DE3321691C2 - Radialturbinengehäuse für einen Abgasturbolader - Google Patents

Abstract

Ein Abgasturbolader ist mit einem Turbinengehäuse versehen, das einen Einlaß (22), einen radial innen von dem Einlaß angeordneten Auslaß, einen zentral angeordneten Turbinenradhohlraum (24) und einen inneren Spiralkanal (28) hat, der von dem Einlaß (22) aus um den Turbinenradhohlraum (24) herumführt und dabei im Querschnitt abnimmt. Der Spiralkanal (28) ist ab dem Einlaß über einem Bogen zwischen 180° und 300° zweigeteilt, um das ankommende Abgas aus unterschiedlichen Zylindergruppen eines Verbrennungsmotors auf gleiche, aber getrennte Strömungswege aufzuteilen und dadurch die Rückwirkung von Pulsationen von Abgasen aus einer Zylindergruppe auf die andere zu minimieren. Die getrennten Strömungswege innerhalb des Turbinengehäuses vereinigen sich in einem einzigen Strömungsweg (70) nahe dem Ende des Spiralkanals (28), und ein einzelnes Abgasableitventil (42) steht mit dem einzigen Strömungsweg (70) in Verbindung. Ein Teil der Abgase wird wahlweise aus dem einzigen Strömungsweg (70) zu dem einzelnen Abgasableitventil (42) geleitet, um den Betrieb des Turbinenrades (34) mit maximaler Drehzahl aufrechtzuerhalten.

Description

— die Trennwand (30) die Eintrittsspirale ( 28) nur über dem ersten Beaufschlagungsbereich von etwa 180 Grad bis 300 Grad des gesamten Beaufschlagungsumfangs zweiteilt, und

— die Ablaßeinrichtung eine Auslaßöffnung (40) ist, die in Strömungsrichtung gesehen nach dem Ende der Trennwand (30) in dem verbleibenden Beaufschlagungsbereich mit dem Innern der EintriKsspirale (28) verbunden ist.

Die Erfindung betrifft ein Radialturbinengehäuse der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art.

Abgasturbolader haben üblicherweise ein Turbinenrad (Abgasturbine) und ein Verdichterrad (Turbokompressor), die auf einer gemeinsamen Welle befestigt sind, welche in einem Radialturbinengehäuse gelagert ist, das einen Gaseinlaß und einen Gasauslaß sowie eine Eintrittsspirale hat.

Im typischen Fall hat das Radialturbinengehäuse eine Einlaß, einen radial innen von dem Ei. .faß angeordneten Auslaß, einen zentral angeordneten Turbinenradhohlraum und einen Spiralkanal, der den Turbinenradhohlraum umgibt und dabei in seiner Querschnittsfläche abnimmt Abgase aus einem Motor werden zu dem Turbinengehäuse über den darin vorgesehenen Spiral- oder Schneckenkanal geleitet Da der Kanal in der Querschnittsfläche abnimmt, wird die Geschwindigkeit der Abgase in dem Turbinengehäuse auf dem gesamten Umfang desselben auf einem hohen Wert gehalten. Daher treffen auf dem gesamten Umfang der Turbine die Abgase mit einer hohen und relativ gleichförmigen Geschwindigkeit auf die Turbinenschaufeln auf, um das Turbinenrad in Drehung zu versetzen, das seinerseits das Verdichterrad in Drehung versetzt.

Das Verdichterrad verdichtet Umgebungsluft und/ oder ein Luft/Kraftstoff-Gemisch, um dieses in verdichtetem Zustand dem Ansaugkrümmer des Verbrennungsmotors zuzuführen. Der Verbrennungsmotor hat typisch mehrere Zylinder, und die Gasauslässe der Zylinder sind in Gruppen oder Krümmern zusammengefaßt. Die Abgaskrümmer der Zylindergruppen sind mit dem Einlaß des Turbinengehäuses verbunden.

Die Abgasauslässe der Zylinder von Verbrennungsmotoren, bei denen Abgasturbolader benutzt werden, sind üblicherweise mit zwei Gruppen von Zylindern verbunden. Früher wurden die Auspuffkrümmer von beiden Zylindergruppen zusammengefaßt, und das Abgas aus ihnen wurde in einem einzigen Strömungsweg durch das Radialturbinengehäuse hindurchgeleitet.

Ein Problem, das da bei auftrat, war die Uberverdichtung der Luft oder des Luft/Kraftstoff-Gemischs, das dem Verbrennungsmotor zugeführt wird. Es wurde deshalb notwendig, die Abgasströmung in dem Turbinengehäuse zu reduzieren indem ein Teil der Abgase das

Turbinenrad umging. Das Ableiten eines Teils der Abgase wurde dadurch erzielt, daß die Auspuffkrümmer jedes Zylindersatzes des Verbrennungsmotors mit einem Abgasableitventil versehen wurden. Ein ausgewählter Anteil der Abgase aus jeder Zylindergruppe wurde dadurch abgeleitet bevor er den Einlaß des Turbinengehäuses erreichte. Durch die Verwendung einer solchen Anordnung wurde die wahlweise Steuerung der Abgasströmung möglich, so daß die Verdichtung gesteuert und die Überkompression von Luft und Kraftstoff an dem Einlaß des Verbrennungsmotors verhindert werden konnte. Solche Anordnungen erfordern jedoch doppelte Ventilsysteme. Außerdem ist es notwendig, die Abgasableitventile in der Nähe des Turbinengehäuses anzuordnen oder die Abgasableitventile als integralen Bestandteil des Turbinengehäuses auszubilden. Aufgrund des begrenzten Raums in diesem besonderen Bereich des Abgasturboladers wurden die Lage, der Einbau und die Wartung der Abgasableitventile zu einem Problem.

Ein weiteres Problem, das bei Abgasturboladern vorhanden ist, besteht darin, daß das Abgas aus den verschiedenen Zylindern des Verbrennungsmotors mit Abgasturbolader keinen gleichmäßigen Druck in den Auspuffkrümmern erzeugt, sondern vielmehr zum Freisetzen von heißen, unter Äohem Druck stehenden Abgasen in scharf definierten Stößen oder Pulsationen führt Solche Stöße und Pulsationen treten auf, weil unmittelbar im Anschluß an den Arbeitshub eines Kolbens in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors das Gas in dem Zylinder noch unter einem hohen Druck steht. Wenn das Auslaßventil öffnet, strömt am Anfang der Hauptteil der heißen Abgase schnell in den Auspuffkrümmer oder tritt in Stoßen mit hoher Geschwindigkeit in diesen ein.

Im Anschluß an den Anfangsstoß and während der übrigen Zeitspanne, während der das Auslaßventil offen ist, hat die Strömung von Abgasen aus dem Zylinder eine relativ niedrige Geschwindigkeit im -,1-rgleich zu dem Anfangsstoß. Der Ausstoß von Abgasen im Anschluß an den Anfangsstoß erfolgt aufgrund der normalen Kolbenbewegung, durch die das Volumen des Zylinders verringert wird, und nicht als Ergebnis einer Druckdifferenz zwischen dem Zylinder und dem Auspuffkrümmer, wie sie unmittelbar vor dem öffnen des Auslaßventils des Zylinders vorhanden ist

Pulsationen und Stöße in den Auspuffkrümmern der Gruppen oder Sätze von Zylindern treten nicht gleichzeitig auf. Vielmehr sind die Stöße von Abgasen inner-WaIb jedes Auspuffkrümmers mit Stoßen in dem anderen Auspuffkrümmer verschachtelt. An der Verbindungsstelle der beiden Krümmer an dem Einlaß des Turbinengehäuses erzeugen die Stöße und Pulsationen in jedem Krümmer einen Gegendruck in dem anderen Krümmer. Dadurch wird sowohl der Betriebswirkungsgrad des Verbrennungsmotors als auch der Betriebswirkungsgrad des Turbinenrades verringert, weil statt der Druckbeaufschlagung nur des Turbinenrades die Energie der Abgase einen Krümmergegendruck erzeugt, der die Abgasströmung aus der anderen Zylindergruppe

nachteilig beeinflußt.

Zum Beseitigen dieses Problems ist es bei einem Radialturbinengehäuse der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art bekannt (GB-OS 20 38 940), in dem Einlaß des Turbinengehäuses eine Trennwand vorzusehen. Die Auspuffkrümmer der beiden Zylindergruppen treffen sich dann nicht an einer Verbindungsstelle an dem Einlaß des Turbinengehäuses, sondern führen zu zwei gesonderten Kanälen innerhalb des Tür-

binengehauses. Bei diesem bekannten Radialturbinengehäuse befindet sich die Abgasablaßeinrichtung nicht vor dem Einlaß des Turbinengehäuses, sondern innerhalb des Turbinengehäuses in unmittelbarer Nähe von dessen Einlaß. Die Steuerung der Entnahme von Strömungsmittel, d. h. von Abgas, erfolgt zwar durch ein einziges Ventil, was das Ableiten von nicht benötigtem Abgas erleichtert, es ergibt sich jedoch ein schlechterer Abgasturbin^nwirkungsgrad, weil das abgeleitete Abgas nicht mehr für den Antrieb der Abgasturbine verfügbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Radialturbinengehäuse der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art so auszubilden, daß der Wirkungsgrad der Abgasturbine auch bei der Entnahme von Strömungsmittel aus der Eintrittsspirale aufrechterhalten wird.

Diese Aufgabe ist durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem Radiallurbinengehäuse nach der Erfindung erstreckt sich die Trennwand, die die Eintrittsspirale zwcitcüt, über einen Beaufschlagungsbereich von etwa 180° bis 300°. Die Länge der Trennwand wiid durch die Zylinderzahl des Verbrennungsmotors sowie durch den Drehzahlbereich des Motors, bei dem der Abgasturbolader mit dem Radialturbinengehäuse nach der Erfindung benutzt wird, bestimmt. Der Vorteil, der durch die Trennwand erzielt wird, ist umso größer, je niedriger die Zylinderzahl des Verbrennungsmotors oder je niedriger dessen Drehzahlbereich ist. Bei Verbrennungsmotoren, die eine relativ kleine Zylinderzahl haben oder mit relativ niedrigen Drehzahlen betrieben werden, wird daher die Eintrittsspirale durch die Trennwand über dem ersten Beaufschlagungsbereich bis zu einem Maximum von etwa 300" unterteilt. Umgekehrt, je größer die Zylinderzahl oder je größer der Motordrehzahlbereich ist, umso kleiner ist die Auswirkung der Trennwand. Es ist bei solchen Motoren vorteilhaft, die Trennwand näher bei der unteren Grenze von 180° enden zu lassen. Da erfindungsgemäß die Ablaßeinrichtung nach dem Ende der Trennwand in dem verbleibenden Beaufschlagungsbereich mit dem Innern der Eintrittsspirale verbunden ist, ergibt sich ein höherer Wirkungsgrad der Abgasturbine, weil sämtliches Abgas durch die Turbine hindurchgeht und das Ableiten von Abgasen erst am Ende der Eintrittsspirale erfolgt, so daß das gesamte Abgas für den Antrieb des Turbinenrades zur Verfugung steht und eine höhere tangentiale Abgasgeschwindigkeit in dem Radialturbinengehäuse erzielt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Endansicht eines Radialturbinengehäuses eines Abgasturboladers, das eine unterteilte Eintrittsspirale hat, wobei der Einlaß des Turbinengehäuses sichtbar ist

F i g. 2 eine Schnittansicht des Turbinengehäuses nach der Linie2-2in Fig. 1 und

Fig.3 eine Schnittansicht des Turbinengehäuses nach der Linie 3-3 in F i g. 2.

Gemäß der Zeichnung hat ein Radialturbinengehäuse 20 eine Gehäusekammereinlaßöffnung 22 radial verscizt von einem zentralen, insgesamt zylindrischen Turbincnradhohlraum 24. Eine Austrittsöffnung 26 ist radial innen von der Einlaßöffnung 22 und axial in einer Linie und in Strömungsvirbindung mit dem Turbinenradhohlraum 24 angeordnet.

Das Turbinengehäuse i0 hat eine Eintrittsspirale, die insgesamt mit 28 bezeichnet ist. Die Eintrittssoirale 28 geht von der Einlaßöffnung 22 aus und führt spiralförmig und mit abnehmendem Querschnitt um den Turbinenradhohlraum 24 herum. Die Eintrittsspirale 28 hat eine quer angeordnete Trennwand 30. die in einer Ebcne liegt, welche zu der Achse 32 des Turbinenrades 34 rechtwinkelig ist, das in dem Turbinenradhohlraum 24 angeordnet ist. Durch die Trennwand 30 wird die Eintrittsspirale 28 in gesonderte, axial benachbarte Kanäle 36 und 38 zweigeteilt, die beide in den F i g. 1 und 3 ίο dargestellt sind. Die Trennwand 30 und die Kanäle 36 und 38 erstrecken sich von der Einlaßöffnung 22 aus über einen Bogen zwischen etwa 180° und 300°, wie es in Fig.2 dargestellt ist. Das Turbinengehäuse 20 hat außerdem als Ablaßeinrichtung für nicht benötigtes Abgas eine Auslaßöffnung 40, die mit der Eintrittsspirale 28 jenseits des Endes 48 der Trennwand 30 verbunden ist. Die Auslaßöffnung 40 ist mit Bohrungen zur Aufnahme eines einzigen Ventils 42 verbunden, wie es in den F i g. 2 und 3 gezeigt ist.

Die Einlaßöffnung 22 endigt in fv.em Flansch 44, der mit Doppeiauspuffkrümmern eines Verbrennungsmotors verbindbar ist, welcher mehrere Zylinder (nicht dargestellt) hat.

Der Verbrennungsmotor ist in zwei gleiche Gruppen von Zylindern unterteilt. Die Ausläße einer Zylindergruppe sind mit einem Krümmer verbunden, der mit dem Flansch 44 verschraubt ist, so daß er mit dem Kanal 36 in dem Turbinengehäuse 20 in Verbindung steht. Die andere Zylindergruppe ist mit einem Auspuffkrümmer verbunden, der mit dem Flansch 44 verschraubt ist, so daß er mit dem Kanal 38 in Verbindung steht.

Die Eintrittsspirale 28 ist im Querschnitt insgesamt ringförmig und nimmt in der Querschnittsfläche von einer größten Querschnittsfläche an der Einlaßöffnung 22 zu einer kleinsten Querschnittsfläche an der Unterseite eines Zungenendes 45 ab, das in F ί g. 2 sichtbar ist. Das Zungenende 45 dient als Leitvorrichtung für die Abgase, die in die Einlaßöffnung 22 eingeleitet worden s^id und durch die Eintrittsspirale 28 hindurch gegangen sind, um diese Abgase auf die Schaufeln 46 des Turbinenrades 34 zu leiten. Gemäß F i g. 3 wird durch die Trennwand 30 die Eintrittsspirale 28 auf dem größeren Teil ihrer Länge in die beiden axial benachbarten, aber getrennten Kanäle 36 und 38 zweigeteilt, die von einem ipaximalen Querschnitt an der Einlaßöffnung 22 auf einen minimalen Querschnitt an dem Ende 48 der Trennwand 30 abnehmen.

Die Auslaßöffnung 40 nimmt das Ventil 42 auf und ist außerdem so ausgebildet, daß sie statt dessen eine Verschlußplatte empfangen kann. Das Ventil 42 enthält ein federvorgespanntes Tellerventil 54, das durch Druck in dem Verbrennungsmotoransaugkrümmer gesteuert wird. Ein Druckrohr 56 führt von dem Ansaugkrümmer (nicht dargestellt) zu dem Ventil 42. Übermäßiger Druck in dem Ansaugkrüi.imer wird eine strömungsmitteldichte Membran 58 in dem Ventil 42 in der Darstellung in den F i g. 2 und 3 nach links drücken, wodurch die Vorspannung der Schraubenfeder 60 überwunden und das Ventilverschlußteil 62 von seinem Ventilsitz in dem so Ventil 42 abgehoben wird. Ein Teil des Abgases aus der Eintrittsspirale 28 kann dadurch v/ahlweise über einen Abgasableitkanal 64 abgeleitet werden, so daß dieses Abgas das Turbinenrad 34 umgeht.

Das Ventil 42 hat Hnen Flansch, durch den Schrauben 66 mit Sechskantkopt hindurchgeführt sind. Mittels der Schrauben 66 ist das Ventil 42 an der Auslaßöffnung 40 des Turbinengehäuses 20 befestigt. Eine Dichtung 68 stellt eine strömunesmitteldichte Verbindung

der Auslaßöffnung 40 und dem Ventil 42 her.

Im Betrieb des Abgasturboladers, bei dem das hier beschriebene Radialturbinengehäuse 20 benutzt wird, wird Abgas aus den beiden Auspuffkriimmern cies Verbrennungsmotors, der zwei Zylindergruppen hat, zu der Einlaßöffnung 22 geleitet. Das Abgas aus einem Krümmer wird durch den Kanal 36 geleitet, während das Abgas aus dem anderen Krümmer durch den Kanal 38 geleitet wird. Das Abgas strömt dadurch auf gleichen, aber axial getrennten Spiralwegen zu dem Turbinenrad 34 durch die Kanäle 36 und 38, die durch die Trennwand 30 voneinander getrennt sind. Das Abgas aus verschiedenen Zylindern des Verbrennungsmotors nimmt dadurch verschiedene Wege, die durch die Kanäle 36 und 38 festgelegt sind. Gemäß den Fig.2 und 3 haben die durch die Kanäle 36 und 38 gebildeten Abgaswege einen ab der Einlaßöffnung 22 abnehmenden Querschnitt. Die Kanäle 36 und Vi erstrecken sich beide über einen Spiralbogen zwischen 180° und 300°.

An dem Ende 48 der Trennwand 30 wird die Abgasströmung zum ersten Mal in einem einzigen Strömungsweg vereinigt, der in F i g. 2 mit 70 bezeichnet ist. Der Druck in dem Ansaugkrümmer des Verbrennungsmotors, der den Abgasturbolader mit dem Radialturbinengehäuse 20 hat, wird benutzt, um wahlweise einen Teil der vereinigten Strömung von Abgas aus dem einzigen Strömungsweg 70 in dem Turbinengehäuse 20 zu dem einzigen Ventil 42 zu leiten. Die richtige Wahl der Feder 60 gestattet, den Teil der vereinigten Abgasströmung, der aus dem Strömungsweg 70 abgeleitet wird, um das Turbinenrad 34 zu umgehen, so zu variieren, daß ein maximaler Betriebswirkungsgrad des Turbinenrades 34 aufrechterhalten wird.

Der Spitzenbetriebswirkungsgrad des Turbinenrades 34 wird in dem Fall erzielt, in welchem CVU ungefähr 1,35 beträgt, wobei C₁. die tangentiale Gasgeschwindigkeit ist und wobei U die Turbinenradspitzengeschwindigkeit ist. Der Wirkungsgrad nimmt sehr schnell ab, wenn das Verhältnis CVU unter 1,2 ist, und nimmt allmählich ab, wenn dieses Verhältnis 1,6 überschreitet.

Bei dem hier beschriebenen Radialturbinengehäuse 20 geht jederzeit das gesamte Gas durch die Eintrittsspirale 28 hindurch, wodurch eine höhere tangentiale Gasgeschwindigkeit wirksam ist als in dem Fall, in welchem nichtbenötigtes Abgas abgeleitet wird, bevor das Abgas in den Einlaß der Eintrittsspirale 28 eintritt Darüber hinaus wird, weil die Eintrittsspirale 28 in die getrennten, axial benachbarten Kanäle 36 und 38 mit ab der Einfaßöffnung 22 abnehmender Querschnittsfläche zweigeteilt ist, durch Pulsation innerhalb der Auspuffkrümmer, die mit diesen getrennten Kanälen verbunden sind, die Abgasströmung in dem anderen der Kanäle nicht nachteilig beeinflußt. Weiter werden durch das Hindurchleiten der Strömung durch die getrennten Kanäle 36,38 und durch das wahlweise Ableiten eines Teils der vereinigten Strömung aus diesen jenseits des Endes 48 der Trennwand 30 merklich bessere Ergebnisse und bessere Wirkungsgrade bei Abgasturboladern erzielt, bei denen das hier beschriebene Radialturbinengehäuse 20 benutzt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Radialturbinengehäuse für einen Abgasturbolader, mit einer Eintrittsspirale, bei der durch eine Trennwand zwei axial benachbarte Kanäle gebildet sind, und mit einer Ablaßeinrichtung, mittels derer durch ein einziges Ventil gesteuert Strömungsmittel aus beiden Kanälen entnehmbar istdadurchgeken η zeichnet, daß