DE3528225A1

DE3528225A1 - Turbolader

Info

Publication number: DE3528225A1
Application number: DE19853528225
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Ryugasaki Okazaki; Kyoichi Kashiwa Uchiyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-08-10
Filing date: 1985-08-06
Publication date: 1986-02-13
Also published as: JPS6146420A

Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Turbolader

Die Erfindung betrifft einen Turbolader mit einer antriebsmäßig mit einem Kompressor verbundenen Turbine und insbesondere einen Turbolader variabler Kapazität, der für den Einsatz bei Brennkraftmaschinen in Automobilen geeignet ist.

Es sind schon mehrere Turboladertypen bekannt, die eine Turbine variabler Kapazität aufweisen. In einem Typ wird der Innenraum der Turbinenschnecke in zwei Teile durch eine Trennwand geteilt. Bei einer Variation dieses bekannten Typs befindet sich eine Leitschaufel im Ausströmteil jedes Teils der geteilten Turbinenschnecke. In einer anderen Variation sind die Querschnittsflächen der zwei Teile der Turbinenschnecken zur Steuerung des Bereichs der variablen Kapazität nicht gleich groß. In einem anderen Typ ist das Innere der Turbinenschnecke in mehr als zwei Teile geteilt. Die US-Patentschriften 3 270 495, 3 557 549 und 3 614 259 sowie die japanischen Gebrauchsmusteroffenlegungen N° 57-11233 und

81-A9947/AtAl

53-115205 zeigen beispielsweise bekannte Turbolader deren Turbinen eine variable Kapazität haben.

Die herkömmlichen Turbinenschnecken, die den zuvor genannten Aufbau haben, haben den Nachteil, daß das Abgas, wenn es von der Brennkraftmaschine nur zu einer Schneckenkammer abhängig vom Motorenbetrieb geführt wird, in den Einlaß des

Turbinenrotors nur durch den Auslaßteil der einen Schneckenkammerj die durch die Trennwand von der anderen Schneckenkammer getrennt ist, fließt. Damit wird die Ausnutzung der gesamten Weite des Turbinenrotoreinlaßes unmöglich. Dann wird es unvermeidlich, daß die Abgase nur durch einen Teil des Einlaßes des Turbinenrotors strömen, wodurch ein Druckverlust auftritt. Der Druckverlust wirkt sich in einer Verringerung des Turbinenwirkungsgrades aus,wodurch wiederum der Ladedruck, wenn der Motor im unteren Geschwindigkeitsbereich betrieben wird, abfällt. Dadurch wird der Bereich der veränderlichen Turbinenkapazität wesentlich eingeschränkt.

Um das obige Problem zu lösen, schlägt die japanische Patentoffenlegungsschrift N° 57-200618 beispielsweise vor, den Turbolader so zu verbessern, daß, wenn die Motorabgase nur zu einer Schneckenkammer im unteren Geschwindigkeitsbereich des Motorbetriebs strömen, ein Teil der komprimierten Luft des Kompressors der anderen Schneckenkammer zugeleitet wird, um die Charakteristik der Luftzuführung zur Turbine zu verbessern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turbolader zu ermöglichen, der eine sehr gute Ladedruckcharakteristik in einem weiten Motorbetriebsbereich von niedrigen Drehzahlen über mittlere zu hohen Drehzahlen hat.

Zur Lösung der obigen Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Turbolader für eine Brennkraftmaschine gekennzeichnet durch eine

antriebsmäßig mit einem Kompressor verbundene Turbine veränderlicher Kapazität, die aufweist:

einen Turbinenrotor, eine Schnecke, eine Trennwand, die den Innenraum der Schnecke in eine erste Schneckenkammer und eine zweite Schneckenkammer teilt,

einen ersten in der ersten Schneckenkammer gebildeten Ausströmabschnitt, der im wesentlichen Front zu Front mit der gesamten Weite eines Einlaßabschnitts des Turbinenrotors liegt,

einem zweiten Ausströmabschnitt, der in der zweiten Schneckenkammer ausgebildet ist und im wesentlichen seitlich des Einlaßabschnitts des Turbinenrotors liegt, und

eine Einrichtung, die den Durchsatz des der zweiten Schneckenkammer zugeführten Abgase , die dem zweiten Ausströmabschnitt zuströmen, abhängig von den Betriebsbedingungen des Motors so steuert, daß, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases im unteren Geschwindigkeitsbereichs des Motors gering ist, das Abgas konzentriert nur der ersten Schneckenkammer zugeführt wird und daß im oberen Geschwindigkeitsbereich des Motors das Abgas beiden Schneckenkammern zugeführt wird. Der dem Turbinenrotor zugeführte Abgasstrom wird über die gesamte Weite des Einlaßabschnitts des Turbinenrotors gleichförmig gehalten, um eine geknickte Strömung des Abgases zu vermeiden. Dies führt zu einem gesteigerten Turbinenwirkungsgrad und ermöglicht einen hohen Ladedruck und ein hohes Drehmoment im unteren Geschwindigkeitsbereich des Motors. Bevorzugt ist die Trennwand die den Innenraum der Schnecke in die zwei Schneckenkammern teilt, geneigt, und die erste Schneckenkammer, die im unteren Geschwindigkeitsbereich des Motors betrieben wird, befindet sich an einer Position, die im wesentlichen dem Einlaßabschnitt des Turbinenrotors gegenüberliegt, während die zweite Schnekkenkammer seitlich neben dem Einlaßabschnitt des Turbinen-

rotors liegt. Durch diesen Aufbau wird eine weitere Steigerung des Turbinenwirkungsgrads im unteren Geschwindigkeitsbereich des Motors erreicht^und der Radius R von Massenmittelpunkt der Querschnittsfläche A der Schnecke, durch die das Abgas strömt, zur Achse einer den Turbinenrotor tragenden Welle groß gemacht, wenn die Turbinenkapazität klein ist und klein gemacht, wenn die Turbinenkapazität groß ist. Damit wird das Verhältnis A/R, wenn die Turbinenkapazität klein ist, klein und, wenn die Turbinenkapazität groß ist, groß.

Dadurch wird der veränderliche Turbinenkapazitätsbereich erweitert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 im Querschnitt einen wesentlichen Teil eines Ausführungsbeispiels des Turboladers gemäß der Erfindung,

und 3 Teilschnittdarstellungen in vergrößertem Maßstab des Turbinenschneckenteils in Figur 1,

Fig. 4

und 5 Teilschnittdarstellungen ähnlich Figur 2, die jedoch eine andere konstruktive Form des Turbinenschneckenteils des Turboladers zeigen,

Fig. 6 im Schnitt wesentliche Teile eines weiteren Ausführungsbeispiels des Turboladers gemäß der Erfindung, und

Fig. 7 graphisch eine Kennlinie des erfindungsgemäßen Turboladers im Vergleich mit einem bekannten Turbolader.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren 1 bis 3 beschrieben.

Der Kompressorabschnitt des Turboladers wird nicht im einzelnen beschrieben, da er kein Teil der Erfindung ist. Ein Turbinenrotor 1 ist an einer Welle 2 befestigt, an der auch der Rotor des Kompressors befestigt ist. Ein Lagergehäuse 3, das an einer Turbinenschnecke 4 befestigt ist, liegt am äußeren Umfang der Welle 2.

Der Innenraum der Turbinenschnecke 4 ist durch eine Trennwand 5 in eine erste Schneckenkammer 4b und eine zweite Schneckenkammer 4a geteilt. Die erste Schneckenkammer 4b bildet einen ersten Ausströmabschnitt 6b und die zweite Schneckenkammer 4a bildet einen zweiten Ausströmabschnitt 6a am Ausströmteil der Turbinenschnecke 4. Die erste Schneckenkammer 4b liegt im wesentlichen einem Einlaßteil des Turbinenrotors 1 gegenüber, und der erste Ausströmabschnitt 6b liegt im wesentlichen Front an Front mit der Gesamtweite des Einlaßteils des Turbinenrotors 1. Die zweite Schneckenkammer 4a liegt im wesentlichen seitlich des Einlaß teils des Turbinenrotors 1 , und der zweite Ausströmabschnitt 6a liegt im wesentlichen seitlich zum Einlaßabschnitt des Turbinenpropellers 1 und letzterem gegenüber.

Die Trennwand 5 stößt an eine Trennplatte 8, die in einem Turbineneinlaßabschnitt 7 liegt, und die den Turbineneinlaßabschnitt 7 in einen offenen Schneckendurchlaß 9 und einen geschlossenen Schneckendurchlaß 10 teilt. Der offene Schneckendurchlaß 9 bleibt in direkter Verbindung mit dem Turbineneinlaßabschnitt 7, während der geschlossene Schneckendurchlaß 10 in Verbindung mit dem offenen Schneckendurchlaß über eine Öffnung 11, die sich in der Trennplatte 8 befindet, gebracht werden kann. Ein Steuerventil 12 ist an der öffnung angebracht und öffnet und schließt die Verbindung zwischen dem offenen Schneckendurchlaß 9 und dem geschlossenen Schneckendurchlaß 10.

Das Steuerventil 12 weist ein Ventilglied 12a auf, das um einen Stift 13 drehbar ist, der mit einer Stange 15a eines Stellglieds 15 über einen Arm 14 verbunden ist. Das Stellglied 15 enthält ein Rückstellglied oder eine Schraubenfeder 16, die die Stange 15a in einer Richtung vorspannt und einen Balg 17, der sich in einer Stellung befindet, um der Vorspannkraft des Rückstellglieds 16 entgegenzuwirken und der einen Eingang 15b aufweist, durch den ein Ladedruck in das Innere des Balgs 17 eingebracht wird. In der Turbinenschnecke 4 ist an einer Stelle stromab des Steuerventils eine öffnung 18 angebracht, die mit einem Bypassweg 19 in Verbindung gebracht werden kann, der seinerseits mit einem Turbinenausgangsabschnitt in Verbindung steht. Ein Ventilglied 20a eines Abgasbypassventils 20 wird durch ein Rückstellglied oder eine Schraubenfeder 21 gegen die öffnung 18 gedrückt, so daß letztere normalerweise geschlossen ist.

Das Steuerventil 12 ist mit einem Knopf 22 versehen, der gegen das Ventilglied 20a des Abgasbypassventils 20 drückt, wenn das Steuerventil 12 völlig geöffnet wird, um das Abgasbypassventil 20 zu öffnen und den geschlossenen Schneckendurchlaß 10 mit dem Bypassweg 19 zu verbinden.

Der erfindungsgemäße Turbolader hat den zuvor beschriebenen Aufbau. Wenn das Steuerventil 12 in Schließstellung ist, bei der es die Abgasströmung durch die öffnung 11 blockiert, strömen die Abgase im Turbineneinlaßabschnitt 7 durch die offene Schneckenpassage 9 in konzentrierter Form in den ersten Ausströmabschnitt 6b.

Die Figuren 2 und 3 zeigen in vergrößertem Maßstab die Schneckenkammern 4b und 4a. Der erste Ausströmabschnitt 6b ist so ausgebildet, daß er der gesamten Weite des Einlaßabschnitts 7 des Turbinenrotors 1 gegenübersteht, und die Abgase strömen konzentriert und geglättet vorwärts in den

ersten Ausströmabschnitt 6b der ersten Schneckenkammer 4b, wie dies in Figur 2 durch Pfeile X dargestellt ist. Wenn der Ladedruck der Abgasströmung einen vorgegebenen Pegel überschreitet, wächst eine vom inneren Druck des Balgs 17 erzeugte Kraft über die Vorspannkraft des Rückstellglieds 16 und bewegt die Stange 15a des Stellglieds 15, um das Steuerventil 12 in die voll geöffnete Stellung zu bringen, in der Gas durch die Öffnung 11 strömen kann. Auf diese Weise tritt die Abgasströmung in den Turbinenrotor 1 sowohl durch den ersten Ausströmabschnitt 6b und den zweiten Ausströmabschnitt 6a, wodurch die Kapazität der Turbinenschnecke 4 erhöht wird. Dies führt dazu, das zu starke Anwachsen des Ladedrucks zu verhindern. Wenn der Turbolader in dieser Situation ist, strömt das Abgas in den Einlaßabschnitt des Turbinenrotors 1, wie in Fig. durch Pfeile Y angedeutet ist. Die Strömung des Abgases ist etwas geknickt, jedoch strömt das Gas in den Turbinenrotor 1 durch die gesamte Weite ihres Einlaßabschnitts^ und die Druckverringerung ist kleinstmöglich. Da der Ladedruck bereits soweit angestiegen ist, um den beabsichtigten Zweck befriedigend zu erfüllen, verursacht eine kleine Verringerung des Wirkungsgrades kein ernstes Problem.

Der Radius von der Achse der Welle 2 zum Massenmittelpunkt der Strömungsweg -Quer schnittsflache der zwei Schneckenkammern 4b und 4a beträgt jeweils Rb und Ra, wie in Fig. gezeigt ist. Weil Ra kleiner als Rb ist, hat die zweite Schneckenkammer 4a ein größeres A/R-Verhältnis als die erste Schneckenkammer 4b, vorausgesetzt, daß die zwei Schneckenkammern 4a und 4b dieselbe Strömungsweg-Querschnittsfläche A besitzen. Dadurch kann bei dem erfindungsgemäßen Turbolader der Bereich der veränderlichen Turbinenkapazität erweitert werden. Das A/R-Verhältnis ist ein Kennwert für die Turbinenkapazität.

Das A/R-Verhältnis ist das Verhältnis der dargestellten Strömungsweg-Durchschnittsfläche A des Turbinenschneckenabschnitts zum Radius R gemessen von der Achse der den Turbinenrotor tragenden Welle zum Massenmittelpunkt der dargestellten Strömungsweg-Querschnittsfläche A der Schnecke. Somit kann die Turbinenkapazität durch den Wert des Verhältnisses A/R angegeben werden.

Wenn die Motorgeschwindigkeit wächst und die Last höher wird, während das Steuerventil 12 ganz offen ist, drückt der Knopf 22 der am Steuerventil 12 befestigt ist, gegen das Ventilglied 20a des Abgasbypassventils 20 und öffnet das Ventil. Damit strömt ein Teil des Abgases durch die öffnungen 11 und 18 in den Bypassweg 19, wodurch ein übermäßiger Anstieg des Ladedrucks vermieden wird.

D_ie Fig. 4 und 5 sind Schnittdarstellungen ähnlich Figur 2, zeigen jedoch andere Bauarten des Schneckenteils.

Die Bauart des in Figur 4 gezeigten Schneckenteils unterscheidet sich von der in den Figuren 1 bis 3 darin, daß die Schneckenkammern 4a und 4b und die Trennwand 5 in entgegengesetzter Richtung bezüglich der Achse der Welle 2 geneigt sind. Die in Figur 4 gezeigte Bauform des Schneckenteils ermöglicht es, dieselben Ergebnisse zu erzielen, wie sie anhand der in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Bauform beschrieben wurden. In der in Figur 5 gezeigten Bauform des Schneckenteils ist die Trennwand 5 nicht geneigt, sondern steht senkrecht auf der Achse der Welle 2. Durch die in Figur 5 gezeigte Bauart des Schneckenteils werden dieselben Resultate erzielt,wie sie für die Bauform , die die Figuren 1 bis 3 zeigen, beschrieben wurden.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, die sich von dem Ausführungsbeispiel und den Modifikationen

gemäß den Figuren 1 bis 5 darin unterscheidet, daß Leitschaufeln 6b' am ersten Ausströmabschnitt 6b angebracht sind. Durch diese Leitschaufeln 6b' wird der Turbinenwirkungsgrad im unteren Geschwindigkeits- und Niedriglastbereich des Motors erhöht und damit der Bereich der veränderlichen Turbinenkapazität erweitert.

Die Leitschaufeln 6b¹ sind an einem ringförmigen Ausströmglied 31 befestigt, das zwischen der Turbinenschnecke 4 und dem Lagergehäuse 3 liegt. Das ringförmige Ausströmglied 31 ist lösbar durch geeignete Befestigungsglieder, die Bolzen sein können, befestigt. Dadurch können die Leitschaufeln 6b' durch andere ersetzt werden. Durch die lösbare Befestigung des ringförmigen Ausströmglieds 31, das die Leitschaufeln 6b' trägt, ermöglicht diese Ausführung eine leicht auszuführende Änderung der Leistung des Motors im unteren Geschwindigkeitsbereich.

Figur 7 zeigt den Wirkungsgrad Ά des Turboladers gemäß der Erfindung, der in den Figuren 1 bis 3 dargestellt ist im Vergleich mit dem Wirkungsgrad T] ' eines herkömmlichen Turboladers,ζ.B. wie ihn die bereits genannte US-PS 3 270 beschreibt. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases im unteren Geschwindigkeitsbereich des Motors klein und die Kapazität der Turbine gering ist, wird die AbgasStrömung konzentriert in die erste Schneckenkammer 4b geführt. Aufgrund der im ersten Ausströmteil 6b der ersten Schneckenkammer 4b vorgesehenen Leitschaufeln 6b' kann eine große Turbinenausgangsleistung bei einem hohen Wirkungsgrad abgegeben werden, auch wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases gering ist, solange die Leitschaufeln 6b' in einer an den unteren Geschwindigkeitsbereich des Motors angepaßten Weise angebracht sind. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases im Hochgeschwindigkeitsbereich des Motors hoch ist, bei dem die Kapazität der Turbine ebenfalls groß ist, wird

der Abgasstrom der zweiten Schneckenkammer 4a zugeführt, um dadurch den Ladedruck zu steuern. Dies verhindert ein übermäßiges Anwachsen des Ladedrucks und ermöglicht, daß der Wirkungsgrad der Turbine immer auf hohem Niveau bleibt. Aus Figur 7 wird deutlich, daß der Wirkungsgrad Ή des erfindungsgemäßen Turboladers eine gegenüber dem Wirkungsgrad Ά ' des bekannten Turboladers über einen weiten Betriebsbereich des Motors günstiger verläuft.

Die obige Beschreibung macht deutlich, daß bei dem gemäß der Erfindung gestalteten Turbolader der Innenraum des Turbinenschneckenteils durch eine Trennwand in zwei Schnekkenkammern unterteilt ist und daß der Strom des den zwei Schneckenkammern zugeleiteten Abgases abhängig vom Motorbetrieb gesteuert wird. Im unteren Geschwindigkeitsbereich des Motors wird der Abgasstrom nur in eine der beiden Schneckenkammern geleitet und der Ausströmabschnitt der Schneckenkammern, die das Abgas handhaben, ist so konstruiert, daß eine abgeknickte Gasströmung in den Einlaßbereich des Turbinenmotors im unteren Geschwindigkeitsbereich vermieden ist.

Durch diese Merkmale ermöglicht der erfindungsgemäß Turbolader einen hohen Ladedruck oder ein hohes Drehmoment im unteren Geschwindigkeitsbereich des Motors und verbessert dadurch die Drehmomentcharakteristik im unteren Geschwindigkeitsbereich. Ferner wird eine schnelles Sprechen des Motors möglich, wenn der Fahrer schnell beschleunigen will. Durch Änderung des Radius von der Achse der Welle, die den Turbinenrotor trägt,zum Massenmittelpunkt der Strömungsweg-Querschnittsfläche jeder Schneckenkammer ist eine Erhöhung des Bereichs der veränderlichen Kapazität der Turbine möglich. Dies führt zu einer verbesserten Leistung der Maschine und zu einem verringerten Kraftstoffverbrauch in einem weiten Betriebsbereich des Motors.

Claims

Patentansprüche

Turbolader für eine Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch eine mit einem Kompressor antriebsmäßig verbundene Turbine, die aufweist:

einen Turbinenrotor (1),

eine Schnecke (4),

eine Trennwand (5), die den Innenraum der Schnecke in eine erste Schneckenkammer (4b) und eine zweite Schneckenkammer (4a) teilt,

einen ersten Ausströmabschnitt (6b), der in der ersten Schneckenkammer (4b) ausgebildet und im wesentlichen Front zu Front der Gesamtweite eines Einlaßteils des Turbinenrotors (1) gelegen ist,

einen zweiten Ausströmabschnitt (6a), der in der zweiten Schneckenkammer (4a) ausgebildet und im wesentlichen seitlich des Einlaßteils des Turbinenrotors (1) gelegen ist, und

eine Einrichtung, die den Durchsatz des in die zweite Schneckenkammer (4a) strömendes Gases abhängig von der Betriebssituation der Brennkraftmaschine steuert.

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2. Turbolader nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (5) bezüglich der Achse einer Welle f2) auf der die Turbine und der Kompressor befestigt sind, geneigt ist und

daß der Massenmittelpunkt der Strömungsweg-Querschnittsfläche der ersten Schneckenkammer (4b) gegenüber dem Massenmittelpunkt der Strömungsweg-Querschnittsfläche der zweiten Schneckenkammer (4a) bezüglich der Achse der Welle (2) radial nach außen versetzt ist.
3. Turbolader nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß er weiterhin im ersten Ausströmabschnitt (6b) der ersten Schneckenkammer (4b) angebrachte Leitschaufeln im wesentlichen Front zu Front mit dem Einlaßteil des Turbinenrotors (1) aufweist.
4. Turbolader nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln lösbar befestigt sind.
5. Turbolader nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Glieder zur Steuerung des Durchsatzes des in die zweite Schneckenkammer (4a) strömenden Gases aufweisen:

einen geschlossenen Schneckenweg (10), der zur zweiten Schneckenkammer (4a) führt,

einen offenen Schneckenweg (9), der zur ersten Schneckenkammer (4b) führt, und

ein Steuerventil (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17), das zwischen der geschlossenen Schneckenkammer (10) und der offenen Schneckenkammer (9) angebracht ist und Gas von dem offenen Schneckenweg (9) in den geschlossenen Schnekkenweg abhängig von Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine strömen läßt.
6. Turbolader nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Bypassweg (18, 19) vorgesehen ist, der Gas von der zweiten Schneckenkammer (4a) zu einem Auslaßbereich der Turbine durch ein Abgasbypassventil (20) strömen läßt.
7. Turbolader nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasbypassventil (20) durch ein Ventilglied (22) des Steuerventils (11 - 17) in seine Offenstellung gezwungen wird.