DE4312078A1 - Abgasturbolader für eine aufgeladene Brennkraftmaschine - Google Patents

Abgasturbolader für eine aufgeladene Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brenn­ kraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE-OS 29 01 041 ist bereits ein Abgasturbolader für eine aufgeladene Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art bekannt. Dieser besitzt eine Turbine und einen Verdichter, wo­ bei im Turbinengehäuse im Bereich der Umlaufkante der Turbi­ nenradrückenseite eine Ringkammer angeordnet ist, die eine Strömungsverbindung zum Spiralkanal der Turbine aufweist. Von der Ringkammer mündet eine Verbindungsleitung aus, die mit ei­ ner von der Druckseite des Verdichters zur Einlaßseite der Brennkraftmaschine führenden Ladeluftleitung verbunden ist, wobei in der Verbindungsleitung ein Steuerventil angeordnet ist.
Zum allgemeinen Hintergrund wird noch auf die Druckschriften DE-OS 25 41 156, DE-PS 30 19 607, DE-OS 31 28 040, DE-PS 35 04 465 und US-PS 4 367 626 verwiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Abgasturbolader konstruktiv einfach und kostengünstig derart auszubilden, daß eine Abgasrückführung schon bei sehr niederen Abgasdrücken an der Einströmseite der Turbine realisierbar ist.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches gegebenen Merkmale gelöst.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung des Abgasturbola­ ders liegt darin, daß durch die vorhandene Gasfördereinrich­ tung bei einer gewollten Abgasrückführung der Abgasdruck an der Einströmseite der Turbine nicht mehr funktionsnotwendig höher sein muß als der Ladeluftdruck in der Ladeluftleitung.
Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 ist eine wegen ihrer Einfachheit und Flexibilität bevorzugte Ausführungsform der Gasfördereinrichtung.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung nach den Ansprüchen 3 und 4 in Verbindung mit der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 wird eine besonders kompakte Bauweise des erfin­ dungsgemäßen Abgasturboladers erreicht.
Ein konstruktiver Vorteil wird durch die erfindungsgemäße Aus­ gestaltung nach Anspruch 5 in Verbindung mit Anspruch 9 er­ zielt, in dem die Abgasturbine des Abgasturboladers und die als Abgasverdichter ausgebildete Gasfördereinrichtung unmittelbar nebeneinander auf der Welle des Abgasturboladers sitzen, wo­ durch die Heißgasseite von der Ladeluftseite des Abgasturbo­ laders getrennt ist.
In der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 wird die Gasfördereinrichtung als Ladeluftpumpe verwendet, wodurch Ladeluft von der Druckseite des Verdichters in die Ab­ gasleitung der Brennkraftmaschine gefördert wird, beispiels­ weise für eine aus stöchiometrischen Gründen erforderliche Luftzufuhr für einen Katalysator.
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 7 erlaubt, je nach Betriebsbedingungen des Motors, einen wahl­ weisen Betrieb der Gasfördereinrichtung als Abgaspumpe oder als Ladeluftpumpe.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung nach Anspruch 10 wird die Gasfördereinrichtung durch die erfindungsgemäß angeordnete Ringkammer nebst Lochwand realisiert, in dem das verhältnismä­ ßig niedere statische Druckniveau der Ladeluft unmittelbar hinter der druckseitigen Verdichterradperipherie ausgenutzt wird.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung hervor.
In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand von mehreren Aus­ führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schemazeichnung einer aufgeladenen Brenn­ kraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Abgas­ turbolader mit einer als Abgasverdichter ausge­ führten Gasfördereinrichtung,
Fig. 2 eine konstruktive Ausführung des Abgasturboladers nebst Abgasverdichter gemäß Fig. 1, wobei der Abgasverdichter an der Verdichterradrückenseite des Verdichterrades eines Verdichters des Abgas­ turboladers angeordnet ist und die Saugseite des Abgasverdichters mit der Einströmseite einer Tur­ bine des Abgasturboladers über eine Gasleitungs­ verbindung verbunden ist,
Fig. 3 eine konstruktive Ausgestaltung der Gasförderein­ richtung, die eine Ringkammer mit Lochwand um­ faßt, wobei die Ringkammer mit der Einströmseite einer Turbine über die Gasleitungsverbindung ver­ bunden ist und an die druckseitige Verdichterrad­ peripherie des Verdichters des Abgasturboladers mündet,
Fig. 4 eine Ausgestaltung der Erfindung mit einem als Ladeluftpumpe ausgeführten zweiten Verdichter, von dem Ladeluft in die Abgasleitung förderbar ist,
Fig. 5 eine Schemazeichnung einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mit einem auf der Turbinenseite des Abgasturboladers angeordneten Abgasverdichter, von dem Abgas in die Ladeluftleitung zurückge­ führt wird und
Fig. 6 eine konstruktive Ausgestaltung der Anordnung von Abgasturbolader und Abgasverdichter gemäß Fig. 5.
Fig. 1 zeigt in einer Schemazeichnung eine aufgeladene Brenn­ kraftmaschine 1, die über eine Ladeluftleitung 2 und über eine Abgasleitung 3 mit einem Abgasturbolader 4 in prinzipiell be­ kannter Weise verbunden ist. In den Fig. 1 bis 6 werden für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet.
Der Abgasturbolader 4 besitzt eine Turbine 5 und einen Ver­ dichter 6, wobei von der Einströmseite 7 der Turbine 5 ein er­ ster Teil 8a einer Gasleitungsverbindung 8 mit einem Steuer­ ventil 9 zur Saugseite 10 eines Abgasverdichters 11 (zweiter Verdichter) führt.
Dieser befindet sich zeilenseitig neben dem Verdichter 6, wobei ein Diffusorkanal 12 des Abgasverdichters 11 in einen Sammel­ kanal 13 des Verdichters 6 mündet. Die Strömungsverbindung zwi­ schen Saugseite 10 des Abgasverdichters 11 und Sammelkanal 13 des Verdichters 6 bildet gleichzeitig den zweiten Teil 8b der Gasleitungsverbindung 8 zwischen Einströmseite 7 der Turbine 5 und Druckseite 34 des Verdichters 6.
Das Steuerventil 9 wird über einen Regler 14 in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 1 und des Abgas­ turboladers 4 gesteuert.
Fig. 2 zeigt eine konstruktive Ausgestaltung des Abgasturbo­ laders 4 von Fig. 1. Die Turbine 5 umfaßt ein Turbinengehäuse 15 und ein Turbinenrad 16 und der Verdichter 6 ein Verdichter­ gehäuse 17 und ein Verdichterrad 18 mit Verdichterradrücken­ seite 19. Turbinengehäuse 15 und Verdichtergehäuse 17 sind an einem Lagergehäuse 20 des Abgasturboladers 4 angeflanscht. Tur­ binenrad 16 und Verdichterrad 18 sitzen auf einer gemeinsamen Welle 21 mit Wellenachse 37, wobei die Welle 21 in Lagern 22 und 23 gelagert ist.
Ein Verdichterrad 24 des Abgasverdichters 11, der eine Gasför­ dereinrichtung 33 bildet, ist an der Verdichterradrückenseite 19 fest mit der Welle 21 verbunden.
Durch ein dem Lagergehäuse 20 zugewandtes Verdichtergehäuseteil 25 des geteilten Verdichtergehäuses 17 führt eine Bohrung 26 zur Saugseite 10 des Abgasverdichters 11. Die andere Seite der Bohrung 26 mündet in den ersten Teil 8a der Gasleitungsverbin­ dung 8 mit Steuerventil 9, die über eine Öffnung 27 mit der Einlaßseite 7 der Turbine 5 verbunden ist.
Der Diffusorkanal 12 des Abgasverdichters 11 mündet direkt in den Sammelkanal 13 (Druckseite 34) des Verdichters 6. Ein Leit­ schaufelkranz 28 mit Leitschaufeln 29 und Leitschaufelkranz­ teilen 30 und 31 ist im Diffusorkanal 12 des Abgasverdichters 11 angeordnet. Der Leitschaufelkranzteil 30 ist mit dem Ver­ dichtergehäuseteil 25 fest verbunden. Das Leitschaufelkranzteil 31 wird von den Leitschaufeln 29 getragen und bildet eine Ka­ nalwand eines Diffusorkanals 32 des Verdichters 6 vor dessen Sammelkanal 13.
In Fig. 3 ist eine weitere Ausgestaltung der Gasfördereinrich­ tung 33 dargestellt. In dem Verdichtergehäuseteil 25 ist eine Ringkammer 35 mit einer Lochwand 36 angeordnet, in der am Um­ fang verteilte, schräg nach außen bezüglich der axialen Rich­ tung der Wellenachse 37 führende Bohrungen 38 angeordnet sind, durch die Abgas in den unmittelbar auf eine druckseitige Ver­ dichterradperipherie 39 folgenden Diffusorkanal 32 des Ver­ dichters 6 einblasbar ist.
In der Ringkammer 35 befindet sich eine Öffnung 40, in die die Gasleitungsverbindung 8 mündet. Diese ist, analog zu Fig. 2, mit der Einströmseite 7 der Turbine 5 verbunden.
Die Umsetzung der kinetischen Energie der Ladeluft an der Saug­ seite in statische Druckenergie auf der Druckseite 34 des Ver­ dichters 6 erfolgt bekanntermaßen zum einen Teil im Verdich­ terrad 18, der als rotierender Diffusor aufgefaßt werden kann, zum anderen Teil im Diffusorkanal 32 und geringfügig im spi­ ralförmigen Sammelkanal 13, was durch den sog. Reaktionsgrad beschrieben wird.
Bei Verwendung von Verdichtern mit relativ kleinem Reaktions­ grad, beispielsweise einem Reaktionsgrad von 0.5, ist die ki­ netische Energie der Ladeluft an der Verdichterradperipherie 39 erst zur Hälfte in statische Druckenergie umgesetzt.
In dem Diffusorkanal 32, unmittelbar nach der Verdichterrad­ peripherie 39, ist bei verhältnismäßig hoher Strömungsgeschwin­ digkeit der Ladeluft deren statischer Druck erst geringfügig höher als unmittelbar an der Verdichterradperipherie 39. Durch diesen verhältnismäßig niederen statischen Druck besteht in den meisten Fällen ein Druckgefälle von der Einströmseite 7 der Turbine 5 zur druckseitigen Verdichterradperipherie 39, wodurch Abgas von der Einströmseite 7 der Turbine 5 zum Diffusorkanal 32 des Verdichters 6 über die Gasleitungsverbindung 8, die Ringkammer 35 und die Bohrungen 38 strömt.
In Fig. 4 ist eine Ausgestaltung der Erfindung mit einem als Ladeluftpumpe ausgeführten zweiten Verdichter 41 dargestellt.
Der Verdichter 41 ist an seiner Saugseite 42 mit einer Verbin­ dungsleitung 43 verbunden, die in den Sammelkanal 13 (Druck­ seite 34) des Verdichters 6 führt. Ein Sammelkanal 44 des Ver­ dichters 41 besitzt eine Auslaßöffnung 45, die in ein Gaslei­ tungsverbindungsteil 8d der Gasleitungsverbindung 8 mündet, die mit der Öffnung 27 auf der Einströmseite 7 der Turbine 5 ver­ bunden ist. Von dem Sammelkanal 44 führt ein Diffusorkanal 56 zum Verdichterrad 57 des zweiten Verdichters 41. In der Abgas­ rückführungsleitung 8d befindet sich ein Steuerventil 46, das in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 1 und des Abgasturboladers 4 regelbar ist.
Ausgehend von Fig. 4 ist in einer weiteren, nicht dargestellten Ausgestaltung der Erfindung von dem Gasverbindungsleitungsteil 8d eine Leitung zur Saugseite 42 des Verdichters 41 und vom Sammelkanal 44 eine weitere Leitung zum Sammelkanal 13 des Ver­ dichters 6 geführt, wobei in beiden Leitungen jeweils ein von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 1 steuerbares Steu­ erventil angeordnet ist. Durch diese Anordnung ist der Ver­ dichter 41 wahlweise als Gasfördereinrichtung 33 für Ladeluft in die Abgasleitung 3 oder für Abgas in die Ladeluftleitung 2 verwendbar. Eine vorteilhafte Wirkung der Ladeluftzuführung in die Abgasleitung 3 ergibt sich beispielsweise bei einer aus stöchiometrischen Gründen notwendigen Luftzufuhr für einen in der Abgasleitung befindlichen Katalysator.
Fig. 5 zeigt eine Schemazeichnung einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mit einem auf einer Turbinenradrückenseite 52 der Turbine 5 des Abgasturboladers 4 angeordneten Abgasverdichter 47, von dem Abgas in die Ladeluftleitung 2 zurückgeführt wird.
Der Abgasverdichter 47 besitzt analog zu Fig. 4 ein Verdich­ terrad 48, eine Saugseite 49 und einen druckseitigen Sammel­ kanal 50.
Von der Abgasleitung 3 zweigt ein Gasleitungsverbindungsteil 8c ab, das mit der Saugseite 49 des Abgasverdichters 47 verbunden ist. Vom Sammelkanal 50 führt das Gasleitungsverbindungsteil 8d zur Ladeluftleitung 2, vorzugsweise hinter einen in der Lade­ luftleitung 2 angeordneten Ladeluftkühler 51.
Fig. 6 zeigt eine konstruktive Ausgestaltung des Abgasturbola­ ders 4 aus der Schemazeichnung von Fig. 5.
Der Abgasverdichter 47 ist an der Turbinenradrückenseite 52 des Turbinenrades 16 angeordnet. Das Verdichterrad 48 ist fest mit der Welle 21 verbunden. Von einer Öffnung 53, die in einem der Einströmseite 7 anschließenden Spiralkanalteil 54 eines Spiral­ kanales 55 der Turbine 5 angeordnet ist, führt das Gasleitungs­ verbindungsteil 8c zur Saugseite 49 des Abgasverdichters 47. Der Sammelkanal 50 mündet in das Gasleitungsverbindungsteil 8d, das gemäß Fig. 5 zur Ladeluftleitung 2 führt.

Claims (10)

1. Abgasturbolader für eine aufgeladene Brennkraftmaschine, wobei der Abgasturbolader mindestens eine Turbine und minde­ stens einen Verdichter aufweist und die Turbine ein Turbinen­ gehäuse mit einem spiralförmigen Strömungsleitkanal, ein Tur­ binenrad, eine Einströmseite und eine Ausströmseite besitzt und der Verdichter ein Verdichtergehäuse mit einem Sammelkanal, einen Diffusorkanal, ein Verdichterrad, eine Druckseite und eine Saugseite umfaßt und das Turbinenrad und das Verdichterrad durch eine gemeinsame Welle verbunden sind und das Turbinenge­ häuse und das Verdichtergehäuse zusammen mit einem Lagergehäuse ein Abgasturboladergehäuse bilden und zwischen Einströmseite der Turbine und der Druckseite des Verdichters eine Gasleitungs­ verbindung mit mindestens einem Steuerventil angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gasleitungsverbindung (8) eine Gasfördereinrichtung (33) zur Förderung von Gas zwischen der Einströmseite (7) der Turbine (5) und der Druckseite (34) des Verdichters (6) ange­ ordnet ist.
2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasfördereinrichtung (33) einen zweiten Verdichter (11, 41, 47) umfaßt, der ein auf der gemeinsamen Welle (21) sitzendes Verdichterrad (24, 48, 57), einen Sammelkanal (44, 50), einen Diffusorkanal (12, 56) und eine Saugseite (10, 42, 49) aufweist.
3. Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Teil (8a) der Gasleitungsverbindung (8) an die Saugseite (10) des zweiten Verdichters (11) mündet und der Diffusorkanal (12) des zweiten Verdichters (11) in den Sammel­ kanal (13) des ersten Verdichters (6) mündet.
4. Abgasturbolader nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Diffusorkanal (12) des zweiten Verdichters (11) ein Leitschaufelkranz (28) mit Leitschaufeln (29) und Leitschaufel­ kranzteilen (30, 31) angeordnet ist, dessen Leitschaufelkranz­ teil (31) eine Kanalwand des Diffusorkanals (32) des ersten Verdichters (6) bildet.
5. Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelkanal (50) des zweiten Verdichters (47) in ein zur Gasleitungsverbindung (8) gehörendes Gasleitungsverbin­ dungsteil (8d) mündet, das mit einer Ladeluftleitung (2) der Brennkraftmaschine (1) verbunden ist und daß die Saugseite (49) des zweiten Verdichters (47) über ein Gasleitungsverbindungs­ teil (8c) mit der Einströmseite (7) der Turbine (5) verbunden ist, wobei in der Gasleitungsverbindung (8) ein Steuerventil (9) angeordnet ist.
6. Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelkanal (44) des zweiten Verdichters (41) mit dem mit der Einströmseite (7) der Turbine (5) verbundenen Gaslei­ tungsverbindungsteil (8d) der Gasleitungsverbindung (8) ver­ bunden ist und daß der Sammelkanal (13) des ersten Verdichters (6) und die Saugseite (42) des zweiten Verdichters (41) mit einer Verbindungsleitung (43) verbunden sind.
7. Abgasturbolader nach Anspruch 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Gasleitungsverbindungsteil (8d) eine Leitung zur Saugseite (42) des zweiten Verdichters (41) führt und daß der Sammelkanal (44) des zweiten Verdichters (41) mit einer wei­ teren Leitung mit dem Sammelkanal (13) des Verdichters (6) verbunden ist, wobei beide Leitungen mindestens ein von Be­ triebsparametern der Brennkraftmaschine steuerbares Steuerven­ til aufweisen.
8. Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Verdichter (11, 41) auf einer Verdichterrad­ rückenseite (19) des Verdichterrades (18) des Verdichters (6) angeordnet ist.
9. Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Verdichter (47) auf der Turbinenradrückenseite (52) des Turbinenrades (16) angeordnet ist.
10. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasfördereinrichtung (33) eine im Verdichtergehäuse (17) angeordnete Ringkammer (35) mit einer Lochwand (36) um­ faßt, durch die Abgas in einen unmittelbar auf die druckseitige Verdichterradperipherie (39) folgenden Diffusorkanal (32) des Verdichters (6) einblasbar ist, in dem der statische Druck nur geringfügig höher gegenüber der druckseitigen Verdichterrad­ peripherie (39) ist und die Gasförderung durch das Druckgefälle von der Einströmseite (7) der Turbine (5) zum Diffusorkanal (32) des Verdichters (6) erfolgt.
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