DE2633587C2 - Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine

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Description

a) 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,
b) ein ebenfalls rohrförmiger, koaxial zum Schieber (12) angeordneter, innerer Abblaseschieber (25) vorgesehen ist, 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 ei ner Bohrung (27) den Auslaßkanal (10) bildet,
c) der rohrförmige Schieber (12) nach einem vorgebbaren Stellweg mit einem Mitnehmer (33) an einem Anschlag des Abblaseschiebers (25) zur Anlage kommt und diesen verschiebt
2. Abgasturbolader 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. Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem der maximalen Leistung der Brennkraftmaschine entsprechenden Endbereich des Stellweges des Schiebers (12) ein vom Ringkolben (13) aufzusteuernder Bypaß (36) für die Ladeluft angeordnet ist.
4. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (12) und der Abblaseschieber (25) mittels Keramikkugeln
(37) gegeneinander und/oder im Gehäuse (1) gelagert sind.
5. Abgasturbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikkugeln (37) in Nuten
(38) laufen, die mit dem Bypaß (36) für die Ladeluft in Verbindung stehen.
6. Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Nuten (38) gleich dem Durchmesser einer Keramikkugel (37) plus dem halben Weg der Relativverschiebung ist.
7. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikkugeln (37) zwischen dem Schieber (12) und dem Abblaseschieber (25) in einem getrennten Bauteil (41) angeordnet sind, das aus zwei mit Preßsitz zusammengefügten Rohren (42, 43) besteht, deren Wandstärke jeweils gleich dem Durchmesser der Keramikkugeln (37) plus dei radialen Spaltdicke ist, und daß die Nuten (38) bis zur Fügefläche (44) reichen und gegeneinander versetzt sind (F i g. 6).
8. Verfahren zum Betrieb eines Abgasturboladers nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (12) den Kanal (3) bei einer Drehzahl der Brennkraftmaschine geschlossen hält, die kleiner als die Drehzahl bei maximalem Drehmoment ist
9. Verfahren zum Betrieb eines Abgasturboladers nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß der Abblaseschieber (25) ab einer Drehzahl der Brennkraftmaschine von ungefähr 80% der maximalen Drehzahl gemeinsam mit dem Schieber (12) ladeluftabhängig verstellt wird.
Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen besteht die Schwierigkeit, den Abgasturbolader mit seinem schmalen günstigen Betriebsbereich dem breiten Betriebsbe- reich der Brennkraftmaschine anzupassen.
Aus der DE-OS 20 12 957 ist ein Abgasturbolader bekannt der die Merkmale des Gattungsbegriffs zeigt Durch die Abschaltung eines Kanals der zweiflutigen Radialturbine im Teillastbetrieb 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 durch ein Klappenventil abgeschaltet, das kurz vor dem Zwiilingskanal 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 Lagerstellen im Abgasstutzen und der Betätigungseinrichtung kaum möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Regelbarkeit eines Abgasturboladers der gattungsgemäßen Art mit einfachen Mitteln zu verbessern und die Betriebssicherheit der Regelelemente zu vergrößern, wobei der Abgasturbolader auch eine Abblaseregelung aufweiten soll.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der rohrförmige Schieber ist leicht durch berührungsfreie Dichtungen, z. B. einen längeren Dichtspalt, im Gehäuse abdichtbar. Die Dichtbtellen können in einen Bereich verlegt werden, dessen Temperatur bedeutend niedriger ist als die
so Temperatur kurz vor dem Turbineneinlaß, so daß auch Berührungsdichtungen verwendet werden können. Da der rohrförmige Schieber nur an seiner relativ kleinen Stirnseite von schnellströmendem Abgas beaufschlagt ist, ist die Wärmebelastung des Schiebers gering, wodurch sich eine hohe Betriebs- und Funktionssicherheit ergibt, im unteren Lastbereich wird der abgesperrte Kanal des Zwillingskanals durch den rohrförmigen Schieber vom Laufrad getrennt, so daß über das Laufrad in den abgesperrten Kanal keine Rückströmung infolge von Druckpulsationen auftreten kann, was die Einlaufströmung in das Laufrad ungünstig beeinflussen würde. Durch axiale Verstellung des Abblaseschiebers entsteht zwischen der Stirnseite des Abblaseschiebers und dem Laufrad ein den Laufradeinlaß mit dem Laufes radauslaß verbindender Bypaß, über den im oberen Lastbereich zur Regelung der Abgasturbine ein Teil der Abgase abgeblasen werden kann. Da der rohrförmige Schieber nach einem vorgebbaren Stellweg mit einem
Mitnehmer am Abblaseschieber zur Anlage kommt und diesen mitverstellt, ist eine einfache und wirkungsvolle Kombination zwischen der Verringerung des Einlaßquerschnitts im unteren Lastbereich und der Abblaseregelung im oberen Lastbereich erzielt s
Aus der US-PS 32 36 500 ist eine Radialturbine mit einem einflutigen Gehäuse bekannt, bei der Teile der Schaufeln durch Abdeckflügel fiberdeckt werden, um eine Drehzahlregulierung zu erzielen. Hierdurch ist die Turbine jedoch pulsierenden Belastungen ausgesetzt, da die Schaufeln nicht auf ihrem gesamten Umfang von einem Schieber überdeckt werden, sondern nur an verschiedenen Umfangspunkten, wodurch sie beim Weiterdrehen direkt wieder frei werden und vom Abgas beaufschlagt sind. Das Abgas trifft daher pulsierend auf die is Schaufeln auf, so daß diese einer dynamischer Belastung ausgesetzt sind, die der maximal zulässigen Belastung oder mehr entspricht
Die aus der GB-PS 10 41 842 bekannte Radialturbine weist einen Kolbenschieber auf, der in Abhängigkeit des Drucks auf der Verdichterseite gesteuert wird und einen Bypaß zur Radialturbine freigibt Dies ist eine bekannte Art der Abblaseregelung einer Abgasturbine.
Die feinfühlige und in allen Lastbereichen zufriedenstellend ansprechende Regelung der erfindungsgemä-Ben Abgasturbine kann mit diesen einzeln bekannten Regelungen nicht erzielt werden.
Bei der erfindungsgemäßen Abgasturbine ist der rohrförmige Schieber sowie der Abblaseschieber durch geeignete Betriebsparameter der Brennkraftmaschine wie z. B. Drehzahl, Ladelufttemperatur, Abgastemperatur, Last usw. verstellbar. Eine vorteilhafte Regelung des Schiebers in Abhängigkeit vom Ladeluftdruck ist dadurch erzielbar, 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.
Der Regelbereich des Abgasturboladers kann vorteilhaft dadurch erweitert werden, daß in dem der maximalen Leistung der Brennkraftmaschine entsprechenden Endbereich des Stellweges des Schiebers im Gehäuse ein Bypaß für die Ladeluft angeordnet ist, der vom Ringkolben aufsteuerbar ist. Mit einfachen Mitteln ist so zu dem vorhandenen Abblaseschieber eine weitere, an sich bekannte Abblaseregelung verwirklicht, durch die der höchste zugelassene Ladedruck begrenzbar ist.
Die Funktionsfähigkeit des Schiebers und des Abblaseschiebers kann dadurch verbessert werden, daß die Schieber gegeneinander und/oder irr. Gehäuse mittels Keramikkugeln gelagert sind. Die hitzebeständigen Keramikkugeln sorgen für eine leichtgängige Verstellbarkcii ucf SCiiicbcf.
Die Keramikkugeln laufen vorteilhaft in Nuten, die mit dem Bypaß für die Ladeluft in Verbindung stehen. Auf diese Weise sind im oberen Leistungsbereich der Brennkraftmaschine die Ringschieber und die Lagerelemente gekühlt, wodurch thermische Schaden an der Regeleinrichtung vermieden werden. Die Nutlänge ist zweckmäßiger Weise gleich dem Durchmesser der Keramikkugeln plus dem halben Wert der Relativverschiebung gewählt.
Zur einfachen Herstellung der Lagerung ist vorgesehen, die Keramikkugeln in einem getrennten Bauteil anzuordnen, das zwischen dem Schieber und dem Abblaseschieber anzuordnen iü. Das Bauteil besteht aus zwei mit Preßsitz zusammengefügten Rohren, deren Wandstärke jeweils gleich dem Durchmesser der Kugeln plus der radialen Spaltdicke ist wobei die Nuten bis zur Fügefläche reichen und gegeneinander versetzt sind.
Der Abgasturbolader wird vorteilhaft so betrieben, daß der Schieber den einen Kanal des Zwillingskanals bei einer Drehzahl der Brennkraftmaschine geschlossen hält, die kleiner ist als die Drehzahl bei maximalem Drehmoment Der Abblaseschieber wird vorteilhaft ab einer Drehzahl der Brennkraftmaschine von ungefähr 80% der maximalen Drehzahl gemeinsam mit dem Schieber ladeluftabhängig verstellt Die Abgasturbine ist für einen Betriebspunkt, bei dem die Abblaseregelung noch nicht wirksam ist, optimal auszulegen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Abgasturbine,
F i g. 2 bis 4 Teillängsschnitte verschiedener Schieberstellungen,
Fig.5 einen Querschnitt durch einen Schieber und Abblaseschieber, die gegeneinander mittels Keramikkugeln gelagert sind,
Fig.6 in perspektivischer Darstellung ein zwischen den Schiebern angeordnetes Bauteil als Lagereinheit.
Das doppelflutige Gehäuse 1 der Abgasturbine weist einen Zwillingskanal aus zwei Kanälen 2 und 3 auf. An dem Einlaß 4 des Zwillingskanals 2,3 ist ein Pulskonverter 5 mit einem hinreichend großen Verbindungsquerschnitt 6 angeflanscht.
Die Abgase strömen von der nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine über den Pulskonverter 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 seiner Stirnseite 14 durch mittels Stellschrauben 15 einstellbare Federn 16 belastet ist, während die gegenüberliegende Stirnseite 17 von Ladeluft beaufschlagt wird, die einer vorgelagerten Kammer 18 über eine Leitung 19 zugeführt ist. 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 (Fig. 1 und 2) reicht er mit einem geringen axialen Spiel an das Laufrad 9 heraus und bildet mit seiner Stirnseite 26 die angrenzende seitliche Gehäusewand und mit seiner Bohrung 27 den Auslaßkanal 10.
An der freien Stirnseite 28 des Abblaseschiebers 25 ist eine Platte 29 angeschweißt. Diese wird von der einen Seite 31 durch eine Feder 30 belastet, während an der gegenüberliegenden Seite 32 dei 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 Ausstül)-ungen 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 eingelassen, die den Dichtring 35 überbrücken und einen Bypaß
36 bilden, der die Kammer 18 mit dem Auslall 10 verbindet.
Zur Verbesserung der Verstellbarkeil des Schiebers 12 und des Abblaseschiebers 25 sind im Gehäuse bzw. in einem besonderen Bauteil 41 (Fig.6) Keramikkugeln
37 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 A b b. 2 zeigt eine Stellung des Schiebers 12 und des Abblaseschiebers 25 wie sie einer Belastung bis zu einer Drehzahl der Brennkraftmaschine entspricht, die kleiner ist a!s 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 an 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 der Abgase 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, in der die Platte 29 mit ihren Ausstülpungen und Führungsrohren 34 an der Seitenscheibe 20 zur Anlage gelangt, werden von dem Dichtungsring 35 die den BypaÖ 36 bildenden Nuten freigegeben, so daß ein Teil der 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.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
50 55 60

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, dessen Radialturbine ein doppelflutiges Gehäuse (1) mit einem Zwillingskanal (2,3) aufweist von dem ein Kanal (3) in Abhängigkeit von einem veränderlichen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine absperrbar ist so daß die gesamte zur Verfügung stehende Abgasmenge das Laufrad (9) der Abgasturbine über den anderen Kanal beaufschlagt dadurch gekennzeichnet, daß
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