DE4011818C2 - Exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine - Google Patents

Exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to an exhaust gas turbocharger for Internal combustion engine according to the preamble of claim 1.

Ein Abgasturbolader der gattungsgemäßen Bauart ist aus der DE-PS 9 62 764 bekannt.An exhaust gas turbocharger of the generic type is from the DE-PS 9 62 764 known.

Aus der DE-OS 31 35 362 ist ein Gasturbinentriebwerk für den Antrieb eines Kraftfahrzeuges bekannt, bei welchem dem Laufrad einer Arbeitsturbine ein weiteres Turbinenlaufrad zur zusätz­ lichen Ausnutzung der Restenergie der das Arbeitsturbinenlauf­ rad verlassenden Gase nachgeschaltet ist. Über die Ausbildung eines zur Wirkungsgradverbesserung einer Brennkraftmaschine vorgesehenen Abgasturboladers ist nichts ausgesagt. Dasselbe gilt für die aus der DD-PS 2 19 813 bekannte Kleingasturbine.From DE-OS 31 35 362 is a gas turbine engine for the Drive of a motor vehicle known, in which the impeller a working turbine another turbine impeller for additional Lichen utilization of the residual energy of the working turbine run gases leaving the wheel is connected. About training one to improve the efficiency of an internal combustion engine The proposed exhaust gas turbocharger says nothing. The same thing applies to the small gas turbine known from DD-PS 2 19 813.

Aus der US-PS 48 43 813 ist ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine bekannt, dessen Turbinenlaufrad von einem relativ zu diesem drehbar gelagerten Turbinenleitrad konzen­ trisch umgeben ist. Dabei kann sowohl von dem Turbinenlaufrad als auch von dem Turbinenleitrad Leistung abgezweigt werden. Wie ein Abgasturbolader im Hinblick auf eine derartige Lei­ stungsverzweigung auszubilden ist und wie die Leistungsver­ zweigung bauraumsparend realisiert werden kann, hierzu sagt die US-PS 48 43 813 nichts aus. From US-PS 48 43 813 is an exhaust gas turbocharger for one Internal combustion engine known, the turbine wheel of one Concentrate relative to this rotatably mounted turbine idler is surrounded. Both the turbine impeller as well as power from the turbine stator. Like an exhaust gas turbocharger with regard to such a Lei Training branch is to be trained and how the branch can be realized in a space-saving manner, says the US-PS 48 43 813 nothing.  

Die vorliegende Erfindung macht sich zur Aufgabe, die Bauform des Turboladers kompakter zu gestalten und den Wirkungsgrad der Turbine zwischen dem unteren und dem oberen Teillastbereich zu verbessern.The object of the present invention is the design to make the turbocharger more compact and the efficiency of the Turbine between the lower and the upper part load range improve.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.The task is according to the invention by the characteristic Features of claim 1 solved.

Hierbei wird das Turbinenleitrad in das Spiralgehäuse der Tur­ bine verlegt und so angeordnet, daß es das Turbinenlaufrad konzentrisch umgibt. Die Schaufeln des Turbinenleitrades be­ finden sich dabei im Überströmkanal der Turbinenspirale. Mit dem Turbinenleitrad ist eine Welle eines Untersetzungsgetriebes verbunden, über das die vom Abgas an den Schaufeln des Turbi­ nenleitrades geleistete Arbeit an einen Leistungsaufnehmer weitergegeben wird. Das Untersetzungsgetriebe befindet sich zwischen dem Verdichter und dem Turbinengehäuse und ist dort im Ladergehäuse gelagert, wobei die Welle des Untersetzungsge­ triebes hohl ausgebildet ist und die Antriebswelle der Turbine umgibt. Aufgrund dieser Anordnung des Getriebes sowie der In­ tegration des Turbinenleitrades in das Turbinengehäuse wird eine kompaktere Bauform des Turboladers erreicht. Die Unter­ setzung des Getriebes wird durch eine Turbinendrehzahlregelung am Leistungsabnehmer in der Weise gesteuert, daß bei niedriger Drehzahl des Turbinenlaufrades - also im unteren bis oberen Teillastbereich - das Getriebe blockiert ist und bei hoher Drehzahl in höheren Lastbereichen das Getriebe freigegeben wird. Durch die Blockade des Getriebes im Teillastbereich steht das Turbinenleitrad still, wirkt dabei als Leitgitter zur bes­ seren Anströmung des Turbinenlaufrades. Die Leitschaufeln sind deshalb in vorteilhafter Weise im Überströmkanal des Turbinen­ gehäuses angeordnet. Durch die dadurch erzielten günstigeren Anströmbedingungen für das Turbinenlaufrad wird der Wirkungs­ grad in der Turbine im Teillastbereich verbessert. Mit der Verlegung des Turbinenwellenlagers in die Nabe des verdichterseitigen Lufteinlaufgehäuses wird die Temperaturbe­ lastung des Lagers vermindert und damit seine Lebensdauer er­ höht.Here, the turbine idler is in the spiral casing of the door bine laid and arranged so that it is the turbine wheel concentrically surrounds. The blades of the turbine stator be can be found in the overflow channel of the turbine spiral. With the turbine idler is a shaft of a reduction gear connected, through which the exhaust gas on the blades of the Turbi work on a power sensor is passed on. The reduction gear is located between the compressor and the turbine housing and is there in the Loader housing mounted, the shaft of the reduction gear drive is hollow and the drive shaft of the turbine surrounds. Due to this arrangement of the transmission and the In tegration of the turbine idler in the turbine housing achieved a more compact design of the turbocharger. The sub The transmission is set by a turbine speed control controlled on the power consumer in such a way that at lower Speed of the turbine impeller - i.e. in the lower to the upper Partial load range - the transmission is blocked and at high Speed in higher load ranges the gearbox is released becomes. Due to the blockage of the gearbox in the partial load range the turbine idler idle, acts as a guide grill for the bes seren inflow of the turbine impeller. The guide vanes are therefore in an advantageous manner in the overflow duct of the turbine arranged housing. By the cheaper achieved thereby The inflow conditions for the turbine impeller become the effect degrees in the turbine in the partial load range improved. With the  Laying the turbine shaft bearing in the hub of the the air inlet housing on the compressor side is the temperature load on the bearing is reduced and thus its lifespan increases.

Durch die zusätzliche Ausbildung des Turbinenleitrades aus ei­ nem keramischen Werkstoff wird die Fliehkraftbelastung des Turbinenleitrades aufgrund der niedrigen Dichte von Keramik gering gehalten. Dabei nimmt das Massenträgheitsmoment des Ab­ triebs ab und gleichzeitig sein Ansprechverhalten zu. Zur Sta­ bilität des Turbinenleitrades sind darüber hinaus kreisring­ förmige Deckscheiben nach Anspruch 4 vorgesehen, zwischen denen die Schaufeln angeordnet und befestigt sind.Due to the additional formation of the turbine idler from egg nem ceramic material, the centrifugal force of the Turbine stator due to the low density of ceramics kept low. The moment of inertia of the Ab drifted off and at the same time its responsiveness. To Sta the turbine idler are also circular shaped cover plates according to claim 4 provided between which the blades are arranged and fastened.

In der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung wird ein Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.In the following description of the drawing, an exec Example of the invention explained in more detail.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 den erfindungsgemäßen Abgasturbolader in einem Längsschnitt; Figure 1 shows the exhaust gas turbocharger according to the invention in a longitudinal section.

Fig. 2 das Turbinenlaufrad und das Turbinenleitrad des Abgasturboladers im Schnitt gemäß der Linie II-II aus Fig. 1. Fig. 2 shows the turbine wheel and the turbine nozzle of the turbocharger in the section along the line II-II in FIG. 1.

Der in Fig. 1 dargestellte Abgasturbolager umfaßt einen Ver­ dichter 1, die sich aus einem Spiralgehäuse 2 und einem Laufrad 3 zusammensetzt; sowie einer Turbine 4, die aus einem Spiral­ gehäuse 5 und einem Laufrad 6 sowie einem Leitrad 7 besteht. Beide Spiralgehäuse sind seitlich an einem Ladergehäuse 8 angeflanscht. Die Laufräder 3 und 6 sind mit einer Turbinen­ welle 9 drehfest verbunden, welches über Wälzlager 10 in einer Nabe 11 in einem verdichterseitigen Lufteinlaßgehäuse 12 gelagert ist. Des weiteren ist im Ladergehäuse 8 zwischen dem Verdichtergehäuse 2 und dem Turbinengehäuse 5 ein Unterset­ zungsgetriebe 13 gelagert, welches hier aus einer Zahnradwelle 14 und einem Zahnrad 15 besteht. Am Zahnrad 15 sind Leistungs­ abnehmer angeschlossen, die beispielsweise eine Kühlmittel­ pumpe, einen Lüfter oder Generatoren darstellen können, welche hier nicht näher bezeichnet werden. Die Zahnradwelle 14 ist dabei hohl ausgebildet und umgibt die Turbinenwelle 9.The exhaust gas turbocharger shown in Fig. 1 comprises a United poet 1 , which is composed of a volute casing 2 and an impeller 3 ; and a turbine 4 , which consists of a spiral housing 5 and an impeller 6 and a stator 7 . Both volute casings are flanged to the side of a charger casing 8 . The impellers 3 and 6 are rotatably connected to a turbine shaft 9 , which is mounted on roller bearings 10 in a hub 11 in a compressor-side air inlet housing 12 . Furthermore, a reduction gear 13 is mounted in the charger housing 8 between the compressor housing 2 and the turbine housing 5 , which here consists of a gear shaft 14 and a gear 15 . Power consumers are connected to the gear 15 , which can represent, for example, a coolant, a fan or generators, which are not described in more detail here. The gear shaft 14 is hollow and surrounds the turbine shaft 9 .

Gemäß Fig. 2 besteht das Leitrad 7 der Turbine 4 aus einer Kreisscheibe 16, welche als Nabe eine hülsenförmige Durchfüh­ rung 17 aufweist. Am Umfangsbereich der Kreisscheibe 16 sind Leitschaufeln 18, die vorzugsweise aus Keramik bestehen sollen, mit einer Klebeverbindung auf der Kreisscheibe 16 befestigt. Der Durchmesser der Kreisscheibe ist dabei so festgelegt, daß die an ihrem Umfangsbereich 19 angeordneten Leitschaufeln 18 innerhalb eines Überströmkanals 20 zwischen Laufrad 6 und einem Spiralkanal im Spiralgehäuse 5 liegen. Die innerhalb des Über­ strömkanals 20 angeordneten Leitschaufeln 18 umgeben dabei die Schaufeln 21 des Turbinenlaufrades 6 konzentrisch, und zwar derart, daß sich bis auf einen Spalt der radiale Bereich der Schaufeln 21 unmittelbar an die Leitschaufeln radial außen an­ schließt. Zur Stabilisierung der Schaufeln 18 gegen die Fliehkraftbelastung können zusätzlich an ihren Enden 22 und 23 zwei kreisringförmige Deckscheiben 24 und 25 angebracht werden, wobei die Deckscheibe 24 die Enden 22 und die Deckscheibe 25 alle Enden 23 untereinander verbindet. Dabei kann die Deck­ scheibe 24 auf der Kreisscheibe 16 geklebt sein. Das Leitrad 7 ist schließlich über die Durchführung 17 der Kreisscheibe 16 mit der Zahnradwelle 14 des Getriebes 13 an deren arbeitsturbinenseitigem Ende 26 durch einen Preßsitz 27 gekop­ pelt.Referring to FIG. 2 7, the stator of the turbine 4 of a circular disc 16 which tion as a hub, a sleeve-shaped imple 17 has. At the circumferential area of the circular disk 16 , guide vanes 18 , which should preferably be made of ceramic, are fastened to the circular disk 16 with an adhesive connection. The diameter of the circular disk is determined such that the guide vanes 18 arranged on its peripheral region 19 lie within an overflow channel 20 between the impeller 6 and a spiral channel in the spiral housing 5 . The arranged within the overflow channel 20 guide vanes 18 surround the blades 21 of the turbine impeller 6 concentrically, in such a way that, except for a gap, the radial region of the blades 21 directly adjoins the guide blades radially on the outside. To stabilize the blades 18 against the centrifugal force, two circular cover plates 24 and 25 can additionally be attached to their ends 22 and 23 , the cover plate 24 connecting the ends 22 and the cover plate 25 connecting all ends 23 to one another. The cover disc 24 can be glued to the circular disc 16 . The stator 7 is finally on the implementation 17 of the circular disc 16 with the gear shaft 14 of the transmission 13 at the turbine end 26 gekop pelt by a press fit 27 .

Claims (4)

1. Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit einer Arbeitsturbine (4), die ein Turbinenlaufrad (6), das über eine in einem Gehäuseteil des Abgasturboladers gelagerte Turbinenwelle (4) mit einem Verdichterlaufrad (3) eines Verdichters (1) verbunden ist und ein Turbinenleitrad aufweist, das über eine Welle mit einem Untersetzungsgetriebe verbunden ist; das mit einem Leistungsabnehmer der Brennkraftmaschine in Antriebsverbindung steht und von diesem abschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß Turbinenlaufrad (6) und Turbinenleitrad (7) der Arbeitsturbine von einem Spiralgehäuse (5) umgeben sind, daß das Turbinenleitrad (7) mit seinen Leitschaufeln (18) das Turbinenlaufrad (6) konzentrisch umgibt, wobei die Leitschaufeln (18) in einem Überströmkanal (20) zwischen Spiralgehäuse (5) und Turbinenlaufrad (6) angeordnet sind, daß das Untersetzungsgetriebe (13) im Ladergehäuse (8) angeordnet ist und eine hohle, die Turbinenwelle (9) umgebende und mit dem Turbinenleitrad (7) verbundenne Zahnradwelle (14) und ein Abtriebszahnrad (15) besitzt, daß die Turbinenwelle (9) im Bereich eines Lufteinlaßgehäuses (12) des Verdichters (1) gelagert ist, und daß im unteren bis zum oberen Teillastbereich der Brennkraftmaschine das Untersetzungsgetriebe (13) blockiert, und in höheren Lastbereichen der Brennkraftmaschine gelöst ist. 1. The exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine with a power turbine (4) comprising a turbine wheel (6) connected to a compressor impeller (3) of a compressor (1) is connected via a shaft supported in a housing part of the turbocharger turbine shaft (4) and having a turbine nozzle , which is connected via a shaft to a reduction gear; standing, and with a power takeoff of the engine in driving connection can be switched off by the latter, characterized in that the turbine wheel (6) and turbine nozzle (7) of the power turbine are surrounded by a spiral housing (5), that the turbine nozzle (7) with its vanes (18 ) surrounds the turbine impeller ( 6 ) concentrically, the guide vanes ( 18 ) being arranged in an overflow channel ( 20 ) between the spiral housing ( 5 ) and the turbine impeller ( 6 ), that the reduction gear ( 13 ) is arranged in the supercharger housing ( 8 ) and is hollow , The turbine shaft ( 9 ) surrounding and with the turbine idler ( 7 ) connected gear shaft ( 14 ) and an output gear ( 15 ) that the turbine shaft ( 9 ) is mounted in the region of an air inlet housing ( 12 ) of the compressor ( 1 ), and that the reduction gear ( 13 ) is blocked in the lower to the upper part-load range of the internal combustion engine, and the brake in higher load ranges engine is solved. 2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenleitrad (7) eine Kreisscheibe (16) aufweist, die eine konzentrische Durchführung besitzt, welche auf der dem Verdichter (1) zugewandten Seite als Hülse (17) ausgebildet ist.2. Exhaust gas turbocharger according to claim 1, characterized in that the turbine idler ( 7 ) has a circular disc ( 16 ) which has a concentric passage which is formed on the side facing the compressor ( 1 ) as a sleeve ( 17 ). 3. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (17) und die Steuerwelle (14) am turbinenseitigen Ende (26) durch einen Preßsitz (27) drehfest miteinander verbunden sind.3. Exhaust gas turbocharger according to one of claims 1 or 2, characterized in that the sleeve ( 17 ) and the control shaft ( 14 ) at the turbine end ( 26 ) are rotatably connected to each other by a press fit ( 27 ). 4. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (18) des Turbinenleitrades (7) mit ihren turboseitigen und verdichterseitigen Enden (23, 22) über je eine kreisringförmige Deckscheibe (25, 24) miteinander verbunden sind.4. Exhaust gas turbocharger according to one of claims 1 to 3, characterized in that the guide vanes ( 18 ) of the turbine stator ( 7 ) with their turbo-side and compressor-side ends ( 23 , 22 ) are each connected to one another via an annular cover plate ( 25, 24 ).
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