DE2849924A1

DE2849924A1 - Zufuehrung der abgase von einem verbrennungsmotor zum laufrad einer zentripetalturbine eines abgasturboladers

Info

Publication number: DE2849924A1
Application number: DE19782849924
Authority: DE
Inventors: Helmuth Richter
Original assignee: Kuehnle Kopp and Kausch AG
Current assignee: Howden Turbo GmbH
Priority date: 1978-11-17
Filing date: 1978-11-17
Publication date: 1980-05-22
Also published as: US4351154A; DE2849924B2; GB2035460B; CS216817B2; GB2035460A; IT7950829A0; IT1126833B; YU280979A; DE2849924C3

Description

Aktiengesellschaft Kühnle, Kopp & Kausch, Hessheiinerstr.2 : D-6710 Frankenthal

Zuführung der Abgase von einem Verbrennungsmotor zum Laufrad einer Zentripetalturbine eines Abgasturboladers

Die Erfindung bezieht sich auf die Zuführung der Abgase von einem Verbrennungsmotor zum Laufrad einer Zentripetalturbine eines Abgasturboladers mit einem das Turbinengehäuse mit dem Motor verbindenden Leitungssystem, wobei das Turbinengehäuse drei radial zum Laufrad hin mündende Ausgänge aufweist.

Die Turbinen von Abgasturboladern haben die Aufgabe, die im Abgas des Motors enthaltene Druck-, Geschwindigkeitsund thermische Energie weitmöglichst in ' Drehmoment an der Turbinenwelle umzusetzen, um mittels eines auf der gleichen Welle befindlichen Radialverdichterrades die Ladeluft des Motors zu verdichten. Hierzu werden häufig zwei Abgasleitungen von den Zylindern des Motors zum Turbinenspiralgehäuse geführt, wobei jeweils eine Gruppe von Zylindern entsprechend der Zündfolge des Motors an eine Abgasleitung angeschlossen ist. Zur optimalen Ausnutzung der im Auspuffgas enthaltenen Energie soll jeder der beiden Abgasströme möglichst unbeeinflußt vom anderen bis an den Eintritt des Turbinen-

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rades herangeführt werden. Dadurch soll vor allem vermieden werden, daß der in Abhängigkeit von den Öffnungszeiten der Auspuffventile pulsierende, an der Turbine ankommende Abgasstrom der ersten (bzw. zweiten) Abgasleitung in die zweite (bzw. erste) Abgasleitung zurückschlägt, wenn in der zweiten (bzw.ersten) Abgasleitung zum gleichen Zeitpunkt kein nennenswerter Gasstrom fließt. Die Abgasimpulse sollen mit voller kinetischer Energie auf die Turbinenschaufeln treffen, daher darf ihnen kein großes verbundenes L^eitungsvolumen angeboten werden.

Es sich zwei grundsätzlich unterschiedliche Lösungsversuche, die Abgasströme bis zum Turbinenradeintritt getrennt zu halten, bekannt:

Aus der DE-OS ist ein Zwillingsstromgehäuse bekannt, bei welchem das Turbinenspiralgehäuse durch eine mit Abstand zum Turbinenradeintritt endendejTrennwand in eine erste Abgasleitung und eine zweite Abgasleitung geteilt wird. Der abwechselnd aus der ersten bzw. zweiten Abgasleitung austretende Abgasimpuls trifft die gesamte Breite des Turbinenradeintritts und hat jeweils eine axiale Komponente;die axialen Komponenten der Abgasimpulse der ersten bzw. zweiten Abgasleitung haben den gleichen Betrag, aber unterschiedliche Richtung.

Aus der DE-OS 2 230^718 ist ein Doppelstromgehäuse bekannt, bei welchem die aus den beiden Auspuffleitungen kommenden Abgasströme jeweils die gesamte Breite des Turbinenradeintritts, -jedoch nur jeweils über den halben Umfang des Turbinenrades beaufschlagen.

Beide Lösungsarten können aber nicht befriedigen:

Im Falle des Zwillingsstromgehäuses entstehen durch die abwechselnde Beaufschlagung des Turbinenradeintritts

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aus unterschiedlichen Richtungen zyklische Schwankungen des Axialschubes, die zu einer Instabilität des Schmierölfilms und folglich zum Versagen des Axialwellenlagers führen können. Darüberhinaus tragen die axialen Richtungs komponenten der Abgasströme zum Antrieb des Laufrades nichts bei und gehen somit in der Energiebilanz verloren.

Noch ungünstiger sind die Auswirkungen der auf jeweils den halben Laufradumfang treffenden pulsierenden Strömung im Falle des Doppelstromgehäuses. In diesem Fall können Schäden an den unmittelbar betroffenen Radiallagern und durch Anregung von .' Schaufelschwingungen auftreten.

Ausgehend von einem Zwillingsstromgehäuse liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, zyklische Schwankungen des Axialschubs zu vermeiden und die axialen richtungskomponenten der in das Laufrad eintretenden Abgasströme zu vermindern, um den Wirkungsgrad zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Zuführung der Abgase von einem Verbrennungsmotor zum Laufrad einer Zentripetalturbine eines Abgasturboladers, mit einem den Motor mit dem Turbinengehäuse verbindenden Leitungssystem, wobei das Turbinengehäuse drei radial zum Laufrad hin mündende Ausgänge aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Leitungssystem etwa die eine Hälfte der Zylinder des Motors an eine erste Abgasleitung und etwa die andere Hälfte der Zylinder an eine zweite Abgasleitung angeschlossen sind und daß die erste Abgasleitung an den mittleren der drei Ausgänge des Turbinengehäuses angeschlossen ist und daß die zweite Abgasleitung über zwei Teilleitungen an die beiden äußeren der drei Ausgänge des Turbinengehäuses angeschlossen ist.

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Das deutsche Gebrauchsmuster 1 949 484 zeigt bereits ein Gehäuse eines Abgasturboladers mit drei dem Laufrad zugewandten Ausgängen. Ein derartiger Abgasturbolader hat mit dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader zwar einige Merkmale gemeinsam, unterscheidet sich jedoch grundlegend dadurch, daß den drei Ausgängen des Gehäuses drei von den Zylindern des Verbrennungsmotors kommende Abgasleitungen zugeordnet sind; erfindungsgemäß dagegen sind nur zwei Abgasleitungen vorgesehen, von denen eine Abgasleitung an die beiden äußeren Ausgänge des Turbinengehäuses angeschlossen ist. Bei Betrieb eines mit einem derartigen Gehäuse versehenen Abgasturboladers treten abwechselnd Auspuffstöße

einerseits gleichzeitig von den beiden äußeren Ausgängen und

andererseits von dem mittleren Ausgang

auf den Umfang des Laufrades, so daß keine zyklischen Schwankungen des Axialschubes auftreten können und die eingangs geschilderten Probleme der Schmierung vermieden werden.

Darüber hinaus haben die aus dem mittleren Ausgang auf den Umfang des Laufrades auftreffenden Abgasstöße keine axialen Richtungskomponenten; derartige axiale Richtungskomponenten sind nur bei den Abgasströmen vorhanden, die von den beiden äußeren, durch den gleichen Abgasstrom beaufschlagten Ausgängen des Gehäuses auf den Umfang des Turbinenlaufrades auftreffen. Durch die gleichzeitige Zuströmung zum Turbinenrad aus den beiden äußeren Ausgängen wirken die axialen Richtungskomponenten einander entgegen, was zur Stabilisierung der Strömung beiträgt und eine Zuströmung zum Turbinenrad ähnlich dem mittleren Ausgang bewirkt. Insgesamt

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sind somit die axialen Richtungskomponenten der Abgasströme vermindert, was eine Verbesserung des Wirkungsgrades zur Folge hat.

Aus strömungstechnischen Gründen liegen vorteilhaft die Querschnittsänderungen und die Aufteilung der zweiten Abgasleitung in zwei Teilleitungen im Bereich zwischen dem Eingang des Turbinengehäuses und dem Beginn der Spirale.

Die Aufteilung der einen Abgasleitung in zwei Teilleitungen kann innerhalb des die Zylinder des Motors mit dem Turbinengehäuse verbindenden Leitungssystems vorgesehen sein. Vorteilhaft jedoch sind diese beiden Abgasleitungen bis zum Turbinengehäuse geführt, welches zwei Eingänge aufweist, deren Erstreckung in Richtung der Achse des Abgasturboladers größer ist als in Richtung senkrecht zur Achse (d.h. in radialer Richtung) und von denen der mit der ersten Abgasleitung verbundene an der Außenseite des Turbinengehäuses liegt, wobei weiterhin innerhalb des Turbinengehäuses sich die zweite Abgasleitung in zwei Teilleitungen teilt. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, daß das Gehäuse mit konventionellen Gehäusen ausgetauscht werden kann und daß der Hersteller des Abgasturboladers selbst im Gehäuse des Abgasturboladers alle Maßnahmen vereinigen kann, die zur Aufteilung der einen Abgasleitung in zwei Teilleitungen und zur Zuführung der dann drei Abgasströme zu den drei Ausgängen des Turbinengehäuses erforderlich sind.

Der übergang von den beiden Eingängen des Turbinengehäuses zu den drei Ausgängen zum Laufradeintritt hin erfolgt innerhalb des Turbinengehäuses vorteilhaft

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dadurch, daß mit zunehmendem Abstand vom Eingang des Turbinengehäuses die axiale Erstreckung des Querschnitts der ersten Abgasleitung abnimmt, wogegen die radiale Erstreckung des Querschnitts derart zunimmt, daß er einen allgemein dreieckförmigen Querschnitt annimmt, und daß sich der Querschnitt der zweiten Abgasleitung in ihrer Mitte, wo die radiale Erstreckung des Querschnitts der ersten Abgasleitung zunimmt, mit zunehmendem Abstand vom Eingang des Turbinengehäuses bis zur Einschnürung vermindert, so daß die beiden Teilleitungen gebildet werden.

Die Erfindung wird an Hand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die Zuordnung der Zylinder eines Verbrennungsmotors zu den beiden Eingängen des Turbinengehäuses,

Fig. 2 die Ansicht des Turbinengehäuses,

Fig. 3-8 die Schnitte an den Stellen III bis VIII der Fig. 2.

In Fig. 1 sind die Zylinder 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22 und 24 eines Verbrennungsmotors schematisch angedeutet. An eine erste Abgasleitung 26 sind die Zylinder 2, 4, 6, 8, 10, 12 und an eine zweite Abgasleitung 28 die Zylinder 14, 16, 18, 20, 22 und 24 angeschlossen»

Fig. 2 zeigt in axialer Richtung gesehen das teilweise aufgeschnittene Turbinengehäuse.

Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf den Eingangsstutzen des Turbinengehäuses, gemäß der Linie III-III der Fig. 2. Man erkennt die beiden Gehäuseeingänge 30 und 32.

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Fig. 4 zeigt einen Schnitt IV-IV durch den Eingangsstutzen des in Fig. 2 dargestellten Turbinengehäuses. Man erkennt, daß an dieser Stelle die erste Abgasleitung 26 in radialer Richtung etwas zugenommen hat, wogegen die zweite Abgasleitung 28 entsprechend abgenommen hat.

Im nächsten Schnitt V-V der Fig. 5 erkennt man die weitere radiale Erweiterung der ersten Abgasleitung 26 auf Kosten der zweiten Abgasleitung 28; andererseits hat die axiale Erstreckung der ersten Abgasleitung 26 abgenommen und die radiale Erstreckung der zweiten Abgasleitung 28/ jeweils rechts und links, derart zugenommen, daß die zweite Abgasleitung 28 die erste Abgasleitung 26 mit dem rechten und linken Flügel umfaßt.

Gemäß Fig. 6 (Schnitt VI-VI in Fig. 2"i hat die erste Abgasleitung 26 eine schmale spitze dreieckige Form angenommen, wogegen die zweite Abgasleitung 28 in Teilleitungen 28a und 28b übergegangen ist.

Fig. 7 zeigt den Schnitt VII-VII durch Fig. 2, kurz vor dem Ausgang des Turbinengehäuses zum Laufradeintritt hin. Man erkennt, daß an dieser Stelle die radiale Erstreckung der drei Leitungen 28a, 26 und 28b fast gleich ist.

Fig. 8 (Schnitt VIII-VIII) schließlich zeigt den Ausgang des Turbinengehäuses zu dem (nicht dargestellten) Laufrad hin. der mittlere Ausgang 34 ist der ersten Abgasleitung zugeordnet, wogegen die beiden anderen Ausgänge 36 und 38 der zweiten Abgasleitung 28 zugeordnet sind und die Mündungen der. beiden Teilleitungen 28a bzw. 28b bilden.

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Bezugszeichenliste

Zylinder 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, Abgasleitungen 26, 28

Teilleitungen 28a, 28b Gehäuseeingänge 30, 32 mittlerer Ausgang 34

andere Ausgänge 36, 38

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Claims

Ansprüche

Zuführung der Abgase von einem Verbrennungsmotor zum Laufrad einer Zentripetalturbine eines Abgasturboladers, mit einem den Motor mit dem Turbinengehäuse verbindenden Leitungssystem, wobei des Turbinengehäuse drei radial zum Laufrad hin mündende Ausgänge aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Leitungssystem etwa die eine Hälfte der Zylinder (2, 4, 6, 8, 10, 12) des Motors an eine erste Abgasleitung (26) und etwa die andere Hälfte der Zylinder (14, 16, 18, 20, 22, 24) des Motors an eine zweite Abgasleitung (28) angeschlossen sind und daß die erste Abgasleitung (26) an den mittleren (34) der drei Ausgänge des Turbinengehäuses angeschlossen ist und daß die zweite Abgasleitung (28) über zwei Teilleitungen (28a, 28b) an die beiden äußeren (36, 38) der drei Ausgänge des Turbinengehäuses (Fig. 2) angeschlossen ist.
2. Zuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung der zweiten Abgasleitung (28) in zwei Teilleitungen (28a, 28b) im Bereich zwischen dem Eingang des Turbinengehäuses und dem Beginn der Spirale liegen.
3. Zuführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinengehäuse zwei Eingänge (30, 32) aufweist, deren Erstreckung in Richtung der Achse des Abgasturboladers größer ist als in Richtung senkrecht zur Achse (d.h. in radialer Richtung) und von denen der mit der ersten Abgasleitung (26) verbundene an der Außenseite des Turbinengehäuses liegt, und daß innerhalb des Turbinengehäuses sich die zweite Abgasleitung (28) in zwei Teilleitungen (28a,28b) teilt.

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4. Zuführung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit zunehmendem Abstand vom Eingang des Turbinengehäuses die axiale Erstreckung des Querschnitts der ersten Abgasleitung (26) abnimmt, wogegen die radiale Erstreckung des Querschnitts derart zunimmt, daß er einen allgemein dreieckförmigen Querschnitt annimmt, und daß sich der Querschnitt der zweiten Abgasleitung (28) in ihrer Mitte, wo die radiale Erstreckung des Querschnitts der ersten Abgasleitung (26) zunimmt, mit zunehmendem Abstand vom Eingang des Turbinengehäuses bis zur Einschnürung vermindert, so daß die beiden Teilleitungen (28a, 28b) gebildet werden.