DE1055882B

DE1055882B - Einspritzbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE1055882B
Application number: DEK30586A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Otto Elwert; Georg Oberlaender
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1956-12-15
Filing date: 1956-12-15
Publication date: 1959-04-23

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzbrennkraftmaschine mit einem großen Drehzahlbereich und stark veränderlicher Belastung, insbesondere eine Fahrzeugbrennkraftmaschine, mit Aufladung durch ein von einer Abgasturbine angetriebenes Gebläse und mit einer Einrichtung zur Veränderung des Duirchtrittsquerschnittes des Leitapparates der Abgasturbine zwecks Erzielung einer bestimmten Drehmomentcharakteristik.

Bei Einspritzbrennkraftmaschinen mit einem großen Drehzahlbereich und stark veränderlicher Belastung soll insbesondere im Fahrzeugbetrieb das Drehmoment möglichst über den ganzen Drehzahlbereiah mit abnehmender Drehzahl größer werden. Lädt man solche Brennkraftmaschinen mittels eines durch eine Abgasturbine angetriebenen Verdichters auf, so bedarf es im Hinblick darauf, daß der Abgasturbolader an sich den höchsten Ladedruck bei höchster Brennkraftmaschinendrehzahl erzeugt, besonderer Maßnahmen, um auch bei der so aufgeladenen Brennkraftmaschine den vorstehend als erstrebenswert hingestellten bestimmten Drehmomentverlauf sicherzustellen. Bekannt ist es, zu diesem Zweck den Durehtrittsquerschnitt des Leitapparates der Abgasturbine so zu regeln, daß bei einer bestimmten Drehzahl der Brennkraftmaschine der Durchtrittsquerschnitt von einem für eine mittlere Brennkraftmaschinendrehzalil günstigen Maß aus mit abnehmender Brennkraftmaschinendrehzahl verkleinert und mit zunehmender Brennkraftmaschinendrehzahl vergrößert wird. Die Regulierung des Durchtrittsquerschnittes erfolgt dabei so, daß mit abnehmender Brennkraftmaschinendrehzahl die Turbinendrehzahl und damit der Ladedruck nicht in unerwünscht starkem Ausmaß absinken und mit steigender Brennkraftmaschinendrehzahl ein Anstieg der Turbinendrehzahl über die zur Erzielung eines bestimmten höchsten Ladedruckes ausreichende Drehzahl hinaus verhindert wird.

Die Regulierung des Duxchtrittsquerschinittes des Leitapparates der Abgasturbine geschah bisher durch Verstellen drehbar gelagerter Leitschaufeln, und zwar entweder kontinuierlich durch ein Gestänge während des Betriebes oder bei stillstehender Maschine. Diese Art der Steuerung des Durchtrittsquerschnittes des Leitapparates weist erhebliche Nachteile auf. Die die Verstellkräfte übertragende Einrichtung· ist insbesondere dann, wenn die Verstellung selbsttätig in Abhängigkeit von irgendwelchen Kenngrößen der Brennkraftmaschine erfolgen soll, sehr verwickelt im Aufbau. Sie beeinträchtigt die Übersichtlidhkeit der Anlage und erhöht deren Störanfälligkeit. Auch ist es schwierig, die Drehachsen der heißen Leitsdiaufeln so zu lagern, daß auch nach längerer Betriebszeit weder ein unzulässiges Spiel in den Lagern festzu-Einspritzbrennkraftmascliine

Anmelder:

Klöckner-Humb oldt-D eutz

Aktiengesellschaft,
Köln-Deutz, Mülheimer Str. 149

Dipl.-Ing. Otto Elwert, Köln-Lindenthal,

und Georg Oberländer, Oberursel (Taunus),

sind als Erfinder genannt worden

stellen ist noch letztere fest werden. Meist wird mau auch ohne eine besondere Kühlung der Lager nicht auskommen, sofern mit normalen Mitteln geschmiert werden soll. Die erfindungsgemäße Brennlcraftmaschine weist insofern eine wesentlich einfachere und vorteilhaftere Steuerung des Durchtrittsquerschnittes des Leitapparates der Abgasturbine auf, als gewisse Bauteile des Leitapparates, hier die eine Seitenwand oder beide Seitenwände des Leitappaorates der Abgasturbine ganz oder Teilweise aus Bimetall bestehen und sich temperaturabhängig im Querschnittsprofil (in Umfangsrichtung gesehen) so verformen, daß sich der Durchtrittsquerschnitt des Leitapparates ändert. Eines komplizierten Übertragungsgestänges für die Verstellung bedarf es bei der erfindungsgemäßen Maschine nicht. Duch Beeinflussung der Temperatur der Seitenwände kann deren Verformung und damit die Veränderung des Durchtrittsquerschmttes des Leitapparates gesteuert werden, in.

Ausgestaltung der Erfindung bei Fahrzeugbrennkraftmaschinen in an sich bekannter Weise beispielsweise so, daß der Durchtrittsquerschnitt des Leitapparates mit steigender Brennkraftmaschinendrehzahl größer wird.

Bei Brennkraftmaschinen mit einer Abgastemperaturcharakteristik gemäß dem Schaulinienbild nach Abb. 1, d. h. bei solchen Maschinen, bei denen·, wie in dem Schattlinienbild gestrichelt angedeutet, bei konstantem Drehmoment mit steigender Mastihinendrehzahl die Abgas temperatur erheblich ansteigt können zur Lenkung der Verformung der Seitenwände des Leitapparates die Änderungen der Abgastemperatur ausgenutzt werden. Genügen diese Temperaturänderungen nicht zur l^erformung der Seitenwände in

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dem erforderlichen Ausmaß, so können, diese im . Die in Abb. 3 dargestellte, mit 1 bezeichnete Ein-Sinne einer Verstärkung der durch die Abgas- Spritzbrennkraftmaschine ist mit einem aus einem temperaturänderungen erreichbaren Verformung, ge- A^erdichter 2 und einer diesen antreibenden Abgaskühlt weden.Die zusätzliche Kühlung, muß in diesem turbine 3 bestehenden Abgasturbolader ausgerüstet. Falle so eingerichtet sein, daß mit abnehmender Ma- 5 Die Brennkraftmaschine besitzt eine Abgaist.empera.turschinendrehzahl stärker gekühlt wird. charakteristik gemäß dem Schaulinienbild nach Abb. 1.

Bei solchen Maschinen, bei denen, wie es in dem Zwecks erzielung einer bestimmten, den Erforder-Schaulinienbild gemäß Abb. 2 veranschaulicht, die nissen des Fahrzeugbetriebes gerecht werdenden Abgastemperatur bei konstantem Drehmoment und Drehmomentcharakteristik wird der Ladeluftleitung 4 steigender Maschinendrehzahl nur unerheblich, steigt, io an der Stelle 5 Luft entnommen und nach Passieren erfolgt im Rahmen der Erfindung die Lenkung der einer selbsttätig in Abhängigkeit von der Maschinen-Verformung der Seitenwände ausschließlich unter belastung den Durchstrom regelnden. Einrichtung 6 Einwirkung eines diesen zugeführten Kühlmittels. durch eine Leitung 7 an der Stelle 8 in das Einlauf-

In weiterer Durchbildung der Erfindung wird vor- gehäuse der den Verdichter 2 antreibenden Abgasgeschlagen, die Kühlmittelführung so einzurichten, 15 turbine 3 geführt. Innerhalb des Einlaufgehäuses wird daß sich Menge und/oder Temperatur des Kühlmittels die gegenüber den Abgasen wesentlich kältere Luft in Abhängigkeit von einer Kenngröße der Brennkraft- zur Kühlung der sich temperaturabhängig im Sinne maschine oder des Abgasturboladers oder in Ab- der Erzielung der gewünschten Charakteristik verhängigkeit von mehreren Kenngrößen zwangläufig formenden Seitenwände verwendet.
ändern. 20 Abb. 4, 5 und 6 zeigen in Teilschnitten Ausführungs-Ais Kühlmittel kann Luft verwendet werden, wobei beispiele des Leitapparates der Abgasturbine 3 der in diese zweckmäßig dem von der Abgasturbine ange- Abb. 3 dargestellten Brennkraftmaschine in größerem triebenen Verdichter entnommen wird. Maßstab. Bei α treten, wie durch Pfeile angedeutet,

Während bei einer Maschine mit einer Abgas- die Abgase in den Leitapparat 9 ein und werden durch temperaturcharakteristik nach Abb. 1 eine Einrich- 25 feststehende Schaufeln 10 der Beschaufelung des Turtung zur Regelung der Luftzufuhr zu den Seiten- " binenlaufrades 11 zugeleitet. Die Seitenwände 12 bewänden erforderlich ist, kommt man bei Maschinen stehen aus im Querschnitt in das gewünschte Protil mit einer Abgastemperaturcharakteristik nach Abb. 2 gebogenen' Bimetallblechen. Am Außendurchmesser unter Ausnutzung der Ladecharakteristik, gemäß der sind sie mit der Ringfläche 13 fest im Gehäuse einbei abnehmender Ladedrehzahl der Kühlluftanfall ge- 30 gespannt, während sie am Innendurchmesser in einer ringer wird, ohne eine solche Regeleinrichtung aus. Ebene parallel zur Turbinenatihse frei schwenkbar

Die Seitenwände aus Bimetall sind in Ausgestaltung sind und ihre Schwenklage temperaturabhängig der Erfindung einströmseitig, d. h. in ihrem Außen- ändern. Die zur Beeinflussung der Temperatur der durchmesser im Turbinengehäuse fest eingespannt. Seitenwände dem Leitapparat zugeführte Kühlluft tritt Abströmseitig, d. h. an ihrem Innendurchmesser sind 35 zunächst in "einen Ringkanal 14 des Turbinengehäuses sie seitlich frei beweglich. Die Seitenwände werdeu 15 ein, dessen Innenwände die beweglichen Seitenauf ihrer Außenseite von der Kühlluft beaufschlagt. wände des Leitapparates bilden, die dadurch von der In "den Fällen, in denen die verformende Wirkung Kühlluft beaufschlagt werden. Aus dem Ringkanal 14 der" Temperaturveränderung der Abgase noch ver- heraus strömt die Luft durch einen an jeder Seitenstärkt werden soll, kann die Kühlluft auch noch auf 40 wand sich bildenden Spalt 16 aus. Die Seitenwände 12 die Innenflächen der Seitenwände geleitet werden. sind im Hinblick auf die Bimetallwirkung beispiels-In weiterer Durchbildung der Erfindung wird zur weise so aufgebaut, daß sich ihr Querschnittsprofil Verstärkung der Querschnittsänderung des Leit- mit zunehmender Temperatur streckt und dabei den apparates vorgeschlagen, auch noch die Leitschaufeln Durchtrittsquersdhnitt des Leitapparates vergrößert, der Abgasturbinen aus Bimetallblech zu formen, so 45 Die Abb. 4 und 5 zeigen eine Ausführungform, bei daß sowohl die beweglichen Seitenwände aus Bimetall der die beweglichen Seitenwände 12 des Leitapparates als auch die beweglichen Leitschaufeln aus Bimetall zwischen den feststehenden Leitschaufeln 10 aus einzusammen eine verstärkte Querschnittsänderung er- zelnen Zungen bestehen, die die Umrißfoon A, B, geben. Dabei können diese Bimetallschaufeln in C, D aufweisen. Diese einzelnen Zungen sind am gleicher Weise wie die Seitenwände des Leitapparates 50 Außenumfang zwischen den Leitschaufeln mit der auch durch Kühlluft temperaturgeregelt werden. Ringfläohe 13 fest mit dem Gehäuse 9 des Leitappa-

Es ist bereits vorgeschlagen worden,, sowohl aus rates verbunden. Tn Abb. 5 sind diese Bimetallzungen Bimetall bestehende und sich zwecks Änderung des 12 in der Stellung mit der geringsten gegenseitigen Durchtrittsquerschnittes des Leitapparates tempera- Entfernung 17 am Gasaustritt gezeigt, wie sie sich turabhängig verformende Leitschaufeln zu verwenden 55 beispielsweise bei geringsten Gastemperaturen, d. h. als auch die Leitschaufeltemperatur durch eine ge- niedrigsten Motordrehzahlen, einstellt, wenn die Abregelte Zufuhr von Kühlluft, beispielsweise durch den gastemperaturcharakteristik nach Abb. 1 vorliegt. Die hohlen Schaufelkopf hindurch, zu steuern. Für diese einzelnen Zungen 12 werden mit diesem gebogenen Maßnahmen wird daher Schutz nur in Verbindung Otterschnittsprofil hergestellt. Mit zunehmender Temmit dem Gegenstand des Hauptanspruches bean- 60 peratur nehmen sie eine zunehmend gestrecktere Form, sprucht. an und geben dadurch zunehmend größeren Durch-

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer flußquerschnitt frei. 14 sind Ringkanäle im Gehäuse

erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine dargestellt. des Leitäpparates für die Zuleitung der Kühlluft des

Abb. 1 und 2 zeigen vorstehend bereits besprochene Laders auf die Außenseite der Bimetallseitenwände

Schaulinienbilder; ' 65 des Leitapparates. In der gezeichneten Stellung bil-

Abb. 3 zeigt eine Brennkraftmaschine in Draufsicht den diese gebogenen Seitenwände einen Spalt 16 mit

auf eine Stirnseite; in den den Wänden des Ringkanals 14 zum Austritt der

Abb. 4 bis 6 sind beispielsweise verschiedene Aus- Kühlluft.

führungen von Seitenwänden aus Bimetall für eine Bd Brennkraftmaschinen mit Abgastemperaturerfindungsgemäße Brennkraftmaschine dargestellt. 70 charakteristik nach. Abb. 2 ändert sich bei konstantem

Claims

Drehmoment die Abgastempera.tur bei Drehzahländerungen nur wenig. Man ist daher bezüglich der Lenkung der Verformung der Seitenwände allein, auf die den letzteren zugeführte Kühlluft angewiesen. Entnimmt man die Kühlluft dem Ladeverdichter, so steht sie mit steigender Drehzahl in größerer Menge und mit höherem Druck zur Verfügung. Dies bedeutet, daß die Bimetallseitenwände so aufgebaut sein müssen, daß sie bei Temperaturänderungen genau entgegengesetzt ausschwenken wie die Seitenwände bei einer Maschine mit einer Abgastemperatorcharakteristik gemäß Abb. 1. Steigt bei Charakteristik mach Abb. 2 die Wandtemperatur mit abnehmender Maschkiendrehzahl infolge geringerer Kühlung-, so krümmen sich die Seitenwände im Sinne der Erfindung stärker und regeln einen kleinen Strömumgsquerschnitt ein. In Abb. 6 sind die Seitenwände 12 als durchgehende oder nur mit wenigen Einschnitten zur Erzielung größerer Stülpweichheit versehene Bimetallringe hergestellt, die in gestrecktem Zustand gezeichnet sind, der der Vollast bei höchster Motardrehzahl ent- spricht. Die feste Leitschaufel 18 ist, wie Abb. 4 zeigt, nur mit der Fläche 19 am äußeren Umfang des Leitapparates mit den Seitenwänden 12 bzw. dem Gehäuse 9 des Leitapparates fest verbunden und mit zunehmender Entfernung davon zunehmend schmäler in Richtung der Turbinenachse ausgeführt zusr Freigabe des Verformungsausschlages der Seitenwände nach innen. Der Umriß der Leitschaufeln ist durch das Viereck E, F, G, H in Abb. 6 dargestellt. Zwischen den Seitenwänden 12 und der Schaufel 18 bilden sich freie Zwickel 20 bei hohen Motordrehzahlen, d. h. bei gestreckten Seitenwänden, die dabei gewisse Strömungsverluste ergeben können. Bei geringen Motordrehzahlen und nach innen gebogenen Seitenwäoden sind solche Gasverluste nicht vorhanden, was wichtig ist, da hierbei der größte Wirkungsgrad der Turbine verlangt ist. Eine verstärkte Querschnittsänderung ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch ermöglicht, daß außer den Seitenwänden des Leitapparates auch die Leitschaufeln des Leitapparates mit der Umrißform nach Abb 6 aus Bimetall bestehen und sich temperaturabhängig im Profil so verformen, daß sie den Durchtrittsqtierschnitt des Leitapparates im gleichen Sinne wie die Seitenwände ändern, wie dies durch die Bimetallschaufel 21 in Abb. 4 gezeigt ist. Auch ist es möglich, die Temperatur der Bimetallschaufeln in gleicher Weise wie die Temperatur der Seitenwände durch Kühlluft zu regeln. Die Kühlluft kann dabei durch den hohl ausgebildeten Schiaufelkopf zugeführt werden, der in Abb. 4 gestrichelt gezeichnet und mit 24 bezeichnet ist Nach Abb. 5, linke Seite, kann die Temperaturregelung der Seitenwände 12 durch die Kühlluft dadurch verstärkt werden, daß nicht nur ihre Außenflächen, sondern auch ihre Innenflächen durch Kühlluft beaufschlagt werden, wie dies durch den Pfeil 23 gezeigt ist. Der Verlust an Wirkungsgrad durch die Verstellung der Seitenwände wird erfindungsgemäß (Abb. 5 und. 6), insbesondere bei verkleinerten Durchlaßquerschniitten dadurch gering gehalten, daß die Eintrittsbreite 17 des Turbinenlaufrades 11 dem kleinsten gegenseitigen Abstand der Seitenwände 12 an der Stelle des Gasaustrittes angepaßt ist, und ferner dadiurch, daß im Leitapparat, bezogen auf die Richtung der Trubinenachse, eine düsenförmige Zuleitung 22 zwischen den beweglichen S ei ten wänden des Leitapparates und dem Läufradumfang für die Gase angeordnet ist, die bei allen Stellungen der Seitenwände die Abgase strömungsgerecht der Turbine zuführt. Patentansprüche:

1. Einspritzbrennkraftmaschine mit einem großen Drehzahlbereich und stark veränderlicher Belastung, insbesondere eine Fahrzeugbrennkraftmaschine, mit Aufladung durch einen von. der Abgasturbine angetriebenen Verdichter und mit einer -Einrichtung zur Veränderung - des Durchtritts-

. querschnittes des Leitapparates der Abgasturbine zwecks Erzielung einer bestimmten Drehmomentchaifakteristik, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Seitenwand oder beide Seitenwände des Leitapparates der Abgasturbine ganz oder teilweise aus Bimetall bestehen und sich temperaturabhängig im Querschnittsprofil so verformen, daß sich der Dürchtrittsquersehnitt des-. Leitapparates ändert..

2. Fahrzeugbrennkräf tmaschine nachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchtrittsquerschnitt des Leitapparates mit steigender Brennkraftmaschinendrehzahl größer wird.

3. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgastemperaturänderungen zur Verformung der Seitenwände des Leitapparates ausgenutzt werden.

4. Einspritzbrennkraftmaschine nachAnspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände des Leitapparates im Sinne einer Verstärkung der durch die Abgastemperaturänderungen erreichbaren Verformung gekühlt werden.

5. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch! oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkung der Verformung der Seitenwände ausschließlich durch Einwirkung eines ihnen zugeführten Kühlmittels erfolgt.

6. Einspritzbrennkraftmaschinemctb Anspruch. 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Menge und/oder die Temperatur des Kühlmittels in Abhängigkeit von einer Kenngröße der Brennkraftmaschine oder des Abgasturboladers oder in Abhängigkeit von mehreren Kenngrößen zwangsläufig ändert.

7. Einspritzbrennkraftmaschine nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel dem von der Abgasturbine angetriebenen Verdichter entnommene Luft dient.

8. Einspritzbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Bimetall bestehenden Seitenwände des Leitapparates der Abgasturbine im Turbinengehäuse nur an ihrem Außendurchmesser fest eingespannt und am Innendurchmesser seitlich frei beweglich sind.

9. Einspritzbrennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände-des Leitapparates aus Bimetall aus einzelnen Zungen zwischen dea festen Leitschaufeln bestehen.

10. Einspritzbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände des Leitapparates aus Bimetall als durchgehende Ringe ausgebildet und die feststehenden Leitschaufeln nur am Außenumfang des Leitapparates fest mit den Seitenwänden bzw. am Turbinengehäuse befestigt sind, mit zunehmender Entfernung davon jedoch in Richtung der