DE2154726A1

DE2154726A1 - RADIAL IMPACTED EXHAUST TURBOCHARGER

Info

Publication number: DE2154726A1
Application number: DE2154726A
Authority: DE
Inventors: Paul Thoma
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1971-11-04
Filing date: 1971-11-04
Publication date: 1973-05-10

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 9254/4 Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 9254/4

Stuttgart-Untertürkheim 2. Nov. 1971Stuttgart-Untertürkheim Nov. 2, 1971

"Radial beaufschlagter Abgasturbolader""Radially pressurized exhaust gas turbocharger"

Bei der Aufladung von Kolbenbrennkraftmaschinen ist es schwierig, die vom Abgasturbolader geförderte Ladeluft an den gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine vom Leerlauf bis zur Vollast anzupassen. Um einen günstigen Drehmomentverlauf der Brennkraftmaschine zu erhalten, legt man den Auslegungspunkt für das maximale Druckverhältnis des Laders in einen Lastbereich der Brennkraftmaschine, der wesentlich unter dem Vollastpunkt liegt. Dabei wurden sich im Vollastbereich zu hohe Ladedrücke ergeben, die man jedoch durch Abblasen von Ladeluft ins Freie vermeiden kann. In diesem Fall geht die für die Verdichtung dieser Luft aufgebrachte Leistung verloren. Außerdem verringert sich beim Abblasen der Durchsatz der Abgasturbine und damit auch das Druckgefälle.When charging reciprocating internal combustion engines, it is difficult to adapt the charge air conveyed by the exhaust gas turbocharger to the entire operating range of the internal combustion engine from idling to full load. In order to obtain a favorable torque curve for the internal combustion engine, the design point is set for the maximum pressure ratio of the charger in a load range of the internal combustion engine that is significantly below the full load point. Thereby were in the full load range Excessive charge pressures result, which can be avoided by blowing charge air into the open. In this case, that goes for the Compression of this air lost power. In addition, the throughput of the exhaust gas turbine and is reduced during blow-off thus also the pressure gradient.

Es ist auch möglich, den Ladedruck im Vollastbetrieb dadurch zu verringern, daß man die Drehzahl des Abgasturboladers herabsetzt, indem man nur einen Teil der Abgase der Abgasturbine zuführt. Dazu werden jedoch im Abgasstrom liegende Steuerungsteile notwendig, die infolge der sehr hohen Temperaturen, denen sie ausgesetzt werden, störanfällig sind.It is also possible to reduce the boost pressure in full load operation by that the speed of the exhaust gas turbocharger is reduced by only supplying part of the exhaust gases to the exhaust gas turbine. To be However, control parts located in the exhaust gas flow are necessary, which are prone to failure as a result of the very high temperatures to which they are exposed are.

3Ö9819/G5013Ö9819 / G501

- 2 - Daim 9254/4 - 2 - Daim 9254/4

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die genannten Mangel zu beseitigen und einen radial beaufschlagten .Abgasturbolader zu schaffen, der im gesamten Lastbereich der Brennkraftmaschine mit zufriedenstellendem Wirkungsgrad arbeitet. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß zwischen dem Ladeluftkanal und dem zum Laufrad der Abgasturbine führenden Kanal für die Abgase ein Verbindungskanal angeordnet ist, in dem ein von einem Druckfühler beeinflußtes Ventil eingebaut ist, das beim Überschreiten eines bestimmten Ladedruckes öffnet, so daß Ladeluft den Abgasen zugemischt wird, und das beim Unterschreiten dieses Druckes schlieft. Durch diese Maßnahme ist es möglich, daß ein Lader, dessen maximales Druckverhältnis im Teillastbereich liegt, auch im Vollastbereich ohne größere Leistungsverluste arbeitet.It is the object of the invention to eliminate the deficiencies mentioned and to create a radially acted exhaust gas turbocharger, which throughout Load range of the internal combustion engine works with satisfactory efficiency. This is done according to the invention in that a connecting duct for the exhaust gases is arranged between the charge air duct and the duct for the exhaust gases leading to the impeller of the exhaust gas turbine, in which a valve influenced by a pressure sensor is installed, which opens when a certain boost pressure is exceeded, so that Charge air is mixed with the exhaust gases and sleeps when the pressure falls below this level. By this measure it is possible that a supercharger whose maximum pressure ratio is in the partial load range also works in the full load range without any major loss of performance.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mündet der Verbindungskanal in den Einlaufkanal der Abgasturbine. Dadurch wird mit der zugeführten Ladeluft zusätzlich die Abgasturbine gekühlt. Somit können auch Brennkraftmaschinen mit hohen Abgastemperaturen, beispielsweise Rotationskolbenmaschinen, ohne eine besondere Kühlung der Abgasturbine aufgeladen werden. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der Beschreibung angegeben.According to a further embodiment of the invention, the connecting channel opens into the inlet duct of the exhaust gas turbine. As a result, the exhaust gas turbine is also cooled with the charge air supplied. Thus can also internal combustion engines with high exhaust gas temperatures, for example rotary piston engines, without special cooling of the exhaust gas turbine to be charged. Further advantageous embodiments of the invention are given in the description.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigenThe invention is based on an embodiment shown in the drawing explained in more detail. Show it

Flg. 1 das Schema einer Kolbenbrennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern in der Draufsicht,Flg. 1 the diagram of a piston internal combustion engine with two exhaust gas turbochargers in plan view,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen der Abgasturbolader nach der Linie II-II der Fig. 3 undFIG. 2 shows a longitudinal section through one of the exhaust gas turbochargers along the line II-II in FIGS. 3 and

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

309819/0501309819/0501

- 3 - Daim 9254/4 - 3 - D aim 9254/4

Fig. 3 einen Querschnitt durch diesen Abgasturbolader nach der Linie IH-III der Fig. 2.FIG. 3 shows a cross section through this exhaust gas turbocharger along the line IH-III in FIG. 2.

Wie Fig. 1 erkennen läßt, weist die Kolbenbrennkraftmaschine Zylinder 11 bis 16 auf, die in V-Bauart angeordnet sind. In Verlängerung der Zylinder 11 bis 13 bzw. 14 bis 16 ist jeweils ein Abgasturbolader 17 bzw. 18 am Maschinengehäuse 19 befestigt. Ein Ansaugkanal 20 für die Verbrennungsluft teilt sich in die Kanäle 21 und 22, die zum Lader 23 des Abgasturboladers 17 bzw. zum Lader 24 des Abgasturboladers führen. Von den Ladern 23 bzw. 24 führen Ladeluftkanäle 25 bzw. 26 zu den Zylindern 11 bis 13 bzw. 14 bis 16. Von den Zylindern 11 bis 13 bzw. 14 bis 16 führen Abgaskanäle 27 bzw. 28 zur Abgasturbine 29 des Abgasturboladers 17 bzw. zur Abgasturbine 30 des Abgasturboladers Pfeile zeigen die Richtung der in den Ansaugkanal 20 einströmenden Luft sowie der aus den Abgasturbinen 29 und 30 ausströmenden Abgase an.As shown in FIG. 1, the piston internal combustion engine has cylinders 11 to 16, which are arranged in a V-type. An exhaust gas turbocharger is an extension of the cylinders 11 to 13 or 14 to 16 17 or 18 attached to the machine housing 19. An intake channel 20 for the combustion air is divided into channels 21 and 22, which lead to the charger 23 of the exhaust gas turbocharger 17 and to the charger 24 of the exhaust gas turbocharger to lead. Charge air ducts 25 and 26 lead from the superchargers 23 and 24 to the cylinders 11 to 13 and 14 to 16, respectively. From the cylinders 11 to 13 or 14 to 16 lead exhaust ducts 27 and 28 to the exhaust turbine 29 of the Exhaust gas turbocharger 17 or arrows to the exhaust gas turbine 30 of the exhaust gas turbocharger show the direction of the flow into the intake channel 20 Air and the exhaust gases flowing out of the exhaust gas turbines 29 and 30.

Die Ladeluftkanäle 25 und 26 sind durch einen Kanal 31 miteinander verbunden. An den Kanal 31 ist eine Leitung 32 angeschlossen, die sich in Leitungen 33 bzw. 34 verzweigt, die zu den Abgasturbinen 29 bzw. 30 führen. Die Leitung 32 kann durch ein Ventil 35 geschlossen oder geöffnet werden. Die Betätigung des Ventiles 35 erfolgt in Abhängigkeit des Ladedruckes, der durch einen Druckfühler 36 gemessen wird. Der Druckfühler 36 ist durch eine Leitung 37 mit dem Kanal 31 verbunden.The charge air ducts 25 and 26 are connected to one another by a duct 31 tied together. A line 32 is connected to the channel 31 and branches into lines 33 and 34, respectively, which lead to the exhaust gas turbines 29 or 30 lead. The line 32 can be closed or opened by a valve 35. The actuation of the valve 35 takes place as a function of the boost pressure, which is measured by a pressure sensor 36. The pressure sensor 36 is connected to the channel 31 through a line 37 tied together.

Die in den Fig. 2 und 3 gezeigte Abgasturbine 29 des Abgasturboladers 17 besteht im wesentlichen aus einem Laufrad 38, das sich aus einerThe exhaust gas turbine 29 of the exhaust gas turbocharger shown in FIGS. 2 and 3 17 consists essentially of an impeller 38, which consists of a

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

509819/0501509819/0501

- 4 - Daim 9254/4 - 4 - Daim 9254/4

Nabe 39 und Schaufeln 40 zusammensetzt, sowie aus einem Gehäuse das einen Einlaufkanal 42 und einen Abgasdiffusor 43 umfaßt. Das Gehäuse 41 der Abgasturbine 29 ist mit dem Gehäuse des Laders 23 durch ein Zwischengehäuse 44 verbunden, das ein an einem Steg 45 befestigtes Lager 46 für eine Welle 47 enthält, an derem einen Ende das Laufrad 38 der Abgasturbine 29 und an derem anderen Ende das nicht dargestellte Laufrad des Laders 23 befestigt ist.Hub 39 and blades 40 assembled, and from a housing which comprises an inlet duct 42 and an exhaust diffuser 43. The housing 41 of the exhaust gas turbine 29 is through with the housing of the supercharger 23 an intermediate housing 44 is connected, which contains a bearing 46, which is fastened to a web 45, for a shaft 47, at one end of which the impeller 38 of the exhaust gas turbine 29 and at its other end that which is not shown Impeller of the loader 23 is attached.

Die innere Stirnseite 48 des Gehäuses 41 weist einen Flansch 49 auf und bildet zusammen mit einem entsprechend eingebuchteten Flansch 50 am Zwischengehäuse 44 einen einwärts gekrümmten Spiralkanal 51. In eine am Beginn des Spiralkanals 51 liegende Öffnung 52 mündet ein Endstück 53 der Leitung 33. Ein Ringspalt 54, dessen mittlerer Durchmesser etwas größer als der Außendurchmesser des Laufrades 38 ist, verbindet den Spiralkanal 51 mit dem Einlaufkanal 42 der Abgasturbine 29. Die Trennfuge zwischen dem Gehäuse 41 und dem Zwischengehäuse 44 ist durch den Ringspalt 54 geführt, so daß vor dem Zusammenbau dessen beide Begrenzungswände jeweils für eich zugänglich sind und damit auf einfache Weise bearbeitet werden können. Ein Spannband 55 stellt eine Verbindung zwischen dem Flansch 49 des Gehäuses 41 und fc dem Flansch 50 des Zwischengehäuses 44 her. Stiftschrauben 56 dienenThe inner end face 48 of the housing 41 has a flange 49 and, together with a correspondingly indented flange 50 on the intermediate housing 44, forms an inwardly curved spiral channel 51. An end piece 53 of the line 33 opens into an opening 52 located at the beginning of the spiral channel 51. An annular gap 54, the mean diameter of which is slightly larger than the outer diameter of the impeller 38, connects the spiral channel 51 with the inlet channel 42 of the exhaust gas turbine 29. The parting line between the housing 41 and the intermediate housing 44 is passed through the annular gap 54, so that before assembly whose two boundary walls are each accessible for calibration and so that they can be edited in a simple manner. A clamping band 55 provides a connection between the flange 49 of the housing 41 and fc the flange 50 of the intermediate housing 44. Stud bolts 56 are used

der Befestigung des Endstückes 53 der Leitung 33 am Zwischengehäuse 44. Die Abgasturbine 30 ist entsprechend der oben beschriebenen Abgasturbine 29 aufgebaut.the attachment of the end piece 53 of the line 33 to the intermediate housing 44. The exhaust gas turbine 30 is constructed in accordance with the exhaust gas turbine 29 described above.

Die beiden Abgasturbolader 17 und 18 sind so ausgelegt, daß sie in einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, der wesentlich unter dem VoIl-The two exhaust gas turbochargers 17 and 18 are designed so that they are in one Operating point of the internal combustion engine, which is significantly below the full

5 - Palm 9254/4 5 - Palm 9254/4

lastpunkt liegt, eine optimale Ausnutzung der Abgasenergie ermöglichen. Dazu erhält die gesamte Abgasführung eine verhältnismäßig kleine Querschnittsfläche, so daß die Stoßwirkung durch die Bewegungeenergie der Abgase auch noch im Leerlaufbereich wirksam ist. Wird vom Teillastbetrieb auf den Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine übergegangen, wächst die Drehzahl der Abgasturbolader 17 und 18 an und der Ladedruck erhöht sich. Wird der Auelegungspunkt für das maximale Druckverhältnis der Lader 23 und 24 überschritten, so öffnet das vom Druckfühler 36 gesteuerte Ventil 35. Damit wird ein Teil der Ladeluft vom Verbindungskanal 31 durch die Leitung 32 und weiter durch die Leitungen 33 und 34, die Spiralkanäle 51 und die Ringspalte 54 den Abgasturbinen 29 bzw. 30 zugeführt und jeweils den Abgasen im Bereich zwischen dem Gehäuse 41 und dem Laufrad 38 beigemischt.load point, enable optimal utilization of the exhaust gas energy. In addition, the entire exhaust system has a relatively small cross-sectional area, so that the shock effect due to the kinetic energy of the exhaust gases is also effective in the idling range. Is from partial load operation When the internal combustion engine is operated at full load, the speed of the exhaust gas turbochargers 17 and 18 increases and the boost pressure increases increases. Becomes the point of application for the maximum pressure ratio the supercharger 23 and 24 is exceeded, the valve 35 controlled by the pressure sensor 36 opens. This means that part of the charge air is transferred from the connecting duct 31 through the line 32 and further through the lines 33 and 34, the spiral ducts 51 and the annular gaps 54 are fed to the exhaust gas turbines 29 and 30, respectively, and in each case to the exhaust gases in the area between the housing 41 and mixed with the impeller 38.

Die Strömung der Ladeluft zwischen dem Kanal 31 und dem Ringspalt 54 wird dadurch günstig beeinflußt, daß die Ladeluft im Bereich hohen statischen Druckes entnommen und in einem Bereich niedrigen statischen Druckes dem Einlaufkanal 42 zugeführt wird. Das Einströmen der Ladeluft wird durch den sich kreisförmig entlang dem Einlaufkanal 42 erstreckenden Ringspalt 54 erleichtert, der so bemessen ist, daß die Umfangsgeschwindigkeit der Ladeluft etwa derjenigen der Abgase an der gleichen Stelle entspricht. Dabei ist der mittlere Durchmesser des Ringspaltes 54 wegen der geringeren Schallgeschwindigkeit der verhältnismäßig kalten Ladeluft gegenüber den heißen Abgasen größer gewählt als der Außendurchmesser des Laufrades 38. Das Beimischen der Ladeluft wird weiter durch die im Spiralkanal 51 erzielte Drallströmung verbessert.The flow of the charge air between the channel 31 and the annular gap 54 is favorably influenced by the fact that the charge air is withdrawn in the area of high static pressure and in an area of low static pressure Pressure is supplied to the inlet channel 42. The charge air flows in through the one extending circularly along the inlet channel 42 Annular gap 54 facilitated, which is dimensioned so that the peripheral speed of the charge air approximately that of the exhaust gases corresponds to the same place. The mean diameter of the Annular gap 54 is chosen larger because of the lower speed of sound of the relatively cold charge air compared to the hot exhaust gases than the outer diameter of the impeller 38. The mixing of the charge air is further achieved by the swirl flow achieved in the spiral channel 51 improved.

Die beim Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine den im Einlaufkanal 42 strömenden Abgasen zugemischte Ladeluft verringert die Gastemperaturen und führt zu einer thermischen Entlastung des Laufrades 38 und des Gehäuses 41 der Abgasturbinen 29 und 30. Im Gegensatz zuDuring full load operation of the internal combustion engine, the one in the inlet duct Charge air mixed with flowing exhaust gases 42 reduces the gas temperatures and leads to thermal relief of the impeller 38 and the housing 41 of the exhaust gas turbines 29 and 30. In contrast to

309Ö19/Ö501309Ö19 / Ö501

- ⁶ - Daim 9254/4 - ⁶ - Daim 9254/4

Abgasturbinen, bei denen ein Teil der Abgase abgeblasen wird, bleibt bei dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader 17 bzw. 18 in vorteilhafter Weise der volle Gasdurchsatz erhalten. Die Beimischung der Ladeluft zu den Abgasen führt zu einem Absinken der Drehzahl der Abgasturbinen 29 und 30 und der Lader 23 und 24, die damit wieder im Bereich ihres Auslegepunktes arbeiten. Sinkt der Ladedruck beim Übergang vom Vollastbetrieb zum Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine unter den Auslegepunkt, so bewirkt der mit dem Kanal 31 verbundene Druckfühler 36, daß das Ventil 35 schließt, so daß keine Ladeluft mehr zu den Abgasturbinen 29 und 30 abgezweigt wird.Exhaust gas turbines, in which part of the exhaust gases are blown off, remains in the case of the exhaust gas turbocharger 17 or 18 according to the invention in an advantageous manner Way to get the full gas flow. The admixture of the charge air with the exhaust gases leads to a decrease in the speed of the exhaust gas turbines 29 and 30 and the loader 23 and 24, which thus work again in the area of their deployment point. If the boost pressure drops during the transition from full load operation to partial load operation of the internal combustion engine below the design point, the pressure sensor connected to channel 31 effects 36, that the valve 35 closes, so that no more charge air is diverted to the exhaust gas turbines 29 and 30.

3038137050130381370501

Claims

- 7 - DaiTO 9254/4 claims

1. j radial acted upon exhaust gas turbocharger, characterized in that ^ - 'that between the charge air channel (25) and to the impeller of the exhaust turbine (29) leading (38) channel (27 and 42) for the exhaust gases, a connecting channel (31, 32, 33 and 51) is arranged in which a valve (35) influenced by a pressure sensor (36) is installed, which opens when a certain boost pressure is exceeded, so that charge air is mixed with the exhaust gases, and which closes when this pressure is not reached.

2. Exhaust gas turbocharger according to claim 1, characterized in that the connecting channel (31, 32, 33 and 51) in the inlet channel (42) the exhaust gas turbine (29) opens.

3. exhaust gas turbocharger according to claim 2, characterized in that the connecting channel (31, 32, 33 and 51) is designed as a spiral channel (51) in the region of its confluence with the inlet channel (42) which is arranged on an end face (48) of the exhaust gas turbine (29).

4. Exhaust gas turbocharger according to claim 3, characterized in that the spiral channel (51) with the inlet channel (42) through an annular gap (54) is connected, the mean diameter of which is greater than the outer diameter of the impeller (38) of the exhaust gas turbine (29) is.

5. Exhaust gas turbocharger according to claim 4, characterized in that the exhaust gas turbine (29) has a multi-part housing (41 and 44), whose parting line is guided through the annular gap (54).

309819/0S01 bador_1Q,nal309819 / 0S01 bador _1Q , nal

Blank page