DE2022158C3 - Regelvorrichtung für eine Abgasturbine eines Turboladers für Otto-Motoren - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für dnc Abgasturbine eines Turboladers für Otto-Motoren zur Erzielung eines möglichst giftfreien Abgases. Das Hauptanwendungsgebiet für eine solche Regelvorrichtung sind Turbolader von Otto-Motoren, die in Kraftfahrzeugen eingebaut sind, bei denen in Zukunft in steigendem Maße bestimmte Vorschriften über die Giftfreiheit der Abgase einzuhalten sind. Der besondere Zweck der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist. die giftigen SHckstofi-Sauerstoffverbindungen NO₀ d.h. also die Stickoxyde in den Abgasen, zu vermeiden.

Bekannt sind Abgasentgiftungsverfahren und -vorrichtungen für Otto-Motoren, bei denen eine Nachverbrennung der Abgase stattfindet. Durch diese Nachverbrennung werden die giftigen Kohlenstoffverbindungen des Abgases, wie Kohlenmonoxyd CO sowie verschiedene Kohlenwasserstoffe C,.H- durch Eingebung von Luft und gegebenenfalls besondere Zündung verbrannt.

Hierbei ist aber wegen der fetten Verbrennung ein unnötig hoher Brennstoffaufwand nötig. Man hat bereits festgestellt, daß demgegenüber ein Betrieb mit höherem Luftüberschuß möglich ist, bei welchem weder CO noch C_VH₂- noch insbesondere NOj₁-Verbindungen in unzulässig hoher Konzentration entstehen, wenn der Motor durch einen Abgasturbolader aufgeladen wird. Voraussetzung ist dabei, daß über einen größeren Bereich der Motordrehzahl — etwa über 40 bis 70⁰O — ein annähernd konstanter Ladedruck eingestellt wird und daß zwischen Vollast und Leerlauf im mittleren Drehzahlbereich der Ladedruck höchstens etwa uni 30 ^:n erniedrigt ist.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, für einen solchen Betrieb eines Abgasturboladers für Otto-Motoren eine Regelvorrichtung zu schaffen, die mit geringstem konstruktivem Aufwand und in leicht einzustellendem günstigem Betriebsverhalten die obigen Bedingungen einstellt. Sie löst diese Aufgabe dadurch, daß der Abgasstrom am Austritt aus dem Turbinenlaufrad mittels eines in axialer Richtung gegen den Laufradaustritl bewegbaren Regelschildes, dessen Außendurchmesser etwa dem Schaufeldurchmesser entspricht, drosselbar ist.

Es ist zwar bekannt, die Ladedruck-Kennlinie durch Drosselung hinter dem Turbinenrad zu verändern — vgl. MTZ, 1963, Heft 9, S. 323 —, jedoch ist eine geeignete Regelvorrichtung hierfür nicht angegeben. Die deutsche Auslegeschrift 1 228 857 zeigt eine Verstelleinrichtung an einem Abgasturbolader in Form einer axial verstellbaren Kammerwand. Diese ändert jedoch nur das Volumen einer Ausgleichskammer im Zuströmbereich. Die USA.-Patentschrift 3 313 518 beschreibt eine Regelung der Abgasturbine durch Verdrehen zweier Zwischenwände in der Ein trittsspirale. Diese ist in der konstruktiven Ausführung und im erforderlichen Aufwand mit der erfindungsgemäßen Regelung nicht vergleichbar.

In Weiterentwicklung der Erfindung wird vorgeschlagen, den Ladedruck als Regelgröße zu benutzen (Anspruch 2). Es kann auch der Ladedruck in Verbindung mit der je Arbeitsspiel zugeführten Brennstoffmenge als Regelgröße dienen (Anspruch 3).

Eine besonders zweckmäßige Anordnung im Rahmen der Erfindung ergibt sich dann, wenn ein Verstellkolben, auf den der Ladedruck gegen eine Feder wirkt, direkt mit dem Regelschild verbunden ist (Anspruch 4).

Für die Gegenstände der Ansprüche 2 bis 4 wird kein selbständiger Schutz begehrt. Vielmehr sollen diese nur im Zusammenhang mit dem Gegenstand des Hauptanspruchs geschützt werden.

Die Abbildungen zeigen beispielhafte Ausführungen der Regelvorrichtung in Fig. 1 und den damit erreichten Verlauf des Ladedruckes in F i g. 2.

Nach Fig. 1 wird das Turbinenlaufrad I über das Spiralgehäuse 2 vom Abgas des Motors beaufschlagt. Der Regelschild 3 versperrt einen regelbaren Ί eil des Austrittsquerschnittes 7 des Laufrades 1, so daß sich dieses hinsichtlich des Durchströmungsefiektes wie ein geometrisch kleineres Laufrad ve'hält. Der Regelschild 3 wird durch ein entsprechendes Regelglied verstellt, das hier beispielsweise durch einen Stellkolbcn 4 dargestellt ist, der in dem Raum 5 mit dem Ladedruck beaufschlagt ist und gegen eine Feder 6 wirkt. Natürlich kann der Regelschild auch durch andere Mittel, z. B. hydraulisch oder pneumatisch, verstellt werden. Zur Verminderung der Reibung in axialer Richtung kann der Regelschild rotieren, wobei der Rolationsbetrieb durch die freien Reibungskräfte der Gase an der Schildoberfläche erfolgen kann.

Durch die geschilderten Maßnahmen wird ein Ladedruckverlauf erreicht, w;e er in F i g. 2 dargestellt ist. Dabei ist das Ladedruckverhältnis p.Jp_n über dem Luftvolumendurchs;itz V_aiV_aN aufgezeichnet, p., bedeutet den Druck im Zylinder nach Aufladung, p_a den Außendruck, d. h. etwa den Atmosphärendruck. Die Luftmenge- in der Zeiteinheit V₀ wurde bezogen auf ein Nennvolumen, d. h. das Normalvolumen bei Vollast. Die schraffierte Fläche zeigt den Betriebsbercich, und zwar die obere Begrenzung die Vollastlinie, die untere die Leerlauflinie. Es sind ferner Linien konstanter Motordrehzahl für Leerlauf bzw. Vollast angedeutet. Natürlich liegen die nied-

rigen Drehzahlen bei kleinen Luftdurchsätzen, die größte Drehzahl bei dem höchsten Luflvolumen. Auf ι der Vollastlinie stellt Bereich A den natürlichen Betriebszustand der ungeregelten Turbine dar. Diese . steigt stark zu hohen Ladedrücken an. Man kann entsprechend der eingezeichneten Begrenzungslinie D den Anstieg des Ladedruckes begrenzen durch Einbau eines Abblaseventils, das durch den Ladedruck selbst in Tätigkeit gesetzt wird. Dieser würde also nach dem Beispiel in Fig. 2 das Druckverhältnis 1,45 nicht überschreiten. Der Bereich B entspricht dem Regelbereich, wie er mit dem erfindungsgemUßen vorstehend beschriebenen Abgasturbolader erreicht wird. Bei voll zugestelltem Regelschild wird der unterste Bereiche gefahren. Die Lee ι lauf kurve, das ist die untere Begrenzungslinie des Bereiches, kann im Gegensatz zu dem Verhalten bei normaler Turboaufladung bei verhältnismäßig hohen Ladedruckverhältnissen liegen. Diese Linie kann dann nahe an die Vollastlinie herankommen, falls man damit einen Spüleffekt bei Leerlauf erreichen will. Werden ausreichende Abgasqualitäten ohne Brennraumspülung erreicht, so kann man bei einer Gaspedalstellung für niedrige Last oder Leerlauf auf die Zustellung des Regelschildes 3 verzichten. Das Diagramm nach F i g. 2 stellt somit ein Beispiel dar für das Verhalten der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem über einen Bereich von 40 bis 70 ⁰Zo der Motordrehzahl ein fast konstanter Ladedruck eingestellt wird, wobei

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JA Verbrennung, jedoch etwas ungunsüger als bei ausschließlich magerer Verbrennung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Regelvorrichtung für eine Abgasturbine eines Turboladers für Otto-Motoren zur Erzielung eines möglichst giftfreien Abgases in der Weise, daß über 40 bis 70% des Motordrehzahlbereichs bei Vollast der Ladedruck annähernd konstant und zwischen Vollast und Leerlauf im mittleren Drehzahlbereich höchstens um 30% er- *° niedrigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrom am Austritt aus dem Turbinenlaufrad mittels eines in axialer Richtung gegen den Laufradaustritt bewegbaren Regelschildes (3), dessen Außendurchmesser etwa dem Schaufeldurchmesser entspricht, drosselbar ist.

2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladedruck als Regelgröße dient.

3. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ,der Ladedruck und die zugeführte Brennstoffmenge je Arbeitsspiel als Regelgröße dient.

4. Regelvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstellkolben as (4), auf den der Ladedruck gegen eine Feder (6) wirkt, direkt mit dem Regelschild (3) verbunden ist.