DE2753826A1

DE2753826A1 - Turbolader

Info

Publication number: DE2753826A1
Application number: DE19772753826
Authority: DE
Inventors: Howard Stuart Atkin; William Kenneth Bruffell; Brian Ernest Walsham
Original assignee: Holset Engineering Co Ltd
Current assignee: Cummins Turbo Technologies Ltd
Priority date: 1976-12-03
Filing date: 1977-12-02
Publication date: 1978-06-08
Also published as: CS207606B2; JPS5392027A; GB1592550A; CA1073287A; JPS5547218B2; PL202499A1; BR7708052A; FR2372963B1; SE437696B; MX145742A; FR2372963A1; US4169355A; ES464523A1; SE7713725L; PL111834B1

Description

HELMUTSCHROETER KLAUS LEHMANN

DIPL.-PHYS. DIPL-ING.

HOLSET ENGINEERING tho-ho-26

COMPANY LIMITED 1. 12. 1977

Turbolader

Die Erfindung betrifft ein Ventil zur Anwendung in Verbindung mit einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, insbesondere eine Verknüpfung eines Ventiles und eines Turboladers, sowie ein Verfahrein zum Betreiben des Turboladers.

Beim Betreiben von Brennkraftmaschinen werden zunehmend höhere Drehmomente bei geringeren Drehzahlen gefordert, was sich beispielsweise mit Hilfe aufgeladener Brennkraftmaschinen erzielen läßt, bei denen durch eine Einstellung der Turbine des Turboladers die Brennkraftmaschine mit unter höherem Druck stehender Luft und somit mit mehr Luft versorgt wird.

Bei einem zentrifugal arbeitenden Turbolader ändert sich der erzeugte Druck mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Bei einer Zunahme des Abgabedruckes bzw. Förderdruckes, um ein erforderliches gesteigertes Drehmoment bei geringer

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GtMfINSAMF KONTEN" D-707 SCHWABIS(H GMUND GtMfINSAMF tCONTEN" D-β MONCHtN 7O Telefon 107171) 56 90 IVuiidir Hink München 70/37369 (111/700 700 10) Tflrlon: (0 19) 77 I« Si H. SCHROETER Tcli-Ri-immt; SJirocpat Schwil.iuli Gmund OJ/OO 535 (BLZ ti 3 700 Ii) K.LEHMANN Tf If ur«mnw: Sdirorptt Boiugaue 49 Tel«: 7248 861 pigd d Pomthcckkonio Mundwn 1679 41-104 LipowikyitriSf 10 Trlri: S 212 241 pure d

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Drehzahl der Brennkraftmaschine zu liefern, nimmt auch der Förderdruck bei höheren Drehzahlen der Brennkraftmaschine zu. Diese Schwierigkeit wird dadurch überwunden, daß man an der Turbinenseite des Turboladers ein Überströmventil vorsieht, welches ermöglicht, daß die Abgase der Brennkraftmaschine unter Umgehung des Leitschaufelkranzes und des Laufrades erforderlichenfalls gelenkt werden. Die zur Umgehung des Leitschaufelkranzes und des Laufrades der Turbine üblichen Ventile arbeiten mechanisch und weisen üblicherweise ein federbelastetes Tellerventil auf, das sich entgegen der Federvorspannung öffnet, wenn der in das Laufrad der Turbine eintretende Gasdruck oder der Ladedruck der Brennkraftmaschine einen vorbestimmten Wert übersteigt. Beim öffnen des Tellerventiles geht ein Teil der Abgase durch das Ventil und der Leitschaufelkranz sowie das Laufrad der Turbine werden umgangen. Derartige Ventile arbeiten jedoch unzuverlässig, da beim überwiegenden Arbeiten im geschlossenen Zustand (d.h. bei geringer Drehzahl) eine dem Ventil eigene Empfindungsdauer vorhanden ist, die das Ventil im geschlossenen Zustand zu halten sucht, was zu Beeinträchtigungen der Brennkraftmaschine und zu deren Zerstörung führen kann. Nach der Erfindung wird ein Turbolader für eine Brennkraftmaschine in Verbindung mit einem Fluidventil vorgeschlagen. Das Fluidventil liegt so und ist derart angeordnet, daß die Menge des Arbeitsgases (z.B. Abgas), das das Turbinenlaufrad erreicht, im Betrieb in Abhängigkeit eines wählbaren Parameters veränderlich ist.

Die Bezeichnung "Fluidventil" bezieht sich auf ein Ventil, durch das ein Fluidstrom (Arbeitsmittel) irgendwie, z.B. in der Richtung oder dem Volumen, durch die direkte Wechselwirkung eines zweiten Fluidstromes (Steuerfluid) variiert werden kann.

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Das erfindungsgemäß vorgesehene Fluidventil kann monostabil sein (d.h. der erste Fluidstrom ist auf einen Zustand vorgeregelt und dieser Zustand wird dann wiederum eingenommen, wenn der zweite Fluidstrom fehlt). Das Fluidventil kann auch bistabil sein, d.h. der erste Fluidstrom kann bei der Abwesenheit des zweiten Fluidstromes einen von zwei Zuständen einnehmen und das Ventil geht von einem Schaltzustand auf einen anderen in Abhängigkeit von einem Signal des zweiten Fluidstromes über. Das erfindungsgemäße Fluidventil ermöglicht auch einen Proportionalbetrieb, so daß sich der Zustand des ersten Fluidstromes innerhalb eines Bereiches in Abhängigkeit von der Änderung des zweiten Fluidstromes ändern kann.

Das Fluidventil kann in dem Turbinengehäuse oder in der Auslaßleitung der Brennkraftmaschine angeordnet sein. Das Ventil kann auch zusätzlich oder nur im Zylinderkopf oder in der Auslaßleitung angeordnet sein oder kann eine separate Baueinheit zwischen den beiden bilden.

Das Ventil kann über den direkten Gasstrom von der Brennkraftmaschine zu der Turbine oder über die Strömungsleitung betrieben werden, die die Turbine umgeht.

Vorzugsweise ist das Ventil derart angeordnet, daß es in einen Schaltzustand vorbelastet ist, in dem der Bypaß beim Fehlen oder bei einer Unterbrechung der Steuerfluidversorgung offen ist.

Erforderlichenfalls kcanen auch mehrere Fluidventile vorgesehen sein, wobei die Fluidventile in Serie zueinander geschaltet sein können. Die Fluidventile können auch an verschiedenen Stellen längs der Zuführungsleitung von Abgas zu der Turbine angeordnet sein. Gemäß anderen Ausführungsformen können vollständig unabhängige Fluidventile verwendet werden. Bei einer 8-Zylinder-Brennkraftmaschine

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mit V-Anordnung und zwei Turbo1ädern können beispielsweise ein oder mehrere Pluidventile jedem Turbolader zugeordnet sein.

Obgleich das Ventil derart ausgelegt sein kann, daß man die Menge des Betriebsgases, das den Turbinenläufer erreicht, in Abhängigkeit von mehreren wählbaren Parametern ändern kann, ist die Verwendung eines einzigen Parameters bevorzugt.

Als wählbare Parameter kommen beispielsweise insbesondere der Ladedruck, der Abgasdruck oder auch irgend ein anderer Betriebsparameter der Brennkraftmaschine oder des Turboladers in Betracht.

Als Steuerventil für das Fluid kommen beispielsweise die Ladeluft, das Abgas, die Bremsluft oder auch jegliche andere Versorgung in Betracht. Wenn der wählbare Parameter der Versorgungsdruck ist, kann dieser direkt zur Steuerung, d.h. ohne ein zusätzliches Steuermittel, verwendet werden.

Vorzugsweise weist das Fluidventil einen Einlaß zum Anschluß an die Hauptleitung auf, die zum Turbineneinlaß führt, sowie eine zylindrische Kammer mit einem Auslaß und eine Steueröffnung zum Einleiten des Steuerfluids. Der Einlaß kann jeden üblichen Querschnitt aufweisen. Er ist jedoch vorzugsweise radial bezüglich der Kammer ausgerichtet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Schikane im Einlaß angeordnet, um die Steuerung des Abgasstromes beispielsweise durch einseitiges Voreinstellen der Strömungsrichtung des Abgases zu unterstützen. Die Schikane kann jede gewünschte Gestalt oder Größe aufweisen und es können auch mehrere Schikanen verwendet werden. Der Auslaß aus der Kammer ist vorzugsweise zentral in der Kammer angeordnet. Die Steueröffnung ist vorzugsweise in der Nähe der Stelle angeordnet, an der der Einlaß mit der Kammer verbunden ist und er ist senkrecht zu der Hauptachse

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des Einlasses ausgerichtet. Erforderlichenfalls können auch mehrere Einlaßöffnungen vorgesehen sein. Es können tatsächlich so viele Steueröffnungen wie erwünscht oder erforderlich bis zu den Grenzen vorgesehen sein, die durch die Abmessung der vorhandenen Kammer vorgegeben sind. Die Verwendung zusätzlicher Steueröffnungen ermöglicht Variationen bezüglich der durchzuführenden Steuerung. Beispielsweise kann eine Steueröffnung zum einseitigen Einstellen des Abgasstromes und eine weitere zum Einleiten der Umschaltung von einer zur anderen Strömungsrichtung verwendet werden. Bei einer anderen Ausführungsform können eine Steueröffnung zum Betätigen in Abhängigkeit eines ersten Parameters und eine zweite Steueröffnung zum Betätigen in Abhängigkeit eines zweiten Parameters verwendet werden.

Die Erfindung umfaßt auch eine Verbindung eines Turboladers und eines Fluidventiles nach der Erfindung mit einer Brennkraftmaschine, wobei das Fluidventil zwischen der Auslaßleitung der Brennkraftmaschine und der Einlaflseite der Turbine angeordnet ist.

Auch gibt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Turboladers an, nach dem mit Hilfe eines Fluidventiles die Menge des Arbeitsgases in Abhängigkeit eines gewünschten Parameters verändert werden kann, die dem Turbinenläufer zugeführt wird.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Figur 1 ist eine Rückansicht eines Fluidventiles nach der Erfindung, das an einer Auslaßleitung einer Brennkraftmaschine angebracht ist,

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Figur 2 ist eine Seitenansicht der in Figur 1 gezeigten Anordnung mit Blickrichtung in Pfeil A in Figur 1,

Figur 3 ist eine vergrößerte Ausschnittsansicht der Vorrichtung nach den Figuren 1 und 2, und

Figur 4 ist eine schematische Darstellung eines Turboladers in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine und einem Fluidventil nach der Erfindung.

Nach den Figuren 1 bis 3 ist ein Fluidventil 10 an einer Abgasleitung 12 einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) angeordnet. Das Fluidventil umfaßt vier Hauptbauteile, einen Einlaß 14, einen Ventilkörper 16, einen Auslaß 18 und einen Halter 20 für eine Steueröffnung. Der Ventilkörper 16 ist als Block 22 ausgebildet und umfaßt Deckplatten 24, 26, die auf den Block 22 aufgeschraubt sind. Der Block 22 besitzt eine zylindrische, den Block durchziehende öffnung, die eine Ventilkammer 28 bildet, sowie einen Einlaßdurchgang 30, der mit der Kammer 28 verbunden ist. Die Deckplatten 24, 26 umfassen glatte Endabschnitte 25, 29, die in die Innenseite der Kammer 28 eingepaßt sind. Die Deckplatte 26 umfaßt eine zentral liegende Auslaßöffnung 27, die mit der Ventilkammer 28 verbunden ist. Der Block umfaßt ebenfalls eine öffnung 32 in der Nähe des Durchlasses 30, um einen Teil des Halters 20 für die Steueröffnung aufzunehmen. Der Einlaß 14 ist an einem Ende des Ventilkörpers 16 derart aufgeschraubt, daß der Durchgang 34 eng mit der Einlaßöffnung 30 in dem Block 22 verbunden ist und daß an dem anderen, zu der Auslaßleitung 12 zugewandten Ende der Durchgang 34 eng mit einer öffnung 36 in der Auslaßleitung 12 verbunden ist. Eine Schikane 35 erstreckt sich quer zu dem Durchgang 34·» so daß der Durchgang in zwei abgeteilte Kammern unterteilt ist. Der Auslaß 18, der einen divergierenden Durchgang 38 umfaßt, ist am Ventilkörper 22 derart angeschraubt, daß das schmalere Ende des Durchgangs

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38 eng in Verbindung mit der Auslaßöffnung 27 steht. Der Halter ?0 für die Steueröffnung (vgl. Figur 3) weist einen länglichen Abschnitt 40, der in der öffnung 32 aufgenommen ist, und einen flanschähnlich ausgebildeten Abschnitt 42 auf, der zum Anschrauben des Halters 20 an dem Block 22 dient. Ein Durchgang 44 durchzieht den flanschförmig ausgebildeten Abschnitt 42 sowie den länglichen Abschnitt 40 des Halters 20. Das Ende 4-6 des länglichen Abschnittes 40 des Halters 20 ist an die gekrümmte Fläche der Kammer 28 angepaßt und das Ende des Durchganges 44, das von der Kammer 28 entfernt liegt, erweitert sich und ist wie bei 48 angedeutet mit einem Gewinde versehen, um einen Anschluß (nicht gezeigt) für eine Quelle aufzunehmen, die unter Druck stehendes Fluid liefert. Der Durchgang umfaßt einen Abschnitt 47 mit einem mittleren Durchmesser und einen Abschnitt 49 mit einem kleinen Durchmesser.

Beim Betrieb der Brennkraftmaschine strömen Auslaßgase längs der Auslaßleitung 12 von der Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) zu der Turbinenseite eines Turboladers (nicht gezeigt). Die Gasmenge, die durch den Durchlaß 34-, die Kammer 28 und den Auslaß 18 geht, ändert sich in Abhängigkeit von der Fluidmenge, die der Kammer 28 über den Durchlaß 44- zugeführt wird. Wenn die Brennkraftmaschine bei niederer Drehzahl arbeitet und an der Turbine die maximale Menge an Abgas benötigt wird, nimmt die Fluidmenge, die über den Durchgang 44 in die Kammer 28 eintritt, derart zu, daß nur wenig oder kein Auslaßgas unter Umgehung der Turbine strömt. Wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine zunimmt, und ein geringerer Anteil des Auslaßgaces für die Turbine benötigt wird, nimmt die Fluidmenge progressiv oder stufenweise (über eine einzige oder über mehrere Stufen) ab, die über den Durchlaß 4-4 zu der Kammer 28 gelangt, so daß größere Abgasmengen durch das Ventil unter Umgehung der Turbine gehen. Der Durchgang 44 kann mit irgendeinem geeigneten Fluid versorgt werden, wie zum Bei-

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spiel aus einem Vorratsbehälter für Bremsluft, und die Versorgung wird in Abhängigkeit von irgendeinem wählbaren Parameter, wie zum Beispiel dem Gasdruck, in der Auslaßleitung gesteuert. Das in den Figuren 1 bis 3 gezeigte Ventil hat eine Proportionalkennlinie, da eich der durch das Ventil gehende Strom in Abhängigkeit von dem Strom des Steuerfluids ändert.

In Figur 4 ist schematisch eine Anordnung mit einer Brennkraftmaschine, einem Turbolader und einem Fluidventil gezeigt. Eine Brennkraftmaschine 50 weist eine Einlaßleitung 52 und eine Auslaßleitung 5^ auf. Ein schematisch insgesamt mit 56 bezeichneter Turbolader ist so angeordnet, daß er unter Druck stehende Luft von der Verdichterseite 50 des Turboladers 56 zu der Einlaßleitung 52 liefert. Der Verdichter 58 wird von der Turbine 60 angetrieben, die von der Brennkraftmaschine 50 Auslaßgase über die Auslaßleitung 54 aufnimmt. In der Auslaßleitung 54 ist ein Fluidventil 10 angeordnet, das, wie in den Figuren 1 bis 3 gezeigt, ausgebildet ist. Eine Versorgungsleitung 64 für Steuerluft ist an dem Halter für die Steueröffnung (s. Figuren 1 bis 3) des Fluidventiles 10 angeschlossen, die mit einem Vorratsbehälter verbunden ist, der unter hohem Druck stehende Luft aus einer Bremsanlage (nicht gezeigt) enthält. Die Steuerung der dem Fluidventil zugeführten Luftmenge erfolgt über eine Betriebskopplung 66 von einer druckempfindlichen Einrichtung 68 im Einlaß 52 mit der Druckleitung 64.

Beim Betrieb strömen Abgase von der Brennkraftmaschine über die Auslaßleitung 5^ in die Turbine 60 des Turboladers ein und ein Turbinenläufer wird hierdurch in Drehung versetzt. Das Verdichterrad wird hierdurch ebenfalls in Drehung versetzt und liefert über die Einlaßleitung 52 unter Druck stehende Luft zu der Brennkraftmaschine 50. Bei geringen Drehzahlen der Brennkraftmaschine wird an der Turbine Luft

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mit maximalem Druck benötigt, um das gewünschte höhere Drehmoment zu liefern. Wenn jedoch die Drehzahl der Brennkraftmaschine zunimmt, braucht sich der Druckwert nicht wie im Grundzustand zu steigern, und die druckempfindliche Einrichtung 68 arbeitet über die Verbindung 66 derart, daß die in das Fluidventil 10 eintretende, unter hohem Druck stehende Luftmenge abnimmt, wodurch erzielt wird, daß die der Turbine zugeführte Abgasmenge ebenfalls abnimmt, was in Verbindung mit den Figuren 1 bis 3 näher beschrieben worden ist. Das der Turbine nicht zugeführte Gas geht durch das Fluidventil und die Turbine wird über die Leitung 70 umgangen, wobei dann das Gas mit dem die Turbine verlassenden Gas wieder vereint wird. Wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine abfällt und der Druck in der Einlaßleitung 52 ebenfalls abfällt, ermöglicht die druckempfindliche Einrichtung 68 über die Verbindung 66, daß die von dem Vorratsbehälter des Bremssystems zu dem Ventil 10 eingeleitete, unter hohem Druck stehende Luftmenge zunimmt und folglich auch die der Turbine 58 zugeführte Abgasmenge zunimmt.

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Claims

PATENTANWÄLTE ^ / ü 3 Ö 2

HELMUT SCHROETER KLAUS LEHMANN

DlPL-PHYS. DIPL.-INC.

HOLSET ENGINEERING tho-ho-26

COMPANY LIMITED 1. 12. 1977

Patentansprüche

Turbolader für eine Brennkraftmaschine mit einem in einem Gehäuse drehbar gelagerten Läufer, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbolader in Verbindung mit einem Fluidventil (Steuerventil 10) betreibbar ist, und daß das Pluidventil (10) stromaufwärts des Turbinenläufers derart angeordnet ist, daß die Menge des Betriebegases, das den Turbinenläufer erreicht, in Abhängigkeit eines wählbaren Parameters veränderbar ist.

2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pluidventil (10) eine Proportionalkennlinie besitzt.

3. Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluidventil (10) im Turbinengehäuse angeordnet ist.

4. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (10) in einer Leitung (70) angeordnet ist, die die Turbine um-

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D-707 SCHWABISCH CMUND GEMEINSAME KONTEN: D-β MÖNCHEN 70

Telefon: (07171) 56 90 Deutftiie Bank München 70/37369 (BLZ 700 700 10) Telefon: (0 19) 77 19

H. SCHROETER Telegramme: Schroepit Schwäbisch Gmiind 02/00 535 (BLZ »13 70016) K.LEHMANN Telegramme: SoSroepat

Bodugane49 Telex: 7241161 pigd d Potuchedkkonto München 167941-104 LipowiVyurA 10 Tele«: 5 212 24t pure d

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5· Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (10) so angeordnet ist, daß es einseitig in einen Schaltzustand voreingestellt ist, bei dem die Umgehung offen ist, wenn die Versorgung mit Steuerfluid ausfällt oder unterbrochen ist.

6. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Fluidventile (10) vorgesehen sind.

7· Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluidventil (10) derart ausgebildet und angeordnet ist, daß die Menge des Betriebsgases in Abhängigkeit eines einzigen wählbaren Parameters variierbar ist, das zu dem Turbinenläufer gelangt.

8. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wählbare Parameter von dem Ladedruck oder dem Druck in der Auslaßleitung gebildet wird.

9. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz eichnet, daß das Fluidventil (10) einen Einlaß (14) zur Verbindung mit einer Leitung, die zu dem Einlaß der Turbine (60) führt, eine zylindrische Kammer (28) mit einem Auslaß O8) und eine Steueröffnung (20) zum Einleiten des Steuerfluides aufweist.

10. Turbolader nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (14) radial zu der Kammer (28) ausgerichtet ist.

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11. Turbolader nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schikane (35) in dem Einlaß (14) angeordnet ist.

12. Turbolader nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (18) aus der Kammer (28) in der Kammer (28) mittig angeordnet ist.

13. Turbolader nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueröffnung (20) in der Nähe der Stelle angeordnet ist, an der der Einlaß (14) mit der Kammer (28) verbunden ist, und daß die Steueröffnung (20) senkrecht zur Hauptachse des Einlasses (14) ausgerichtet ist.

14. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine (50) derart angeordnet ist, daß die Auslaßleitung (54) auf der Turbine (60) verbindbar ist, und daß das Fluidventil (10) an einer derartigen Stelle angeordnet ist, daß beim Betrieb der Vorrichtung das Arbeitsfluid, das vom Auslaßgas gebildet wird, so lenkbar ist, daß es zwischen der Brennkraftmaschine (50) und dem Einlaß der Turbine (60) strömen kann.

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