DE3727711A1

DE3727711A1 - Turbolader fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE3727711A1
Application number: DE19873727711
Authority: DE
Inventors: Noboru Ishida; Mitsuyoshi Kawamura
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1986-08-19
Filing date: 1987-08-19
Publication date: 1988-02-25
Also published as: JPS6350629A

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen einen Kraftfahrzeugturbolader und insbesondere eine verbesserte Turbinenspirale zur Verwendung in einem solchen Lader.

Um die Leistung und Effektivität von Kraftfahrzeugturboladern zu verbessern, ist vorgeschlagen worden, bei ihrer Konstruktion keramisches Material und dünnwandige Leichtmetallteile zu verwenden. Es ist jedoch die Schwierigkeit aufgetreten, daß Ablagerungen und säurehaltige Materialien, die während der Verbrennung in den Verbrennungskammern des Motors beim Motorlauf erzeugt werden, dazu neigen, sich anzusammeln und sich unter dem Einfluß der Motorschwingungen auch zu verlagern. Dieses teilchenförmige Material wird nachfolgend durch den Abgasstrom in den Turbolader eingetragen und neigt dazu, die Blätter des keramischen Läuferrades zu beschädigen und/oder den metallischen Rotor zu verformen. Außerdem neigen diese Teilchen dazu, sich in der Spirale des Turboladers abzulagern und im Inneren des Turboladers in einer Weise anzusammeln, die die Rotationsleistung und den Druck, der durch Turbolader entwickelt wird, verringern.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung einen Kraftfahrzeugturbolader mit einer Spiralanordnung zu schaffen, die die Ansammlung und Ablagerung von verunreinigenden und/oder abrasiven Teilchen gestattet, die die Neigung haben, ins Innere der Spiralanordnung bzw. des Spiralkanales und des Turboladers einzudringen und die Effektivität des Laders beeinträchtigen und/oder diesen beschädigen.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist erfindungsgemäß ein Turbolader mit einem Turbinenspiralkanal vorgesehen, wobei der Spiralkanal einen Wandabschnitt und eine Ausnehmung, die in dem Wandabschnitt ausgebildet ist, aufweist, wobei die Ausnehmung eine Öffnung besitzt, die der Strömungsrichtung der Gase in dem Spiralkanal zugewandt ist, wobei die Ausnehmung so angeordnet ist, daß Feststoffteilchen, die in dem Gasstrom enthalten sind, in der Ausnehmung abgelagert und aufgenommen bzw. gesammelt werden.

Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betreiben eines Turboladers vorgesehen, mit den Verfahrensschritten:
Einführen von Abgasen in einen Spiralkanal, so daß der Gasstrom ein im wesentlichen spiralförmiges Strömungsmuster besitzt,
Sammeln von Feststoffteilchen, die im Gasstrom enthalten sind unter Verwendung einer Ausnehmung, die in einer Wandung des Strömungskanales ausgebildet ist und
Zulassen, daß die Feststoffteilchen aus dem Gasstrom in die Ausnehmung fliegen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Turboladers, an dem die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anwendbar sind,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Spiralkanales nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 eine Draufsicht der Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 4 und 5 eine teilweise geschnittene Seitenansicht und eine Draufsicht eines Turboladers im Bereich eines Spiralkanales nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 6 und 7 Schnittansichten eines dritten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 8 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines vierten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung.

In den Fig. 2 und 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist der Spiralkanal 100 so angeordnet, daß die Abgase in diesen durch eine Einlaßöffnung 102 eintreten und sich fortschreitend wirbelförmig entlang eines im wesentlichen spiralförmigen Weges strömend bewegen, wobei die Achse dieses Strömungsweges mit der Achse des Laufrades 104 übereinstimmt. Das Laufrad besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus keramischem Material während beispielsweise der Rotor einen metallischen Leichtgewichtaufbau besitzt. Wie bekannt ist, besitzt diese Art Laufradanordnung eine außerordentlich hohe thermische Beständigkeit und ist somit zur Anwendung in Kraftfahrzeugen sehr geeignet.

In dieser Anordnung ist eine Teilchen-Sammelausnehmung 106 in der Wandung 108 des Spiralkanalgehäuses 110 ausgebildet. Das Mundstück oder die Eintrittsöffnung 112 der Ausnehmung 106 ist so gerichtet, daß sie der Eintrittsöffnung 102 zugewandt ist, durch die die Abgase vom Motor einströmen. Da die Teilchen, erzeugt in und/oder verlagert aus der bzw. den Verbrennungsräumen (nicht gezeigt), die in Abhängigkeit von einem plötzlichen, tiefen Niederdrücken des Gaspedales erzeugt oder verlagert werden, im Verhältnis zu den übrigen Abgasen verhältnismäßig schwer sind, haben sie die Neigung, einer Bewegungsbahn zu folgen, wie sie in Fig. 2 durch die Linie T angegeben ist. Wie gezeigt, trifft diese Bewegungsbahn T auf die Wandung des Spiralkanales an einer gegenüberliegenden Seite bezüglich eines tangentialen Punktes P an der Verlängerung E der Wandungskrümmung. Durch Anordnung des Mundstückes 112 stromab dieses Punktes neigt das teilchenförmige Material, das im Abgasstrom eingeschlossen ist und dazu neigt, nachteilige Wirkungen auf das Laufrad 104 und die zugehörigen Bestandteile zu haben, dazu, aus der Hauptgasströmung auszutreten und tangential in die Sammelausnehmung 106 zu fliegen.

Die Fig. 4 und 5 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Diese Anordnung ist im wesentlichen gleich derjenigen wie im ersten Ausführungsbeispiel, jedoch wird hierin die Anordnung eines Ventiles 220 in der Sammelausnehmung 206 dargestellt. Das Ventil 220 kann in Form eines Abgas-Strömungssteuerventiles oder alternativ hierzu als normalerweise geschlossenes Ventil ausgebildet sein, das wahlweise geöffnet werden kann, um die Einsammlung von Teilchen, säurehaltigen Bestandteilen und dergleichen zu gestatten, um diese über einen Bypass 222 in das Abgassystem zu entlassen.

Die Fig. 6 und 7 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In dieser Anordnung ist der Sammelraum 306 noch weiter stromab in bezug auf den spiralförmigen Strömungskanal, der durch Abgase beaufschlagt wird, im Vergleich zu dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel angeordnet und befindet sich in der Nähe der Öffnung 102. D.h., in diesem Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung so angeordnet, daß sie der Gasströmung ausgesetzt wird, nachdem diese sich beispielsweise um 300 bis 340° gedreht hat. Demgegenüber ist die Ausnehmung im ersten Ausführungsbeispiel der Gasströmung sehr bald nach deren Eintritt in den Spiralkanal ausgesetzt, nachdem die Gasströmung sich beispielsweise nur um 10 bis 30° gedreht hat.

Wie deutlich ist, werden bei dieser Anordnung die Teilchen, die die Geschwindigkeit des Gasstromes angenommen haben werden, dazu neigen, infolge ihrer verhältnismäßig großen Dichte tangential aus der Gasströmung herauszufliegen. Somit ist die Sammelausnehmung 306 in diesem Ausführungsbeispiel auch so ausgebildet, daß sie dem Gasstrom zugewandt ist und eine Öffnung 312 aufweist, die so ausgebildet ist, daß dann, wenn einmal Teilchenmaterial aus der Gasströmung herausgeschleudert wird, dieses tangential in die Ausnehmung 306 hineinfliegt.

Wenn gewünscht, kann diese Ausführungsform ebenfalls mit einem Ventil und/oder einem Bypasskanal für die Entfernung des gesammelten Teilchenmateriales verwendet sein.

Fig. 8 zeigt eine viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In dieser Anordnung ist der Sammelraum oder Ausnehmung 406 in ihrer Wirksamkeit sogar noch weiter stromab in bezug auf die Gasströmung angeordnet, als dies bei der Ausnehmung 306 nach dem dritten Ausführungsbeispiel der Fall ist. D.h., in diesem Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung so angeordnet, daß sie dem Gasstrom ausgesetzt ist, nachdem die Gasströmung sich um mehr als 360° gedreht hat. Wie gezeigt, ist dieser Sammelraum 406 so angeordnet, daß die Mitte des Mundstückes 412 im allgemeinen mit dem Schnittpunkt einer Linie A, die sich radial von dem Laufrad 104 aus erstreckt, und einer zweiten Linie B, die tangential in bezug auf das Laufrad für sich verläuft und die Richtung angibt, in der die Gase und die mitgerissenen Teilchen vorzugsweise strömen, übereinstimmt. Mit dieser Anordnung ist die Sammlung einer ansprechenden Teilchenmenge selbst dann möglich, wenn die Masse der Teilchen von der üblichen, normalen Teilchenmasse abweicht.

Versuche wurden unter Verwendung des ersten der vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele (d.h. mit Ausführungsformen gemäß Fig. 2 und 3) ausgeführt. In diesen Versuchen wurde ein Laufrad mit einem Durchmesser von 60 mm und 10 Laufradflügeln, von denen jeder eine Dicke von 1 mm aufwies, ausgeführt und das Laufrad wurde mit einer Drehzahl von 2000 U/min betrieben. Die Teilchen hatten einen Durchmesser von 2 mm und eine Masse von 32 mg und wurden in den Gasstrom mit einem Abstand von 50 cm stromauf des Spiralkanales eingegeben. Alle Teilchen wurden aus dem Gasstrom wieder herausgesammelt und es wurden keinerlei nachteilige Wirkungen festgestellt. In nachfolgenden Versuchen wurde gezeigt, daß selbst dann, wenn ein Ventil in dem Sammelraum vorgesehen wurde (siehe zum Beispiel Fig. 4 und 5) ein Motor mit zwei Liter Hubraum über eine Betriebsdauer von 30.000 km betrieben werden konnte, ohne daß irgendwelche Abnormalitäten auftraten.

Claims

1. Abgasturbolader, insbesondere für Kraftfahrzeuge mit einem Turbinenspiralkanal und einem Wandabschnitt desselben, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausnehmung (106, 206, 306, 406) in dem Wandabschnitt ausgebildet ist, mit einer Öffnung (112, 312, 412), die dem Gasstrom zugewandt ist, der durch den Spiralkanal (100) hindurchströmt, wobei die Ausnehmung (106, 206, 306, 406) angeordnet ist, um Teilchen zu sammeln, die in dem Gasstrom, der in den Spiralkanal (100) eingeführt wird, enthalten sind.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiralkanal (100) einen im wesentlichen spiralförmigen Gasstrom erzeugt, und daß die Ausnehmung (106, 206, 306, 406) in bezug auf den spiralförmigen Gasstrom in einer Weise angeordnet ist, daß das in dem Gasstrom enthaltende teilchenförmige Material tangential aus dem Gasstrom herausfliegen und in die Ausnehmung (106, 206, 306, 406) eintreten kann.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:
eine Abgasleitung, die mit einer Abgasöffnung des Spiralkanales (100) strömungsverbunden ist,
einen Kanal (222) der von der Ausnehmung (206) zu der Abgasleitung führt und in diese an einer Stelle stromab der Abgasöffnung mündet, und
ein Ventil (220), wobei das Ventil (220) die Fluidverbindung zwischen der Ausnehmung (206) und der Abgasleitung steuert.

4. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenspiralkanal (100) eine Öffnung (102) aufweist, durch die Abgase in den Spiralkanal (100) eingeführt werden und wobei bezüglich einer Ebene, die die Drehachse des in dem Spiralkanal (100) angeordneten Laufrades enthält, die Ausnehmung (106, 206, 406) jenseits dieser Ebene gegenüberliegend in bezug auf die Öffnung (102) angeordnet ist.

5. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (106) in dem Wandabschnitt an einer Stelle ausgebildet ist, an der die Abgase sich nach ihrem Eintritt in den Spiralkanal (100) um einen bestimmten, ersten Drehwinkel gedreht haben.

6. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (206) in dem Wandabschnitt an einer Stelle ausgebildet ist, an der die Abgase nach ihrem Eintritt in den Spiralkanal (100) sich um einen bestimmten, zweiten Drehwinkel gedreht haben.

7. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (306) in dem Wandabschnitt an einer Stelle ausgebildet ist, an der sich die Abgase nach ihrem Eintritt in den Spiralkanal (100) um einen bestimmten, dritten Drehwinkel gedreht haben.

8. Abgasturbolader nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einlaßöffnung (102), durch die Abgase in den Spiralkanal (100) eingeführt werden und die Ausnehmung (306) in bezug auf eine Ebene, die die Achse eines in dem Spiralkanal (100) angeordneten Laufrades (104) enthält, auf der gleichen Seite der Ebene wie die Einlaßöffnung (102) angeordnet ist.

9. Verfahren zum Betreiben eines Abgasturboladers für Kraftfahrzeuge, insbesondere eines Abgasturboladers nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
Einführen von Abgasen in einen Spiralkanal (100) und Führen der Abgase, so daß sie ein im wesentlichen spiralförmiges Strömungsmuster annehmen,
Sammeln von teilchenförmigem Material, das in dem Gasstrom enthalten ist, unter Verwendung einer Ausnehmung (106, 206, 306, 406), die in der Wandung des Spiralkanales (100) ausgebildet ist und Gestatten des Herausschleuderns des teilchenförmigen Materiales aus dem Gasstrom in die Ausnehmung (106, 206, 306, 406).

10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch das wahlweise Belüften der Ausnehmung (106, 206, 306, 406) in einer Weise, um das angesammelte teilchenförmige Material zu entfernen.