DE4008508A1 - Wenigstens zweiflutige abgasturbine eines abgasturboladers fuer mehrzylindrige hubkolben-brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine wenigstens zweiflutige Abgasturbine eines Abgasturboladers für mehrzylindrige Hubkolben-Brennkraft­ maschinen mit einem einen Anschlußstutzen aufweisenden Spiral­ gehäuse, wobei die Flutungskanäle einander benachbart sind und in der bzw. jeder Trennwand zwischen den Flutungskanälen mindestens eine verschließbare Überströmöffnung vorgesehen ist.

Bei einer bekannten Abgasturbine dieser Art (DE-OS 31 45 835) ist die verschließbare Überströmöffnung in der Trennwand zwischen den Flutungskanälen stromaufwärts der Abgasturbine in einem bestimmten, wenn auch gegebenenfalls vergleichsweise geringen Abstand von ihr angeordnet, wobei der Zweck dieser Anordnung darin bestehen soll, die Abgasturbine in einem unteren Leistungsbereich der Brennkraftmaschine mit geschlosse­ ner Überströmöffnung im Stoßbetrieb und in einem oberen Lei­ stungsbereich bei geöffneter Überströmung im Staubetrieb zu betreiben. Dabei dürfte im letzteren Fall aber eigentlich nicht von einem Staubetrieb, sondern nur von einem abgeschwächten Stoßbetrieb gesprochen werden. Nachteilig ist bei dieser Konstruktion, daß, da die Überströmöffnung stromaufwärts vor der Abgasturbine bzw. dem eigentlichen Spiralgehäuse der Turbine liegt, sich die durch die Überströmöffnung tretende Druckwelle in zwei Teilwellen, und zwar eine in Strömungsrich­ tung und eine entgegen laufende Teilwelle teilt. Die entgegen der Strömungsrichtung laufende Druckwelle erhöht aber die Ausschiebearbeit und vergrößert dadurch den Kraftstoffver­ brauch. Außerdem ergibt sich keine ausreichende Vergleich­ mäßigung der Druckbeaufschlagung des Turbinenlaufrades, weil die im Spiralgehäuse ankommenden Druck- oder Stoßwellen innerhalb der voneinander getrennten Spiralkanäle ohne gegenseitigen Ausgleich voll zur Wirkung kommen. Die mangelnde Vergleichmäßigung führt aber zu einer Verschlechte­ rung des Wirkungsgrades und dadurch zu einer weiteren Erhöhung des Kraftstoffverbrauches. Schließlich ist es auch ungünstig, die Überströmöffnung im Bereich der Flutungskanäle vor dem Spiralgehäuse anzuordnen, weil dort die Kanalquerschnitte größer, somit die Druckamplituden niedriger, demnach auch die Druckunterschiede in den Kanälen kleiner und dadurch die Ausgleichswirkung der Überströmöffnung geringer ist. Gleiches gilt für eine andere bekannte Konstruktion (US-PS 34 23 926), bei der die Überströmöffnung im Anschlußstutzen und somit in Strömungsrichtung vor dessen Hinterende angeordnet ist.

Demnach liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu beseitigen und die eingangs geschilderte Abgasturbine so zu verbessern, daß der Ladedruck im oberen Leistungsbereich herabgesetzt, eine Vergleichmäßigung der Druckbeaufschlagung des Laufrades erzielt und insgesamt ein günstigerer Wirkungs­ grad des Turboladers erreicht werden, was eine Verringerung des Kraftstoffverbrauches und der Motorbelastung zur Folge hat.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß die bzw. die in Strömungsrichtung erste Überströmöffnung im Anschluß an das in Strömungsrichtung hintere Ende des geschlossenen Mantels des Anschlußstutzens innerhalb des Spiralgehäuses selbst angeordnet ist.

Die Überströmöffnung bzw. -öffnungen ist bzw. sind demnach mit maximalem Abstand von den Zylindern der Brennkraftmaschine angeordnet, wodurch die ungünstige Rückwirkung auf den Motor herabgesetzt ist. Die gesamte durch die Überströmöffnung bzw. -öffnungen laufende Druckwelle wird nicht geteilt, sondern wirkt im benachbarten Spiralkanal auf das Turbinenrad. Da die Spiralkanäle des Turbinengehäuses im Vergleich mit den übrigen Flutungskanälen die engsten Querschnitte aufweisen, sind in den Spiralkanälen die Druckamplituden höher als in den vor dem Spiralgehäuse liegenden Flutungskanälen, wodurch sich ein höheres Druckgefälle zwischen den benachbarten Kanälen und damit eine beträchtlich verbesserte Ausgleichswirkung in der Überströmöffnung bzw. in den Überströmöffnungen ergibt. Durch die Übertrittsöffnung bzw. -öffnungen in der Trennwand des Spiralgehäuses wird jede im Spiralgehäuse ankommende Druckwelle auf die Kanäle aufgeteilt, so daß es zu einer guten Vergleich­ mäßigung der Druckbeaufschlagung des Turbinenlaufrades bzw. zu einer wesentlichen Verminderung der Ungleichförmigkeit der Drehgeschwindigkeit des Laufrades im Stoßbetrieb kommt. Durch diese Vergleichmäßigung der Drehbewegung des Laufrades werden schließlich ein besserer Wirkungsgrad des Turboladers und damit ein günstigerer Kraftstoffverbrauch erzielt.

Eine besonders einfache Konstruktion der Abgasturbine wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß zum Verschließen der Überströmöffnung bzw. -öffnungen ein an der Trennwand gelager­ ter, etwa um die Turbinenachse verdrehbarer Flachschieber vorgesehen ist, der gegebenenfalls Öffnungen aufweist, die mit den der ersten Überströmöffnung folgenden Überströmöffnungen zur Deckung bringbar sind. Diese Ausbildung ist besonders geeignet, wenn mehrere Überströmöffnungen in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind, weil diese mit nur einem Flachschieber gemeinsam geöffnet bzw. verschlossen werden können. Zur Betätigung des Flachschiebers ist ein Stellelement vorgesehen, das über einen Mikroprozessor steuer- bzw. regelbar ist und/oder zumindest eine Motorbetriebsgröße berücksichtigt. Vorzugsweise erfolgt das Umschalten bzw. Öffnen und Schließen in Abhängigkeit von mindestens einem vom Luftdurchsatz oder von der Motorleistung abhängigen Parameter, insbesondere vom Ladedruck.

Eine andere Möglichkeit zum Öffnen und Schließen der Überström­ öffnung bzw. jeder Überströmöffnung besteht darin, daß die bzw. jede Überströmöffnung mit einem zur Trennwand parallelen Schwenkdeckel versehen ist, der an der der Trennwand abgekehr­ ten Seite einen Flügelansatz zur Beaufschlagung durch den Abgasstrom aufweist und dessen zur Trennwand normale Schwenk­ achse in der Schließstellung oberhalb seines Schwerpunktes liegt. Durch diese besondere Anordnung der Schwenkachse ist gewährleistet, daß der Schwenkdeckel bei nachlassendem Druck des Abgasstromes zufolge der Schwerkraftwirkung in die Schließstellung zurückkehrt, so daß sich eine Rückholfeder od. dgl. erübrigt.

Schließlich ist es besonders einfach, wenn die bzw. jede Überströmöffnung mit einem zur Trennwand parallelen Schwenk­ deckel versehen ist, an dem ein Bimetallelement angreift. In diesem Fall wird selbstverständlich zum Öffnen bzw. Schließen die Abgastemperatur als Parameter herangezogen, wobei die Temperatur mit höherer Motorbelastung zunimmt, bei der dann die Überströmöffnung bzw. -öffnungen geöffnet wird bzw. werden.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in mehreren Ausführungsbeispielen etwas vereinfacht dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine Abgasturbine mit nur einer durch einen Schieber verschließbaren Überströmöffnung zwischen den Flutungs­ kanälen in achsnormalen Schnitt,

Fig. 2 diese Turbine im Axialschnitt,

Fig. 3 und 4 eine Abgasturbine mit mehreren durch einen ver­ drehbaren Flachschieber verschließbaren Überströmöffnun­ gen in der den Fig. 1 und 2 entsprechenden Darstellungs­ weise,

Fig. 5 und 6 eine weitere Ausführungsöglicheit ebenfalls im achsnormalen Schnitt und im Axialschnitt und

Fig. 7 einen Teil einer Abgasturbine mit einer temperaturunab­ hängig verschließbaren bzw. zu öffnenden Überströmöff­ nung im achsnormalen Schnitt.

Ein Abgasturbolader für eine mehrzylindrige Hubkolben-Brenn­ kraftmaschine weist eine zweiflutige Abgasturbine auf, die ein Spiralgehäuse 1 mit einem Anschlußstutzen 2 besitzt, der einen geschlossenen Mantel aufweist. Über den Anschlußstutzen 2 werden der Abgasturbine die Abgase der Hubkolben-Brennkraftma­ schine zugeführt, wofür zwei unmittelbar benachbarte (nicht dargestellte) Leitungen dienen. Selbstverständlich sind auch der Anschlußstutzen 2 und das Spiralgehäuse 1 durch eine Trennwand 3 in zwei Flutungskanäle unterteilt, die selbstver­ ständlich im Spiralgehäuse 1 gegen das Laufrad 4 der Turbine offen sind. Gemäß den Fig. 1 und 2 ist die Trennwand 3 im Anschluß an das in Strömungsrichtung hintere Ende des geschlos­ senen Mantels des Anschlußstutzens 2 innerhalb des Spiralgehäu­ ses 1 zwischen den beiden Flutungskanälen mit einer Überström­ öffnung 5 versehen, die mittels eines Schiebers 6 verschlossen werden kann. Die Schieberstange 7 steht mit einem federbelaste­ ten Kolben 8 über die Öffnung 10 mit dem Ladedruck beaufschlag­ bar ist, so daß sich der Schieber 6 bei ansteigendem Ladedruck gegen die den Kolben 8 belastende Feder öffnet.

In der Trennwand 3 können aber auch, wie die Fig. 4 bis 6 zeigen, zwei oder mehr Überströmöffnungen 5, 5 a, 5 b angeordnet sein, wobei aber die in Strömungsrichtung erste Überströmöff­ nung 5 stets im Anschluß an das hintere Ende des Anschluß­ stutzens 2 vorgesehen ist. Zum Verschließen der Überström­ öffnungen 5, 5 a, 5 b dient gemäß den Fig. 3 und 4 ein an der Trennwand 3 gelagerter, etwa um die Turbinenachse verdrehbarer Flachschieber 11, der Öffnungen 5′, 5′′ aufweist, die mit den Überströmöffnungen 5 a, 5 b beim Verdrehen des Flachschiebers 11 gleichzeitig mit der Freigabe der Überströmöffnungen 5 zur Deckung bringbar sind. Das Verdrehen des Flachschiebers 11 kann mit Hilfe eines beliebigen Zug- bzw. Druckelementes 12 erfol­ gen, für das ein Stellelement 12 a vorgesehen ist. Das Stellele­ ment 12 a kann über einen die Motorbetriebsgrößen erfassenden Mikroprozessor 12 b beaufschlagbar sein. Zweckmäßig ist es, als Eingangsgröße den Ladendruck, die Umgebungs- und/oder Ladeluft­ temperatur oder die Motordrehzahl zu verarbeiten.

Wie in den Fig. 5 und 6 dargestellt, ist für die beiden Über­ strömöffnungen 5, 5 a an der Trennwand 3 je ein zu ihr paralle­ ler Schwenkdeckel 13 befestigt, dessen Schwenkachse 14, die selbstverständlich normal zur Trennwand 3 verläuft, in der Schließstellung des Schwenkdeckels 13 oberhalb seines Schwer­ punktes liegt. Jeder Schwenkdeckel 13 weist an seiner der Trennwand 3 abgekehrten Seite einen Flügelansatz 15 zur Be­ aufschlagung durch den Abgasstrom auf, so daß bei starker Strömung ein selbständiges Öffnen der Schwenkdeckel 13 erfolgt, die bei Nachlassen der Strömung durch die Schwerkraft wieder in ihre Schließstellung zurückkehren. An den Schwenkdeckeln 13 kann aber auch ein Bimetallelement 16 angreifen (Fig. 7), so daß das Öffnen bzw. Schließen der Schwenkdeckel 13 in Abhängig­ keit von der Abgastemperatur vor sich geht.

Claims (5)

1. Wenigstens zweiflutige Abgasturbine eines Abgasturboladers für mehrzylindrige Hubkolben-Brennkraftmaschinen mit einem einen Anschlußstutzen aufweisenden Spiralgehäuse, wobei die Flutungskanäle einander benachbart sind und in der bzw. jeder Trennwand zwischen den Flutungskanälen mindestens eine ver­ schließbare Überströmöffnung vorgesehen ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die bzw. die in Strömungsrichtung erste Über­ strömöffnung (5) im Anschluß an das in Strömungsrichtung hintere Ende des geschlossenen Mantels des Anschlußstutzens (2) innerhalb des Spiralgehäuses (1) selbst angeordnet ist.

2. Abgasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verschließen der Überströmöffnung bzw. -öffnungen (5, 5 a, 5 b) ein an der Trennwand (3) gelagerter, etwa um die Turbinen­ achse verdrehbarer Flachschieber (11) vorgesehen ist, der ge­ gebenenfalls Öffnungen (5′, 5′′) aufweist, die mit den der ersten Überströmöffnungen (5) folgenden Überströmöffnungen (5 a, 5 b) zur Deckung bringbar sind (Fig. 3 und 4).

3. Abgasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß die bzw. jede Überströmöffnung (5, 5 a) mit einem zur Trennwand (3) parallelen Schwenkdeckel (13) versehen ist, der an der der Trennwand (3) abgekehrten Seite einen Flügelansatz (15) zur Beaufschlagung durch den Abgasstrom aufweist und dessen zur Trennwand (3) normale Schwenkachse (14) in der Schließstellung oberhalb seines Schwerpunktes liegt (Fig. 5 und 6).

4. Abgasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bzw. jede Überströmöffnung (5) mit einem zur Trennwand (3) parallelen Schwenkdeckel (13) versehen ist, an den ein Bime­ tallelement (16) angreift (Fig. 7).

5. Abgasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Betätigung des Flachschiebers (11) ein Stellelement (12 a) vorgesehen ist, das über einen Mikroprozessor (12 b) steuer- bzw. regelbar ist und/oder zumindest eine Betriebsgröße der Brennkraftmaschine berücksichtigt.