DE102015003296A1 - Exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine and method for operating such an exhaust gas turbocharger - Google Patents
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- F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas- turbine plants for special use
- F02C6/04—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (10) für eine Verbrennungskraftmaschine (10), insbesondere eines Kraftwagens, mit wenigstens einem Gehäuseelement (30) und mit wenigstens einem Leitungselement (32), über welches dem Gehäuseelement (30) ein Schmiermittel zuführbar ist, wobei wenigstens ein Erfassungselement zum Erfassen zumindest eines einen Betrieb des Abgasturboladers (20) charakterisierenden Werts und wenigstens ein Ventilelement (66) vorgesehen sind, mittels welchem das Leitungselement (32) in Abhängigkeit von dem Wert fluidisch versperrbar ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Abgasturboladers (20).The invention relates to an exhaust gas turbocharger (10) for an internal combustion engine (10), in particular of a motor vehicle, with at least one housing element (30) and with at least one conduit element (32) via which a lubricant can be supplied to the housing element (30), at least one Detection element for detecting at least one of an operation of the exhaust gas turbocharger (20) characterizing value and at least one valve element (66) are provided, by means of which the conduit element (32) is fluidically locked in dependence on the value, and a method for operating such an exhaust gas turbocharger (20 ).
Description
Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Abgasturboladers.The invention relates to an exhaust gas turbocharger according to the preamble of patent claim 1 and to a method for operating such an exhaust gas turbocharger.
Die Aufladung von Verbrennungskraftmaschinen hat sich mittlerweile sowohl bei Nutzfahrzeug- als auch bei Personenkraftwagen-Anwendung nahezu vollständig durchgesetzt. Im Rahmen einer solchen Aufladung wird die jeweilige Verbrennungskraftmaschine mittels wenigstens eines Abgasturboladers mit verdichteter Luft versorgt. Hierzu umfasst der Abgasturbolader eine Turbine, welche von Abgas der zugehörigen Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist. Mit der Turbine ist ein Verdichter gekoppelt, welcher über die Turbine und somit von dem Abgas antreibbar ist. Mittels des Verdichters wird der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft verdichtet.The charging of internal combustion engines has now been almost fully enforced in both commercial vehicle and passenger car application. As part of such a charge, the respective internal combustion engine is supplied by means of at least one exhaust gas turbocharger with compressed air. For this purpose, the exhaust gas turbocharger comprises a turbine, which can be driven by exhaust gas of the associated internal combustion engine. With the turbine, a compressor is coupled, which is drivable via the turbine and thus of the exhaust gas. By means of the compressor, the air supplied to the internal combustion engine is compressed.
Der Abgasturbolader umfasst ein Laufzeug, welches üblicherweise auch als Rotor bezeichnet wird. Ein solcher Rotor umfasst ein von dem Abgas anströmbares und dadurch antreibbares Turbinenrad, eine mit dem Turbinenrad drehfest gekoppelte Welle sowie ein mit der Welle drehfest gekoppeltes Verdichterrad zum Verdichten der Luft. Der Rotor ist dabei über die Welle an einem Gehäuseelement, insbesondere einem Lagergehäuse, des Turboladers um eine Drehachse relativ zu dem Lagergehäuse drehbar gelagert. Je nach Hubvolumen der als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschinen weisen solche Rotoren Drehzahlen zwischen 100.000 und 300.000 Umdrehungen pro Minute oder noch höhere Drehzahlen mit maximalen Umfangsgeschwindigkeiten von äußeren Schaufelbereichen zwischen 500 und 600 Metern pro Sekunde auf. Aus diesen Drehzahlen in Umfangsgeschwindigkeiten resultieren hohe Belastungen des Laufzeugs, insbesondere der Turbinenräder und der Verdichterräder. Daher bestehen prinzipiell höchste Anforderungen hinsichtlich der Gewährung der Sicherheit gegenüber sicherheitsrelevanten hohen Rotationsenergien.The exhaust gas turbocharger comprises a rotor, which is usually referred to as a rotor. Such a rotor comprises a turbine wheel which can be driven by the exhaust gas and thereby driven, a shaft which is non-rotatably coupled to the turbine wheel and a compressor wheel which is non-rotatably coupled to the shaft for compressing the air. The rotor is rotatably supported by the shaft on a housing element, in particular a bearing housing, of the turbocharger about an axis of rotation relative to the bearing housing. Depending on the stroke volume of the engine designed as a reciprocating internal combustion engine such rotors have speeds between 100,000 and 300,000 revolutions per minute or even higher speeds with maximum peripheral speeds of outer blade areas between 500 and 600 meters per second. From these speeds in circumferential speeds result in high loads of the running gear, in particular the turbine wheels and the compressor wheels. Therefore, there are in principle the highest requirements with regard to the granting of security against safety-relevant high rotational energies.
Ein solcher Abgasturbolader umfasst auch wenigstens ein Leitungselement. Das Leitungselement ist dabei von einem Schmiermittel, insbesondere Schmieröl, durchströmbar, so dass das Schmiermittel dem Gehäuseelement über das Leitungselement zuführbar ist. Das Schmiermittel dient beispielsweise zum Schmieren wenigstens eines Lagers, über das der Rotor am Lagergehäuse beziehungsweise am Gehäuseelement gelagert ist. Mit anderen Worten kann es sich bei dem Gehäuseelement um das Lagergehäuse handeln.Such an exhaust gas turbocharger also comprises at least one line element. In this case, the line element can be flowed through by a lubricant, in particular lubricating oil, so that the lubricant can be supplied to the housing element via the line element. The lubricant is used for example for lubricating at least one bearing, via which the rotor is mounted on the bearing housing or on the housing element. In other words, the housing element may be the bearing housing.
Kommt es dennoch zum Versagen, beispielsweise zum Bersten eines solchen Rotors, so sind Gehäuseelemente, in denen die jeweiligen Rotoren aufgenommen sind, vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sie in Folge des Versagens entstandene Rotorfragmente zurückhalten oder zumindest hinsichtlich ihrer Geschwindigkeit verlangsamen, so dass die Umgebung des jeweiligen Abgasturboladers geschützt wird.If, however, there is a failure, for example, to rupture of such a rotor, housing elements in which the respective rotors are received are preferably configured such that they restrain rotor fragments formed as a result of the failure or at least slow them down with respect to their speed, so that the environment of the rotor respective exhaust gas turbocharger is protected.
Die
Ferner ist der
Eine weitere mechanische Sicherheitseinrichtung ist aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Abgasturbolader der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Abgasturboladers zu schaffen, mittels welchem sich ein besonders sicherer Betrieb des Abgasturboladers realisieren lässt.Object of the present invention is to provide an exhaust gas turbocharger of the type mentioned above and a method for operating such an exhaust gas turbocharger, by means of which a particularly safe operation of the exhaust gas turbocharger can be realized.
Diese Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Abgasturboladers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by an exhaust gas turbocharger having the features of patent claim 1 and by a method for operating such an exhaust gas turbocharger having the features of patent claim 6. Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the remaining claims.
Um einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, mittels welchem ein besonders sicherer Betrieb realisierbar ist, sind erfindungsgemäß wenigstens ein Erfassungselement zum Erfassen zumindest eines einen Betrieb des Abgasturboladers charakterisierenden Werts und wenigstens ein Ventilelement vorgesehen, wobei das Leitungselement mittels des Ventilelements in Abhängigkeit von dem Wert fluidisch versperrbar ist.In order to provide an exhaust gas turbocharger specified in the preamble of claim 1 species, by means of which a particularly safe operation can be realized according to the invention at least one detection element for detecting at least one operation of the exhaust gas turbocharger characterizing value and at least one valve element is provided, wherein the conduit member by means of the valve element is fluidic lockable depending on the value.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass es beim Versagen eines Laufzeugs des Abgasturboladers zu einem Austritt von Schmiermittel kommen kann, falls keine entsprechenden Gegenmaßnahmen getroffen sind. Ein solcher Schmiermittelaustritt resultiert beispielsweise daraus, dass eine Welle des Laufzeugs bricht und/oder wenigstens ein Laufrad des Laufzeugs birst, wodurch wenigstens eine sogenannte Wellenbohrung geöffnet wird. Bei einer solchen Wellenbohrung handelt es sich um eine beispielsweise als Durchgangsöffnung ausgebildete Lageraufnahme eines Lagergehäuses, insbesondere des Gehäuseelements, des Abgasturboladers, wobei in diese Lageraufnahme das Schmiermittel bei einem normalen Betrieb des Abgasturboladers gefördert wird, um das Laufzeug zu kühlen. Das Laufzeug ist nämlich üblicherweise in dieser Lageraufnahme aufgenommen und über diese am Lagergehäuse beziehungsweise am Gehäuseelement gelagert. Da das Schmiermittel üblicherweise auch bei einem solchen Versagen des Laufzeugs und bei einem Öffnen der Wellenbohrung weiter durch eine Pumpe, insbesondere eine Ölpumpe, gefördert wird, könnten nicht unbeträchtliche Mengen an Schmiermittel unkontrolliert austreten.The invention is based on the idea that lubricant may escape if a running gear of the exhaust gas turbocharger fails if no corresponding countermeasures are taken. Such a lubricant outlet results, for example, from the fact that a shaft of the power tool breaks and / or at least one impeller of the power tool bursts, whereby at least one so-called shaft bore is opened. In such a shaft bore is a trained example as a through hole bearing receptacle of a bearing housing, in particular of the housing element, the exhaust gas turbocharger, in which bearing support the lubricant is promoted in a normal operation of the exhaust gas turbocharger to cool the running gear. Namely, the power tool is usually received in this bearing receptacle and mounted on this bearing housing or on the housing element. Since the lubricant is usually further promoted by a pump, in particular an oil pump even in such a failure of the rotor and when opening the shaft bore, not inconsiderable amounts of lubricant could escape uncontrollably.
Da nun jedoch mittels des Erfassungselements ein unerwünschter Betriebszustand des Abgasturboladers, insbesondere ein Versagen wenigstens einer Komponente, insbesondere des Laufzeugs, des Abgasturboladers erfasst und infolge dieser Erfassung das Leitungselement fluidisch versperrt ist, kann die Menge an aus dem Abgasturbolader austretendem Schmiermittel besonders gering gehalten werden oder es kann sogar ein Austreten von Schmiermittel verhindert werden. In der Folge kann auch verhindert werden, dass das Schmiermittel in Kontakt mit heißen Wandungen der Verbrennungskraftmaschine kommen und dadurch gegebenenfalls entzündet werden kann, was insbesondere bei einem Ottomotor mit sehr hohen Abgastemperaturen kritisch ist. Ferner kann dadurch eine übermäßige Rauchentwicklung und Rauchbelastung der Umgebung verhindert werden.However, since an undesired operating state of the exhaust-gas turbocharger, in particular a failure of at least one component, in particular of the running gear, of the exhaust-gas turbocharger is detected by means of the detection element and the line element is fluidly blocked as a result of this detection, the amount of lubricant exiting from the exhaust-gas turbocharger can be kept particularly low or even leakage of lubricant can be prevented. As a result, it can also be prevented that the lubricant can come into contact with hot walls of the internal combustion engine and thereby optionally be ignited, which is critical in particular in a gasoline engine with very high exhaust gas temperatures. Furthermore, this can prevent excessive smoke and smoke pollution of the environment.
Ferner kann verhindert werden, dass eine übermäßige Menge von Schmiermittel von der Verbrennungskraftmaschine angesaugt und deren Ansaugtrakt und weiter beispielsweise in einen Ladeluftkühler gelangt, was infolge eines verdichterseitigen, erhöhten Schmiermitteleintrags in den Ansaugtrakt einen Wasserschlag zur Folge hätte. Diese Gefahr kann jedoch zumindest gering gehalten werden.Further, it can be prevented that an excessive amount of lubricant sucked by the internal combustion engine and their intake tract and further example, in a charge air cooler, resulting in a water hammer would result as a result of a compressor-side, increased lubricant entry into the intake system. However, this risk can be kept low at least.
Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasturboladers für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, wobei der Abgasturbolader wenigstens ein Gehäuseelement und wenigstens ein Leitungselement umfasst. Über das Leitungselement ist dem Gehäuse ein Schmiermittel zuführbar. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass mittels wenigstens eines Erfassungselements zumindest ein einen Betrieb des Abgasturboladers charakterisierender Wert erfasst wird. Ferner ist es vorgesehen, dass mittels wenigstens eines Ventilelements das Leitungselement in Abhängigkeit von dem Wert fluidisch versperrt wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Abgasturboladers sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt. Im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Schadensfall des Abgasturboladers, insbesondere seines Laufzeugs beziehungsweise Rotors, zumindest im Wesentlichen unmittelbar erkannt werden. In direkter Folge dazu kann die Schmiermittelzufuhr zum Gehäuseelement, insbesondere zu einem Lagergehäuse des Abgasturboladers, unterbunden werden. Der Schmiermittelaustritt kann somit vermieden werden.The invention also includes a method for operating an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine, in particular a motor vehicle, wherein the exhaust gas turbocharger comprises at least one housing element and at least one line element. Via the line element, a lubricant can be supplied to the housing. In the context of the method according to the invention, it is provided that at least one value characterizing an operation of the exhaust gas turbocharger is detected by means of at least one detection element. Furthermore, it is provided that by means of at least one valve element, the line element is fluidly blocked in dependence on the value. Advantageous embodiments of the exhaust gas turbocharger according to the invention are to be regarded as advantageous embodiments of the method according to the invention and vice versa. In the course of the method according to the invention, a damage event of the exhaust gas turbocharger, in particular of its rotor tool or rotor, can be detected at least substantially directly. In direct consequence, the lubricant supply to the housing element, in particular to a bearing housing of the exhaust gas turbocharger, can be prevented. The lubricant outlet can thus be avoided.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the figure description and / or alone in the single figure can be used not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or alone, without the frame to leave the invention.
Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit einem Abgasturbolader, welcher wenigstens ein Gehäuseelement und ein Leitungselement umfasst, über welches dem Gehäuseelement ein Schmiermittel zuführbar ist, wobei wenigstens ein Erfassungselement zum Erfassen zumindest eines einen Betrieb des Abgasturboladers charakterisierenden Werts und wenigstens ein Ventilelement vorgesehen sind, mittels welchen das Leitungselement in Abhängigkeit von dem Wert fluidisch versperrbar ist.The drawing shows in the single FIGURE is a schematic representation of an internal combustion engine for a motor vehicle, with an exhaust gas turbocharger, which at least one housing element and a conduit element, via which a lubricant can be supplied to the housing element, at least one detection element being provided for detecting at least one value characterizing an operation of the exhaust gas turbocharger and at least one valve element, by means of which the conduit element can be fluidically blocked as a function of the value.
Die Fig. zeigt eine im Ganzen mit
Durch drei erste der sechs Zylinder ist eine sogenannte AGR-Gruppe gebildet. Abgas der ersten Zylinder der AGR-Gruppe wird dabei insbesondere dazu genutzt, besonders hohe Abgasrückführmengen im Rahmen einer Abgasrückführung (AGR) bereitzustellen. Im Rahmen der Abgasrückführung wird Abgas von einem Abgastrakt
Die anderen drei der sechs Zylinder, welche als zweite Zylinder bezeichnet werden, bilden eine sogenannte λ-Gruppe, deren Abgas insbesondere dazu genutzt wird, ein Verhältnis von Luft zu Kraftstoff in den Zylinder auf einen gewünschten Wert einzustellen, wobei dieses Verhältnis als Verbrennungsluftverhältnis (λ) bezeichnet wird. Hierzu wird das Abgas der λ-Gruppe insbesondere dazu genutzt, ein im Abgastrakt
Der Abgasturbolader
Der Abgasturbolader
Der Abgasturbolader
Mittels des Ölführungskanals im Lagergehäuse
Wie anhand des gestrichelten Doppelpfeils
Der Abgastrakt
Mittels des Abgaskrümmers
Wie aus der Fig. erkennbar ist, ist die Turbine
Die Verbrennungskraftmaschine
Die Abgasrückführeinrichtung
Im Ansaugtrakt
Die Verbrennungskraftmaschine
Der Abgasturbolader
Stromab der Mischstelle M und stromauf der Zylinder weist die verdichtete Luft einen Ladedruck p2s auf, welcher mittels eines entsprechenden Erfassungselements, insbesondere eines Drucksensors, erfasst, an die Regelungseinrichtung
Stromab des Turbinenrads
Diese Signale werden in ihrer zeitlichen Abfolge permanent während des Betriebs des Kraftwagens erfasst beziehungsweise kontrolliert. Insbesondere werden jeweilige erste zeitliche Ableitungen der genannten Signale erfasst und kontrolliert.These signals are permanently detected or controlled in their time sequence during the operation of the motor vehicle. In particular, respective first time derivatives of said signals are detected and controlled.
Wird beispielsweise eine Anormalität im zeitlichen Verlauf des Ladedrucks p2s und/oder in wenigstens einem Verlauf der anderen Signale in Bezug auf die momentane Last der Verbrennungskraftmaschine
In der Folge wird das zunächst geöffnete Magnetventil
Hierdurch wird verhindert, dass das Öl bei einem eventuellen Bruch der Welle
Insbesondere diesbezüglich ist es sinnvoll, stromauf des Magnetventils
Das Turbinenrad
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- VerbrennungskraftmaschineInternal combustion engine
- 1212
- Kurbelwellecrankshaft
- 1414
- Abgastraktexhaust tract
- 1616
- Ansaugtraktintake system
- 1717
- Turbinenradturbine
- 18 18
- Turbineturbine
- 2020
- Abgasturboladerturbocharger
- 2222
- Rotorrotor
- 2424
- Verdichterradcompressor
- 2626
- Verdichtercompressor
- 2828
- Wellewave
- 3030
- Lagergehäusebearing housing
- 3232
- Leitungselementline element
- 3434
- Pumpepump
- 3636
- Doppelpfeildouble arrow
- 3838
- Abgaskrümmerexhaust manifold
- 4040
- Abgaskrümmerexhaust manifold
- 4242
- Abgasverrohrungexhaust piping
- 4444
- Abgasverrohrungexhaust piping
- 4646
- Flutflood
- 4848
- Flutflood
- 5050
- AbgasrückführeinrichtungExhaust gas recirculation device
- 5252
- AbgasrückführleitungExhaust gas recirculation line
- 5454
- AbgasrückführkühlerExhaust gas recirculation cooler
- 5555
- Abzweigstellebranching point
- 5656
- Klappeflap
- 5858
- Luftfilterair filter
- 6060
- LadeluftkühlerIntercooler
- 6262
- Drosselklappethrottle
- 6464
- Regelungseinrichtungcontrol device
- 6666
- Magnetventilmagnetic valve
- 6868
- Abgasnachbehandlungseinrichtungexhaust treatment device
- 7070
- ÜberdruckventilPressure relief valve
- 7272
- Sammelkammerplenum
- 7474
- Stirnflächeface
- ASAS
- Signalsignal
- SS
- Signalsignal
- VSVS
- Ansteuersignalcontrol signal
- n_ATLn_ATL
- Drehzahlrotation speed
- p2sp2s
- Ladedruckboost pressure
- MM
- Mischstellemixing point
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 20111/0083433 A1 [0006] US 2011/0083433 A1 [0006]
- EP 2216516 A1 [0007] EP 2216516 A1 [0007]
- DE 102008022693 A1 [0008] DE 102008022693 A1 [0008]
Claims (6)
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DE102015003296.8A DE102015003296A1 (en) | 2015-03-14 | 2015-03-14 | Exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine and method for operating such an exhaust gas turbocharger |
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- 2015-03-14 DE DE102015003296.8A patent/DE102015003296A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R230 | Request for early publication | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |