Anstelle oder in einer Ergänzung der Drosselklappe für die Steuerung der Luftzufuhr zu der Brennkraftmaschine ist die Drossel in Form einer Turbine 30, 31, 32 vorgesehen. Dieser Turbine wird auf der Anströmseite 36 die Ansaugluft der Brennkraftmaschine zugeführt, diese Ansaugluft treibt aufgrund des Druckgefälles zwischen Umgebungsdruck und Ansaugunterdruck die Turbine an. Auf der Verdichterseite 37 wird Druckluft erzeugt die dem Fahrzeugsystem zur Verfügung gestellt werden kann. Der Aufbau der Turbine ist ähnlich der in Fig. 3 gezeigten Darstellung, wobei eine Gehäuseseite 32 bereits durch die Stirnseite 31 des Ansaugsystems gebildet wird. Die zweite Halbschale 30 wird nach dem Einlegen der Laufräder und der Lagerung an der Stirnseite 31 verschraubt oder verschweißt. Auch hier bietet sich bei der Verwendung von thermoplastischem Kunststoff das Ultraschallschweißverfahren an. Fig. 5 shows the arrangement of a choke or of a turbine to an intake system of an internal combustion engine. The intake system consists of a collector 33 , from which one or more intake pipes 34 lead to a connecting flange 35 . This connecting flange 35 is attached to an internal combustion engine. Instead of or in addition to the throttle valve for controlling the air supply to the internal combustion engine, the throttle is provided in the form of a turbine 30 , 31 , 32 . The intake air of the internal combustion engine is fed to this turbine on the inflow side 36 ; this intake air drives the turbine due to the pressure gradient between ambient pressure and intake vacuum. Compressed air is generated on the compressor side 37 and can be made available to the vehicle system. The construction of the turbine is similar to the illustration shown in FIG. 3, with a housing side 32 already being formed by the front side 31 of the intake system. The second half-shell 30 is screwed or welded on the end face 31 after inserting the impellers and the bearing. Here, too, the ultrasonic welding process is appropriate when using thermoplastic.
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