CS261217B2

CS261217B2 - Supercharged engine with inside combustion containing turbocompressor with axial turbine

Info

Publication number: CS261217B2
Application number: CS834304A
Authority: CS
Inventors: Remi Curtil
Original assignee: Semt
Priority date: 1977-01-24
Filing date: 1983-06-14
Publication date: 1989-01-12
Also published as: CS430483A2

Abstract

Řešení se týká přeplňovaných motorů s vnitřním spalováním, obsahujících turbokompresor s axiální turbinou. Turbina je opatřena vstupní tvarovkou osazenou na skříni turbiny a překrývající její kolo. Vstupní tvarovka je přímo spojena s výstupem sběrače výfukových plynů a má tvar spirály, otevírající se ke kolu turbiny. Vstupní průchozí profil tvarovky pro výfukové plyny je roven výstupnímu profilu sběrače a zmenšuje se postupně podle úhlu definovaného mezi rovinou jejího otevření ke kolu turbiny a spirálovitou povrchovou křivkou, nejvzdálenější od kola turbiny, až na nulovou hodnotu.The solution concerns turbocharged engines internal combustion containing a turbocharger with axial turbine. Turbina is fitted with an input fitting mounted on the housing turbine and overlapping its wheel. Entrance the fitting is directly connected to the collector outlet exhaust gas and has a spiral shape, opening to the turbine wheel. Input throughput the exhaust fitting profile is equal the collector output profile and shrink gradually according to the angle defined between the plane its opening to the turbine wheel and spiral surface curve, farthest from the turbine wheel to zero.

Description

Vynález se týká přeplňovaných motorů s vnitřním spalováním, obsahujících turbokompresor s axiální turbinou, opatřenou tvarovkou osazenou na skříni turbiny a překrývající její kolo, přičemž tato vstupní tvarovka je připojena k výstupu společného sběrače výfukových plynů z jednoho nebo více válců motoru a má alespoň jeden přívodní průchod výfukových plynů k otáčivým lopatkám kola turbiny.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to turbocharged internal combustion engines comprising an axial turbine supercharger provided with a fitting mounted on a turbine housing and overlapping a wheel thereof, the inlet fitting being connected to the common exhaust manifold outlet of one or more engine cylinders and having at least one inlet passage exhaust gas to the turbine wheel blades.

Je známo, například ze švýcarského patentového spisu č. 375 954, spojovat vstup turbiny poháněné výfukovými plyny s výstupem společného potrubí na vedení výfukových plynů pomocí difuzoru. Jak je popsáno v uvedeném patentovém spise, zmenšuje toto společné potrubí, v němž proudí výfukové plyny přiváděné z jednotlivých válců motoru a upravené na výstupním konci do tvaru difuzoru, rychlost plynů proudících v tomto potrubí při přeměně jejich kinetické energie na tlakovou energii, projevující se zvýšením tlaku plynů.It is known, for example from Swiss Patent Specification No. 375 954, to connect the inlet of an exhaust-driven turbine with the outlet of a common exhaust gas conduit via a diffuser. As described in the patent, this common duct, in which the exhaust gases supplied from the individual cylinders of the engine and arranged at the outlet end to the diffuser flow, reduces the velocity of the gases flowing in the duct as their kinetic energy is converted into pressure energy. gas pressure.

Pro připojení tohoto potrubí k turbině je proto zapotřebí difuzoru, zajištujícího účinnou přeměnu kinetické energie plynů a mající poměrně značnou délku, jak je zřejmé z výkresů obsažených v uvedeném patentovém spise. Z těchto výkresů lze odvodit, že difuzor by měl mít úhel otevřeni 10 až 15° nebo délku okolo 500 mm. Prostor, potřebný pro osazení takového difuzoru však značně přesahuje velikost, která je obvykle k dispozici, a to tím spíše, že vstup do turbiny je obvykle umístěn po straně. Včlenění tohoto difuzoru je tedy obtížné a někdy dokonce nemožné.A diffuser is therefore required to connect this duct to the turbine, providing an effective conversion of the kinetic energy of the gases and having a relatively large length, as is apparent from the drawings. From these drawings it can be deduced that the diffuser should have an opening angle of 10-15 ° or a length of about 500 mm. However, the space required to fit such a diffuser is considerably larger than the size usually available, all the more so since the inlet to the turbine is usually located sideways. Incorporating this diffuser is therefore difficult and sometimes even impossible.

Je rovněž známo, že výfukové plyny přicházející pod tlakem ze sběrače jsou vedeny k rozdělovacím lopátkám turbiny, umístěným proti otáčivým lopatkám kola turbiny. Taková axiální turbina je například popsána ve francouzském patentovém spise č. 1 225 788. Je známo, že tyto lopatkové soustavy mají dvojí funkci, a to zrychlování proudu, a tedy tryskový účinek, a orientování proudu, tj. uzpůsobování směru dopadu na lopatky otáčivého kola turbiny.It is also known that the exhaust gases coming under pressure from the header are directed to the turbine distributor vanes opposite the rotating vanes of the turbine wheel. Such an axial turbine is described, for example, in French Patent Specification No. 1,225,788. It is known that these blade assemblies have a dual function of accelerating the jet and thus jet effect and orienting the jet, i.e. adjusting the impact direction on the blades of the rotating wheel. turbines.

Není-li však proudění trvalé, což je případ axiálních turbin při přeplňování impulsního typu, může se stát soustava rozdělovačích lopatek zdrojem značných ztrát v důsledku nárazů.However, if the flow is not permanent, as is the case with the axial turbines in the pulse-type supercharging, the manifold vane system can become a source of considerable impact losses.

Je tedy žádoucí tyto rozdělovači lopatky vyloučit.It is therefore desirable to exclude these distribution vanes.

Je rovněž třeba poznamenat, že výtěžek difuzoru je velmi slabý. Rychlost plynů na výstupu ze sběrače klesá jen velmi málo se zatížením a rychlostí motoru, a to v protikladu k poměru zužitkovatelné expanze plynů, takže kinetická složka energie může tedy dosáhnout značného podílu tlakové složky při částečných zatíženích. Tato složka kinetické energie se z velké části ztrácí a přeměňuje se v teplo mezi koncem sběrače a bodem ležícím před rozdělovačem turbiny. V tomto bodě je skutečně rychlost plynu asi 3 až 4krát nižší (asi 0,1 až 0,2 Mach) než na výstupu ze sběrače, nebot difuzor a tvar vstupní tvarovky dovolují pouze velmi nedokonale měnit rychlost na tlakovou energii. V důsledku částečné ztráty energie v podobě její přeměny v teplo na výstupu ze sběrače při průchodu difuzorem a vstupní tvarovkou turbiny již není termodynamicky možné dosáhnout zrychlováním plynů v rozdělovači na jeho výstupu rychlost, kterou měly plyny původně na výstupu ze sběrače. Je tedy výhodné zrušit sestavu difuzoru a vstupní tvarovky s rozdělovačem, která je málo účinná, aby se tak mohla plně zužitkovat počáteční rychlostní složka plynů na výstupu ze sběrače.It should also be noted that the diffuser yield is very poor. The velocity of the gases at the outlet of the header decreases very little with the load and speed of the engine, as opposed to the usable gas expansion ratio, so that the kinetic energy component can achieve a significant proportion of the pressure component at partial loads. This kinetic energy component is largely lost and converted into heat between the collector end and the point upstream of the turbine distributor. Indeed, at this point, the gas velocity is about 3 to 4 times lower (about 0.1 to 0.2 Mach) than at the outlet of the collector, since the diffuser and the shape of the inlet fitting allow only very imperfectly converting the velocity to pressure energy. Due to a partial loss of energy in the form of its conversion into heat at the collector outlet as it passes through the diffuser and turbine inlet fitting, it is no longer thermodynamically possible to accelerate the gas at the outlet at the outlet at the outlet velocity. Therefore, it is advantageous to eliminate the diffuser and inlet fitting assembly with a manifold that is inefficient to fully utilize the initial velocity gas component at the outlet of the header.

Uvedené nedostatky odstraňuje vynález, jehož podstatou je, že vstupní tvarovka turbiny je přímo spojena s výstupem sběrače výfukových plynů a má tvar spirály otevírající se ke kolu turbiny, přičemž profil vstupní tvarovky, měřený na odvěsně pravoúhlého trojúhelníka proti úhlu vymezovanému rovinou otevření vstupní tvarovky ke kolu turbiny a spirálovou povrchovou křivkou, nejvzdálenější od kola turbiny, je na vstupu roven výstupnímu profilu sběrače a zmenšuje se ve směru vedení výfukových plynů na nulovou hodnotu ve vrcholu uvedeného úhlu.These drawbacks are overcome by the invention, wherein the inlet fitting of the turbine is directly connected to the outlet of the exhaust manifold and has the shape of a spiral opening to the turbine wheel, wherein the inlet fitting profile measured on the off-right triangle opposite the angle defined by The turbine and spiral surface curve furthest from the turbine wheel at the inlet is equal to the header pan profile and decreases in the direction of the exhaust gas line to zero at the peak of said angle.

Vstupní tvarovka nemá rozdělovači lopatky a není sdružena s difuzorem, a může přivádět do turbiny plyny, jejichž rychlost je zachována na maximální úrovni nezávisle na zařízení motoru. Podle vynálezu se tak v celkové energii, která je k dispozici, zachovává rychlostní složka kinetické energie plynů, kterou plyny měly na výstupu ze sběrače, přičemž tato složka nezávisí na zatížení a na počtu otáček motoru.The inlet fitting has no manifold vanes and is not associated with a diffuser, and can supply gases to the turbine at a maximum speed independent of the engine equipment. According to the invention, the velocity component of the kinetic energy of the gases that the gases had at the outlet of the header is thus maintained in the total energy available, which component is independent of the load and the engine speed.

Podle dalšího znaku vynálezu vstupní tvarovka ve tvaru spirály sestává ze dvou dílů ve tvaru polovičních spirál, přiložených k sobě a prodlužujících se navzájem, a se dvěma samostatnými vstupy, z nich jeden je připojen ke sběrači jedné řady válců motoru a druhý je připojen ke sběrači druhé řady válců motoru, a přičemž každý z těchto dvou dílů se otevírá k jednomu segmentu kola turbiny.According to a further feature of the invention, the helical entry fitting consists of two half-spiral shaped parts attached to and extending to each other and with two separate inputs, one of which is connected to the header of one row of engine cylinders and the other is connected to the other. a row of engine cylinders, and each of the two parts opens to one segment of the turbine wheel.

Oba spirálové díly mohou být bud navzájem spolu spojeny, anebo izolovány jedna od druhé.The two spiral pieces can either be connected to each other or isolated from each other.

Vynález je blíže vysvětlen v následujícím popise na příkladech provedeni s odvoláním na připojené výkresy, ve kterých znázorňuje obr. 1 schematický čelní pohled na první provedení spojovací vstupní tvarovky ve tvaru spirály, umístěné mezi sběračem výfukových plynů a přeplňovací turbinou, obr. 2 příčný řez touto spirálou, osazenou na turbnině, obr. 3 řez rozvinutou spirálou z obr. 1 a 2, obr. 4 schéma jiného provedení vstupní tvarovky ve tvaru spirály, sestávající ze dvou dílů ve tvaru poloviční spirály, navzájem přiložených k sobě a izolovaných jedna od druhé, obr. 5 podélný řez rozvinutou vstupní tvarovkou z obr. 4, obr. 6 schéma dalšího provedení vstupní tvarovky ve tvaru spirály, sestávající ze dvou dílů ve tvaru poloviční spirály, navzájem přiložených k sobě a spolu spojených, a obr. 7 podélný řez rozvinutou vstupní tvarovkou z obr. 6.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic front view of a first embodiment of a spiral-shaped connection fitting located between an exhaust manifold and a supercharger; FIG. Fig. 3 is a cross-sectional view of the unfolded spiral of Figs. 1 and 2; Fig. 4 is a schematic diagram of another embodiment of a spiral-shaped entry fitting consisting of two half-spiral-shaped parts adjacent to each other and isolated from each other; Fig. 5 is a longitudinal cross-section of the deployed inlet fitting of Fig. 4, Fig. 6 a schematic diagram of another embodiment of a spiral-shaped inlet fitting consisting of two half-spiral-shaped parts adjacent to each other and joined together; the fitting of FIG. 6.

V prvním provedení spoj mezi výstupem ze sběrače výfukových plynů C a axiální turbinou 10 používá vstupní tvarovky 11 ve tvaru spirály, osazené na skříni turbiny tak, že překrývá její kolo 12, nesoucí radiální 'lopatky 13 a výšce h. Spirála má takový tvar, že průchozí profil výfukové plyny se postupně zmenšuje z hodnoty rovné výstupním profilu d_p sběračeIn the first embodiment, the joint between the outlet of the exhaust manifold C and the axial turbine 10 uses a helical entry fitting 11 mounted on the turbine housing such that it overlaps its wheel 12 supporting the radial blades 13 and the height h. The exhaust gas through profile decreases gradually from a value equal to the pantograph outlet profile d _p

C podle úhlu alfa definovaného mezi rovinou F-Γ* otevření spirály ke kolu 12 turbiny 10 a spirálovitou povrchovou křivkou 14, nej vzdálenější od kola turbiny, a to až na nulovou hodnotu. Z rozvinutého řezu vstupní tvarovkou je patrné, že toto zmenšování profilu probíhá v podstatě lineárně. Uvedené uspořádání má za následek, že rychlost dopadu výfukových plynů na kolo 12 turbiny je konstantní po celém jeho obvodě.C according to the angle alpha defined between the plane F-Γ * of the opening of the spiral to the wheel 12 of the turbine 10 and the spiral surface curve 14, furthest from the turbine wheel, up to zero. It is apparent from the expanded cross section of the inlet fitting that this profile reduction takes place substantially linearly. This arrangement has the effect that the speed of the exhaust gas impact on the turbine wheel 12 is constant over its entire circumference.

Aby se dosáhlo přizpůsobeni různým průtokovým množstvím plynů, postupuje se odlišně, než je tomu dle známého stavu techniky. Dle známého stavu techniky se mění užitečný průřez a směr rozdělovače a profil kola je přizpůsoben trojúhelníku rychlosti existující od paty lopatky kola až k jejímu konci. Podle vynálezu se toto přizpůsobování provádí obměňováním profilu dp na vstupu do spirálovité vstupní tvarovky 11 a měněním výšky h lopatek 13 kola turbiny.In order to achieve adaptation to different gas flow rates, the procedure is different from the prior art. According to the prior art, the useful cross-section and direction of the distributor and the wheel profile are adapted to the triangle of speed extending from the base of the wheel vane to the end thereof. According to the invention, this adaptation is performed by varying the profile dp at the inlet to the helical inlet fitting 11 and varying the height h of the blades 13 of the turbine wheel.

V případě motoru s vnitřním spalováním se dvěma řadami válců, uspořádanými do tvaru písmene V, je vhodné použít pro připojení turbiny k výstupům ze dvou sběračů výfukových plynů, přidružených-každý k jedné řadě válců, spirálovitou vstupní tvarovkou se dvěma vstupy, znázorněnou na obr. 4 a 5 a obr. 6 a 7. Každý vstup spirálovité vstupní tvarovky přijímá výfukové plyny ze sběrače přidruženého jedné řadě válců. V závislosti na pořadí zapalování válců a jejich počtu se použije bud dvou dílů ve tvaru polovičních spirál, přiložených k sobě a izolovaných jeden od druhého zásobících každý jeden segment kola turbiny, nebo dvou dílů ve tvaru poloviční spirály, přiložených k sobě a navzájem spolu spojených. Prvního případu se použije při dvou řadách nezávislých válců, když motor obsahuje dostatečný počet válců, například nejméně čtyři válce na řadu s pravidelným sledem zapalování. Druhého řešení se pak použije tehdy, když zapalování válců v jednotlivých řadách po sobě nenásledují pravidelně.In the case of an internal combustion engine with two rows of cylinders arranged in a V-shape, it is suitable to use a twin-inlet spiral inlet fitting shown in FIG. 1 to connect the turbine to the outlets of the two exhaust manifolds associated with each row of cylinders. 4 and 5 and FIGS. 6 and 7. Each inlet of the helical inlet fitting receives exhaust gas from the header associated with one row of cylinders. Depending on the order of ignition of the cylinders and the number of cylinders, either two half-spiral parts attached to each other and isolated from each other supplying each segment of the turbine wheel, or two half-spiral parts attached to each other and connected to each other are used. The first case applies to two rows of independent cylinders when the engine comprises a sufficient number of cylinders, for example at least four cylinders per row with regular ignition sequence. The second solution is then used if the ignition of the cylinders in the individual rows does not follow each other regularly.

Na obr. 4 je schematicky znázorněna vstupní tvarovka 15, tvořená dvěma díly 16 ve tvaru poloviční spirály, přiloženými k sobě v kruhu, a mající každý vstup 17, uložený diamentrálně protilehle vůči vstupu druhého dílu 16 ve tvaru poloviční spirály. Vstup 17 každého dílu 16 ve tvaru poloviční spirály je připojen ke sběrači C, C' výfukových plynů, přidruženému jedné řadě válců motoru, uspořádaných ve tvaru písmene V. Šipky na obr. 4 ukazují dráhu, kterou procházejí výfukové plyny v každém dílu 16 ve tvaru poloviční spirály od vstupu 17 až k jeho diametrálně protilehlému konci. Obr. 5 znázorňuje schematicky rozvinutý řez oběma díly ve tvaru poloviční spirály, z něhož je zřejmé, že jsou oba izolovány jeden od druhého.Fig. 4 schematically illustrates an inlet fitting 15 formed by two half-spiral-shaped parts 16 adjacent to each other in a circle and having each inlet 17 disposed diametrically opposite the inlet of the other half-spiral-shaped part 16. The inlet 17 of each half-spiral-shaped part 16 is connected to the exhaust manifold C, C 'associated with one row of V-shaped engine cylinders. The arrows in Fig. 4 show the path that the exhaust gases pass through each of the 16-shaped parts. half spirals from inlet 17 to its diametrically opposite end. Giant. 5 shows a schematically sectioned cross-section of the two half-spiral portions showing that they are both insulated from each other.

V případě provedení dle obr. 6 je vstupní tvarovka 18 mezi výstupem sběrače výfukových plynů a axiální turbinou tvořena dvěma díly 19 ve tvaru poloviční spirály, přiloženými k sobě do tvaru kruhu a navzájem spolu spojenými. Každý díl 19 ve tvaru poloviční spirály má vstup 20, přidružený ke sběrači výfukových plynů jedné řady válců, přičemž z rozvinutého řezu na obr. 7 je patrné, že každý díl 19 ve tvaru poloviční spirály je připojen na svém konci, diametrálně protilehlém vůči vstupu 20, ke druhému dílu 19 ve tvaru poloviční spirály.In the embodiment of FIG. 6, the inlet fitting 18 between the exhaust manifold outlet and the axial turbine is formed by two half-spiral-shaped parts 19, joined together in a circular shape and connected to each other. Each half-spiral-shaped part 19 has an inlet 20 associated with the exhaust manifold of one row of cylinders, and it is evident from the depicted section in FIG. 7 that each half-spiral-shaped part 19 is connected at its end diametrically opposite the inlet 20 to the second half-helical part 19.

předmEt vynálezuobject of the invention

Claims

A turbocharged internal combustion engine comprising an axial turbine compressor having an inlet fitting mounted on a turbine casing and overlapping a wheel thereof, the inlet fitting being connected to the common exhaust manifold outlet of the engine cylinders and having at least one exhaust gas inlet passage to the turbine. a turbine wheel rotating vanes, characterized in that the turbine inlet fitting (11) is directly connected to the outlet (S) of the exhaust manifold (C) and has a spiral shape opening to the turbine wheel (12), wherein the inlet fitting profile (d) ( (11) for exhaust gases, measured at a right-hand triangle, opposite the angle (alpha) peak defined by the plane (FF) of the opening of the inlet fitting (11) to the turbine wheel (12) and the spiral surface curve (14) furthest from the turbine wheel; at the inlet is equal to the collector outlet profile (dp) and decreases in the exhaust line direction gas to zero at the top of the angle (alpha).

Motor according to claim 1, characterized in that the spiral-shaped inlet fitting consists of two half-spiral-shaped parts (16, 19) attached to each other and extending to each other and with two separate inlets (17, 20). one of which is connected to the header (C) of one row of engine cylinders and the other is connected to the header (C ') of a second row of engine cylinders, and each of the two parts (16, 19) opens to one segment (βρ s ₂ ) turbine wheels (12).

Motor according to claim 2, characterized in that the two half-spiral parts (19) are connected to each other.

4. An engine according to claim 2, characterized in that the two half-spiral parts (16) are insulated from each other.