DE3100107A1 - Turbolader fuer verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Turbolader fuer verbrennungskraftmaschinen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbolader für Verbrennungskraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Mehrfachturboladersysteme.
Verbrennungskraftmaschinen mit innerer Verbrennung werden häufig mit Turbo-Ladern bzw. Turbo-Aufladungssystemen ausgestattet, um eine Leistungserhöhung zu erzielen. Diese Leistungserhöhung und der Nutzen von Turboladern werden normalerweise auf einen sehr engen Bereich der Maschinengeschwindigkeit begrenzt. Der Turbinenabschnitt des Turboladers hängt im wesentlichen vom Abgasvolumen und Abgasdruck ab, um den Zentrifugenverdichterabschnitt anzutreiben, was man im allgemeinen als Auflader bezeichnet.
Übliche Turbolader haben einen sehr begrenzten wirksamen Betriebsbereich, der ihre maximale Wirksamkeit auf etwa 25 % des Drehzahlbereiches der Maschine begrenzt. Das heißt, es ist möglich, eine Turbinengröße zu wählen, die innerhalb eines engen Drehzahlbereiches des gesamten Drehzahlbereiches der Maschine gut arbeitet. So wird eine kleine Turbine bei niedrigen Maschinengeschwindigkeiten bzw. -drehzahlen gut arbeiten; dagegen wird eine große Turbine bei diesen Geschwindigkeiten überhaupt nicht arbeiten. Umgekehrt wird eine große Turbine bei hohen Maschinengeschwindigkeiten (Drehzahlen pro Minute) gut arbeiten, während eine kleine Turbine, obwohl sie bei einem niedrigen Volumen der Abgase bei einer Maschine mit niedrigen Geschwindigkeiten bzw, -drehzahlen gut funktionieren kann, bei hohen Maschinendrehzahlen extrem hohe Rückdrücke erzeugen würde. Eine kleine Turbine kann bei höheren Drehzahlbereichen der Maschinenleistung sogar abträglich sein, so sehr, daß die Maschine in diesem Bereich ohne Turbolader besser arbeiten könnte. Die große Turbine ist ebenfalls uneffektiv, obwohl sie bei hohen Maschinengeschwindigkeiten keinen hohen Rück-
LU
druck or/.mj{4<m würdu, da sio oiiiffiuh· boi dorn guringun Volumen dos Abgases, das bei niodrigon Maschinongeschwindigkeiten zur Verfügung steht, sehr wenig oder überhaupt nicht arbeiten kann.
Wenn die Anforderungen an den Luftstrom einer Turboladermaschine ansteigen, muß mehr Turbinenkraft geliefert werden, um den Zentrifugen-Verdichter zu drehen und dadurch die erhöhten Flußanforderungen zu erfüllen. Ein übliches Verfahren für diesen Zweck ist es, den Abgasdruck, der in die Turbine eindringt, proportional bzw. im richtigen Verhältnis ansteigen zu lassen. Eine hohe Anzahl von Turboladeranordnungen wurde entwickelt, um diese Probleme zu verringern. Beispiele derartiger Anordnungen sind Systeme mit zwei vollständig getrennten Turboladern oder ein Doppel-Turbogehäuse oder Dual Scroll mit einem einzigen Turbinenrad.
Derartige Anordnungen erfordern zwangsläufig komplizierte Konstruktionen und ausgetüftelte Steuerungssysteme und waren dennoch bei spezialisierten Fahrzeuganwendungen nicht besonders wirkungsvoll. Der Nachteil der nunmehrigen Doppel-Gehäuse-Turbinen, die in Verbindung mit Doppel-Abgassystemen zur Erhöhung des Wirkungsgrades benutzt werden, ist, daß sie den Abgasstrom trotz getrennter Einlasse durch einen gemeinsamen ringförmigen Raum hindurchführen, um es gegen ein einzelnes Turbinenrad zu drücken. Dadurch können normalerweise isolierte Maschinen-Abgasströme teilweise gegeneinander reagieren, wobei die Luftzufuhr bzw. Gasströmung verringert wird. Dadurch wird der Zweck von isolierten Abgasmehrfachverteilerrohren, um Wechselwirkungen an Überlappungsereignissen zu verhindern, zunichte. (Ein Überlappungsereignis tritt auf, wenn sowohl Einlaß- als auch Auslaßventile gleichzeitig im gleichen Zylinder geöffnet sind.) Wenn das Abgas beim Öffnen eines Abgasventiles den Zylinder verläßt, steht es unter hohem Druck und fließt mit hoher Geschwindigkeit. Der Fluß beim Schließen eines Abgas-
bzw. Auspuffventiles und beim Öffnen des Einlaßven tiles, das als Überlappungsereignis bezeichnet wird, findet bei niedrigem Druck und niedriger Geschwindigkeit statt. Bei einigen der bekannten Systeme wurden Hochdruckereignisse nicht von Niederdruckereignissen getrennt, was eine Umkehr des Abgasflusses ermöglichte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile einer kleinen Turbine und einer großen Turbine in einem einzigen Turbolader zu vereinen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
Um den Arbeitsbereich eines Turboladers zu erweitern, sind zwei Turbinen vorgesehen, die einen einzigen Zentrifugen-Verdichter antreiben. Jede der an einer gemeinsamen Welle befestigte Turbine besitzt ein vollständig isoliertes Gehäuse.
Der Zweifach-Turbolader kann besonders vorteilhaft zusammen mit einem Verteilerventil eingesetzt werden, das im Detail im US-Patent 3,559,397, veröffentlicht am 2. Februar 1971, beschrieben ist. Eine Turbine nimmt den gesamten Abgasausgangsstrom von der Maschine auf, und der Fluß zur zweiten Turbine wird durch das Verteilerventil gemäß der obigen Patentschrift verhindert. Das Verteilerventil wird so lange in der Einzelturbinen-Betriebsart gehalten, bis der Abgasdruck für den Betrieb der Turbine eine Grenze überschreitet. Dann wird diese Betriebsart in eine Dual-Turbinenbetriebsart geändert, wobei der wirksame Turboladerbereich der Maschine vergrößert wird. Beim Zweifach-Turbinenkonzept gemäß dem Gegenstand der Erfindung wird die Turbinenradflache verdoppelt, um die Turbinenleistung zu erhöhen, ohne den Rückdruck zu erhöhen.
Vereinfacht ausgedrückt steht die doppelte Energie zur Verfügung, wenp die doppelte Turbinenfläche vorgesehen ist,
f ft β. Λ 1,
um den Zentrifugen-Verdichter anzutreiben. Ein zusätzlicher Vorteil des Zweifach- oder Doppel-Turbinenkonzeptes liegt darin, daß es eine vollständige Isolation der Doppel-Abgassysteme für eine Maschine ermöglicht. Wenn der Turbolader in einer Doppel-Turbinen-Betriebsart arbeitet, wird die Hälfte der Maschinenzylinder mit der Einlaßöffnung, welche die eine Turbine versorgt, verbunden, während die andere Hälfte der Zylinder mit der Einlaßöffnung, welche die zweite Turbine versorgt, verbunden ist.
Die Trennung der Abgassysteme entspricht der üblichen Zündzeitpunktfolge in normalen Ansaug-Hochleistungsmaschinen. Diese Anordnung ist in mehrfacher Hinsicht noch wichtiger bei einer Turboladermaschine als bei einer normalen
Ansaugmaschine. Der Sinn, den Rückdruck so gering wie möglich zu halten, liegt augenscheinlich darin, den Wiedereintritt vom Abgas in die Zylinder beim oben beschriebenen Überlappungsereignis bzw. -Zeitpunkt zu verhindern, wo sowohl Einlaß- als auch Auslaßventil gleichzeitig beim gleichen Zylinder geöffnet sind.
Beim Zweifach-Turbinen-Turbolader gemäß dem Gegenstand der vorliegenden Maschine ist ein Dual-Turbogehäuse oder Dual-Scroll mit getrennten Einlassen vorgesehen, um die Dual- oder Doppelturbinen voneinander zu isolieren. Die Doppelturbinen enthalten Doppolturbinenräder, die an einer gemeinsamen Welle in jedem Turbinengehäuse des Turbolader-Gehäuses bei einer Trennisolierung der Turbinenräder befestigt sind. Auf diese Weise sind zwei Turbinen Rücken an Rücken in einem Gehäuse befestigt, das mit einer gemeinsamen Welle verbunden ist, um den üblichen Zentrifugen-Verdichter anzutreiben, wobei (vorzugsweise) ein Abzweigventil gemäß dem eingangs beschriebenen Patent vorgeschrieben ist. Eine einzelne Turbine wird mit niedriger Drehzahl betrieben, um einen effektiven Betrieb bei mäßigem Rückdruck zu bewirken, während das Verteilerventil bei höheren Drehzahlen die Abgase getrennt an jede Turbine liefert, um
din Turbinenleistung zu erhöhen, ohne den Rückdruck zu erhöhen. Auf diese Weise wird beim Antrieb beider Turbinenräder durch isolierte Abgassysteme die doppelte Turbinenfläche geschaffen, um den Zentrifugen-Verdichter anzutreiben; auf diese Weise ist die doppelte Leistung verfügbar.
Der Doppel-Turbinen-Turbolader gemäß der Erfindung soll einen gemeinsamen Zentrifugen-Verdichter antreiben.
Dabei sollen zwei Doppel-Turbinenlader mit einem Zweifach-Turbinenrad, welche eine gemeinsame Welle antreiben, vorgesehen werden.
Beim Erfindungsgegenstand soll weiterhin ein Doppelturbinengehäuse für den Antrieb der Turbinenräder vorgesehen werden, wobei die beiden Turbinengehäuse voneinander isoliert sind.
Weitere Ziele, Vorteile und Eigenschaften der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung irn Zusammenhang mit der Zeichnung hervor.
Es zeigt:
Figur 1
Eine teilweise Darstellung des Auspuffsystems einer Verbrennungskraftmaschine mit innerer Verbrennung, das über ein Verteilerventil mit dem Doppelturbinen-Turbolader verbunden ist;
30
Figur 2
eine Darstellung des Turboladers längs der Linie 2-2 von Figur 1;
Figur 3
einen Schnitt durch den Turbolader entlang der Linie 3-3 von Figur 2j
D'7
Figur 4
einen Schnitt des Turboladers, die den Einturbinen-Betriebszustand zeigt;
Figur 5
einen Schnitt durch den Turbolader, die den Begriff Doppel-Turbinen-Betriebszustand zeigt.
Gemäß Figur 1 ist der Doppel-Turbinenlader (10) über ein Verteilerventil (14) mit dem Auspuff-Mehrfachrohr (12) einer üblichen Verbrennungskraftmaschine mit innerer Verbrennung verbunden. Vorzugsweise ist das Vorleilervenlil (14) der Steuermechanismus für den Auflader, der im US-Patent 3,559,397, veröffentlicht am 2. Februar 1971, beschrieben wurde, und der den gleichen Anmelder geschützt ist. Das Auspuff system (12) ist ein abgeteiltes Auspuff system, das aus Mehrfachrohren (16 und 18) besteht, um Hochdruck-Ereignisse von Niederdruck-Ereignissen getrennt zu halten und damit die Möglichkeit der Abgasumkehr zu verringern.
In Figur 2 und 3 ist der Doppel-Turbinen-Turbolader gemäß dem Gegenstand der Erfindung dargoslolll. Dor Turbolader besteht aus einem Gehäuse (20) mit Doppel-Turbinen-Gehäusen (22 und 24), welche Einlaßöffnungen (26 und 28) aufweisen. Das Abgas von Turbinengehäuse (24) tritt durch eine Öffnung (30) aus, während das Abgas von Turbinengehäuse (22) von einer Öffnung (32) austritt (Figur 2). Doppel-Turbinenräder (34 und 36) sind an einer gemeinsamen Turbinenwelle (38) befestigt. Die Doppelturbinen sind über eine Abteilung voneinander isoliert, bestehend aus halbkreisförmigen Platten (40 und 42), die um die Welle (38) herum abdichten und durch eine Ringnut (44) der Turbinengehäuse (22 und 24) in ihrer Stellung gehalten werden. Die Abteilplatten (40 und 42) werden mit Hilfe von Bolzen (46) an ihrem Platz gehalten, welche das Turbinengehäuse (24) mit dem Turbinengehäuse (22) verbinden.
- 10 -
Am vorderen Ende der Turbinenwelle (38), das durch ein Lagergehäuse (48) mit konischem Wäreme- oder Deflektorschild (50) zum Schütze der Lagerung für den Schaft (38) hindurchgeht, ist ein Zentrifugen-Verdichterrad (52) angebracht. Das Verdichterrad (52) ist mit dem vorderen Ende der Turbolader-Welle (38) über eine Nut (54) verbunden. Schmieröffnungen (56 und 58) am Lagergehäuse (48) ermöglichen eine Schmierung durch Zirkulieren des Öls durch die Lager des Turboladers hindurch. Derartige Schmiersysteme sind bekannt und müssen daher nicht näher beschrieben werden.
Die Betriebsweise der Doppel-Turbine ist in Figur 4 und 5 beschrieben. Es sei bemerkt, daß bei beiden Figuren der Doppelturbinen-Turbolader über einen Verteiler- oder Umlenksteuermechanismus gemäß dem oben erwähnten Patent mit dem Auspuff system der Verbrennungskraftmaschine verbunden ist; der Turbolader kann jedoch auch direkt mit dem Auspuffsystem der Maschine verbunden werden. Während die Verwendung des gezeigten Verteilersteuermechanismus' bevorzugt wird, kann das System auch ohne Verteilerventil wirksamer als bekannte Doppelturbinengehäuse-Turbolader arbeiten, da der völlig isolierte Doppelturbinen-Turbolader gemäß dem Gegenstand der Erfindung auch darüberhinaus gegenüber üblichen Doppelgehäuse-Einzelturbinen oder Vielfachturbinensystemen vorteilhaft ist, wie bereits eingangs ausgeführt wurde.
Bei einem Betrieb mit niedrigen Umdrehungszahlen wird der Turbinen-Turbolader so arbeiten, wie es in Figur 4 dargestellt ist. Der Doppelturbinen-Turbolader ist mit dem Auspuffsystem (12) der Maschine über ein Verteilersteuerungsventil (14) verbunden. Wenn der Druck im Verteilerrohrsystem unter einem bestimmten Mindestdruck ist, so spannt eine Feder (60) des Verteilerventiles (14) eine Spindel (62) so in Richtung der linken Seite von Figur 4 vor, so daß ein Ventilteller (66) aufsitzt und einen Durchgang (68) von einem Durchgang (70)
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absperrt. Zu diesem Zeitpunkt ist ein Ventilteller (74) von seinem Sitz entfernt und verbindet den Durchgang (70) mit einem Durchgang (72). Der Durchgang (72) ist mit dem Verteilerrohrsystem (16) des Auspuffsystems verbunden, während der Durchgang (70) mit dem Verteilerrohrsystem (18) des Auspuff systems verbunden ist. Bei der in Figur 4 gezeigten Stellung des Verteilerventiles (14) werden alle Auspuff-Abgase zum Turbinengehäuse (22) gegen das Turbinenrad (34) zum Antrieb des Zentrifugen-Verdichterrades (52) gelenkt.
Wenn der Druck des Auspuffverteilerrohrsystems den bestimmten Mindestdruck übersteigt, wird ein Federgegenlager (76) veranlaßt, sich gegen den Druck der Feder (60) zu bewegen, um die Spindel (62) in die in Figur 5 dargestellte Stellung
zu bewegen. In dieser Stellung sitzt der Ventilteller (74) auf, während der Ventilteller (66) offen ist und den Durchgang (68) mit dem Durchgang (70) verbindet, während der Durchgang (70) vom Durchgang (72) abgesperrt ist. In dieser Betriebsart werden Auspuffgase vom Rohrverteilersystem (16) in das Turbinengehäuse (22) der Turbine (10) gelenkt, um das Turbinenrad (34) anzutreiben, während Auspuffgase vom Rohrverteilungssystem (18) durch die Durchgänge (70 und 68) in das Turbinengehäuse (24) eintreten, um das Turbinenrad (36) anzutreiben. Auf diese Weise werden die Doppelturbinen getrennt angetrieben, um das Zentrifugen-Verdichterrad (52) anzutreiben. Die Turbinenfläche wird auf diese Weise verdoppelt, was die Turbinenleistung erhöht, ohne den Turbinenrückdruck zu erhöhen. Bei doppelter Turbinenfläcih«, die für den Antrieb des Zentrifugen-Verdichterrades zur Verfügung steht, ist die doppelte Leistung verfügbar. Mit dem Doppelturbinenkonzept gemäß dem Gegenstand der Erfindung sind verschiedene Vorteile gegenüber Doppelturbinensystemen mit oder ohne Verteilerventil verbunden.
Selbstverständlich sind im Rahmen der Erfindung viele Modifikationen und Variationen möglich.
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Leerseite

Claims (11)

  1. durch
    l.J Turbolader für Verbrennungskraftmaschinen mit
    Verbindungsmittel am Gehäuse zum· Verbinden des Turboladers mit einem Auspuffrohrsystem (12), gekennzeichnet
    eine erste Turbine innerhalb des Gehäuses eine zweite Turbine innerhalb des Gehäuses, und Trenneinrichtungen (40, 42) zum Trennen der ersten Turbine von der zweiten Turbine.
  2. 2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (20) ein Doppel-Turbinengehäuse (23, 24) für die erste und die zweite Turbine enthält,
  3. 3. Turbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel getrennte Einlaßöffnungen (26, 28) für jede Seite des aufgeteilten Doppel-Turbinengehäuses (22, 24) zum Verbinden des Turboladers mit isolierten Abschnitten (16, 18) des Auspuff systems bzw. Rohr Verteilersystems enthält.
  4. 4. Turbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenneinrichtungen (40, 42) aus einer isolierenden Trennplatte zwischen den Doppel-Turbinengehäusen (22, 24) besteht.
  5. 5. Turbolader nach einem Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste sowie die zweite Turbine
    eine Welle (38),
    ein erstes Turbinenrad (34) an der Welle, ein zweites Turbinenrad (36) an der Welle, ein Turbinengehäuse (22, 24), welches die erste und zweite
    Turbine umgibt,
    enthält.
  6. 6. Turbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinengehäuse ein geteiltes Gehäuse (22, 24) ist, wobei die Trennmittel (40, 42) jede Seite des aufgeteilten Gehäuses trennen.
  7. 7. Turbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenneinrichtungen eine isolierende Trennung zwischen den Turbinenrädern enthalten und die geteilten Turbinengehäuse trennen.
  8. 8.. Turboladersystem mit
    einem Gehäuse (20),
    einem Paar von Turbinen innerhalb des Gehäuses zum Antrieb eines Zentrifugenverdichters, eine Verbindungseinrichtung zum Verbinden des Turboladers mit einem Mehrrohrverteilersystem, und einer Ventileinrichtung zur getrennten Steuerung des Flusses vom Mehrrohrverteilersystem zu einer oder zu beiden Turbinen.
  9. 9. Turboladersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenpaar ein Paar von Turbinenrädern (34, 36) an einer einzigen Ausgangswelle (38) enthält.
  10. 10. Turboladersystem nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein abgeteiltes Duo-Turbinengehäuse (22, 24) innerhalb des Gehäuses (20), wobei je eine Hälfte des Doppel-Turbinengehäuses je einem Turbinenrad (34, 36) zugeordnet ist.
  11. 11. Turbolader nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Isolieren jeder Hälfte des Duo-Turbinengehäuses (22, 24), um jedes Turbinenrad (34, 36) zu isolieren ι
    L2. Turbolader nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Isolieren jeder der beiden Hälf-
    ten des Duo-Turbinengehäuses eine isolierende Abtrennung zwischen den Turbinenrädern (34, 36) enthält.
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