DE19717559C2 - Turbolader - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turbolader, insbesondere einen Turbolader, wel­ cher eine Rotationsgeschwindigkeit eines Turbinenrotors verändern kann, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein herkömmlicher Turbolader von dieser Art ist z. B. in der japanischen ungeprüften Gebrauchsmusterveröffentlichung 8(1996)-7061 offenbart. Dieser Turbolader beinhaltet einen Turbinenrotor, ein Turbinengehäuse, ein Vielzahl von Düsenleitschaufeln und einen Verbindungsmechanismus. Der Turbinenrotor ist mit einer Welle verbunden und hat eine Vielzahl von Turbinenflügeln. Der Turbinenrotor wird durch Abgase gedreht und ist in dem Turbinengehäuse angeordnet. Das Turbinengehäuse ist mit einer Evolventeninnenwand aus­ gestattet, welche einen Spiralbereich für Abgase bildet. Die Düsenleitschaufeln werden in dem Spiralbereich plaziert und durch das Turbinengehäuse getragen. Der Verbindungsme­ chanismus steuert den Winkel der Düsenleitschaufeln, um so die Flußrichtung der Abgase zu dem Turbinenrotor zu verändern. Deshalb kann die Rotationsgeschwindigkeit des Turbi­ nenrotors verändert werden. Die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors ist langsam, wenn der Winkel der Düsenleitschaufeln groß ist, so daß die Flußgeschwindigkeit der Abgase in Richtung auf das Zentrum der Welle stattfindet. Die Rotationsgeschwindigkeit des Turbi­ nenrotors ist hoch, wenn der Winkel der Düsenleitschaufeln gering ist, so daß die Fließ­ richtung der Abgase in Richtung einer Tangentenlinie auf den Turbinenrotor stattfindet.

In dem oben beschriebenen Turbolader verändert der Verbindungsmechanismus die Winkel der Düsenleitschaufeln gleichzeitig. Jedoch ist die Temperatur in dem Spiralbereich größer als 1000°C. Deshalb muß der Verbindungsmechanismus aus hitzebeständigem Material hergestellt werden. Weiterhin beinhalten die Abgase eine Menge an Kohlenstoffverbindun­ gen. Die Kohlenstoffverbindung beeinflußt die Funktion des Verbindungsmechanismusses. Deshalb muß der Verbindungsmechanismus sehr zuverlässig sein.

Die Druckschrift EP 119323 A1 zeigt einen Turbolader, bei dem das Turbinengehäuse in einen Innenspiralbereich und einen Außenspiralbereich unterteilt ist. Die Unterteilung er­ folgt über eine Trennwand, die aus vier Einzelwandsegmenten besteht, welche versetzt von­ einander angeordnet sind, wobei zwischen den Wänden Öffnungen ausgebildet sind.

Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Turbolader zu liefern, welcher den oben aufgezählten Nachteilen zuvorkommt.

Diese Aufgabe wird durch einen Turbolader mit den kennzeichnenden Merkmalen des An­ spruchs 1 gelöst.

Zusätzliche Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der Folgenden detaillierten Be­ schreibung der bevorzugten Ausführungsformen offensichtlicher werden, wenn diese im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet werden, in welchen:

Fig. 1 eine Schnittansicht der ersten Ausführungsform eines Turboladers ent­ sprechend der Erfindung ist;

Fig. 2 eine Schnittansicht ist, die entlang der Linie A-A in Fig. 1 entsprechend der Erfindung verläuft;

Fig. 3 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Turboladers ent­ sprechend der Erfindung ist; und

Fig. 4 und 5 Schnittansichten der dritten Ausführungsform eines Turboladers entspre­ chend der Erfindung sind.

Ein Turbolader entsprechend der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.

Fig. 1 und 2 zeigen die erste Ausführungsform der Erfindung. Mit Bezug auf Fig. 1 ist ein Kompressorgehäuse 10, welches aus Gußeisen hergestellt ist, mit einem Kompressorein­ gangsanschluß 12 und einem Kompressorentladeanschluß 14 ausgestattet. Ein Diffuser 20 ist mit dem Kompressorgehäuse 10 durch einen Bolzen 22 verbunden, um eine ringförmige Spirale 16 zu bilden. Die ringförmige Spirale I6 verbindet den Kompressoreingang­ sanschluß 12 und den Kompressorentladeanschluß 14. Das kleine Querschnittgebiet der ringförmigen Spirale 16 ist nahe dem Kompressoreingangsanschluß 12 plaziert. Das Quer­ schnittsgebiet der ringförmigen Spirale 16 wird größer, wenn die Spirale 16 sich dem Kom­ pressorentladeanschluß 14 nähert, so daß das große Querschnittsgebiet der ringförmigen Spirale 18 nahe dem Kompressorentladeanschluß 14 plaziert ist.

Ein Lagergehäuse 30 ist mit dem Kompressorgehäuse 10 verbunden und hat einen Ölein­ gangsanschluß 32. Der Öleingangsanschluß 32 ist mit drei Öldurchläufen 36, 38 und 40 über einen Öldurchlauf 34 verbunden. Deshalb wird das Öl an den Eingangsanschluß 32 von einer Ölpumpe (nicht gezeigt) geliefert und weiterhin an eine Welle 50 und fünf Lager 42, 43, 44, 45 und 46 durch die Öldurchläufe 34, 36, 38 und. 40 geliefert. Die Lager 42, 43, 44, 45 und 46 sind durch die Welle 50 gelagert. Auf der anderen Seite hat das Lagergehäuse 30 einen Ölentladeanschluß 54, welcher mit den Lagern 42, 43, 44, 45 und 46 über einen Raum 52 verbunden ist. Ein Durchlauf für Kühlwasser ist angeordnet.

Ein Turbinengehäuse 60, welches mit dem Lagergehäuse 30 verbunden ist, beinhaltet einen Eingangsanschluß 62 und einen Ausgangsanschluß 64 für Abgase. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist eine Evolventeninnenwand 61 Teil des Turbinengehäuses 60. Die Evolventeninnenwand 61 bildet einen Spiralzwischenraum, welcher durch zwei Spiralbereiche 66 und 68 und eine Evolvententrennwand 67 definiert wird. Die Evolvententrennwand 67 beinhaltet eine erste Oberfläche 67a und eine zweite Oberfläche 67b und verbindet den Spiralbereich 66 mit dem Spiralbereich 68. Die erste Oberfläche 67a ist in einem geringen Winkel zu der Rotations­ richtung eines Turbinenrotors 80 plaziert. Die zweite Oberfläche 67b ist in einem großen Winkel zu der Rotationsrichtung des Turbinenrotors 80 angeordnet. Zwischen der ersten Oberfläche 67a und der zweiten Oberfläche 6% liegt eine Verbindungsöffnung 69.

Ein Steuereinrichtung 90 ist nahe dem Eingangsanschluß 62 angeordnet. Die Steuereinrich­ tung 90 beinhaltet eine Klappe 92 und einen Schaft 94. Der Schaft 94 ist mit der Klappe 92 verbunden und wird durch die Evolvententrennwand 67 getragen, so daß die Klappe 92 von der Position der Klappe 92 zu der Position, die durch die unterbrochene Linie 96 in Fig. 2 angezeigt wird, drehen kann. Die Klappe 92 schließt einen der Spiralbereiche 66 oder 68.

Wie in Fig. 1 gezeigt, hat jedes Ende der Welle 50 einen Bolzen 74. Ein Ende der Welle 50 ist an der Seite des Kompressorgehäuses 10 mit einem Kompressorrotor 70 über eine Schraube 74 verbunden. Das andere Ende der Welle 50 ist mit dem Turbinenrotor 80 ver­ bunden. Wenn der Turbinenrotor 80 rotiert, rotiert der Kompressorrotor 70 ebenfalls. Der Kompressorrotor 70 hat eine Vielzahl von Kompressorflügeln 72, und der Turbinenrotor 80 hat eine Vielzahl von Turbinenflügeln 82. Beide Flügel 72 und 82 erstrecken sich in die Radialrichtung der Welle 50.

Entsprechend dem oben beschriebenen Turbolader kommen Abgase in das Turbinengehäuse 60 über den Eingangsanschluß 62 und bringen den Turbinenrotor 80 zum rotieren. Die Ab­ gase entladen von dem Turbinengehäuse 60 durch den Ausgangsanschluß 64. Der Turbinen­ rotor 80 dreht den Kompressorrotor 70. Der Kompressorrotor 70 mit den Kompressorflü­ geln 72 komprimiert Ansauggas (Luft) durch den Kompressoreingangsanschluß 12 und entlädt das Ansauggas in einen Verbrennungsmotor (nicht gezeigt) durch den Kompresso­ rentladeanschluß 14.

Wenn der Verbrennungsmotor in einem niedrigen Geschwindigkeitsbereich läuft, ist der Betrag an Abgasen gering. Die Klappe 92 der Steuereinrichtung 90 schließt den Spiralbe­ reich 68, wie in Fig. 2 gezeigt, damit die Abgase in den Spiralbereich 66 fließen. Die Abga­ se fließen entlang der Tangentenlinie des Turbinenrotors 80. Deshalb trifft das Abgas in die Turbinenflügel 82 in dem richtigen Winkel auf, so daß der Fluß der Abgase die Rotationsef­ fektivität des Turbinenrotors 80 erhöht.

Wenn der Verbrennungsmotor in einem hohen Geschwindigkeitsbereich läuft, schließt die Klappe 92 der Steuereinrichtung 90 den Spiralbereich 66, um so den Turbinenrotor 80 lang­ sam zu drehen. Wenn die Abgase in den Spiralbereich 68 fließen, drehen die Abgase nicht den Turbinenrotor 80. Wenn die Abgase von dem Spiralbereich 68 in den Spiralbereich 66 durch die Verbindungsöffnung 69 fließen, treffen die Abgase entlang der zweiten Oberflä­ che 67b auf die erste Oberfläche 67a auf und fließen in den Turbinenrotor 80 entlang der zweiten Oberfläche 67b. Deshalb erhöht der Fluß der Abgase nicht die Rotationseffektivität des Turbinenrotors 80, da die Fließgeschwindigkeit gering ist und die Fließrichtung der Ab­ gase fast die gleiche Richtung der Turbinenflügel 82 des Turbinenrotors 80 ist.

Wenn der Verbrennungsmotor in einem mittleren Geschwindigkeitsbereich läuft, öffnet die Klappe 92 der Steuereinrichtung 90 beide Spiralbereiche 66 und 68. Zum Beispiel ist die Position der Klappe 92 der Steuereinrichtung 90 in der mittleren Position, welche zwischen der Position, die durch die Linie 92 angezeigt wird und der Position, die durch die unterbro­ chene Linie 96 in Fig. 2 angezeigt wird. Deshalb dreht der Turbinenrotor in einer vorbe­ stimmten Geschwindigkeit.

Fig. 3 stellt die zweite Ausführungsform der Erfindung dar, welche eine abgeänderte Form der ersten bevorzugten Ausführungsform, insbesondere eine Art geänderte Anordnung der Steuereinrichtung 100 ist. In Fig. 3 sind die gleichen Teile, wie sie in Fig. 2 benutzt werden, durch die gleichen Bezugszeichen von Fig. 2 angezeigt. In der zweiten Ausführungsform ist die Steuereinrichtung 100 auf der Außenseite des Turbinengehäuses 60 angeordnet. Die Steuereinrichtung 100 beinhaltet ein Gelenkteil 102 und eine Klappe 104. Ein Bolzen 106 verbindet das Gelenkteil 102 mit der Klappe 104. Die Verbindungsöffnungen 69, die in der Evolvententrennwand 67 gebildet sind, sind nur an der stromabwärts laufenden Seite der Evolvententrennwand 67 angeordnet.

Bei Betrieb schließt, wenn der Verbrennungsmotor in einem niedrigen Geschwindigkeitsbe­ reich läuft, die Steuereinrichtung 100 den Spiralbereich 68, damit die Abgase in den Spiral­ bereich 66 fließen. Wenn der Verbrennungsmotor in einem hohen Geschwindigkeitsbereich läuft, öffnet die Steuereinrichtung 100 den Spiralbereich 68, damit die Abgase in die Spiralbereiche 66 und 68 fließen. Der Fluß der Abgase von dem Spiralbereich 68 in den Spiralbe­ reich 66 durch die Verbindungsöffnungen 69 verändert die Richtung.

Fig. 4 und 5 stellen die dritte Ausführungsform der Erfindung dar, welche eine andere ab­ gewandelte Form der ersten bevorzugten Ausführungsform, insbesondere eine abgewandelte Anordnung einer Leitschaufel 110 ist. In Fig. 4 und 5 werden dieselben Teile wie in Fig. 2 und 3 benutzt und durch dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 2 oder Fig. 3 angezeigt. In der dritten Ausführungsform ist die Leitschaufel 110 an dem Ende des Spiralbereichs 68 ange­ ordnet. Die Leitschaufel 110 ist halbmondförmig und beinhaltet ein dickes Endteil 110a und ein dünnes Endteil 110b. Eine Welle 112 ist parallel zu der Welle 50 (in Fig. 1 gezeigt) an­ geordnet und trägt die Leitschaufel 110. Die Leitschaufel 110 wird durch die Abgase in ei­ nem vorbestimmten Bereich gedreht. Das dicke Endteil 110a liegt gegen einen Randteil 60a des Turbinengehäuses 60 an einem Ende des vorbestimmten Bereichs, wie es in Fig. 4 ge­ zeigt wird, an. Das dünne Endteil 110b liegt gegen einen Randteil 60b des Turbinengehäu­ ses 60 an dem anderen Ende des vorbestimmten Bereichs, wie in Fig. 5 gezeigt, an.

Im Betrieb schließt, wenn der Verbrennungsmotor in einem niedrigen Geschwindigkeitsbe­ reich läuft, die Steuereinrichtung 100 den Spiralbereich 68, damit die Abgase in den Spiral­ bereich 66 fließen. Die Position der Leitschaufel 110 ist so angeordnet, wie es in Fig. 4 ge­ zeigt ist. Der Fluß der Abgase in dem Spiralbereich 66 erhöht die Rotationseffektivität des Turbinenrotors 80. Wenn der Verbrennungsmotor in einem hohen Geschwindigkeitsbereich läuft, öffnet die Steuereinrichtung 100 den Spiralbereich 68, damit die Abgase in die Spiral­ bereiche 66 und 68 fließen. Die Position der Leitschaufel 110 ist so angeordnet wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Der Fluß der Abgase in den Spiralbereichen 66 und 68 erhöht nicht die Rotationseffektivität des Turbinenrotors 80.

Die Prinzipien, eine bevorzugte Ausführungsform und Abwandlungen der Funktion der Er­ findung sind in der vorangegangenen Beschreibung beschrieben worden. Die Erfindung, welche hierin geschützt werden soll, sollte nicht als Einschränkung der besonderen Formen, die hierin offenbart sind, verstanden werden, da diese als Anschauungsbeispiele und nicht als Einschränkungen betrachtet werden sollen. Veränderungen und Abwandlungen können durch Personen vom Fach ohne mit dem Geist der Erfindung vertraut zu sein, gemacht werden. Dementsprechend sollte die vorangegangene detaillierte Beschreibung beispielhaft und nicht einschränkend auf den Umfang und Geist der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche festgesetzt wird, betrachtet werden.

Claims (8)

1. Turbolader, umfassend:
eine Welle (50),
einen Turbinenrotor (80), der mit einem Ende der Welle (50) verbunden ist;
einen Kompressorrotor (70), der mit dem anderen Ende der Welle (50) verbunden ist;
ein Kompressorgehäuse (10), in dem der Kompressorrotor angeordnet ist;
ein Turbinengehäuse (60), in welchem der Turbinenrotor (80), der durch Abgase antreibbar ist, angeordnet ist und welches mit einem Abgaseingangsanschluß (62), ei­ nem Abgasausgangsanschluß (64) und einem Spiralabschnitt (66, 68), der zwischen dem Abgaseingangsanschluß (62) und dem Abgasausgangsanschluß (64) durch den Turbinenrotor (80) eine Verbindung herstellt, versehen ist, wobei der Spiralbereich unterteilt ist in einen Innenspiralbereich (66) und einen bezüglich der Welle (50) radi­ al außerhalb des Innenspiralbereichs (66) angeordneten Außenspiralbereich (68) und wobei eine Vielzahl von Verbindungsöffnungen (69) vorgesehen ist, um zwischen dem Innenspiralbereich (66) und dem Außenspiralbereich (68) eine Verbindung her­ zustellen,
eine Steuereinrichtung (90; 100) zum Steuern der Verbindung wenigstens zwischen dem Abgaseingangsanschluß (62) und dem Außenspiralbereich (68), um dem Außen­ spiralbereich bei hohen Drehgeschwindigkeiten des Turbinenrotors (80) Abgase zuzu­ führen,
dadurch gekennzeichnet, daß der Innenspiralbereich und der Außenspiralbereich durch eine kontinuierlich um den Turbinenrotor sich erstreckende Trennwand (67) mit stufenloser Oberfläche voneinander getrennt sind, an welcher die Verbindungsöffnun­ gen (69) bereitgestellt sind.

2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Verbindungsöffnungen (69) eine erste Oberfläche (67a) und eine zweite Oberfläche (67b) aufweist, wobei die zweite Oberfläche (67b) stromabwärts der ersten Oberfläche (67a) angeordnet ist und die Oberflächen (67a, 67b) derart gegenüber der Außenseite der Trennwand (67) geneigt sind, daß sich die Tangentialebenen der Oberflächen (67a, 67b) im Innenspiralbereich (66) schneiden, um eine konvergierende Düse zu bilden.

3. Turbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel der zweiten Oberfläche (67b) zur Außenseite der Trennwand. (67) größer ist als der der ersten Oberfläche (67a).

4. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Klappe (92; 104) umfaßt, welche entweder den Außenspiralbereich (68) oder den In­ nenspiralbereich (66) schließt.

5. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsöffnungen (69) in einem stromabwärtigen Bereich des Spiralbereichs angeordnet sind.

6. Turbolader nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Flußsteuermechanismus (110) zum Ändern der Flußrichtung des Abgases, wobei der Flußsteuermechanismus (110) an dem maximal stromabwärtigen Ort des Spiralbereichs angeordnet ist.

7. Turbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flußsteuermechanis­ mus (110) eine Schaufel umfaßt, die vom Abgas gedreht wird.

8. Turbolader nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel (110) von einer zu der Welle (50) parallelen Achse gehalten ist und von dem Abgas um einen vorbestimmten Winkel gedreht wird.