DE3219250A1

DE3219250A1 - Vorrichtung zum veraendern des leistungsvermoegens einer radialturbine

Info

Publication number: DE3219250A1
Application number: DE19823219250
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Yokosuka Komatsu
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1981-06-16
Filing date: 1982-05-21
Publication date: 1983-01-05
Also published as: GB2100359B; GB2100359A; JPS57206704A; DE3219250C2

Description

Vorrichtung zum Verändern des Leistungsvermögens-einer Radialturbine : i

Die Erfindung betrifft allgemein Radial turbinen und insbesondere eine einfache Vorrichtung zum Verändern des Leistungsvermögens bzw. der

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Beaufschlagung einer Radialturbine.

Zum Verbessern sowohl des Kraftstoffverbrauches als auch der at>gegebenen Leistung werden Turbo-Läder fUr Kraftf-ahrzeug-Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung gefordert, die über einen weiten

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Betriebsbereich der Maschine wirksam sind unid brauchbare Nutzdreh-

momehte selbst bei geringen und!mittleren Ma Um dies zu bewerkstelligen, ist

es erwünscht

schinendrehzahlen liefern.

das Spiralgehäuse so
Maschine direkt auf

zu gestalten, daß dieses die.Auspuffgase der das Turbinenlaufrad des Turbo-Laders führt, so daß.bei kleinen Maschinendrehzahlen die Drehzahl des Turbinenlaufrades schnell erhöht werden kann, ohne daß hone Auspuffgas drücke b$i schnellem Lauf der Maschine induziert werden. Ein solcier Kompromiß kann in

der Praxis jedoch nicht verwirklicht werden,

ist, eine"Turbine kleiner Leistung zu verwenden und Auspuffgase

wenn sehr hohe Aus-

so daß es notwendig

:ung der Maschine herrschen und/oder
zu einem Wert ansteigt,

in einem By-pass um die Turbine herumzuführen puffgasdrücke in der Auspuff!ei wenn die Drehzahl des Turbinenlaufrades bis

bei dem ein übermäßiger Ladedruck in der Einilaßleitung erzeugt wird. Die Verwendung einer solchen Anordnung-mit By-pass ("waste gate") zum Umleiten der Auspuffgase um die Turbine ist jedoch vom Standpunkt der Energieverwertung der Energie! der Auspuffgase nichi

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wünschenswert. So wurde vorgeschlagen, die Leistung der Turbine wirksam mittels 'einer Anordmng zu variieren, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt und' in der japanischen Patentanmeldung Nr. 54-84123 beschrieben isjti. Zwar läßt diese Anordnung die Turbinenleistungj variieren; feie hat jedoch eine Anzahl von Nachteilen. So muß cjas Spiralgehäuse 1 so unterteilt werden, daß der Einbau eines Strjömungsleitflugels 2 möglich ist, und die Oberflächen 3 des SpIi ral gehäuses auf jeder Sei te des Leitflügels 2 müssen präzisionsbearbeitet werden,'um das erforderliche Spiel zwischen dem Leitflügel lind dem Spiralgehäuse zu schaffen. Dies macht die Konstruktion unq die Herstellung der Turbine sowohl komplizierter als auch teurer,; wobei die Anordnung insofern noch nicht gänzlich zufriedenstellt,! als aufgrund der hohen Temperaturen und Drücke, welche im Spiralgehäuse 1 imiBetrieb der Brennkraftmaschine herrschen, der Leiiflügel 2J sich verformen und entweder festklemmen oder im

in einem solchen Maße verwinden kann, daß er in

schlimmsten Fall

Kontaktimit dem ^Turbinenlaufrad 4 kommt. Ferner kann die Welle 5, welche drehbar ib Gehäuse zur Steuerung der Bewegung des Leit-

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flügels|2 gelagert ist, aufgrund der sehr hohen Temperaturen festfressen und so djie magnetisch wirkende Steueranordung 6 an einer Bewegung des Leirtflügels im gewünschten Augenblick hindern.

Der Erfindung 1 liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Verändern des Leistungsvermögens einer Radialturbine mit einem Spiralgehäuse und einem Turbinenlaufrad, das am abstromseitigcn Ende des Spiral gehäuses angeordnet ist, zu schaffen, bei welcher die beschriebeneh Nachteile tier bekannten Anordnung vermieden sind.

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Zur Lösung dieser Aufgabe isf; eine Vorrichtung dieser Art gekennzeichnet durch eünen Schaft,j der bezüglich des Spiral gehäuses beweglich in diesem so angeordnet ist, daß ein Abschnitt des Schaftes unmittelbar benachbart dem abstromseitigen Ende des

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Spiral gehäuses liegt; einen geformten Bereich an dem genannten

Abschnitt und Mittel zum Bewegen des Schaftes derart, daß dor cjeforiiite Bereich wahlweise dasjim Spiralgehäuse ströniendo fluid Uv-

läng ig |vc

'zug!ich des Laufrades abhängig jvon einem gemessenen Betätigungsparameter ablenkt. ι

Der Schaft nach der Erfindung kpnn eine geformte Spitze oder eine Nut aufweisen, womit er in das Spiralgehäuse hinein beweglich oder darin· drehbar ist, um den Gasstrom in dem Spiralgehäuse variabel gegen das Laufrad derajrt zu richten bzw. die Beaufschlagung des Laufrades derart ^u verändern» daß eine wirksame Änderung des Leistungsvermögens der Turbine;erzielt wird.

Die Erfindung ist im folgenden ianhand schemätischer Zeichnungen am Stand der Technik und an Ausjführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Eis zeigen:

Fig. Λ

Fig. 2

Fig. 3·

Fig. 4

Fig. 5

Fig. 6

einen Querschnitt durch die kurz in der Beschreibungs-

einleitung beschrie jene Anordnung;

einen Schnitt jiach ier Linie 11411 in Fig. 1;

einen Schnitt durch

einen Schnitt nach per Linie IV-vorteilhafte Gestaltungen der Sc welcher einen wesentlichen Bestar

Fig. 7

Fig. 8

Fig. 9

eine erste Ausführung der Erfindung; IV in Fig. 3;

haftspitze eines Schaftes, dteil der Erfindung bildet; ein Diagramm, in weil ehern die bezogene Strömungsmenge übsr dem Druckverhä^ltnis; dargestellt ;ist, wodurch die Veränderung der Turbin^nleistung einer mit der Vorrichtung nach der Erfindung ausgestalteten Turbine illustriert wird; einen Schnitt durch! eine zweite !Ausführung nach der Erfindung; ! ;. ·

einen Schnitt durchieine dritte Ausführung nach der Erfindung und j

einen Schnitt durchweine vierte^Ausführung nach der Erfindung, j

In den Fig. 3 und 4 ist eine erpte Ausführung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung gezeigt. Bei dieser Vorrichtung ist ein Schaft 10 das Spiralgehäuse 12 durchsetzehd angeordnet und hin- und herbeweglich

in Hülsen 14, 1£> gelagert. Djie Hülse 16 ist unmittelbar benachbart des abstrorjiseitigen Endes bzw. der Zunge 18 des Spiral gehäuses angeordnet, so daß dije geformte Spitze 20 des Schaftes H) in den Strom deif Auspuffgase! unmittelbar vor deren Eintreten in

ί :
das Turbinenlaufrad 22 vorgeschoben werden kann. Wie am besten aus Fig. 3 erkennba>f ist, werdenl die Auspuffgase auf ein Vorschieben des Schaftes mittels einer Betätigungsvorrichtung 24 unter Ausschieben der Spitze 20 aus der Hülse 16 heraus um das größtmögliche Maß so abgelenkt wie es derj Pfeil in Fig. 3 zeigt, wobei die gesamten, in dem durch die Innenwand und die gestrichelte Linie in Fig. 3 begrenzten Hohlraum strömenden Auspuffgase in das Laufrad 22 hinein'gerichtet werden. jSornit kann bei niedriger Maschinendrehzahl, wobei die geförderte Abgasmenge relativ gering ist, das Turbinen!aufjrad 22 durchjdie darauf gerichteten Hochgeschwindigkeitsgase angetrieben werden), um adäquate Drehmomente zu erzeugen und dadurch die Maschine mit einem angemessenen Ladedruck aufzuladen. Sobald je|doch die von der Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) abgegebene Abgasmenge ansteigt und sich einen Wert.nähert, bei welchem das Laufrad 22 mit einer übermäßigen Drehzahl angetrieben würde, kann der SchaJFt 10 zurückgezogen werden, um das Maß des Hereinrajgens der Spijtze 20 in den Strömungskanal des Spiral gehäuses ^u verringern. Aufgrund der entsprechend verringerten Ablenkung der Auspuffgase können nun die normal umgelenkten Auspuffgase im Spiralgehäuse zirkulieren, ohne das Laufrad 22 zu beaufsjchlagen, so daß die Umwandlung der im Auspuffgas enthaltenen 'Energie in kinetische Energie teilweise verringert wird. i !

Um das Maß des hjineinragens der "Spitze 20 in das Spiralgehäuse steuern zu können, kann die betätigungsvorrichtung 24 von derjenigen Bauart sjein, wie sie auch bei der Anordnung nach dem Stand der Technjik gemäß Fig. {1 verwendet ist, oder von einer solchen Bauart, >wie sie zur betätigung der bekannten By-pass-Anordnungen gewöhnlich eingesetzt wird. Die Betätigungsvorrichtung kann vojn einem aus einer Vielzahl ausgewählten Betriebs-

parameter ,wie von der Turbinen-Drehzahl, dem Druck im Spiralgehäuse, der Maschinendrehzahl o. !dgl. abhängig gesteuert werden.

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Fig. 5 zeigt drei mögliche Spitzjenformen. Diese Formen sind so gewählt, daß sie eine sanfte, turbulenzfreie Strömungsablenkung aus Gründen gewährleisten, die dem Fachmann aiuf diesem Gebiet klar sind. ! '

Das in Fig..' 6 gezeigte Diagramm !illustriert pie Veränderung der Turbinenleistung, die sich einstellt, wenn der Schaft mit Spitze aus der maximal vorgeschobenen SJtellung in ejine Stellung zurückgezogen wird, in welcherdie Spitze 20 überhaupt nicht in die Strömung im Spiralgehäuse hineirtragt. In diesem Diagramm, in welchem die bezogene oder -standardisierte Strömungsmenge über dem Druckverhältnis dargestellt ist, repräseitiert die Kurve A die Turbinenleistung bei voll abgeschobener Schaftspitze . Die Kurve B repräsentiert die Turbinen!eistuig bei nicht ausgeschobener Schaftspitze, d. h. beS' vollkommen! zurückgezogenem

Schaft. Wenn demgemäß die Spitze bei einem b

sliebigen Druckver

hältnis ausgeschoben wird, nimmt die die Turpine beaufschlagende Strömungsmenge zu.

Fig, 7 zeigt eine zweite Ausführung der Erfindung. Bei dieser

Ausführung ist der Schaft 10 im wesentlichen

achse des Turbinenlaufrades 22 angeordnet, diese Ausführung hat

die Vorteile, daß nur eine einzige Hülse 26 erforderlich ist

und daß der Schaft nur zu einem

parallel zur Drehgeringen Bruchteil den hei ssen

eintretenden Auspuffgasen ausgesetzt ist. Dije Wirkung dieser Anordnung ist identisch mit derjenigen nach jder erstfen Ausführung. I ' ! ■'■

Fig. 8 zeigt eine dritte Ausführung der Erfindung. Dabei ist der Schaft 10 unter einem Winkel geneigt zur! Drehachse des Turbinenlaufrades 22 angeordnet. Wiederum erfordertjdiese Anordnung nur eine einzige Hülse 26 zur Lagerung, und der {Schaft wird mit Aus-

nähme der Spitze hicht den Au Ausführung ist der Schaft 28

puffgasen ausgesetzt.

Fig. 9 zeigt eine! vierte Ausführung der Erfindung. Bei dieser

m Gegensatz zu den hin- und her

beweglichen Schafften der bisher behandelten Ausführungen drehbar angeordnet, lind die Spitzt ist durch eine geformte Nut 30

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ersetzt. Der Schärft 28 ist mijttels einer Betätigungsvorrichtung

drehbar, und die {Form der Nuti30 ist so gewählt, daß das Maß

der Ablenkung der} Auspuffgase¹ ähnlich wie bei den vorher be-

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handelten Ausführ'ungsformen verändert wird.

Mit den beschriebenen Vorrichtungen nach der Erfindung läßt sich eine beträchtliche Verbesserung sowohl hinsichtlich der Verlässlichkeit als, auch hinsichtlich der Einfachheit im Aufbau erzielen.

Leerseite

Claims

Ansprüche

./Vorrichtung zum Verändern des Leistungsveniögens eiiner Radial- ~^y turbine mit einem Spiralgehäuse! (12) und einem Turbinenlaufrad (22), das am abstromseitigen Enjde des Spiral gehäuses angeordnet . ist, g e k e η η ζ e i c h η e Jt durch

einen Schaft (10;28), der bezüglich des Spiralgehäuses (12) beweglich in diesem so angeordnet; ist, daß ein Abschnitt des Schafte, unmittelbar benachbart dem abstromseitigen Ende des Spiralgehäuse^ liegt; j j ' ,

einen geformten Bereich (20;30)| an dem genannten Abschnitt und

Mittel (24) zum Bewegen des .Schaftes (10;28! formte Bereich (20;30) wahlweise das im Sp^-Fluid bezüglich des Laufrades abhängig von tätigungsparameter ablenkt. j

derart, daß der geralgehäuse strömende einem gemessenen Be-
2. Vorrichtung nach Anspruch ,1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (10) hin- und herbeweglich ist und daß der geformte Bereich von einer geformten Spitze (20) an oinem Ende des Schaftes gebildet ist. i '

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3. Vorrichtung nach Anspruch daß der Schaft

(28) drehbar

I, dadurch gekennzeichnet, ist und daß der geformte Bereich von einer

Nut (30) im Schaft gebildet jisf..'"
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 j oder 2, dadurch gekennzeich ne· t,.daß der (Schaft (10) Sich durch das Spiral gehäuse (1?) im wesentlichen normal zur Drehachse des Turbinenlaufrades(2?) erstr (Fig. 3,4).
5. Vorrichtung nacji einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k en η ζ e i c! h η e ti, daß der Schaft (10;28) im wesentlichen-parallel

bezüglich der Drehachse des (Fig. 7,9). j

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6. Vorrichtung nacfi Anspruch 1

net, daß'der ichaft (10) achse des Turbinenlaufrades
7. Vorrichtung naen Anspruch 4,

Turninenlaufrades (22) angeordnet ist

oder 2, dadurch gekennzeich unter einem Winkel bezüglich der üroh-(22) geneigt ist (Fig. 8).

dadurch gekennzeichnet,

daß der Schaft (10) im Spi rail gehäuse mittels zweier getrennter Hülsen (14,16) gelagert ist(Figj. 3,4).
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 joder 2, dadurch gekennzeichn e t, daß der (Schaft (10;2J3) mittels einer einzigen Hülse (26) gelagert ist (FiI g. 7,8,9).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche. 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,! daß die Mittel zum Bewegen des Schaftes von einer Betätigungsvorrichtung^) gebildet a»ind, welche von einem ausgewählten. Betriebsjparameter gesteuert ist.