DE2633587A1 - Brennkraftmaschine mit abgasturbolader - Google Patents

Brennkraftmaschine mit abgasturbolader

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DE2633587A1 DE19762633587 DE2633587A DE2633587A1 DE 2633587 A1 DE2633587 A1 DE 2633587A1 DE 19762633587 DE19762633587 DE 19762633587 DE 2633587 A DE2633587 A DE 2633587A DE 2633587 A1 DE2633587 A1 DE 2633587A1
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Description

Akhd
Klöckner-Humboidt-DeutzAG ACil/%li ÜLLa» 6000 Köln 80, den 20. Juli 1976
Unsere Zeichen: D 76/35; A£TA «^X^q η
Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader, dessen Radialturbine ein doppelflutiges Gehäuse mit einem Zwillingskanal aufweist, von dem ein Kanal in Abhängigkeit von einem veränderlichen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine absperrbar ist, so daß die gesamte zur Verfügung stehende Abgasmenge das Laufrad der Abgasturbine über den anderen Kanal beaufschlagt.
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen besteht die Schwierigkeit, den Abgasturbolader mit seinem schmalen günstigen Bebriebsbereich dem breiten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine anzupassen. Unter den Brennkraftmaschinen mit den zahlreichen Möglichkeiten zur Anpassung des Abgasturboladers ist auch eine Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art bekannt (DT-OS 2 012 957). Durch die Abschaltung eines Kanals der zweiflutigen Abgasturbine während des Teillastbetriebes erhöht sich trotz des sich verschlechternden Wirkungsgrades mit der Gasgeschwindigkeit die Rotordrehzahl und damit als beabsichtigte Wirkung der Ladedruck bzw. die Drehmomentkurve der Brennkraftmaschine. Der eine von beiden Kanälen wird
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durch ein Klappenventil abgeschaltet, das kurz vor dem Zwillingskanal im Abgasstutzen schwenkbar gelagert ist. Das Klappenventil wird infolge der großen Abgasmengen, die es mit hohen Temperaturen bei großen Strömungsgeschwindigkeiten beaufschlagen, sehr heiß. Unter diesen erschwerten Bedingungen ist eine wirkungsvolle Abdichtung der Lagerstelle im Abgasstutzen und der Betätigungseinrichtung kaum möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Regelbarkeit des Abgasturboladers mit einfachen Mitteln zu verbessern und die Betriebssicherheit der Regelelemente zu vergrößern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Laufrad der Radialturbine auf einem Teil seiner Breite von einem rohrförmigen Schieber ummantelt ist, der durch axiale Verschiebung einen Kanal des Zwillingskanals steuert.
Bei der erfindungsgemäßen Gestaltung kann der rohrförmige Schieber leicht durch berührungsfreie Dichtungen, z.B. einen längeren Dichtspalt, im Gehäuse abgedichtet werden. Es ist ferner möglich, die Dichtstdlen in einen Bereich zu verlegen, dessen Temperatur bedeutend niedriger ist, als die Temperatur Jcurz vor dem Turbineneinlaß, so daß auch Berührungsdichtungen angewendet werden können. Außerdem wird der rohrförmige Ringschieber nur an der relativ klei-
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nen Stirnfläche von schnell strömendem Abgas beaufschlagt. Dadurch ist die Wärmebelastung des Schiebers gering. Die erfindungsgemäße Ausführung ist deshalb betriebs- und funktionssicher. Ferner wird der im unteren Lastbereich abgesperrte Kanal des Zwillingskanals durch den rohrförmigen Schieber vom Laufrad getrennt, so daß über das Laufrad keine Rückströmung in den abgesperrten Kanal infolge von Druckpulsationen auftreten kann, wodurch die Einlaufströmung in das Laufrad ungünstig beeinfluß würde.
Die Verstellung des rohrförmigen Schiebers kann in Abhängigkeit eines geeigneten Betriebsparameters der Brennkraftmaschine, z.B. der Drehzahl, der Ladelufttemperatur, der Abgastemperatur, der Last usw. verstellt werden. Eine einfache Regelung in Abhängigkeit vom Ladeluftdruck ist gemäß einer Ausgestaltung dadurch zu verwirklichen, daß der rohrförmige Schieber mit einem Ringkolben verbunden ist, dessen eine Stirnseite federbelastet und dessen andere Stirnseite durch den Ladeluftdruck beaufschlagt ist. Sinkt der Ladeluftdruck unter einen vorgebbaren Wert ab, wird der Schieber durch Federkraft in Schließstellung gebracht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, einen ebenfalls rohrförmigen inneren Abblaseschieber koaxial zum Schieber anzuordnen, der in seiner Ruhestellung mit einem geringen axialen Spiel an das Laufrad heranreicht und mit einer Stirn-
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Seite die angrenzende seitliche Gehäusewand und mit seiner Bohrung den Auslaßkanal bildet. Wird der Abblaseschieber axial verstellt, entsteht zwischen der Stirnseite des Abblaseschiebers und dem Laufrad ein Bypaß, der den Laufradeinlaß und mit dem Laufradauslaß verbindet, so daß im oberen Lastbereich zur Regelung der Abgasturbine ein Teil des Abgases abgeblasen werden kann. Die an sich mit anderen Mitteln bekannte Abblaseregelung kann ebenfalls in Abhängigkeit von geeigneten Betriebsparametern durchgeführt werden.
Eine einfache und wirkungsvolle Kombination zwischen der Verringerung des Einlaßquerschnittes im unteren Lastbereich und der Abbalseregelung im oberen Lastbereich erzielt man dadurch, daß der Schieber nach einem vorgebbaren Stellweg mit einem Mitnehmer an einem Anschlag des Abblaseschiebers zur Anlage kommt und diesen verschiebt. Dabei ist es vorteilhaft, daß der Schieber den einen Kanal des Zwillingskanals bei einer Drehzahl der Brennkraftmaschine geschlossen hält, die kleiner ist als die Drehzahl beim maximalen Drehmoment. Ferner ist es günstig, daß der Abblaseschieber ab einer Drehzahl der Brennkraftmaschine von ungefähr 80 % der maximalen Drehzahl gemeinsam mit dem Schieber ladeluftdruckabhängig verstellt wird. Die Abgasturbine ist optimal für einen Betriebspunkt auszulegen, bei dem die Abblaseregelung noch nicht wirksam ist.
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Ferner erweitert man den Regelbereich des Abgasturboladers dadurch, daß das Gehäuse im Bereich des Endes des Stellweges des Schiebers, die der maximalen Leistung der Brennkraftmaschine entspricht, einen Bypaß für die Ladeluft aufweist, der vom Ringkolben aufgesteuert wird. Dadurch wird mit einfachen Mitteln zusätzlich eine an sich bekannte Abblaseregelung der Ladeluft verwirklicht, durch die der höchste zugelassene Ladedruck begrenzt wird.
Die Funktionsfähigkeit des Schiebers und des Abblaseschiebers kann in Ausgestaltung der Erfindung dadurch verbessert werden, daß die Schieber gegeneinander und/oder im Gehäuse mittels keramischer Kugeln gelagert sind. Die hitzebeständigen keramischen Kugeln sorgen für eine leichtgängige Verstellbarkeit der Schieber. Dabei wird die Nutlänge zweckmäßigerweise gleich dem Kugeldurchmesser plus dem halben Weg der Relativverschiebung gewählt. Einfach herzustellen sind dLe Nuten in einem besonderen Bauteil zwischen dem Schieber und Abblaseschieber, das aus zwei mit Preßsitz zusammengefügten Rohren mit jeweils einer Wandstärke gleich dem Kugeldurchmesser plus der radialen Spaltdicke besteht, wobei die Nuten bis zur Fügefläche reichen und gegeneinander versetzt sind.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Keramikkugeln in Nuten laufen, die mit dem Bypaß für die La-
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deluft in Verbindung stehen. Dadurch wird erreicht, daß im oberen Leistungsbereich der Brennkraftmaschine die Ringschieber und die Lagerelemente gekühlt und thermische Schaden an der Regeleinrichtung vermieden werden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbdspiel der Erfindung dargestellt.
Abb. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Abgasturbine einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
Die Abb. 2 bis 4 zeigen in Teillängsschnitten verschiedene Schieber s te1lungen.
Abb. 5 zeigt einen Querschnitt durch einen Schieber und Abblaseschieber, die gegeneinander mittels Keramikkugeln gelagert sind.
Abb. 6 zeigt in perspektivischer Darstellung ein zwischen den Schiebern angeordnetes Bauteil.
Die dargestellte Abgasturbine besitzt ein doppelflutiges Gehäuse 1 mit einem Zwillingskanal, dessen Kanäle mit 2 und 3 bezeichnet sind. An dem Einlaßfdes Zwillingskanals 2,3 ist ein Pulskonvertor 5 mit einem hinreichend großen Verbindungsquerschnitt angeflanscht.
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Die Abgase strömen von der nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine über den Pu-Iskonvertor 5 in das doppelflutige Gehäuse 1 und beaufschlagen gleichmäßig die Kanäle 2 und 3. Von dort strömen sie weiter über auslaßseitige Öffnungen 7 und 8 am inneren Umfang der Kanäle 2, 3 durch ein punktiert eingezeichnetes Laufrad 9 zum Auslaß 10 der Turbine. Zwischen dem inneren Umfang des Zwillingskanals 2, 3 und dem äußeren Umfang 11 des Laufrades 9 ist ein rohrförmiger Schieber 12 angeordnet, der axial verschiebbar ist und die Öffnung 8 des Kanals 3 steuert. An dem Schieber 12 ist ein Ringkolben 13 angeschweißt, der an einer Stirnfläche 14 durch mittels Stellschrauben 15 einstellbare Federn 16 belastet ist, während dia gegenüberliegende Stirnfläche 17 von Ladeluft beaufschlagt wird, die einer vorgelagerten Kammer über eine Leitung 19 zugeführt wird. Der Gehäuseteil, der den Ringkolben 13 aufnimmt besteht aus zwei Seitenscheiben 20 und 21 die mittels Zuganker 23 gegen einen Mantel 24 verspannt sind.
Koaxial zum Schieber 12 ist ein Abblaseschieber 25 angeordnet. Er ist ebenfalls axial verschiebbar. In seiner Ruhestellung (Abb. 1 und 2) reicht er mit einem geringen axialen Spiel an das Laufrad 9 und bildet mit einer Stirnseite 26 die angrenzende seitliche Gehäusewand und mit seiner Bohrung 27 den Auslaßkanal
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An der freien Stirnseite 28 und des Abblaseschiebers 25 ist eine Platte 29 angeschweißt. Diese wird von der einen Seite durch eine Feder 30 belastet, während an der gegenüberliegenden Seite 32 der Schieber 12 mit einem Mitnehmer 33 zur Anlage kommt. Damit wird der Abblaseschieber ebenfalls in Abhängigkeit vom Ladedruck verstellt. Im Bereich der Federn weist die Platte 29 Ausstülpungen und Führungsrohre 34 auf, die gleichzeitig zur Begrenzung des Stellweges dienen.
In den Ringkolben 13 ist am äußeren Umfang ein Dichtring 35 eingelassen, der dichtend am inneren Umfang des Mantels 24 anliegt. Im Bereich der Endstellung des Ringkolbens 13 sind im Mantel 24 Nuten 36 eingelassen, die den Dichtring 35 überbrücken und eine Verbindung zwischen der Kammer 18 und dem Auslaß 10 herstellen.
Zur Verbesserung der Verstellbarkeit des Schiebers 12 und des Abblaseschxebers 25 sind im Gehäuse bzw. in einem besonderen Bauteil 41 Keramikkugeln 3 7 eingelassen, die in entsprechenden Nuten 38 geführt sind. Das Bauteil 41 besteht aus zwei mit Preßsitz zusammengefügten Rohren 42, 43, wobei die Nuten 38 bis auf die Fügeflächen 44 reichen und gegeneinander versetzt sind.
Die Abb. 2■zeigt eine Stellung des Schiebers 12 und des Abblaseschiebers 25 wie sie einer Belastung bis zu einer Drehzahl der
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Brennkraftmaschine entspricht, die kleiner ist als die Drehzahl bei maximalem Drehmoment. Bei diesem Belastungszustand wird das Laufrad 9 der Abgasturbine ausschließlich über den Kanal 2 beaufschlagt, während die Öffnung 8 des Kanals 3 verschlossen ist. Rückströmungen infolge von Pulsationen über das Laufrad 9 in den Kanal 3 sind nicht möglich.
Bei höherer Drehzahl und ansteigendem Ladedruck öffnet der Schieber 12 die Öffnung 8 des Kanals 3, so daß nunmehr das Laufrad 9 mit optimalem Wirkungsgrad über beide Kanäle 2 und 3 beaufschlagt wird. Steigt die Drehzahl der Brennkraftmaschine weiter und erreicht sie ungefähr 80 % der maximalen Drehzahl, kommt der Mitnehmer 33 des Schiebers 12 an der" Platte 29 des Abblaseschiebers 25 zur Anlage und verstellt diesen axial. Dadurch wird zwischen der Stirnseite 26 und dem Laufrad 29 der Spalt vergrößert, so daß ein Teil des Abgases ohne Beaufschlagung des Laufrades 9 in den Auslaß 10 gelangt. Durch die Vergrößerung der Öffnung 8 des Kanals 3 erfolgt allerdings zunächst eine vermehrte Beaufschlagung des Laufrades 9.
Erreicht der Ringschieber 13 seine Endlage , indem die Platte 29 mit ihren Ausstülpungen und Führungsrohren 34 an der Seitenscheibe 20 des Gehäuseteils zur Anlage kommt, werden von dem Dichtungsring 35 die Nuten 36 freigegeben, so daß ein Teil der
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Ladeluft über einen Spalt 39 in den Auslaß 10 gelangt. Ferner kann ein Teil der Ladeluft über Bohrungen 40 zur Kühlung der Keramikkugeln 37 in die Nuten 38 geleitet werden. Durch das Abblasen der Ladeluft wird der maximale Ladedruck der Brennkraftmaschine bestimmt.
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Claims (11)

  1. Klöckner-Humfaoldt-DeutzAG ΔΑ^4IfUUf) SOOO Köln 80, den 20. Juli 1976
    Unsere Zeichen: D 76/35; APTA R/Rü
    Patentanspr ü c h e
    Iy Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader, dessen Radialturbine ein doppelflutiges Gehäuse mit einem Zwillingskanal aufweist, von dem ein Kanal in Abhängigkeit von einem veränderlichen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine absperrbar ist, so daß die gesamte zur Verfügung stehende Abgasmenge das Laufrad der Abgasturbine über den anderen Kanal beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laufrad (9) der Radialturbine auf einem Teil seiner Breite von einem rohrförmigen Schieber (12) ummantelt ist, der durch axiale Verschiebung einen Kanal (3) des Zwillingskanals (2, 3) steuert.
  2. 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Schieber (12) mit einem Ringkolben (13) verbunden ist, dessen eine Stirnseite (14) federbelastet und dessen andere Stirnseite (17) durch den Ladeluftdruck beaufschlagt ist.
  3. 3. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen ebenfalls rohrförmigen, koaxial zum Schieber (12) angeordneten, inneren Abblaseschieber (25), der in seiner Ruhestellung mit einem geringen axialen Spiel an* das Laufrad (9) heranreicht und mit einer Stirnseite (26) die angrenzende seitliche Gehäusewand und mit seiner Bohrung (27) den Auslaßkanal (10) bildet.
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    ORIGINAL INSPECTED
    Λ&ΏΗΙΙΠ)
    KIöckner-Humboldf-DeutzAG A\\ü "«klraΙχά* - Λ/ί - 20. 7.1976
    D 76/35
  4. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Schieber (12) nach einem vorgebbaren Stellweg mit einem Mitnehmer (33) an einem Anschlag des Abblaseschiebers (25) zur Anlage kommt und diesen verschiebt.
  5. 5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (24) im Bereich des Endes des Stellweges des Schiebers (12) die der maximalen Leistung der Brennkraftmaschine entspricht, einen Bypaß (36) für die Ladeluft aufweist, der vom Ringkolben (13) aufgesteuert wird.
  6. 6. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (12) und der Abblaseschieber (25) mittels keramischer Kugeln (37) gegeneinander und/oder im Gehäuse (1) gelagert sind.
  7. 7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikkugeln (37) in Nuten (38) laufen, die mit dem Bypaß für die Ladelxift in Verbindung stehen.
  8. 8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutlänge gleich dem Kugeldurchmesser plus dem halben Weg der Relativverschiebung ist.
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    Klöckner-Humboldt-Deutz AG /5>AlÄ.Vu u Lief* ~ 13 - 20.7.1976
    D 76/35
  9. 9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten zwischen dem Schieber (12) und dem Abblaseschieber (25) in einem besonderen Bauteil angeordnet sind, das aus zwei mit Preßsitz zusammengefügten Rohren mit jeweils einer Wandstärke gleich dem Kugeldurchmesser plus der radialen Spaltdicke besteht, wobei die Nuten bis zur Flügelfläche reichen und gegeneinander versetzt sind.
  10. 10. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (12) den Kanal (3) bei einer Drehzahl der Brennkraftmaschine geschlossen hält, die kleiner ist als die Drehzahl beim maximalen Drehmoment.
  11. 11. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abblaseschieber (25) ab einer Drehzahl der Brennkraftmaschine von ungefähr 80 % der maximalen Drehzahl gemeinsam mit dem Schieber (12) ladeluftdruckabhängig verstellt wird.
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