DE2537308C2 - Abgasturbolader - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen, bei dem auf einer gemeinsamen Welle ein von den Abgasen der Brennkraftmaschine angetriebenes Turbinenrad, ein Verdichterrad zur Förderung von Ladeluft über einen Ladeluftkühler zur Brennkraftmaschine und ein Axialventilatorrad zum Ansaugen von Kühlluft durch den Ladeluftkühler angeordnet sind.

Abgasturbolader dieser allgemeinen Art sind bekannt Während zwar solche Systeme unter Anwendung von Luft-Luft-Zwischenkühlern allgemein bei Innenver· brennungsmaschinen bekannt sind, kann die Verwendung eines bestimmten Turboladeraufbaus zu einer verbesserten Wirksamkeit der Kombination führen.

In der US-PS 37 81 126 ist ein Abgasturbolader für Verbrennungsmotoren offenbart, der auf einer Welle im Abstand hintereinander ein Turbinenrad, ein Verdichterrad und ein Axialvem.iatorrad aufweist Bei diesem vorbekannten Abgasturbolader saugt das Axialventilatorrad sowohl die vom Verdichterrad zu verdichtende Frischluft oder Ladeluft als auch die zum Kühlen der verdichteten Luft vorgesehene Frischluft an. Hier sind nicht zwei absolut voneinander getrennte Frischluftkreise für die zu verdichtende und die zum Kühlen verwendete Frischluft vorgesehen, so daß sich die eine Frischluft mit der anderen vermischen kann. Dies führt dazu, daß die Frischluft insgesamt erwärmt wird und zwar von der nach dem Kühlvorgang abgestoßenen erwärmten Umgebungsluft, die wieder mit in den

Frischluftkreislauf eingeht

Der Erfindung liegt die spezielle Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader für Verbrennungsmotoren derart zu verbessern, daß die von ihm verdichtete dem Verbrennungsmotor zuzuführende Frischluft in wirksamer und einfacher Weise mittels Frischluft gekühlt werden kann, ohne daß die Gefahr besteht daß sich die zum Kühlen benutzte Frischluft mit der dem Verbrennungsmotorzuzuführenden Frischluft vermischen wann.

ίο Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst daß zwischen dem Verdichterrad und dem zu ihm axial benachbarten Axialventilatorrad eine gegenüber der Welle abgedichtete Gehäusewand zur Trennung von Ladeluft und Kühlluft vorgesehen ist So ist sicher-

:5 gestellt daß die Luftzufuhr für das Verdichterrad streng getrennt ist von der Kühlluft, so daß sich die zum Kühlen verwendete Frischluft nicht mit der zu verdichtenden Frischluft vermischen und diese dementsprechend auch nicht erwärmen kann. Vielmehr wird die für Kühl zwecke angesaugte Frischluft ausschließlich zum Küh lenverwendet

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Verdüchterrad zwischen dem Turbinenrad und dem an einem Ende der Welle befindli chen Axialventilatorrad angeordnet ist und daß die ge gen über der Welle abgedichtete Gehäusewand teilweise sine Verdichte^einlaßkammer begrenzt Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann die zur Trennung der beiden Frischluftkreise notwendige Ge-

häusewand gleichzeitig als Begrenzung für die Verdichtereinlaßkammer genutzt werden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Axialventilatorrad zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad auf deir Welle angeordnet und

vorzugsweise ist die den Axialventilator verlassende iiuhüüft gegen das Turbinengehäuse gerichtet Die vom Axialventilatorrad abgeblasene und bereits zum Zwischenkühlen verwendete und dabei erwärmte Frischluft kann nun noch für einen zweiten f ühlvorgang verwen-

det werden, nämlich zum Kühlen des im Betrieb sehr heiß werdenden Gehäuses des Turbinenrades.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist daß der Axialventilator noch eine an den Verdichter angrenzende, ringförmig ausgebildete Einlaß- bzw. Auslaßkammer aufweist die teilweise durch die gegenüber der Welle abgedichtete Gehäusewand begrenzt ist Durch die Nähe der von Kanal 320 gebildeten Kammer zum Verdichter findet ein Wärmeabzug von der Verdichterkammer statt, die so erzeugte zusätzliche

so Kühlung senkt die Betriebstemperatur der Verdichterkammer ab.

Die Erfindung wird nachfolgend an zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 in einem schematischen Teilquerschnitt einen mit drei Rotoren ausgebildeten Abgasturbolader nach der vorliegenden Erfindung,

F i g. 2 in einer schematischen Ansicht die Gesamtkombination des erfindungsgemäßen Abgasturboladers, eines herkömmlichen Luft-Luft-Zwischenkühlers und einer üblichen Brennkraftmaschine und

F i g. 3 in einer F i g. 1 ähnelnden Ansicht eine zweite Ausführungsform. In den Figuren bezeichnet die Hinweiszahl 8 eine Welle, die drei Rotoren an unter Axialabstand befindlichen Stellen trägt. Der erste Rotor stellt ein Turbinenrad 10 dar und ist von einer Ringkammer 12 üblichen Aufbaues umgeben. Unter hoher Temperatur und ho-

hem Druck stehende Gase von der Auspuffleitung einer Brennkraftmaschine werden in eine Einlaßmündung 13 eingeführt, wobei die thermischen und kinetischen Energien dieser Gase in bekannter Weise mittels eines Turbinenrades 10 auf die Welle 8 einwirken.

Die Hinweiszahl 14 bezeichnet einen ebenfalls von der Welle 8 getragenes Verdichterrad. Am Ende der Welle 8 sitzt ein Axialventilatorrad 16. Ein Verdichter 20 herkömmlichen Aufbaues umgibt das Verdichterrad 14 und enthält eine ringförmige Ausstoßkammer 22, die eine mit einem Strömungspfad eines Luft-Luft-Zwischenkühlers 26 gekoppelte Druckleitung 24 aufweist Eine Verdichter-Einlaßkammer 28 des Verdichters 20 ist an ihrem radial innen "legenden Teil mit einer sich um die Welle 8 erstreckenden Ringdichtung 30 versehen.

Die Hinweiszahl 32 bezeichnet einen Kanal, dessen Längsachse mit der Achse der Welle 8 im wesentlichen zusammenfällt und dessen Einlaßende 34 sich in dichter Fluid-{hydraulisch)- Verbindung über den Zwischenkühler 26 mit einem zweiten Wärmeaustauschpfad 36 befindet Das Auslaßende 38 des Kanals 32 öffnet sich zur Umgebung und grenzt an eine Wandung der Verdichter-Einlaßkammer 28 an. Es ist ersichtlich, daß das Auslaßende 38 das Axialventilrad 16 umgibt

Nachfolgend werden die Betriebsweise des Abgasturboladers und des oben beschriebenen Systems erläutert Abgase von der Abgasleitung einer Brennkraftmaschine 40 treten in die Mündung oder in den Einlaß 13 der das Turbinenrad 10 tragenden Turbinenstufe ein. Infolge der Energie dieser Gase dreht sich das Turbinenrad 10, und die nunmehr sozusagen verbrauchten Gase gelangen gemäß Darstellung zum Auslaß. Eine typische Umgebung ist diejenige eines Automobils oder eines Lastwagens, und das Auslaßsystem führt entweder direkt an die Umgebung oder zu einem Katalysatorbett oder irgendeiner andersartigen Vorrichtung für eine Entgiftungs/Reinigungsbehandlung vor dem endgültigen Ablassen an die Umgebung. Die Rotationsenergie wird nunmehr einem Verdichterrad 14 zugeführt, um Umgebur^sluft zu verdichten, die über einen herkömmliehen Luftreiniger oder Luftfilter in eine Verdichter-Einlaßkammer 28 gelangt. Der Einlaß zum Luftreiniger oder Luftfilter ist seinerseits mit der Umgebung verbunden. Der Verdichterausgang führt zur Ringkammer 22 und dann zur Druckleitung 24 zwecks Führung durch den Zwischenkühler 26. Der letztere senkt die Temperatur dieser komprimierten Luft, die nunmehr in die Einlaßleitung einer Brennkraftmaschine 40 gelangt

Das Axialventilatorrad 16 begründet ein Teilvakuum bzw. einen Unterdruck im Kanal 32 mit dem Ergebnis, daß Umgebungsluft in der Leitung 36 in das Einlaßende von einem der beiden hydraulischen bzw. Strömungspfade des Wärmeaustauschers oder Zwischenkühlers 26 gezogen wird. Diese Umgebungsluft wird dann in Wärmeaustauschbeiiehung oder -kontakt mit der heißen Hochdruckluft vom Verdichter 20 gebracht, und die etwas aufgewärmte Umgebungsluft gelangt durch die Leitung 36 in das Einlaßende 34 des Kanals 32. Die Luft wird dann am Ende 38 freigegeben. Die Drehdichtung 30 stellt sicher, daß die durch die Leitung 36 gelangende aufgewärmte Umgebüngsluft sich nicht mit der in die Verdichter-Einlaßkammer 28 eintretenden Luft von Umgebungstemperatur (und daher niedrigerer Temperatur) mischt.

Es ist festzustellen, daß der Radius des Axialventilatorrades 16 nahezu zwischen allen erwünschten Grenzen verändert werde ϊ kann, um die optimale Drehzahl bzw. Geschwindigkeit der Schaufeln oder Rotorblätter und damit eine maximale Wirksamkeit zu realisieren. Die Drehdichtung 30 verhindert ein Mischen der durch den Kanal 32 gelangenden Luft mit der für den Verdichtungsvorgang in die Kammer 28 eintretenden Luft Es ist ferner festzustellen, daß die gerichtete Strömung der Luft im Kanal 32 beliebig geändert werden kann, wobei es lediglich erforderlich ist, die Anstellung bzw. Neigung des Axialventilatorrades 16 in entgegengesetztem Sinne zu ändern. Im Fall einer umgekehrt gerichteten Luftströmung tritt die Umgebungsluft in das Auslaßende 38 des Kanals 32 ein und aus der Leitung 36 des Zwischenkühlers 26 aus.

In F i g. 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der das Axialventilatorrad 16 zwischen dem Turbinenrad 10 und dem Kompressor 20 angeordnet ist Die Verdichter-Einlaßkammer 28 (die ebenfalls eine Einlaßkammer für den Verdichter bildet) vom Luftfilter befindet sich nunmehr am rechten Ende der Welle 8, wobei der Verdichter 20 sonst demjenigen der Ausführungsform aus F i g. 1 ähnelt. Der Kanal 32 der ersten Ausführungsform nimmt nunmehr die Fe-^!:n einer die Welle 8 umgebenden Ringkammer an und ist "n F i g. 3 mit der Hinweiszahl 320 bezeichnet Das Auslaßende 38 des zum Axialventilatorrades 16 führenden Kanals ist in F i g. 3 mit 380 bezeichnet Wie zuvor erfolgt der Einlaß zum Kanal 320 von der Leitung 36 über den Zwischenkühler 26. Diese Ausführungsform ähnelt sonst aufbaumäßig der in F i g. 1 und 2 beschriebenen Anordnung. Sie ermöglicht es, die Luft in der Leitung 36 (die von der Umgebung über den Zwischenkühler 26 und dann zum Gebläse 16 gelangt) als Kühlmittel für das relativ heiße Turbinengehäuse 12 zu verwenden. Diese Funktion ist in F i g. 3 durch einen Pfeil dargestellt, nach dem das Abgas vom Axialventilatorrad 16 gegen das Turbinengehäuse gerichtet wird. Das Führen durch die Leitung 36 erfüllt somit die doppelte Funktion einer Kühlung der verdichteten Luft im Zwischenkühler und einer Kühlung des Turbinengehäuses. Femer ist infolge der Nähe der vom Kanal 320 gebildeten Auslaßkammer ein Wärmeabzug von der Verdichterkammer 22 möglich, wobei sich eine entsprechende Absenkung ihrer Betriebstemperatur ergibt Diese zusätzliche Kühlung ergibt sich auch dann, wenn die Anstellung des Axialventilatorrades 16 umgekehrt wird, so daß er nicht gegen das Turbinengehäuse bläst. Wie in der Auiführungsform aus F i g. 1 kann selbstverständlich die Luftströmung durch die Leitung 36 in jeder Richtung erfolgen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen, bei dem auf einer gemeinsamen Welle ein von den Abgasen der Brennkraftmaschine angetriebenes Turbinenrad, ein Verdichterrad zur Förderung von Ladeluft über einen Ladeluftkühler zur Brennkraftmaschine und ein Axialventilatorrad zum Ansaugen von Kühlluft durch den Ladeluftkühler angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verdichterrad (14) und dem zu ihm axial benachbarten Axialvemilatorrad (16) eine gegenüber der Welle (8) abgedichtete Gehäusewand zur Trennung von Ladeluft und Kühlluft vorgesehen ist

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichterrad (14) zwischen dem Turbinenrad (10) und dem an einem Ende der Welle (8) befindlichen Axialventilatorrad (IS) angeordnet Jsi, und daß die gegenüber der Welle (8) abgedichtete Gehäusewand teilweise eine Verdichter-Einlaßkammer(28) begrenzt

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Axialventilatorrad (16) zwischen dem Turbinenrad (10) und dem Verdichterrad (14) auf der Welle (8) angeordnet ist

4. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Axialventilator verlassende Kühlluft gegen das Tut binengehäuse gerichtet ist

5. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Axialventilator eine an den Verdichter angrenzende, ringförmig ausgebildete Emlaß- Lzw. Auslaßkammer (320) aufweist, die teilweist durch die gegenüber der Welle (8) abgedichtete Gehäusev and begrenzt ist