DE4411678A1 - Exhaust driven turbocharger with radial turbine, for diesel engines - Google Patents
Exhaust driven turbocharger with radial turbine, for diesel enginesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit Radialturbine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to an exhaust gas turbocharger with a radial turbine according to the preamble of claim 1.
Zur Verbesserung der Leistungscharakteristik hat sich die Aufladung von Dieselmotoren mittels Abgasturbolader weitgehend durchgesetzt. Insbesondere größere Motoren werden nur noch mit Abgasturboaufladung betrieben, wobei zunehmend auch Fahrzeug-Dieselmotoren für LKW- und PKW-Antriebe, u. a. bedingt durch den Zwang zur Emissions- und Ver brauchsbeschränkung, sich der Abgasturboaufladung bedienen. Bei Ottomotoren ist eine Aufladung nur im Bereich der Vollastleistung sinnvoll, da im Teillastgebiet immer eine Drosselung erforderlich ist. Daher ist die Aufladung bei diesen Motoren eher selten anzu treffen. In allen wesentlichen Anwendungsfällen dominiert die radiale Bauweise des Abgasturboladers.Charging has been used to improve the performance characteristics largely enforced by diesel engines using an exhaust gas turbocharger. Larger engines in particular will only be charged with exhaust gas turbocharging operated, with increasing vehicle diesel engines for trucks and Car drives, u. a. due to the compulsion to emissions and ver restriction of use, use the exhaust gas turbocharger. At Gasoline engines are only charged at full load sensible, since throttling is always required in the partial load area is. Therefore, charging is rarely started with these engines to meet. The radial dominates in all essential applications Construction of the exhaust gas turbocharger.
Da die Leistungscharakteristik eines Dieselmotors ganz wesentlich von seiner Aufladung und deren Wirkungsweise bestimmt wird, unterliegt die Auslegung von Abgasturboladern einer ständigen Weiterentwicklung um ein optimales Betriebsverhalten mit höchsten Wirkungsgraden sowohl bei Teillast als auch bei Vollast über ein großes Drehzahlband hinweg zu erhalten. Die Wahl der geometrischen Abmessungen des Abgastur boladers und der somit zu erreichende Massendurchsatz spielt daher eine entscheidende Rolle. Wesentlich für ein gutes Beschleunigungs- und Teillastverhalten bei niedrigen Drehzahlen des Dieselmotors ist ein möglichst schnelles Hochlaufen des Turboladers zur Erzielung eines hohen Luftdurchsatzes. Dies führt zu einem klein bauenden Abgasturbolader mit möglichst geringer Massenträgheit des Läufers der mit dem bei Teillast zur Verfügung stehenden, reduzierten Abgas massenstrom schon eine ausreichende Ladeleistung abgibt. Dabei muß bei Vollast jedoch ein verringertes maximales Ladedruckverhältnis in Kauf genommen werden und ggf. Maßnahmen gegen die erhöhte Pumpneigung getroffen werden. Bei Turbinen größerer Abmessungen versucht man u. a. die Leistungsaufnahme der Turbine bei geringen Drehzahlen bzw. Teil last des Dieselmotors durch einen verstellbaren Leitschaufelapparat an der Turbine zu verbessern, um verdichterseitig einen erhöhten Luftdurchsatz zu erzielen.Because the performance characteristics of a diesel engine are very different from its charging and its mode of action is determined the design of exhaust gas turbochargers is a constant development to ensure optimal operating behavior with the highest levels of efficiency at part load as well as at full load over a large speed range to obtain. The choice of the geometric dimensions of the exhaust gas boladers and the mass throughput to be achieved therefore play a crucial role. Essential for a good acceleration and is part load behavior at low speeds of the diesel engine the turbocharger starts up as quickly as possible to achieve this a high air flow. This leads to a small build Exhaust gas turbocharger with the lowest possible inertia of the rotor with the reduced exhaust gas available at partial load mass flow already provides sufficient charging power. It must at full load, however, a reduced maximum boost pressure ratio in Purchase and, if necessary, measures against the increased tendency to pump to be hit. With turbines of larger dimensions one tries u. a. the power consumption of the turbine at low speeds or part load of the diesel engine through an adjustable guide vane apparatus on the turbine to improve the compressor side To achieve air flow.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen gattungs gemäßen Abgasturbolader anzugeben, bei welchem mit einfachen Mitteln zur Verbesserung der Leistungscharakteristik eine Ladedruckerhöhung schon bei geringer Motordrehzahl erzielt wird.Proceeding from this, it is an object of the invention to create a genus to indicate appropriate exhaust gas turbocharger, in which with simple Means to improve the performance characteristics Boost pressure increase is achieved even at low engine speed.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.According to the invention the task is characterized by Part specified features of claim 1 solved.
Die erfindungsgemäße Ausbildung hat den Vorteil, daß bei ge schlossenen Abgasklappen sich der effektive Austrittsdurchmesser der Radialturbine verringert und mit dem somit erhöhten Durchmesserver hältnis zwischen Ein- und Austritt der Radialturbine schon bei ge ringer Motordrehzahl ein erhöhter Arbeitsumsatz in der Radialturbine erzielen läßt. Hieraus resultiert ein erhöhter Ladedruck des Ver dichters, womit eine Verbesserung der Leistungscharakteristik des Dieselmotors bei niedriger Drehzahl einhergeht. The training according to the invention has the advantage that at ge closed exhaust flaps the effective outlet diameter of the Radial turbine reduced and with the thus increased diam Ratio between entry and exit of the radial turbine already at ge ringer engine speed an increased work turnover in the radial turbine can be achieved. This results in an increased boost pressure of the Ver poet, which improves the performance of the Diesel engine goes hand in hand at low speed.
Je nach Auslegung des Motors und des Abgasturboladers werden bei zunehmender Drehzahl, etwa bei 50% der Nenndrehzahl, die Klappen geöffnet, so daß mit zunehmendem Abgasmassenstrom der Verdichter zügig seinen vollen Ladedruck mit dem erforderlichen Luftdurchsatz aufbaut. Ein wesentlicher Vorteil liegt in der Möglichkeit zur Umrü stung bereits ausgeführter Abgasturbolader, da sich bei geringem Aufwand die baulichen Maßnahmen im wesentlichen auf dem Bereich des Austrittsstutzen beschränken.Depending on the design of the engine and the exhaust gas turbocharger, at increasing speed, approximately at 50% of the nominal speed, the flaps opened so that the compressor with increasing exhaust gas mass flow quickly its full boost pressure with the required air flow builds up. A major advantage is the possibility of converting Exhaust gas turbocharger already executed, since at low Structural measures essentially in the area of Limit outlet connection.
Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der Patentansprüche 2 bis 13.Further advantageous embodiments of the invention result from the features of claims 2 to 13.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.Preferred embodiments of the invention are set out below Explained with reference to the accompanying drawings.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt eines Abgasturboladers mit innenverlaufendem Rohr, Fig. 1 shows a schematic longitudinal section of an exhaust gas turbocharger with innenverlaufendem tube,
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Austrittsstutzen des Abgas turboladers mit geschlossener Abgasklappe gemäß Fig. 1, Fig. 2 shows a cross section through the outlet port of the exhaust turbocharger with a closed exhaust gas flap according to FIG. 1,
Fig. 3 einen Querschnitt des Austrittsstutzens des Abgasturbo laders gemäß Fig. 1 mit geöffneter Abgasklappe, Fig. 3 shows a cross-section of the discharge outlet of the exhaust turbo-supercharger shown in FIG. 1 with an opened exhaust valve,
Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt eines Abgasturboladers mit separierendem Rohr und Fig. 4 is a schematic longitudinal section of an exhaust gas turbocharger with a separating tube and
Fig. 5 einen Querschnitt durch den Austrittsstutzen mit ge schlossener Abgasklappe gem. Fig. 4. Fig. 5 shows a cross section through the outlet port with ge closed flap acc. Fig. 4.
In Fig. 1 ist ein Abgasturbolader 1 einer nicht weiter dargestellten Kolbenbrennkraftmaschine gezeigt, der eine im Turboladergehäuse 2 angeordnete einstufige Radialturbine 3 und einen einstufigen Radial verdichter 4 aufweist. Die Radialturbine 3 treibt den Radialver dichter 4 über eine im Turboladergehäuse 2 gelagerte Welle 5 an. Die Radialturbine 3 und der Radialverdichter 4 sind mit ihrer Radscheibe 6 im Turboladergehäuse 2 einander gegenüberliegend angeordnet. Zur Abführung der aus der Radialturbine 3 austretenden Abgase schließt an die Austrittsebene A der Radialturbine 3 ein Austrittsstutzen 7 an. Der kreiszylindrische Abgaskanal 8 des Austrittsstutzens 7 erstreckt sich in unmittelbarem Anschluß an die Austrittsebene A koaxial zur Turbinenlängsachse L. Insoweit gleicht der Abgasturbolader 1 ge brauchsüblichen, dem Stand der Technik gemäßen Abgasturboladern.In Fig. 1, a turbocharger 1 is shown a reciprocating internal combustion engine, not shown, having a turbocharger arranged in the housing 2-stage radial turbine 3 and a single-stage radial compressor 4. The radial turbine 3 drives the radial compressor 4 via a shaft 5 mounted in the turbocharger housing 2 . The radial turbine 3 and the radial compressor 4 are arranged with their wheel disk 6 in the turbocharger housing 2 opposite one another. To exhaust from the radial exhaust gas turbine 3, an outlet nozzle 7 connects to the exit plane A of the radial turbine. 3 The circular-cylindrical exhaust duct 8 of the outlet nozzle 7 extends in direct connection to the outlet plane A coaxially to the longitudinal axis of the turbine L. In this respect, the exhaust gas turbocharger 1 is similar to customary, state-of-the-art exhaust gas turbochargers.
Ein innerhalb des Austrittsstutzens 7 eingesetztes, zur Turbinenläng sachse L koaxiales Rohr 9 trennt einen inneren Abgaskanal 8a von einem zum inneren Abgaskanal 8a konzentrischen, äußeren, ringför migen Abgaskanal 8b ab. Das Rohr 9 schließt in möglichst kurzem Abstand a an die Austrittsebene EA an, wobei der axiale Abstand a zu den Schaufeln der Radialturbine 3 derart gewählt ist, daß ein An streifen der Schaufeln 18 am Rohr 9 ausgeschlossen ist. Der Durch messer dr des Rohres 9 ist derart gewählt, daß er größer ist als der Nabendurchmesser dn und kleiner ist als der Gehäusedurchmesser dg an der Austrittsebene EA. Der Rohrrand liegt also dem beschaufelten Bereich an der Austrittsebene EA gegenüber. Somit ist es möglich, daß ein Teil des austretenden Abgasstromes A in den inneren Abgaskanal 8a und ein anderer Teil des Abgasstromes A in den äußeren Abgaskanal 8b strömen kann. Das Rohr 9 ist mittels Streben 14 in Austrittsstutzen 7 gehalten.An inserted within the outlet port 7 , to the turbine longitudinal axis L coaxial tube 9 separates an inner exhaust duct 8 a from an inner exhaust duct 8 a concentric, outer, ring-shaped exhaust duct 8 b. The tube 9 connects in the shortest possible distance a to the exit plane E A , the axial distance a to the blades of the radial turbine 3 being chosen such that a streaking of the blades 18 on the tube 9 is excluded. The diameter dr of the tube 9 is selected such that it is larger than the hub diameter dn and smaller than the housing diameter dg at the exit plane E A. So the edge of the tube is the bladed area opposite to the exit plane E A. It is thus possible that part of the exiting exhaust gas stream A can flow into the inner exhaust gas duct 8 a and another part of the exhaust gas stream A into the outer exhaust gas duct 8 b. The tube 9 is held in the outlet nozzle 7 by means of struts 14 .
Im stromabwärtigen Abstand von der Austrittsebene EA sind zum Ab sperren des äußeren Abgaskanals 8b zwei bezüglich des Kanalzentrums diametral gegenüberliegende Halbring-Abgasklappen 10a, b angeordnet. Wie weiter in Fig. 2 und 3 ersichtlich, sind die beiden Abgasklappen 10a, b mit ringstückförmigem Zuschnitt zum Öffnen und Schließen des äußeren Abgaskanals 8b im Austrittsstutzen 7 schwenkbar gelagert. Die beiden senkrecht zur Symmetrieachse S ihrer Abgasklappen 10a, b ste henden Schwenkachsen 11a, b sind dabei derart außerhalb des Rohres 9 liegend vom Kanalzentrum Z beabstandet, daß die Abgasklappen 10a, b beim Schwenken in die Offenstellung nicht am Rohr 9 anschlagen und blockieren können.At a downstream distance from the exit plane E A , two half-ring flaps 10 a, b are arranged diametrically opposite one another to block off the outer exhaust duct 8 b with respect to the center of the duct. As can also be seen in FIGS . 2 and 3, the two exhaust flaps 10 a, b with an annular cut for opening and closing the outer exhaust duct 8 b are pivotally mounted in the outlet port 7 . The two perpendicular to the axis of symmetry S of their exhaust flaps 10 a, b standing pivot axes 11 a, b are spaced outside the pipe 9 from the channel center Z such that the exhaust flaps 10 a, b do not strike the pipe 9 when pivoting into the open position and can block.
Fig. 3 zeigt die Abgasklappen 10a, b in ihrer Offenstellung, wobei die am äußeren Klappendurchmesser dk liegenden Klappenecken 12 der Abgas klappen 10a, b jeweils in Taschen 13 hineinragen, die den Austritts stutzen 7 im Schwenkbereich der Klappenecken 12 nach radial außen erweitern. Die Taschen 13 ermöglichen ein Aufschwenken der Klappen 10a, b ohne daß ihre Klappenecken 12 an der zylindrischen Innenwand des Austrittsstutzen 7 anschlagen. Fig. 3 shows the exhaust flaps 10 a, b in their open position, the flap corners 12 lying on the outer flap diameter d k of the exhaust flaps 10 a, b each protrude into pockets 13 which support the outlet 7 in the pivoting range of the flap corners 12 radially outward expand. The pockets 13 allow the flaps 10 a, b to be pivoted open without their flap corners 12 striking the cylindrical inner wall of the outlet nozzle 7 .
Zur gemeinsamen Betätigung der Klappen 10a, b ist eine Betätigungsvor richtung 16 vorgesehen, die durch Anschluß an einen stromabwärts des Radialverdichters abgebrachten Drucksensor 17 ladedruckabhängig die Klappen 10a, b schließt und öffnet.For joint operation of the valves 10 a, b is provided a device 16 Betätigungsvor that abgebrachten by connection to a downstream of the centrifugal compressor pressure sensor 17 supercharging pressure depending on the flaps 10 a, b closes and opens.
Ein wesentlicher Vorzug des Abgasturboladers 1 mit innen konzentrisch zum Austrittsstutzen 7 liegendem Rohr 9 ist in den, im wesentlichen unveränderten Außenabmessungen des Austrittsstutzens 7 zu sehen, so daß durch Austausch eines unbestückten Austrittsstutzen gegen den mit Klappen 10a, b und Rohr 9 versehenen Austrittsstutzen 7 sich Abgastur bolader mit geringem Aufwand nachrüsten lassen.An essential advantage of the turbocharger 1 having concentric internal to the outlet nozzle 7 pipe 9 is to be seen in the substantially unchanged external dimensions of the discharge outlet 7, so that through exchange of an unoccupied outlet nozzle against the with flaps 10 a, b and tube 9 provided outlet nozzles 7 exhaust gas turbochargers can be retrofitted with little effort.
In den Fig. 4 und 5 ist eine alternative Ausführung des Abgastur boladers 1′ gezeigt, bei dem nach Trennung des äußeren vom inneren Abgaskanal 8a′ bzw. 8b′ durch das an der Austrittsebene EA ange setzte, zur Turbinenlängsachse L koaxiale Rohr 9′ der Austritts stutzen 7′ vom Rohr 9′ mit ihren Abgaskanälen 8b′ bzw. 8c′ separiert wird. Hierzu biegt der Austrittsstutzen 7′ von der Turbinenlängsachse L unter einem Winkel ab, wobei das Rohr 1′ den Austrittsstutzen 7′ in einem Ausschnitt 15′ durchdringt. Stromabwärts der Durchdringung verjüngt sich der Austrittsstutzen 7′ auf einen kreisförmigen Quer schnitt in welchem eine entsprechend ausgebildete, kreis scheibenförmige Abgasklappe 10′ zum Öffnen und Schließen des Kanals 8b′ schwenkbar gelagert ist. Der Vorteil dieser Variante liegt in der einfacheren Klappengestaltung, die als Einzelklappe den Abgaskanal 8b′ aufgrund der kreisrunden Gestaltung mit geringerem Aufwand schließt und öffnet. Zur Betätigung der Abgasklappe 10′ ist diese mit einer Betätigungsvorrichtung 16′ gekoppelt. Diese wiederum ist an einen Sensor 17′ zur Mengenmessung des Abgasmassenstromes A′ strom aufwärts der Radialturbine 6′ angeschlossen, um die Abgasklappe 10′ abgasmengenabhängig zu betätigen.In Figs. 4 and 5 an alternative embodiment of Abgastur 'is shown in which, after separation of the outer from the inner exhaust passage 8a' boladers 1 and 8, b 'set by the attached at the exit plane E A, coaxial to the turbine longitudinal axis L pipe 9 'of the outlet pipe 7 ' from the tube 9 'with its exhaust channels 8 b' or 8 c 'is separated. For this purpose, the outlet pipe 7 'bends from the turbine longitudinal axis L at an angle, the tube 1 ' penetrating the outlet pipe 7 'in a cutout 15 '. Downstream of the penetration, the outlet nozzle 7 'tapers to a circular cross-section in which a correspondingly designed, circular disc-shaped exhaust flap 10 ' for opening and closing the channel 8 b 'is pivotally mounted. The advantage of this variant lies in the simpler flap design, which closes and opens the exhaust duct 8 b 'as a single flap with less effort due to the circular design. To actuate the exhaust flap 10 ', this is coupled to an actuating device 16 '. This in turn is connected to a sensor 17 'for measuring the quantity of the exhaust gas mass flow A' upstream of the radial turbine 6 'in order to actuate the exhaust flap 10 ' depending on the quantity of exhaust gas.
Bei geschlossener Klappenstellung bewirkt der Rückstau stromaufwärts der Abgasklappen 10a, b; 10′ ein Abströmen des Abgasstromes A auf kleinerem Austrittsdurchmesser, welcher in etwa dem lichten Rohr durchmesser dr entspricht. Aufgrund der dadurch bewirkten Änderung des effektiven Durchmesserverhältnisses zwischen der Turbinenein trittsebene EE und der Turbinenaustrittsebene EA ergibt sich eine Vergrößerung der Drehimpulsdifferenz, so daß sich der hiervon abhän gige Arbeitsumsatz der Radialturbine 3, 3′ vergrößert und dem Radial verdichter 4, 4′ zwecks Erhöhung des Ladedruckes mehr Antriebsleistung zur Verfügung steht. Zur Verbesserung des Abströmverhaltens aus der Radialturbine 6, 6′ bei geschlossener Abgasklappe 10, 10′ ist der axiale Austrittswinkel der Turbinenschaufeln 18, 18′ angepaßt. Mit Zunahme des Abgasmassenstromes, also mit Drehzahl- und Lastzunahme der Kolbenbrennkraftmaschine werden die Abgasklappen 10a, b; 10′ in ihre Offenstellung geschwenkt, so daß die Radialturbine 3, 3′ dem Abgasstrom A zunehmend mehr Energie zum Antrieb des Radialverdichters 4, 4′ entnehmen kann.When the flap position is closed, the backflow causes upstream of the exhaust flaps 10 a, b; 10 'an outflow of the exhaust gas stream A on a smaller outlet diameter, which corresponds approximately to the clear pipe diameter dr. Due to the resulting change in the effective diameter ratio between the Turbinenein entry level E E and the turbine exit level E A , there is an increase in the angular momentum difference, so that the dependent work turnover of the radial turbine 3 , 3 'increases and the radial compressor 4 , 4 ' purpose Increasing the boost pressure more drive power is available. To improve the outflow behavior from the radial turbine 6 , 6 'with the exhaust flap 10 , 10 ' closed, the axial outlet angle of the turbine blades 18 , 18 'is adapted. With an increase in the exhaust gas mass flow, that is to say with an increase in speed and load of the piston internal combustion engine, the exhaust flaps 10 a, b; 10 'pivoted into its open position, so that the radial turbine 3 , 3 ' the exhaust gas stream A can increasingly take more energy to drive the radial compressor 4 , 4 '.
Claims (13)
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