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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Zuführen von
Dichtungsluft zu einer Abgasturbine eines Verbrennungsmotors.
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Bei
einem sogenannten Turbo-Compound-Motor treiben Abgase eines Verbrennungsmotors
die Turbine eines Turboladers an und zusätzlich auch eine nachgeschaltete
Abgasturbine (Nutzturbine), welche Energie der Abgase über ein
mechanisches oder hydrodynamisches Getriebe an die Kurbelwelle des
Verbrennungsmotors überträgt, wodurch
dessen Wirkungsgrad erhöht
wird und der Kraftstoffverbrauch verringert wird. Die Turbo-Compound-Technik
wird zunehmend auch bei Lastkraftwagen eingesetzt.
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Problematisch
ist die Abdichtung der Welle der Abgasturbine (Nutzturbine), deren
eines Ende im Abgasrohr des Verbrennungsmotors liegt und deren anderes
Ende in einem demgegenüber
abgedichteten Getriebegehäuse
für das
mechanische und/oder hydrodynamische Getriebe. Aufgrund der hohen Drehzahlen
der Abgasturbine und der hohen Temperaturen der Abgase des Verbrennungsmotors
sind diese Dichtungen hohen Beanspruchungen ausgesetzt. Die Dichtungen
sollen sowohl verhindern, daß Schmieröl des Getriebes
in das Abgasrohr gelangt und andererseits, daß Abgase in das Getriebegehäuse gelangen.
Die Turbinenwelle hat daher zwei Dichtungen, nämlich eine erste Dichtung zum
Abgasrohr und eine zweite Dichtung zum Inneren des Getriebegehäuses, wobei
zwischen beiden Dichtungen ein Hohlraum angeordnet ist.
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Zur
Verbesserung der Abdichtung schlägt die
eingangs genannte
EP
1 404 952 B1 bereits vor, den Hohlraum zwischen diesen
beiden Dichtungen mit Druckluft zu beaufschlagen. Diese Druckluft
wird bei einem Lkw dessen Druckluftsystem entnommen, das auch die
Druckluft für
die Bremsanlage des Lkw bereitstellt und üblicherweise einen Drucklufterzeuger
bzw. Kompressor und einen Druckluft-Vorratsbehälter aufweist.
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Hieraus
ergeben sich die Anforderungen, daß einerseits ein ausreichender Überdruck
zwischen den beiden Dichtungen aufrechterhalten wird und andererseits
der Druckluftverbrauch möglichst gering
ist.
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Die
EP 1 404 952 B1 schlägt daher
zur Regelung des Dichtungsdruckes ein Abgasdruckregelgerät vor, das über eine
Druckluftleitung mit einer Druckluftquelle verbunden ist, die über ein
Prioritäten setzendes
Ventil und eine zu den Dichtungen führende Fluidleitung parallel
zu dem Lagergehäuse
angeschlossen werden kann. Das Prioritäten setzende Ventil sorgt dafür, daß bei normalem
Maschinenbetriebszustand Dichtungsluft aus dem Maschineneinlaßkrümmer gefördert wird,
während
bei geringerer Maschinenlast Dichtungsluft aus dem Druckluftsystem
des Fahrzeuges zugeführt
wird. Hierdurch kann der Luftverbrauch aus dem Druckluftsystem des Fahrzeuges
reduziert werden, da bei normalem Betriebszustand die Dichtungsluft
vom Maschineneinlaßkrümmer entnommen
wird und somit das Druckluftsystem des Fahrzeuges nicht belastet.
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Diese
bekannte Vorrichtung ist jedoch aufgrund des Abgasdruckregelgerätes, das
im Abgasstrang angeordnet ist, relativ aufwendig.
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Das
Prioritäten
setzende Ventil ist im Prinzip ein Select-High-Ventil, das den höheren von
zwei Eingangsdrücken
als Dichtungsdruck auswählt.
Der eine Druck ist dabei der Druck des Motoreinlaßkrümers und
der andere ist ein durch ein zusätzliches Regelventil
geregelter Druck aus dem Druckluftsystem des Fahrzeuges.
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Die
DE 20 2004 005 908
U1 zeigt ein Druckregelventil mit einer ersten Kammer,
die mit einem Einlaß verbunden
ist und einer zweiten Kammer, die mit einem Auslaß verbunden
ist. Ein von einer ersten Feder belasteter verschieblicher Kolben
ragt mit einer Kolbenstange in die erste Kammer hinein und steht
mit einer in der ersten Kammer angeordneten Manschette in Berührung. Die
Manschette wirkt mit einem Ventilsitz zusammen, der bei Erreichen
eines vorbestimmten Druckes in der zweiten Kammer einen Durchlaß zwischen
der ersten und der zweiten Kammer absperrt. Die Manschette ist durch
eine zweite Feder in Richtung zu dem Kolben vorgespannt, wobei die
Kraft der zweiten Feder kleiner ist als die der ersten Feder. Die
Kolbenstange hat eine durchgehende Bohrung, die mit einem Federraum der
ersten Feder in Verbindung steht, über den Druckluft zur Atmosphäre abgelassen
werden kann, wenn der Druck in der zweiten Kammer einen durch die
erste Feder einstellbaren Druck erreicht hat.
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Aus
der
DE 1 843 067 U ist
es bekannt, ein elektrisch-schaltbares Magnetventil im Gehäuse eines
drucksteuernden, pneumatisch betätigten
Ventils anzuordnen.
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Aus
Kulke, W. (Herausgeber): Fertigungstechnik Metall. 3., unveränderte Auflage.
Berlin: VEB Verlag Technik, 1975, Seite 107 sind sog. Snap-in-Verbindungen zur
formschlüssigen
Verbindungen zweier Bauteile bekannt, von denen eines durch elastische
oder plastische Verformung in oder auf den anderen befestigt wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, den Druck der Dichtungsluft einer Abgasturbine
eines Turbo-Compound-Motors in einfacher und effizienter Weise einzustellen,
unter Verwendung eines einfach und kompakt aufgebauten Druckbegrenzungsventils.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Die
Erfindung schafft somit eine Vorrichtung mit einem elektrisch-schaltbaren
Druckbegrenzungsventil, das bei Bedarf ein- oder ausgeschaltet werden kann
und im eingeschalteten Zustand einen voreingestellten Druck als
Dichtungsdruck für
die Dichtung einer Abgasturbine liefert.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang
mit der Zeichnung ausführlicher
erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
Schnittzeichnung eines Druckbegrenzungsventils nach der Erfindung
im Zusammenhang mit einer Abgasturbine.
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In 1 ist
schematisch ein Abgasrohr 1 einer Verbrennungskraftmaschine
gezeigt, in welchem ein erstes Turbinenrad 2 für einen
Turbolader angeordnet ist. Das Turbinenrad 2 treibt ein
zweites Turbinenrad 3 an, das in bekannter Weise als Verdichter für Ladeluft
dient, die über
ein Frischluftrohr 4 aus der Umgebung angesaugt und dem
Motor als Verbrennungsluft zugeführt
wird.
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Weiter
ist im Abgasrohr 1 ein drittes Turbinenrad 5 angeordnet,
das eine ”Nutzturbine” bildet und üblicherweise
stromabwärts
des ersten Turbinenrades 2 für den Turbolader angeordnet
ist. Das dritte Turbinenrad 5, das im Folgenden als Abgasturbine
bezeichnet wird, ist an einer drehbaren Welle 6 befestigt,
die in einem Getriebegehäuse 7 gelagert ist,
wobei im Innenraum 8 des Getriebege häuses 7 ein mechanisches
und/oder hydrodynamisches Getriebe angeordnet ist, das hier nur
durch ein Zahnrad 9 angedeutet ist. Das Getriebe ist in
bekannter Weise mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle des ebenfalls
nicht dargestellten Motors verbunden.
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Der
Innenraum 8 des Getriebegehäuses 7 muß gegenüber dem
Abgasrohr 1 abgedichtet sein. Hierzu sind an der Welle 6 zwei
in Axialrichtung der Welle 6 gegeneinander versetzt angeordnete
Dichtungen 10 und 11 vorgesehen, zwischen denen
ein Hohlraum 12 vorgesehen ist, der mit Druckluft beaufschlagt
werden kann.
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Bei üblichen
Dieselmotoren herrscht im Innenraum 8 des Getriebegehäuses gegenüber der Außenluft
ein geringer Überdruck,
da der Innenraum 8 normalerweise mit dem Kurbelgehäuse des
Motors verbunden ist. Ebenso herrscht im Abgasrohr 1 ein Überdruck
gegenüber
der Umgebungsluft. In der Praxis wird der Hohlraum 12 daher
mit einem Luftdruck in der Größenordnung
von 0,45 bar und einer Toleranz von +/– 0,1 bar beaufschlagt, bei
einem Volumenstrom von ca. 2 l/min. In der Praxis sind die beiden
Dichtungen 10 und 11 als Kolbenringe ausgeführt, was
für die
hohen Drehzahlen der Abgasturbine 5 zweckmäßig ist.
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Die
dem Hohlraum 12 zugeführte
Druckluft wird von einem Druckbegrenzungsventil 13 über eine Leitung 14 zugeführt. Die
Druckluft stammt aus einem Druckluftsystem des Fahrzeuges, das üblicherweise
einen Kompressor 15 und einen Vorratsbehälter 16 aufweist,
wobei das Druckluftsystem auch zum Betrieb der Fahrzeugbremse und
ggf. weitere pneumatische Antriebe verwendet wird und der Kompressor 15 vom
Motor angetrieben wird.
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Das
Druckbegrenzungsventil 13 hat einen Eingang 17,
der mit dem Vorratsbehälter 16 verbunden
ist und einen Ausgang 18, der über die Leitung 14 mit
dem Hohlraum 12 des Getriebegehäuses 7 verbunden ist.
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Das
Druckbegrenzungsventil 13 ist als elektrisch ein- und ausschaltbares
Druckbegrenzungsventil ausgebildet. Der Eingang 17 ist
mit einem Magnetventil 19 verbunden, das elektrisch ansteuerbar ist
und einen Ventilsitz 20, der mit dem Einlaß 17 verbunden
ist, öffnet
oder schließt.
Im stromlosen Zustand des Magnetventils 19 ist der Ventilsitz 20 geschlossen
und im eingeschalteten Zustand geöffnet.
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Der
Ventilsitz 20 des Magnetventils 19 ist über eine
Kolbenstange 21 mit einem Magnetanker 22 verbunden,
der durch eine Feder 23 in Schließrichtung vorgespannt ist.
Rings um den Magnetanker 22 ist eine Erregerwicklung 24 angeordnet,
die beim Schließen
eines externen Schalters elektrischen Strom über Anschlüsse 25 zuführt und
damit ein Magnetfeld erzeugt, das den Magnetanker 22 gegen
die Kraft der Feder 23 verschiebt und dadurch den Ventilsitz 20 öffnet.
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Vom
Ventilsitz 20 des Magnetventiles 19 führt eine
Leitung 26 zu einer ersten Kammer 27, in welche
eine Kolbenstange 28a eines Kolbens 28 hineinragt,
der durch eine Feder 29 in Richtung zur ersten Kammer 27 hin
vorgespannt ist. In der ersten Kammer 27 ist eine im Querschnitt
U-förmige
Manschette 30 angeordnet, die durch eine weitere Feder 31 gegen
eine Stirnfläche
der Kolbenstange 28a vorgespannt ist. Die Kolbenstange 28a ragt
durch eine Trennwand 32 hindurch, die die erste Kammer 27 von einer
zweiten Kammer 33 trennt, wobei die beiden Kammern 27 und 33 über einen
Durchlaß 34 miteinander
in Verbindung stehen. Der Durchlaß 34 ist durch einen
Ventilsitz 35 absperrbar, in Zusammenwirken mit einer Ventilfläche 36 an
der Manschette 30.
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Die
zweite Kammer 33 ist mit dem Auslaß 18 verbunden.
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Der
Kolben 30 ist durch einen O-Ring 37 gegenüber einem
Gehäuse 38 des
Druckbegrenzungsventils 13 abgedichtet. Seine wirksame
Kolbenfläche liegt
in der zweiten Kammer 33.
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In
das Gehäuse 38 ist
ein Zwischenelement 39 eingesetzt, das die Trennwand 32 enthält, wobei das
Zwischenelement 39 ebenfalls über einen O-Ring 40 gegenüber dem
Gehäuse 38 abgedichtet ist.
Schließlich
ist in das Gehäuse 38 ein
Verschlußelement
(Schließelement 41)
eingesetzt, das über
einen O-Ring 42 gegenüber
dem Gehäuse 38 abgedichtet
ist. Das Zwischenelement 39 und das Schließelement 41 bilden
zusammen die erste Kammer 27 und auch einen Abschnitt der
Leitung 26, die von dem Magnetventil 19 zur ersten
Kammer 27 führt.
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Das
Zwischenelement 39 und das Schließelement 41 sind durch
Rasthaken 43 miteinander verbunden. Weiter hat das Schließelement
eine topfartige Führung 44 für die Feder 31 und
für die
Manschette 30, die die topfartige Führung 44 außen übergreift.
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Am
Boden der Kolbenstange 28a ist eine Öffnung 46 vorgesehen, über die
die erste Kammer 27 mit einer dritten Kammer 48 verbunden
ist, in welcher die Feder 29 angeordnet ist. Die dritte
Kammer 48 ist über
eine Öffnung 45 mit
Atmosphäre
verbunden.
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Im
folgenden wird die Arbeitsweise des Druckbegrenzungsventils 13 beschrieben.
Ist das Magnetventil 19 stromlos, so ist der Ventilsitz 20 geschlossen
und Druckluft von dem Vorratsbehälter 16 kann
nicht zu den Kammern 27 und 33 und zum Auslaß 18 des
Druckbegrenzungsventils 13 gelangen.
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Wird
das Magnetventil 19 eingeschaltet, was beispielsweise durch
Einschalten der Zündung
des Fahrzeuges erfolgen kann, so öffnet das Magnetventil 19 den
Ventilsitz 20 und Druckluft von dem Vorratsbehälter 16 gelangt
in die erste Kammer 27 und von dort über den Durchlaß 34 in
die zweite Kammer 33. Durch den Druck in der zweiten Kammer 33 wird
der Kolben 28 gegen die Kraft der Feder 29 verschoben, wobei
die Manschette 30 durch die Feder 31 dieser Bewegung
folgt, so lange bis die Ventilfläche 36 der Manschette 30 gegen
den Ventilsitz 35 an der Trennwand 32 zur Anlage
kommt. Hierdurch werden dann die beiden Kammern 27 und 33 voneinander
getrennt und der Druck in der zweiten Kammer 33 kann nicht mehr
weiter ansteigen. Über
die Verbindung der zweiten Kammer 33 mit der Leitung 14 wird
dieser Druck dem Hohlraum 13 zwischen den beiden Dichtungen 10 und 11 zugeführt.
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Sinkt
der Druck in der zweiten Kammer 33 durch Luftverbrauch
an den Dichtungen 10 und 11 ab, so drückt die
Feder 29 den Kolben 28 in Richtung zur ersten
Kammer 27, wodurch ebenfalls die Manschette 30 verschoben
wird und den Ventilsitz 35 wieder öffnet, so daß Druckluft
von dem Vorratsbehälter 16 nachströmen kann
und wiederum zur zweiten Kammer 33 gelangt.
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Somit
wird der Druck in der zweiten Kammer 33 und damit auch
in dem Hohlraum 12 zwischen den beiden Dichtungen 10 und 11 auf
einen vorbestimmten Wert geregelt, wobei dieser Wert durch die wirksame
Kolbenfläche
des Kolbens 28 und die Kraft der beiden Federn 29 und 31 bestimmt
ist. Eine gewisse Hysterese wird durch die Reibung zwischen dem
Kolben 29 und dem Gehäuse 38 und
dem O-Ring 37 bewirkt sowie durch eine gewisse Reibung
zwischen der Manschette 30 und der topfartigen Führung 44.
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Sollte
der Druck in dem Hohlraum 12 aufgrund Undichtigkeiten der
Dichtungen 10 oder 11 und des Druckes im Abgasrohr 1 oder
dem Innenraum 8 des Getriebegehäuses über einen vorbestimmten Wert
ansteigen, so wirkt dieser Druck über den Ausgang 18 in
die zweite Kammer 33 zurück und hebt den Kolben 28 gegen
die Kraft der Feder 29 an. Dadurch öffnet der Ventilsitz 36 zwischen
der Kolbenstange 28a und der Manschette 30, so
daß der
Druck von der zweiten Kammer 33 in die dritte Kammer 48 und über die Öffnung 45 zur
Atmosphäre
hin abfließen
kann. Der Ventilsitz 35, 36 ist dabei geschlossen. Ist
dieser Überdruck
wieder abgebaut, so drückt
die Feder 29 den Kolben 28 wieder nach unten gegen
die Manschette und schließt
den Ventilsitz 35, 36. Damit ist eine zusätzliche
Druckbegrenzungsfunktion realisiert, die auf einem etwas höheren Druckniveau
liegt und so verhindert, daß der
mit Druckluft zu beaufschlagende Raum 12 bei der Nutzturbine
mit einem zu hohen Druck versorgt wird, was zu einem erhöhten Verschleiß der Kolbenringe
und so zum Ausfall des Turbo-Compound
führen
könnte.