DE3833906A1

DE3833906A1 - Leistungsregelbarer abgasturbolader

Info

Publication number: DE3833906A1
Application number: DE3833906A
Authority: DE
Inventors: Haruyoshi Tsubouchi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-10-05
Filing date: 1988-10-05
Publication date: 1989-05-11
Also published as: KR890006962A; GB2210668A; JPH0192531A; GB8822330D0; US4894990A; GB2210668B; DE3833906C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen leistungsregelbaren Abgasturbolader, der einen Leistungsregelmechanismus zur Regelung der Ladedruckleistung entsprechend dem Motorbe triebszustand aufweist.

Gemäß US-PS 32 70 495 hat ein konventioneller leistungs regelbarer Abgasturbolader dieser Art ein Turbinengehäuse, das durch eine Innenwand in zwei Spiralräume unterteilt ist, und der Düsenabschnitt jedes Spiralraums öffnet sich gegenüber der Umfangsfläche einer Turbinenschaufel, wobei der erste Spiralraum direkt an einen Abgaskrümmer an schließt und der zweite Spiralraum über ein Regelventil mit dem Abgaskrümmer verbunden ist. Das Regelventil regelt die Leistung durch Schließen des Einlasses des zweiten Spiral raums bei niedrigem Abgasdurchsatz und öffnet den Einlaß des zweiten Spiralraums bei hohem Abgasdurchsatz.

Dieser bekannte Turbolader ist so ausgelegt, daß der Druck des mit hohem Durchsatz strömenden Abgases bei hoher Motor drehzahl verringerbar ist, indem der Querschnittsbereich eines Durchgangs in einem sogenannten offenen Spiralraum verringert wird, der direkt an einen Abgaskrümmer ange schlossen ist, so daß bei geringem Abgasdurchsatz und nied riger Motordrehzahl ein Ladedruck sichergestellt ist, wäh rend der Querschnittsbereich eines Durchgangs in einem sogenannten geschlossenen Spiralraum möglichst groß gemacht wird. Dabei werden jedoch die Öffnungsquerschnitte der Düsenabschnitte der Spiralräume nicht berücksichtigt. Wenn der Öffnungsquerschnitt des Durchgangs im geschlossenen Spiralraum vergrößert wird, tritt in dessen Düsenabschnitt eine Drosselungserscheinung auf, wodurch der Turbinenwir kungsgrad ab- und der Abgasdruck zunimmt.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Auftreten einer Drosse lung in den Düsenabschnitten der Spiralräume zu verhindern und den Turbinenwirkungsgrad über einen weiten Bereich zwi schen niedrigem und hohem Abgasdurchsatz zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Düsenabschnitt eines offenen Spiralraums sich so öff net, daß er dem Umfangsteil einer Radialturbinenschaufel gegenübersteht, und der Düsenabschnitt eines geschlossenen Spiralraums dem rückwärtigen Abschnitt der Radialturbinen schaufel gegenübersteht.

Durch diese Konstruktion strömt das Abgas vom Umfangsteil der Turbinenschaufel nur bei niedrigem Abgasdurchsatz und strömt vom hinteren Abschnitt und vom Umfangsabschnitt der Turbinenschaufel bei hohem Abgasdurchsatz. Daher können die Öffnungsquerschnitte der Düsenabschnitte jeweils unabhängig auf Werte eingestellt werden, die an die von den jeweiligen Spiralräumen benötigten Charakteristiken angepaßt sind. Dadurch kann auch der Öffnungsquerschnitt des Düsenab schnitts des geschlossenen Spiralraums ausreichend groß eingestellt werden. Infolgedessen tritt keine Drosselung auf, und der Turbinenwirkungsgrad wird verbessert.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 2 eine Grafik, die die Leistungsfähigkeit des Turboladers nach der Erfindung mit derjenigen eines bekannten Abgasturboladers vergleicht.

Nach Fig. 1 umfaßt der leistungsregelbare Abgasturbolader eine Radialturbine 1 und einen Verdichter 2, die auf der selben Welle (nicht gezeigt) angeordnet sind. Der Verdich ter 2 wird von der Radialturbine 1 angetrieben. Die Radial turbine 1 hat ein Turbinenrad 3 mit mehreren Turbinenschau feln 4 und ist drehbar in einem Lagergehäuse 5, in dem ein Lager zur Aufnahme einer Welle des Turbinenrads 3 angeord net ist, und in einem Gehäuse 6, in dem das Turbinenrad 3 aufgenommen ist, gelagert. Das Gehäuse 6 umfaßt einen Spi ralteil 7, der mit einem Abgaskrümmer 8 eines Motors 9 in Verbindung steht, und eine Trennwand 10, die das Innere des Spiralteils 7 in zwei Räume unterteilt, und zwar in einen offenen Spiralraum 11 und einen geschlossenen Spiralraum 12. Der offene Spiralraum 11 hat einen Düsenabschnitt 13 mit einer ringförmigen Öffnung, deren eines Ende direkt mit dem Abgaskrümmer 8 verbunden ist und deren anderes Ende sich so öffnet, daß es dem Umfangsteil der Turbinenschaufel 4 gegenübersteht, und der geschlossene Spiralraum 12 hat eine ringförmige Öffnung 14. Zwischen der ringförmigen Öff nung 14 und einer Rückseite der Turbinenschaufeln 4 ist ein Düsenabschnitt 15 gebildet, dessen eines Ende über ein Umsteuerventil 16 mit dem Abgaskrümmer 8 verbunden ist und dessen anderes Ende sich so öffnet, daß es der Rückseite der Turbinenschaufel 4 gegenübersteht.

Der Düsenabschnitt 15 umfaßt einen Außenring 17, einen Innenring 18 und mehrere dazwischen angeordnete ortsfeste Leitschaufeln 19.

Das aus dem Motor 9 austretende Hochtemperatur-Abgas wird im Abgaskrümmer 8 gesammelt und in einen Einlauf 20 der Turbine 1 eingeleitet. Wenn der Motor 9 mit niedriger Dreh zahl umläuft, wobei die Abgasdurchflußmenge bzw. der Abgas durchsatz niedrig ist, ist das Umsteuerventil 16 durch eine Stelleinheit 21 geschlossen, und das Abgas wird vollständig in den offenen Spiralraum 11 eingeleitet. Das resultierende Abgas wird vom Umfang der Turbinenschaufel 4 durch den Düsenabschnitt 13 zur Schaufelmitte zwangsgeführt und strömt in eine Austragöffnung 22 aus.

In einem Zwischendrehzahlbereich des Motors 9 wird das Umsteuerventil 16 allmählich durch die Stelleinheit 21 geöffnet. Wenn das Umsteuerventil 16 geöffnet wird, strömt ein Teil des Abgases in den geschlossenen Spiralraum 12 und wird von der Rückfläche der Radialturbinenschaufel 4 zu deren Mitte zwangsgeführt, während das Abgas durch die ortsfesten Leitschaufeln 19 im Düsenabschnitt 15 geführt wird, wonach das Abgas zur Austragöffnung 22 strömt. Infol gedessen erhöht sich die Drehzahl der Turbinenschaufel 4, so daß die Drehzahl des Verdichters 2 ansteigt, wodurch der Ladedruck erhöht wird. Im Hochdrehzahlbereich des Motors 9 ist das Umsteuerventil 16 durch die Stelleinheit 21 voll ständig geöffnet, und der größere Teil des Abgases strömt von der Rückfläche der Turbinenschaufel 4 durch den Düsen abschnitt 15 zur Austragöffnung 22.

Der Öffnungsquerschnitt des Düsenabschnitts 13 des offenen Spiralraums 11 und die Breite des Abschnitts der Turbinen schaufel 4, der dem Düsenabschnitt 13 gegenübersteht, kön nen entsprechend dem Durchsatz des Abgases während des Niedrigdrehzahlbetriebs des Motors 9 ausreichend verringert werden. Dadurch kann der Turbinen-Wirkungsgrad im Niedrig drehzahlbereich stark verbessert werden, wie Fig. 2 zeigt.

Der Öffnungsquerschnitt des Düsenabschnitts 15 des ge schlossenen Spiralraums 12 kann innerhalb des Bereichs der diametralen Größe der Rückfläche der Turbinenschaufel 4 ausreichend groß gemacht werden, und zwar vollständig unab hängig von der Breite des Abschnitts der Turbinenschaufel 4, der dem Düsenabschnitt 13 des offenen Spiralraums 11 gegenübersteht. Selbst wenn also der Abgasdurchsatz sehr hoch wird, kann der Druck am Einlauf 20 der Turbine 1 auf einen Niedrigpegel eingestellt werden, so daß im Düsenab schnitt keine Drosselerscheinung auftritt. Daher kann ein Absinken des Turbinen-Wirkungsgrads im Hochdurchsatzbereich minimiert werden.

Der die ortsfeste Leitschaufel 19 aufweisende Düsenab schnitt 15 des geschlossenen Spiralraums 12 ist einteilig mit dem Außenumfang des zentralen Endes des Innenrings 18 ausgeführt, der aus einem Hitzeschutzelement besteht, das zwischen einem zentralen Gehäuse 23 und dem Turbinengehäuse 6 von einer Halteplatte 24 derart gehalten ist, daß ein Teil des Hitzeschutzelements 18 einen Teil des Spiralteils 7 bildet. Der Düsenabschnitt 15 und das Hitzschutzelement 18 können auch gesondert gebildet sein, wobei die Leit schaufel 19 von der Halteplatte 24 und dem Hitzeschutz element 18 gehalten ist.

Es kann auch nur die Leitschaufel 19 gesondert geformt und mit dem Innenumfang der Trennwand 10 verschweißt sein.

Das Lagergehäuse 5 ist am Turbinengehäuse durch die Halte platte 24 so befestigt, daß das Turbinenrad 3 drehbar vom Turbinengehäuse 6 abgestützt ist.

Wie Fig. 1 zeigt, ist die Richtung, in die die Leitschaufel 19 gekrümmt ist, entgegengesetzt der Krümmungsrichtung der Turbinenschaufel 4. Somit wird das von der Leitschaufel abströmende Abgas zu einem unteren Abschnitt 4 a der ge krümmten Fläche der Turbinenschaufel 4 zwangsgeführt, so daß die Arbeitskraft verlustfrei auf die Turbine 1 über tragbar ist. Auch dies trägt zur Verbesserung des Turbinen- Wirkungsgrads bei.

Es können auch Bypaßkanäle vorgesehen werden, die das Abgas aus den Zwischenabschnitten des offenen und des geschlos senen Spiralraums 11, 12 direkt zur Austragöffnung 22 för dern, ohne daß das Abgas zur Turbinenschaufel 4 strömen muß, wodurch ein Teil des Abgases, das zur Turbinenschaufel 4 strömt, wenn die Abgasdurchflußmenge so hoch ist, daß das Auftreten einer Drosselung bewirkt werden könnte, zur Aus tragöffnung 22 umgeleitet wird; dabei wird der Bypaßkanal durch ein Absperrorgan geregelt. In diesem Fall kann ein Gesamtladedruck höher eingestellt werden.

Gemäß der Erfindung ist der Düsenabschnitt des geschlos senen Spiralraums an der Rückfläche der Turbinenschaufel ausgebildet, so daß der Öffnungsquerschnitt des Düsenab schnitts, in den das Abgas strömt, groß eingestellt werden kann. Daher können eine Drosselung, die möglicherweise bei hohem Abgasdurchsatz auftreten kann, und somit ein Absinken des Turbinen-Wirkungsgrads verhindert werden.

Claims

1. Leistungsregelbarer Abgasturbolader mit einer Radial turbine (1) und einem Verdichter (2), die auf derselben Welle montiert sind, und mit einer in einem Turbinengehäuse vorgesehenen Trennwand (10), die das Innere eines Spiral teils (7) des Gehäuses in zwei Spiralräume (11, 12) unter teilt, deren einer direkt mit einem Abgaskrümmer unter Bildung eines offenen Spiralraums (11) verbunden ist und deren anderer mit dem Abgaskrümmer über ein Umsteuerventil (16) unter Bildung eines geschlossenen Spiralraums (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Düsenabschnitt (13) des offenen Spiralraums (11) sich gegenüber dem Umfangsteil einer Turbinenschaufel (4) der Radialturbine (1) öffnet und daß ein Düsenabschnitt (15) des geschlossenen Spiralraums (12) sich gegenüber dem rückwärtigen Abschnitt der Turbinenschaufel (4) öffnet.

2. Leistungsregelbarer Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Düsenabschnitt (15) des geschlossenen Spiral raums (12) eine Leitschaufel (19) angeordnet ist.

3. Leistungsregelbarer Abgasturbolader mit einem Verdichter (2) und einer mit diesem in Antriebsverbindung stehenden Radialturbine (1), die ein Turbinenrad (3) mit Turbinen schaufeln (4) aufweist, und mit einem Gehäuse (6), in dem das Turbinenrad eingeschlossen ist und das einen Spiralteil (7) sowie eine Trennwand (10) umfaßt, die das Innere des Spiralteils in einen ersten und einen zweiten Spiralraum (11, 12) unterteilt, deren jeder eine ringförmige Öffnung hat, wobei der erste Spiralraum (11) mit einem Abgaskrümmer (8) eines Motors (9) und der zweite Spiralraum (12) über ein Umsteuerventil (16) mit dem Abgaskrümmer (8) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Öffnung des ersten Spiralraums (11) sich auf einen Umfangsabschnitt des Turbinenrads (3) derart öffnet, daß Abgas radial und nach innen in die Turbinen schaufeln (4) eingeleitet wird, und daß die ringförmige Öffnung (14) des zweiten Spiralraums (12) sich zu hinteren Abschnitten der Turbinenschaufeln (4) des Turbinenrads (3) derart öffnet, daß Abgas in die Turbinenschaufeln (4) im wesentlichen in Axialrichtung eingeleitet wird.

4. Leistungsregelbarer Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ringförmigen Öffnung (14) des zweiten Spiralraums (12) und dem hinteren Abschnitt des Turbinen rads (3) ein Düsenabschnitt (15) mit einer Mehrzahl Gas durchlässen zum Einleiten des Abgases aus der ringförmigen Öffnung in das Turbinenrad (3) vorgesehen ist.

5. Leistungsregelbarer Abgasturbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenabschnitt (15) einen Außenring (17), einen Innenring (18) und mehrere Leitschaufeln (19) zwischen dem Innen- und dem Außenring unter Bildung der mehreren Gas durchlässe umfaßt.

6. Leistungsregelbarer Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenring (18) ein Hitzeschutzelement ist, das am inneren Gehäuse befestigt ist und einen Teil des Spiral teils (7) bildet.