DE3034271A1

DE3034271A1 - Turbinengehaeuse fuer turbolader

Info

Publication number: DE3034271A1
Application number: DE19803034271
Authority: DE
Inventors: Takaaki Hachioji Tokyo Koike
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1979-09-17
Filing date: 1980-09-11
Publication date: 1981-03-19
Also published as: IT1151036B; DE3034271C2; FR2465069A1; GB2062116B; GB2062116A; IT8024691A0; FR2465069B1

Description

Patentanwälte

Dr. D. Louis, Dipl.-Phys. C. Pöhlau,

Dipl.-Ing. F. Lohrentz, Dipl.-Phys. W* Segeth Postfach 3o55, D - 85oo Nürnberg 1

— *3 mm

2o 6o1 3o/h

Ishikawajima-Harima Jugogyo Kabushiki Kaisha No. 2-1, 2-chome, Ote-machi, Chiyoda-ku Tokyo-to, Japan

Turbinengehäuse für Turbolader

Die Erfindung betrifft Turbinengehäuse für Turbolader.

Kolben-Verbrennungsmaschinen wurden und werden neuerdings in zunehmendem Maße mit Turboladern ausgestattet. Die Turbine eines Turboladers wird von der Energie der Abgase des Verbrennungsmotors angetrieben, wodurch die Rotationsengergie für den Antrieb des Gebläses erzeugt wird, welches koaxial mit der Turbine angeordnet ist. Das Gebläse verdichtet die Luft. Die vorverdichtete Luft wird dann dem Ansaugsystem des Verbrennungsmotors zugeführt, wodurch eine Leistungserhöhung möglich ist.

Vorverdichtungssysteme gemäß dem Stand der Technik sind in den Fig. 1 bis 3 gezeigt, in denen gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung entsprechender Teile verwendet werden.

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Das Vorverdichtungssystem gemäß Fig. 1 wurde in weitem Umfang verwendet. Die Abgase eines Motors a strömen durch eine Abgasleitung d zu einer Turbine b und expandieren in der Turbine b, wodurch Arbeit verrichtet und ein Gebläse c in Drehung versetzt wird. Das Gebläse c stösst die verdichtete Luft aus, die über eine Zufuhrleitung e dem Motor a zugeführt wird. Bei dem Vorverdich-tungssystem dieser Art wird ein Turbinengehäuse mit festen Düsen bzw» festem Austrittsquerschnitt verwendet, so daß unter Berücksichtigung der Widerstandsfähigkeit bzw. Festigkeit des Motors a der Vorverdichttrngs*-Druck auf eine bestimmte Höhe begrenzt ist. Als Folge hiervon wird der Turbolader normalerweise so konstruiert, daß eine Anpassung bei hohen Geschwindigkeiten gegeben ist. Die Verwendung des Turboladers in anderen Geschwindigkeitsbereichen führt zu ungenügender Druckerhöhung oder nicht ausreichender Luftmenge, wodurch die Motorleistung sinkt. - i·»

♦
Bei den bekannten Vorverdichtungssystemen der in Fig. 2 gezeigten Art wird, um die oben in Zusammenhang mit dem Vorverdichtungssystem gemäß Fig. 1 beschriebenen Mangel auszuschalten, der Anpassungspunkt zwischen dem Motor und dem Vorverdichtungssystem bei niedrigen und mittleren Geschwindigkeiten gewählt. Wenn die Strömungsmenge des Abgases zunimmt und infolgedessen der Vorverdichtungs-Druck bei hohen Geschwindigkeiten zu hoch wird, wird ein Teil der Abgase durch eine Bypass-Leitung g in die umgebende Atmosphäre abgeführt. Die Bypass-Leitung g ist zwischen dem Einlaß und dem Auslaß der Turbine

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b angeordnet, so daß sie die Turbine überbrückt, und hat ein Überströmventil f. Auf diese Weise können Schäden am Motor a infolge zu hoher Aufladung bei hohen Geschwindigkeiten vermieden werden. Bei diesem System werden die Abgase durch Überbrückung der Turbine b in die umgebende Atmosphäre abgeleitet, was zur Folge hat, daß die Energieverluste hoch sind und de Motorleistung bei hohen Geschwindigkeiten sinkt.

Das bekannte Vorverdichtungssystem gemäß Fig. 3 ist mit Flügeldüsen h versehen, mittels derer der Gas-Einströmwinkel so eingestellt werden kann, daß ein konstanter Verdichtungs- bzw. Aufladungsgrad aufrecht erhalten werden kann, ohne daß die Abgase an der Turbine b vorbeigeführt werden müssten. Das System zur Einstellung des Winkels der Flügeldüsen h ist bezüglich seines Aufbaues sehr kompliziert, weshalb dieses bekannte Vorverdichtungssystem sehr teuer wird. Zur Ausschaltung dieses Mangels wurde auch bereits ein System vorgeschlagen, bei dem Spiralen von flügellosen Düsen bzw. Schlitzen entsprechend geschaltet werden. Dieses System wirkt jedoch im allgemeinen als solches mit statischem Druck, so daß es unmöglich wird, die bei niedriger Geschwindigkeit auftretenden Impulse zu nutzen. Zusätzlich treten auch häufig Störungen im Abgasstrom auf, wodurch ebenfalls die Motorleistung sinkt.

Es ist ganz allgemein darauf hinzuweisen^ daß Mehrkolben-Verbrennungsmotoren, die mit Turboladern ausgerüstet sind, leicht zu Störungen bzw. Überschneidungen im Abgassystem neigen. Es muß daher, wenn die Auspuffleitung entworfen wird, sorgfältig

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darauf geachtet werden, daß die Motorleistung nicht sinkt. Zur Vermeidung dieses Problems, welches besonders dann auftritt, wenn der Auflade-Druck niedriger als der Druck der Abgase oder der Motor nur teilweise aufgeladen ist, wurde auch bereits ein Vorverdichtungssystem vorgeschlagen, bei dem die Auspuffleitung zum Turbinenrad in zwei oder mehr Äste unterteilt ist, so daß die nacheinander zündenden Zylinder ihre Abgase nicht in den gleichen Auspuffleitungs-Ast ausstossen, wodurch Störungen in der Abgasführung vermieden werden.

Der Erfindung liegt nun primär die Aufgabe zugrunde, ein Turbinengehäuse für Turbolader zu schaffen, das sehr einfach aufgebaut, trotzdem aber in der Lage ist, die Vorverdichtungs-Leistung auf einem bestimmten Niveau zu halten und die Energie der Abgase unabhängig von Änderungen zwischen einer geringen und einer hohen Strömungsmenge entsprechend Geschwindigkeitsänderungen des Motors gut auszunützen.

Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Spiralen-Anordnung vorzuschlagen, die zum einen eine Spirale zur Verfügung stellt, die für geringe Strömungsmengen bei niedrigen Auspuffgas-Mengen und hoher Pulsation der Auspuffgase geeignet ist, zum anderen eine Spirale, die gegenüber der ersten Spirale einen grösseren Querschnitt bietet, wenn die Strömungsmenge der Auspuffgase hoch und infolgedessen eine stetige Strömung erreicht ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung ein Turbinengehäuse vorgeschlagen, welches eine erste,

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radial innen liegende Spirale umfasst, die entlang des ümfanges des Turbinenrades angeordnet und durch eine Trennwand in Achsrichtung der Welle des Turbinenrades in mehrere Abgaskanale unterteilt ist, durch die jeweils getrennte Abgasströme des Motors dem Turbinenrad zugeführt werden, eine zweite, radial außen liegende Spirale, die einen einzigen Abgaskanal zur Zuführung der Abgase zu dem Turbinrenrad aufweist, sowie ein Steuerventil zur Steuerung des in die zweite Spirale gelangenden Abgasanteils.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Turbinengehäuses sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß der Erfindung werden zur Ausschaltung von Abgas-Störströmungen bzw. -Störungen in einer Spirale bei Benutzung einer flügellosen, veränderlichen Düse die Abgase von dem Motor so geführt, daß sie zu dem Turbinenrad durch eine erste, radial innen Liegende Spirale strömen, die in Achsrichtung des Turbinenrades in zwei Kanäle unterteilt ist, wodurch eine wirksame Ausnutzung der Abgas-Impurse gewährleistet werden kann. Wenn die Strömungsmenge bzw. Strömungsrate bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten hoch wird, wird die Pulsation der Abgase vermindert und die Strömung der Abgase erreicht nahezu einen stetigen Zustand. Zusätzlich wird der Ladedruck höher als der Abgasdruck. Als Ergebnis können die nachteiligen Wirkungen von Abgas-Störungen vermindert werden. Die Verwendung einer zweiten, radial außen liegenden Spirale, die einen einzigen Kanal über ihre gesamte Länge bildet und infolgedessen der Durchströmung der Abgase weniger Widerstand entgegensetzt, ist also im

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Hinblick auf den Wirkungsgrad der Turbine sehr vorteilhaft, Das Turbinengehäuse nach der Erfindung ist also zusätzlich zu der ernten, inneren Spirale mit einer zweiten, äußeren SpiraleJ^t'cr^daß dann, wenn die Strömungsmenge der Abgase des Motors hoch wird, die Gase automatisch nicht nur in die erste, innere Spirale, sondern auch in die zweite, äußere Spirale ströiren können. Dies bedeutet aber, daß in diesem Fall der Querschnitt bzw. das Fassungsvermögen der Spirale im Turbinengehäuse erhöht wird. Zusätzlich sind erste und zweite Spiralen so kombiniert, daß sie in einer solchen Weise zusammenwirken, daß keine Verminderung des Turbinen-Wirkungsgrades bei irgendwelchen Betriebsbedingungen des Motors eintritt.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 Auflade- bzw. Vorverdichtungssysteme nach dem Stand der Technik;

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines 6-Zylinder-Motors mit Turbolader;

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Turbinengehäuses eines Turboladers nach der Erfindung;

Fig. 6 einen Querschnitt in Richtung des Pfeiles A in Fig. 5;

Fig. 7 eine Unteransicht zu Fig. 6 gemäß Pfeil B;

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Fig. 8 einen Teil-Querschnitt durch das Turbinengehäuse in Pfeilrichtung C in Fig. 6;

Fig. 9 einen Teil-Querschnitt in Richtung des Pfeils D in Fig. 6;

Fig. 1o einen Teil-Querschnitt in Richtung des Pfeils E in Fig. 6;

Fig. 11 eine schematische Vorderansicht einer

zweiten Ausführungsform eines Turbinengehäuses nach der Erfindung, wobei eine Auslaßöffnung für den Austritt von Abgasen in die ümgebungsluft vorgesehen ist;

Fig. 12 eine Schnittansicht entsprechend Fig. 5 bei einem dritten Ausführungsbeispiel, bei dem eine erste und eine zweite Spirale miteinander in Verbindung stehen;

Fig. 13 einen Teilschnitt in Richtung des Pfeils F in Fig. 12;

Fig. 14 einen Teilschnitt in Richtung des Pfeils G in Fig. 12;

Fig. 15 einen Teilschnitt in Richtung des Pfeils H in Fig. 12;

Fig. 16 einen Teilschnitt in Richtung des Pfeils I in Fig. 12;

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Fig. 17 eine Vorderansicht einer vierten Ausführungsform eines Turbinengehäuses nach der Erfindung, welches dem dritten Ausführungsbeispiel sehr ähnlich ist, jedoch zwischen den Spiralen eine Klappe aufweist;

Fig. 18 einen Querschnitt zu Fig. 17;

Fig. 19 einen Teilschnitt in Richtung des Pfeils J der Fig. 18;

Fig. 2o einen Teilschnitt in Richtung des Pfeils K in Fig. 18 und

Fig. 21 einen Teilschnitt in Richtung des Pfeils L in Fig. 18.

In der folgenden Beschreibung werden zur Bezeichnung ähnlicher Teile in den Figuren gleiche Bezugszeichen verwendet.

Wie die Fig. 4 erkennen lässt, treten zur Vermeidung von Abgas-Störungen die Abgase der Zylinder 2a bis 2c eines Motors 1 in ein erstes Abgasrohr 3a aus, während die Abgase der Zylinder 2d bis 2f in ein zweites Abgasrohr 3b gelangen. Die Abgase strömen durch die beiden Abgasleitungen 3a und 3b in ein Turbinengehäuse 5 eines Turboladers 4, wobei durch die Drehbewegung des Turbinenrades ein Gebläse 6 angetrieben wird, das koaxial zur Turbine angeordnet ist. Luft 7

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wird in dem Gebläse 6 verdichtet und die von dort austretende Luft wird dann den Zylinders 2a bis 2f zugeführt.

Erste Ausführungsform, Fig. 5 bis Io:

Das Turbinengehäuse 5 ist mit einem ersten Gaseinlaß 1oa und einem zweiten Gaseinlaß lob versehen _r die durch eine Trennwand 9 in Achsrichtung des Turbinenrades 8 voneinander getrennt und entsprechend mit den Abgasleitungen 3a bzw. 3b verbunden sind, wie aus Fig. 8 ersichtlich ist. Die beiden Gaseinlässe 1oa und 1ob sind jeweils mit einer ersten Spirale 13a bzw. 13b verbunden, die gasdicht mittels einer Trennwand 11 voneinander getrennt sind und die Abgase einem ersten Düsenabschnitt 12 zuführen, der sich am Umfang des Turbinenrades 8 öffnet, wie aus Fig. 5 hervorgeht. Eine zweite Spirale 15 mit einem einzelnen Kanal bzw. Durchlaß umgibt die ersten Spiralen 13a und 13b und ist mit den beiden Gaseinlässen 1oa und 1ob verbunden, so daß die Abgase aus beiden Gaseinlässen zusammenströmen und über die zweite Spirale 15 einem zweiten Düsenabschnitt 14 am Umfang des Turbinenrades 8 zugeführt werden.

Die ersten Spiralen 1-3a und 13b werden benützt, wenn die Gas-Strömungsmenge gering ist. Wenn der Motor nur teilweise aufgeladen ist, d.h. wenn dem Motor nur eine geringe Treibstoffmenge zugeführt wird, ist die Gas-Strömungsrate niedrig und infolgedessen die wirksame Kraft gering. Aber auch wenn

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die Strömungsmenge gering ist, muß die Vorverdichtungs-Leistung auf einem vorbestimmten Niveau gehalten werden, Zu diesem Zweck ist der Zentrumswinkel c4 des ersten Düsenabschnitts 12 der ersten Spiralen 13a und 13b etwa 13o , wie Fig. 6 zeigt, um Pumpverluste zu vermindern, da die zweite Spirale 15 leer ist, wenn die Strömungsrate der Abgase durch die getrennten Spiralen 13a und 1 ob niedrig ist.

Ein Steuerventil 1C (Fig. 6) ist neben den beiden Gaseinläs^en 1oa und 1 ob vorgesehen, so daß in Abhängigkeit von der Stellung aes Steuerventils 16 die Abgase entweder nur durch die beiden ersten Spiralen 13a und 13b oder sowohl durch die ersten Spiralen 13a und 13b und die zweite Spirale 15 strömen können. Wie Fig. 6 zeigt, steht ein Schaft des Steuerventils 15 über ein Verbindungsglied 18 mit einer Steuereinheit 17 in Wirkverbindung, die von einer Membran, welche abhängig von dem Ladedruck bewegt wird, und einer Rückstellfeder gebildet ist. Es wird daher abhängig von dem Ladedruck das Steuerventil 16 εο betätigt, daß es entsprechend die zweite Spirale 15 öffnet bzw. verschließt. Wenn, genauer gesagu, der Motor 1 mit niedriger oder mittlerer Geschwindigkeit läuft oder nur teilweise geladen ist, ist die Strömungsmenge der Abgase gering, so daß der Ladedruck gering ist. Infolgedessen arbeitet die Steuereinheit in einem derartigen Fall so, daß die zweite Spirale, wie dies durch ausgezogene Linien in Fig. 6 gezeigt ist, geschlossen wird. Als Ergebnis hiervon strömen die Abgase nur in die ersten Spiralen 13a und 13b.

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Da die ersten Spiralen 13a und 13b voneinander getrennt sind, kann keine Abgas-Störströmung auftreten. Zusätzlich können die Pulsationen der Abgase sehr wirkungsvoll ausgenützt werden. Wenn die zweite Spirale 15 durch das Steuerventil 16 verschlossen ist, ist der zur Verfügung stehende Spiralen-Querschnitt geringer als dann, wenn die zweite Spirale 15 geöffnet ist, so daß die Geschwindigkeit der durch die ersten Spiralen 13a und 13b strömenden Abgase erhöht wird, wodurch man einen ausreichend hohen Ladedruck erreicht.

Wenn der Motor mit hoher Geschwindigkeit läuft, vergrössert sich auch die Strömungsmenge der Abgase, in welchem Falle die Steuereinheit 17 eine Verstellung des Steuerventils 16 im Sinne einer Öffnung der zweiten Spirale 15 bewirkt. Es vergrössert sich dann die insgesamt zur Verfügung stehende Querschnittsfläche der Spiralenanordnung. Die Abgase, die von den getrennten Gaseinlässen 1oa und 1ob kommen, werden nach dem Steuerventil 16 in der zweiten Spirale 15 miteinander vermischt bzw. gestreut. Da die zweite Spirale 15 der Strömung der Abgase weniger Widerstand entgegensetzt, kann der Ladedruck auf einem vorbestimmten Niveau bzw. in einer gewählten Grosse gehalten werden.

In Fig. 6 ist mit dem Bezugszeichen A₁ der Querschnitt des Spiralen-Einlasses im Abschnitt I der ersten Spiralen 13a und 13b bezeichnet.

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A„ bezeichnet den Querschnitt des Spiral-Einlasses im Abschnitt II der zweiten Spirale 15; R₁ ist der Radius des Strömung^kanals im Abschnitt I und R„ der Radius des Strömungskanals im Abschnitt II. Das Volumen A^/R- im Abschnitt I, das Volumen A₂/R₂ im Abschnitt II und die Öffnungen gemessen an den Zentrums winkeln o£ und (36o - o<! ) der ersten und zweiten Düsenabschnitte 12 und 14 sind so gewählt, daß dann, wenn das Steuerventil 16 weit geöffnet ist, eine gleichförmige Strömung der Abgase erreicht werden kann. Das Verhältnis zwischen den vorerwähnten Grossen kann entsprechend einer gewünschten Anpassung zwischen dem Motor und dem Turbolader (wobei im allgemeinen der Punkt optimaler Anpassung bei mittleren Geschwindigkeiten liegt), gewählt werden. Optimale Leistung kann man jedoch dann erreichen, wenn der öffnungswinkel des ersten Düsenabschnitts 12 grosser als 18o ist. Das Volumen A^/R„ der ersten Spiralen 13a und 13b und das Volumen A„/R„ der zweiten Spirale 15 sind durch die folgende Gleichung verknüpft:

A₂/R„

B₁ x CXl (36o - o< )ß₂

wobei B₁ das Pulsations-Nutzungs-Verhältnis der ersten Spiralen 13a und 13b, welches zwischen 1,1 und 1,2 beträgt, und

ß₂ das Pulsations-Nutzungs-Verhältnis in der zweiten Spirale 15/ wobei das Verhältnis in der Grössenordnung von 1,o ist,

bedeuten.

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- 15 Zweite Ausführungsform, Fig. 11:

Die zweite Ausführungsform, die in Fig. 11 gezeigt ist, ist so ausgebildet und konstruiert, daß dann, wenn die Menge der Abgase bei Erhöhung der Geschwindigkeit des Motors 1 steigt, ein Teil der Abgase direkt in die ümgebungsluft ausgestossen wird, so daß stabile Turbinen-Kennwerte gewährleistet werden können. Bei dieser Ausführungsform kann die optimale Vorverdichtungs-Leistung mit Abgasen erreicht werden, deren Strömungsmenge geringer als bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist. Die zweite Ausführungsform des Turbinengehäuses ist bezüglich ihrer Konstruktion dem ersten Ausführungsbeispiel, welches oben unter Bezugnahme auf die Fig.. 4 bis 1o beschrieben wurde, im wesentlichen ähnlich mit der Ausnahme, daß die ersten Spiralen 13a und 13b, die zweite Spirale 15 und ein Abgasauslaß 2o mit den beiden Abgasleitungen 3a und 3b über einen Turbineneinlaß bzw. ein Verbindungsstück 21 verbunden sind, und daß das Steuerventil 16 so angeordnet ist, daß es wahlweise die ersten Spiralen 13a und 13b, die zweite Spirale 15 und den Abgasauslaß 2o öffnet bzw. schließt. Bei der zweiten Ausführungsform ist ein Steuerventil 16 gezeigt, welches von einem Schieberventil gebildet ist, das mit einem Betätigungselement 22 in Wirkverbindung steht. Anstelle des Schieberventiles könnte aber ebenso wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel auch ein Flügelventil verwendet werden.

Wenn die Strömungsmenge gering ist, befindet sich das Steuerventil 16 in der in Fig. 11 gezeigten

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Position, in der Abgase nur durch die ersten Spiralen 13a und 13b strömen. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Gesamtquerschnitt der Spiralanordnung dann gering, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit der durch die ersten Spiralen 13a und 13b strömenden Abgase erhöht wird. Zusätzlich sind, wie bereits oben im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsform beschrieben wurde, die ersten Spiralen 13a und 13b durch die Trennwand 11 voneinander getrennt, so daß die Pulsation der Abgase sehr wirksam genutzt und infolgedessen ein ausreichend hoher Ladedruck auch bei niedrigen Geschwindigkeiten gewährleistet werden kann.

Wenn die Strömungsmenge der Abgase zuniramt, arbeitet das Betätigungselement 22.in einer solchen Weise, daß das Steuerventil 16 nicht nur die ersten Spiralen 13a und 13b sondern auch die zweite Spirale 15 öffnet. Als Ergebnis vergrössert sich dann das Volumen des Turbinengehäuses 5, so daß die Geschwindigkeit der Abgase abniront und infolgedessen der Ladedruck auf einem vorbestimmten Niveau gehalten werden kann. Nimmt die Geschwindigkeit des Motors 1 weiter zu, erhöht sich auch die Abgas-Strömungsmenge entsprechend, worauf das Betätigungselement 22 das Schieberventil 16 so verstellt, daß nicht nur die ersten Spiralen 13 und die zweite Spirale 15 sondern auch der Abgasauslaß 2o geöffnet v/erden. In diesem Fall wird dann ein Teil der Abgase des Motors 1 in die uir.gebende Atmosphäre ausgestcssen, wodurch verhindert werden kann, daß der Ladedruck übermässig ansteigt, und es möglich ist, ihn auf einer optimalen Höhe zu halten.

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Zusammenfassend ist es also bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 so, daß die ersten Spiralen 13a und 13b, die zweite Spirale 15 und der Abgasauslaß 2o wahlweise abhängig von der Strömungsmenge der Abgase aus dem Motor 1 ge- ■ öffnet bzw. geschlossen verden, so daß unabhängig von Veränderungen in der Abgas-Menge die gewünschten Turbinen-Kennwerte eingehalten werden können.

Dritte Ausführungsform, Fig. 12 bis 16:

Das dritte Ausführungsbeispiel, welches nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 12 bis 16 näher erläutert werden soll, ist hinsichtlich seiner Konstruktion der ersten Ausführungsform sehr ähnlich, abgesehen davon, daß die ersten Spiralen 13a und 13b teilweise bzw. bereichweise mit der zweiten Spirale 15 in Verbindung stehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel können Pumpverluste minimal gehalten und der Turbinen-Wirkungsgrad bei kleinen strömenden Gasmengen erhöht werden. Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel werden die Öffnung - ausgedrückt durch den Zentrumswinkel oC - des ersten Düsenabschnitts 12 und die Öffnung --ausgedrückt durch den Zentrumswinkel ß - des zweiten Düsenabschnittes 14 so gewählt, daß folgende Beziehung gilt:

c< + ß = 36o° +Jf

wobei Jf der Zentrumswinkel einer Öffnung 23 ist, die eine teilweise Verbindung zwischen den ersten Spiralen 13a und 13b sowie der zweiten Spirale 15 (s. Fig. 12 und 15) herstellt.

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Wie am besten aus Fig. 15 hervorgeht, wird die Öffnung 23 so gewählt, daß drei Ströme von Abgasen aus den ersten Spiralen 13a und 13b und der zweiten Spirale 15 in das Turbinenrad 8 strömen können, wie dies durch die Pfeile angedeutet ist.

Um einen hohen Turbinen-Wirkungsgrad zu erreichen, ist es sehr wichtig, daß die Spiral-Anordnung so entworfen und konstruiert ist, daß die Abgase in das Turbinenrad 8 von dessen gesamtem Umfang her eintreten. Bei Radial-Turbinen ist die Öffnung - ausgedrückt durch den Zentrumswinkel - des Düsenabschnittes der Spirale auf 36o begrenzt, so daß dann, wenn die Strömungsmenge der Abgase niedrig ist, die Öffnung der ersten Spiralen 13a und 13b zu dem Turbinenrad 8 gering ist, d.h. es ergibt sich nur ein teilweiser Zustrom. Als Ergebnis hiervon sinkt der Turbinen-Wirkungsgrad ab. Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel sind jedoch die ersten Spiralen 13a, 13b und die zweite Spirale 15 über die öffnung 23 miteinander verbunden, so daß die öffnungen (ausgedrückt durch den Zentrumswinkel) der beiden (ersten bzw. zweiten) Düsenabschnitte 12 und 14 im Vergleich zum ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel vergrössert werden können. Als Ergebnis hiervon kann ein gewünschter Turbinen-Wirkungsgrad bzw. eine gewünschte Turbinen-Leistung über einen grösseren Betriebsbereich des Motors aufrecht erhalten werden.

Vierte Ausführungsform, Fig. 17 bis 21:

Das vierte Ausführungsbeispiel, das nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 17 bis 21 im einzelnen beschrieben

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werden soll, entspricht bezüglich seiner Konstruktion im wesentlichen dem dritten, vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme, daß ein vorderer Endabschnitt 26 der Trennwand 24 zwischen den ersten Spiralen 13a und 13b einerseits und der zweiten Spirale 15 andererseits so ausgebildet ist, daß mit ihm die Öffnung 23 wahlweise geöffnet oder geschlossen werden kann. Zu diesem Zweck ist der vordere Endabschnitt bzw. die bewegliche Wand 26 mittels eines Schwenkzapfens 25 nahe den Gaseinlässen 1oa und 1ob derart angelenkt, daß die bewegliche Wand 26 radial nach innen verschwenkt werden kann, um die Öffnung 23 zwischen den ersten Spiralen 13a, 13b und der zweiten Spirale 15 zu schließen, oder radial nach außen bis die Spitze der beweglichen Wand 26 der radial äußeren Wand der zweiten Spirale 15 anliegt, wie dies durch die strichpunktierte Linie in Fig. 18 angedeutet ist, in welchem Falle die ersten Spiralen 13a, 13b und die zweite Spirale 15 miteinander in Verbindung stehen.

Zur Betätigung der beweglichen Wand 26 in Übereinstimmung mit dem Steuerventil 16 sind an dem Schwenkzapfen 25 bzw. dem Ventilschaft 19 Arme 27 bzw. 28 befestigt, die, wie Fig. 17 zeigt, untereinander mittels einer Steuerstange 29 verbunden sind. Der Arm 27 ist über einen Steuerhebel 31 mit einem Antrieb 3o verbunden, der arbeitet, wenn die Menge der Abgase einen vorbestimmten Wert überschreitet. Das Steuerventil 16 und die bewegliche Wand 26 werden so gleichzeitig bewegt.

Wenn die Strömungsmenge der Abgase aus dem Motor 1 gering ist, befinden sich das Steuerventil 16 und

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die bewegliche Wand 26 in der in Fig. 18 durch ausgezogene Linien dargestellten Position. Dies bedeutet, daß die zweite Spirale 15 geschlossen und die Öffnung 23 zwischen ersten Spiralen 13a, 13b und zweiter Spirale 15 ebenfalls verschlossen ist, so daß die Abgase nur durch die ersten Spiralen 13a und 13b strömen und auf das Turbinenrad 8 über dessen Gesamtumfang gelangen. Infolgedessen können selbst dann, wenn die Strömungsmenge der Abgase gering ist, Pumpverluste minimal gehalten, trotzdem aber eine hohe Turbinen-Leistung aufrecht erhalten werden.

Wenn die Strömungsmenge der Abgase einen vorbestimmten Wert übersteigt, arbeitet der Antrieb 3o, wodurch der Steuerhebel 31 ausgefahren wird und bewirkt, daß das Steuerventil 16 und die bewegliche Wand 26 in die in Fig. 18 strichpunktiert angedeutete Position bewegt werden. In diesem Fall strömen dann die Abgase auch in die zweite Spirale 15 aus den Gaseinlässen 1oa und 1ob, so daß der Strömungswiderstand der Abgase vermindert wird. Die Abgase strömen durch die zweite Spirale 15 und die öffnung 23 und vermischen sich mit den Abgasen, die durch die ersten Spiralen 13a und 13b strömen, und gelangen zum Turbinenrad 8. Wenn die zweite Spirale in der beschriebenen Weise geöffnet ist, vergrössert sich das Volumen des Turbinengehäuses 5, so daß der Ladedruck auf einem vorbestimmten Niveau gehalten v/erden kann. Die Länge (ausgedrückt durch den Z er. tr ums winkel S ) , die von der gekrümmten, beweglichen Wand 26 eingenommen wird, kann abhängig von dem Zeitpunkt, zu dem die bewegliche Wand 26 geöffnet wird, oder von den Betriebsbedingungen

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des Motors 1 in geeigneter Weise gewählt werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern daß verschiedene Abänderungen möglich sind. Beispielsweise kann der Erfindungsgedanke bei verschiedenen Turboladern für Kolben-Verbrennungsmotoren angewendet werden. Anstelle der gezeigten Steuerventile können andere, geeignete Ventile, beispielsweise Flügelventile, Schieberventile, Dreh (Rotary)-Ventile od.dgl. eingesetzt werden. Das Steuerventil 16 und die bewegliche Wand 26 können auch derart eingebaut sein, daß sie unabhängig voneinander betätigbar sind. Es ist weiterhin möglich die Ansteuerung abhängig vom Abgasdruck, dem Ladedruck oder der Drehzahl des Motors bzw. des Turbogenerators vorzunehmen.

Nach der Erfindung kann eine optimale Spiralen-Anordnung im Hinblick auf die Strömungsmenge der Abgase des Motors geschaffen werden, so daß unabhängig von Veränderungen in der Abgas-Menge eine vorbestimmte Vorverdichtungs-Leistung allzeit aufrecht erhalten v/erden kann, was bedeutet, daß die Zuverlässigkeit des Turboladers erheblich verbessert werden kann.

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Claims

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Ishikawajima-Harima Jugogyo Kabushiki Kaisha No. 2-1, 2-chome, Ote-machi, Chiyoda-ku Tokyo - to, Japan

Turbinengehäuse für Turbolader

Ansprüche

M .\ Turbinengehäuse für Turbolader, gekennzeichnet durch eine erste, radial innen liegende Spirale (13a, 13b), welche entlang des Umfangs des Turbinenrades (8) angeordnet und durch eine Trennwand (9, 11) in Achsrichtung der Welle des Turbinenrades in mehrere Abgaskanäle unterteilt ist, durch die jeweils getrennte Abgasströme des Motors (1) dem Turbinenrad zugeführt werden, durch eine zweite, radial außen liegende Spirale (15), die einen einzigen Abgaskanal zur Zuführung der Abgase zu dem Turbinenrad aufweist, sowie durch ein Steuerventil (16) zur Steuerung des in die zweite· Spirale (15) gelangenden Abgasanteils.

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2. Turbinengehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Abgasauslaß(2o) zur Abführung eines Teils der Abgase des Motors (1) in die Umgebungsluft vorgesehen und das Steuerventil (16) so ausgebildet und angeordnet ist, daß es auch den abgeführten Abgasanteil steuert.
3. Turbinengehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrumswinkel ( οέ ) einer zur Zuführung der Abgase zum Turbinenrad (8) dienenden Umfangsöffnung (12) der ersten Spirale (13a, 13b) grosser ist als der Zentrumswinkel einer entsprechenden Umfangsöffnung ^14) der zweiten Spirale (15).
4. Turbinengehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spiralen (13a, 13b; 15) an einer Stelle (23) nahe dem Turbinenrad (8) miteinander in Verbindung stehen.
5. Turbinengehäuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung bzw. Unterbrechung der Verbindung zwischen den beiden Spiralen (13a, 13b; 15) eine bewegliche Wand (26) vorgesehen ist.
6. Turbinengehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche,' dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (16) als Flügelventil (Fig. 6, 12, 18) ausgebildet ist.
7. Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (16) als Schieberventil (Fig. 11) ausgebildet ist.
8. Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (16) als Drehventil (Rotaryventil) ausgebildet ist.

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