DE2821154A1

DE2821154A1 - Abgasturbolader fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2821154A1
Application number: DE19782821154
Authority: DE
Inventors: Klaus-Dieter Dr Ing Emmenthal; Wolf-Heinrich Dr Ing Hucho
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1978-05-13
Filing date: 1978-05-13
Publication date: 1980-04-17

Description

Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen
Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen, insbesondere für gemischverdichtende Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, mit einem von den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagten Turbinenrad und einem mit diesem über eine Welle starr verbundenen, das der Brennkraftmaschine zuzuführende Arbeitsmittel verdichtenden Verdichterrad.
Das Turbinenrad eines Abgasturboladers ist speziell bei dessen Anwendung bei einer gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine (Otto-Motor) mechanisch und thermisch extrem hoch belastet. So können im Röchstleistungsbereich Abgastemperaturen im Bereich von 1100° Celsius auftreten. Da eine Kühlung der vor allem in Radialbauweise ausgebildeten Schaufeln wegen der geringen Abmessungen nahezaausgeschlossen ist,ist man gezwungen, hochuarmfeste 'lerkstoffe für die Schaufeln zu verwenden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist daher darin zu sehen, die Temperaturbelastung der Turbinenschaufeln solcher Abgasturbolader zu verringern und so den Einsatz von preisgünsti geren Werkstoffen zu ermöglichen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß die Welle Mittel zur Übertragung von Wärme von dem Turbinenrad zu dem Verdichterrad aufweist. Dabei ist vor allem daran gedacht, ein konzentrisch in der Welle angeordnetes Wärmerohr zu verwenden, das einen wesentlichen Teil der Wärme von dem Turbinenrad auf das Verdichterrad überträgt und so die Wärmebelastung des Turbinenrades entscheidend verringert.
Wärmerohre (heat pipes) sind ansìch bekannte Bauelemente zur Wärmeübertragung, die ein vielfach größeres Wärmeleitvermögen als die sonst üblichen metallischen Wärmeleiter aufweisen. Die Wärmerohre bestehen im allgemeinen aus einem langen, zylindrischen Rohr mit geschlossenen Enden und mit einer im Innern vorgesehenen Arbeitsflüssigkeit als Wärmeträger. Die Innenwand des Wärmerohres ist mit einer dochtartigen Kapillarstruktur ausgekleidet und die Menge der Arbeitsflüssigkeit ist so bemessen, daß diese Wandschicht damit ganz gesättigt ist. Das Wärmerohr weist im allgemeinen einen Verdampferteil als Wärmeeintritt und wenigstens einen Kondensatorteil als Wärmeaustritt auf. Im Verdampferteil verdampft unter Wärmezufuhr die Flüssigkeit aus der Kapillarstruktur. Der Dampf strömt dann in Richtung des Temperaturgefälles und kondensiert unter Abgabe der Verdampfungswärme im Kondensatorteil. Anschließend wird das Kondensat in der Kapillarstruktur durch die aul der Oberflächenspannung der Flüssigkeit beruhenden Kapillarkrälte zur Verdampfungszone zurückgefördert. Im Gegensatz zum Naturumlauf lassen sich beim Wärmerohr durch entsprechende Wahl der geometrischen Parameter die Kapillarkräfte den Erfordernissen anpassen, so daß bei geeigneter Dimensionierungselbst ein Arbeiten entgegen der Schwerkraft möglich ist. Die mit einem Wärmerohr erreichbaren Wärmeströme lie-2 gen in der Größenordnung von mehreren kW pro cm Rohrquerschnitt, die bei außerordentlich kleinem Temperaturgefälle in der Größenordnung von 1 Grad übertragen werden.
Durch die Anordnung eines solchen Wärmerohres in der das Turbinenrad mit dem Verdichterrad verbindenden Welle wird also die durch die Abgase in der Brennkraftmaschine an das Turbinenrad herangetragene Wärme auf das Verdichterrad und somit auf die angesaugte Frischluft beziehungsweise das frische Gemisch über tragen. Dabei ergeben sich besonders Vorteile bei der Verwendung des erfindungsgemäß ausgebildeten Abgasturboladers bei einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine, bei der die Gemischbildungsvorrichtung vor dem Verdichter in der das Arbeitsmittel zu der Brennkraftmaschine führenden Leitung angeordnet ist. Durch die Wärmezufuhr wird nämlich eine wirkungsvolle Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches durch Verdampfung der flüssigen Kraftstoffbestandteile erreicht, die noch von der außerordentlich innigen Verwirbelung des Gemischstromes in dem Verdicilterrad unterstützt wird. Die durch das Wärmerohr bewirkte Wärmeübertragung findet zudem schon kurz nach dem Start der Brennkraftmaschine statt, wobei das gesamte die Gasturbine beaufschlagende Abgas herangezogen wird, so daß die bei gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen häufig besonders kritische Kaltstart- und Warmlaufphase wesentlich verbessert werden kann.
Sofern die das Turbinenrad mit dem Verdichterrad verbindende Welle im wesentlichen horizontal angeordnet ist, weist das Wärmerohr in seinem radial äußeren Mantelbereich eine über die gesamte Länge verlaufende Kapillarstruktur auf. Ist dagegen die Welle im wesentlichen vertikal angeordnet, dann braucht das Wärmerohr nur im Bereich des vertikal unterhalb des Verdichterrades angeordneten Turbinenrades im radial äußeren Wandbereich eine Kapillarstruktur aufweisen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im folgenden näher erläutert wird. Dabei ist mit 1 eine beispielsweise vierzylindrige gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine (Otto-Motor) angedeutet, die beispielsweise als Antriebsmotor eines Personenkraftfahrzeugs Verwendung findet. 2 stellt einen zur Leistungserhöhung vorgesehenen Abgasturbolader dar, der aus einem von den Abgasen der Brennkraftmaschine 1 beaufschlagten Turbinenrad 3 und einem mit diesem über eine Welle 5 starr verbundenen Verdichterrad 4 besteht, das das Druckniveau des von der Brennkraftmaschine 1 angesaugten Gemisches erhöht. Auf der Saugseite des Verdichterrades 4, das ebenso wie das Turbinenrad 3 bei dem in der Zeichnung gezeigten Auslührungsbeispiel in Radialbauweise ausgeführt ist, ist in der Ansaugleitung 6 eine Gemischbildungseinrichtung, beispielsweise ein Vergaser 7, angeordnet, der den von der Brennkraftmaschine zur Leistungserzeugung benötigten Kraftstoff zuführt. Mit 8 ist ein auf der Druckseite des Verdichterrades 4 angeschlossener Ansaugverteiler und mit 9 eine Abgassammelleitung bezeichnet, die die aus den einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine 1 kommenden Abgaskanäle zusammenfaßt und das Abgas zum Eingang des Turbinenrades 3 führt. Mit 10 ist eine am Ausgang des Turbinenrades 3 angeschlossene Auspuffleitung angedeutet, die über einen Auspuffschalldämpfer in die Atmosphäre mündet.
Erfindungsgemäß ist nun in der als Hohlwelle ausgebildeten, das Turbinenrad 3 mit dem Verdichterrad 4 verbindenden Welle 5 ein an sich bekanntes Wärmerohr 11 angeordnet, das die von dem Abgas der Brennkraftmaschine an das Turbinenrad 3 herangetragene Wärme zum Verdichterrad 4 und somit zur Frischgasseite der Brennkraftmaschine transportiert. Dadurch wird zum einen die Wärmebelastung des Turbinenrades 3, das wegen der relativ geringen Abmessungen keine Schaufelkühlung aufweisen kann, entscheidend verringert und gleichzeitig die Aufbereitung des in der Gemischbildungseinrichtung 7 der Frischluft zugemischten Kraftstoffes wesentlich verbessert.
Das Wärmerohr 11 ist aus einem an beiden Enden verschlossenen, zylindrischen Körper gebildet, der im Bereich seiner Außenwandung eine Kapillarstruktur 12 aufweist. Das Wärmerohr erstreckt sich dabei im wesentlichen über die gesamte Breite der Nabe des Turbinenrades 3 und derjenigen des Verdichterrades 4 sowie des zwischen den beiden Rädern befindlichen Wellenteils. Die Kapillarstruktur 12 ist bei dem in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem die Welle im wesentlichen horizontal ausgerichtet ist, über die gesamte Länge des Wärmerohrs erforderlich, während bei einer im wesentlichen vertikal ausgerichteten Anordnung der Welle 5, wenn das Turbinenrad 3 vertikal unterhalb des Verdichterrades 4 angeordnet ist, die Kapillarstruktur lediglich im Bereich der Nabe des Turbinenrades 3 vorgesehen zu sein braucht.
L e e r s e i t e

Claims

ANSPRüCHE Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen, insbesondere für gemischverdichtende Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, mit einem von den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagten Turbinenrad und einem mit diesem über eine Welle starr verbundenen, das der Brennkraftmaschine zuzuführende Arbeitsmittel verdichtenden Verdichterrad, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (5) Mittel (11) zur Übertragung von Wärme von dem Turbinenrad (3) zu dem Verdichterrad (4) aufweist.
2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel durch ein konzentrisch in der Welle (5) angeordnetes Wärmerohr (11) gebildet sind.
3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2 mit einer im wesentlichen horizontal angeordneten Welle, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (11) an seinem radial äußeren Wandbereich eine über die gesamte Länge verlaufende Kappillarstruktur (12) aufweist.
4. Abgasturbolader nach Anspruch 2 mit einer im wesentlichen vertikal angeordneten Welle, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (11) nur im Bereich des vertikal unterhalb des Verdichterrades angeordneten Turbinenrades im radial äußeren Wandbereich eine Kapillarstruktur aufweist.
5. Abgasturbolader nach einem der vorausgegangenen Ansprüche für eine gemischverdichtende Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die das der Brennkraftmaschine (1) zuzuführende Gemisch bildende Vorrichtung (7) vor dem Verdichter (4) in der das Arbeitsmittel zu der Brennkraftmaschine führenden Leitung (6, 8) angeordnet ist.