DE3101131A1

DE3101131A1 - Abgasturbolader und verfahren zur wirkungsgradverbesserung

Info

Publication number: DE3101131A1
Application number: DE19813101131
Authority: DE
Inventors: Arno 6520 Worms Förster; Norbert Dr.Dipl.-Ing. 6100 Darmstadt Zloch
Original assignee: Kuehnle Kopp and Kausch AG
Current assignee: Howden Turbo GmbH
Priority date: 1981-01-15
Filing date: 1981-01-15
Publication date: 1982-08-05

Description

- 4 - KK13P-22O7/GH

Abgasturbolader
und Verfahren zur Kirkungsgradverbesserung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kirkungsgradverbesserung eines Abgasturboladers mit einem Abgasventil und einem integrierten Beipaßkanal, welcher hinter der Turbine in einen Abgaskanal mündet, sowie einen Abgasturbolader
zur Durchführung des Verfahrens.

Zur Aufladung von Verbrennungsmotoren finden ungeregelte
Turbinen Verwendung, deren fest eingebautes Aufstauverhalten bewirkt, daß der Turbineneintrittsdruck mit dem Massenstrom ansteigt. Durch die Vergrößerung dieses Turbineneintrittsdrucks vergrößert sich entsprechend die Ausschubarbeit des Motors, was einer Verschlechterung der Spüldruckdifferenz des Motors gleichkommt. Um den Ladedruckverlauf zu verbessern, ist es bekannt, den Abgasturbolader mit einem Beipaßkanal und einem Abblaseventil zu versehen, um im Bereich hoher Motordrehzahlen einen Teil des Abgasmassenstroms an der Turbine vorbeizuführen. Dieser abgeblasene
Massenstrom wird nicht genutzt, sodaß der verbleibende Massenstrom die gesamte Arbeit leisten muß, was nur bei einer entsprechend hohen Aufstauung möglich ist. Je nach der An-

FS/hh Ordnung

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Ordnung des Abblaseventils erfolgt die Zumischung des Beipaßmassenstroms zum Turbinenmassenstrom mehr oder weniger weit hinter dem Turbinenrad. Die Abzweigung des Beipaßmassenstroms im Eintrittsstutzen findet in einem Gebiet verhältnismäßig niedriger Strömungsgeschwindigkeit statt, sodaß dadurch der Turbinenwirkungsgrad kaum verschlechtert wird. Bei Turbinen mit integriertem Beipaßkanal befindet sich die erforderliche öffnung zur Einleitung des Beipaßmassenstroms in den Abgasmassenstrom verhältnismäßig nahe hinter der Turbine und wirkt sich daher wegen der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Abgasmassenstroms stark störend auf den Turbinenwirkungsgrad aus. Ls ist bekannt (DL-OS 26 10 243) den Beipaßmassenstrom hinter der Turbine durch eine öffnung in den Abgasmassenstrom einzuleiten, welche einen verhältnismäßig großen Durchmesser hat, wobei der großflächig einströmende Beipaßmassenstrom etwa senkrecht auf den Abgasmassenstrom auftrifft. Durch diese Art der Hinleitung des Beipaßmassenstroms geht dessen kinetische Energie infolge innerer Reibung bei den sich bildenden sehr starken Wirbeln verloren und wird weitgehendst in Wärme umgesetzt. Der Abgas-Energieverlust durch die Nichtnutzung des Beipaßmassenstroms und zusätzlich der schlechtere Turbinenwirkungsgrad bewirken ein starkes Ansteigen des Turbineneintrittsdrucks, was die Verschlechterung des Spüldruckgefälles des Verbrennungsmotores mit der bekannten Verbrauchsverschlechterung verursacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den abgeblasenen, nicht mehr direkt genutzten Beipaßmassenstrom zur Veränderung der Randbedingungen der Turbine derart zu benutzen, daß der mit dem gesamten Abgasmassenstrom berechnete Wirkungsgrad der Turbine - auch Gesamtwirkungsgrad der Turbine genannt - verbessert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungspemäß dadurch gelöst, daß der abgeblasene Beipaßmassenstrom in einer Injektordüse zur Er

zeugung

zeugung kinetisclier line rs ie entspannt wird, und dnC der entspannte Beipaßmasscnstrom in den Abgasmassens t ro;:, tierart eingeleitet wird, daß sich der Gegendruck hinter der Turbine verringert.
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Die Erfindung wird bei einem Abgasturbolader dadurch verwirklicht ,daß die Mündung des Beipaßkanals in den Abcas"r.anal als Ejektordüse ausgebildet ist, welche den BeLpaßrassenstrom etwa parallel oder unter einem spitzen Kinkel in den Abgasmassenstrom der Turbine einleitet.

Durch den Impuls des Beipaßmassenstroms mit hoher kinetischer Energie, welcher in Richtung des Abgasmassenstrorc·> eingeleitet wird, was eine Erhöhung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit des Abgasmassenstroms bewirkt, er:;-t sich eine Absenkung des Gegendrucks der Turbine und dar.:t eine Verringerung des Turbineneingangsdruckes sowie eine Verbesserung des Spüldruckgefälles des angeschlossenen \erbrennungsmotors. Je nach der Ausgestaltung der Ejektor,., ise und der zur Beschleunigung des Abgasmassenstroms wirksaren Vektorkomponente des Impulses des Beipaßmassenstrons i?t eine Gesamt-Wirkungsgradverbesserunp für die Turbine ir. J.er Größenordnung von etwa 6 % crzielbar, wenn etwa 70 '-. der kinetischen Energie des Beipaßmassenstroms genutzt wird.

Die Erfindung sieht vor, daß der Winkel zwischen dem Beipaf-

massenstrom und dem Abgasmassenstrom kleiner als 30° ist, *:·

bei ein Winkel in der Größenordnung von etwa 10° und kleiner besonders vorteilhaft ist.

Für die Ausbildung der Ejektordüse ist vorgesehen, daß ?ich diese als Schlitzdüse längs zumindest einem Teil des Unfam:.=- des Abgaskanals erstreckt und in diesen mündet. In besonders vorteilhafter Weise erstreckt sich die Ejektordüse über eine Länge von etwa 90° des Umfangs des Abgaskanals.

Ur. die

BAD ORIGINAL

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Um die Austrittsfläche der Ejektordüse den jeweiligen Verhältnissen beim aufzuladenden Motor anpassen zu können, ist auch vorgesehen, daß die Mündung der Ejektordüse in der Flanschebene liegt, an welchen ein durchmessererweiterter Abgaskanal anschließt. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, durch Abfräsen der Flanschfläche oder durch Nachfräsen der Düse die Austrittsfläche in einfacher Weise zu verändern.

Die Vorteile und Merkmale der !Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Turbolader für einen

Verbrennungsmotor, bei welchem die Maßnahmen der Erfindung Verwendung finden;

Fig. 2 einen Teilschnitt durch das Turbinengehäuse für eine weitere Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine Ansicht auf den Flansch des Turbinengehäuses der Ausführungsform gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Der in Fig. 1 dargestellte Turbolader besteht aus einer Turbine 10, einem Verdichter 11 und einem die beiden verbindenden Lagerteil 12. Das Turbinenlaufrad 13 ist auf der einen Seite einer Welle 14 angebracht, die durch den Lagerteil 12 verläuft und am anderen Ende das Verdichterlaufrad trägt. Die zum Antrieb der Turbine benutzten Abgase werden über einen Spiralkanal 16 zugeführt, welcher vom Bereich des bintrittsstutzens aus über einen integrierten Beipaßkanal mit dem stromabwärts hinter der Turbine gelegenen Abgaskanal

in Verbindung

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in Verbindung steht. Über diesen Beipaßkanal erfolgt die Regelung des Ladedruckverlaufs, um im Bereich hoher Motordrehzahlen einen Teil des Abgasmassenstromes an der Turbine vorbeizuführen. Zu diesem Zweck ist ein nicht dargestelltes Abblaseventil vorgesehen, mit welchem die Öffnung zum Beipaßkanal im Bereich des Eintrittsstutzens verschlossen werden kann.

Die hinter der Turbine stromabwärts gelegene Eintrittsöf£- nung des Beipaßkanals in den Abgaskanal ist als Ejekterdüse 20 ausgebildet, welche den austretenden Beipaßmassenstrom unter einem Winkel von vorzugsweise weniger als 10° in den Abgasmassenstrom einleitet. Durch die Injektordüse wird die Impulsenergie des Beipaßmassenstromes in kinetisehe Energie umgewandelt, welche entsprechend der Vektorkomponente in Strömungsrichtung an den Abgasmassenstrom abgegeben wird und dessen Strömungsgeschwindigkeit erhöht. Die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgasmassenstroms bewirkt eine Absenkung des Gegendrucks der Turbine und damit eine Verringerung des Turbineneingangsdruckes.

Durch den verringerten Turbineneingangsdruck läßt sich entsprechend das Spüldruckgefälle des Verbrennungsmotors und damit bei gleicher Turbinenleistung der Wirkungsgrad verbessern. Testversuche mit einem typischen 2,5 Liter-Dieselmotor zeigen aufgrund des gemessenen Turbineneir.narrstr:iV-kes eine Gesamt-Wirkungsgradverbesserung für die Turbine in der Größenordnung von 6 % bei einer Nutzung der kinetischen Energie des Beipaßmassenstromes von etwa 70 %.

Bei der in Fig.! dargestellten Ausführungsform der Ejektordüse 20 ist diese voll in das Turbinengehäuse integriert, wobei eine nachträgliche Anpassung an unterschiedliche aufzuladende Verbrennungsmotoren kaum möglich ist.

Um jedoch einen Abgasturbolader gemäß der Erfindung für eine

Vielzahl

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Vielzahl von verschiedenen Verbrennungsmotoren verwenden zu können, ist es wünschenswert, daß die Austrittsfläche der Ejektordüse an die jeweiligen Verhältnisse des aufzuladenden Motors anpaßbar ist. In Fig.2 ist das Turbinengehäuse einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher eine Ejektordüse 30 nicht wie bei der Ausführungsform gemäß Fig.1 durch die Wandung des Abgaskanals, sondern durch die Flanschebene 31 in diesen mündet. Zu diesem Zweck schließt ein nicht dargestellter, zumindest im Bereich der Ejektordüse 30 durchmessererweiterter Abgaskanal an die Flanschebene 31 an. Die Ejektordüse 30 ist bei der Herstellung des Turbinengehäuses 10 derart geformt, daß die Austrittsfläche durch Abfräsen der Flanschebene verändert und damit den Verhältnissen des aufzuladenden Motors anzupassen ist. Der Winkel, unter welchem der Beipaßmassenstrom in den Abgasmassenstrom eingeleitet wird, ist bei der Herstellung des Turbinengehäuses in einfacher Weise durch die Formgebung der Ejektordüse festlegbar. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Winkel sehr klein, sodaß der austretende Beipaßmassenstrom nahezu parallel zum Abgasmassenstrom eingeleitet wird und sich eine Vermischung ergibt, wie sie beim Carnotschen Stoß auftitt.

In Fig. 3 ist eine Draufsicht auf die Flanschebene 31 des Turbinengehäuses 10 für die Ausführungsform gemäß Fig. 2 dargestellt.Die Ejektordüse erstreckt sich dabei über eine Länge von etwa 90 des Umfangs des Abgaskanals.Es ist jedoch auch vorgesehen, daß sich die Ejektordüse über eine größere bzw. kleinere Länge des Umfangs des Abgaskanals erstreckt, um im speziellen Anwendungsfall die Absenkung des Gegendrucks zu optimieren.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, mit welcher die Ausbildung einer Ejektordüse im Bereich der Austrittsöffnung des Beipaßkanals in den

Abgaskanal

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Abgaskanal durch Einsetzen einer Zylinderhülse 41 erreicht wird. Mit dieser Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, bereits vorhandene Turbinengehäuse mit einer die Abgasströmung störenden Austrittsöffnung des Beipaßkanals derart umzubauen, daß die Erfindung zu verwirklichen ist. Dazu wird der Abgaskanal entsprechend dem Außendurchmesser der Zylinderhülse 41 aufgebohrt und im Flanschbereich ein Austrittsschlitz zum Beipaßkanal hin angebracht, der nach dem Einsetzen der Zylinderhülse die lijektordüse darstellt. Durch diese Umbaumaßnahme läßt sich der Wirkungsgrad eines Abgasturboladers in einfacher Weise bei bereits vorhandenen Anlagen verbessern, wobei lediglich außer der Änderung am Turbinengehäuse der an den Flansch anzuschließende Abgaskanal bezüglich seir nes Durchmessers zumindest im Ejektordüsenbereich anzupassen ist.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

\A J Verfahren zur Wirkungsgradverbesserung eines Abgasturboladers mit einem Abblaseventil und einem integrierten Beipaßkanal, welcher hinter der Turbine in den Abgaskanal mündet , dadurch gekennzeichnet,

- daß der abgeblasene Beipaßmassenstrom in einer Injektordüse zur Erzeugung kinetischer Energie entspannt wird,

- und daß der entspannte Beipaßmassenstrom in den Abgasmassenstrom so eingeleitet wird, daß sich der Gegendruck hinter der Turbine verringert.

2. Abgasturbolader zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - daß die Mündung des Beipaßkanals (17) in den Abgaskanal (18) als Injektordüse (20; 30; 40) ausgebildet ist, welche den Beipaßmassenstrom etwa parallel oder unter einem spitzen Winkel in den Abgasmassenstrom der Turbine einleitet.

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3. Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet ,

- daß der Winkel zwischen dem Beipaßmassenstrom und dem Abgasmassenstrom kleiner als 30° ist.

4. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet ,

- daß der Winkel vorzugsweise kleiner als 10° ist.

5. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 2 bis 4, d a durch gekennzeichnet, - daß die Injektordüse (20; 30; 40) als Schlitzdüse längs zumindest einem Teil des Umfangs des Abgaskanals (18) in diesen mündet.

ϋ. Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch g e- !0 kennzeichnet,

- daß sich die Ejektordüse über eine Länge von etwa 90° des Umfangs des Abgaskanals erstreckt.

ⁿ . Abgasturbolader nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, - daß die Mündung der Ejektordüse (30; 40) in der Flanschebene (31) liegt, an welche ein durchmessererweiterter Abgaskanal anschließt.

8. Abgasturbolader nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis?, dadurch gekennzeichnet, - daß der in den Abgaskanal mündende Beipaßkanal durch eine Zylinderhülse (41) verschlossen ist,

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- und daß die Injektordüse (40) durch einen Austrittsschlitz entlang dem Außenumfang der Zylinderhülse gebildet ist.