DE1989619U

DE1989619U - Turbolader fuer brennkraftmaschinen.

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Publication number: DE1989619U
Application number: DESCH35352U
Authority: DE
Original assignee: Schwitzer Corp
Current assignee: Schwitzer Corp
Priority date: 1963-02-13
Filing date: 1964-02-10
Publication date: 1968-07-18
Also published as: GB1043112A

Description

DR. A. MENTZEL DIPL·. ING. W. DAHLKE PATENTANWÄLTE

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Mai 1968

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SCHWITZER CORPORATION Indianapolis, Indiana (USA)

"Turbolader für Brennkraftmaschinen"

Die Neuerung betrifft Turbolader für Brennkraftmaschinen, dessen Turbine von den Abgasen dieser Maschine getrieben wird, wobei der Druck der Abgase durch eine Steuereinrichtung auf einen vorbestimmten Wert begrenzt ist.

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Bei einem Turbolader einer Brennkraftmaschine, die mit Vollast arbeitet, tritt eine Erscheinung auf, die mit "free-floating" bezeichnet wird. Je höher die Umlaufgeschwindigkeit der Maschine ist, um so höher ist auch die Umlaufgeschwindigkeit des Turboladers und damit der Druck, mit dem die Luft der Maschine zugeführt wird. Das gleiche tritt auch beim·Arbeiten einer Maschine mit konstanter Geschwindigkeit und bei sich ändernder Belastung ein. Bin Anstieg der Last erhöht die Temperatur und den Strom der Abgase der Maschine und läßt dadurch die Umlaufgeschwindigkeit des Turboladers ansteigen, der somit eine große Luftzufuhr bewir/fkt, um eine größere Kraftstoffmenge verbrennen zu können. Diese Erscheinung macht die Kombination einer Brennkraftmaschine mit einem Turbolader in den meisten Anwendungsbereichen möglich.

In der Neuzeit ist auf gewissen Anwendungsgebieten ein erhöhtes Drehmoment bei geringeren Umlaufgeschwindigkeiten erwünscht. Dieser Anforderung kann durch Einstellen der Turbine des Turboladiers entsprochen werden, wodurch die vom Turbolader gelieferte Luft einen höheren Druck erhält und auf diese Weise mehr Luft zum Verbrennen einer größeren Brennstoffmenge zugeführt wird. Jedoch wird in diesem Fall durch die vorgenannte Erscheinung der Turbolader das Luftdruckniveau über den gesamten Geschwindig-

keitsbereich der Maschine erhöhen einschließlich eines Punktes, an dem es weder erforderlich, noch erwünscht* ist, nämlich bei der Höchstgeschwindigkeit. Da sieh der von einem Zentrifugalturbolader entwickelte Druck im Quadrat der Umlaufgeschwindigkeit ändert, wird ein Anstieg des zugeführten Druckes, der ausreicht, um das erwünschte, erhöhte Drehmoment bei geringer Umlaufgeschwindigkeit der Maschine zu erzeugen, den zugeführten Druck bei großer Umlaufgeschwindigkeit der Maschine bedeutet erhöhen.

Aus dem typischen Dieselzyklus-Druckvolumen-Diagramm ist zu ersehen, daß ein kleiner Anstieg des Druckniveäus zu Beginn der Kompression im Zylinder einen viel größeren Anstieg des D_ruckniveaus gegen Ende der Kompression ergeben kann. Auf diese ¥ ise wird bei einem hohen Druckniveau der zugeführten Luft der maximale Zylinderdruck bei großer Umlaufgeschwindigkeit der Maschine relativ höher sein, als bei geringen Umlaufgeschwindigkeiten, da der mittlere, effektive Druck, der die theoretische Leistung pro Takt darstellt, nicht erhöht werden kann. Der maximale Zylinderdruck ist unter anderen Faktoren ein die Ausgangsleistung der Maschine begrenzender Faktor und ist insbesondere bei hohen Umlaufgeschwindigkeiten der Maschine für diese nachteilig. Die Konstrukteure von Brennkraftmaschinen versuchen daher, den maximalen Zylinderdruck so niedrig wie

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möglich, zu halten, dabei jedoch, ein. hohes Drehmoment der Maschine bei niedrigem Umlaufgeschwindigkeiten zu erreichen» Diese beiden entgegengesetzt gerichteten Anforderungen können nicht mit einem bekannten Turbolader erreicht werden. Der Turbolader muß daher mit einer Art Steuereinrichtung ausgerüstet werden.

Sine derartige Steuereinrichtung ist bekannt. Sie umfaßt ein durch eine Pumpe gespeistes hydraulisches System sowie ein mit diesem gekoppeltes pneumatisches System. Beide Systeme wirken zusammen, um ein Ventil zu öffnen, durch das ein Teil der die Laj§erturbine treibenden Abgase von deren Schaufelrad ferngehalten werden.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turbolader zu schaffen, bei dem ein Teil der Abgase ohne die Verwendung einer derart komplizierten Steuereinrichtung beim Erreichen eines vorbestimmten Druckes vom Turbinenrad der Turbine des Laders abgezweigt werden. Ferner soll der neue Turbolader einschließlieh der Steuereinrichtung eine funktionsfähige Einheit darstellen. Zu diesem Zweck ist bei einem Turbolader für eine Brennkraftmaschine dessen Turbine von den Abgasen dieser Maschine getrieben wird und deren Druck durch eine Steuereinrichtung auf einen vorbestimmten lert begrenzt ist, gemäß der Erfindung die Steuereinrichtung ein ansich bekanntes, federbelastetes Überdruckventil, das in einem mit dem

Turbinengehäuse einstückig ausgebildeten Gehäuseteil angeordnet ist und die Verbindung zwischen der '.Eingangsseite der Turbine und deren Ausgangsseite steuert. Eine solche Turbine stellt ein Fertigteil dar, das mit jeder bekannten Brennkraftmaschine kombiniert werden kann, wobei die Abgase dieser Brennkraftmaschine nur bis zu einem vorbestimmten Höchstwert der Turbine des Laders zugeführt werden und nach dem Überschreiten dieses Wertes, durch Öffnen des Überdruckventils zum Teil von der Turbine abgeleitet werden.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann das Überdruckventil eine im Gehäuse ausgebildete Einlaßkammer und eine Auslaßkammer umfassen, die von der Einlaßkammer durch eine Trennwand abgeteilt ist, die einen Ventilsitz trägt, wobei der Ventilteller beweglich von einer Wand der Auslaßkammer getragen ist. Durch diese Anordnung ist nicht nur der vorbestimmte Druckwert leicht einstellbar, sondern darüber hinaus die Pflege und Wartung des Ventils einfach.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines neuen Tuboladers dargestellt. In dieser Zeichnung zeigen:

Pig. 1 eine Seitenansicht eines Tuboladers von der Turbinenseite des Laders her gesehen, wobei dieser zum Teil aufgebrochen dargestellt ist;

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Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2 - 2 in Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt durch den in Fig. 1 dargestellten Lader, das Turbinenrad und die Anordnung der zum Überdruckventil hin und von diesem wegführenden Kanäle veranschaulichend.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Turbolader besitzt ein Gehäuse, das einen die Turbine umgebenden, als Ganzes mit 10 bezeichneten Teil und einen in der Zeichnung nicht dargestellten Kompressorgehäuseteil umfaßt.

Der Turbinengehäuseteil umfaßt einen zur Brennkraftmaschine führenden Eingangskanal 12. Der Eingangskanal 12 umfaßt einerseits einen aus Fig. 3 ersichtlichen Düsenbereich 13, der da±n enthaltene Ausführungsbleche 14 besitzen kann. Eine Mittelwelle 5 trägt ein Turbinenrad oder einen Rotor 16 mit einer Vielzahl von Schaufeln 17· Das offene Ende des Turbinengehäuses sieht einen Bntladungskanal 18 vor, der den Austritt der verbrauchten Gase aus dem Turbolader ermöglicht und mit einem Auspuffstutζen verbunden sein kann. Die Turbine selbst ist mit Ausnahme der darin vorgesehenen und später beschriebenett Kanäle von ^ üblicher Konstruktion. Durch den Einlaßkanal 12 in die Turbine eintretende, unter hohem Druck

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stehende Gase werden durch, das Turbinenrad, dieses in Umlauf versetzend, entspannt und die verbrauchten Gase werden durch den Turbinenauslaßkanal 18 ausgestoßen.

An das Turbinengehäuse ist ein Zwischenteil 21, wie aus Fig. 3 zu entnehmen ist angebracht, und durch einen Klemmring 23 gehalten. Der Kompressorteil 11 des Turboladers ist von üblicher Konstruktion und umfaßt einen Kompressorrotor (nicht dargestellt), der durch die Turbine angetrieben wird. Beim Umlaufen führt dieser Kompressorrotor der Brennkraftmaschine vorgespannte Luft zu, so daß in die Zylinder der Maschine eine größere Menge von Luft hineingetrieben wird, als durch die Si^agwirkung der Kolben allein angesaugt werden könnte. Diese Ladewirkung erzeugt in Verbindung mit einer erhöhten Kraftstoffzufuhr in die Zylinder der Maschine die erhöhte Kraft, die für überladene Maschinen charakteristisch ist.

Bis jetzt ist ein Turbolader und seine Wirkung beschrieben worden, ohne auf die Steuerungseinrichtung gemäß der !Erfindung bezug zu nehmen, durch die der Druck der durch den Turbolader in die Zylinder der Maschine geförderten Luft begrenzt wird. Das Steuerventil, das erfindungsgemäß in das Turbinengehäuse eingefügt worden ist, wird nunmehr beschrieben.

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¥ie am besten aus Fig. 1 und 3 zu entnehmen ist, ist
das Turbinengehäuse 10, wie bei 3^ angedeutet, erweitert, um eine in freier Verbindung mit dem Eingangskanal 12 stehende Tasche 32 zu bilden. Das Gehäuse ist mit einer Trennwand 32a einstückig ausgebildet, die
einen ringförmigen Ventilsitz 33 trägt. Obwohl in diesem Ausführungsbeispiei ein separater Ventilsitz 33 dargestellt ist, kann dieser selbstverständlich auch einstückig mit der Wand 32a ausgebildet sein. Der Ventilsitz 33 definiert eine Nebenschlußöffnung 34, durch die die Tasche 32 und damit der Eingangskanal 12 mit einer in der Zeichnung oberhalb der Trennwand 32a dargestellten Kammer 36 in Verbindung steht»

Der erweiterte Gehäuseteil 31 ist so ausgebildet, daß er einen Singflansch 37 bildet, der eine Öffnung im Gehäuse umgibt, die in Pig. 3 mit 38 bezeichnet ist.

Mit dem Flansch 31 verschraubt und die Öffnung 38 verschließende, ist ein Überdruckventil vorgesehen, das in Fig. 1 als Ganzes mit 40 bezeichnet ist. Dieses V_entil umfaßt eine Platte 41 und eine Kappe oder eine Abdeckung 42, die beide mit dem Flansch 37 verschraubt sind, und einen die Verbindung abdichtenden Ring 45·

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Die Platte 41 ist so ausgebildet, daß sie eine Führung 4ia für den Ventilschaft 43 eines als Ganzes mit 44 bezeichneten Ventiles darstellt, dessen Ventilteller mit 46 bezeichnet ist. Das Ventil 44 wirkt mit dem ringförmigen Ventilsitz 33 durch den Ventilteller 46 zusammen, der durch die Öffnung 34 mit dem in der Tasche 32 herrschenden Brück beaufschlagt wird.

Der Ventilschaft 43 besitzt ein abgesetztes oberes Ende, das durch eine Öffnung in einem Federteller 48 hindurchragt, und ein Stift 49 oder ein ähnliches Anschlagsglied hält den Federteller 48 auf dem oberen Ende des V ntilschaftes 43 fest. Zwischen dem oberen Ende der

Kappe 42 und dem flanschartigen unteren Hand des Federtellers 48 ist eine Druckfeder 51 vorgesehen. Wieam besten aus Fig.1 zu entnehmen ist, dient diese Druckfeder dazu, das Ventil 44 fest gegen den Ventilsitz33 zu drücken und damit die Nebenschlußöffnung 3^- zu verschließen.

Die oberhalb der Ventiltrennwand 32a liegende Kammer 36 ist, wie aus Fig. 1 und Z zu entnehmen ist, durch einen Kanal 36a. mit einer im wesentlichen rechteckigen Öffnung 36b (Fig. 3) verbunden, die sich zum Auslaßkanal 18 hin öffnet.

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Wenn im Betrieb die durch den Abgasdruck auf den Ventilteller h6 einwirkende Kraft einen vorbestimmten "Wert übersteigt, wird das Ventil 44 gegeix die Kraft der Feder 51 von seinem Sitz 33 abgehoben. Ist das Ventil von seinem Sitz abgehoben, wird ein Teil des in die Turbine über den Einlaßkanal 12 eintretenden Abgases direkt zum Auslaßkanal 18 hingeleitet, ohne sich über das Turbinenrad ausdehnen zu können und ohne auf die Turbinenwelle eine Kraft zu übertragen. Hat also der Abgasdruck im Turbinengehäuse einen solchen ¥ert erreicht, daß er die Kraft der Feder 51 übersteigt, wird jeder weitere Anstieg der dem Kompressor zugeführten Kraft und infolgedessen jeder weitere Anstieg an Ladedruck zur Maschine gesteuert oder verhindert. Diese Steuerung des Ladedruckes ist somit eine Funktion der Konstanz der Ventilgröße und der Federkonstante der Feder 51·

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Claims

U. 280 072*15.5.68 Schutζanspräche

1. Turbolader für eine Brennkraftmas cliine, dessen Turbine von den Abgasen dieser Maschine getrieben wird, wobei der Druck der Abgase durch, eine Steuereinrichtung auf einen vorbestimmten Wert begrenzt ist, dadurch gekenn ze i ohne t, daß die Steuereinrichtung ein an sich bekanntes, federbelastetes Überdruckventil (4o) ist, das in einem mit dem Turbinengehäuse einstückig ausgebildeten Gehäuseteil (31) angeordnet ist und die Verbindung zwischen der Eingangsseite der Turbine und deren Ausgangsseite steuert.

2. Turbolader nach Anspruch 1, d a durch g e k e τι η ζ e i c h net, daß das überdruckventil (4O) eine im Gehäuseteil (31) ausgebildete Binlaßkammer (32) und eine Auslaßkammer (36) umfaßt, die von der Einlaßkammer durch eine Trennwand (32a) abgeteilt ist, die einen Ventilsitz (33) trägt, wobei der Ventilteller (44) beweglich von einer Wand der Auslaßkammer (36) getragen ist.