DE4204019A1

DE4204019A1 - IC engine controlled exhaust gas turbocharger - uses sliding sleeves to control gas flow through delivery ducts

Info

Publication number: DE4204019A1
Application number: DE19924204019
Authority: DE
Inventors: Siegfried Sumser; Klaus Dipl Ing Wunderlich; Helmut Dipl Ing Burger; Franz-Josef Dipl Ing Meyer; Holger Dipl Ing Koegl; Herbert Dipl Ing Schillings; Hubert Kovacic; Winfried Sommerer; Karl-Heinz Dipl Ing Scholz; Horst Dipl Ing Hanauer; Friedrich W Ing Grad Hase
Original assignee: Daimler Benz AG; Mercedes Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1992-02-12
Filing date: 1992-02-12
Publication date: 1993-05-27

Abstract

The gas turbocharger turbine has a bladeless guide system, consisting of a number of independent flow ducts extending over the entire turbine wheel circumference. These deliver exhaust gas to the turbine blades. The flow control of the ducts (4, 5) is achieved by the movement of closable sliding sleeves (6) over the outlet openings around the turbine wheel (2). ADVANTAGE - Prevention of swirling flow at duct outlet cross sections.

Description

Die Erfindung betrifft eine gesteuerte Abgasturboladerturbine für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Patent anspruchs 1.The invention relates to a controlled exhaust gas turbocharger turbine for an internal combustion engine according to the preamble of the patent claim 1.

Eine derartige Abgasturbine ist aus DE 29 34 041 C2 bekannt.Such an exhaust gas turbine is known from DE 29 34 041 C2.

Nachteilig bei jener Turbine ist insbesonders, daß die Durch flußsteuerung dort an der Zuströmseite der Abgaszuführkanäle erfolgt. Dadurch kann es an den zum Turbinenrad offenen Aus trittsquerschnitten zuströmseitig verschlossener Kanäle an den dortigen Querschnittsrändern zu Verwirbelungen durch aus durchströmten Nachbarkanälen rückströmendes Gas kommen. Dies ist gleichbedeutend mit einem Leistungsverlust der Abgastur bine.A particular disadvantage of that turbine is that the through flow control there on the inflow side of the exhaust gas supply channels he follows. This can cause it to open at the turbine wheel tread cross-sections of channels closed on the inflow side at the cross-sectional edges there to swirl through gas flowing back through adjacent channels. This is synonymous with a loss of performance of the exhaust gas bine.

Ähnliche Verhältnisse liegen bei der aus JP 58-172 427 A be kannten Abgasturbine vor.Similar relationships are found in JP 58-172 427 A knew exhaust gas turbine before.

Hier eine Verbesserung zu schaffen, ist das Problem, mit dem sich die Erfindung unter Berücksichtigung der aus DE 37 34 386 C2 bei einer Abgasturbine bekannten Kanaldurchflußsteuerung beschäftigt.Creating an improvement here is the problem with the invention taking into account the from DE 37 34 386 C2 in an exhaust gas turbine known channel flow control employed.

Bei der zuletzt genannten Einrichtung sind zwei sich jeweils über den gesamten Turbinenradumfang erstreckende Abgaszuführ kanäle vorhanden, von denen einer das Turbinenrad stirnseitig und der andere dieses umfangsmäßig radial beaufschlagt. Der umfangsmäßig radial austretende Kanal ist an seinem Austritts querschnitt über eine in Turbinenradachse bewegbare Verschie be-Hülse durchflußsteuerbar, wobei der Durchfluß durch voll ständiges Verschließen der Austrittsöffnung bis auf Null redu zierbar ist.In the latter facility, there are two each Exhaust gas supply extending over the entire circumference of the turbine wheel channels available, one of which faces the turbine wheel and the other applies this radially to the circumference. The circumferentially radially emerging channel is at its outlet cross section over a movable in the turbine wheel axis be sleeve flow controllable, the flow through full constant closing of the outlet opening to zero redu is decoratable.

Die Kanalsteuerung wird dort im einzelnen wie folgt betrieben:The channel control is operated there as follows:

Im Zustand einer Beschleunigung, d. h. steigende Motorlast bei ansteigendem Ladedruck, wird der in Umfangsrichtung des Turbi nenrades radial einmündende Kanal (sogenannter Hauptkanal) der den Hauptabgasstrom führt, verschlossen. In diesem Zustand durchströmt das gesamte die Abgasturbine beaufschlagende Abgas den stirnseitig auf das Turbinenrad einmündenden Kanal, der deshalb als Beschleunigungskanal bezeichnet wird.In the state of acceleration, i.e. H. increasing engine load increasing boost pressure, the turbo in the circumferential direction nenrades radially opening channel (so-called main channel) which leads the main exhaust gas flow, closed. In this condition flows through the entire exhaust gas acting on the exhaust gas turbine the channel opening onto the front of the turbine wheel, the is therefore referred to as the acceleration channel.

Bei Vollast des Motors wird, um einen möglichst hohen Gesamt- Wirkungsgrad des Motor-Ladersystems zu erreichen, der gesamte Abgasmassenstrom von der Turbine des Laders aufgenommen. Hier zu ist ein genügend großer Spiralquerschnitt des Hauptkanals erforderlich. Deshalb ist bei diesem Zustand der Hauptkanal vollständig geöffnet. Dabei wird das Turbinenrad gleich zeitig durch Abgas aus dem Beschleunigungs- und dem Hauptkanal beaufschlagt.At full load of the engine, the highest possible overall To achieve efficiency of the engine charger system, the whole Exhaust gas mass flow absorbed by the turbine of the charger. Here is a sufficiently large spiral cross section of the main channel required. This is why the main channel is in this state fully open. The turbine wheel becomes the same in time through exhaust gas from the acceleration and main channels acted upon.

Im oberen Teillast- und Vollastbereich unterhalb der Nenndreh zahl des Verbrennungsmotors muß zur Aufrechterhaltung eines genügend hohen Ladedruckes der umfangsseitig radial auf das Turbinenrad endende Zuströmquerschnitt des Hauptkanals teil weise verschlossen sein. Durch das teilweise Verschließen (Androsseln) des Hauptkanals mit der in Turbinenradachse ver schiebbaren Hülse wird das Abgas in der Hauptkanal-Spirale aufgestaut, wodurch sich die Zuströmgeschwindigkeit auf das Turbinenrad erhöht.In the upper part load and full load range below the nominal turning number of the internal combustion engine must maintain a sufficiently high boost pressure radially on the circumference of the Turbine wheel ending inflow cross section of the main channel be wisely closed. By partially closing it (Throttling) of the main duct with the ver in the turbine wheel axis sliding sleeve, the exhaust gas in the main channel spiral dammed up, which affects the inflow rate on the Turbine wheel increased.

In dem zuletzt beschriebenen Betriebszustand, bei dem der Aus trittsquerschnitt des Hauptkanals teilweise verschlossen ist, liegt ein verminderter Turbinenwirkungsgrad vor. Der Grund hierfür sind Drosselverluste, die durch die die Austritts öffnung des Hauptkanals teilweise verschließende Hülse ver ursacht werden. Darüber hinaus ist auch das durch das Abgas an dem Turbinenrad erzeugte Geschwindigkeitsprofil diesem Be triebszustand nicht optimal angepaßt.In the last described operating state in which the off cross section of the main channel is partially closed, there is a reduced turbine efficiency. The reason for this are throttling losses caused by the exit Opening of the main channel partially closing sleeve ver be caused. In addition, this is also due to the exhaust gas the turbine wheel generated speed profile this Be drive state not optimally adapted.

Hiervon ausgehend bietet die Lehre nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 eine Lösung des bei dem Gegenstand der DE 29 34 041 C2 bestehenden eingangs geschilderten Problems.Proceeding from this, the teaching offers after the characteristic Part of claim 1 a solution to the subject of DE 29 34 041 C2 existing problem described above.

Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteran sprüche.Appropriate configurations are the subject of the Unteran claims.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist einschließlich eines Vergleiches mit dem vorbekannten Stand der Technik in der Zeichnung dargestellt.An embodiment of the invention is including one Comparison with the prior art in the Drawing shown.

Es zeigenShow it

Fig. 1a einen Axialschnitt durch eine Abgasturbine mit einer auf einen Teillastbetrieb ausgerichteten Kanalsteuerung, Fig. 1a shows an axial section through an exhaust gas turbine with an aligned to a partial-load operation control channel,

Fig. 1b das an dem Turbinenrad herrschende Geschwindigkeits profil bei einer Teillast nach Fig. 1a, FIG. 1b, the pressure prevailing at the turbine speed profile, at a partial load according to Fig. 1a

Fig. 2a eine vergleichende Darstellung der aus DE 37 34 386 C2 bekannten Abgasturbine in dem Betriebszustand nach Fig. 1a, Fig. 2a shows a comparative representation from DE 37 34 386 C2 known exhaust gas turbine in the operating state according to Fig. 1a,

Fig. 2b das Geschwindigkeitsprofil an dem Turbinenrad nach Fig. 2a. FIG. 2b shows the velocity profile of the turbine wheel according to Fig. 2a.

In dem Gehäuse 1 einer Abgasturbine mit einem Turbinenrad 2 sind insgesamt drei Spiral-Kanäle 3, 4, 5 angeordnet. Von diesen Kanälen verläuft der Kanal 3 unter einem Winkel von etwa 45 Grad zur Achse des Turbinenrades. 2. Dieser Kanal 3 ist der sogenannte Beschleunigungskanal und bezüglich seines Durch flusses über keine in dessen Strömungsquerschnitt eingreifende Verschlußmittel steuerbar.A total of three spiral channels 3 , 4 , 5 are arranged in the housing 1 of an exhaust gas turbine with a turbine wheel 2 . From these channels, channel 3 runs at an angle of approximately 45 degrees to the axis of the turbine wheel. 2nd This channel 3 is the so-called acceleration channel and is controllable with respect to its flow through no locking means engaging in its flow cross section.

Durchflußsteuerbar sind dagegen die Kanäle 4 und 5, die bei Motor-Vollast gemeinsam die Funktion eines Hauptkanales be sitzen. Die umfangsmäßig radial zum Turbinenrad 2 weisenden Öffnungen dieser Kanäle 4, 5 sind größenmäßig durch eine in Turbinenrad 2 - Achse bewegliche Schiebe-Hülse 6 verstellbar, beziehungsweise vollständig verschließbar. Die Öffnungsquer schnitte sind dabei ausschließlich der Reihe nach verschließ bar und zwar beginnend mit der Öffnung des Kanals 5, d. h. ein Zusteuern des Kanals 4 ist erst nach vollständigem Verschließen des Kanals 5 möglich.On the other hand, channels 4 and 5 , which together function as a main channel when the engine is under full load, are flow-controllable. The openings of these channels 4 , 5 , which point radially to the turbine wheel 2 circumferentially, are adjustable in size or can be completely closed by a sliding sleeve 6 which is movable in the turbine wheel 2 axis. The opening cross-sections are only closed in sequence, starting with the opening of the channel 5 , ie a control of the channel 4 is only possible after the channel 5 has been completely closed .

Obwohl in dem Ausführungsbeispiel nur zwei Hauptkanäle 4 und 5 gezeigt sind, können selbstverständlich noch weitere vorhanden sein, deren Austrittsöffnungen dann jeweils nebeneinanderlie gend so angeordnet sind, daß sie der Reihe nach von der Ver schiebe-Hülse 6 verschließbar sind.Although only two main channels 4 and 5 are shown in the exemplary embodiment, there may of course be further ones, the outlet openings of which are then arranged side by side so that they can be closed in sequence by the sliding sleeve 6 Ver.

Die Strömungsrichtung des aus den Kanälen 3 und 4 auf das Tur binenrad 2 strömende Abgas ist durch Pfeile A angedeutet. The direction of flow of the exhaust gas flowing from the channels 3 and 4 onto the turbine wheel 2 is indicated by arrows A.

Durch die Verwendung und gezielte Auf- und Zusteuerung mehre rer nebeneinanderliegender Hauptkanäle 4 und 5 sind für verschiedene Betriebszustände jeweils optimale Strömungsver hältnisse an dem Turbinenrad 2 einstellbar.Through the use and targeted control and control of several adjacent main channels 4 and 5 , optimal flow ratios on the turbine wheel 2 can be set for different operating states.

Die Unterteilung des Hauptabgasstromes in mehrere gesteuert zuschaltbare einzelne Hauptkanäle 4, 5 und gegebenenfalls noch weitere Kanäle ermöglicht eine Vergrößerung der Gas-Geschwin digkeitskomponente Cu in Umfangsrichtung. Dadurch läßt sich auch für die Betriebsbereiche des Turboladers zwischen Teil- und Nennlast eine optimal hohe Turbinenleistung über einen gegenüber dem bisherigen Stand der Technik nach DE 37 34 386 C2 größeren Turbinenradeintrittsdrall verwirklichen.The subdivision of the main exhaust gas flow into a plurality of individual main channels 4 , 5, which can be switched on in a controlled manner and, if appropriate, still further channels, enables the gas speed component Cu to be enlarged in the circumferential direction. As a result, an optimally high turbine output can also be achieved for the operating areas of the turbocharger between partial and nominal load by way of a larger turbine wheel swirl compared to the prior art according to DE 37 34 386 C2.

In dem in Fig. 1b dargestellten zu dem Betriebszustand nach Fig. 1a gehörenden Geschwindigkeitsprofil bedeuten:
U = Umfangsgeschwindigkeit des Turbinenrades
Cm = Meridiangeschwindigkeit des Abgases
Cu = Umfangsgeschwindigkeit des Abgases
W = Relativgeschwindigkeit zwischen Abgas und Turbinenradschaufel
C = Absolutgeschwindigkeit des Abgases.In the speed profile shown in FIG. 1b and belonging to the operating state according to FIG. 1a mean:
U = peripheral speed of the turbine wheel
Cm = exhaust gas meridian velocity
Cu = peripheral velocity of the exhaust gas
W = relative speed between exhaust gas and turbine wheel blade
C = absolute velocity of the exhaust gas.

Die mit der Erfindung erzielbare Verbesserung des an dem Tur binenrad herrschenden Geschwindigkeitsprofils zeigt der in Fig. 2b bezüglich der aus DE 37 34 386 C2 vorbekannten Abgas turbinenausführung, bei der lediglich ein ungeteilter einziger Hauptkanal durchflußsteuerbar ist, quantitativ wiedergegebene Vergleich. Die in Fig. 2b angegebenen Geschwindigkeitsabkür zungen haben die gleiche Bedeutung wie in Fig. 1b. The achievable with the invention improvement on the Tur binenrad speed profile shows the Fig. 2b with respect to the exhaust gas turbine design known from DE 37 34 386 C2, in which only an undivided single main channel can be flow-controlled, quantitatively reproduced comparison. The speed abbreviations shown in Fig. 2b have the same meaning as in Fig. 1b.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht in einer Ver besserung der Anströmung des Turbinenrades über eine betriebs zustandsabhängige Anpassung der Umfangs- und Radialge schwindigkeit der Abgasmenge und der Drehzahl des Turbladers.The main advantage of the invention is a Ver Improvement of the flow to the turbine wheel through an operation condition-dependent adjustment of the circumferential and radial geometry speed of the exhaust gas volume and the speed of the turbocharger.

BezugszeichenlisteReference list

1 Gehäuse
2 Turbinenrad
3 Kanal
4 Kanal
5 Kanal
6 Schiebe-Hülse 1 housing
2 turbine wheel
3 channel
4 channel
5 channel
6 sliding sleeve

Claims

1. Controlled exhaust gas turbocharger turbine for an internal combustion engine with a vane-free guiding device with a plurality of mutually separate, at least partially independent of each other flow-controllable and each extending over the total turbine turbine channels for supplying the exhaust gas to the turbine wheel, characterized in that the flow control of the channels ( 4 , 5 ) via closure means ( 6 ) attached to the channel ( 4 , 5 ) outlet openings opening onto the turbine wheel ( 6 ).

2. Exhaust gas turbocharger turbine according to claim 1, characterized in that one of the channels is a non-controllable at about 30 to 60 degrees to the turbine axis inclined to the Stirnsei te of the turbine wheel ( 2 ) opening acceleration channel ( 3 ), to which the rest of each Connect flow-controllable channels ( 4 , 5 ) directed radially to the circumference of the turbine wheel ( 2 ).

3. Exhaust gas turbocharger turbine according to claim 2, characterized in that the flow-controllable channels ( 4 , 5 ) can be closed in succession, starting with the most distant channel ( 5 ) from the acceleration channel ( 3 ), the between the acceleration channel ( 3 ) and the most distant channel ( 5 ) lying channels ( 4 ) can only be closed together with all of these channels ( 4 ) further from the acceleration channel ( 3 ) further away channels ( 5 ).

4. Exhaust gas turbocharger turbine according to claim 3, characterized in that the closure means in a turbine wheel ( 2 ) axis via the channel ( 4 , 5 ) outlet openings is displaceable sleeve ( 6 ).