DE1908258A1

DE1908258A1 - Exhaust gas turbocharger for charging internal combustion engines

Info

Publication number: DE1908258A1
Application number: DE19691908258
Authority: DE
Inventors: Ledo Dr-Ing Carletti
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1968-12-11
Filing date: 1969-02-19
Publication date: 1971-02-25
Also published as: GB1256777A; FR2025891A1; NL6901704A; CH500375A

Description

Dr.-Ing. Ledo Carletti
Zürich/Schweiz
Scheuchzerstr. 50Dr.-Ing. Ledo Carletti
Zurich, Switzerland
Scheuchzerstr. 50

"Abgasturbolader für die Aufladung von Verbrennungsmotoren.""Exhaust gas turbochargers for charging internal combustion engines."

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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für dieThe invention relates to an exhaust gas turbocharger for

Aufladung von Verbrennungsmotoren«Supercharging of internal combustion engines «

Für die Aufladung von Verbrennungsmotoren werden heute ausschließlich durch Axial- oder Radialturbinen angetriebene Radailverdichter verwendet. Bei den heute verlangten hohen Aufladedrücken handelt es sich meistens um Radialverdichter mit sogenannten Hochdruckrädern, die einen Schaufelaustrittswinkel von 90° aufweisen. Diese Verdichter erreichen ihren Höcnstwirkungsgrad auf der Pumpgrenze, wo die Linien konstanter Drehzahl sehr flach sind.Radail compressors driven exclusively by axial or radial turbines are now used to supercharge internal combustion engines. The high boost pressures required today are mostly centrifugal compressors with so-called high-pressure wheels that have a blade outlet angle of 90 °. These compressors reach their maximum efficiency at the surge limit, where the lines of constant speed are very flat.

Wird nun, zwecks besserer Ausnutzung des Wirkungsgrades, der Betriebspunkt des Verdichters zu nahe an die Pumpgrenze verlegt, so können die vom Motor ausgehenden Druckschwankungen, die ein Hin- und Herwandern des Betriebspunktes zur Folge haben, diesen in das Pumpgebiet bringen. Die Mctorkennlinie muß deshalb in Gebiete schlechten Wirkungs-If now, for the purpose of better utilization of the efficiency, the operating point of the compressor is too close to the If the surge limit is relocated, the pressure fluctuations emanating from the engine, which cause the operating point to wander back and forth, can occur result in bringing it into the pumping area. The motor characteristic must therefore be used in areas with poor efficiency

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grades verlegt werden, damit bei auftretenden Druckschwankungen die Pumpgrenze nicht erreicht wird.should be laid in a straight line so that the surge limit is not reached in the event of pressure fluctuations.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden, was erfindungsgemäß erreicht wird durch einen von einer Abgasturbine angetriebenen mehrstufigen Axialverdichter mit verstellbaren Verdichterleitschaufeln, der so ausgelegt ist, daß die Motorkennlinie im Verdichterkennfeld rechts von der Pumpgrenze das Gebiet der höchsten adiabatischen Wirkungsgrade durchläuft, daß das Verdichterkennfeld mittels der einstellbaren Leitschaufeln einer sich im Betrieb verschiebenden Motorkennlinie anpaßbar ist, und daß im Verdichterkennfeld die mit steigender Fördermenge stark abfallenden Linien konstanter Drehzahl, in Bezug auf vom Motor hervorgerufene Druckschwankungen in der Luftleitung zwischen Motor und Verdichter, auch im adiabatischen Höchstwirkungsgradbereich einen stabilen Betrieb zulassen·The invention is based on the object of avoiding these disadvantages, which is achieved according to the invention by a multi-stage axial compressor driven by an exhaust gas turbine with adjustable compressor guide vanes, which is like this is designed so that the motor characteristic in the compressor map to the right of the surge line is the area of the highest adiabatic Efficiency goes through that the compressor map by means of the adjustable guide vanes of a shifting during operation Motor characteristic is adaptable, and that in the compressor map the lines of constant speed, which decrease sharply with increasing delivery rate, in relation to those caused by the motor Pressure fluctuations in the air line between motor and compressor, also in the adiabatic maximum efficiency range allow stable operation

Der Betrieb eines solchen Abgasturboladers wird also durch den Axialverdichter stabil. Hinzu kommt, daß der Axialverdichter den Höchstwirkungsgrad rechts von der Pumpgrenze erreicht, so daß er immer bei Höchstwirkungsgrad arbeiten kann, und zudem ist die Möglichkeit gegeben, durch verstellbare Leitschaufeln eine weitere Verbesserung der Anpassung des Turboladers an den Motor zu erzielen.The operation of such an exhaust gas turbocharger is so stable thanks to the axial compressor. In addition, the axial compressor has maximum efficiency to the right of the surge limit achieved so that he can always work at maximum efficiency, and there is also the possibility of adjustable Guide vanes to achieve a further improvement in the adaptation of the turbocharger to the engine.

Die Unterschiede und Vorteile von Abgasturbo1ädern mit einem Axialverdichter gemäß der Erfindung seien im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Verdichterkennfeldern den bisher gebräuchlichen Abgasturboladern mit Radialverdichtern gegenübergestellt. In der Zeichnung zeigenThe differences and advantages of exhaust gas turbines with an axial compressor according to the invention are in the following with reference to compressor maps shown in the drawing the previously common exhaust gas turbochargers Compared to centrifugal compressors. Show in the drawing

Fig. 1 und 2 das Kennfeld solcher Radialverdichter_s das deren Arbeiteweise anschaulich dar« stellt, undFig. 1 and 2, the map of such centrifugal compressors _s the Workers the manner clearly represents "represents, and

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Fig. 3 das Kennfeld eines mehrstufigen Axialverdichters an einem Abgasturboladers gemäß der Erfindung.3 shows the characteristics map of a multistage axial compressor on an exhaust gas turbocharger according to the invention.

Die in Fig. 1 und 2 für einen Radialverdichter eingezeichneten Linien konstanter Drehzahl 2 lassen erkennen, welche For der drücke und Förderinengen bei solchen Verdichtern bei einer bestimmten, konstant gehaltenen Verdichterdrehzahl zu erreichen sind. Kleine Drehzahlen ergeben kleine Drücke und Fördermengen, höhere Drehzahlen entsprechend größere Werte. Die sogenannte Pumpgrenze 1 stellt eine Arbeitsgrense dar, links von der kein stabiler Betrieb mehr möglich ist. Die Linien konstanten Wirkungsgrades 3, der in Fig. 1 bis 3 in Prosentwerten angegeben ist, zeigen den bei einer bestimmten Drehzahl, Fördermenge und Förderdruck erreichbaren adiabatischen Wirkungsgrad« Der adiabatische Höchstwirkungsgrad von Verdichterräderη mit 90° Schaufelaustrittswinkel liegt auf der Pumpgrenze I₈ v;© eia r.wsckirtSßiger Betrieb nicht möglich ist· Der Abgasturbolader ΙηΙ'Έ deshalb so an den Motor angepaßt werden, daß die Motorkennlinie 4 rechts von der Pumpgrenze 1 liegt· Da durch den Motor Drucksenankungen in der Luftleitung zwischen Verdichter und Motor hervorgerufen werden, ist sogar im stabilen Gebiet rechts von der Pumpgrenze, wenn man dieser zu nahe liegt, kein stabiler Betrieb mehr möglich, da die Linien konstanter Drehzahl 2 in Purapgrensennähe einen flachen Verlauf haben. Man ist deshalb aus Sicherheitsgründen gezwungen, den Abgasturbolader so auszulegen, daß der Abstand 7 der Motorkennlinie von der Pumpgrenze 1 mehr als 10 % des entsprechenden Fördervolumens 8 beträgt. In diesem Bereich aber arbeitet ein Radialverdichter schon bei beträchtlich tieferen Wirkungsgraden als nahe bei der Pumpgrenze zur Verfügung ständen» Wie aus Fig. ersichtlich ist, iraiß besonders bei Viertaktmotoren, deren Kennlinie stark von der Motordrehzahl abhängig ist, imThe lines of constant speed 2 drawn in FIGS. 1 and 2 for a centrifugal compressor show which of the pressures and conveyance limits are to be achieved in such compressors at a certain compressor speed that is kept constant. Small speeds result in low pressures and flow rates, higher speeds result in correspondingly larger values. The so-called surge limit 1 represents a working limit, to the left of which stable operation is no longer possible. . The lines of constant efficiency 3, which is indicated in Figures 1 to 3 in Prosentwerten showing the achievable at a certain speed, flow rate and delivery pressure adiabatic efficiency "The adiabatic maximum efficiency of Verdichterräderη with 90 ° blade exit angle is on the surge limit I ₈ v; © However, it is not possible to operate the exhaust gas turbocharger ΙηΙ'Έ in such a way that the motor characteristic 4 is to the right of the surge limit 1 In the stable area to the right of the surge line, if one is too close to it, stable operation is no longer possible, since the lines of constant speed 2 have a flat profile in the vicinity of the Purapgrens. For safety reasons, it is therefore necessary to design the exhaust gas turbocharger in such a way that the distance 7 of the engine characteristic curve from the surge limit 1 is more than 10 % of the corresponding delivery volume 8. In this area, but a centrifugal compressor already operating at significantly lower efficiencies as close to the surge limit available stands "As shown in FIG. Is seen iraiß especially with four-stroke engines whose characteristic is highly dependent on the engine speed, in

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Vollastbetrieb 4 und Überlastbetrieb 5 ziemlich weit rechts In Bereichen schlechten Wirkungsgrades gearbeitet werden, da man ja auch bei Teillastbetrieb 6 noch rechts von der Pump-*, grenze 1 liegen muß» ·Full load operation 4 and overload operation 5 pretty far to the right In areas of poor efficiency are worked because you are still to the right of the pump * even with partial load operation 6, limit 1 must be »·

Alle diese Nachteile werden durch einen mehrstufigen Axialverdichter vermieden· Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, haben diese Maschinen den Bereich höchsten adiabatischen Wirkungsgrades rechts von der Pumpgrenze 1, und der Abstand dieses Bereiches von der Pumpgrenze beträgt rund IO % der diesbezüglichen Fördermenge. Der Abgasturbolader kann deshalb immer so ausgelegt werden, daß die Motorkennlinie 4 den erwähnten Höchstwirkungsgradbereich durchläuft. Zudem' ist es durch die verstellbaren Verdichterleitschaufeln möglich, das gesamte Kennfeld zu verschieben und so der veränderlichen Motorkennlinie 5 anzupassen. Verstellbare Leitschaufeln werden bei Industrieverdichtern verwendet und haben sich im praktischen Betrieb bewährt. Grundsätzlich ließe sich durch verstellbare Diffusorschaufel auch das Kennfeld eines Radialverdichters verschieben. Diese Regulierungsart scheint sich aber nicht bewährt zu haben, so daß heute allgemein nur Radialverdichter mit festen Kennfeldern verwendet werden. Aus den erwähnten Gründen können diese nur in Wirkungsgradbereichen von 7O % bis 60 % arbeiten, während Axialverdichter, die ohnehin höhere adiabatische Wirkungsgrade aufweisen, in Bereichen von 85 % bis 90 % eingesetzt werden können und zudem durch verstellbare Leitschaufeln eine zweckmäßige Verschiebung des Kennfeldes zulassen. Ferner ist zn bemerken, daß im Axialverdichterkennfeld die Linien konstanter Drehzahl 2 mit steigender Fördermenge stärker abfallen als diejenigen des Radialverdichters und somit, in Bezug auf vom Motor hervorgerufene DruckSchwankungen in der Luftleitung zwischen Motor und Verdichter, einen stabileren Betrieb ermöglichen·All these disadvantages are avoided by a multi-stage axial compressor.As can be seen from Fig. 3, these machines have the area of highest adiabatic efficiency to the right of surge line 1, and the distance of this area from the surge line is around 10 % of the relevant delivery rate. The exhaust gas turbocharger can therefore always be designed in such a way that the engine characteristic 4 runs through the maximum efficiency range mentioned. In addition, the adjustable compressor guide vanes make it possible to shift the entire characteristic diagram and thus adapt it to the variable engine characteristic curve 5. Adjustable guide vanes are used in industrial compressors and have proven themselves in practical operation. In principle, an adjustable diffuser blade could also be used to shift the map of a centrifugal compressor. This type of regulation does not seem to have proven itself, so that today only centrifugal compressors with fixed characteristic maps are generally used. For the reasons mentioned, these can only work in efficiency ranges from 70% to 60% , while axial compressors, which already have higher adiabatic efficiencies, can be used in ranges from 85% to 90 % and also allow an appropriate shift of the characteristic map by means of adjustable guide vanes. It should also be noted that in the axial compressor map the lines of constant speed 2 drop more sharply with increasing delivery rate than those of the centrifugal compressor and thus enable more stable operation with regard to pressure fluctuations in the air line between the motor and compressor caused by the motor.

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Bei den heute verlangten hohen Aufladedrücken, die Auch einen hohen Druck vor der Turbine bedingen, wird für den Antrieb des erwähnten mehrstufigen Axlälverdichters zwickmäßigerweise eine mehrstufige Axialturbine verwendet· With the high boost pressures required today, which also require a high pressure in front of the turbine, a multistage axial turbine is used to drive the multistage axial compressor mentioned.

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Claims

Abgasturbolader für die Aufladung von Verbrennungsmotoren) gekennzeichnet durch einen von einer Abgasturbine angetriebenen mehrstufigen Axialverdichter mit verstellbaren Verdichterleitschaufeln, der so ausgelegt ist, daß die Motor· kennlialie im Verdichterkennfeld rechts von der Pumpgrenze das Gebiet der höchsten adiabatischen Wirkungsgrade durchläuft, daß das Verdichterkennfeld mitteil der einstellbaren Leitschaufel einer sich im Betrieb verschiebenden Motorkennlinie anpaßbar ist, und, daß im Verdichterkennfeld die mit steigender Fördermenge stark abfallenden Linien konstanter Drehstahl, in Besug auf vom Motor hervorgerufene Druckschwankungen in der Luf tleitung^ »wischen Motor und Verdichter, auch im adiabatischen Hochstwirkungsgradbereich einen stabilen Betrieb zulassen.Exhaust gas turbocharger for the charging of internal combustion engines) characterized by a multi-stage axial compressor driven by an exhaust gas turbine with adjustable Compressor vanes designed in such a way that the engine characteristic in the compressor map to the right of the surge limit the area of the highest adiabatic efficiency runs through that the compressor map with part of the adjustable Guide vane is adaptable to a shifting engine characteristic curve during operation, and that in the compressor map the lines of constant turning steel that decrease sharply with increasing delivery rate, in relation to those caused by the engine Pressure fluctuations in the air line between the engine and the Compressors, also in the adiabatic high efficiency range allow stable operation.

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