DE112019007845T5

DE112019007845T5 - Turbolader mit variabler geometrie

Info

Publication number: DE112019007845T5
Application number: DE112019007845.3T
Authority: DE
Inventors: Tsuyoshi Kitamura; Hokuto Isoda; Yosuke DAMMOTO
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Engine and Turbocharger Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Engine and Turbocharger Ltd
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2022-07-21
Also published as: CN114729596B; JPWO2021130972A1; WO2021130972A1; US20230003222A1; CN114729596A; US11821358B2; JP7316381B2

Abstract

Ein Turbolader mit variabler Geometrie gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Drehwelle; ein Turbinenrad, das an einer Endseite der Drehwelle angeordnet ist; ein Verdichterrad, das an einer anderen Endseite der Drehwelle angeordnet ist; ein Lagergehäuse zum Aufnehmen eines Lagerteils zum drehbaren Lagern der Drehwelle; eine variable Düsenstruktur zum Steuern einer Strömungsrate eines Abgases, das in das Turbinenrad strömt, wobei die variable Düsenstruktur eine Düsenplatte und eine Düsenhalterung umfasst, die einen Abgasströmungsdurchgang definieren, um zu ermöglichen, dass das Abgas in das Turbinenrad strömt, eine Düsenschaufel, die drehbar um eine Lagerwelle im Abgasströmungsdurchgang angeordnet ist, und ein Antriebsteil zum Drehen der Düsenschaufel, wobei das Antriebsteil in einem Innenraum angeordnet ist, der zwischen dem Lagergehäuse und der Düsenhalterung definiert ist; und einen Kühlgasdurchgang zum Extrahieren von verdichtetem Gas, das durch das Verdichterrad verdichtet wird, und Einführen des verdichteten Gases in den Innenraum.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Turbolader mit variabler Geometrie.
HINTERGRUND
Ein Abgasturbolader lädt Luft, die einem Motor zugeführt wird, unter Verwendung von Energie eines Abgases, das vom Motor abgegeben wird, auf. Der Abgasturbolader kann von einem Typ mit variabler Geometrie sein, der mit einer variablen Düsenstruktur ausgestattet ist. In der variablen Düsenstruktur sind eine Vielzahl von Düsenschaufeln drehbar zwischen einer Düsenhalterung und einer Düsenplatte gelagert, und ein Schaufelwinkel jeder der Düsenschaufeln kann geändert werden. Durch Ändern des Schaufelwinkels der Düsenschaufel ist es möglich, einen Strömungsdurchgangsbereich des Abgases, das dem Turbinenrad zugeführt wird, variabel zu gestalten, was es ermöglicht, eine Strömungsgeschwindigkeit oder eine Zufuhrmenge des Abgases, das dem Turbinenrad zugeführt wird, einzustellen und einen Verstärkungsdruck von Luft, die dem Motor zugeführt wird, zu regulieren.
Eine Temperatur des Abgases, das einem Turbinengehäuse des Abgasturboladers zugeführt wird, beträgt für einen Dieselmotor etwa 800°C und für einen Benzinmotor etwa 1.000°C, und eine Haltbarkeit der Elemente gegen die zunehmende Temperatur des Abgases ist ein Problem. Ein Abgasturbolader, der in Patentdokument 1 offenbart ist, zielt darauf ab, die Wärmezykluseffizienz durch Erhöhen einer Temperatur des Abgases an einem Einlass des Turbinengehäuses auf nicht weniger als 1.000°C zu verbessern. In Patentdokument 1 ist ein Kühlloch im Turbinenrad ausgebildet, und verdichtete Luft auf einer Verdichterseite wird dem Kühlloch zugeführt, um das Turbinenrad zu kühlen, wodurch Maßnahmen gegen eine Hochtemperaturumgebung ergriffen werden.
Zitatliste
Patentliteratur
Patentdokument 1: JP2004-232622A
ZUSAMMENFASSUNG
Technisches Problem
Bei einem Turbolader mit variabler Geometrie gibt es ein Problem, das beispielsweise eine thermische Verformung in einer Düsenhalterung aufgrund einer zunehmenden Temperatur eines Abgases dazu führt, dass eine Düsenwelle an der Düsenhalterung haftet, was eine Drehung der Düsenschaufel deaktiviert oder den Verschleiß eines Antriebsrings, einer Hebelplatte oder dergleichen, die eine variable Düsenstruktur bilden, bei hoher Temperatur fördert.
Die vorliegende Offenbarung wurde im Hinblick auf das obige Problem gemacht, und eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, das oben beschriebene Problem bezüglich des Bestandteils des Turboladers mit variabler Geometrie zu lösen, das durch die zunehmende Temperatur des Abgases verursacht wird.
Lösung des Problems
Um die obige Aufgabe zu lösen, umfasst ein Turbolader mit variabler Geometrie gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Drehwelle; ein Turbinenrad, das an einer Endseite der Drehwelle angeordnet ist; ein Kompressorrad, das an einer anderen Endseite der Drehwelle angeordnet ist; ein Lagergehäuse zum Aufnehmen eines Lagerteils zum drehbaren Lagern der Drehwelle; eine variable Düsenstruktur zum Steuern einer Strömungsrate eines Abgases, das in das Turbinenrad strömt, wobei die variable Düsenstruktur eine Düsenplatte und eine Düsenhalterung umfasst, die einen Abgasströmungskanal definieren, um zu ermöglichen, dass das Abgas in das Turbinenrad strömt, eine Düsenschaufel, die drehbar um eine Stützwelle im Abgasströmungskanal angeordnet ist, und ein Antriebsteil zum Drehen der Düsenschaufel, wobei das Antriebsteil in einem Innenraum angeordnet ist, der zwischen dem Lagergehäuse und der Düsenhalterung definiert ist; und einen Kühlgaskanal zum Extrahieren von komprimiertem Gas, das durch das Kompressorrad komprimiert wird, und Einführen des komprimierten Gases in den Innenraum.
Vorteilhafte Wirkungen
Mit einem Turbolader mit variabler Geometrie gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es, selbst wenn eine Temperatur eines Abgases zunimmt, möglich, eine thermische Verformung, einen Verschleiß bei hoher Temperatur oder dergleichen in der Konfiguration einer variablen Düsenstruktur, die beispielsweise eine Düsenhalterung, einen Antriebsring, eine Hebelplatte und dergleichen umfasst, unter einer Hochtemperaturumgebung zu unterdrücken.
Figurenliste

1 ist eine Längsschnittansicht eines Turboladers mit variabler Geometrie gemäß einer Ausführungsform.
2 ist eine Ansicht aus einer Richtung A in 1.
3 ist eine vergrößerte erläuternde Ansicht eines Teils von 1.
4 ist eine Längsschnittansicht eines Turboladers mit variabler Geometrie gemäß einer Ausführungsform.
5 ist eine Längsschnittansicht eines Turboladers mit variabler Geometrie gemäß einer Ausführungsform.
6 ist eine Vorderansicht einer perforierten Platte gemäß einer Ausführungsform.
7 ist eine Längsschnittansicht eines Turboladers mit variabler Geometrie gemäß einer Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es ist jedoch beabsichtigt, dass, sofern nicht besonders spezifiziert, Abmessungen, Materialien, Formen, relative Positionen und dergleichen von Komponenten, die in den Zeichnungen als die Ausführungsformen beschrieben oder gezeigt sind, nur als veranschaulichend interpretiert werden und nicht dazu gedacht sind, den Umfang der vorliegenden Erfindung zu beschränken.
Zum Beispiel soll ein Ausdruck einer relativen oder absoluten Anordnung, wie etwa „in einer Richtung“, „entlang einer Richtung“, „parallel“, „orthogonal“, „zentriert“, „konzentrisch“ und „koaxial“ nicht so ausgelegt werden, dass er nur die Anordnung in einem strengen wörtlichen Sinn angibt, sondern umfasst auch einen Zustand, in dem die Anordnung relativ um eine Toleranz oder um einen Winkel oder einen Abstand verschoben ist, wodurch es möglich ist, die gleiche Funktion zu erreichen.
Zum Beispiel soll ein Ausdruck eines gleichen Zustands, wie etwa „gleich“, „gleichwertig“ und „einheitlich“ nicht so ausgelegt werden, dass er nur den Zustand angibt, in dem das Merkmal streng gleich ist, sondern umfasst auch einen Zustand, in dem es eine Toleranz oder einen Unterschied gibt, die/der immer noch die gleiche Funktion erreichen kann.
Ferner soll zum Beispiel ein Ausdruck einer Form, wie etwa einer rechteckigen Form oder einer röhrenförmigen Form, nicht nur als die geometrisch strenge Form ausgelegt werden, sondern umfasst auch eine Form mit Unebenheiten oder abgeschrägten Ecken innerhalb des Bereichs, in dem die gleiche Wirkung erreicht werden kann.
Andererseits sollen Ausdrücke, wie etwa „umfassend“, „beinhaltend“, „aufweisend“, „enthaltend“ und „konstituierend“, ein konstituierendes Element nicht andere konstituierende Elemente ausschließen.
1 bis 7 zeigen Turbolader mit variabler Geometrie 10 (10A, 10B, 10C, 10D) gemäß einigen Ausführungsformen. In jedem dieser Turbolader mit variabler Geometrie 10 ist eine Drehwelle 12 seitlich in der Mitte eines Gehäuses angeordnet, ist ein Turbinenrad 14 an einer Endseite der Drehwelle 12 angeordnet und ist ein Verdichterrad 16 an einer anderen Endseite der Drehwelle 12 angeordnet. Ein Gehäuse zum Unterbringen dieser Elemente besteht aus einem Turbinengehäuse 20 zum Unterbringen des Turbinenrads 14, einer Verdichterabdeckung 22 zum Unterbringen des Verdichterrads 16 und einem Lagergehäuse 24, das zwischen dem Turbinengehäuse 20 und der Verdichterabdeckung 22 angeordnet ist, um Lagerteile 18 zum drehbaren Lagern der Drehwelle 12 unterzubringen.
Ferner umfasst das Turbinengehäuse 20 intern eine variable Düsenstruktur 26 zum Steuern der Strömungsrate eines Abgases e, das in das Turbinenrad 14 strömt. Die variable Düsenstruktur 26 umfasst eine Düsenplatte 28 und eine Düsenhalterung 30, und die Düsenplatte 28 und die Düsenhalterung 30 definieren einen Abgasströmungsdurchgang 32, um zu ermöglichen, dass das Abgas e in das Turbinenrad 14 strömt. Eine Düsenschaufel 34 ist drehbar um eine Lagerwelle 36 im Abgasströmungsdurchgang 32 angeordnet. Ein Innenraum Si ist zwischen dem Lagergehäuse 24 und der Düsenhalterung 30 definiert, und ein Antriebsteil 38 zum Drehen der Düsenschaufel 34 ist im Innenraum Si angeordnet. Zusätzlich ist ein Kühlgasdurchgang 42 (42a, 42b) zum Extrahieren von verdichtetem Gas g (zum Beispiel verdichteter Luft), das durch das Verdichterrad 16 verdichtet wird, und Einführen des verdichteten Gases g in den Innenraum Si vorgesehen.
Mit einer solchen Konfiguration können die Elemente, die die variable Düsenstruktur 26 bilden, gekühlt werden, indem das verdichtete Gas g, das durch das Verdichterrad 16 verdichtet wird, dem Innenraum Si durch den Kühlgasdurchgang 42 zugeführt wird, wodurch es möglich ist, eine thermische Verformung oder einen Verschleiß dieser Elemente im Turbinengehäuse 20, in das das Hochtemperaturabgas e eingeführt wird, zu unterdrücken.
2 ist eine Ansicht aus einer Richtung eines Pfeils A in 1. In einer Ausführungsform, wie in 2 gezeigt, umfasst das Antriebsteil 38 der variablen Düsenstruktur 26, das im Innenraum Si angeordnet ist, einen Antriebsring 45 und eine Hebelplatte 46 als Bestandteile. Eine Vielzahl von Hebelplatten 46 weist jeweils ein Ende, das mit dem Antriebsring 45 verbunden ist, und ein anderes Ende, das mit der Lagerwelle 36 der Düsenschaufel 34 gekoppelt ist, auf und ist entlang der Umfangsrichtung des Antriebsrings 45 angeordnet. Der Antriebsring 45 dreht sich um eine Achse der Drehwelle 12 in einer Richtung eines Pfeils b, wodurch die Düsenschaufel 34 um die Lagerwelle 36 gedreht wird. Somit ist es möglich, eine Strömungsgeschwindigkeit oder eine Zufuhrmenge des Abgases e, das durch den Abgasströmungsdurchgang 32 strömt, einzustellen und einen Verstärkungsdruck von Luft, die einem Motor zugeführt wird, zu regulieren. Das Antriebsteil 38, das im Innenraum Si angeordnet ist, ist mit einem Aktuator 40 gekoppelt, der außerhalb des Lagergehäuses 24 über ein Verbindungsteil 39 angeordnet ist, und wird durch den Aktuator 40 betätigt. Das Verbindungsteil 39 durchdringt das Lagergehäuse 24 und wird zur Außenseite des Lagergehäuses 24 geführt.
In einer Ausführungsform ist ein Düsenhalter 48 zwischen der Düsenplatte 28 und der Düsenhalterung 30 aufgerichtet, um die Düsenplatte 28 und die Düsenhalterung 30, die den Abgasströmungsdurchgang 32 definieren, an vorbestimmten Positionen zu fixieren. Eine Vielzahl von Düsenhaltern 48 ist diskret in der Umfangsrichtung der Düsenhalterung 30 angeordnet.
In einer Ausführungsform, wie in 1 gezeigt, ist ein Spiralströmungsdurchgang 51 in der Verdichterabdeckung 22 ausgebildet. Ein Diffusorströmungsdurchgang 50 ist auf einer Auslassseite des Verdichterrads 16 ausgebildet, und kinetische Energie des verdichteten Gases g, das vom Verdichterrad 16 abgegeben wird, wird in Druckenergie in einem Diffusorströmungsdurchgang 50 umgewandelt. Der Kühlgasdurchgang 42 weist eine Einlassseitenöffnung 43 auf, die mit einem Auslassseitenbereich des Diffusorströmungsdurchgangs 50 in Verbindung steht, in dem das Verdichterrad 16 untergebracht ist. Der Kühlgasdurchgang 42 ist so konfiguriert, dass sich die Einlassseitenöffnung 43 zum Auslassseitenbereich des Diffusorströmungsdurchgangs 50 öffnet und das verdichtete Gas g aus dem Auslassseitenbereich des Diffusorströmungsdurchgangs 50 extrahiert und in den Innenraum Si eingeführt wird. Somit ist es möglich, das verdichtete Gas g, das im Druck durch den Diffusorströmungsdurchgang 50 erhöht ist, dem Innenraum Si zuzuführen. Mit einer Druckdifferenz zwischen der Einlassseite und der Auslassseite des Kühlgasdurchgangs 42 ist es möglich, das verdichtete Gas g leicht dem Innenraum Si zuzuführen, ohne andere Leistung zu erfordern.
3 ist eine vergrößerte Ansicht, die den Diffusorströmungsdurchgang 50 zeigt. Wie in 3 gezeigt, zeigt unter der Annahme, dass ein Einlass des Diffusorströmungsdurchgangs 500% beträgt und ein Auslass 100% beträgt, der „Auslassseitenbereich des Diffusorströmungsdurchgangs 50“, auf den in der vorliegenden Beschreibung Bezug genommen wird, einen 50% bis 100% Bereich, in dem der Druck des verdichteten Gases g hoch ist, und einen Bereich, der dem Spiralströmungsdurchgang 51 zugewandt ist, an, und die Einlassseitenöffnung 43 öffnet sich vorzugsweise zum Bereich. Vorzugsweise öffnet sich die Einlassseitenöffnung 43 zu einem 80% bis 100% Auslassseitenbereich des Diffusorströmungsdurchgangs 50 oder dem Bereich, der dem Spiralströmungsdurchgang 51 zugewandt ist. Da jedoch der lange Kühlgasdurchgang 42 in einem Bereich des Spiralströmungsdurchgangs 51 ausgebildet sein muss, der vom Auslass des Diffusorströmungsdurchgangs 50 entfernt ist, öffnet sich der Kühlgasdurchgang 42 vorzugsweise zu einem Bereich nahe dem Auslass des Diffusorströmungsdurchgangs 50.
In einigen Ausführungsformen, wie in 1, 5 und 7 gezeigt, weist das Lagergehäuse 24 ein Durchgangsloch 52 (erstes Durchgangsloch) auf, das entlang der axialen Richtung der Drehwelle 12 verläuft, und das Durchgangsloch 52 bildet einen Teil des Kühlgasdurchgangs 42 (42a). In der vorliegenden Ausführungsform ist das verdichtete Gas g, das im Auslassseitenbereich des Diffusorströmungsdurchgangs 50 extrahiert wird, so konfiguriert, dass es durch das Durchgangsloch 52 strömt und den Innenraum Si erreicht. Da somit ein Teil des Kühlgasdurchgangs 42 (42a) innerhalb des Lagergehäuses 24 ausgebildet sein kann, ist kein Raum für den Kühlgasdurchgang außerhalb des Lagergehäuses 24 erforderlich.
In einer Ausführungsform, wie in 4 gezeigt, ist ein externes Rohr 54 zwischen der Verdichterabdeckung 22 und dem Lagergehäuse 24 aufgerichtet, und das externe Rohr 54 bildet einen Teil des Kühlgasdurchgangs 42 (42b). In der vorliegenden Ausführungsform wird der Kühlgasdurchgang 42 (42b) durch einen Strömungsdurchgang 56 gebildet, der an einer Trennwand der Verdichterabdeckung 22, dem externen Rohr 54 und einem Strömungsdurchgang 58 ausgebildet ist, der an einer Trennwand des Lagergehäuses 24 ausgebildet ist. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform, da ein Teil des Kühlgasdurchgangs 42 (42b) außerhalb des Lagergehäuses 24 durch das externe Rohr 54 ausgebildet werden kann, wird der Kühlgasdurchgang 42 relativ leicht ausgebildet.
In einer Ausführungsform kann das externe Rohr 54 mit einem Rückschlagventil 60 versehen sein, um zu verhindern, dass das verdichtete Gas g vom Innenraum Si zur Seite der Verdichterabdeckung 22 zurückströmt. Ferner kann, obwohl nicht gezeigt, ein Rückschlagventil mit der gleichen Funktion im Durchgangsloch 52 vorgesehen sein.
In einer Ausführungsform, wie in 1 gezeigt, weist der Kühlgasdurchgang 42 (42a) eine Auslassseitenöffnung 44 auf, die mit dem Innenraum Si in Verbindung steht. Ferner ist, wie in 5 bis 7 gezeigt, eine perforierte Platte 62 im Innenraum Si vorgesehen. Der Innenraum Si ist in zwei Räume Si und S2 entlang der axialen Richtung der Drehwelle 12 durch die perforierte Platte 62 unterteilt, die sich entlang einer Richtung orthogonal zur Drehwelle 12 erstreckt. Der Antriebsring 45, die Hebelplatte 46 und dergleichen, die das Antriebsteil 38 bilden, sind im Raum Si (ein Seitenraum) angeordnet, der auf der Seite des Abgasströmungsdurchgangs 32 durch die perforierte Platte 62 unterteilt ist. Die Auslassseitenöffnung 44 steht mit dem Raum S2 (dem anderen Seitenraum) in Verbindung, der auf der Seite der Verdichterabdeckung 22 durch die perforierte Platte 62 ausgebildet ist.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird das verdichtete Gas g, das von der Auslassseitenöffnung 44 dem Raum S2 des Innenraums Si zugeführt wird, in Strahlausguss von einer Vielzahl von perforierten Platten 62 dispergiert, wenn es durch Durchgangslöcher der perforierten Platten 62 hindurchgeht, sowie gleichgerichtet und beschleunigt. Die Strahlen kollidieren mit dem Antriebsring 45, der Hebelplatte 46, der Düsenhalterung 30 und dergleichen, die im Raum S2 als Strahlen angeordnet sind, und führen eine sogenannte Strahlkühlung (Prallkühlung) durch. Somit ist es möglich, eine Kühlwirkung auf diese Elemente zu verbessern.
In einer Ausführungsform ist die perforierte Platte 62 so konfiguriert, dass das Öffnungsverhältnis eines radial inneren Bereichs größer als das Öffnungsverhältnis eines radial äußeren Bereichs ist. Von der Düsenhalterung 30, dem Antriebsring 45 und der Hebelplatte 46 ist es notwendig, die Düsenhalterung 30, die dem Abgasströmungsdurchgang 32 am nächsten ist und am leichtesten erwärmt wird, vorzugsweise zu kühlen. Aus der A-Richtung in 1 gesehen, wie in 2 gezeigt, ist ein Bereich der Düsenhalterung 30, der auf der radial inneren Seite des Antriebsrings 45 sichtbar ist, größer als ein Bereich der Düsenhalterung 30, der auf der radial äußeren Seite des Antriebsrings 45 sichtbar ist. Ferner ist ein Bereich nahe einem Außenumfangsende der Düsenhalterung 30 in Kontakt mit dem Lagergehäuse 24 und ist somit nicht dem Innenraum Si zugewandt. Somit ist es durch Einstellen des Öffnungsverhältnisses des radial inneren Bereichs der perforierten Platte 62, so dass es größer als das Öffnungsverhältnis des radial äußeren Bereichs ist, möglich, die Strömungsrate des komprimierten Gases g, das mit der Düsenhalterung 30 kollidiert, zu erhöhen, was es möglich macht, die Kühlwirkung auf die Düsenhalterung 30 zu verbessern.
6 ist eine Vorderansicht der perforierten Platte 62 gemäß einer Ausführungsform. Eine Vielzahl von Durchgangslöchern 64, die in der perforierten Platte 62 ausgebildet sind, sind so konfiguriert, dass ein Öffnungsverhältnis X2 eines radial inneren Bereichs R2 größer als ein Öffnungsverhältnis X1 eines radial äußeren Bereichs R1 ist. Hierin sind die Öffnungsverhältnisse X1 und X2 definiert durch: $\begin{array}{l} {Öffnungsverhältnis X}_{1} = Gesamtfläche von Durchgangslöchern 64 im Bereich \\ R_{1} / {Gesamtflächen des Bereichs R}_{1} \end{array}$
und $\begin{array}{l} {Öffnungsverhältnis X}_{2} = Gesamtfläche von Durchgangslöchern 64 im Bereich \\ R_{1} / {Gesamtflächen des Bereichs R}_{2} \end{array}$
Die Form, Größe, Anzahl von Durchgangslöchern 64, eine Teilung zwischen den Durchgangslöchern 62 und dergleichen können geeignet eingestellt werden. Beispielsweise kann das Durchgangsloch 64 eine schlitzartige Form aufweisen, die sich in der Umfangsrichtung oder der radialen Richtung erstreckt.
In 6 beträgt das Einstellen einer inneren Umfangskante der perforierten Platte 62 0% und eine äußere Umfangsoberfläche beträgt 100%, eine Grenze B zwischen dem Bereich R1 und dem Bereich R2 wird vorzugsweise beispielsweise auf 30% bis 70% (vorzugsweise 40% bis 60%) Bereich eingestellt.
In einer Ausführungsform ist die Fläche der perforierten Platte 62, die dem Raum S2 zugewandt ist, so konfiguriert, dass sie einen höheren Emissionsgrad als die Oberfläche der Düsenhalterung 30 aufweist. Hierin ist der „Emissionsgrad“ ein Emissionsgrad von Wärmestrahlung einer gesamten elektromagnetischen Welle, die Infrarotstrahlen umfasst, und ist definiert durch: $\begin{array}{l} Emissionsgrad = Strahlungsaustritt von Objekt/Strahlungsaustritt von schwarzem \\ K \ddot{o} rper bei derselben Temperatur \end{array}$
Die Temperatur nimmt zu, wenn die perforierte Platte 62 Wärmestrahlung absorbiert, und die Temperatur nimmt ab, wenn die perforierte Platte 62 Wärmestrahlung emittiert. Da die Fläche der perforierten Platte 62, die der Auslassseitenöffnung 44 zugewandt ist, wo der Kühlgasdurchgang 42 mit dem Innenraum Si in Verbindung steht, den höheren Emissionsgrad als die Oberfläche der Düsenhalterung 30 aufweist, weist die Fläche der perforierten Platte 62, die der Auslassseitenöffnung 44 zugewandt ist, die niedrigere Temperatur als die Fläche der Düsenhalterung 30 auf, die dem Innenraum Si zugewandt ist. Wie oben beschrieben, ist es möglich, da die Fläche der perforierten Platte 62, die der Auslassseitenöffnung 44 zugewandt ist, die niedrige Temperatur aufweist, den Kühleffekt auf die Düsenhalterung 30, den Antriebsring 45, die Hebelplatte 46 und dergleichen zu verbessern. Somit ist es möglich, eine thermische Verformung oder ein thermisches Ausbrennen in diesen Elementen zu unterdrücken.
Als ein Mittel zum Erhöhen des Emissionsgrads der Fläche der perforierten Platte 62 gibt es ein Mittel, zum Beispiel eine Oberflächenbehandlung, wie etwa ein Auftragen einer schwarzen Farbe auf die Fläche, was der Fläche Unebenheiten verleiht, die Fläche aufraut oder dergleichen.
In einer Ausführungsform, wie in 5 und 7 gezeigt, ist ein Kühlwasserdurchgang 66, dem Kühlwasser zugeführt wird, im Lagergehäuse 24 ausgebildet. Es ist möglich, das Lagergehäuse 24 durch Zirkulieren von Kühlwasser im Kühlwasserdurchgang 66 zu kühlen. Durch Kombinieren des Kühlmittels für das Lagergehäuse 24 und des oben beschriebenen Kühlmittels für die Fläche der perforierten Platte 62, die der Auslassseitenöffnung 44 zugewandt ist, ist es möglich, den Kühleffekt auf die Düsenhalterung 30, den Antriebsring 45, die Hebelplatte 46 und dergleichen weiter zu verbessern.
In einer Ausführungsform, wie in 5 gezeigt, ist ein Durchgangsloch 68 (zweites Durchgangsloch), das bewirkt, dass der Innenraum Si mit dem Abgasströmungsdurchgang 32 in Verbindung steht, in der Düsenhalterung 30 ausgebildet, und das verdichtete Gas g, das in den Innenraum Si eingeführt wird, ist so konfiguriert, dass es durch das Durchgangsloch 68 in den Abgasströmungsdurchgang 32 eingeführt wird. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es, da das verdichtete Gas g durch das Durchgangsloch 68 in den Abgasströmungsdurchgang 32 eingeführt wird, möglich, das Abgas e, das durch den Abgasströmungsdurchgang 32 strömt, zu kühlen, was es ermöglicht, die Düsenhalterung 30, den Antriebsring 45, die Hebelplatte 46 und dergleichen zu kühlen. Ferner wird das verdichtete Gas g, das durch das Durchgangsloch 68 strömt, zu dem Abgas e, das durch den Abgasströmungsdurchgang 32 strömt, hinzugefügt, was die Strömungsrate des Abgases, das dem Turbinenrad 14 zugeführt wird, erhöht. Somit ist es möglich, die Ausgabe des Turbinenrads 14 zu erhöhen.
In einer Ausführungsform ist eine Auslassöffnung des Durchgangslochs 68 am Umfang der Düsenschaufel 34 angeordnet, beispielsweise im Abgasströmungsdurchgang 32 auf der stromaufwärtigen Seite oder der stromabwärtigen Seite. Insbesondere wenn die Auslassöffnung des Durchgangslochs 68 so angeordnet ist, dass das verdichtete Gas g, das aus der Auslassöffnung des Durchgangslochs 68 zum Abgasströmungsdurchgang 32 strömt, durch die Düsenschaufel 34 strömt, ist es möglich, den Kühleffekt auf die Düsenschaufel 34 zu verbessern.
In einer Ausführungsform ist das Turbinenrad 14 mit einem Durchgangsloch 70 (drittes Durchgangsloch) ausgebildet, das bewirkt, dass eine Rückflächenseite des Turbinenrads 14 mit einem Abgasauslassströmungsdurchgang 72 in Verbindung steht, der stromabwärts des Turbinenrads 14 ausgebildet ist. In der vorliegenden Ausführungsform strömt das verdichtete Gas g, das in den Innenraum Si eingeführt wird, durch das Durchgangsloch 68 zum Abgasauslassströmungsdurchgang 72 aus. Somit ist es möglich, das Turbinenrad 14 zu kühlen.
Die in den obigen Ausführungsformen beschriebenen Inhalte würden zum Beispiel wie folgt verstanden werden.
(1) Ein Turbolader mit variabler Geometrie gemäß einem Aspekt umfasst eine Drehwelle; ein Turbinenrad, das an einer Endseite der Drehwelle angeordnet ist; ein Verdichterrad, das an einer anderen Endseite der Drehwelle angeordnet ist; ein Lagergehäuse zum Aufnehmen eines Lagerteils zum drehbaren Lagern der Drehwelle; eine variable Düsenstruktur (wie z. B. die in 1 gezeigte variable Düsenstruktur 26) zum Steuern einer Strömungsrate eines in das Turbinenrad strömenden Abgases, wobei die variable Düsenstruktur (wie z. B. die in 1 gezeigte variable Düsenstruktur 26) eine Düsenplatte und eine Düsenhalterung umfasst, die einen Abgasströmungskanal (wie z. B. den in 1 gezeigten Abgasströmungskanal 32) definieren, um zu ermöglichen, dass das Abgas in das Turbinenrad strömt, eine Düsenschaufel, die drehbar um eine Lagerwelle im Abgasströmungskanal angeordnet ist, und ein Antriebsteil (wie z. B. das in 1 gezeigte Antriebsteil 38) zum Drehen der Düsenschaufel, wobei das Antriebsteil in einem Innenraum (wie z. B. dem in 1 gezeigten Innenraum Si) angeordnet ist, der zwischen dem Lagergehäuse und der Düsenhalterung definiert ist; und einen Kühlgaskanal (wie z. B. den in 1 gezeigten Kühlgaskanal 42 (42a) und den in 4 gezeigten Kühlgaskanal 42 (42b)) zum Extrahieren von verdichtetem Gas, das durch das Verdichterrad verdichtet wird, und Einleiten des verdichteten Gases in den Innenraum.
Mit einer solchen Konfiguration kann die Düsenhalterung oder der Antriebsring, die Hebelplatte oder dergleichen, die das Antriebsteil der variablen Düsenstruktur bilden, gekühlt werden, indem das verdichtete Gas, das durch das Verdichterrad verdichtet wird, dem Innenraum, der zwischen dem Lagergehäuse und der Düsenhalterung definiert ist, über den oben beschriebenen Kühlgasdurchgang zugeführt wird, wodurch es möglich ist, thermische Verformung oder einen Verschleiß dieser Elemente zu unterdrücken.
(2) In einer Ausführungsform weist der Kühlgasdurchgang im Turbolader mit variabler Geometrie, wie in (1) definiert, eine Einlassseitenöffnung (wie die in 1 gezeigte Einlassseitenöffnung 43) auf, die mit einem Auslassseitenbereich eines Diffusorströmungsdurchgangs (wie dem in 1 gezeigten Diffusorströmungsdurchgang 50) in Verbindung steht, in dem das Verdichterrad untergebracht ist.
Mit einer solchen Konfiguration ist es möglich, da sich die Einlassseitenöffnung des Kühlgasdurchgangs zum Auslassseitenbereich des Diffusorströmungsdurchgangs öffnet, das verdichtete Gas, das im Druck erhöht ist, durch den Diffusorströmungsdurchgang dem oben beschriebenen Innenraum zuzuführen. Mit der Druckdifferenz zwischen der Einlassseite und der Auslassseite des Kühlgasdurchgangs ist es möglich, das verdichtete Gas dem Auslassseiteninnenraum zuzuführen, ohne andere Leistung zu erfordern.
(3) In einer Ausführungsform weist das Lagergehäuse im Turbolader mit variabler Geometrie, wie in (1) oder (2) definiert, ein erstes Durchgangsloch (wie das in 1 gezeigte Durchgangsloch 52) auf, das entlang einer axialen Richtung der Drehwelle verläuft, und das erste Durchgangsloch bildet einen Teil des Kühlgasdurchgangs.
Mit einer solchen Konfiguration ist, da ein Teil des Kühlgasdurchgangs innerhalb des Lagergehäuses ausgebildet sein kann, kein Raum für den Kühlgasdurchgang außerhalb des Lagergehäuses erforderlich.
(4) In einer Ausführungsform umfasst der Turbolader mit variabler Geometrie, wie in (1) oder (2) definiert, ferner eine Verdichterabdeckung zum Unterbringen des Verdichterrads und ein externes Rohr (wie das in 4 gezeigte externe Rohr 54), das zwischen der Verdichterabdeckung und dem Lagergehäuse angeordnet ist. Das externe Rohr bildet einen Teil des Kühlgasdurchgangs.
Mit einer solchen Konfiguration wird, da ein Teil des Kühlgasdurchgangs durch das oben beschriebene externe Rohr ausgebildet werden kann, der Kühlgasdurchgang relativ leicht ausgebildet.
(5) In einer Ausführungsform weist der Kühlgasdurchgang im Turbolader mit variabler Geometrie, wie in einem der (1) bis (4) definiert, eine Auslassseitenöffnung (wie die in 1 gezeigte Auslassseitenöffnung 44) auf, die mit dem Innenraum in Verbindung steht, und der Turbolader mit variabler Geometrie umfasst ferner eine perforierte Platte (wie die in 5 gezeigte perforierte Platte 62), die den Innenraum entlang einer axialen Richtung der Drehwelle teilt, wobei die perforierte Platte im Innenraum so angeordnet ist, dass das Antriebsteil in einem Seitenraum angeordnet ist, der auf einer Seite der perforierten Platte ausgebildet ist, und die Auslassseitenöffnung mit einem anderen Seitenraum in Verbindung steht, der auf einer anderen Seite der perforierten Platte ausgebildet ist.
Mit einer solchen Konfiguration wird das verdichtete Gas, das dem oben beschriebenen Innenraum zugeführt wird, dispergiert und gleichgerichtet, wenn es durch das Durchgangsloch der oben beschriebenen perforierten Platte hindurchgeht, sowie beschleunigt, und kollidiert somit als Strahl mit dem Bestandteil der variablen Düsenstruktur, die im oben beschriebenen einen Seitenraum des Innenraums angeordnet ist, und führt eine sogenannte Strahlkühlung (Prallkühlung) durch. Somit ist es möglich, die Kühlwirkung auf diese Elemente zu verbessern.
In einer Ausführungsform ist die perforierte Platte im Turbolader mit variabler Geometrie, wie in (5) definiert, so konfiguriert, dass ein Öffnungsverhältnis eines radial inneren Bereichs (wie des in 6 gezeigten radial inneren Bereichs R2) größer als ein Öffnungsverhältnis eines radial äußeren Bereichs (wie des in 6 gezeigten radial äußeren Bereichs R1) ist.
Mit einer solchen Konfiguration ist ein freiliegender Bereich der Düsenhalterung, wenn er von stromaufwärts der Strömungsrichtung des verdichteten Gases betrachtet wird, im radial inneren Bereich breiter als im radial äußeren Bereich. Somit ist es möglich, die Strömungsrate des verdichteten Gases, das mit der Düsenhalterung kollidiert, zu erhöhen, indem das Öffnungsverhältnis des radial äußeren Bereichs größer als das des radial inneren Bereichs der perforierten Platte gemacht wird. Somit ist es möglich, die Kühlwirkung auf die Düsenhalterung zu verbessern.
In einer Ausführungsform ist im Turbolader mit variabler Geometrie, wie in (5) oder (6) definiert, eine Fläche der perforierten Platte, die dem anderen Seitenraum zugewandt ist, so konfiguriert, dass sie einen höheren Emissionsgrad als eine Oberfläche der Düsenhalterung aufweist.
Die perforierte Platte erhöht ihre Temperatur, wenn sie Wärmestrahlung absorbiert, und verringert ihre Temperatur, wenn sie Wärmestrahlung emittiert. Mit der obigen Konfiguration weist, da die Fläche der perforierten Platte, die der Auslassseitenöffnung zugewandt ist, wo der Kühlgasdurchgang mit dem Innenraum in Verbindung steht, den höheren Emissionsgrad als die Oberfläche der Düsenhalterung aufweist, die Fläche der perforierten Platte, die der Auslassseitenöffnung zugewandt ist, die niedrigere Temperatur als die Düsenhalterung auf. Da die Fläche die niedrigere Temperatur als die Düsenhalterung aufweist, ist es möglich, eine thermische Verformung oder ein thermisches Ausbrennen in der Düsenhalterung oder dem Element, das das Antriebsteil der variablen Düsenstruktur bildet, zu unterdrücken.
In einer Ausführungsform weist die Düsenhalterung im Turbolader mit variabler Geometrie, wie in einem der (1) bis (7) definiert, ein zweites Durchgangsloch (wie das in 5 gezeigte Durchgangsloch 68) auf, das bewirkt, dass der Innenraum mit dem Abgasströmungsdurchgang in Verbindung steht, wobei das zweite Durchgangsloch so konfiguriert ist, dass es ermöglicht, dass das in den Innenraum eingeführte verdichtete Gas strömt.
Mit einer solchen Konfiguration ist es, da das verdichtete Gas durch das oben beschriebene zweite Durchgangsloch in den Abgasströmungsdurchgang eingeführt wird, möglich, das durch den Abgasströmungsdurchgang strömende Abgas zu kühlen, was es ermöglicht, die Düsenhalterung, die dem Abgasströmungsdurchgang, der Düsenplatte, der Düsenschaufel und dergleichen zugewandt ist, zu kühlen. Ferner wird das verdichtete Gas, das durch das zweite Durchgangsloch strömt, zu dem Abgas, das durch den Abgasströmungsdurchgang strömt, hinzugefügt, was die Strömungsrate des Abgases, das dem Turbinenrad zugeführt wird, erhöht. Somit ist es möglich, die Ausgabe des Turbinenrads zu erhöhen.
In einer Ausführungsform weist das Turbinenrad im Turbolader mit variabler Geometrie, wie in einem von (1) bis (8) definiert, ein drittes Durchgangsloch (wie das in 7 gezeigte Durchgangsloch 70) auf, das bewirkt, dass eine Rückflächenseite des Turbinenrads mit einem Abgasauslassströmungsdurchgang in Verbindung steht, der stromabwärts des Turbinenrads ausgebildet ist.
Mit einer solchen Konfiguration ist es, da das verdichtete Gas, das in den Innenraum eingeführt wird, durch das oben beschriebene dritte Durchgangsloch strömt, möglich, das Turbinenrad zu kühlen.
Bezugszeichenliste

10 (10A, 10B, 10C, 10D): Turbolader mit variabler Geometrie
12: Drehwelle
14: Turbinenrad
16: Verdichterrad
18: Lagerteil
20: Turbinengehäuse
22: Verdichterabdeckung
24: Lagergehäuse
26: Variable Düsenstruktur
28: Düsenplatte
30: Düsenhalterung
32: Abgasströmungsdurchgang
34: Düsenschaufel
36: Lagerwelle
38: Antriebsteil
39: Verbindungsteil
40: Aktuator
42 (42a, 42b): Kühlgasdurchgang
43: Einlassseitenöffnung
44: Auslassseitenöffnung
45: Antriebsring
46: Hebelplatte
48: Düsenhalter
50: Diffusorströmungsdurchgang
51: Spiralströmungsdurchgang
52: Durchgangsloch (erstes Durchgangsloch)
54: Externes Rohr
56, 58: Strömungsdurchgang
60: Rückschlagventil
62: Perforierte Platte
64: Durchgangsloch
66: Kühlwasserdurchgang
68: Durchgangsloch (zweites Durchgangsloch)
70: Durchgangsloch (drittes Durchgangsloch)
72: Abgasauslassströmungsdurchgang
B: Grenze
R1: Radial äußerer Bereich
R2: Radial innerer Bereich
S1: Raum (ein Seitenraum)
S2: Raum (ein anderer Seitenraum)
Si: Innenraum
e: Abgas
g: Verdichtetes Gas

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2004232622 A [0004]

Claims

Turbolader mit variabler Geometrie, umfassend: eine Drehwelle; ein Turbinenrad, das an einer Endseite der Drehwelle angeordnet ist; ein Verdichterrad, das an einer anderen Endseite der Drehwelle angeordnet ist; ein Lagergehäuse zum Aufnehmen eines Lagerteils zum drehbaren Lagern der Drehwelle; eine variable Düsenstruktur zum Steuern einer Strömungsrate eines Abgases, das in das Turbinenrad strömt, wobei die variable Düsenstruktur umfasst eine Düsenplatte und eine Düsenhalterung, die einen Abgasströmungsdurchgang definieren, um zu ermöglichen, dass das Abgas in das Turbinenrad strömt, eine Düsenschaufel, die drehbar um eine Lagerwelle im Abgasströmungsdurchgang angeordnet ist, und ein Antriebsteil zum Drehen der Düsenschaufel, wobei das Antriebsteil in einem Innenraum angeordnet ist, der zwischen dem Lagergehäuse und der Düsenhalterung definiert ist; und einen Kühlgasdurchgang zum Extrahieren von verdichtetem Gas, das durch das Verdichterrad verdichtet wird, und Einführen des verdichteten Gases in den Innenraum.
Turbolader mit variabler Geometrie nach Anspruch 1, wobei der Kühlgasdurchgang eine Einlassseitenöffnung aufweist, die mit einem Auslassseitenbereich eines Diffusorströmungsdurchgangs in Verbindung steht, in dem das Verdichterrad untergebracht ist.
Turbolader mit variabler Geometrie nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Lagergehäuse ein erstes Durchgangsloch aufweist, das entlang einer axialen Richtung der Drehwelle verläuft, und wobei das erste Durchgangsloch einen Teil des Kühlgasdurchgangs bildet.
Turbolader mit variabler Geometrie nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: eine Verdichterabdeckung zum Unterbringen des Verdichterrads; und ein externes Rohr, das zwischen der Verdichterabdeckung und dem Lagergehäuse angeordnet ist, wobei das externe Rohr einen Teil des Kühlgasdurchgangs bildet.
Turbolader mit variabler Geometrie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Kühlgasdurchgang eine Auslassseitenöffnung aufweist, die mit dem Innenraum in Verbindung steht, und wobei der Turbolader mit variabler Geometrie ferner eine perforierte Platte umfasst, die den Innenraum entlang einer axialen Richtung der Drehwelle teilt, wobei die perforierte Platte im Innenraum so angeordnet ist, dass das Antriebsteil in einem Seitenraum angeordnet ist, der auf einer Seite der perforierten Platte ausgebildet ist, und die Auslassseitenöffnung mit einem anderen Seitenraum in Verbindung steht, der auf einer anderen Seite der perforierten Platte ausgebildet ist.
Turbolader mit variabler Geometrie nach Anspruch 5, wobei die perforierte Platte so konfiguriert ist, dass ein Öffnungsverhältnis eines radial inneren Bereichs größer als ein Öffnungsverhältnis eines radial äußeren Bereichs ist.
Turbolader mit variabler Geometrie nach Anspruch 5 oder 6, wobei eine Fläche der perforierten Platte, die dem anderen Seitenraum zugewandt ist, so konfiguriert ist, dass sie einen höheren Emissionsgrad als eine Oberfläche der Düsenhalterung aufweist.
Turbolader mit variabler Geometrie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Düsenhalterung ein zweites Durchgangsloch aufweist, das bewirkt, dass der Innenraum mit dem Abgasströmungsdurchgang in Verbindung steht, wobei das zweite Durchgangsloch so konfiguriert ist, dass es ermöglicht, dass das in den Innenraum eingeführte verdichtete Gas strömt.
Turbolader mit variabler Geometrie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Turbinenrad ein drittes Durchgangsloch aufweist, das bewirkt, dass eine Rückflächenseite des Turbinenrads mit einem Abgasauslassströmungsdurchgang in Verbindung steht, der stromabwärts des Turbinenrads ausgebildet ist.