DE102010009328A1

DE102010009328A1 - Turbinengehäuse mit asymmetrischem, geteiltem Einlass

Info

Publication number: DE102010009328A1
Application number: DE102010009328A
Authority: DE
Inventors: Ko-Jen Troy Wu; Jian Jun Rochester Zhang; James C. Oxford Elmslie
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: DE102010009328B4; CN101929359A; US8266906B2; US20100229551A1; CN101929359B

Abstract

Ein Turbinengehäuse für einen Turbolader zur Verwendung in einem sich hin- und herbewegenden Verbrennungsmotor umfasst ein Gehäuse mit einer Gehäuseachse, das ausgebildet ist, um eine drehbare Welle mit einem daran angeordneten Turbinenrad zu beherbergen. Das Gehäuse umfasst eine Volute mit einer Volutenkammer, die um die Gehäuseachse herum angeordnet ist, um das Turbinenrad aufzunehmen. Die Volute weist einen ersten Voluteneinlass, der einen ersten Strömungspfad in fluidtechnischer Verbindung mit der Volutenkammer bereitstellt, und einen zweiten Voluteneinlass auf, der einen zweiten Strömungspfad in fluidtechnischer Verbindung mit der Volutenkammer bereitstellt. Der erste Voluteneinlass ist in Umfangsrichtung um einen Phasenwinkel α um die Gehäuseachse herum von dem zweiten Voluteneinlass beabstandet. Der erste Voluteneinlass ist auch radial um die Gehäuseachse herum von dem zweiten Voluteneinlass beabstandet und kann auch axial von dem zweiten Voluteneinlass entlang der Gehäuseachse beabstandet sein.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Mehrzylinder-Verbrennungsmotoranordnungen und im Spezielleren Turbolader und zugehörige Turbinengehäuse, die damit verwendet werden.
Hintergrund
Turboaufladung bezieht sich auf Verfahren zum Erhöhen der Luft- oder Luft/Kraftstoff-Gemischdichte eines Kraftfahrzeugmotors durch Aufladung des Ansaugluftstromes in die Motorzylinder. Ein Turbolader verwendet einen Luftansaugverdichter, der durch den Motorabgasstrom betrieben ist, um den Druck der Ansaugluft zu erhöhen. Eine Turboaufladung ist besonders wünschenswert, da sie ein Kraftstoff sparendes Verfahren vorsieht, durch welches die Leistungsausgabe des Motors bei Bedarf erhöht werden kann. Gleichermaßen kann für einen gegebenen Leistungsausgabebedarf ein turboaufgeladener Motor einen kleineren Hubraum aufweisen als ein Motor, der keine Aufladung verwendet.
Ein Turbolader besteht allgemein aus einem Turbinenrad und einem Verdichterrad, die an entgegengesetzten Enden einer Welle befestigt sind. Diese Komponenten sind jeweils innerhalb eines Turbinengehäuses isoliert, das ausgebildet ist, um den Abgasstrom aus dem Motor über die Schaufelblätter des Turbinenrades zu leiten, um zu bewirken, dass sich dieses schnell dreht und dadurch die Welle und das daran angeordnete Verdichterrad antreibt. Die Rotation des Verdichters speist Luft in das Verdichtergehäuse ein, wo sie mit Druck beaufschlagt und dann zu dem Motoransaugkrümmer ausgegeben wird.
Da die Drehzahl des Verdichters von dem Druck des Abgasstromes abhängig ist, der das Turbinenrad antreibt, ist oft nicht genug Druck während der Anfangsmomente einer Fahrzeugbeschleunigung vorhanden, um die gewünschte Druckbeaufschlagung der Ansaugluft bereitzustellen, was zu einem Turbo-„loch” führt. Ferner ist oft auch zu viel Druck bei einer hohen Motorausgabe bzw. -leistung und Spitzenmotordrehzahlen vorhanden, was zu einer Überdruckbeaufschlagung führen kann, die ausreicht, um einen Schaden an dem Motor und dem Turbolader zu verursachen, sodass üblicherweise ein Wastegate verwendet wird, um Abgas abzulassen, um eine Überdruckbeaufschlagung des Systems zu vermeiden. Diese Überlegungen haben zu verschiedenen Ansätzen geführt, um eine besser optimierte Ausgabe des Turboladers, insbesondere in Motoren mit separaten Zylinderbänken wie z. B. verschiedenen gegenüberliegenden und V-Zylinderkonfigurationen, vorzusehen.
Ein solcher Ansatz war die Verwendung von verstellbaren Düsen oder Schaufeln, um einen erhöhten Druck bei niedrigen Motordrehzahlen und geringer Abgasausgabe vorzusehen, was andernfalls mit einem Turbolader mit fester Geometrie nicht realisiert werden kann. Allerdings, wegen der relativen Komplexität und Kosten von Turboladern, die variable Düsen enthalten, war die Verwendung in Benzinmotoren und kleinen Dieselmotoren begrenzt. Ein weiterer Ansatz bestand im Einbau von Doppel-Turboladern, einem Turbolader für jede Zylinderbank, die oft mit Turbinenwellen orientiert sind, die in entgegensetzten Richtungen rotieren. Doppel-Turboladerkonfigurationen wurden sowohl in außen liegenden als auch innen liegenden Abgaskonfigurationen verwendet. Während die Leistung von Doppel-Turboladersystemen allgemein akzeptabel war, sind sie im Allgemeinen nicht wünschenswert wegen des zusätzlichen Raumes unter der Motorhaube, der notwendig ist, um den zusätzlichen Turbolader zu beherbergen, insbesondere im Fall von innen liegenden Doppel-Turboladern, wo beide Turbolader im Raum zwischen den Zylinderbänken beherbergt sein müssen, und auch wegen der Kosten des zusätzlichen Turboladers. Ein noch weiterer Ansatz war die Verwendung von verschiedenen Einzel-Turboladerkonfigurationen, die sowohl eine außen liegende als auch eine innen liegende Abgaskonfiguration umfassen. Jene innen/außen liegenden Konfigurationen sind kostengünstig, aber weniger wirksam, wegen der Notwendigkeit, das Abgas von der Zylinderbank gegenüber der dem Turbolader zugeordneten Bank weg zu führen. Des Weiteren sind solche Konstruktionen schwierig unter der Motorhaube unterzubringen, da das Abgas wie oben beschrieben geführt werden muss. Gleichermaßen wurden innen liegende Einzel-Turbolader verwendet, aber die Abgasströmung zu dem Turbolader ist oft auf Grund der Schwierigkeit einer korrekten Führung des Abgases von jeder der Zylinderbänke zu dem Turbineneinlass, insbesondere wenn die Auslasskanäle außen liegend von den Zylinderbänken angeordnet sind, beeinträchtigt. In Bezug auf die Verwendung von Einzelturboladern wurden verschiedene Twin-Scroll (Doppelspiralgehäuse) -Konstruktionen vorgeschlagen, aber auch diese Konstruktionen waren den oben beschriebenen Einschränkungen in Verbindung mit der Unterbringung des Turboladers und der Führung des Abgases zu dem Turbineneinlass unterworfen. Überdies haben solche Konstruktionen, während sie zwei Spiralgehäuse verwenden, diese in symmetrischen Konfigurationen angeordnet, sodass die Einlassöffnungen für beide Spiralgehäuse an derselben radialen Stelle in Bezug auf das Zentrum der Rotation des Turbinenrades positioniert sind. Dies führte zu der Notwendigkeit, den Abgasstrom oder die Abgasströme zu dieser einzelnen Stelle zum Durchgang in die Spiralgehäuse in Verbindung mit dem Betrieb des Turbinenrades zu kanalisieren, was die Führung der Abgasleitungen weiter einschränkt und typischerweise die Notwendigkeit des Einbaus scharfer Biegungen und anderer Verengungen mit sich bringt, die die Strömung der Abgase in die Spiralgehäuse beeinflussen und damit die Effizienz des Turboladers und des Motors reduzieren.
Angesichts dieser und weiterer Einschränkungen sind verbesserte Turbinengehäuse- und Turboladerkonstruktionen wie auch Motoren wünschenswert, die geeignet sind, solche Konstruktionen zu enthalten.
Zusammenfassung der Erfindung
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Turbinengehäuse für ein drehbares Turbinenrad eines Turboladers zur Verwendung in einem Kolben-Verbrennungsmotor ein Turbinengehäuse mit einer Gehäuseachse, das ausgebildet ist, um eine drehbare Welle mit einem daran angeordneten Turbinenrad zu beherbergen. Das Gehäuse umfasst eine Volute/einen Diffusor mit einer Volutenkammer/einem Ausströmraum, die bzw. der um die Gehäuseachse herum angeordnet ist, um das Turbinenrad aufzunehmen. Die Volute weist einen ersten Voluteneinlass, der einen ersten Strömungspfad in fluidtechnischer Verbindung mit der Volutenkammer bereitstellt, und einen zweiten Voluteneinlass auf, der einen zweiten Strömungspfad in fluidtechnischer Verbindung mit der Volutenkammer bereitstellt. Der erste Voluteneinlass ist in Umfangsrichtung um einen Phasenwinkel α um die Gehäuseachse herum von dem zweiten Voluteneinlass beabstandet.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Turbolader zur Verwendung in einem Kolben-Verbrennungsmotor ein Turboladergehäuse und eine Welle, die drehbar innerhalb des Turbolader gehäuses angeordnet ist, wobei die Welle ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist. Der Turbolader umfasst auch ein Verdichterrad, das an dem ersten Ende der Welle angeordnet ist, und ein Turbinenrad, das an dem zweiten Ende der Welle angeordnet ist. Das Turboladergehäuse umfasst eine Volute mit einer Volutenkammer, die um eine Längsachse der Welle und des Turbinenrades herum angeordnet ist. Die Volute weist einen ersten Voluteneinlass, der einen ersten Strömungspfad in fluidtechnischer Verbindung mit der Volutenkammer bereitstellt, und einen zweiten Voluteneinlass auf, der einen zweiten Strömungspfad und eine fluidtechnische Verbindung mit der Volutenkammer bereitstellt. Der erste Voluteneinlass ist in Umfangsrichtung um einen Phasenwinkel α um die Achse der Welle herum von dem zweiten Voluteneinlass beabstandet.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine Motoranordnung: einen Motor mit einer ersten Zylinderbank, die einen ersten Zylinderkopf aufweist, und einer zweiten Zylinderbank, die einen zweiten Zylinderkopf aufweist. Die erste Zylinderbank und die zweite Zylinderbank weisen eine gegenüberliegende oder eine V-Konfiguration um eine gemeinsame Kurbelwelle herum auf. Der erste Zylinderkopf weist einen ersten innen liegenden Abgasauslass auf und der zweite innen liegende Zylinderkopf weist einen zweiten innen liegenden Abgasauslass auf. Die Motoranordnung umfasst auch eine Turboladeranordnung in fluidtechnischer Verbindung mit dem ersten und dem zweiten Zylinderkopf. Die Turboladeranordnung weist ein Turbinengehäuse auf, welches umfasst: ein Gehäuse mit einer Gehäuseachse, das ausgebildet ist, um eine drehbare Welle mit einem daran angeordneten Turbinenrad zu beherbergen; eine Volute mit einer Volutenkammer, die um die Gehäuseachse herum angeordnet ist, um das Turbinenrad aufzunehmen; einen ersten Voluteneinlass, der einen ersten Strömungspfad und eine fluidtechnische Verbindung mit der Volutenkammer bereitstellt; und einen zweiten Volute neinlass, der einen zweiten Strömungspfad und eine fluidtechnische Verbindung mit der Volutenkammer bereitstellt, wobei der erste Voluteneinlass in Umfangsrichtung um einen Phasenwinkel α um die Gehäuseachse herum von dem zweiten Voluteneinlass beabstandet ist. Der erste Voluteneinlass ist fluidtechnisch mit dem ersten Abgasauslass gekoppelt und der zweite Voluteneinlass ist fluidtechnisch mit dem zweiten Abgasauslass gekoppelt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden rein beispielhaft aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen ersichtlich, wobei sich die detaillierte Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, in denen:
1 eine schematische Draufsicht einer beispielhaften Ausführungsform der Motor- und Turboladeranordnung, wie hierin offenbart, veranschaulicht;
2 eine schematische Draufsicht eines Turbinengehäuses einer Turboladeranordnung in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
3 eine Seitenansicht des in 2 gezeigten Turbinengehäuses veranschaulicht;
4 eine Querschnittsansicht des in 3 gezeigten Turbinengehäuses entlang des Schnittes 4-4 veranschaulicht;
5 eine Querschnittsansicht des in 2 gezeigten Turbinengehäuses entlang des Schnittes 5-5 veranschaulicht;
6 eine weitere Querschnittsansicht des in 2 gezeigten Turbinengehäuses entlang des Schnittes 6-6 veranschaulicht;
7 eine Querschnittsansicht einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines Turbinengehäuses veranschaulicht; und
8 eine Querschnittsansicht einer dritten beispielhaften Ausführungsform eines Turbinengehäuses veranschaulicht.
Beschreibung der Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung sieht verbesserte Turbinengehäuse und Turbolader, welche dieselben beinhalten und verbesserte Fluidströmungs- und andere Unterbringungs- und andere Betriebseigenschaften aufweisen, wie auch Zylinderköpfe und Motoranordnungen vor, welche diese Gehäuse und Turbolader beinhalten. Ein besonderes Merkmal der vorliegenden Erfindung umfasst einen Turbolader zur Verwendung mit Zylinderköpfen eines Motors mit integral gebildeten inneren Abgaskrümmern, die auch gegenüberliegende, innen liegende Auslasskanäle (d. h. Kanäle, die nach innen, um eine Mittelebene des Motors durch die Kurbelwellenachse, in Richtung zueinander weisen) aufweisen. Diese Konfiguration ist besonders vorteilhaft, da sie die Möglichkeit vorsieht, das Abgas aus in Umfangsrichtung beabstandeten Zylinderbänken in einem Mehrzylinder-Kolben-Verbrennungsmotor, wie unter 180° gegenüberliegende Bänke eines Doppel- oder Mehrzylindermotors oder eines V-Motors (z. B. V4, V6, V8, V10 oder sonst wie) fluidtechnisch mit einem Einzelturbolader zu koppeln. Ein weiteres Merkmal umfasst Zylinderköpfe eines V-Motors mit gegenüberliegenden, innen liegenden Auslasskanälen, die mit Abgaseinlassleitungen oder Leitungen der Turboladeranordnung ausgerichtet sind. Dies sieht die Möglichkeit vor, das Abgas direkt von den Auslasskanälen in den Turbolader einzubringen, ohne die Fluidströmungsrichtung wesentlich zu ändern. Dies sorgt für eine verbesserte Abgasströmung und vermeidet Strömungsdrosselungen und Druckverluste und verbessert dadurch die Effizienz der Abgasnutzung durch den Turbolader und den Motor. Außerdem sind die Turbineneinlassleitungen derart ausgebildet, dass sie die Abgasströmung weiter von den Zylinderköpfen zu einer Volutenkammer eines Turbinengehäuses leiten, um Verluste in der Strömungsgeschwindigkeit und der kinetischen Energie des Abgases zu reduzieren, das in das Turbinengehäuse hinein und innerhalb desselben strömt. Dies wird erreicht, indem das Abgas im Wesentlichen in derselben Richtung in das Turbinengehäuse geleitet wird, in der es die Abgasauslässe verlässt, d. h. tangential zu dem Turbinenrad in Bezug auf eine gewünschte Abgasströmung innerhalb des Turbinengehäuses. Die Eliminierung (oder deutliche Reduktion) einer Strömungsdrosselung im Zusammenhang mit dieser Konstruktion sorgt für eine verbesserte Effizienz, eine verbesserte Leistung und ein verbessertes Ansprechverhalten (d. h. verkleinertes Turboloch) des Turboladers. Weitere Merkmale und Vorteile werden aus der nachfolgenden Beschreibung offensichtlich.
Im Allgemeinen, unter Bezugnahme auf die 1–4, ist eine Motoranordnung 10 mit einer Turboladeranordnung 12 offenbart. Die Motoranordnung 10 umfasst getrennte Zylinderbänke als Teil eines sich hin- und herbewegenden Mehrzylinder-Verbrennungsmotors. Die Zylinderbänke sind in Umfangsrichtung um eine gemeinsame Kurbelwelle herum beabstandet oder getrennt, die funktionell Kolben zugeordnet ist, welche innerhalb der jeweiligen Zylinder des Motors angeordnet sind. Dies umfasst Motorkonfigurationen wie z. B. direkt gegenüberliegende Zylinderbänke mit einem 180°-Abstand der Zylinder, wie auch V-Motorkonfigurationen einschließlich V4-, V6-, V8-, V10- und andere V-förmige Zylinderbankkonfigurationen. In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst die Motoranordnung 10 einen Motorblock 14 mit einer ersten Zylinderbank 16 und einer zweiten Zylinderbank 18. Die Motoranordnung 10 mit einer V-förmigen Zylinderbankkonfiguration umfasst eine erste Zylinderbank 16 mit einem abnehmbar angebrachten ersten Zylinderkopf 20 und eine zweite Zylinderbank 18 mit einem abnehmbar angebrachten zweiten Zylinderkopf 22. Der erste und der zweite Zylinderkopf 20, 22 umfassen jeweils einen integral gebildeten inneren Abgaskrümmer (nicht gezeigt) mit einem oder mehreren Abgaskanälen (nicht gezeigt), die jedem der Zylinder des Zylinderkopfes zugeordnet sind und Abgase, die während des Betriebes der Motoranordnung 10 produziert werde, fluidtechnisch zu dem ersten Auslasskanal 24 bzw. dem zweiten Auslasskanal 26 weiterleiten. Vorteilhafterweise befinden sich der erste Auslasskanal 24 und der zweite Auslasskanal 26 in einer gegenüberliegenden, innen liegenden Auslasskanalkonfiguration, in der die Kanäle um eine imaginäre Mittelebene des Motors nach innen in Richtung zueinander weisen. Als ein weiterer Vorteil können der erste Zylinderkopf 20 und der zweite Zylinderkopf 22 und ihre inneren Auslasskrümmer identische Teile sein und verkehrt herum auf ihren jeweiligen Zylinderbänken 16, 18 umgedreht sein, was eine Vereinheitlichung und Reduktion der der Motoranordnung 10 zugeordneten Teileanzahl zulässt. Als ein noch weiterer Vorteil können der erste Auslasskanal 24 und der zweite Auslasskanal 26 asymmetrisch in Bezug auf jeweilige Querachsen T₁, T₂ der jeweiligen Zylinderköpfe 20, 22 angeordnet sein. Anders ausgedrückt kann das Zentrum, eines jeden von dem ersten Auslasskanal 24 und dem zweiten Auslasskanal 26, wie durch C₁ bzw. C₂ veranschaulicht, von der jeweiligen Querachse T₁, T₂ des Zylinderkopfes, dem er zugeordnet ist, um einen Versetzungsabstand d₁, d₂ in Bezug auf seinen jeweiligen Kanal 24, 26 versetzt sein. Der Einbau der Versetzungen d₁ d₂ ermöglicht die vorteilhaften hierin beschriebenen Turbinengehäusekonfigurationen, indem eine axiale Trennung der Auslasskanäle vorgesehen ist und eine ausreichende Raumummantelung vorgesehen wird, um die hierin beschriebenen Gehäusemerkmale, insbesondere die Doppelspiralgehäuse oder -voluten, innerhalb einer Raumummantelung einzubauen. Die Versetzungen d₁ und d₂ können jede beliebige Distanz sein, die wirksam ist, um die gewünschte Trennung der Auslasskanäle bereitzustellen. In einer beispielhaften Ausführungsform des V-Motors können die Versetzungen abhängig von der Größe des Turboladers, die wiederum von der Anzahl der Zylinder, der Zylinderdurchmesser und anderen Faktoren abhängig ist, von 1 bis 5 Zoll betragen. Um den Vorteil einer Konstruktion mit einem einzigen gemeinsamen Zylinderkopf wie oben beschrieben zu realisieren, würden d₁ und d₂ gleich gehalten werden.
Der erste Auslasskanal 24 und der zweite Auslasskanal 26 sind jeweils ausgebildet, um fluidtechnisch mit der Turboladeranordnung 12 gekoppelt zu sein. Ferner können der erste Zylinderkopf 20 und der zweite Zylinderkopf 22 jeweils Befestigungsmerkmale wie z. B. verschiedene Flansche und Gewindebohrungen umfassen, die in Verbindung mit Gewindebolzen 28 verwendet werden können, um die Turboladeranordnung 12 daran anzubringen.
Die Turboladeranordnung 12 umfasst ein Turboladergehäuse 30. Das Turboladergehäuse 30 ist eine Anordnung aus dem Turbinengehäuse 32, einem Lagergehäuse 34 und einem Verdichtergehäuse 36. Das Turbinengehäuse 32 umfasst eine Schale 38 mit einer Innenfläche 40 und einer Außenfläche, wie in den 2–4 gezeigt. Das Turbinengehäuse 32 umfasst eine Turbinenvolute 43 mit einer Turbinenvolutenkammer 44 zum Aufnehmen eines Turbinenrades 46, welches drehbar durch ein erstes Ende einer Welle 48 gelagert ist, die sich durch das Lagergehäuse 34 hindurch erstreckt und in diesem gelagert ist. Das Verdichtergehäuse 36 definiert eine Verdichtervolute 49 mit einer Verdichtervolutenkammer 50 zum Aufnehmen eines Verdichterrades 52, welches drehbar durch ein zweites Ende der Welle 48 gelagert ist.
Unter Bezugnahme auf die 1–6 umfasst eine beispielhafte Ausführungsform des Turbinengehäuses 32 ein Twin-Scroll- oder Doppelvoluten-Turbinengehäuse 32 mit einer ersten Turbinenvolute 43.1 und einer zweiten Turbinenvolute 43.2, die ausgebildet sind, um zwei Fluidströmungspfade innerhalb des Turbinengehäuses 32 zu bilden. Zusammen bilden die erste Volute 43.1 und die zweite Volute 43.2 die Turbinenvolute 43. Die zwei Strömungspfade können durch ein Wandelement oder ein Septum 53 getrennt sein (4), das die Turbinenvolutenkammer 44 trennt und zusammen mit den anderen Abschnitten der Turbinenvolute 43 zwei getrennte Fluidströmungspfade, und zwar einen ersten Fluidströmungspfad P₁ und einen zweiten Fluidströmungspfad P₂, definiert, die durch den ersten Spiralgehäusedurchgang 54 bzw. durch den zweiten Spiralgehäusedurchgang 56 hindurch führen. Die Turbinenvolutenkammer 44 umfasst sowohl den zentralen Abschnitt der Kammer, wo das Turbinenrad 46 angeordnet ist, als auch den ersten Spiralgehäusedurchgang 54 und den zweiten Spiralgehäusedurchgang 56. Die Innenfläche 40 der Schale 38 umfasst einen ersten Spiralgehäusedurchgang 54 und einen zweiten Spiralgehäusedurchgang 56, die sich als spiralenartige Leitungen um eine Achse (A) des Turbinengehäuses 32, die auch die Achse der Welle 48 sein kann, nach innen erstrecken. Der erste und der zweite Spiralgehäusedurchgang 54, 56 und der erste Strömungspfad und der zweite Strömungspfad P₁, P₂ sind benachbart zu dem Turbinenrad angeordnet und stehen in fluidtechnischer Verbindung damit. Das Turbinengehäuse 32 umfasst auch eine erste Abgaseinlassleitung 58, die zusammen mit dem ersten Spiralgehäusedurchgang 54 einen ersten Fluidströmungspfad P₁ zwischen der ersten Zylinderbank 16 und der Turbinenvolutenkammer 44 umfasst. Die erste Einlassleitung 58 ist ausgebildet, um abdichtend und fluidtechnisch mit dem ersten Auslasskanal 24 gekoppelt zu sein, und kann auch einen flexiblen Teil wie z. B. einen flexiblen Balgabschnitt 59 umfassen, um eine Bewegung der ersten Abgaseinlassleitung 58 zuzulassen, um eine Fehlausrichtung zwischen der ersten Einlassleitung 58 und dem ersten Auslasskanal 24 auf Grund von Fertigungstoleranz-Summierungen oder anderer Faktoren im Zusammenhang mit der Montage der Turboladeranordnung 12, der Motoranordnung 10 oder beider zu berücksichtigen, und um eine Wärmeausdehnung des Turbinengehäuses zuzulassen, da dessen Temperatur von ihrer geplanten Betriebstemperatur bis zur Umgebungstemperatur, wenn der Motor nicht in Betrieb ist, schwanken kann. Das Turbinengehäuse 32 umfasst auch eine zweite Abgasauseinleitung 60, die zusammen mit dem zweiten Spiralgehäusedurchgang 56 einen zweiten Fluidströmungspfad P₂ zwischen der zweiten Zylinderbank 18 und der Turbinenvolutenkammer 44 umfasst. Die zweite Einlassleitung 60 ist ausgebildet, um abdichtend und fluidtechnisch mit dem zweiten Auslasskanal 26 gekoppelt zu sein, und kann auch einen flexiblen Teil wie z. B. einen flexiblen Balgabschnitt 61 umfassen, um eine Bewegung der zweiten Abgaseinlassleitung 60 zuzulassen, um eine Fehlausrichtung zwischen der zweiten Einlassleitung 60 und dem zweiten Auslasskanal 26 auf Grund von Fertigungstoleranz-Summierungen oder anderer Faktoren im Zusammenhang mit der Montage der Turboladeranordnung 12, der Motoranordnung 10 oder beider zu berücksichtigen.
Der erste Strömungspfad P₁ umfasst eine erste Achse A₁ und der zweite Strömungspfad P₂ umfasst eine zweite Achse A₂. Die erste Einlassleitung 58 ist über ein erstes Kopplungsmerkmal 62 wie z. B. einen Flansch 62, der einen ersten Durchgangseinlass 81 aufweist, mithilfe von Bolzen 28 oder Bandverschlüssen oder anderen Befestigungselementen oder Kopplungsmitteln, die geeignet sind, um die Turboladeranordnung 12 an der Motoranordnung 10 zu befestigen, fluidtechnisch mit dem ersten Auslasskanal 24 gekoppelt. Die zweite Einlassleitung 60 ist über ein zweites Kopplungsmerkmal wie z. B. einen Flansch 64, der einen zweiten Durchgangseinlass 85 aufweist, mithilfe von Bolzen 28 oder anderen Befestigungselementen oder Kopplungsmitteln, die geeignet sind, um die Turboladeranordnung 12 an der Motoranordnung 10 zu befestigen, fluidtechnisch mit dem zweiten Auslasskanal 26 gekoppelt. Es können auch andere geeignete Befestigungsverfahren und -mittel wie z. B. Schweißen, Einspannen oder dergleichen verwendet werden, um die Turboladeranordnung 12 an der Motoranordnung 10 zu befestigen.
Während des Betriebes der Motoranordnung 10 verlässt Abgas, das von dem Motor erzeugt wird, den ersten Zylinderkopf 20 durch den ersten Auslasskanal 24 und den zweiten Zylinderkopf 22 durch den zweiten Auslasskanal 26 in jeweilige Abgasimpulsfolgen, die der Zündung der innerhalb der jeweiligen Zylinderköpfe angeordneten Zylinder zugeordnet sind. Das aus dem ersten Auslasskanal 24 austretende Abgas tritt in die erste Abgaseinlassleitung 58 des Turbinengehäuses 32 ein und bewegt sich den ersten Strömungspfad P₁ entlang durch den ersten Spiralgehäusedurchgang 54 hindurch zu der Turbinenvolutenkammer 44. Das aus dem zweiten Auslasskanal 26 austretende Abgas tritt in die zweite Abgaseinlassleitung 60 des Turbinengehäuses 32 ein und bewegt sich den ersten Strömungspfad P₂ entlang durch den zweiten Spiralgehäusedurchgang 56 hindurch zu der Turbinenvolutenkammer 44. In dieser Ausführungsform leiten der erste und der zweite Strömungspfad P₁ und P₂ das Abgas im Wesentlichen in derselben Richtung wie ein Turbinenvolutenkammer-Strömungspfad P, der durch die schnelle Drehung des Turbinenrades 46 definiert ist. Außerdem stehen der erste und der zweite Strömungspfad P₁ und P₂ allgemein tangential zu dem Turbinenvolutenkammer-Strömungspfad P. Das sich den ersten und den zweiten Strömungspfad P₁ P₂ entlang bewegende Abgas bewegt sich über den ersten Spiralgehäusedurchgang 54 bzw. den zweiten Spiralgehäusedurchgang 56 um das Turbinengehäuse 32 herum, um in Schaufelblätter des Turbinenrades 46 einzugreifen. Da sich die Querschnittsfläche des ersten und des zweiten Strömungspfades 54, 56 in der Richtung der Fluidströmung verringert, wird die Abgasströmung darin in den Volutenkammer-Strömungspfad P gezwungen. Abgas von dem Volutenkammer-Strömungspfad verlässt den Turbolader, entweder durch eine Abgasleitung oder -leitungen, die an dem ersten Ende 68 des Turbinengehäuses 32 angebracht oder sonst wie der Schale 38 zugeordnet sind, in das Fahrzeugabgassystem.
Unter Bezugnahme auf die 1–3 ist eine beispielhafte Ausführungsform des Turbinengehäuses 32 der Turboladeranordnung 12 gezeigt. In dieser Konfiguration bildet das Turbinengehäuse 32 die Turbinenvolute 43 und die Turbinenvolutenkammer 44, die ausgebildet ist, um das Turbinenrad 46 aufzunehmen. Die Turbinenvolute 43 und die Turbinenkammer 44 sind durch die Schale 38 definiert. Die Schale 38 kann jede beliebige Form einschließlich der allgemein zylindrischen Form, die in den 2 und 3 gezeigt ist, aufweisen. Die Schale 38 erstreckt sich zwischen einem ersten Ende 68 und einem zweiten Ende 70 des Turbinengehäuses 32. Das erste Ende 68 des Turbinengehäuses 32 umfasst eine erste Öffnung 72 zur Bereitstellung eines Ausgangs des das Gehäuse 32 verlassenden Abgases. Demgemäß umfasst das erste Ende 68 des Turbinengehäuses 32 ein erstes Anbringungsmerkmal wie z. B. einen Flansch 74, der zusammenpassend mit einer Abgasleitung (nicht gezeigt) durch einen zusammenpassenden Flansch eines Abgassystems der Motoranordnung 10 mithilfe eines beliebigen geeigneten Anbringungsmittels wie z. B. eines U-förmigen Verbindungsbandes (nicht gezeigt) in Eingriff stehen kann. Das zweite Ende 70 des Turbinengehäuses 32 bildet eine zweite Öffnung 76 zum Aufnehmen der Welle 48 und optional einen Abschnitt einer Lageranordnung für die Welle 48, die hauptsächlich innerhalb des Lagergehäuses 34 beherbergt ist. Das zweite Ende 70 des Turbinengehäuses 32 umfasst ein zweites Anbringungsmerkmal wie z. B. einen Flansch 78, der mit einem beliebigen geeigneten Anbringungsmittel wie z. B. einem U-förmigen Verbindungsband (nicht gezeigt) zusammenpassend mit einem Anbringungsmittel wie z. B. Flansch an dem entsprechenden Ende des Lagergehäuses 34 in Eingriff stehen kann.
Unter Bezugnahme auf die 1–4 ist das Turbinengehäuse 32 um eine Gehäuseachse A herum gebildet. Die Gehäuseachse kann eine Rotationsachse eines Turbinenrades 46, das innerhalb der Turbinenvolutenkammer 44, eines Zentrums der ersten Öffnung 72, der zweiten Öffnung 76 oder von beiden, einer Kombination davon oder sonst wie angeordnet ist, umfassen. In der Ausführungsform, die in den 1–4 veranschaulicht ist, umfasst die Gehäuseachse A die Rotationsachse des Turbinenrades 46.
Unter Bezugnahme auf die 3, 5 und 6 variiert die erste Achse A₁ des ersten Strömungspfades P₁ in der Richtung entlang der Länge des ersten Strömungspfades. Die erste Achse A₁ des ersten Strömungspfades P₁ umfasst ein erstes Ende 80, das benachbart zu der ersten Abgaseinlass- 81 Turbinenvolute 44 angeordnet ist, und ein zweites Ende 82, das benachbart zu dem ersten Volutenkammereinlass 83 angeordnet ist. Gleichermaßen variiert auch die zweite Achse A₂ des zweiten Strömungspfades P₂ in der Richtung entlang der Länge des zweiten Strömungspfades P₂. Die zweite Achse A₂ des zweiten Strömungspfades P₂ umfasst ein erstes Ende 84, das benachbart zu dem zweiten Abgaseinlass 85 angeordnet ist, und ein zweites Ende 86, das benachbart zu dem zweiten Volutenkammereinlass 87 angeordnet ist.
In dieser Konfiguration sind die zweiten Enden 82, 86 der ersten und der zweiten Achse A₁, A₂ benachbart zu dem ersten Voluteneinlass 83 in den ersten Spiralgehäusedurchgang 54 und dem zweiten Voluteneinlass 87 in den zweiten Spiralgehäusedurchgang 56 angeordnet und sind derart orientiert, dass der erste und der zweite Strömungspfad P₁, P₂ durch sie hindurch im Wesentlichen tangential in Bezug auf die Außenkante des Turbinenrades 46 stehen. Die im Wesentlichen tangentiale Orientierung ist über den gesamten ersten Spiralgehäusedurchgang 54 und den zweiten Spiralgehäusedurchgang 56 durch ihre spiralenartige Form aufrechterhalten. Dies ist eine besonders vorteilhafte Orientierung, da die Fluidströmungsgeschwindigkeit der Abgase, die sich entlang des ersten und des zweiten Strömungspfades P₁, P₂ bewegen, weniger eingeschränkt, da sie in die Turbinenvolutenkammer 44 mit dem Volutenkammer-Strömungspfad P eintreten und eine Strömung allgemein in derselben Richtung damit beibehalten. Ferner, da die Abgase sich weiterhin entlang des ersten und des zweiten Strömungspfades P₁, P₂ allgemein in derselben Richtung wie der Volutenkammer-Strömungspfad P bewegen, ist das in die Turbinenvolutenkammer 44 eintretende Abgas weniger zerstörend für die vorhandene Strömung innerhalb des Volutenkammer-Strömungspfades P in der Turbinenvolutenkammer 44. Diese spiralenartigen Voluten- und Strömungspfadorientierungen sind besonders vorteilhaft, da sie für eine effizientere und ein besseres Ansprechverhalten aufweisende Turboladeranordnung 12 und somit auch Motoranordnung 10 sorgen, wie hierin weiter beschrieben.
Der erste Voluteneinlass 83 in den ersten Spiralgehäusedurchgang 54 und der zweite Voluteneinlass 87 in den zweiten Spiralgehäusedurchgang 56 sind in Umfangsrichtung voneinander beabstandet und sind radial um die Turbinenachse A beabstandet und axial entlang dieser beabstandet und weisen auch die Orientierung des ersten und des zweiten Strömungspfades P₁, P₂, im Wesentlichen tangential mit Bezug auf die Außenkante des Turbinenrades 46 auf, wie oben beschrieben. Der Abstand in Umfangsrichtung kann ein beliebiger Winkelabstand sein. In der Ausführungsform der 1–6, unter Maßgabe der im Wesentlichen ähnlichen Konstruktion der Spiralgehäuse 43.1, 43.2 und der zugeordneten Abgaseinlassleitungen 58, 60 sind die Abschnitte der ersten und der zweiten Achse A₁, A₂ und der entsprechenden ersten und zweiten Abgaseinlassleitung 58, 60 bei Betrachtung aus der in 3 gezeigten Perspektive unter einem Winkel „α” mit Bezug aufeinander angeordnet. Der Winkel α entspricht dem Winkelabstand und der Phasenverschiebung zwischen dem ersten Voluteneinlass 83 und dem zweiten Voluteneinlass 87. In der beispielhaften Ausführungsform der 1–6, in der Twin-Scroll-Konfiguration, repräsentiert der Winkel α auch die Winkelversetzung und Phasenverschiebung zwischen den Spiralgehäusen, nämlich der ersten Turbinenvolute 43.1 und der zweiten Turbinenvolute 43.2. Die Phasenverschiebung der Spiralgehäuse in einer Twin-Scroll-Konstruktion kann verändert werden, um die Verteilung der treibenden Kraft, die den in dem ersten und dem zweiten Strömungspfad P₁, P₂ strömenden Abgasströmen zu dem Turbinenrad zugeordnet sind, zu ändern, um so ein größeres Gleichgewicht oder Ungleichgewicht der Gasströmungen und der zugehörigen treibenden Kräfte um den Umfang des Turbinenrades 46 herum bereitzustellen. Dies kann z. B. getrennt oder gemeinsam mit einer Reduktion von Strömungsdrosselungen in Verbindung mit dieser Konstruktion eine erhöhte Ladeleistung oder eine Reduktion des Loches in Verbindung mit der Turboladeranordnung 12 ermöglichen. Der Abstand in Umfangsrichtung einschließlich des Winkels α zwischen der ersten und der zweiten Achse A₁, A₂ kann derart gewählt sein, dass sie eine/n beliebige/n gewünschten Abstand und Winkeltrennung des ersten Voluteneinlasses 83 und des zweiten Voluteneinlasses 87 einschließlich jeder beliebigen geeigneten Phasenverschiebung für Twin-Scroll-Konstruktionen bereitstellt, einschließlich eines beliebigen Winkels, der eine geeignete fluidtechnische Kopplung mit inneren Abschnitten des ersten und des zweiten Zylinderkopfes 20, 22 bereitstellt, wie z. B. Konfigurationen, welche die Strömungsdrosselungen und Druckverluste von den Abgasauslässen 24, 26 zu dem entsprechenden ersten bzw. zweiten Voluteneinlass 83, 87 minimieren. Zum Beispiel liegt in beispielhaften Ausführungsformen für viele V-Zylinderkonfigurationen der Winkel, welcher den ersten Voluteneinlass 83 und den zweiten Voluteneinlass 87 trennt, zwischen etwa 40° bis 110° oder liegt im Spezielleren zwischen etwa 80° bis 100° für viele V8-Motoren. Diese Bereiche der Winkeltrennung sind für viele übliche V-Zylinderkonfigurationen geeignet; es werden jedoch auch andere Winkelbereiche in Erwägung gezogen, insbesondere wenn die Winkeltrennung der Zylinder erhöht ist, umfassend V-Motorkonfigurationen mit großen Trennungswinkeln wie auch gegenüberliegende Zylinderkonfigurationen, wo die Winkeltrennung etwa 180° betragen kann. In diesen Konfigurationen kann die Winkeltrennung größer als 110°, bis zu etwa 180° sein.
Der radiale Abstand des ersten und des zweiten Voluteneinlasses 83, 87 von der Turbinenachse wird von der Größe des Turbinenrades, den volumetrischen Anforderungen der Spiralgehäuse und anderen bekannten Konstruktionsüberlegungen abhängig sein. Der axiale Abstand des ersten und des zweiten Voluteneinlasses 83, 87 entlang der Turbinenachse wird von der Konfiguration der Volute oder Volute, einschließlich dessen, ob das Gehäuse ein Single-Scroll oder ein Twin-Scroll ist, abhängig sein. In einer Single-Scroll-Konfiguration (8) wird ihr axialer Abstand allgemein relativ klein, einschließlich der Möglichkeit null sein, und wird von der axialen Ausdehnung der Volutenspirale, der Winkeltrennung des ersten und des zweiten Voluteneinlasses und anderer Faktoren abhängig sein. In einer Twin-Scroll-Konfiguration (1–6) wird ihr axialer Abstand allgemein relativ größer sein als in einer Single-Scroll-Konstruktion und wird von der axialen Ausdehnung sowohl der Volutenspiralen, der Winkeltrennung des ersten und des zweiten Voluteneinlasses als auch anderen Faktoren abhängig sein.
In Abhängigkeit von der Versetzung zwischen dem Auslasskanal 24 und dem Auslasskanal 26, wie oben beschrieben, und den relativen Größen der Volute 43, können in der Twin-Scroll-Konfiguration, die in den 1-6 gezeigt ist, die erste und die zweite Achse A₁, A₂ unter einem beliebigen geeigneten Winkel β zu der Gehäuseachse A angeordnet sein, wie in 2 gezeigt. Des Weiteren können die durch die erste und die zweite Achse A₁, A₂ gebildeten Winkel, abhängig von den oben erwähnten Faktoren wie auch von anderen zugehörigen Faktoren dieselben oder verschieden sein (d. h. (β₁, β₂). Der Winkel β wird derart gewählt sein, dass er einen sanften Übergang von dem ersten Auslasskanal 24 und dem zweiten Auslasskanal 26 zu der Turbinenvolute 43 bereitstellt, um die erforderliche Strömung von Abgasen zu dem Turbinenrad 46 mit einem Minimum an Einschränkungen einschließlich Richtungsänderungen und Druckverlusten vorzusehen. Unter Bezugnahme auf 2 sind in einer beispielhaften Ausführungsform die erste und die zweite Achse A₁, A₂ entlang von Ebenen angeordnet, die allgemein parallel in Bezug zueinander stehen, was wünschenswert ist, wenn für beide Zylinderbänke eine gemeinsame Zylinderkopfanordnung erwünscht ist. Von der Oberseite des Turbinengehäuses 32 betrachtet, wie in 2 gezeigt, sind die erste und die zweite Achse A₁, A₂ beide unter einem Winkel β in Bezug auf die Gehäuseachse A angeordnet. In dieser Konfiguration sind die erste und die zweite Achse A₁, A₂ unter einem Winkel β angeordnet, der nicht rechtwinklig zu der Gehäuseachse A ist; es können allerdings auch rechtwinklige Konfigurationen verwendet werden. Es wird z. B. in Erwägung gezogen, dass der Winkel β zwischen der ersten und/oder der zweiten Achse A₁, A₂ und der Gehäuse achse A zwischen etwa 90° bis 120° und im Spezielleren etwa 100° betragen kann. Es sind auch andere Konfigurationen einschließlich jener, die einen Winkel β von weniger als 90° besitzen, möglich.
Wie zuvor erwähnt, und wie in den 5 und 6 gezeigt, tritt in der gezeigten Twin-Scroll-Konfiguration das sich durch den ersten und den zweiten Strömungspfad P₁, P₂ bewegende Abgas über den ersten Spiralgehäusedurchgang 54 bzw. den zweiten Spiralgehäusedurchgang 56 in die Turbinenvolutenkammer 44 ein. Wenn die Abgasströmungen in diese Durchgänge eintreten, werden sie durch den Turbineneinlass 66 gezwungen, der sich auf die gesamte Umfangsöffnung zwischen dem ersten und dem zweiten Spiralgehäusedurchgang 54, 56 einschließlich des ersten Turbineneinlasses 66.1 und des zweiten Turbineneinlasses 66.2 bezieht, wie in 4 gezeigt. Ein Anteil der Abgasströmung in jedem Durchgang bewegt sich weiterhin über den ersten und den zweiten Spiralgehäusedurchgang 54, 56 um die Turbinenvolutenkammer 44 herum und strömt weiterhin durch den Turbineneinlass 66 einschließlich des ersten Turbineneinlasses 66.1 und des zweiten Turbineneinlasses 66.2, während es dies tut. Der erste Turbineneinlass 66.1 und der zweite Turbineneinlass 66.2 sind zusammen mit dem ersten und dem zweiten Spiralgehäusedurchgang 54, 56 dimensioniert und sind benachbart zu den Schaufelblättern des Turbinenrades 46 angeordnet, sodass eine Bewegung der Abgase durch den ersten und den zweiten Spiralgehäusedurchgang 54, 56 und durch den ersten Turbineneinlass 66.1 bzw. den zweiten Turbineneinlass 66.2 eine Rotation des Turbinenrades 46 induziert. Die Bewegung des Abgases in die Turbinenvolutenkammer 44 auf die beschriebene Weise wird durch eine sich kontinuierlich verringernde Querschnittsfläche des ersten und des zweiten Spiralgehäusedurchgangs 54, 56 in der Richtung des dadurch strömenden Abgases, d. h. von dem ersten Voluteneinlass 83 und dem zweiten Voluteneinlass 87 zu der Volutenkammer 44 erreicht. Dies ist insbesondere in 4 gezeigt, wobei die fortschreitende Reduktion in den Querschnittsflächen des ersten und des zweiten Spiralgehäusedurchganges 54, 56 ersichtlich ist. Der erste und der zweite Spiralgehäusedurchgang 54, 56 können jede beliebige geeignete Form und Größe (z. B. Querschnittsfläche) aufweisen, um die Abgasströmung dadurch zu leiten, einschließlich kreisförmiger oder Tropfen- oder sonstiger Formen.
Unter Bezugnahme auf die 2, 5 und 6 umfasst der erste Spiralgehäusedurchgang 54 eine erste Spiralgehäusehachse A₃, die sich im Wesentlichen tangential um die Gehäuseachse A herum erstreckt. In ähnlicher Weise umfasst der zweite Spiralgehäusedurchgang 56 eine zweite Spiralgehäusehachse A₄, die sich im Wesentlichen tangential um die Gehäuseachse A herum erstreckt. In einer beispielhaften Ausführungsform, unter Bezugnahme auf 2 stehen die erste Spiralgehäusehachse A₃ und die zweite Spiralgehäusehachse A₄ im Wesentlichen rechtwinklig zu der Gehäuseachse A. In einer bevorzugten Ausführungsform können eine erste Spiralgehäusehachse A₃ und eine zweite Spiralgehäusehachse A₄ eine axial verlaufende spiralenartige Form aufweisen, wobei sie sich allgemein spiralförmig nach innen in Richtung der Gehäuseachse A winden, während sie sich gleichzeitig axial entlang der Gehäuseachse A erstrecken. Der spiralenartige Pfad ist bevorzugt, um die Abgase wirkungsvoll in Richtung des Turbinenrades 46 mit einem Minimum an Verlusten zu leiten. Die axial verlaufende Natur der Form der ersten und der zweiten Spiralgehäusehachse A₃, A₄ sorgt für die Raumumhüllende, die für die Spiralgehäuse benötigt wird, und berücksichtigt die Versetzungen zwischen dem ersten Auslasskanal 24 und dem zweiten Auslasskanal 26. Anders ausgedrückt können die Spiralgehäuse 43.1, 43.2 derart konstruiert sein, dass ihre axiale Ausdehnung der axialen Versetzung der Auslasskanäle 24, 26 entspricht, sodass die Abgaseinlassöffnungen 81, 85 benachbart zu und bevorzugt ausgerichtet mit den Abgasauslässen 24, 26 sind, um Druckver luste und Strömungsdrosselungen in dem Abgasfluid zwischen den Abgaskrümmern und dem Turbinenrad zu minimieren und ein verbessertes Ansprechverhalten des Turbinenrades zu unterstützen, wie hierin beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 3, 5 und 6 erstrecken sich in einer beispielhaften Ausführungsform der erste und der zweite Spiralgehäusedurchgang 54, 56 in Umfangsrichtung auf die hierin beschriebene Weise um die Gehäuseachse A herum, um die Abgasströmung innerhalb der Turbinenvolutenkammer 44 zu leiten. Sie können sich in Umfangsrichtung in jedem geeigneten Ausmaß um die Gehäuseachse A herum erstrecken. Der erste Spiralgehäusedurchgang 54 und der zweite Spiralgehäusedurchgang 56 können sich im gleichen Ausmaß in Umfangsrichtung oder können sich alternativ in verschiedenen Ausmaßen in Umfangsrichtung um die Gehäuseachse A herum erstrecken. In einer beispielhaften Ausführungsform erstrecken sich der erste und der zweite Spiralgehäusedurchgang 54, 56 zumindest etwa 90° und stärker bevorzugt zumindest etwa 180° oder noch mehr, insbesondere zumindest etwa 270° um die Gehäuseachse A herum. In ähnlicher Weise erstrecken sich in einer beispielhaften Ausführungsform der erste und/oder der zweite Spiralgehäusedurchgang zwischen etwa 180° bis 360°, zwischen etwa 225° bis 315° oder noch mehr, insbesondere etwa 270° um die Gehäuseachse A herum. Für Twin-Scroll-Konstruktionen wäre es bevorzugt, die Durchgangskonstruktionen so nahe wie möglich bei 360° zu halten.
7 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform des Turbinengehäuses 32' und der Volute 43' in einer modifizierten Twin-Scroll-Konfiguration. Diese Ausführungsform ist allgemein der oben mit Bezug auf die 1–6 beschriebenen ähnlich, außer dass das Septum 53 eliminiert wurde und die Volute 43' daher einen Hybrid-Single-Scroll-Durchgang, der durch Kombinieren von zwei Spiralgehäusen hergestellt ist, anstelle einer echten Twin-Scroll-Konfiguration umfasst. Somit umfasst das Twin-Scroll 43' einen ersten Strömungspfad P₁' und einen zweiten Strömungspfad P₂' innerhalb eines Single-Scroll-Durchganges 55'. Der Single-Scroll-Durchgang 55' ist als eine Kombination der Twin-Scrolls 43.1' und 43.2' gebildet. Es ist zu erwarten, dass die Verwendung eines Single-Scroll-Durchganges 55' ein gewisses Vermischen der entlang des ersten Strömungspfades P₁' und des zweite Strömungspfades P₂' strömenden Abgase zulassen wird. Die Schale 38' mit der Innenfläche 40' und der Außenfläche 42' ist im Wesentlichen identisch mit der Schale 38, der Innenfläche 40 und der Außenfläche 42, die oben im Hinblick auf die Ausführungsform der 1–6 beschrieben sind, außer dass sie kein Septum enthält, um zwei Strömungsdurchgänge zu bilden, sondern stattdessen einen Single-Scroll-Durchgang 55' aufweist, wie oben beschrieben. Die Turbinenvolutenkammer 44' ist ebenfalls identisch mit jener der oben unter Bezugnahme auf die 1–6 beschriebenen Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass wegen des Nicht-Vorhandenseins des Septums ein einziger Turbineneinlass 66' anstelle von zwei Turbineneinlässen vorhanden ist. Andererseits ist das Turbinengehäuse 32' geeignet, ein Turbinenrad 46' und eine Turbinenwelle 48' aufzunehmen. Abgas strömt zu dem ersten Ende 68' und ein Flansch 74' ist eingebaut, der z. B. mithilfe eines zusammenpassenden Flansches eines Abgassystems einer Motoranordnung zusammenpassend mit einer Abgasleitung (nicht gezeigt) in Eingriff stehen kann. Das zweite Ende 70' ist geeignet, eine Lageranordnung aufzunehmen, indem ein Flansch 78' eingebaut ist, der zusammenpassend mit einem Anbringungsmerkmal wie z. B. einem Flansch an dem entsprechenden Ende eines Lagergehäuses in Eingriff stehen kann, wie hierin beschrieben. Allerdings wird die Technik der Turbine anders sein als oben mit Bezug auf die 1–6 beschrieben. Die Abgase, die entlang des ersten Strömungspfades P₁' und des zweiten Strömungspfades P₂' strömen, werden durch die fortschreitende Redukti an in der Querschnittsfläche des Spiralgehäusedurchganges 55' durch den Turbineneinlass 66' hindurch gezwungen, werden andererseits jedoch wirksam sein, um das Turbinenrad 46' auf die hierin mit Bezug auf die Ausführungsform der 1–6 beschriebene Weise anzutreiben. Diese Ausführungsform besitzt insofern Vorteile ähnlich jenen, die oben mit Bezug auf die in den 1–6 veranschaulichte Ausführungsform beschrieben sind, als der erste Voluteneinlass (nicht gezeigt) und der erste Strömungspfad P₁' und der zweite Voluteneinlass (nicht gezeigt) und der zweite Strömungspfad P₂' in Umfangsrichtung beabstandet sind, wie z. B. indem sie um einen Phasenwinkel α getrennt sind. Daher können die Abgasströmungen aus den Zylinderbänken, die diesen Strömungspfaden zugeordnet sind, zu dem Turbinenrad mit einer Phasentrennung, wie oben beschrieben, eingeleitet werden. Diese Phasentrennung, d. h. der Phasenwinkel α kann gewählt sein, um die erwünschte Leistung von dem Turbinenrad und somit von dem Turbolader zu erhalten, wie z. B. eine Reduktion des Turboladerloches, eine ausgeglichene oder nicht ausgeglichene Belastung des Turbinenrades durch die jeweiligen Abgasströmungen und dergleichen.
Eine dritte Ausführungsform eines Turbinengehäuses 32'' ist in 8 veranschaulicht. In dieser Ausführungsform umfasst ein Single-Scroll 43'' einen Einzelvoluten- oder Single-Scroll-Durchgang 55'', der zwei separate Abgaseinlässe umfasst, nämlich einen ersten Voluteneinlass 83'' und einen zweiten Voluteneinlass 87''. Diese Voluteneinlässe sind jeweiligen Einlassleitungen zugeordnet, nämlich einer ersten Einlassleitung 58'' und einer zweiten Einlassleitung 60''. In dieser Ausführungsform ist der erste Strömungspfad P₁'' durch den/die erste/n Voluteneinlass 83'' und Einlassleitung 58'' hindurch vorgesehen und der zweite Strömungspfad P₂'' ist innerhalb des zweiten Voluteneinlasses 87'' und der zweiten Einlassleitung 60'' vorgesehen. Der erste Strömungspfad P₁'' weist eine erste Achse A₁'' innerhalb der ersten Einlassleitung 58'' auf und der zweite Strömungspfad P₂'' weist eine zweite Achse A₂'' innerhalb der zweiten Einlassleitung 60'' auf und an einem Anfangsabschnitt des Spiralgehäusedurchganges 55'' vor dem ersten Voluteneinlass 83'' an diesem Knotenpunkt vereinigen sich der erste Strömungspfad P_i'' und der zweite Strömungspfad P₂'' zu einem einzigen Strömungspfad P₃'' mit einer Achse A₃''. Diese Strömungspfade und die zugeordneten Abgasströme, die darin strömen, vereinigen und vermischen sich innerhalb des Spiralgehäusedurchganges 55'', der an dem ersten Voluteneinlass 83'' beginnt. Die Querschnittsfläche des Spiralgehäusedurchganges 55'' ist fortschreitend entlang der Länge des Spiralgehäusedurchganges 55'' reduziert, wie in 8 veranschaulicht. Diese Reduktion kann an dem ersten Voluteneinlass 83'' beginnen. Alternativ kann die Reduktion der Querschnittsfläche des Spiralgehäusedurchganges 55'' an dem zweiten Voluteneinlass 87'' beginnen. Ein geeigneter Einzelturbineneinlass (nicht gezeigt) wird vorgesehen sein und wird eine Einlassgröße aufweisen, die gewählt ist, um die fortschreitende Reduktion in der Querschnittsfläche des Spiralgehäusedurchganges 55'' zuzulassen, um zu bewirken, dass die Abgase in die Turbinenvolutenkammer 44'' gezwungen werden und dadurch ein schnelles Drehen eines Turbinenrades (nicht gezeigt) in der oben beschriebenen Weise zu bewirken. Andererseits werden die Komponenten des Turbinengehäuses 32'' und des zugeordneten Turboladers jenen ähnlich sein, die hierin im Hinblick auf die Ausführungsform der 1–6 beschrieben sind. Diese Ausführungsform besitzt den Vorteil einer phasengetrennten Einleitung der Abgasströmungsflüsse, die den jeweiligen Zylinderbänken zugeordnet sind, durch die separaten Abgaseinlässe in das Turbinengehäuse 32''.
Die Trennung der Abgaseinlässe in den hierin beschriebenen Ausführungsformen besitzt einen wesentlichen Vorteil gegen Single- und Twin-Scroll-Konstruktionen nach dem Stand der Technik, da sie mehr Flexibili tät in Bezug auf die Anordnung des Turboladers in Bezug auf den Motor innerhalb des Motorraumes vorsieht. Insbesondere ermöglicht sie die Anordnung des Turboladers zwischen den Zylinderbänken in der hierin beschriebenen Weise und besitzt die damit verbundenen betrieblichen Vorteile, wie hierin beschrieben, umfassend die Reduktion von Druckverlusten und die Minimierung von Einschränkungen in den Abgasströmungspfaden zwischen den Abgasauslässen der jeweiligen Zylinderbänke und den zugeordneten Abgaseinlässen des Turbinengehäuses. Sie bietet auch Vorteile in Bezug auf die phasengetrennte Anwendung der Abgsströmungsflüsse zu dem Turbinenrad, wie hierin beschrieben, infolge der Trennung des ersten Voluteneinlasses 83'' und des zugeordneten ersten Abgaseinlasses 81'' und des zweiten Voluteneinlasses 87'' und des zugeordneten zweiten Abgaseinlasses 85'' um den Phasenwinkel α.
Es wird einzusehen sein, dass für jede der offenbarten Ausführungsformen das Turbinengehäuse eine oder mehrere zusätzliche Komponenten zur Unterstützung in der Funktion der Turboladeranordnung aufweisen kann. Zum Beispiel kann das Turboladergehäuse ein Wastegate-Ventil umfassen, das in der Schale angeordnet ist, um eine Druckentlastung in der Turbinenvolutenkammer bereitzustellen und zu verhindern, das die Turbine mit Überdruck beaufschlagt oder mit irgendeiner unerwünschten Geschwindigkeit schnell gedreht wird. Das Wastegate-Ventil kann jedes beliebige geeignete Wastegate-Ventil umfassen und in der Schale mit jedem geeigneten Mittel und an jeder geeigneten Stelle installiert sein. Zum Beispiel kann das Wastegate-Ventil an dem ersten Ende des Turbinengehäuses angeordnet sein, sodass die Abgasströmung dadurch allgemein parallel in Bezug auf die Gehäuseachse A ist. Dies beschränkt vorteilhafterweise die gegenseitige Beeinflussung mit der Bewegung des Abgases um die Turbinenvolutenkammer herum und in dem/den Spiralgehäusedurchgang oder -durchgängen. Die Wastegate-Strömungsdurchgänge sind dann derart angeordnet, dass jeder korrekt benachbart zu der jeweiligen Turbinenradeinlassleitung verbunden ist.
Im Hinblick auf das Vorstehende sollte einzusehen sein, dass die Turboladeranordnung der vorliegenden Erfindung mit jeder beliebigen Motoranordnungskonfiguration verwendet werden kann, die zur Verwendung mit einer Turboladeranordnung geeignet ist. Dies umfasst Dieselmotoren, Benzinmotoren oder andere. Es sollte als solches einzusehen sein, dass die spezifische Größe, Form und Konfiguration der Turboladeranordnung, insbesondere des Turbinengehäuses, variieren kann. In einer besonders vorteilhaften Anwendung ist die Turboladeranordnung besonders geeignet zur Verwendung mit Motoren mit Doppelzylinderbänken, die getrennt sind, um einen V-Motor wie z. B. einen V4-, V6, V8-, V10- oder V12-Motor zu bilden. Überdies ist dies besonders vorteilhaft in Konfigurationen, wo der V-Motor Zylinderköpfe umfasst, die integral gebildete innere Abgaskrümmer mit innen liegenden, nach innen gewandten Auslasskanälen zur direkten Verbindung mit den Abgaseinlässen des Turbinengehäuses aufweisen. Allerdings können die hierin offenbarten Turbinengehäuse und Turbolader auch in Konfigurationen verwendet werden, wo sie nicht direkt mit Abgaskanälen verbunden sind, sondern stattdessen in fluidtechnischer Verbindung mit anderen Abgaskomponenten wie z. B. Abgaskrümmern, Abgasrohren oder anderen stehen.
Während beispielhafte Ausführungsformen beschrieben und gezeigt wurden, wird für den Fachmann einzusehen sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Elemente davon durch Äquivalente ersetzt sein können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Überdies können zahlreiche Abwandlungen vorgenommen werden, um ein/e bestimmte/s Situation oder Material an die Lehre der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Schutzumfang abzuweichen. Die Erfin dung soll daher nicht auf die speziellen Ausführungsformen beschränkt sein, die als beste Art, diese Erfindung auszuführen, offenbart sind. Vielmehr wird die Erfindung alle Ausführungsformen einschließen, die in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche fallen.

Claims

Turbinengehäuse für ein drehbares Turbinenrad eines Turboladers, welches umfasst: ein Gehäuse mit einer Gehäuseachse, das ausgebildet ist, um eine drehbare Welle mit einem daran angeordneten Turbinenrad zu beherbergen; eine Volute mit einer Volutenkammer, die um die Gehäuseachse herum angeordnet ist, um das Turbinenrad aufzunehmen; einen ersten Voluteneinlass, der einen ersten Strömungspfad und eine fluidtechnische Verbindung mit der Volutenkammer bereitstellt; und einen zweiten Voluteneinlass, der einen zweiten Strömungspfad und eine fluidtechnische Verbindung mit der Volutenkammer bereitstellt, wobei der erste Voluteneinlass in Umfangsrichtung um die Gehäuseachse herum von dem zweiten Voluteneinlass beabstandet ist.
Turbinengehäuse nach Anspruch 1, wobei der erste Voluteneinlass entlang der Gehäuseachse von dem zweiten Voluteneinlass axial beabstandet ist.
Turbinengehäuse nach Anspruch 1, wobei der Abstand in Umfangsrichtung einen Phasenwinkel α von etwa 40° bis 110° umfasst.
Turbinengehäuse nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse eine einzige Volute umfasst, die einen einzigen Volutendurchgang aufweist, der sich einwärts in Richtung der Turbinenvolutenkammer krümmt und mit dieser in fluidtechnischer Verbindung steht, wobei der einzige Volutendurchgang den ersten Strömungspfad und den zweiten Strömungspfad umfasst, und/oder wobei das Gehäuse eine erste und eine zweite Volute umfasst, die einen gemeinsamen Volutendurchgang aufweisen, der sich einwärts in Richtung der Turbinenvolutenkammer krümmt und mit dieser in fluidtechnischer Verbindung steht, wobei der Volutendurchgang den ersten Strömungspfad, welcher der ersten Volute zugeordnet ist, und den zweiten Strömungspfad, welcher der zweiten Volute zugeordnet ist, umfasst.
Turbinengehäuse nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse eine erste Volute, die einen ersten Volutendurchgang aufweist, der sich einwärts in Richtung der Turbinenvolutenkammer krümmt und mit dieser in fluidtechnischer Verbindung steht, wobei der erste Volutendurchgang den ersten Strömungspfad umfasst, und eine zweite Volute, die einen zweiten Volutendurchgang aufweist, der sich einwärts in Richtung einer Turbinenvolutenkammer krümmt und mit dieser in fluidtechnischer Verbindung steht, umfasst, wobei der zweite Volutendurchgang den zweiten Strömungspfad umfasst, wobei insbesondere der erste Volutendurchgang und der zweite Volutendurchgang durch ein Septum getrennt sind, welches sich dazwischen erstreckt, und/oder wobei der erste Volutendurchgang eine erste Querschnittsfläche aufweist und der zweite Volutendurchgang eine zweite Querschnittsfläche aufweist, und wobei sich sowohl die erste Querschnittsfläche als auch die zweite Querschnittsfläche jeweils allgemein in einer Richtung von dem ersten Voluteneinlass bzw. dem zweiten Voluteneinlass in Richtung der Turbinenvolutenkammer verringert.
Turbolader, welcher umfasst: ein Turboladergehäuse; eine Welle, die drehbar innerhalb des Turboladergehäuses angeordnet ist, wobei die Welle ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist; einen Verdichter, der an dem ersten Ende der Welle angeordnet ist; und ein Turbinenrad, das an dem zweiten Ende der Welle angeordnet ist, wobei das Turboladergehäuse eine Volute mit einer Volutenkammer umfasst, die um eine Längsachse der Welle und des Turbinenrades herum angeordnet ist, wobei die Volute einen ersten Voluteneinlass, der einen ersten Strömungspfad und eine fluidtechnische Verbindung mit der Volutenkammer bereitstellt, und einen zweiten Voluteneinlass aufweist, der einen zweiten Strömungspfad und eine fluidtechnische Verbindung mit der Volutenkammer bereitstellt, wobei der erste Voluteneinlass in Umfangsrichtung um die Achse der Welle herum von dem zweiten Voluteneinlass beabstandet ist.
Motoranordnung, welche umfasst: einen Motor mit einer ersten Zylinderbank, die einen ersten Zylinderkopf aufweist, und einer zweiten Zylinderbank, die einen zweiten Zylinderkopf aufweist, wobei die erste Zylinderbank und die zweite Zylinderbank eine gegenüberliegende oder eine V-Konfiguration um eine gemeinsame Kurbelwelle herum aufweisen, wobei der erste Zylinderkopf einen ersten innen liegenden Abgasauslass aufweist und der zweite Zylinderkopf einen zweiten innen liegenden Abgasauslass aufweist; und eine Turboladeranordnung in fluidtechnischer Verbindung mit dem ersten und dem zweiten Zylinderkopf, wobei die Turboladeranordnung ein Turbinengehäuse aufweist, welches umfasst: ein Gehäuse mit einer Gehäuseachse, das ausgebildet ist, um eine drehbare Welle mit einem darin angeordneten Turbinenrad zu beherbergen; eine Volute mit einer Volutenkammer, die um die Gehäuseachse herum angeordnet ist, um das Turbinenrad aufzunehmen; einen ersten Voluteneinlass, der einen ersten Strömungspfad und eine fluidtechnische Verbindung mit der Volutenkammer bereitstellt; und einen zweiten Voluteneinlass, der einen zweiten Strömungspfad und eine fluidtechnische Verbindung mit der Volutenkammer bereitstellt, wobei der erste Voluteneinlass in Umfangsrichtung um die Gehäuseachse herum von dem zweiten Voluteneinlass beabstandet ist, wobei der erste Voluteneinlass fluidtechnisch mit dem ersten Abgasauslass gekoppelt ist und der zweite Voluteneinlass fluidtechnisch mit dem zweiten Abgasauslass gekoppelt ist.
Motoranordnung nach Anspruch 7, wobei das Gehäuse eine einzige Volute umfasst, die einen einzigen Volutendurchgang aufweist, der sich einwärts in Richtung der Turbinenvolutenkammer krümmt und mit dieser in fluidtechnischer Verbindung steht, wobei der einzige Volutendurchgang den ersten Strömungspfad und den zweiten Strömungspfad umfasst, und/oder wobei das Gehäuse eine erste und eine zweite Volute umfasst, die einen gemeinsamen Volutendurchgang aufweisen, der sich einwärts in Richtung der Turbinenvolutenkammer krümmt und mit dieser in fluidtechnischer Verbindung steht, wobei der Volutendurchgang den ersten Strömungspfad, welcher der ersten Volute zugeordnet ist, und den zweiten Strömungspfad, welcher der zweiten Volute zugeordnet ist, umfasst, und/oder wobei das Gehäuse eine erste Volute und eine zweite Volute, die einen ersten Volutendurchgang aufweist, der sich einwärts in Richtung der Turbinenvolutenkammer krümmt und mit dieser in fluidtechnischer Verbindung steht, wobei der erste Volutendurchgang den ersten Strömungspfad umfasst, und eine zweite Volute, die einen zweiten Volutendurchgang aufweist, der sich einwärts in Richtung einer Turbinenvolutenkammer krümmt und mit dieser in fluidtechnischer Verbindung steht, umfasst, wobei der zweite Volutendurchgang den zweiten Strömungspfad umfasst, und/oder wobei der Phasenwinkel α etwa 40° bis 110° beträgt, und/oder wobei der erste und der zweite Zylinderkopf untereinander austauschbar sind.
Motoranordnung nach Anspruch 7, wobei die Turboladeranordnung zwischen dem ersten Zylinderkopf und dem zweiten Zylinderkopf angeordnet ist, wobei insbesondere das Gehäuse eine erste Abgasleitung, die fluidtechnisch mit dem ersten Abgasauslass gekoppelt ist und in fluidtechnischer Verbindung mit dem ersten Voluteneinlass steht, und eine zweite erste Abgasleitung umfasst, die fluidtechnisch mit dem zweiten Abgasauslass gekoppelt ist und in fluidtechnischer Verbindung mit dem zweiten Voluteneinlass steht, wobei insbesondere die erste Abgasleitung einen ersten flexiblen Teil aufweist und die zweite Abgasleitung einen zweiten flexiblen Teil aufweist.
Motoranordnung nach Anspruch 7, wobei der erste Abgasauslass und der zweite Abgasauslass in Bezug aufeinander axial versetzt sind, und/oder wobei der erste Zylinderkopf einen ersten integral gebildeten inneren Abgaskrümmer in fluidtechnischer Verbindung mit dem ersten Abgasauslass umfasst und der zweite Zylinderkopf einen zweiten integral gebildeten inneren Abgaskrümmer in fluidtechnischer Verbindung mit dem zweiten Abgasauslass umfasst.