DE602004013133T2

DE602004013133T2 - Kompakter Entwurf einer Turbine und eines Abblaseventils

Info

Publication number: DE602004013133T2
Application number: DE602004013133T
Authority: DE
Inventors: Johan Wallesten
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2024-06-30
Also published as: EP1612385A1; EP1612385B1; DE602004013133D1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Patentanmeldung bezieht sich auf eine Abgasturbine für einen Abgasturbolader und insbesondere auf eine Abgasturbine für Abgasturbolader in Kraftfahrzeugen mit einem kompakten Konstruktionsentwurf, der eine gleichmäßige Strömung von Gasen zu einem direkt gekoppelten katalytischen Umsetzer schafft, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Hintergrund der Erfindung
Turbolader werden verwendet, um die Leistungsdichte von Brennkraftmaschinen zu vergrößern. In Benzinmotoren muss der Ladedruck nach dem Kompressor gesteuert werden, um ein Klopfen zu vermeiden. Ein Ladedrucksteuerventil steuert die Strömungsrate in der Turbine und dadurch die Kompressorleistung.
Bei einem typischen Entwurf von Turbinen-/Abgasauslass treten der Turbinenauslass und der Abgasauslass in ein kleines Volumen ein, das zu einem direkt gekoppelten katalytischen Umsetzer führt. Bei diesem Entwurf bestehen drei Probleme. Erstens bewirkt die plötzliche Flächenänderung vom Turbinenauslass zu dem Volumen Druckverluste, die den Wirkungsgrad der Turbine verringern. Zweitens gibt der Abgasauslass dann, wenn er offen ist, die Abgase in einem sehr ungleichmäßigen Strömungsmuster frei. Das bewirkt, dass der direkt gekoppelte katalytische Umsetzer, wenn er nahe an der Turbine angeordnet ist, ungleichmäßig genutzt wird. Drittens kühlt das Graugussgehäuse, das den Mechanismus des Ladedrucksteuerventils enthält, die Abgase während Kaltstartvorgängen, was zu einer unnötig langen Anspringdauer für den direkt gekoppelten katalytischen Umsetzer führt.
Eine derartige Vorrichtung ist bisher aus dem Dokument US 4.499.731 bekannt, in dem ein Abgasturbolader beschrieben ist, der einen beweglichen Steuerkolben in einem Turbinengehäuse besitzt. Der Kolben ist aus einem kreisförmigen zylindrischen Körper, der dem Abgasdruck oder einem äußeren Druck ausgesetzt ist, und einem Diffusorkörper hergestellt.
Der Diffusorkörper weist im Wesentlichen den Querschnitt des Einlasses des Diffusorraums auf und stellt dessen Volumen auf die gegenwärtige Abgasströmung ein, um eine optimale Drehmomentänderung über den Belastungsbereich des Motors zu erreichen. Der Abgasturbolader besitzt ein Turbinengehäuse. Ein Rotor ist teilweise von einem Auslassdiffusor umgeben, der eine kreisförmige zylindrische äußere Oberfläche besitzt. Das Turbinengehäuse weist konzentrisch hierzu eine kreisförmige zylindrische Bohrung auf und der kreisförmige zylindrische Raum zwischen den Oberflächen dieser Bohrung und der äußeren Oberfläche ist am Auslassende des Diffusors durch ein zylindrisches Endstück verschlossen. Dieser kreisförmige zylindrische Raum enthält ferner einen Steuerkolben. Der Kolben trennt den Einlassdiffusorraum von einem hinteren Zylinderraum.
Eine derartige Vorrichtung ist bisher aus dem Dokument DE 195 037 48 A bekannt, in dem ein Turbolader beschrieben ist, der einen Diffusor enthält, der am Auslass der Turbine des Turboladers angeordnet ist. Ein katalytischer Umsetzer oder ein Russfilter ist mit einem Auslass des Diffusors direkt verbunden. Der Diffusor ist außerdem über ein Nebenleitungsrohr mit dem Abgasrohr verbunden. Das Diffusorrohr weist mehrere kreisförmige Öffnungen auf, die ermöglichen, dass wenigstens ein Teil des Abgases, der von dem Nebenleitungsrohr kommt, in den Diffusor strömt.
Die geringen Nachteile der Anordnung, die aus dem oben erwähnten Stand der Technik bekannt ist, bestehen darin, dass sie komplex ist und deswegen möglicherweise hohe Kosten entstehen, wobei es bei dem vorgeschlagenen Entwurf wahrscheinlich ist, dass die Abgase während Kaltstartvorgängen gekühlt werden, was zu einer langen Anspringzeit eines zugehörigen direkt gekoppelten katalytischen Umsetzers führt.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten kompakten Entwurf zu schaffen, der für die Turbine günstig ist, und insbesondere einen verbesserten kompakten Entwurf zu schaffen, der einer gleichmäßigen Strömung von Gasen zu einem zugehörigen direkt gekoppelten katalytischen Umsetzer dient, während die in Bezug auf die Vorrichtung des Standes der Technik beschriebenen Probleme bewältigt werden.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Durch das Vorsehen eines äußeren Gehäuses, das den Diffusorauslass umschließt und einen Auslass aufweist, eines Ladedrucksteuerventils, das so angeordnet ist, dass es mit der Quelle für Abgase in Verbindung steht und wahlweise überschüssige Abgase in das Außengehäuse durchlässt, und wenigstens einer Öffnung, die so angeordnet ist, dass sie ein Vermischen der überschüssigen Abgase mit den Abgasen von der Turbine innerhalb der durch das Außengehäuse geschaffenen Umschließung zulässt, werden die oben beschriebenen Probleme eliminiert, kann eine gleichmäßige Strömung von Gasen zu einem zugehörigen direkt gekoppelten katalytischen Umsetzer erreicht werden, können das untere Grenzmoment vergrößert und Pumpverluste vermindert werden.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Beschreibung der Zeichnung
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung genauer beschrieben, worin:
1 eine vereinfachte seitliche Schnittansicht einer Abgasturbine für einen Abgasturbolader gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine vereinfachte teilweise seitliche Schnittansicht einer alternativen Konfiguration der Abgasturbine für einen Abgasturbolader nach dem Stand der Technik ist; und
3 eine vereinfachte teilweise seitliche Schnittansicht einer weiteren alternativen Konfiguration der Abgasturbine für einen Abgasturbolader nach dem Stand der Technik ist.
Weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung offensichtlich, die in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung betrachtet wird. Ist sollte jedoch klar sein, dass die Zeichnung lediglich für Erläuterungszwecke und nicht als eine Definition der Grenzen der Erfindung vorgesehen ist, wofür eine Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche erfolgen sollte. Es sollte ferner klar sein, dass die Zeichnung nicht notwendigerweise maßstabsgerecht ist, und dass sie, falls nicht anders angegeben, lediglich vorgesehen ist, um die hier beschriebenen Strukturen und Prozeduren konzeptionell zu erläutern.
Beschreibung von Ausführungsformen
Wie in 1 dargestellt ist, umfasst eine Abgasturbine 1 für einen Abgasturbolader gemäß der vorliegenden Erfindung ein Turbinengehäuse 2, das ein an einer Rotorwelle 4 angebrachtes Turbinenrad 3 umgibt, und einen Einlass 5, der mit einer Quelle für Abgase (nicht gezeigt) verbunden werden kann, sowie einen Auslass 6. Im Gebrauch strömen Abgase von der Quelle für Abgase wie z. B. eine Brennkraftmaschine durch den Einlass 5 des Turbinengehäuses 2, bewirken eine Drehung des Turbinenrads 3 und treiben somit einen (nicht gezeigten) Kompressor des Abgasturboladers an, woraufhin die Abgase das Turbinengehäuse 2 durch den Auslass 6 verlassen.
Um das untere Grenzmoment zu vergrößern und Pumpverluste zu verringern, ist ein Diffusorrohr 7 am Auslass 6 des Turbinengehäuses 2 angeordnet, wobei das Diffusorrohr 7 einen Einlass 8, der mit dem Auslass 6 des Turbinengehäuses 2 verbunden ist, sowie ferner einen Auslass 9 besitzt. Um ein übermäßiges Kühlen der Abgase zu vermeiden, z. B. während Kaltstartvorgängen, ist es bevorzugt, dass das Diffusorrohr 7 ein Rohr aus Metallblech ist, das so beschaffen ist, dass es die Abgase vor der Umgebung abschirmt, um Wärmeverluste, insbesondere während Kaltstartvorgängen minimal zu machen.
Ein Außengehäuse 10 ist so angeordnet, dass es einen wesentlichen Teil des Diffusorrohrs 7 und insbesondere den Diffusorrohrauslass 9 umgibt. Das Außengehäuse 10 ist an einem Ende des Außengehäuses 10, das im Wesentlichen dem Turbinengehäuse 2 zugewandt ist, gegen das Diffusorrohr 7 abgedichtet und das Außengehäuse 10 besitzt ferner an einem Ende des Außengehäuses 10, das im Wesentlichen von dem Turbinengehäuse 2 abgewandt ist, einen Auslass 11. Um Druckverluste minimal zu machen, ist der Querschnitt des Diffusorrohrauslasses 9 so beschaffen, dass er dem Querschnitt des Auslasses 11 des Außengehäuses 10 entspricht, d. h. wenn sowohl der Diffusorrohrauslass 9 als auch der Auslass 11 des Außengehäuses 10 kreisförmige Querschnitte haben, haben der Diffusorrohrauslass 9 und der Auslass 11 des Außengehäuses 10 im Wesentlichen denselben Durchmesser. Um sicherzustellen, dass Druckverluste minimal gemacht werden, sollte der Diffusorrohrauslass 9 mit dem Querschnitt eines (nicht gezeigten) Rohrs übereinstimmen, das so angeordnet ist, dass es die Abgase an einen direkt gekoppelten katalytischen Umsetzer (nicht gezeigt) weiterleitet. Es ist bevorzugt, dass das Außengehäuse 10 so geformt ist, dass eine gleichmäßige Verteilung von überschüssigen Abgasen um das Diffusorrohr 7 unterstützt wird, wodurch eine gleichmäßige Nutzung des zugehörigen direkt gekoppelten katalytischen Umsetzers unterstützt wird.
Ein Ladedrucksteuerventil 12 ist so angeordnet, dass es mit der Quelle für Abgase in Verbindung steht und wahlweise überschüssige Abgase in das Außengehäuse 10 durchlässt, um die Strömungsrate in der Turbine 1 und dadurch die Kompressorleistung zu steuern. Um eine gleichmäßige Strömung in den zugehörigen direkt gekoppelten katalytischen Umsetzer zu unterstützen, ist es vorzuziehen, dass das Ladedrucksteuerventil 12 so angeordnet ist, dass es überschüssige Abgase in das Außengehäuse 10 an einer Stelle einleitet, die von dem Auslass 11 des Außengehäuses 10 möglichst weit entfernt ist, d. h. möglichst weit stromaufwärts angeordnet ist. Da ein derartiges bevorzugtes Metallblech-Diffusorrohr 7, das oben beschrieben wurde, das Außengehäuses 10 und den Mechanismus des Ladedrucksteuerventils 12 abschirmt, wird eine kürzere Anspringzeit für den zugehörigen direkt gekoppelten katalytischen Umsetzer gewährleistet.
Eine Öffnung 13 zwischen dem Außengehäuse 10 und dem Diffusorrohr 7 ist so angeordnet, dass sie ein Vermischen der überschüssigen Abgase, die durch das Ladedrucksteuerventil 12 geleitet wurden, mit den Abgasen von der Turbine 1 innerhalb der durch das Außengehäuse 10 geschaffenen Umschließung zulässt. Wie in 1 dargestellt ist, ist die Öffnung 13, die so angeordnet ist, dass sie ein Vermischen von überschüssigen Abgasen mit Abgasen von der Turbine 1 zulässt, eine ringförmige Öffnung zwischen dem Diffusorrohrauslass 9 und dem Außengehäuse 10.
Wie in 2 dargestellt ist, die eine alternative bekannte Konstruktion des eingekreisten Abschnitts von 1 zeigt, verbindet gemäß einem Dokument des Standes der Technik das Diffusorrohr 7 am Rand des Diffusorrohrauslasses 9 mit dem Außengehäuse 10 und mehrere Öffnungen 13 sind angeordnet, um in dem Außengehäuse 10 einen Durchgang von überschüssigen Abgasen durch das Diffusorrohr 7 und ein Vermischen mit Abgasen von der Turbine 1 zuzulassen. Das Vermischen von Gasen erfolgt innerhalb der durch das Außengehäuse 10 geschaffenen Umschließung. Wie in 2 dargestellt ist, enthalten die mehreren Öffnungen 13 gemäß dieser zweiten Konstruktion mehrere Schlitze durch das Diffusorrohr 7. Die Strömung von Abgasen ist durch die Pfeile dargestellt.
Wie in 3 dargestellt ist, die eine alternative bekannte Konstruktion des eingekreisten Abschnitts von 1 zeigt, verbindet gemäß einem weiteren Dokument des Standes der Technik das Diffusorrohr 7 am Rand des Diffusorrohrauslasses 9 in der gleichen Weise wie in der zweiten Ausführungsform mit dem Außengehäuse 10 und mehrere Öffnungen 13 sind angeordnet, um in dem Außengehäuse 10 einen Durchgang von überschüssigen Abgasen durch das Diffusorrohr 7 und ein Vermischen mit Abgasen von der Turbine 1 zuzulassen. Das Vermischen von Gasen erfolgt innerhalb der durch das Außengehäuse 10 geschaffenen Umschließung. Wie in 3 dargestellt ist, enthalten die mehreren Öffnungen 13 gemäß dieser zweiten Konstruktion mehrere Löcher durch das Diffusorrohr 7. Die Strömung von Abgasen ist durch die Pfeile dargestellt.
Es ist für einen Fachmann klar, dass bei den oben genannten Öffnungen 13, die als Schlitze und Löcher durch das Diffusorrohr 7 beschrieben wurden, diese Schlitze und Löcher mit geeigneten Geometrien versehen sein können, um gewünschte Strömungs- und Gasverteilungseigenschaften zu schaffen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Abgasturbine 1 für einen Abgasturbolader mit kompaktem Entwurf, dessen Länge nicht größer als die Länge des Diffusorrohrs 7 sein muss, wodurch ein zugehöriger direkt gekoppelter katalytischer Umsetzer sehr nahe am Diffusorrohrauslasses 9 eingesetzt werden kann.
Es ist ferner vorgesehen, dass die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug umfasst, das eine Abgasturbine 1 nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen oder einer vorhersehbaren Kombination hiervon, die im Anspruch 1 beansprucht ist, enthält.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann im Umfang der folgenden Ansprüche variiert werden.

Claims

Abgasturbine (1) für einen Abgasturbolader, die umfasst: ein Turbinengehäuse (2), das ein an einer Rotorwelle (4) angebrachtes Turbinenrad (3) umgibt und einen Einlass (5), der mit einer Quelle für Abgase verbunden werden kann, sowie einen Auslass (6) besitzt; ein Diffusorrohr (7), das einen Einlass (8), der mit dem Auslass (6) des Turbinengehäuses (2) verbunden ist, sowie einen Auslass (9) besitzt; ein Außengehäuse (10), das den Diffusorauslass (9) umgibt und einen Auslass (11) besitzt; ein Ladedrucksteuerventil (12), das so angeordnet ist, dass es mit der Quelle für Abgase in Verbindung steht und wahlweise überschüssige Abgase in das Außengehäuse (10) durchlässt; und wenigstens eine Öffnung (13), die so angeordnet ist, dass sie ein Vermischen der überschüssigen Abgase mit den Abgasen von der Turbine (1) innerhalb der durch das Außengehäuse (10) geschaffenen Umschließung zulässt, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Öffnung (13), die so angeordnet ist, dass sie das Vermischen überschüssiger Abgase mit Abgasen von der Turbine (1) zulässt, eine ringförmige Öffnung (13) zwischen dem Diffusorrohr-Auslass (9) und dem Außengehäuse (10) ist.
Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Abgasturbine (1) nach Anspruch 1 enthält.