DE3120739C2

DE3120739C2 - Abgasturbolader für Brennkraftmschinen

Info

Publication number: DE3120739C2
Application number: DE3120739A
Authority: DE
Inventors: Yasuo Zushi Kanagawa Sumi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1980-05-28
Filing date: 1981-05-25
Publication date: 1983-10-13
Also published as: JPS56167813A; DE3120739A1; GB2077354A

Abstract

Ein Abgas-Turbolader für eine Brennkraftmaschine mit einem Ansaugrohr, in dem eine Drosselklappe angebracht ist, weist eine turbinengetriebene Zentrifugal-Kompressoreinheit auf, die ein Kompressor-Gehäuse (20) mit einer Rotorkammer (21), einen Ansaugkanal, einen Austrittskanal (24) und einen unter Umgehung der Rotorkammer (21) von dem Austrittskanal (24) zu dem Ansaugkanal führenden Kompressor-Bypasskanal (25) umfaßt, in dem ein bei Verschließen der Drosselklappe öffnendes Kompressor-Bypassventil (27) angebracht ist und der wenigstens einen Austrittsbereich (25a) aufweist, der in den Ansaugkanal mündet und zur Vermeidung von Druckwellen in dem Turbolader tangential zu einem in der Rotorkammer (21) angebrachten Kompressorrotor (26) angeordnet ist.

Description

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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Beispiele derartiger herkömmlicher Abgasturbolader sind in der DE-OS 28 23 067 und in der Zeitschrift »MTZ« 1979, Seiten 107 bis 111 beschrieben.

Zur Erläuterung des in der letztgenannten Veröffentlichung beschriebenen Standes der Technik soll bereits hier auf F i g. 1 der Zeichnung Bezug genommen werden.

F i g. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine mit einem Motorblock 1, einem Ansaugrohr 2 und einer Auspuffleitung 3. Das Ansaugrohr 2 steht über einen Luftfilter 4 mit der Atmosphäre in Verbindung und verläuft über eine Luft-Durchsatz-Meßkammer 5, eine Drosselklappe 6 und einen Ansaugkrümmer 7 zu den Verbrennungszylindern der Brennkraftmaschine. Die Auspuffleitung 3 enthält einen Dreiwege-Katalysator 8 und einen Auspufftopf9.

Ein Turbolader 10 umfaßt eine abgasgetnebene, in der Auspuffleitung 3 angeordnete Turbineneinheit 11 und eine durch die Turbine getriebene Kompressoreinheit 12, die zwischen der Luft-Durchsatz-Meßkammer 5 und der Drosselklappe 6 in dem Ansaugrohr 2 angebracht ist.

Die stromabwärts und stromaufwärts der Kompressoreinheit 12 gelegenen Abschnitte des Ansaugrohrs 2 sind durch einen Kompressor-Rückführkanal 17 verbunden. Ein in dem Rückführkanal 17 angeordnetes Ventil 18 hält den Rückführkanal normalerweise geschlossen und öffnet, wenn der Druck in dem Ansaugrohr 2 stromabwärts der Drosselklappe 6 einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet. Auf diese Weise kann nach dem Schließen der Drosselklappe die durch die bo Kompressoreinheit 12 komprimierte Luft zu der Ansaugseite der Kompressoreinheit zurückgeleitet werden. Diese Maßnahme dient dazu, die Entstehung von Druckwellen in dem Turbolader 10 zu unterdrükken, die andernfalls zu heftigen Erschütterungen und Vibrationen der Brennkraftmaschine führen würden und die Lager und Schaufeln des Rotors des Turboladers beschädigen oder zerstören könnten.

Damit jedoch die Entstehung derartiger Druckwellen zuverlässig verhindert wird, muß das Rückführventil 18 unverzüglich auf die Schließbewegung der Drosselklappe 6 ansprechen, und der Kompressor-Rückführkanal 17 muß derart gestaltet sein, daß er einen hinreichend hohen Luftdurchsatz gestattet. In der Praxis steht jedoch bei einer Brennkraftmaschine für die Unterbringung eines diesen Anforderungen entsprechenden Rückführkanals und Rückführventils häufig kein ausreichender Raum zur Verfügung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kompressoreinheit eines gattungsgemäßen Turboladers derart auszubilden, daß die Entstehung von Druckwellen oder ein Abwürgen des Kompressors mit geringerem Aufwand wirkungsvoll vermieden wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs.

Erfindungsgemäß ist die Einmündung des Rückführkanals auf der Ansaugseite der Kompressoreinheit derart gestaltet, daß bei geöffnetem Rückführventil der in die Kompressoreinheit eintretenden Luft ein Drall in Drehrichtung des Kompressor-Rotors erteilt wird. Dies hat zur Folge, daß die Entstehung von Druckwellen bereits bei einem verhältnismäßig geringen Luft-Durchsatz durch den Rückführkanal wirksam unterdrückt wird. Der Rückführkanal kann daher raumsparend gestaltet werden. Weiterhin ergibt sich der Vorteil, daß die Temperaturbelastung der Kompressoreinheit durch zurückgeführte, bei der Kompression erhitzte Luft verringert wird.

Ein Kompressor, bei dem die zurückgeführten Gase dazu ausgenutzt werden, dem Gas auf der Ansaugseite einen Drall zu erteilen, ist grundsätzlich bereits aus der GB-OS 20 09 854 bekannt. Diese Druckschrift befaßt sich jedoch mit einem mehrstufigen Axialverdichter für Gasturbinenanlagen. Für die dort beschriebene Drall erzeugende Einrichtung ist ein baulicher Aufwand erforderlich, der bei der Kompressoreinheit eines Abgasturbolader nicht vertretbar wäre.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einem herkömmlichen Turbolader;

Fig. 2 eine teilweise aufgeschnittene Ansicht der Kompressoreinheit eines erfindungsgemäßen Turboladers;

F i g. 3 einen Schnitt durch den in F i g. 2 dargestellten Turbolader längs der Linie III-I1I in F i g. 2;

F i g. 4 ein Vektordiagramm, das den Zusammenhang zwischen der absoluten Geschwindigkeit der in die Rotorkammer eintretenden Luft, der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors und der auf den Rotor bezogenen Relativgeschwindigkeit der Luft veranschaulicht, wie er in der Kompressoreinheit eines herkömmlichen Turboladers besteht, wenn der Kompressor-Rückführkanal geschlossen ist;

Fig.5 ein Vektordiagramm ähnlich Fig.4, das die Verhältnisse bei dem herkömmlichen Turbolader beschreibt, wenn der Rückführkanal geöffnet ist;

Fig.6 ein Vektordiagramm ähnlich Fig.4, das die Geschwindigkeits-Verhältnisse bei der Kompressoreinheit eines erfindungsgemäßen Turboladers veranschaulicht, wenn der Rückführkanal geöffnet ist.

Die Kompressoreinheit des erfindungsgemäßen Turboladers arbeitet nach dem Zentrifugalprinzin und

umfaßt ein Kompressorgehäuse 20, das in einem nicht gezeigten Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine angebracht ist Das Kompressorgehäuse 20 weist eine Rotorkammer 21, ein die Rotorkammer 21 spiralförmig umgebendes Spiralgehäuse 22, einen axial zu der Rctorkammer ausgerichteten und in diese mündenden Ansaugkanal 23, der in einen stromauswärts gelegenen Abschnitt des Ansaugrohrs der Brennkraftmaschine übergeht, und einen Austrittskanal 24, der sich stromabwärts an das Spiralgehäuse 22 anschließt und in einen Abschnitt des Ansaugrohrs der Brennkraftmaschine übergeht, der stromabwärts der Kompressoreinheit und stromaufwärts einer nicht gezeigten, in dem Ansaugrohr angebrachten Drosselklappe gelegen ist Das Kompressor^ehäuse 20 weist ferner einen die Rotorkammer 21 und das Spiralgehäuse 22 umgehenden Kompressor-Rückführkanal 25 auf, der den Austrittskanal 24 mit dem Ansaugkanal 23 verbindet

Die in den F i g. 2 und 3 dargestellte Koirpressoreinheit umfaßt einen in der Rotorkammer 21 drehbaren Rotor 26, der mit einer nicht gezeigten Turbineneinheit des Turboladers verbunden ist und durch diese angetrieben wird. Gemäß F i g. 2 umfaßt die Kompressoreinheit des erfindungsgemäßen Turboladers ferner ein den Kompressor-Rückführkanal 25 öffnendes oder schließendes Kompressor-Rückführventil 27. Das Kompressor-Rückführventil 27 wird durch eine Ventilsteuerung 28 betätigt, die auf den Unterdruck in dem Ansaugrohr der Brennkraftmaschine anspricht der sich stromabwärts der in dem Ansaugrohr angebrachten Drosselklappe bildet Die Ventilsteuerung 28 bewirxt über das Kompressor-Rückführventil 27 eine öffnung des Kompressor-Rückführkanals 25, wenn der Luftdruck in dem Ansaugrohr stromabwärts der Drosselklappe kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist. Als Beispiel ist in Fig.2 eine Ausführungsform der Ventilsteuerung 28 dargestellt, die den Luftdruck in dem Ansaugrohr mit Hilfe einer Membran erfaßt

Erfindungsgemäß weist der Kompressor-Rückführkanal 25 einen Austrittsbereich 25a auf, der, wie in F i g. 2 gezeigt ist, im wesentlichen tangential zu dem Rotor 26 verläuft und in den Ansaugkanal 23 mündet.

Wenn während des Betriebs der Brennkraftmaschine die in dem Ansaugrohr derselben angebrachte Drosselklappe aus einer ganz oder teilweise geöffneten Position in eine Leerlaufsstellung gedreht wird, in der sie den freien Querschnitt des Ansaugrohrs auf ein Minimum reduziert, wie etv.a während der Verzögerung des Kraftfahrzeugs, wird die von der Kompressoreinheit geförderte komprimierte Luft in dem Ansaugrohr stromaufwärts der Drosselklappe aufgestaut. Da jedoch der Rotor 26 der Kompressoreinheit aufgrund seiner Trägheit weiterhin in der Rotorkammer 21 rotiert, ergibt sich in dem Abschnitt des Ansaugrohrs zwischen der Kompressoreinheit und der Drosselklappe ein steiler Druckanstieg. Durch den plötzlichen Anstieg des Luftdrucks werden in der unter diesen Bedingungen arbeitenden Kompressoreinheit des Turboladers pulsierende Druckwellen erzeugt.

Fig.4 veranschaulicht anhand eines Vektordiagramms den Zusammenhang zwischen der Umfangsgeschwindigkeit u des rotierenden Rotors, der absoluten, d. h. auf das Kompressorgehäuse 20 bezogenen Geschwindigkeit v\ der in Axialrichtung des Rotors in die Rotorkammer 21 eintretenden Luft und der resultierenden, auf den sich drehenden Rotor bezogenen Geschwindigkeit Vi der eintretenden Luft, die bei der Kompressoreinheit 12 des herkömmlichen, in den Fig. 1 gezeigten Turboladers IO besteht, wenn der Kompressor-Rückführkanal 17 geschlossen ist Wenn der Kompressor-Rückführkanal 17 geschlossen wird, nimmt infolge des verminderten Luftdurchsatzes durch die Rotorkammer 21 die absolute Geschwindigkeit der eintretenden Luft von dem Wert v\ auf den Wert v₂ ab. Da hierbei die Umfangsgeschwindigkeit u des Kompressor-Rotors annähernd gleich bleibt, verringert sich die Relativgeschwindigkeit der eintretenden Luft von ίο dem Wert Vi auf den Wert V₂, und der Anströmwinkel des Rotors vermindert sich von dem Sollwert θι auf den Wert B₂, wie in dem Vektordiagramm in Fig.5 dargestellt Die Änderung des Anströmwinkels des Kompressor-Rotors von θι auf θ₂ führt zu einer in is Fig.5 durch S gekennzeichneten Ablösung der Luftströmungen von den Oberflächen der Schaufeln des Rotors und dadurch u. U. zu einer Abbremsung des Rotors.
Bei der Kompressoreinheit des erfiridungsgemäßen Turboladers wird die durch den Kompressor-Rückführkanal 25 zurückgeführte Luft tangential zu dem Rotor 26 in den Ansaugkanal 23 geleitet, und die absolute Geschwindigkeit V3 der in die Rotorkammer 21 eintretenden Luft bildet einen Winkel mit der Axialrichtung des Rotors 26. Anhand des in F i g. 6 gezeigten Vektordiagramms ist zu erkennen, daß sich in diesem Fall der Anströmwinkel Θ3 des Rotors 26 nur wenig ändert, wenn bei der öffnung des Bypasskanals 25 der Vektor V₃ einen anderen Wert annimmt Daher wird bei der erfindungsgemäßen Kompressoreinheit eine Abbremsung des Rotors 26 während des Betriebs vermieden.

Bei einem herkömmlichen Turbolader, beispielsweise bei dem in den F i g. 1 dargestellten Ausführungsbei-

J5 spiel.wird die durch den Kompressor-Rückführkanal aus dem Austrittskanal in den Eintrittskanal zurückgeführte Luft axial auf den Kompressorrotor geleitet. Wenn bei dieser Kompressoreinheit der Vektor der auf die einzelnen Schaufeln des Kompressorrotors bezogenen Relativgeschwindigkeit der eintretenden Luft eine Richtung aufweisen soll, die dem vorgesehenen Anströmwinkel des Rotors entspricht, muß der Kompressor-Rückführkanal derart gestaltet sein, daß er einen verhältnismäßig hohen Luftdurchsatz gestattet, da die absolute Geschwindigkeit der in die Rotorkammer der Kompressoreinheit eintretenden Luft dem Durchsatz der in die Rotorkammer eintretenden Luft direkt proportional ist. Wenn die von der Förderseite der Kompressoreinheit zu der Ansaugseite derselben zurückgeführte komprimierte Luft wie bei dem erfindungsgemäßen Turbolader tangential zu dem Rotor 26 in den Ansaugkanal geleitet wird, kann die auf den Rotor bezogene Relativgeschwindigkeit der eintretenden Luft schon bei begrenztem Durchsatz durch den Kompressor-Bypasskanal derart reguliert werden, daß die Richtung dieser Relativgeschwindigkeit dem vorgesehenen Anströmwinkel des Rotors entspricht.

Wenn die komprimierte Luft durch den Kompressor-Rückführkanal tangential zu dem Rotor in dem Ansaugkanal 23, geleitet wird, so entsteht in dem Ansaugkanal 23 ein Strömungswirbel, der dem Rotor 26 einen Drall in seiner Drehrichtung erteilt. Dadurch wird ermöglicht, daß der Kompressorrotor 26 mit verhältnismäßig langsam abnehmender Winkelgeschwindigkeit auslaufen kann, nachdem die Drosselklappe in dem Ansaugrohr der Brennkraftmaschine in ihre Leerlaufstellung gedreht wurde. Wenn die Drosselklappe, kurz nachdem sie geschlossen wurde, wieder geöffnet wird.

erlangt der Kompressorrotor daher schnell wieder seine ursprüngliche Drehzahl.

Obwohl der Gegenstand der vorliegenden Erfindung nur anhand eines Ausführungsbeispiels illustriert wurde, sind zahlreiche modifizierte oder veränderte Ausführungen denkbar. Beispielsweise kann statt des beschriebenen Kompressor-Rückführkanals 25 ein Rückführsystem gewählt werden, das mehrere dem beschriebenen Austrittsbereich 25a vergleichbare Austrittsbereiche aufweist, die alle ähnlich dem beschriebenen Austrittsbereich 25a tangential zu dem Kompressorrotor 26 in den Ansaugkanal 23 münden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen mit einer von den Abgasen der Brennkraftmaschine angetriebenen Turbineneinheit und einer mit dieser verbundenen, im Luft-Ansaugrohr der Brennkraftmaschine stromaufwärts einer Drosselklappe angeordneten Kompressoreinheit, die eine Rotorkammer mit einem in dieser drehbaren, durch die Turbineneinheit angetriebenen, Luft in Axialrichtung über ein Ansaugrohr ansaugenden Rotor und ein die RGtorkammer umgebendes Spiralgehäuse mit einem Austrittskanal für die Luft umfaßt, sowie einem Kompressor-Rückführkanal zur Rückführung von komprimierter Luft, der ein bei vorgegebenem Unterdruck im Bereich stromabwärts der Drosselklappe öffnendes Ventil aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor-Rückführkanal (25) wenigstens einen Abschnitt (2Sa) aufweist, der stromaufwärts des Rotors (26) tangential in das Ansaugrohr (23) der Kompressoreinheit (20) in Übereinstimmung mit der Drehrichtung des Rotors (26) einmündet