DE3219250C2 - Vorrichtung zum Verändern des Leistungsvermögens einer Radialturbine - Google Patents

Abstract

Ein Schaft mit einer geformten Spitze oder Nut ist verschieblich oder drehbar in einem Spiralgehäuse einer Turbine angeordnet, um die darin strömenden Gase abzulenken und variabel auf das Turbinenlaufrad derart zu richten, daß eine wirksame Veränderung der Turbinenleistung erzielt wird.

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verändern des Leistungsvermögens (bzw. der Beaufschlagung) einer Radialturbine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Zum Verbessern sowohl des Kraftstoffverbrauchs als auch der abgegebenen Leistung werden Turbo-Lader für Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung gefordert, die über einen weiten Betriebsbereich der Maschine wirksam sind und brauchbare Nutzdrehmomente selbst bei geringen und mittleren Maschinendrehzahlen liefern. Um dies zu bewerkstelligen, ist es erwünscht, das Spiralgehäuse so zu gestalten, daß dieses die Auspuffgase der Maschine direkt auf das Turbinenlaufrad des Turbo-Laders führt, so daß bei kleinen Maschinendrehzahlen die Drehzahl des Turbinenlaufrades schnell erhöht werden kann, ohne daß hohe Auspuffgasdrücke bei schnellem Lauf der Maschine induziert werden. Ein solcher Kompromiß kann in der Praxis jedoch nicht verwirklicht werden, so daß es ω notwendig ist, eine Turbine kleiner Leistung zu verwenden und Auspuffgase in einem Bypaß um die Turbine herumzuführen, wenn sehr hohe Auspuffgasdrücke in der Auspuffleitung der Maschine herrschen und/oder wenn die Drehzahl des Turbinenlaufrades bis zu einem Wert ansteigt, bei dem ein übermäßiger Ladedruck in der Einlaßleitung erzeugt wird. Die Verwendung einer solchen Anordnung mit Bypaß zum Umleiten der Auspuffgase um die Turbine ist jedoch vom Standpunkt der Energieverwertung der Energie der Auspuffgase nicht wünschenswert.

Bei einer bekannten Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art (FR-PS 2088 885) wird die Leistung der Turbine mittels eines Leitflügels variiert, der am Spiralgehäuse in den Einlaßkanal radial narh außen oder in entgegengesetzter Richtung zum Turbinenlaufrad hin schwenkbar ausgebildet ist Bei dieser bekannten Vorrichtung muß das Spiralgehäuse zum Einbau des Leitflügels unterteilt werden. Die Oberflächen des Spiralgehäuses auf jeder Seite des Leitflügels müssen präzisionsbearbeitet werden, um das erforderliche Spiel zwischen dem Leitflügel und dem Spiralgehäuse zu schaffen. Dies macht die Konstruktion und die Herstellung der Turbine sowohl kompliziert als auch teuer. Außerdem ergeben sich funktioneile Schwierigkeiten insofern, als aufgrund der hohen Temperaturen und Drücke, welche im Spiralgehäuse im Betrieb der Brennkraftmaschine herrschen, der Leitflügel sich verformen und entweder festklemmen oder im schlimmsten Fall in einem solchen Maße verwinden kann, daß er in Kontakt mit dem Turbinenlaufrad kommt Ferner kann die den Leitflügel lagernde Schwenkachse aufgrund der sehr bQhen Temperaturen festfressen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Art zu schaffen, die einfach im Aufbau ist eine einfache Montage und Herstellung zuläßt und im Betrieb nicht verklemmen kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 vorgesehen.

Aufgrund der Profilierung am Schaft selbst und der besonderen Anordnung des Schaftes so nahe bezüglich des Strömungskanales, daß er durch eine Verlagerung mit unveränderter Achsenlage mit der Profilierung in den Strömungskanal und aus diesem herausbewegbar ist wird ein zusätzlicher Leitflügei vermieden. Der Schaft läßt sich in sehr einfacher Weise lagern, wobei seine Lagerstellen entfernt von den heißen Abgasen sind und folglich ein Fressen vermieden ist. Die Montage ist sehr einfach durch Einstecken des Schaftes in Lagerhülsen bzw. im Spiralgehäuse vorgesehene Bohrungen, so daß sich eine aufwendige Teilung und Bearbeitung des Spiralgehäuses erübrigt

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind ir. den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführung der Erfindung;

F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie IV-IV in F i g. 1;

Fig.3 vorteilhafte Gestaltungen der Schaftspitze eines Schaftes, weicher einen wesentlichen Bestandteil der Erfindung bildet;

Fig.4 ein Diagramm, in welchem die bezogene Strömungsmenge über dem Druckverhältnis dargestellt ist, wodurch die Veränderung der Turbinenleistung einer mit der Vorrichtung nach der Erfindung ausgestalteten Turbine illustriert wird;

Fig.5 einen Schnitt durch eine zweite Ausführung nach der Erfindung;

Fig.6 einen Schnitt durch eine dritte Ausführung nach der Erfindung; und

Fig. 7 einen Schnitt durch eine vierte Ausführung nach der Erfindung.

In den Fig. I und 2 ist eine erste Ausführung einer

Vorrichtung gemäß der Erfindung gezeigt Bei dieser Vorrichtung ist ein Schaft 10 das Spiralgehäuse 12 durchsetzend angeordnet und hin- und herbeweglich in Hülsen 14, 16 gelagert Die Hülse 16 ist unmittelbar benachbart des abstromseitigen Endes bzw. der Zunge 18 des Spiralgehäuses angeordnet, so daß eine Profilierung in Gestalt einer geformten Spitze 20 des Schaftes 10 in den Strom der Auspuffgase unmittelbar vor deren Eintreten in das Turbinenlaufrad 22 vorgeschoben werden kann. Wie am besten aus F i g. 1 erkennbar ist, werden die Auspuffgase auf ein Vorschieben des Schaftes mittels einer Betätigungsvorrichtung 24 unter Ausschieben der Spitze 20 aus der Hülse 16 heraus um das größtmögliche Maß so abgelenkt, wie es der Pfeil in F i g. 1 zeigt, wobei die gesamten, in dem durch die Innenwand und die gestrichelte Linie in F i g. 1 begrenzten Hohlraum strömenden Auspuffgase in das Laufrad 22 hinein gerichtet werden. Somit kann bei niedriger Maschinendrehzahl, wobei die geförderte Abgasmenge relativ gering ist, das Turbinenlaufrad 22 durch die darauf gerichteten Hochgeschwindigkeitsgase angetrieben werden, um adäquate Drehmomente zu erzeugen und dadurch die Maschine mit einem angemessenen Ladedruck aufzuladen. Sobald jedoch die von der Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) abgegebene Abgasmenge ansteigt und sich einen Wert nähert bei welchem das Laufrad 22 mit einer übermäßigen Drehzahl angetrieben würde, kann der Schaft 10 zurückgezogen werden, um das Maß des Hereinragens der Spitze 20 in den Strömungskanal des Spiralgehäuses zu verringern. Aufgrund der entsprechend verringerten Ablenkung der Auspuffgase können nun die normal umgelenkten Auspuffgase im Spiralgehäuse zirkulieren, ohne das Laufrad 22 zu beaufschlagen, so daß die Umwandlung der im Auspuffgas enthaltenen Energie in kinetische Energie teilweise verringert wird.

Um das Maß des Hineinragens der Spitze 20 in das Spiralgehäuse steuern zu können, kann eine Betätigungsvorrichtung 24 von bekannter Bauart verwendet werden. Die Betätigungsvorrichtung kann von einem aus einer Vielzahl ausgewählten Betriebsparameter, wie von der Turbinen-Drehzahl, dem Druck im Spiralgehäuse, der Masciiinendrehzahl o.dgl. abhängig gesteuert werden.

Fig.3 zeigt drei mögliche Spitzenformen. Diese Formen sinii so gewählt, daß sie eine sanfte, turbulenzfreie Strömungsablenkung aus Gründen gewährleisten, die dem Fachmann auf diesem Gebiet klar sind.

Das in Fig.4 gezeigte Diagramm illustriert die Veränderung der Turbinenleistung, die sich einstellt wenn der Schaft mit Spitze 20 aus der maximal vorgeschobenen Stellung in eine Stellung zurückgezogen wird, in welcher die Spitze 20 überhaupt nicht in die

ίο Strömung im Spiralgehäuse hineinragt In diesem Diagramm, in welchem die bezogene oder standardisierte Strömungsmenge über dem Druckverhältnis dargestellt ist, repräsentiert die Kurve A die Turbinenleistung bei voll ausgeschobener Schaftspitze. Die Kurve B repräsentiert die Turbinenleistung bei nicht ausgeschobener Schaftspitze, d.h. bei vollkommen zurückgezogenem Schaft Wenn demgemäß die Spitze bei einem beliebigen Druckverhältni* ausgeschoben wird, nimmt die die Turbine beaufschlagende Strömungsmenge zu.

Fig.5 zeigt eine zweite Ausführung der Erfindung. Bei dieser Ausführung ist der Schaft 10 im wesentlichen parallel zur Drehachse des Turbinenlaufrades 22 angeordnet. Diese Ausführung hat die Vorteile, daß nur eine einzige Hülse 26 erforderlich ist und daß der Schaft nur zu einem geringen Bruchteil den heißen eintretenden Auspuffgasen ausgesetzt ist Die Wirkung dieser Anordnung ist identisch mit derjenigen nach der ersten Ausführung.

Fig.6 zeigt eine dritte Ausführung der Erfindung. Dabei ist der Schaft 10 unter einem Winkel geneigt zur Drehachse des Turbinenlaufrades 22 angeordnet Wiederum erfordert diese Anordnung nur eine einzige Hülse 26 zur Lagerung, und der Schaft wird mit Ausnahme der Spitze nicht den Auspuffgasen ausgesetzt

F i g. 7 zeigt eine vierte Ausführung der Erfindung. Bei dieser Ausführung ist der Schaft 28 im Gegensatz zu den hin- UD-I herbeweglichen Schäften der bisher behandelten Ausführungen drehbar angeordnet, und die Profilierung ist durch eine Nut 30 gebildet. Der Schaft 28 ist mittels einer Betätigungsvorrichtung drehbar, und die Form der Nut 30 ist so gewählt, daß das Maß der Ablenkung der Auspuffgase ähnlich wie bei den vorher behandelten Ausführungsformen verändert wird.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Verändern des Leistungsvermögens einer Radialturbine mit einem Spiralgehäuse (12) und einem Turbinenlaufrad (22), das am abstromseitigen Ende des Spiralgehäuses angeordnet ist, sowie einem Schaft (10; 28), der mit einem geformten Abschnitt (20) so am abstromseitigen Ende des Spiralgehäuses beweglich angeordnet ist, daß er mittels des geformten Abschnittes (20) das im Strömungskanal des Spiralgehäuses strömende Fluid abhängig von gemessenen Betriebsparametern ablenken kann, dadurch gekennzeichnet, daß der geformte Abschnitt durch eine Profilierung (20; 30) am Schaft (10; 28) selbst innerhalb der Projektion seiner Querschnittsfläche gebildet ist, und daß die Profilierung durch eine Verlagerung bei unveränderter Achsenlage des Schaftes in den Strömungsfeg des Fluids und aus diesem heraus bewegbar ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (10) in seiner Achsrichtung beweglich ist und daß der geformte Abschnitt von einer profilierten Spitze (20) an einem Ende des Schaftes gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (10) sich durch das Spiralgehäuse (12) im wesentlichen normal zur Drehachse des Turbinenlaufrades (22) erstreckt.

4. Vorrichijng nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (1(% unter einem Winkel bezüglich der Drehachse des Turbinenlaufrades (22) geneigt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (28) um seine Achse drehbar angeordnet und der geformte Abschnitt von einer Nut (30) im Schaft (28) gebildet ist.