DE3631130A1

DE3631130A1 - Abgasgetriebener zweikanal-turbolader

Info

Publication number: DE3631130A1
Application number: DE19863631130
Authority: DE
Inventors: Saburo Usami; Kyoichi Uchiyama; Satoshi Suzuki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-09-18
Filing date: 1986-09-12
Publication date: 1987-03-26
Also published as: DE3631130C2; FR2587411A1; US4875837A; JPS6267237A; JPH0459450B2

Description

Die Erfindung betrifft einen abgasgetriebenen Zweikanal- Turbolader, insbesondere einen Zweikanal-Turbolader, der geeignet ist, Schäden an einer Trennwand durch thermische Ermüdungserscheinungen zu verhindern.

Abgasgetriebene Zweikanal-Turbolader werden zur Verbesserung der Aufladung bei niedrigen Drehzahlen eines Motors einge setzt. Dabei werden Abgasimpulse benutzt oder verengte Strö mungskanäle, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des Gases zunimmt. In einem Turbolader solcher Art ist ein Spiral gehäuse radial durch eine Trennwand aus einer ringförmigen Scheibe geteilt, so daß diese Kanäle in dem durch die in neren Oberflächen des Spiralgehäuses definierten Innenraum unabhängig voneinander sind. Im Gehäuse befindet sich ein Radialturbinenrad, und der Motor wird von einem mit dem Turbinenrad verbundenem Verdichter aufgeladen. Ein Strö mungskanal-Öffnungs- und Schließventil ist vorgesehen, das bei niedrigen Motordrehzahlen geschlossen ist, um mittels der engen Kanäle die Strömungsgeschwindigkeit des Gases zu erhöhen. Ist der Turbolader dieses Aufbaus in Betrieb, nimmt die Trennwand aufgrund der hohen Temperatur des Abgases eine höhere Temperatur an als die anderen Teile des Turboladers, so daß der Turbolader kompressiv-plastisch verformt wird. Ist der Turbolader nicht in Betrieb, vergleichmäßigt sich die Temperatur aller seiner Teile wieder, so daß Zugspan nungen auftreten. Wird der Turbolader oft in Betrieb ge nommen und wieder gestoppt, treten aufgrund thermischer Ermüdungserscheinungen Risse und Brüche in der Trennwand auf, besonders wenn der Turbolader plötzlich mit Abgas hoher Temperatur gestartet wird. Diese thermische Beanspruchung tritt wegen des Unterschiedes in den Temperaturen der Trenn wand und der Außenfläche des Gehäuses, an dem die Trennwand befestigt ist, auf. Des Problem der thermischen Ermüdungs risse in der Trennwand wurde jedoch bisher wenig erkannt. Die Technik der Turbolader dieser Art ist beispielsweise in der US-PS 36 14 259 beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Turbolader zu schaffen, bei dem das Auftreten thermischer Ermüdungsschäden an der Trennwand durch Vermindern des Temperaturunterschiedes zwischen der Trennwand und der Außenfläche des Gehäuses, an dem die Trennwand befestigt ist, verhindert wird.

Nach einer ersten erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird die vorstehende Aufgabe durch einen abgasgetriebenen Zweikanal- Turbolader gelöst, bei dem die Außenfläche des Gehäuseab schnitts, an dem die Trennwand befestigt ist, mit einem wärmeisolierenden Material abgedeckt ist. Damit wird ein Ansteigen der Temperatur dieses Gehäuseabschnitts gefördert und damit der Temperaturunterschied zwischen dem Gehäuse und der Trennwand vermindert, wodurch die durch die thermische Spannung auftretenden Ermüdungserscheinungen in der Trenn wand verhindert werden können.

Gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird die obenstehende Aufgabe durch einen abgasgetriebenen Zweikanal- Turbolader gelöst, bei dem ein freies Ende der Trennwand mit einem wärmeisolierenden Material bedeckt ist. Damit wird ein Ansteigen der Temperatur des freien Endes der Trennwand unterdrückt und dadurch der Temperaturunterschied zwischen dem Gehäuse und der Trennwand vermindert, wodurch die durch die thermische Spannung auftretenden Ermüdungserscheinungen in der Trennwand verhindert werden können.

Gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird die obige Aufgabe durch einen abgasgetriebenen Zweikanal-Turbo lader gelöst, bei dem eine Durchgangsbohrung in dem Gehäuse abschnitt, an dem die Trennwand befestigt ist, angeordnet ist. In die Durchgangsbohrung wird das heiße Abgas einge leitet und damit der Unterschied in den Temperaturen des Ge häuses und der Trennwand verringert, wodurch die durch die thermische Spannung auftretenden Ermüdungserscheinungen in der Trennwand verhindert werden können.

Gemäß einer vierten erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird die obige Aufgabe durch einen abgasgetriebenen Zweikanal-Turbo lader gelöst, bei dem die Dicke eines Fußteiles der Trenn wand kleiner ist als die Dicke des freien Endes davon. Damit wird der Temperaturunterschied zwischen dem Gehäuse und der Trennwand vermindert, wodurch das Auftreten der durch die thermische Spannung verursachten Ermüdungserscheinungen in der Trennwand verhindert werden kann.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Turboladers werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine den allgemeinen Aufbau eines erfindungsgemäßen abgasgetriebenen Zweikanal-Turboladers darstellende Ansicht, teilweise im Schnitt;

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teiles des Turboladers der Fig. 1;

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teiles einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboladers;

Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teiles einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboladers;

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht eines wesentliches Teiles einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboladers;

Fig. 6 eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teiles einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboladers;

Fig. 7 eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teiles einer sechsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboladers; und

Fig. 8 eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teiles einer siebten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboladers.

Der Innenraum eines Turbinengehäuses 1 aus hochfestem Nickel-Austenit-Gußeisen (dessen Radius des Teils mit dem größten Außendurchmesser etwa 130 mm beträgt) ist radial durch eine Trennwand 2 geteilt, die aus einer an der Innenfläche des Spiralteiles des Gehäuses 1 befestigten ringförmigen Scheibe besteht. Ein enger Strömungskanal 3 und ein Kanal 4, der weiter ist als der Kanal 3, sind durch die Trennwand 2 voneinander getrennte Gaskanäle, die unabhängig voneinander sind. Zum Öffnen und Schließen des engen Strö mungskanals 3 und des weiten Strömungskanals 4 ist ein Ventil 5 vorgesehen. Wenn der Motor mit niedrigen Drehzahlen dreht, ist das Ventil 5 geschlossen, so daß das Gas nur durch den engen Strömungskanal fließen kann und die Strö mungsgeschwindigkeit des in diesem Strömungskanal fließenden Gases ansteigt. Das Gehäuse 1 ist mit einem Radialturbinen rad 6 versehen, das durch den Gasstrom in Drehung versetzt wird. Mit dem Turbinenrad 6 ist über eine Welle 7 ein Ver dichter 8 verbunden, der einen Verbrennungsmotor mit einem Gas (zum Beispiel Luft) auflädt. Ein wärmeisolierendes Material 9 ist am Gehäuse 1 so befestigt, daß es sich längs dessen Außenfläche 10 mit einem geringen Abstand zwischen dem wärmeisolierenden Material 9 und der Außenfläche 10 des Gehäuses 1 erstreckt. Das wärmeisolierende Material 9 verhindert das Abstrahlen der Wärme von der Außenfläche 10 des Gehäuses 1 und somit ein Abnehmen der Temperatur der Außenfläche 10. Diese Ausführungsform wird mit Bezug auf die Fig. 2, die eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teiles davon ist, genauer beschrieben. Das wärmeisolierende Material 9 wird durch ein von einem Blech 9 a gehaltenes hitzebeständiges Fasermaterial von 30 mm Breite und 4 mm Dicke gebildet, das an einem Verbrennungsmotor so befestigt ist, daß sich ein geringer Abstand zwischen dem wärme isolierenden Material 9 und dem Gehäuse 1 ergibt.

Wenn der beschriebene Turbolader in einem Verbrennungsmotor für Kraftfahrzeuge installiert ist, so beträgt bei Abgastem peraturen bis 900° C der Temperaturunterschied zwischen dem freien Ende der Trennwand 2 und der Außenfläche 10 des Ge häuseabschnittes 1, an dem die Trennwand befestigt ist, 85°C. Dies ist etwa die Hälfte des entsprechenden Tem peraturunterschiedes von 180° C, der festgestellt wird, wenn der erwähnte Abschnitt des Gehäuses 1 nicht mit dem wärme isolierenden Material 9 abgedeckt ist. Darüberhinaus wird auch dann kein Schaden an der Trennwand 2 festgestellt, wenn das Betreiben des Motors und Stoppen des Motors 10⁴ mal wiederholt werden. Ist jedoch das Gehäuse 1 nicht mit dem wärmeisolierendem Material abgedeckt und wird das Betreiben und Stoppen des gleichen Motors in der erwähnten Art nur 230 mal wiederholt, treten bereits feine thermische Ermüdungs risse in der äußeren Oberfläche der Trennwand 2 auf.

Die Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform. In dieser Aus führungsform ist ein wärmeisolierendes Material 11, das aus einer Wärmeschutzbeschichtung besteht, die durch Aufbringen von Zirkondioxid mittels Niederdruckplasma gebildet wird, an der Außenfläche 10 des Abschnitts des Gehäuses 1, an dem die Trennwand befestigt ist, angebracht, wobei sich das wärme isolierende Material 11 von einem Spiralanfangspunkt am Ge häuse 1 zu einem daran um 120° davon entfernten Punkt er streckt, an dem die Höhe der Trennwand 2 nicht mehr als drei mal so groß ist als ihre Dicke und an dem der Wert der ther mischen Spannung klein ist. Die Breite des wärmeisolierenden Materials 11 beträgt 20 mm, das ist dreimal so groß als die Dicke der Trennwand 2, und die Dicke davon 0,3 mm. Diese Maße sind so gewählt, daß die Temperatur der Außenfläche 10 nicht übermäßig ansteigt. Diese Ausführungsform hat einen einfachen Aufbau und kann die thermische Belastung der Trennwand vermindern.

Die Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform. Das Gehäuse 1 hat vom Spiralanfangspunkt bis zu einem davon 120° ent fernten Punkt einen herzförmigen Querschnitt mit einer Ver tiefung 12 in der Außenfläche 10 des Abschnitts des Gehäuses 1, an dem die Trennwand 2 befestigt ist. Diese Vertiefung 12 ist mit dem wärmeisolierenden Material 9 aus hitzebestän diger Faser gefüllt, wobei die äußere periphere Oberfläche des wärmeisolierenden Materials 9 von einem konvexen Blech 9 a gehalten wird, das an der Außenfläche des Gehäuses 1 Widerstands-angeschweißt ist und Lüftungsöffnungen aufweist. Bei diesem Aufbau steigt die Temperatur des Abschnittes des Gehäuses 1, an dem die Trennwand 2 befestigt ist, an und die Vertiefung 12 kann als der Raum verwendet werden, in dem das wärmeisolierende Material untergebracht wird, wodurch das Gehäuse 1 kompakt ausgestaltet werden kann.

Die Fig. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform des erfindungs gemäßen Turboladers. Nachdem das Gehäuse 1 gegossen worden ist, wird ein Abschnitt eines freien Endes 13 der Trennwand 2 grundiert. Ein Fußteil 14 der Trennwand 2 wird mit einem verbindungsverhinderndem Mittel aus Graphitpulver beschich tet. Ein Zirkondioxidpulver wird dann auf die äußere Ober fläche der Trennwand 2 mit Plasma flammgespritzt, wodurch eine wärmeisolierende Schicht 11 aus einem Wärmeschutzbelag von etwa 0,3 mm Dicke gebildet wird.

Wird ein Verbrennungsmotor für Kraftfahrzeuge mit dem oben beschriebenen Turbolader gestartet und heißes Abgas in die Strömungskanäle 3, 4 eingeführt, dann kommen beide Ober flächen der Trennwand 2 mit dem heißen Abgas in Kontakt. Ein plötzlicher Anstieg der Temperatur der Trennwand 2 wird je doch verhindert, da sich die wärmeisolierende Schicht 11 an deren freien Ende befindet. Andererseits wird das Ansteigen der Temperatur des dicken Fußteiles 14 der Trennwand 2 und der lnnenfläche des Gehäuses 1, die dem heißem Gas ausge setzt sind, gefördert. Im Ergebnis ist der Unterschied zwischen den Temperaturen des freien Endes der Trennwand 2 und der Außenfläche 10 des Abschnittes des Gehäuses 1, an dem die Trennwand 2 befestigt ist, gering, so daß der Wert der thermischen Spannung, die in der Trennwand 2 auftritt, ebenfalls gering ist. Das kann das Auftreten von thermischen Rissen in der Trennwand 2 verhindern.

Die Fig. 6 zeigt eine fünfte Ausführungsform des erfindungs gemäßen Turboladers. Eine in Umfangsrichtung gekrümmte Ver tiefung 12 ist an der Außenfläche 10 des Abschnittes des Gehäuses 1, an dem die Trennwand 2 befestigt ist, ausge bildet. Die äußere Oberfläche dieser Vertiefung 12 ist mit einem wärmeisolierendem Material 2 bedeckt, das aus einer hitzeabschirmenden Beschichtung besteht, die durch Auf sprühen von Zirkondioxidpulver mittels Plasma auf der Ober fläche der Vertiefung 12 ausgebildet wird. In der Aus führungsform mit diesem Aufbau wird das Ansteigen der Temperatur der Außenfläche 10 des Abschnittes des Gehäuses, an dem die Trennwand 2 befestigt ist, gefördert, und der Wert der im freien Ende der Trennwand 2 auftretenden thermischen Spannung nimmt ab.

Um einen hohen Temperatur-vereinheitlichenden Effekt bei diesen Ausführungsformen zu erhalten, wird vorzugsweise die Breite der sich radial erstreckenden, exponierten Oberfläche des Fußteiles 14 der Trennwand 2 im wesentlichen gleich der Dicke der Trennwand 2 gewählt, und die Breite des wärmeiso lierenden Materials 11 auf der Oberfläche der Vertiefung 12 im wesentlichen dreimal so groß als die Dicke des Gehäuses.

Die Fig. 7 zeigt eine sechste Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Turboladers. Beim Gießen des Gehäuses 1 wird ein Gußkern an der Stelle des Gehäuses 1 angeordnet, an der Gehäuse 1 und Trennwand 2 zusammenstoßen, um eine Durch gangsbohrung 17 in dem Abschnitt des Gehäuses zu bilden, an dem die Trennwand 2 befestigt ist. Die Durchgangsbohrung 17 öffnet sich in einen Gaseinlaßabschnitt 15 und einen rück wärtigen Abschnitt 16 des Spiralteiles des Gehäuses 1. Nach dem Gießen wird der Kernsand aus der Durchgangsöffnung 17 entfernt. Die Durchgangsbohrung 17 ist mit dem Strömungs kanal 3 verbunden, der immer mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist.

In dieser Ausführungsform strömt das heiße Abgas durch den Strömungskanal 3 (und den Strömungskanal 4) und die Durch gangsbohrung 17 und heizt die Oberfläche des Gehäuses 1, die mit dem Gas in Berührung kommt, auf. Insbesondere ist die Durchgangsbohrung 17 am ganzen Umfang des Abschnittes des Gehäuses 1, an dem die Trennwand befestigt ist, angeordnet, so daß die Heizwirkung hoch ist. Der erwähnte Abschnitt des Gehäuses kann nämlich einfach dadurch aufgeheizt werden, daß ein Abgas mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit in einen Strömungskanal mit kleinem Durchmesser eingeleitet wird. Dadurch kann der Unterschied zwischen den Temperaturen des Abschnittes des Gehäuses, an dem die Trennwand befestigt ist, und des freien Endes der Trennwand 2 verringert werden.

Die Fig. 8 zeigt eine siebte Ausführungsform des erfindungs gemäßen Turboladers. Der Fußteil 14 der Trennwand 2 ist an seinen beiden Seitenflächen ausgeschnitten, so daß die Dicke des Abschnittes des Gehäuses 1 zwischen dem Spiralanfangs punkt und einem davon etwa 180° enfernten Punkt verringert ist. Der Abschnitt des Gehäuses 1, an dem die Trennwand befestigt ist, ist mit einer Vertiefung 12 versehen, die sich zwischen dem Spiralanfangspunkt und einem davon etwa 180° entfernten Punkt erstreckt und dadurch die Dicke des entsprechenden Abschnittes des Gehäuses 1 verringert. Aufgrund dieses Aufbaus steigt die Temperatur des freien Endes der Trennwand 2 schnell an, wenn sie von einem Abgas aufgeheizt wird. Andererseits haben der Fußteil 14 und der Abschnitt des Gehäuses 1 an der Außenfläche, an dem sich die Vertiefung 14 befindet, eine geringe Dicke, weshalb die Temperatur dieser Teile im wesentlichen genau so schnell ansteigt wie die des freien Endes der Trennwand 2. Dies ermöglicht es, das Auftreten thermischer Spannungen in der Trennwand 2 zu vermindern. In der Ausführungsform mit diesem Aufbau ist eine Wärmeschutzbeschichtung nicht erforderlich.

Um die Verteilung der Temperatur am freien Ende und am Fuß teil 14 der Trennwand 2 während des Aufladebetriebs zu ver gleichmäßigen, ist vorzugsweise die Dicke des Abschnitts des Fußteils 14, dessen Länge im wesentlichen in einem der Dicke entsprechenden Bereich liegt, nicht größer als etwa die Hälfte der Dicke des freien Endes.

Claims

1.Abgasgetriebener Zweikanal-Turbolader, bei dem ein Spiralteil eines Turbinengehäuses (1), in das ein heißes Abgas strömt, radial durch eine ringförmige Trennwand (2) zur Bildung zweier Kanäle (3,4) geteilt ist, und bei dem ein Radialturbinenrad (6) angetrieben und von einem mit dem Turbinenrad (6) verbundenem Verdichter (8) eine Auf ladung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche (10) des Abschnittes des Gehäuses (1), an dem die Trennwand (2) angebracht ist, mit einem wärme isolierenden Material (9) abgedeckt ist.

2. Zweikanal-Turbolader nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Vertiefung (12) in der Außenfläche (10) des Abschnittes des Gehäuses (1), an dem die Trennwand (2) angebracht ist, ausgebildet ist, wobei sich die Vertiefung (12) in der Umfangsrichtung des Gehäuses (1) erstreckt und das wärmeisolierende Material (9) in der Vertiefung (12) angebracht ist.

3. Abgasgetriebener Zweikanal-Turbolader, bei dem ein Spiralteil eines Turbinengehäuses (1), in das ein heißes Abgas strömt, radial durch eine ringförmige Trennwand (2) zur Bildung zweier Kanäle (3,4) geteilt ist, und bei dem ein Radialturbinenrad (6) angetrieben und von einem mit dem Turbinenrad (6) verbundenem Verdichter (8) eine Auf ladung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht eines Wärmeschutzbelags (11) an der Ober fläche eines freien Endes (13) der Trennwand (2) ausge bildet ist.

4. Zweikanal-Turbolader nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schicht des Wärme schutzbelags (11) an der Außenfläche (10) des Abschnittes des Gehäuses (1) ausgebildet ist, an dem die Trennwand (2) angeordnet ist.

5. Abgasgetriebener Zweikanal-Turbolader, bei dem ein Spiralteil eines Turbinengehäuses (1), in das ein heißes Abgas strömt, radial durch eine ringförmige Trennwand (2) zur Bildung zweier Kanäle (3,4) geteilt ist, und bei dem ein Radialturbinenrad (6) angetrieben und von einem mit dem Turbinenrad (6) verbundenem Verdichter (8) eine Auf ladung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Durchgangsbohrung (17), die sich in einen Gaseinlaß abschnitt (15) und einen rückwärtigen Abschnitt (16) des Spiralteiles öffnet, an einer Verbindungsstelle des Ge häuses (1) und der Trennwand (2) ausgebildet ist, wobei sich die Durchgangsbohrung (17) in der Umfangsrichtung des Gehäuses (1) erstreckt und das heiße Abgas in eine Einlaßöffnung der Durchgangsbohrung (17) eingeleitet ist.

6. Abgasgetriebener Zweikanal-Turbolader, bei dem ein Spiralteil eines Turbinengehäuses (1), in das ein heißes Abgas strömt, radial durch eine ringförmige Trennwand (2) zur Bildung zweier Kanäle (3,4) geteilt ist, und bei dem ein Radialturbinenrad (6) angetrieben und von einem mit dem Turbinenrad (6) verbundenem Verdichter (8) eine Auf ladung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Fußteiles (14) der Trennwand (2) kleiner ist als die Dicke des freien Endes (13) der Trennwand (2).

7. Zweikanal-Turbolader nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Dicke des Fußteiles (14) weniger als die Hälfte der Dicke des freien Endes (13) beträgt.