-
Steuereinrichtung für Abgasturbolader Die Erfindung betrifft eine
Steuereinrichtung für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, der eine Umgehungsleitung
besitzt, durch die Abgase an der Turbine vorbeigeführt werden können und die ein
Ventil enthält, mit welchem der Anteil der an der Turbine vorbeigeführten Gase regelbar
ist.
-
Bei Verdichtereinrichtungen dieser Art enthalten die umgeleiteten
Auspuffgase erhebliche Energiemengen, die für gewöhnlich nutzlos vergeudet werden,
da die Abgase um die Turbine herumgeleitet und unmittelbar in die Atmosphäre übergeführt
werden. Bei der Verdichtereinrichtung gemäß der Erfindung sind Mittel vorgesehen,
um die Energie auszunutzen, die in den um die Turbine herumgeführten Abgasen enthalten
ist; auf diese Weise gelingt es, den Wirkungsgrad der Gesamtanlage zu erhöhen.
-
Bei Zweitakt-Brennkraftmaschinen ist es bereits bekannt, die Spülung
des Zylinders dadurch zu verbessern, daß ein Abgaskreiselgebläse vorgesehen wird,
bei welchem die Abgasleitung der Abgasturbine mit einem Ejektor in der Auspuffleitung
der Maschine mündet. Ein Ventil weist die für Zweitakt-Brennkraftmaschinen bekannte
Einrichtung nicht auf.
-
Bei Brennkraftmaschinen, die unter wechselnden Arbeitsbedingungen
betrieben werden müssen, ist es erforderlich, die Zufluß- bzw. Abflußmengen von
Verdichter bzw. Turbine zu steuern. Die Anforderungen der Praxis weichen erheblich
von den Idealbedingungen ab, nach denen es am günstigsten wäre, wenn die Durchflußmenge
unter den verschiedenen Arbeitsbedingungen konstant gehalten werden könnte, da dann
der Turbolader am einfachsten und genauesten dem Verwendungszweck angepaßt werden
könnte.
-
Auf Grund des Verhaltens der aus Turbolader und Brennkraftmaschine
bestehenden Anlage ist es meist erwünscht, den Durchfluß im Einlaß oder Auslaß der
Turbine zu steuern, da die Strömung durch den Verdichter von der Einstellung der
Drossel abhängig ist. Es ist bekannt, zu diesem Zweck an der Turbine eine Einlaßdüse
mit einstellbarem Querschnitt vorzusehen. Erfahrungen haben jedoch gezeigt, daß
eine derartige Anordnung in vielen Fällen nicht zweckmäßig ist. Deshalb ist vorgeschlagen
worden, vor der Turbine Auspuffgase abzuzweigen und eine Druck-Verhältnis-Steuerung
anzuwenden. Eine solche Steuerung erscheint jedoch nur dann zweckmäßig, wenn möglichst
wenig Energie der Auspuffgase verlorengeht.
-
Erfindungsgemäß ist deshalb bei einer Steuereinrichtung der eingangs
erwähnten Art vorgesehen, daß das Auslaßende der Umgehungsleitung als Ejektordüse
ausgebildet ist, die in den Auslaßkanal der Turbine hineinragt und in der Richtung
der durch diesen Auslaß hindurchtretenden Strömung gerichtet ist.
-
Diese Düsenanordnung bewirkt, daß ein Teil der Auspuffgase in dem
Turbinenauslaß beschleunigt wird; auf diese Weise wird das Druckverhältnis vor und
hinter der Turbine für einen bestimmten Betriebszustand der Maschine und einen bestimmten
Atmosphärendruck verbessert.
-
Die Einrichtung nach der Erfindung ist beispielsweise dazu geeignet,
bei einer Steuervorrichtung entsprechend einem älteren Vorschlag zur Anwendung zu
kommen, bei der das Ventil dazu benutzt werden kann, die Größe des an der Turbine
vorbeigeleiteten Gasanteils in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen dem Ein-
und dem Auslaßdruck des Verdichters zu regeln; zweckmäßig arbeitet das Ventil in
der Weise, daß über den Verdichter ein im wesentlichen konstantes Druckverhältnis
aufrechterhalten bleibt.
-
Zweckmäßig wirkt der Ventilkörper des Ventils mit der in Strömungsrichtung
hinteren Seite der Ventilöffnung zusammen und ist zur Schließung entgegen der in
der öffnung herrschenden Strömungsrichtung bewegbar. Bei dieser Ausbildung ist eine
genaue
Steuerung des Ventils entgegen dem Druck des durch die Umgehungsleitung strömenden
Abgasanteils möglich.
-
Um die verhältnismäßig empfindlichen Steuerungsglieder für das Ventil
vor einer Überhitzung durch die heißen Abgase zu schützen, ist ein die Ventilsteuerung
aufnehmendes Gehäuse an der Außenseite der Umgehungsleitung mittels eines Abstandsteiles
angeordnet, der wärmeausstrahlende Rippen aufweist.
-
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden
Beschreibung einiger in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele hervor.
-
F i g. 1 veranschaulicht schematisch einen Verdichter für eine Brennkraftmaschine,
bei dem eine mit einem Ejektor versehene Umführungsleitung gemäß der Erfindung vorgesehen
ist; F i g. 2 zeigt den Ejektor nach F i g. 1 im Schnitt und im. größeren Maßstab;
F i g. 3 zeigt im Längsschnitt die Druckregeleinrichtung nach F i g. 1; F i g. 4
veranschaulicht eine Abänderungsform des in der Umführungsleitung vorgesehenen Ejektors
im Schnitt.
-
Wie F i g.1 erkennen läßt, weist die Brennkraftmaschine 10 (die beliebig
ausgebildet, beispielsweise eine Dieselmaschine sein kann) Ein- und Auslaßrohre
11 bzw. 12 auf; ein Abgasturboverdichter 13 besteht aus einem Verdichterteil 14
mit einem Rotor 17, der die Außenluft durch einen Einlaß 15 ansaugt und die Luft
durch einen Auslaß 16 der Ansaugleitung 11 der Brennkraftmaschine 10 zuführt.
-
Der Verdichter weist weiterhin einen Turbinenteil 18 auf, der aus
einem Gehäuse 23 mit darin angeordnetem Turbinenrad 24 besteht, das über eine Welle
25 mit dem Verdichterrotor 17 verbunden ist. Um das Turbinenrad 24 herum ist eine
Reihe von Düsen 22 angeordnet, durch welche die Auspuffgase dem Turbinenrad 24 zugeleitet
werden; und zwar erfolgt die Zuleitung aus einem Gaszuführungskrümmer, der mit einer
Auspuffleitung 20 verbunden ist, die zu dem Auspuffrohr 12 der Brennkraftmaschine
10 führt. Die Turbine kann natürlich auch düsenlos ausgebildet sein, so daß die
Abgase unmittelbar aus dem Zuführungskrümmer den Turbinenschaufeln zuströmen. Das
Turbinengehäuse 23 weist ferner eine axiale Auslaßleitung 26 auf, durch die die
Gase schließlich abgeleitet werden.
-
Im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 strömen die Auspuffgase durch
das Rohr 12, durch die Auspuffleitung 20, den Krümmer 21 und die Düsen 22 dem Turbinenrad
24 zu; danach strömen die Gase durch das Rohr 26 zum Auslaß. Durch diesen Gasstrom
wird das Turbinenrad 24 in sehr rasche Drehung versetzt, die vermittels der Welle
25 auf den Rotor 17 des Verdichters übertragen wird. Wenn dieser Rotor 17 umläuft,
wird Luft durch die Einlaßleitung 15 angesaugt und durch das Auslaßrohr 16 dem Ansaugrohr
der Brennkraftmaschine 10 zugeführt.
-
Um den Betrieb dieser Verdichtereinrichtung regeln zu können, ist
eine Umführungseinrichtung 27 für die Auspuffgase vorgesehen; diese Einrichtung
besteht aus einem Rohr 30, das von der Auspuffleiteng 20 vor der Turbine 18 abzweigt.
Das Auslaßrohr 26 weist einen Krümmer 31 auf, in dessen Wandung ein Teil des Umführungskanals
32 angeordnet ist; dieser Teil des Umführungskanals steht mit dem Rohr 30 in Verbindung
und weist ein Ventil 40 auf, das aus einem Ventilsitz 33 und einem mit ihm
zusammenwirkenden Ventilkörper 81 gebildet wird. In der Strömungsrichtung hinter
dem Ventilsitz 33 liegt in dem Umführungskanal eine ejektorartige Düse 34, die in
das Innere des Krümmers 31 mündet, und zwar etwa an dem Ende des gebogenen Krümmerteils.
-
Der Krümmer 31 weist außen einen Ansatz 35 auf, in dem sich eine öffnung
36 befindet, die in gleicher Flucht mit dem Ventilsitz 33 ausgerichtet ist und eine
Führung 37 für den Schaft 45 des Ventilkörpers 81 trägt; dieser Ventilkörper wirkt
mit dem Sitz 33 zusammen und dient dazu, den Strom des Gases durch den Umführungskanal
und damit den Betriebszustand des Verdichters zu regeln. Befindet sich der Ventilkörper
81 im Abstand vom Ventilsitz 33, so gelangen die Gase aus der Auspuffleitung 20
durch den Umführungskanal zum Auslaßrohr 26 und treten nicht in die Turbine; auf
diese Weise wird der Gasdurchsatz durch die Turbine verringert.
-
Infolge der besonderen Anordnung der Düse 34 werden die aus ihr austretenden
Gase eine Druckverminderung an der Auslaßseite der Turbine erzeugen. Diese Druckverminderung
hat zur Folge, das der Druckunterschied über die Turbine hinweg vergrößert und damit
auch ihr Wirkungsgrad erhöht wird. Es leuchtet ein, daß bei dieser erhöhten Druckdifferenz
die Turbine auch arbeiten wird, wenn eine geringere Gasmenge durch sie hindurchtritt;
die Folge davon ist, daß die Auspuffgase im Turbineneinlaß und in der Auspuffleitung
der Brennkraftmaschine unter einem geringeren Druck stehen werden. Die Brennkraftmaschine
wird daher mit erhöhtem Wirkungsgrad arbeiten, da der Rückdruck in der Auspuffleitung
12 verringert ist.
-
Die Stellung des Ventils 81 wird mittels einer Vorrichtung 38 geregelt,
die in einem Gehäuse 41 untergebracht ist; dieses Gehäuse kann am äußeren Ende der
Ventilführung 37 vorgesehen oder an ihr befestigt sein und einen Zylinderraum 42
aufweisen. In diesem Zylinderraum 42 befindet sich ein Kolben 43, auf den mittels
einer Wendelfeder 44 ein Druck in einer Richtung ausgeübt wird; diese Feder befindet
sich zwischen dem Kolben 43 und dem Ende der Ventilführung 37. Eine Bewegung des
Kolbens 43 entgegen der Feder 44 wird mittels eines Schaftes 45 od. dgl. dem Ventilkörper
81 übermittelt, so daß der Ventilkörper 81 auf den Ventilsitz 33 gedrückt wird.
Ist dies geschehen, so kann kein Gas durch den Umführungskanal hindurchströmen;
es wird viehmehr die gesamte von der Brennkraftmaschine 10 abgegebene Abgasmenge
durch das Turbinenrad 24 hindurchgeführt, so daß dieses mit seiner Höchstgeschwindigkeit
umläuft, und zwar entsprechend dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10. Der
im Einlaßende des Umführungskanals herrschende Gasdruck versucht den Ventilkörper
8 von seinem Sitz abzuheben; außerdem wirkt in der gleichen Richtung auf den Ventilkörper
eine leichte Wendelfeder 46, die zwischen dem äußeren Teil der Ventilführung 37
und einem Deckel 47 angeordnet ist, der an dem äußeren Ende des Ventilschaftes 45
befestigt ist. Die Feder 46 hält den Teil 47 mit dem mittleren Abschnitt des Kolbens
43 im Eingriff und bewirkt, daß der Ventilkörper 81 sich zusammen mit dem Kolben
43 bewegt und von diesem gesteuert wird.
-
Um den Kolben 43 so zu bewegen, daß das Ventil geschlossen wird, wird
öl mittels einer in geeigneter
Weise angetriebenen Pumpe 48 dem
äußeren Ende der Kolbenkammer 42 zugeführt, und zwar vermittels einer Leitung 49
und durch eine Öffnung 49 A. Um den Flüssigkeitsdruck auf den Kolben steuern zu
können, ist eine weitere Rohrleitung 50 vorgesehen, die von der Kammer 42 zu einem
Regelventil 51 führt, das einen Bestandteil einer Druckregelvorrichtung 52 bildet,
die im einzelnen in F i g. 3 veranschaulicht ist. Ist das Ventil 51 hinreichend
weit geöffnet worden, so kann öl aus der Kammer 42 durch das Ventil 51 und
eine Leitung 80 rascher einem Ölbehälter 53 zufließen, als die Öffnung 49 A den
Eintritt in die Kammer 42 zuläßt; infolgedessen haben die Federn 44 und 46 das Bestreben,
den Kolben in seiner Endlage festzuhalten, in der das Venti140 geöffnet ist und
die Auspuffgase um die Turbine 18 herumführt. Wird das Regelventil 51 andererseits
hinreichend geschlossen, um das Abfließen von Öl aus der Kammer 42 so zu drosseln,
daß es nicht in die Kammer eintritt, so wird der Druck in dem äußeren Abschnitt
der Kammer 42 ansteigen und den Kolben 43 so bewegen, daß das Ventil 40 geschlossen
wird; dadurch wird die Menge der durch den Umführungskanal hindurchtretenden Auspuffgase
verringert und damit die Wirkung des Turboverdichters erhöht.
-
Ein hoher Wirkungsgrad, des Turboverdichters ist erzielbar, wenn ein
ganz bestimmtes Verhältnis zwischen dem Druck in der Einlaßleitung und der Außenatmosphäre
aufrechterhalten wird. Die Druckregelvorrichtung 52 ist zu diesem Zweck vorgesehen,
um die Arbeitsweise des Ventils 40 zu steuern. Wie F i g. 3 zeigt, besteht die Vorrichtung
52 aus einem Gehäuse 54 und einem Deckel 55, dessen Innenraum 56 mittels einer Membran
57 in eine linke Kammer 58 und in eine rechte Kammer 59 unterteilt ist, wie dies
aus der Figur zu erkennen ist. Der Gehäuseteil 54 enthält das Ventil 51,
das einen beweglichen Körper 60 aufweist, welcher mit einem Kopf 61 ausgestattet
ist; dieser ventilartige Kopf 61 wirkt mit einem Sitz im Gehäuse 54 zusammen und
steuert den Durchtritt der Flüssigkeit aus der Kammer 42 durch die Leitung 80 in
den Ölbehälter 53. Der ventilartige Körper 60 steht mit einer Membran 62 in Verbindung,
die in dem Gehäuse 54 befestigt ist und auf die eine Feder 63 derart einwirkt, daß
für gewöhnlich das Ventil 51 in die Schließlage gedrückt wird.
-
Die Membran 62 unterteilt die linke Kammer 58 in zwei Abschnitte,
die durch eine Öffnung 64 miteinander verbunden sind und über eine Leitung 65 an
den Verdichtereinlaß 15 angeschlossen sind. Die rechte Kammer 59 steht über eine
Leitung 66 mit dem Auslaß 16 des Verdichters 14 in Verbindung. In dieser Kammer
ist ein unter Unterdruck stehendes Balg 67 vorgesehen, der einerseits am Deckel
55 und andererseits an der Membran 57 befestigt ist und dazu dient, den Bereich
der Membran, der dem am Verdichterauslaß herrschenden Druck ausgesetzt ist, auf
ein bestimmtes Verhältnis zu beschränken gegenüber demjenigen Bereich, der auf der
anderen Seite der Membran 57 dem im Verdichtereinlaß bzw. in der Außenatmosphäre
herrschenden Druck ausgesetzt ist.
-
Befindet sich die Brennkraftmaschine 10 nicht im Betrieb, und während
einer kurzen Zeitdauer nach Inbetriebsetzung der Maschine sorgen die Federn 44 und
46 dafür, daß das Ventil 40 offengehalten wird. Während dieser Zeit werden die Auspuffgase
zum größten Teil um das Turbinenrad 24 herumgeführt. Sobald aber die Pumpe 48 in
Betrieb gesetzt wird, wird auf den Kolben 43 ein Flüssigkeitsdruck ausgeübt, so
daß er das Ventil 40 schließt. Dies hat zur Folge, daß alle Auspuffgase durch die
Turbine hindurchgeleitet werden, so lange, bis der Verdichter 14 genug Luft dem
Auslaß 16 zuführt, so daß die Regelvorrichtung 52 in Wirkung tritt. Steigt der Druck
im Auslaß 16 und damit in der rechten Kammer 59, so wird die Membran 57 in Richtung
auf die linke Kammer 58 zu gedrängt; der mittlere Teil der Membraneinrichtung wird
mit dem mittleren Teil der Membran 62 in Berührung kommen und die Bewegung auf den
Ventilkörper 60 übertragen; dieser Ventilkörper wird in seine Offenstellung übergeführt
und läßt dann Öl aus der Kolbenkammer 42 in den Behälter 53 entweichen. Je größer
der Druck im Auslaß 16 wird, um so stärker wird der Flüssigkeitsstrom, der aus der
Kammer 42 austritt, und um so geringer wird die auf den Kolben
43 ausgeübte Kraft; es kann daher dieser Kolben das Ventil 81 in öffnungsrichtung
verstellen. Wie schon erwähnt, hat ein Öffnen des Ventils 40 zur Folge, daß die
Abgase um die Turbine herumgeführt werden, so daß damit die Umlaufgeschwindigkeit
des Verdichters geregelt wird.
-
Die um den Verdichter herumgeführten Gase treten aus der Düse 34 aus
und bewirken, daß in dem Turbinenauslaß eine Strömung entsteht, die hier eine Druckverminderung
erzeugt.
-
Läuft die Brennkraftmaschine nur mit geringer Geschwindigkeit um und
wird nur ein geringes Drehmoment benötigt, so hat der Druck im Verdichterauslaß
die Tendenz zu fallen; das Ventil 40 wird also in Richtung auf seine Schließstellung
zu bewegt. Es werden nun größere Mengen der Auspuffgase durch die Turbine 18 geführt,
so daß der Verdichter stärker arbeitet und den Druck im Ansaugrohr der Brennkraftmaschine
10 aufrechterhält. Der Turboverdichter bleibt also auch bei geringer Geschwindigkeit
der Brennkraftmaschine und bei geringer Last wirksam.
-
Nimmt die Umlaufgeschwindigkeit der Brennkraftmaschine zu und wächst
auch das Drehmoment, so hat auch die Turbine das Bestreben, rascher umzulaufen,
da die Abgasmengen größere sind und der Druck ansteigt; die hieraus resultierende
Zunahme der Verdichterleistung hat zur Folge, daß der Druck in der Ansaugleitung
ansteigt. Dieser erhöhte Druck macht sich auch in der rechten Kammer 59 der Druckregelvorrichtung
52 geltend, so daß die Membran 57 verstellt wird, und zwar in einer Richtung weg
von der Kammer 59; dabei wird der Ventilkörper 60 in die Offenlage verstellt. Durch
das Rohr 50 wird nun in stärkerem Maße Flüssigkeit hindurchtreten, so daß die auf
den Kolben 43 einwirkende Kraft verringert wird. Die Federn 44 und 46 werden den
Ventilkörper 81 in die Offenstellung drängen, so daß mehr Auspuffgase durch den
Umführungskanal hindurchtreten. Wenn diese Gase aus der Düse 34 austreten, wird
im Auslaß der Turbine 18 eine Druckverminderung stattfinden, wie dies schon beschrieben
wurde; ein optimales Druckverhältnis über die Turbine hinweg wird dann erreicht
bei niedrigerem in der Auspuffleitung 12 herrschenden Rückdruck. Der Auspuffejektor
bewirkt, daß der Wirkungsgrad der gesamten Anlage bei höheren Geschwindigkeiten
der Brennkraftmaschine und höheren Drehmomentbeanspruchungen verbessert wird, da
die Energie in dem um den Verdichter herumgeleiteten Gas ausgenutzt
wird,
um den in der Auspuffleitung herrschenden Rückdruck zu verringern. Bei den bisher
bekannten, mit einer Umführungsleitung versehenen Anlagen wurde die Energie der
durch die Umführungsleitung geführten Gase verschwendet, so daß der Gesamtwirkungsgrad
der Anlage entsprechend verschlechtert wurde.
-
Die Druckregelvorrichtung 52 bewirkt, daß der gewünschte Druckunterschied
zwischen dem Verdichterauslaß und dem Verdichtereinlaß auch bei Änderungen des Barometerdrucks
aufrechterhalten bleibt, wie es beispielsweise eintreten kann, wenn ein Fahrzeug
von Meereshöhe aus über ein Gebirge fährt.
-
Sollte die Hauptmembran 57 nicht einwandfrei arbeiten, so verstellen
die Sicherheitsmembran 62 im Zusammenwirken mit der Öffnung 64 den Ventilkörper
60 in die Offenlage; auf diese Weise wird das Ventil 40 geöffnet, so daß die Einrichtung
unter allen Umständen sicher arbeitet.
-
Zur Isolierurig und zum Schutz der in dem Gehäuse 41 vorgesehenen
Antriebsglieder für das Ventil ist die Ventilführung 37 mit mehreren im Abstand
voneinander angeordneten Abstrahlrippen 68 und längsgerichteten Stäben 70 versehen.
Diese Mittel bewirken, daß der Wärmeübergang vom Turbinenauslaß längs der Ventilführung
zum Gehäuse 41 auf ein Mindestmaß reduziert wird. Außerdem ist die Ventilführung
37 mit einem Ringkanal 36 versehen, dem ein Kühlmittel, z. B. Luft, durch einen
Kanal 35 zugeführt werden kann.
-
Eine Leitung 71 verbindet den die Federn enthaltenden Teil der Kolbenkammer
42 mit dem Ölbehälter 53, so daß Öl, welches am Kolben vorbei durchgetreten sein
sollte, abgeleitet wird und somit eine freie Bewegung des Kolbens gewährleistet
ist.
-
In F i g. 4 ist eine Abänderungsform der Umführungsleitung 74 mit
Ejektor veranschaulicht; in dem Gehäuse 75 für das Turbinenrad befindet sich eine
oder mehrere Umführungsleitungen 76, die von dem Krümmer 21 zu einem Auslaßkanal
77 an der Auslaßseite des Turbinenrades führen. In dem Gehäuse 75 ist ein Hülsenventil
78 verstellbar angeordnet, und zwar dort, wo die Umführungskanäle 76 in den Auslaßkana177
einmünden. Eine geeignete Antriebsvorrichtung 80 dient dazu, die Hülse 78 zu verstellen
und damit den Durchgangsquerschnitt der Umführungskanäle zu verändern. Ist die Hülse
78 in eine solche Lage bewegt worden, daß Gas durch die Umführungskanäle hindurchtreten
kann, so wird eine Ansaugwirkung entstehen, und es wird an der Auslaßseite der Turbine
eine Druckverringerung ein= treten.
-
Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß die Regelvorrichtung 52 infolge
der Sicherheitsmembran 62 und der Öffnung 64 unter allen Umständen betriebssicher
arbeitet. Auch aus anderen Gründen ist die völlige Betriebssicherheit der Einrichtung
gewährleistet. Sollte beispielsweise der Balg 67 brechen oder leck werden, so wird
sich die Membran 57 unter der Einwirkung des im Verdichterauslaß herrschenden Drucks
bewegen, um das Ventil 51 zu öffnen und damit die Kolbenkammer 42 zu entlasten
und das Ventil 40 zu öffnen. Sollte der Ventilkörper 60 in der Offenstellung blockiert
werden, so wird dieselbe Wirkung eintreten. Werden die Rohre 49 oder 50 leck, so
wird der Druck im äußeren Ende der Kolbenkammer 42 sinken, und die Federn 44 und
46 werden das Ventil 40 in die Offenstellung überführen. Treten Leckverluste längs
des Kolbens 43 auf, so wird sich der Druck auf beiden Seiten des Kolbens ausgleichen,
so daß die Federn 44 und 46 das Ventil öffnen können. Da das Ventil 40 an der Auslaßseite
des Sitzes 33 vorgesehen ist, hat der Druck der Auspuffgase weiterhin zur Folge,
daß das Ventil 40 in die Offenstellung übergeführt wird.