DE2012957A1 - Turbolader für Verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Turbolader für Verbrennungskraftmaschinen

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DE2012957A1 DE19702012957 DE2012957A DE2012957A1 DE 2012957 A1 DE2012957 A1 DE 2012957A1 DE 19702012957 DE19702012957 DE 19702012957 DE 2012957 A DE2012957 A DE 2012957A DE 2012957 A1 DE2012957 A1 DE 2012957A1
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Description

Turbolader für Verbrennungskraftmaschinen
Die üblichen Turbolader sind normalerweise so gebaut» daß sie in einem festgelegten Motorbetriebsbereich mit einem hohen Wirkungegrad arbeiten. Wenn der Motor außerhalb eines solchen Bereiches arbeitet) fällt oftmals die Höhe der Motorabgasenergie unter einen Wert, der zum wirkungsvollen Antrieb des Turboladers erforderlich ist. So hat sich beispielsweise herausgestellt, daß während der Leerlauf- und riiedertourigen Betriebephasen des Motors der Abgasstrom nioht ausreicht, um den Turbolader mit der Drehzahl anzutreiben, die erforderlich ist, um den Motor mit der zur Aufrechterhaltung der richtigen Motorleistung verlangten Luftmenfe zu versorgen.
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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann
OpptnautrBOro! PATENTANWALT DR. REINHOLD SCHMIDT
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, die oben kurz angedeuteten Probleme zu beseitigen. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß a« Einlaß einer Turboladerturbine ein einfaches, verschleißfestes Steuerventil des Klappentyps angeordnet wird, Mit Hilfe dessen der Turbolader während aller Phasen des Motorbetriebs Hit gute« Wirkungsgrad angetrieben werden kann. Die Turbine weist ein Gehäuse «it einer in einer Kaawer vorhandenen, ringfureigen Trennwand auf, die die KaMMer in zwei ringfumige Abteile aufteilt. Das Klappenventil ist aa Turbineneinlaß schwenkbar angebracht, so daß es während der Meisten Metorbetriebsphasen ia wesentlichen koplanar zu dieser Trennwand liegt. Während beispielsweise des Leerlaufbetriebs oder des Motorbetriebs bei niedriger Drehzahl kann dieses Klappenventil in eine Stellung geschwenkt werden, in der es den Zutritt zu de« einen Abteil blockiert· Auf diese Weise wird der ganze MotorabgasstroM zu dem anderen Abteil gelenkt, um so die Turoladerdrehzal auf einer annehmbaren und einen brauchbaren Wirkungsgrad liefernden Höhe zu halten.
Ein AusfUhrungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in der Zeichnung, auf die sich die folgende Beschreibung bezieht, soheMatisch dargestellt. In der Zeichnung zeigens
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Stirnansicht eines an einer Abgassasuaelleitung eines Verbrennungsmotors angebrachten Turboladers, wobei das erfindungsgeMäße Steuerventil eingebaut ist,
Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Turboladers von Figur 1 Mit den zugehörigen Anbau und
Fig. 3-6 teilweise gesohnittene Ansichten, aus denen zusätzliche SteuerventilausfUhrungsforMen ersichtlioh sind.
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Der in Figur 1 gezeigte Turbolader weist eine Turbine 10 und einen Kompressor 11 auf· Er kann in geeigneter Weise mit Hilfe eines Paßstücks 13 an einer Abgassammelleitung 12 einer Verbrennungskraftmaschine befestigt sein« Die Turbine besitzt einen Rotor 14, der an dem einen Ende einer Welle 15 befestigt ist. Die Welle ist in passenden Lagern um ihre Längsachse drehbar gelagert· An dem anderen Ende der Welle ist ein Kompressorlaufrad 16 befestigt.
Der Turbolader kann dem Typ entsprechen, wie er in der U.S.A.Patentschrift 3 270 495 beschrieben ist. Im einzelnen ist die Turbine mit einem stationären und vorzugsweise schaufellosen Gehäuse 17 versehen, in dem eine ringförmige Trennwand 18 befestigt ist und im wesentlichen lotrecht zur Längsachse der Welle 15 liegt. Die spiralförmige Turbinenkammer ist auf diese Weise in zwei ringförmige Abteile 19 und 20 unterteilt, mit denen die von der AbgasSammelleitung kommenden Abgase in radialer Richtung nach innen gegen die Längsachse gelenkt werden.
Die Gase strömen dann durch die auf dem Rotor gebildeten Schaufelkanäle und werden durch einen kreisrunden Auslaß 21 ins Freie geleitet. Der Rotor dreht die Welle 15 und das Kompressorlaufrad, um Umgebungsluft von einem Einlaß 22 zu einem Auslaß 23 zu pumpen. Der Auslai ist so beschaffen, daß er sich in geeigneter Weise an die Ansaugleitung einer Verbrennungskraftmaschine anschließen läßt, um dieser Maschine zu Verbrennung sz wecken Luft zuzuführen»
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Während der kritischen Leerlauf- und niedertourigen Phasen des Motorbetriebs neigt die Drehzahl eines gewöhnlichen Turboladers normalerweise dazu, unter eine Höhe zu sinken, die erforderlich ist, um die geeignete Motorleistung sicherzustellen. Um nun die richtige Turboladerdrehzahl während dieser Motorbetriebsphasen aufrechtzuerhalten, wird am Turbinen— auslaß ein Klappenventil 2k vorgesehen. Wie im folgenden noch genauer beschrieben wird, ist das Ventil so beschaffen, daß es während der oben erwähnten kritischen Motorbetriebsphasen in seine 2^-StOlIuHg verschwenkt werden kann, um den ganzen Gasstrom in das Abteil 20 zu lenken.
Das Ventil ist durch einen Gelenkstift 25 schwenkbar an dem Paßstüok 13 befestigt, um seinen Einbau in ein Übliches Turboladersystem zu erleichtern. An dem Gelenkstift ist ein Hebel 26 (Figur 2) befestigt, der sich vorzugsweise außerhalb des Turboladers befindet. Ein Stift 27 verbindet den Hebel drehbar mit einer hin- und herbeweglichen Stange 28, die ein Teil einer Steuervorrichtung zur Handbetätigung oder automatischen Betätigung des Klappenventils bildet.
Wenn das Klappenventil automatisch betätigt werden soll, kann die Stange 28 mechanisch über eine passende, nicht gezeigte Gestängevorrichtung mit einer Kolbenstange 29 verbunden werden, die einen Kopf 30 aufweist, der an dem anderen Stangenende befestigt ist. Der Kolben kann in einem Gehäuse 31 hin- und herbeweglich gelagert sein. In dem Gehäuse kann sich eine Schraubenfeder befinden, die den Kolbenkopf normalerweise in seine gestrichelt gezeichnete Stellung 30* rückt. Die Hin- und Herbewegung de« Kolbens läßt sich von einem veränderlichen
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Motorbetriebsparameter abhängig machen, beispielsweise einer schematisch bei 33 gezeigten Druckmittelquelle.
Eine solche Druckmittelquell· kann den veränderlichen Luftdruck liefern, der beispielsweise in der Motoransaugleitung oder am Auslaß 23 des Kompressors il herrscht. Zwischen der Quelle 33 und dem Gehäuse 31 kann durch eine Leitung 34 eine Betriebsverbindung hergestellt werden, so daß ein derartiger veränderlicher Luftdruck ständig ein« am Kopfende des Kolbens 30 gebildete Kammer beaufschlagt* Wenn also der Luftdruck in der Motoransaugleitung unter eine vorherbestimmte Höhe absinkt, und zwar während des Leerlaufbetriebs oder des Motorbetriebs bei niedriger Drehzahl, dann tritt in der Kammer 35 ein entsprechender Druckabfall auf.
Ein solcher Druckabfall ermöglicht es der Feder 32, den Kolben 30nach rechts in die gestrichelt gezeichnete Stellung 30* zu verschieben. Diese Bewegung wiederum hat zur Folge, daß das Klappenventil 24 über die Stangen 28 und 29» ihr zwischengeschaltetes Gestänge und den Hebel 26 in seine gestrichelt gezeichnete oder Sperrstellung 24* gedreht wird. Das Klappenventil verhindert dadurch, daß die Abgase in das Kammerabteil 19 strömen, und lenkt den ganzen Gasstrom in das Abteil 20.
Der eingeschnürte Gasstrom erfährt ein· Geschwindigkeit set eigerung, und zwar im wesentlichen nach der Grundformel Q = AV, wobei Q gleich der Menge des Gasstroms, A gleich der Einlaßfläche der Turbine, wie sie durch die Stellung de» Klappenventile festgelegt wird, und V gleich der Geschwindigkeit des Gasstroms ist. Als Folge dessen wird d«r Rotor 14 mit einer höheren Drehzahl (Upm) angetrieben, als dies der Fall wäre, wenn beide Abteile zur
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Abgasleitung hin geöffnet wären.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Klappen— ventilausfiihrung nach den Figuren 1 und 2 eine rechteckige Fora (Figur 2) aufweist, tie an die Farbgebung einer Kauer 36 des Paßstücks I3 angepaßt ist, die einen entsprechenden Rechteckquerschnitt aufweist· Ein soloher Rechteckquerschnitt paflt zu den Rechteokquerschnitten eines EinlaBes 37 des Turbinengehäuses 17 und Auslaßes 38 der Ansaugleitung. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß selbstverständlich auch andere zusammenpassende Formgebungen Verwendung finden können.
So zeigt beispielsweise Figur 3 eine andere Ausführungsform, bei der eine Kammer 36a eines Paßstücks 13a einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, d.h. die Kammer.36a bildet einen riohtigen Zylinder. Ein unterer Rand 39 eines Klappenventils 24a kann in geeigneter Weise abgerundet sein, so daß er sich an die kreisförmigen, inneren Wandteile des Paßstücks seiner Form nach anpaßt, die die Kammer 36a begrenzen, sobald das Klappenventil verschwenkt und mit diesen Wandteilen in Berührung gebracht wird, um das Abteil 19 zu verschließen.
Es wird darauf hingewiesen, daß die abgeänderten SteuerventilausfUhrungsformen, wie sie in den Figuren 3-6 dargestellt sind, bezüglich ihrer Bezugszeichen mit den Bezugszeichen der Figuren 1 und 2 übereinstimmen, jedoch die Buchstaben, a, b, c, und d als Indizes aufweisen, um im wesentlichen identische Bauelemente zu kennzeichnen« Die zusätzlichen Bauelemente in den Figuren 1 und 2, die nioht in den Figuren 3-6 in Erscheinung treten, werden natUrlioh bei diesen vier anderen Ausführungsformen ebenfalls verwendet.
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Die AusfUhrungsform nach Figur 4 weist eine senkrechte Leitflächenvorrichtung 40 auf, die im wesentlichen koplanar in bezug auf die Trennwand 18b und das Klappenventil 24b liegt, wenn das Ventil sich in seiner Normalstellung befindet, d.h. in seiner nicht vereohwenkten Stellung·.Ein Sammelleitungsteil 41 wird auf diese Weise mit den beiden Abgasöffnungen einer beispielsweise vierzylindrigen Verbrennungskraftmaschine in geschlossener Verbindung gehalten, während ein Sammelleitungsteil 42 mit den beiden anderen Abgasöffnungen in geschlossener Verbindung bleibt. Beim Verstellen des Klappenventils in seine 24b'-Stellung werden die Abgase aller vier Abgasöffnungen an nur ein Abteil 20b abgegeben, um dadurch während der oben beschriebenen, kritischen Phasen des Motorbetriebs die Turbinendrehzahl zu erhöhen.
Die AusfUhrungsform nach Figur 5 ist in sofern der in Figur 4 gezeigten AusfUhrungsform ähnlich, als jeder Abgassammelleitungsteil 41c und 42c normalerweise mit einer Hälfte der Abgasöffnungen des Motors in geschlossener Verbindung gehalten wird. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß bei dieser AusfUhrungsform kein Paßstück verwendet wird, d.h. der Auslaß der Abgassamme 11 ellung ist unmittelbar an dem Turbinengehäuse angebracht. Dazu kommt, daß ein Klappenventil 24c mit Hilfe eines Gelenkstiftee 24c direkt an der Abgassämmelleitung verschwenkbar angebracht ist.
Die AusfUhrungsform nach Figur 6 ist ähnlich der AuefUhrungsform nach Figur 5 mit Ausnahme der Tatsache, daß keine Leitflächenplatte oder -vorrichtung in der Abgassammelleitung benutzt wird, um wie gewöhnlich den Abgasstrom zur Turbine in getrennte Ströme aufzuteilen. Insbesondere stehen alle Abgasöffnungen miteinander in
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freier Verbindung, so daß sich die Abgas miteinander vermischen, bevor sie in die Turbine gefördert werden,
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Claims (7)

  1. Patentanmeldung: Turbolader für Verbrennungskraftmaschinen
    Pa t e η t an ep r Ii c he
    r—>
    ί 1.JTurboladersyatem für eine Verbrennungskraftmaschine ■it einer Turbinet deren Gehäuse einen Einlaß bildet, der sich an eine Motorabgassammelleitung anschließen läßt, ferner mit eine« in dem Gehäuse um eine Gehäuseiängsachse drehbar gelagerten Rotor und einer in einer Kammer des Gehäuses angeordneten, ringförmigen Trennwand, die im wesentlichen lotrecht zu dem Gehäuse liegt, um die Kammer in zwei ringförmige Abteile aufzuteilen, gekennzeichnet durch ein Klappenventil (24j,24a,24b,24o,24d), das an dem Einlaß (37) zu dem Gehäuse (17) schwenkbar angebracht ist, um normalerweise im wesentlichen koplanar mit der ringförmigen Trennwand (18) zu liegen und duroh eine Steuervorrichtung (26-34) zur wahlweisen Verschwenkung des Klappenventils (24), um daduroh den Einlaß zu einem der Abteile (19,20, 19ft,20a,19b,20b,19o,20o,i9<l,20d) zu verschließen.
    BAD ORiGIHAL
    Pattntanwälfe Dipl.-Ino. Martin Licht, t^li^rfW-lrfg/AimftflTiann, Dipl^Phy». SebaiHan Herrmann
    i MÖNCHEN 2, THiieiliNITIAil« 33 •T.I»fon,ai12W-T»ligramm-Adr«i«.L[po)ll/M0nch»n toff, Vtr.irubank M0nrf*n, Zw*lfit. Oikor-von-Mlllir-mne, Kto.-Nr. 1134*5 · PoituhtA-Kontoi MOnchth Nr. 1«JV
    O«>.(iowf»ör·! fATfNTANWALT DR, «KINHOID ICHMIDT -
  2. 2. Turboladersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgassammelleitung (12) eines Verbrennungsmotor Mit einer Auslaßöffnung an dem Gehäuse (17) angebracht ist, um alt dessen Einlaß (37) eine Verbindung herzustellen und dadurch Motorabgase an dem Klappenventil (24) verbei in die ringförmigen Abteile (19,20) zu leiten.
  3. 3. Turbeladersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnetι daß zwischen dem Einlaß (37) des Gehäuses (17) und dem Auslaß (38) der Abgassaamelleitung (12) ein PaBstUok (I3,13at13b) angebracht ist, an dem das Klappenventil (24,24a,24b) veraohirenkbar befestigt ist.
  4. 4. Turbeladersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (38) der Abgassammelleitung (12) unmittelbar am Einlaß (37) de* Gehäuses angebracht ist, und daß das Klappenventil (2%) auf der Abgassammelleitung schwenkbar gelagert ist.
  5. 5. Turboladersystarn naoh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die AbgasSammelleitung (12) eine Leitfläohenrerriohtung (40,40o) aufweist, die im waaentliehen keplanar zu dem Klappenventil (24,24b,24o) liegt, wenn •ich dieses Ventil in aainar normalen Stellung befindet, um auf diese Weise im Normalfall zwei getrennte Sammelleitungeteile (41,42,410,42ο) zu schaffen, die jeder mit einem entsprechenden ringfttrmigen Abteil (I9b,20b,19o,20o) in gosohlossoner Verbindung stehen.
  6. 6. Turbeladereystem naoh Anspruch 5, dadurch gekennseiohaet, dal zwisohen dom HnIaI (37) des Gehäuses (17) na* «o« Auslai (38) «or Abgasaammelleitung (18) ein ringfHrmigee FalatMek (13,IJa,13b) a«goordnot 1st, an dem das Klapptnventil (I4,14a,24b) drehbar befestigt ist.
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  7. 7. Turboladersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß die Steuervorrichtung mit Mitteln zur automatischen Verschwenkung des Klappenventils (2h) ausgestattet ist, um den Einlaß (37) zu einer der Abteile (±9,20) in Abhängigkeit von Luftdrucksohwankungen zu schließen, die in der Ansaugleitung der Verbrennungskraftmaschine auftreten·
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