DE3047249A1

DE3047249A1 - Turbolader fuer einen verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE3047249A1
Application number: DE19803047249
Authority: DE
Inventors: Ken Yokohama Yamane
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1979-12-27
Filing date: 1980-12-16
Publication date: 1981-09-03
Also published as: GB2066365A; JPS5697532U

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Turbolader für Verbrennungsmotoren und insbesondere einen mit einem Abgasbypass-System versehenen Turbolader, um eine überdrehung der Turbine zu verhindern.

Abgasbypass-Systeme werden bei Turboladern für Verbrennungsmotoren vorgesehen, um eine überdrehung des Turboladers und damit eine überrnäss.ige Zunahme des Ausgangsdruckes des Turboladers zu verhindern. Hierzu wird das Abgas durch einen Bypasskanal, der an der Turbine des Turboladers vorbeiführt, geleitet, wenn der'erfasste Druck,ζ.Β. der Ausgangsdruck des Verdichters oder der Abgasdruck am Einlass der Turbine, bei hoher Drehzahl des Motors einen bestimmten Wert überschreitet.

Ein herkömmliches Turbinengehäuse für einen solchen Turbolader mit einem Abgasbypasskanal besteht aus zwei Blöcken, einem Hauptteil und einem Gehäuseelement für den Auslass des Abgases, die miteinander verschraubt sind. Eine solche Ausbilduncr des Turbinengehäuses ist jedoch nachteilig, da die heisscn/in den Bypasskanal geleiteten Abgase leicht hohe Wärmespanriungen aufgrund einer nicht gleichförmigen Temperaturverteilunc) hervorrufen können, was die Dichtung zwischen den Berührungsflächen an dem Hauptteil des Turbinengehäuses und dem Gehäuseelement für den Abgasauslass beeinträchtigt.

Ein Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung von einem Turbolader mit einem Abgasbypass-System, das so ausgelegt ist, dass der Leckaustritt von Abgasen zuverlässig verhindert wird.

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Erfindungsgemäss besteht das Turbinengehäuse, welches das Turbinenrad des Turboladers umgibt, aus einem einzelnen Block. Das einblockige Turbinengehäuse ist mit einem Abgasführungskanal oder einer Führungspassage zum Zuleiten der Abgase vom Motor zu dem Turbinenrad, einem Abgaaauslasskanal oder einer Passage zum Ableiten der Abgase vom Turbinenrad zu einem Auslassrohr und einem Abgasbypasskanal oder Passage versehen ist, welche den Abgasführungskanal mit dem Abgasauslasskanal verbindet, so dass die Abgase am Turbinenrad vorbeigeführt werden können- An einem Einlassbereich des Bypasskanales ist ein Bypassventil angeordnet, das die Strömung der Abgase durch den Bypasskanal steuert. Das Turbinengehäuse ist ferner mit einer Bohrung an einer Stelle der Turbinengehäusewand versehen, die dem Ventilsitz des Bypassventiles zugewandt liegt, um einen Zutritt zu den eingeschlossenen Teilen zu erhalten. Diese Bohrung ist luftdicht mit einem Dichtungselement abgedeckt.

Zusammengefasst wird durch die Erfindung eine Turbine für einen Turbolader an einem Verbrennungsmotor geschaffen, die ein Turbinengehäuse aufweist, in dem ein Abgasführungskanal, der die Abgase von dem Motor ?um Turbinenrad leitet, ein Abgasauslasskanal und ein Abgasbypasskanal ausgebildet sind, so dass die Abgase am Turbinenrad vorbeigeführt werden können. In dem Bypasskanal ist ein Bypassventil angeordnet, um die Strömung durch den Bypasskanal zu steuern und damit einen übermässigen Anstieg des Ausgangsdruckes des Turboladers zu verhindern. Das Turbinengehäuse ist in Form eines einzelnen Einheitskörpers ausgebildet und mit einer Bohrung versehen, die einen Zutritt zum Sitzbereich des Bypassventiles für die Vornahme von maschinellen Bearbeitungen ergibt. Die Bohrung im Turbinengehäuse wird von einem Blinddeckel oder einem Ventilführungselement, das eine Welle des Bypassventiles aufnimmt, abgedichtet.

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Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine geschnittene Ansicht von einem Hauptteil eines herkömmlich aufgebauten Abgasbypass-Systems an einem Abgasturbolader,

Ficj. 2A eine Seitenansicht von einem erfindungsgemäss aufgebauten Turbinengehäuse,

Fig. 2B eine geschnittene Ansicht des Turbinengehäuses längs der Schnittlinie X-X in Fig. 2A,

Fig. 3A eine teilweise geschnittene Ansicht von einer Ausführungsform der Erfindung, bei der als Bypassventil ein Schwenkventil vorgesehen ist,

Fig. 3B eine geschnittene Ansicht längs der Schnittlinie Y-Y in Fig. 3A,

Fig. 4 teilweise geschnittene Ansichten von anderen Ausführungsformen der Erfindung, bei denen als Bypassventil ein hin- und hergehendes Ventil vorgesehen ist.

Zunächst wird in Verbindung mit Fig. 1 kurz auf den Aufbau eines herkömmlichen Turbinengehäuses von einem Abgasturbolader mil einom Abgasbypass-System Bezug genommen. Nach Fig. 1 umfasst cas Turbinengehäuse 1 einen Gehäusehauptteil 2, der den Umfang von einem Turbinenrad 3 umgibt und in dem ein Abgasführungskanal 4 ausgebildet ist. Das Turbinengehäuse 1 umfasst weiter ein seitliches Auslasselement 5 für das Abgas mit einen darin befindlichen Abgasbypassventil 6,das an einer Bypasseinlassöffnung 7 von einem Abgasbypasskanal 8 angeordnet ist. Der Kanal 8 verbindet den Führungskanal 4 mit einem Auslasskanal 9 für das Abgas. Diese beiden Elemente des Turb.Lnengehäuses, nämlich das Gehäusehauptteil 2 und das

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seitliche Auslasselement 5, sind durch Schrauben miteinander verbunden. Ein Turbolader mit dem herkömmlichen Aufbau bereitet jedoch Probleme. Wenn das Bypassventil geöffnet steht, werden die heissen Abgase von der Einlassöffnung 7 ausgestossen und verteilen sich über einen Bereich des seitlichen Auslasselementes 5, was zu einem grossen Temperaturunterschied zu anderen von dem beaufschlagten Bereich beabstandeten Stellen führt. Diesergrosse Temperaturunterschied erzeugt hohe Wärmespannungen, die gegebenenfalls die Wirkung der Dichtung an den Berührungsflächen zwischen Gehäusehauptteil und seitlichem Auslasselement herabsetzen, so dass ein Leckaustritt von Abgasen an dieser Stelle auftreten kann.

In Anbetracht dieses Problems wird nachfolgend auf Fig. 2 bis 5 Bezug genommen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind.

Fig. 2A und 2B zeigen ein Turbinengehäuse von einem erfindungsgemässen Turbolader. Das Turbinengehäuse 11 enthält einen spiralförmigen Abgasführungskanal· 12, der die Abgase von einem nicht gezeigten Abgasverteiler zum Umfang eines Turbinenrades 13 führt, einen Abgasauslasskanal 14, der die vom zentralen Teil des Turbinenrades austretenden Abgase zu einem nicht gezeigten mit der äusseren Kante des Turbinengehäuses verbundenen Abgasrohr leitet, und einen Abgasbypasskanal 15, der den Führungskanal mit dem Auslasskanal über eine Bypasseinlassöffnung 16 und ein Bypassventil Yl verbindet. Diese drei Kanäle sind in dem Turbinengehäuse 11, das einen einzelnen Einheitskörper darstellt, ausgebildet. In einer dem Ventilsitz 18 des Bypassventiles 17 zugewandten Wandung des Turbinengehäuses 11 ist eine Zutrittsbohrung 19 mit einem grösseren Durchmesser als der Durchmesser des Bypassventiles ausgebildet, um für die spanende Bearbeitung einen Zugang zu dem Ventilsitzbereich zu erhalten.

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Verschiedene Arten von Ventilen können für das Bypassväntil gemäss Fig. 3 bis 5 verwendet werden. In Fig. 3A und 3B ist ein Schwenkventil 22 im Turbinengehäuse 11 angeordnet und die Zutrittsbohrung 19 mit einem an der Aussenwand des Turbinengehäuses 11 angeschraubten Blinddeckel 23 verschlossen. In der oberen Endwand des Bypasskanales 15 ist eine weitere Bohrung 21 vorgesehen, durch die sich eine Welle 24 mit einer Wellenführung 25 erstreckt. Die Welle 24 ist um ihre Achse drehbar. Das untere in dem Turbinengehäuse liegende Ende der Welle ist fest mit einem Ende von einem ersten Arm 26 verbunden , dessen anderes Ende um die Achse der Welle 24 schwenkbar ist. Das schwenkbare Ende des ersten Armes 26 hat eine kleine Bohrung 28, in der ein Stift 29 am Schwenkventil 22 mit einem gewissen Spiel einsitzt, so dass das Schwenkventil 22 lose gehalten ist.

Das andere ausserhalb des Turbinengehäuses liegende Ende der Welle 24 ist fest mit einem Ende von einem zweiten Arm 31 verbunden. Das andere Ende des zweiten Armes 31 ist schwenkbar mit einem Ende von einer Stange 32 verbunden, deren anderes Ende in Verbindung mit der Membran 33 von einem Membranbetätigungsglied 34 steht. Das Membranbetätigungsglied 34 weist zwei Kammern auf, nämlich eine an der Seite der Stange 3 2 ausgebildete Luftkammer 3 5 und eine an der anderen Seite der Membran 33 ausgebildete Steuerkammer Die Luftkammer 3 5 steht mit der Atmosphäre in Verbindung und enthält eine Druckfeder 37. Die Steuerkammer 36 ist mit der Auslasseita für die Ansaugluft des Turboladurigs-verdichters über eine Leitung 38 verbunden, so dass der Ausgangsdruck (Uberladungsdruck) des Turboladers der Steuerkammer des Membranbetätigungsgliedes zugeführt wird. Die Membran ist so angeordnet, dass sie sich zusammen mit der an ihr befestigten Stange 32 in Fig. 3 nach rechts gegen die Kraft der Druckfeder 37 bewegt, wenn der Ausgangsdruck des Turboladers einen bestimmten Wert überschreitet. Dann erfährt

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der zweite Arm 31 eine Schwenkbewegung um die Achse der Welle 24, so dass sich die Welle 24 und dei erste Arm 26 gemeinsam verdrehen. Folglich schwingt das Ventil 22 nach rechts und gibt die Bypasseinlassöffnung 16 frei, so dass ein Teil der Abgase durch den Bypasskanal 15 strömen kann. Die Öffnungsweite des Bypassventiles 22 wird daher durch den Gleichgewichtszustand zwischen dem Ausgangsdruck des Turboladers und der Kraft der Druckfeder 37 bestimmt. Der Ausgangsdruck des Turboladers wird auf diese Weise durch die Einstellung der öffnungsweite des Bypassventiles 22 gesteuert.

Zwischen dem Schwenkventil 22 und dem ersten Aren 26 besteht ein aus der losen Verbindung resultierendes Spiel, und die Berührungsflächen von Ventilkopf 22 und Ventilsitz 18 sind flach, so dass das Ventil in dichtem Sitz mit dem Ventilsitz treten kann, um die Ventilöffnung zu schliessen. Das Ventil behält daher selbst dann eine ausreichende Funktion bei, wenn Dimensionsfehler, z.B. eine fehlerhafte Ausrichtung zwischen Ventilkopf und Bypasseinlassöffnung, bedingt durch die maschinelle Bearbeitung oder bei der Montage, vorliegen.

Der Blinddeckel 23 braucht zur Abdeckung der Zutrittsbohrung 19 keinen grösseren Durchmesser als notwendig zu haben und fängt gleichförmig die heissen in den Bypasskanal'einströmenden Abgase ab. Die Temperaturverteilung am Blinddeckel ist daher gleichmässig, so dass Wärmespannungen kaum auftreten. Diese Anordnung schafft daher eine zufriedenstellende Abdichtung an den Berührungsflächen zwischen Blinddeckel und Turbinengehäuse und verhindert zuverlässig einen Leckaustritt der Abgase zwischen den Berührungsflächen.

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Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform wird das Bypassventil von einer durch die Zutrittsbohrung 19 eingesetzten Welle gehalten. Ein Endabschnitt von einer Ventilführung 43 an einem Membranbetätigungsglied 44 sitzt luftdicht in der Zutrittsbohrung 19 ein und ist auf diese Weise am Turbinengehäuse 11 befestigt. In der Ventilführung 43 ist eine Bohrung 4 5 ausgebildet, die sich parallel zur Achse der Turbine erstreckt. In der Bohrung 4 5 der Ventilführung 43 ist eine Welle 46 über eine Büchse 48 so eingesetzt, dass die Welle 48 axiale Gleitbewegungen vornehmen kann. Die Welle 46 ist an ihrem einen Ende mit der Membran 49 und an ihrem anderen, in dem Turbinengehäuse liegenden Ende mit dem Kopf 50 von einem Plattenventil durch eine Universalverbindung 51 verbunden. Bei dieser Anordnung wird die Öffnungsw2ite des Bypassventiles durch den Gleichgewichtszustand zwischen dem Ausgangsdruck des Turboladers, der in der Steuerkammer 52 des Membranbetätigungsgliedes 4 4 anliegt, und der Kraft der in der Luftkammer 54 angeordneten Druckfeder 53 bestimmt. Die Durchflussmenge im Bypasskanal 15 wird auf diese Weise gesteuert, um den Ausgangsdruck des Turboladers zu steuern.

Bei dieser Ausführungsform ist die Wirksamkeit der Dichtung verbessert, da für die Ventilführung keine weitere Bohrung in der Wand des Turbinengehäuses vorgesehen werden braucht. Die den Venti]kopf tragende Universalverbindung 51 schafft einen flexiblem Sitz zwischen dem Ventilkopf und dem Ventilsitz selbst box Vorliegen von Dimensionsfehlern, z.B. infolge einer fehlerhaften Ausrichtung zwischen Ventilkopf 15 und Einlassöffnung 16 oder einer geneigten Lage der Welle 46.

Fig. 5 ze igt eine weitere Ausfuhrungsform, die sich von der Ausführur.gsfo.rm nach Fig. 4 in der Lage des Membranbetätigungsgliedes unterscheidet. Wie bei der Ausführungsform nach

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Fig. 4 ist eine Welle 56 durch eine Büchse 57 geführt und erstreckt sich durch eine Bohrung 58 in einer Ventilführung 59, die in der Zutrittsbohrung 19 des Turbinen«:ehäuses 11 einsitzt. Ein Ventilkopf 60 ist mit dem inneren Ende der Welle verknüpft. Ein Ende eines Hebels 62 wird schwenkbar von einem Teil der Ventilführung 59 gehalten, während das andere Ende des Hebels 62 an einem Ende von einer Stange 63 eines Membranbetätigungsgliedes 65, das den gleichen Aufbau wie das Membranbetätigungsglied 44 in Fig. 4 hat, angelenkt ist. An der mittleren Stelle des Hebels 62 ist ein Langloch 66 ausgebildet, in das ein am äusseren Ende der Welle 56 befestigter Stift 67 eingreift. Wonn bei dieser Anordnung der Ausgangsdruck des Turboladers ansteigt, bewegt sich die Stange 63 nach rechts, so dass das schwenkbare Ende des Hebels 6 2 eine Bewegung in UhrzeLgerrichtung erfährt und damit die Welle 56 unter öffnung des Bypassventiles nach rechts bewegt wird, wobei der Stift 67 an der Welle 56 längs des Langloches 66 gleitet. Die Längsrichtung des Langloches 66 steht senkrecht zur Achse der Welle 56, wenn das Ventil geschlossen ist, so dass auf die Welle durch den Stift 67 keine Biegespannungen einwirken.

Wenn die Abgastemperatur hoch ist oder um das Turbinengehäuse ein nur geringer Raum zur Verfügung steht, kann es zweckmässig sein, das Betätigungsglied in Abstand von der Turbine gemäss Fig. 3 oder 5 anzuordnen. Wenn die Abgastemperaturen sehr schädliche Bestandteile enthalten, ist ein hin- und hergehendes Ventil gemäss Fig. 4 und 5 wegen seiner besseren Dichtwirkung vorteilhaft. Wenn die Abgase dickflüssige Materialien enthalten, kann die Welle von einem hin- und hergehenden Ventil leicht an den Umgebungsteilen anhaften, so dass für diesen Zweck ein Schwenkventil gemäss Fig. 3 bevorzugt wird. Wenn die Abgase trockene feine Partikel enthalten, wird ein hin- und hergehendes Ventil wegen seiner selbstreinigender Wirkung bevorzugt.

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Erfindungsgemäss sind der Abgasführungskanal, der Abgasauslasskanal und der Bypasskanal im Turbinengehäuse in Form eines einzelnen Blockes ausgebildet und ist die Zutrittsbohrung, die in einem Abschnitt des Turbinengehäuses eingebohrt ist,-der dem Sitz des Bypassventiles zugewandt liegt, um einen Zutritt zu dem Ventilsitzbereich für die maschinelle Bearbeitung zu erhalten, mit einem Dichtelement abgedichtet. Wenn daher das Bypassventil geöffnet steht, verteilen sich die heissen Abgase gleichmassig über den abgedichteten Bereich des Turbinengehäuses. Da ferner die Fläche des Dichtungselementes klein ist, wird eine gleichförmige Temperaturverteilung am Dichtungselement eingehalten, was zu einer verbesserten Wirkung der Dichtung führt. Daher erfährt der erhitzte Abschnitt des Bypasskanales, der direkt den heissen Abgasen ausgesetzt ist, im wesentlichen keine Verformung, so dass Bypassventile unterschiedlicher Bauart an dieser Stelle des Bypasskanales angeordnet werden können. Wenn die Zutrittsbohrung im Turbinengehäuse durch das Ventilführungselement des Bypassventiles, wie bei einer Ausführungsform der Erfindung, abgedichtet wird, ergibt sich eine vereinfachte Konstruktion mit einer geringeren Anzahl an abzudichtenden Stellen, wobei ferner einige Montageschritte eingespart werden.

Obgleich das Bypassventil durch den Ausgangsdruck des Turboladers bei den vorerwähnten Ausführungsformen gesteuert wird, kann die Steuerung des Bypassventiles auch seitens des Abgastlrucktis am Einlass der Turbine erfolgen.

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ORIGINAL INSPECTED

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Yokohama City, Japan

Turbolader für einen Verbrennungsmotor

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16. Dezember

PATENTANSPRÜCHE

Turbolader für einen Verbrennungsmotor, mit einem Verdichter zum Verdichten der Ansaugluft für den Motor und einer durch die Kraft der Abgase vom Motor angetriebenen Turbine zum Antrieb des Verdichters, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine aufweist:

ein Turbinenrad (13),

ein das Turbinenrad umgebendes. Turbinengehäuse, in dem ein die Abgase vom Motor zum Turbinenrad leitender Abgasführungskanal (12), ein Abgasauslasskanal (14) und ein Abgasbypasskanal (15) ausgebildet sini, der den Abgasführungskanal mit

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ORIGINAL INSPECTED

dem Abgasauslasskanal verbindet, so dass die Abgase am Turbinenrad vorbeigeleitet werden können, und

ein Bypassventil (17,22,50,60),das an einem Einlassabschnitt des Bypasskanales angeordnet ist, um die Strömung der Abgase durch den Bypasskanal zu regulieren, wobei

das Turbinengehäuse aus einem einzelnen Block besteht und mit einer Bohrung (19) an einem Bereich der Turbinengehäusewand versehen ist, der einem Sitzbereich des Bypassventiles zugewandt ist, um einen Zutritt zu dem Sitzbereich des Bypassventiles zu erhalten, wobei die Bohrung luftdicht von einem Dichtungselement (23,43,59) abgedeckt ist.

2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass ein Ventilbetätigungsglied (34, 44,65) mit dem Bypassventil· zu dessen Beaufschiagung verknüpft ist.

3. Turbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass das Bypassventil ein schwenkbares Ventil mit einer drehbaren Welle (24) ist, um einen Ventilkopf um die Achse der Welle zu verschwenken,und dass das Dichtungselement eine Blindplatte (23) ist.

4. Turbolader nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η -

ζ e i c r net, dass das Ventilbetätigungsglied ein Membranbetätigurgsglied mit einer Membran (33) ist, die eine Trennwanc zwischeneiner Steuerkammer (36, 52), in die der Ausgangscruck des Turboladers eingeführt wird, und einer Luftkammer (35, 54) vorsieht, welche mit der Atmosphäre in Verbirdung steht, und dass eine Druckfeder (37, 53) in der Luftrammer angeordnet ist, um die Membran in Richtung auf die Eteuerkammer gegen den darin anstehenden Druck vorzuspanner , wooei die Membran mit dem Bypassventil verknüpft ist, um aas Bypassventil· zu öffnen, wenn der Ausgangsdruck des Turboladecs einen bestimmten Wert überschreitet.

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5. Turbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet / dass das Bypassventil ein hin- und hergehendes Ventil mit einer hin- und hergehenden Welle (46, 56) ist, die einen Ventilkopf in Axialrichtung unter rechtem Winkel zur Ebene des Ventilsitzes bewegt, und dass das Dichtungselement eine Ventilführung (43, 59) mit einer Bohrung ist,, durch die die hin- und hergehende. Welle eingesetzt ist.

6. Turbolader nach Anspruch 5/ dadurch g ·2 kennzeichnet , dass das Mernbranbetätigungsg Lied an der Ventilführung befestigt ist,und dass die hin- und hergehende Welle direkt mit der Membran verknüpft ist.

7. Turbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass das Membranbetätigungsglied getrennt von der Ventilführung vorgesehen ist, wobei die Ventilführung einen an einem Ende drehbar gehaltenen Hebel (62) trägt, dessen anderes Ende an einer Stange (63) angelenkt ist, die mit der Membran in Verbindung steht, wobei der Hebel an einer mittleren Stelle ein Langloch aufweist, das gleitbar einen Endbereich der hin- und hergehenden Welle aufnimmt, um die Bewegung der Membran auf die hin- und hergehende Welle zu übertragen.

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