DE2420308A1

DE2420308A1 - Abgasturbolader fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2420308A1
Application number: DE2420308A
Authority: DE
Inventors: Hanns-Guenther Dr Ing Bozung
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1974-04-26
Filing date: 1974-04-26
Publication date: 1975-11-06
Also published as: JPS50143915A; DE2420308B2; DE2420308C3; CH596443A5; DD119289A1

Description

Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen mit einem die Ladeluft in mindestens einen im Ladergehäuse vorgesehenen Sammelkanal fördernden Verdichterrad.
Die hohen Aufladegrade moderner Dieselmotoren machen den Einsatz einer Ladeluftkühlung, die nach dem Austritt der Ladeluft aus dem Verdichtergehäuse des Abgasturboladers angeordnet ist, erforderlich.
Eine derartige Anordnung ist aus den M.s.N.-Dieselmotoren-Nachrichten Nr. 45/Juli 1965, Seite 9 ff bekannt. Die für hohe Mitteldrucke notwendigen Ladeluftdrücke haben zur Folge, daß sich die Luft während der Verdichtung im Verdichtergehäuse des Abgasturboladers stark erwärmt, wobei heute maximale Temperaturen der Luft nach dem Austritt aus dem Verdichtergehäuse von 150 bis 200 Grad Celsius erreicht werden können. Durch die Ruckkühiung der Ladeluft mittels eines Ladeluftkuhlers vor Eintritt in den Motor auf Temperaturen zwischen 40 und 60 Grad Celsius wird erreicht, daß der spezifische Luftdurchsatz durch den Motor ausreichend hoch ist.
Dies ist erforderlich, um die Temperaturen verschieden stark beanspruchter Bauteile, wie Ventile, Zylinderdeckel und Kolben usw. möglichst niedrig zu halten bzw. um ausreichend den Zylinderraum auszuspülen und mit Frischluft zu füllen.
Daß der bisherige Ladeluftkuhler zum Rückkühlen der verdichteten Ladeluft nach dem Verdichtergehäuse angeordnet ist, also außerhalb des Abgasturboladers vorgesehen ist, hat den Nachteil, eines großen Raumbedarfs und außerdem entstehenhohe Verluste in den Zuleitungen und im Ladeluftkühler selbst. Dies wirkt sich besonders nachteilig bei zweistufiger Abgasturboaufladung aus, da in diesem Fall nach der ersten und der zweiten Verdichterstufe jeweils ein Ladeluftkühler zur Rückkühlung der Luft angeordnet werden muß.
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Abgasturbolader zu schaffen, in dem die Luft verdichtet und gleichzeitig rückgekühlt wird, so daß kein oder ein nur sehr kleiner zusätzlicher Ladeluftkhhler vofizusehen ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein sich zumindest entlang eines Abschnitts der Wandung des oder der Sammelkanäle erstreckender Knh7mttelkanal vorgesehen ist. Durch diese Maßnahme wird die Luft schon während des Durchströmens des Verdicht ergehaus es bzw. des spiralförmigen Sammelkanals rückgekuhlt. Damit ist es möglich, auf einen dem Verdichtergehäuse nachgeschalteten Ladeluftkiihler ganz zu verzichten oder diesen wesentlich kleiner und demnach billiger und außerdem raum sparender zu gestalten. Besonders deutlich werden die Vorteile dieser erfindungsgemäßen Ausführung bei einem zweistufigen Abgasturbolader. Die Außenabmessungen eines einstufigen Abgasturboladers und eines zweistufigen Abgasturboladers werden durch die Einbeziehung des Ladeluftkuhlers in den Abgasturbolader nicht oder nur unwesentlich vergrößert. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist darin zu sehen, daß durch die Kühlung der verdichteten Ladeluft die Druckverluste reduziert werden und außerdem wird eine Verbesserung des Abgasturboladergesamtwirkungsgrades erreicht, da die Verdichtung bei gleichzeitiger Kühlung insbesondere bei zweistufiger Verdichtung einen höheren Verdichtungswirkungsgrad ergibt.
Ferner kann der Strömungsquerschnitt der Verdichterspirale entsprechend der Rückkuhlung der Ladeluft verkleinert werden, da der Wärmeübergang zwischen Ladeluft und dem Kühlmittel infolge der hohen Geschwindigkeit in dem spiralförmigen Sammelkanal des Verdichtergehäuses sehr gut ist.
Vorzugsweise sind der Kühlmittel- und der Sammelkanal einstückig ausgebildet.
Vorteilhaft weist die Trennwand zwischen dem Kühlmittel-und dem Sammelkanal in den Kiihlmittelkanal hereinragende Kühlrippen auf.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind in der den Sammelkanal umgebenden Wandung Ausnehmnngen für das Kühlmittel vorgesehen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung bestehen die Sammelkanäle aus mehreren über- und nebeneinanderliegenden Diffusorrohren.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die an das Verdichterrad anschließende Diffusorzone mehrere, über den Umfang versetzt angeordnete Kühikanäle auf.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Ladeluftleitung mit einem Kühlmantel umgeben.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung in Verbindung mit den zusätzlichen Unteransprüchen.
Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Verdichtergruppe, Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Verdichtergruppe im Schnitt, Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Verdichtergruppe im Schnitt, Fig. 4 einen zweistufigen Abgasturbolader mit gekühlter Ladeluftleitung in einer Seitenansicht.
In der in Figur 1 gezeigten Verdichtergruppe ist mit 1 ein Ansauggehäuse, mit 2 ein Ansaugstutzen und mit 3 ein Nachleitapparat, auch Diffusor genannt, bezeichnet. Das Ansauggehäuse 1 und der Ansaugstutzen 2 verlaufen konisch in Richtung auf den Diffusor 3 zu und gehen in diesen über. Der Diffusor 3 wiederum geht in einen spiralförmigen Sammelkanal 4 des Verdichtergehäuses 5 über. Der Sammelkanal 4 weist im Eintrittsbereich 6 des Diffusors 3 eine Erweiterung 7 auf. Das Ansauggehäuse 1 ist seitlich von einer gegossenen Wandung 8 begrenzt, die mit dem Verdichtergehäuse 5 über Schrauben 9 fest verbunden ist. Der Ansaugstutzen 2 ist auf der äußeren Seite durch die Wandung 10 und auf der inneren Seite durch das Verdichterrad 11 begrenzt. Auch dieser Ansaugstutzen 2 ist mit dem Verdichtergehäuse 5 über Schrauben 12 fest verbunden. Zur einwandfreien Dichtung zwischen dem Verdichterrad 11 und einem Abschlußdeckel 13 ist eine Lippendichtung 14 vorgesehen. Das Verdichtergehäuse 5 weist eine äußere Wandung 16 und eine innere Wandung 17 auf. Zwischen diesen Wandungen 16 und 17 befindet sich ein Kiiblmittelkanal 18.
Der Kühimittelkanal 18 und der zuvor schon erwähnte spiralförmige Sammelkanal 4 sind einstückig ausgebildet. Der Kühlmittelkanal 18 umgibt die innere Wandung 17 etwa U-förmig. Die innere Wandung 17, also die Trennwand zwischen dem spiralförmigen Sammelkanal 4 und dem Kühlmittelkanal 18 weist in den Kühimittelkanal 18 hereinragende Kühlrippen 19 auf. Außerdem sind an der äußeren Wandung 16 Laschen 20 und 21 angeformt, in die die Schrauben 9 und 12 zur Befestigung des Ansauggehäuses 1 und des Ansaugstutzens 2 in ein Gewinde 22 und 23 eingreifen. Zu diesem Zweck sind auch an der Wandung 8 des Ansauggehäuses 1 und der Wandung 10 des Ansaugstutzens 2 Laschen 24 und 25 angeformt. Die Teile des Ansauglufteinlasses und des Verdichtergehäuses 5 so aneinandergefügt, ergeben eine feste und kompakte Einheit.
In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Verdichtergruppe als Alternativlösung zu der in Figur 1 beschriebenen Verdichtergruppe dargestellt. Hier sei mit 26 das Ansauggehäuse, mit 27 der Ansaugstutzen und mit 28 der Nachleitapparat oder Diffusor bezeichnet. Das Verdichterrad, das den Ansaugstutzen 27 auf der einen Seite begrenzt, ist mit 29 bezeichnet. Der Diffusor 28 geht auch hier in einen Eintrittsbereich 30 mit einer Erweiterung 31 in einen Sammelkanal 32 über. Der Sammelkanal 32 ist auch hier spiralförmig ausgebildet und liegt in dem Verdichterge.
häuse 33. In der den spiralförmigen Sammelkanal abschließenden Wandung 34, die auch gleichzeitig die Au-Benwand des Verdichtergehäuses 33 ist, befinden sich gleichmäßig über den gesamten Umfang verteilte Ausnehmungen 35. Die im Durchmesser verhältnismäßig kleinen Ausnehmungen 35 können durch Rohreinlage bzw. Kerneinlage hergestellt werden. Diese Ausnehmungen 35 dienen als Kuhlkanäle. Entsprechend der Ausführung des Gußstückes sind in diesem Fall an der Wandung 34 des Verdichtergehäuses 33 Ansätze 36 und 37 angeformt. In diesen Ansätzen 36 und 37 sind Gewinde 38 und 39 vorgesehen.
In diese Gewinde 38 und 39 greifen Schrauben 40 und 41, die zur Befestigung des Ansauggehäuses 26 und des Ansaugstutzens 27 dienen, ein.
In Figur 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel einer Verdichtergruppe als Alternativlösung zu den in denxFiguren 1 und 2 beschriebenen Verdichtergruppen dargestellt. Da die Ansaugteile, die hier kurz mit 42, 43, 44 bezeichnet sind, den Teilen, die bereits in den Figuren 1 und 2 beschrleben sind, gleichen, sei die Beschreibung in Figur 3 auf die in der Diffusorzone sich befindenden Teile beschränkt. Im Gegensatz zu den zuvor schon erwähnten Möglichkeiten, den spiralförmigen Sammelkanal 4 und 32 entsprechend zu kühlen, sei nun eine weitere Möglichkeit angesprochen. Der Sammelkanal, der hier mit 45 bezeichnet ist, besteht aus mehreren neben- und übereinanderliegenden Diffusorrohren. Zwischen diesen Diffusorrohren liegen mehrere unterschiedlich in der Größe und über den Umfang versetzt angeordnete Kühlkanäle 46 und 47. Diese Kühlkanäle 46 und 47 umgeben die Wandungen dieses als Diffusorrohre ausgebildeten Sammelkanals 45, wobei mit 49 das Verdichtergehäuse bezeichnet ist.
Bei einem Abgasturbolader eines Dieselmotors wird die Ladeluft von dem Verdichterrad~11, 29, 44 in das Ansauggehäuse 1, 26, 42 dem konischen Ansaugstutzen 2, 27, 43 und dem Nachleitapparat oder Diffusor 3, 28 in das Verdichtergehäuse gefördert. Die für hohe Mitteldrücke notwendigen Ladeluftdrücke haben zur Folge, daß sich die Luft während der Verdichtung in dem Verdichtergehäuse des Abgasturboladers stark erwärmt. Es treten daher Temperaturen von 150 bis 200 Grad Celsius auf. Diese Temperaturen ergeben sich aus der Druckerhöhung, die die Ladeluft während des Durchströmens der Verdichtergruppe, erfährt. Um den bisher nachgeschalteten Ladeluftkühler gänzlich entfallen zu lassen bzw. wenn nötig, diesen Ladeluftkühler entsprechend klein ausführen zu können, wird erfindungsgemäß die Ladeluft bereits beim Durchströmen des spiralförmigen Sammelkanals 4, 32, 45 rückgekühlt und vor Eintritt in den Motor auf Temperaturen zwischen 40 und 60 Grad Celsius gebracht. Als Kühlmittel kann Kühlwasser, das dem Kühiwasserkreislauf des Motors entnommen wird oder von sonst einer Entnahmequelle, dem Verdichtergehäuse zugeführt wird, vorgesehen werden. Als weiteres Kühlmittel kann Luft vorgesehen werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, Natrium als Eiihlmittel vorzusehen.
Das Kühlmittel nach Figur 1 umströmt die Trennwand 17 mit den Kühlrippen 19 und führt so die Wärme von der aufgeheizten Trennwand ab. Nach Figur 2 werden die Kühlkanäle 35 durchströmt, während nach der Variante in Figur 3 die denkbar beste Kühlung erreicht wird, da hier die Kühlkanäle 46 und 47 den Sammelkanal 45 fast vollständig umgeben und außerdem näher an die Wärmequelle herangeführt sind. Es muß aber entsprechend der guten Kühlung nach Figur 3 hier ein erheblicher Arbeits- und Fertigungsaufwand vorgesehen werden, um die entsprechende Ausführung realisieren zu können.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung werden besonders deutlich bei einem zweistufigen Abgasturbolader, in dem die Außenabmessungen nur unwesentlich vergrößert werden müssen. Außerdem wird eine Verbesserung des Abgasturboladergesamtwirkungsgrades durch diese Kiihlanordnung erreicht. Ferner kann der Strömungsquerschnitt des spiralförmig verlaufenden Sammelkanals in dem Verdichtergehäuse entsprechend der Kühlung der Luft verkleinert werden.
Die in den Figuren 1, 2 und 3 beschriebene Kühlung des Sammelkanals 4, 32, 45 des Verdichtergehäuses 5, 33, 49 kann bei einem zweistufigen Abgasturbolader einmal für das Verdichtergehäuse 5, 33, 49 des Hochdruckteils, also der zweiten Stufe, und zum anderen für das Verdichtergehäuse der ersten Stufe, also dem Niederdruckteil, das hier mit 50 bezeichnet ist, vorgesehen werden. Bei einem zweistufigen Abgasturbolader tritt die Luft in bekannter Weise in ein schallgedämpftes Ansauggehäuse 51 des Niederdruckteils ein und wird dem Verdichtergehäuse 50 der ersten Stufe zugeführt. Die in diesem Verdichtergehäuse 50 verdichtete Luft wird anschließend über eine Ladeluft leitung 52 der zweiten Stufe, also dem Hochdruckteil, zugeführt. Die bereits in dem Verdichtergehäuse 50 der ersten Stufe rückgekuhlte Luft muß bei nicht ausreichender Rückkuhltemperatur mittels eines weiteren Aggregats rückgekühlt werden um vor Eintritt in die zweite Stufe die gewünschte Temperatur zu erhalten. Eine derartige Nachkühlung geschieht mittels eines Zwischenkuhlers, der entsprechend der bereits gekühlten Luft in dem Verdichtergehäuse 50 klein ausgeführt werden kann. Wird jedoch die Luft während des Durchströmens des Verdichtergehäuses bereits so weit heruntergekühlt, daß eine Nachkühlung nicht mehr für notwendig erachtet wird, so kann der Zwischenkühler gänzlich entfallen. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, trotz einer notwendigen Nachkühlung diesen Zwischenkuhler entfallen zu lassen, wenn die an das Verdichtergehäuse 50 angeschlossene Ladeluftleitung 52 für eine derartige Nachkühlung vorgesehen wird. Zu diesem Zweck wird die Ladeluftleitung 52, wie aus Figur 4 ersichtlich, in einem bestimmten Bereich mit einem Kühlmantel 55 umgeben. Wie aus dem AuSbruch der Ladeluftleitung 52 zu ersehen ist, ist diese Ladeluftleitung 52 doppelwandig ausgeführt. Der äußere Bereich 53 der Ladeluftleitung 52 wird vom Kühlmittel, das durch eine Zuführleitung 56 in die Ladeluftleitung 52 eingebracht wird und aus einer Ablaufleitung 57 wieder abfließen kann, durchströmt. Das Kühlmittel kann auch hier dem Kühlmittelkreislauf des Motors entnommen werden oder sonst irgendeiner Entnahmequelle.
Der innere Bereich 54 wird von der Verdichterluft, die von der ersten Stufe des Verdichtergehäuses 50 zu der zweiten Stufe des Verdichtergehäuses 5, 33, 49 geführt wird, durchströmt.
Eine derartige Anordnung ist besonders bei zweistufig aufgeladenen Abgasturboladern vorteilhaft, da der Zwischenkühler ganz entfallen und der bauliche Umfang eines zweistufigen Abgasturboladers auf ein Mindestmaß beschränkt werden kann und somit auch eine wirkungsvolle Kühlung zwischen der ersten und der zweiten Stufe vorgesehen ist.
Um die verdichtete Luft vor dem Eintritt in den Motorraum oder wie zuletzt geschildert, in dem Verdichtergehäuse der ersten Stufe zu kühlen, wären außerdem noch andere Kühlvorrichtungen denkbar, so daß die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist.

Claims

Ansprüche

1. Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen mit einem die Ladeluft in mindestens einen im Ladergehäuse vorgesehenen Sammelkanal fördernden Verdichterrad, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein sich zuindest entlang eines Abschnitts der Wandung (17, 34, 48) des oder der Sammelkanäle (4, 32, 45) erstreckender Kühlmittelkanal (18, 35, 46, 47) vorgesehen ist.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelkanal (18, 35, 46, 47) und der Sammelkanal (4, 32, 45) einstückig ausgebildet sind.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelkanal (18) etwa U-förmig die Trennwand (17) zwischen dem Eühlmittelkanal (18) und dem Sammelkanal (4) umgebend angeordnet ist.

4. Abgasturbolader nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (17) zwischen dem Kühlmittelkanal (18) und dem Sammelkanal (4) in den Kühlmittelkanal (18) hineinragende Kühlrippen (19) aufweist.

5. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der den Sammelkanal (32) umgebenden Wandung (34) Ausnehmungen (35) für das Kühlmittel vorgesehen sind.

6. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelraum (4, 32, 45) spiralförmig ausgebildet ist.

7. Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (35) in gleichen Abständen über den gesamten Umfang der den Sammelraum (32) umgebenden Wandung (34) vorgesehen sind.

8. Abgasturbolader nach Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (35) durch in die Wand des Sammelkanals eingegossene Rohreinlagen hergestellt sind.

9. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelkanal (45) aus mehreren über- und nebeneinanderliegenden Diffusorrohren besteht.

10. Abgasturbolader nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die an das Verdichterrad (44) anschließende Diffusorzone mehrere über den Umfang versetzt angeordnete Kühlkanäle (46, 47) aufweist.

11 Abgasturbolader nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (46, 47) zwischen den einzelnen Diffusorrohren vorgesehen und diese mehr oder weniger umgebend angeordnet sind.

12. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel Wasser oder iiuft vorgesehen ist.

13. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel Natrium vorgesehen ist.

14. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeluftleitung (52) mit einem Kühlmantel (55) umgeben ist.

15. Abgasturbolader nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeluftleitung (52) doppelwandig ausgeführt ist, wobei ein äußerer Bereich (53) für das Kühlmittel und ein innerer Bereich (54) für die Ladeluft vorgesehen ist.