DE3509018C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Abblaseventil für eine Turbine eines Turboladers an einem Verbrennungsmotor, wobei das Abblaseventil die im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Merkmale hat. Ein Abblaseventil dieser Art ist bekannt aus der DE-OS 30 09 453.

Die Merkmale a) bis e) sowie g) und h) des Oberbegriffs von Anspruch 1 sind auch aus der DE-OS 26 57 794 bekannt.

Ein Turbolader für einen Verbrennungsmotor enthält normalerweise eine Turbine und einen Kompressor. Die Turbine wird gewöhnlich durch Abgas des Verbrennungsmotors angetrieben, und der Turbinenrotor ist in irgend­ einer Weise mit dem Kompressorrotor verbunden, wodurch eine Drehung des Turbinenrotors zu einer Drehung des Kompressorrotors führt. Dieser führt Verbrennungsluft unter Druck dem zugehörigen Verbrennungsmotor zu. Ein Problem bei derartigen Turboladern liegt darin, daß die Drehzahl des Turbinenrotors und damit des Kompressorrotors mit der Drehzahl und/oder Belastung des Verbrennungsmotors zunimmt. Bei hohen Betriebsdrehzahlen oder Belastungen des Verbrennungsmotors kann der Fall eintreten, daß Turbine und Kompressor unter übermäßigen Drehzahlen angetrieben werden. Es ist auch möglich, daß der Kompressor dem Verbrennungsmotor Verbren­ nungsluft unter Drücken zuführt, die höher sind als die höchstzulässigen Drücke für die Maschine.

In Turbolader werden daher Abblaseventile eingebaut, die dann wirksam werden, wenn die Rotordrehzahl oder -belastung einen bestimmten Wert überschreitet. Diese Abblaseventile ermöglichen es, daß mindestens ein Teil der Motorabgase an der Turbine vorbeiströmt, wenn die Drehzahl oder Belastung des Motors einen vorbestimmten Wert überschreitet.

Bei der Verwendung von Tellerventilen, wie nach der oben genannten Schrift, tritt das Problem auf, daß der Druck des Auspuffgases pulsiert. Der Spitzenwert der Druckimpulse des Auspuffgases, entweder direkt oder wenn er dem Druck der Quelle des Arbeitsdruckmittels überlagert wird, wiegt annähernd den durch die Kraft der Feder erzeugten Druck auf. Dies hat die Folge, daß das Ventil sich sehr schnell öffnet und schließt, und daß dieser Zustand während aller Öffnungszeiten des Ventils andauert. Solche Ventilschwingungen führen zu einem schnellen Verschleiß.

Durch die vorliegende Erfindung sollen solche Ventilschwingungen herab­ gesetzt werden. Außerdem soll eine Kombination von mechanischer Dämpfung durch auf den Ventilschaft ausgeübte Reibung und pneumatischer Dämpfung erzielt werden.

Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung nach Anspruch 1 ge­ löst.

Zur pneumatischen Dämpfung dient der bekannte Ringspalt zwischen der Druckplatte und der Wand des Gehäuses; ferner die erfindungsgemäß in der das Gehäuse unterteilenden Wand vorgesehene Drosselöffnung. Zur pneuma­ tischen Dämpfung trägt außerdem bei, daß die Wand dicht bei der Druck­ platte angeordnet ist. Eine mechanische Dämpfung wird durch die Ring­ dichtung erreicht, die den Ventilschaft unter Berührung umgibt und die durch das Druckmittel gegen den Schaft gedrückt wird.

Aus der US-PS 44 03 538 ist schon eine Ringdichtung bekannt, die dort aber eine Betätigungsstange für einen Kurbelarm umgibt, der zum Öffnen und Schließen des Steuerventils innerhalb der Turbine dient. Die Ring­ dichtung soll jedoch eine verhältnismäßig freie Gleitbewegung der Stange ermöglichen, während sie nach der vorliegenden Erfindung zur Schwin­ gungsdämpfung dienen soll.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

So kann gemäß Anspruch 2 die Ringdichtung vorzugsweise aus Polytetra­ fluoräthylen bestehen.

Eine zusätzliche Dämpfung läßt sich gemäß Anspruch 3 erzielen.

Ausführungsbeispiele mit weiteren Merkmalen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt teilweise im Schnitt einen Turbolader mit einem Abblaseventil in Form eines Tellerventils.

Fig. 2 zeigt das gleiche Tellerventil mit einem abgewandelten Lagerteil.

Fig. 3A, 3B und 3C zeigen verschiedene alternative Ausführungs­ formen einer Dichtung, die in dem Abblaseventil nach der Erfindung verwendbar sind.

Fig. 1 zeigt einen als Ganzes mit 10 bezeichneten Turbolader, der ein Turbinengehäuse 12, ein Kompressorgehäuse 14 und ein Lagergehäuse 16 aufweist. Auf einer zentralen Welle 18 und inner­ halb des Turbinengehäuses 12 sitzt ein Turbinenrad oder -rotor 20 mit mehreren Schaufeln 22. Außerdem sitzt auf der Welle 18 und innerhalb des Kompressorgehäuses 14 ein Kompressorimpeller oder -rotor 24 mit mehreren Schaufeln 26. Die Welle 18 ist dreh­ bar in Lagern 28 innerhalb des Lagergehäuses 16 in üblicher Weise gelagert. Das Turbinengehäuse 12 hat einen Durchlaß 30, der von dem nicht dargestellten Auspuff eines nicht dargestellten Ver­ brennungsmotors zum Turbinenrad 20 führt. Das offene Ende des Turbinengehäuses 12 bildet einen Auslaß 32 für die verbrauchten Abgase zum Auspuffsystem und durch dieses zur Atmosphäre. Das Kompressorgehäuse 14 hat einen Einlaß 34, durch den Luft in den Kompressor gesaugt wird und einen Kanal 36, der vom Kompressorro­ tor 24 zu dem nicht dargestellten Einlaßverteiler des nicht dargestellten Verbrennungsmotors führt. Der Durchlaß 30 hat eine Öffnung 38 und steht mit einem Umgehungskanal 39 inVerbindung, der entweder zum Auslaß der Turbine oder zur Atmosphäre führt. Die Öffnung 38 hat einen Ventilsitz 40, der mit einem Ventiltel­ ler 42 eines Tellerventils zusammenarbeitet. Der Ventilteller 42 sitzt an einem Ventilschaft 46, der hin und her verschiebbar in einer Ventilführung 48 gelagert ist.

Die Tellerventilanordnung ist innerhalb eines Gehäuses 50 unter­ gebracht, das am Turbinengehäuse 12 befestigt ist. Das Gehäuse 50 hat einen Deckel 52, der an dem übrigen Teil des Gehäuses durch einen Klip 54 befestigt ist. Das vom Ventilteller 42 entfernte Ende des Ventilschafts 46 hat eine Schulter 56, die mit einer Hülse 58 (Fig. 2) zusammenwirkt. Diese Hülse ist über das Ende des Ventilschaftes geschoben. Die Hülse hat einen Ringflansch 60, der an die Schulter 56 stößt, und die Hülse 58 wird in ihrer Lage an der Schulter 56 durch eine Mutter 62 gehalten, die auf einen mit Gewinde versehenen Endabschnitt 64 des Ventilschafts 46 ge­ schraubt ist.

Eine Druckplatte 66 liegt an dem Ringflansch 60 an und wird in ihrer Lage durch einen gesenkgeschmiedeten (swaged) Ringwulst 67 der Hülse 58 gehalten. Auf der Hülse 58 wird von dem Ringwulst 67 außerdem eine Schale 70 gehalten, die dazu dient, eine Feder 68 gegenüber der Achse des Ventilschaftes 46 zu halten und zu zen­ trieren. Die Feder 68 liegt mit ihrem gegenüberliegenden Ende an der Innenseite des Deckels 52 an und übt dadurch auf den Ventil­ schaft über die Druckplatte 66, den Flansch 60 und die Schulter 56 eine Kraft aus und drückt den Ventilteller 42 unter Abdichtung in den Ventilsitz 40.

Eine flexible ringförmige Membran 72 wird an ihrem Außenumfang zwischen dem Deckel 52 und dem Rest des Gehäuses 50 gehalten und an ihrem inneren Umfang zwischen der Druckplatte 66 und der Schale 70. Die Membran bildet eine Wand einer Druckkammer 74, die durch einen Anschluß 76 mit einem Druckmittel versorgt wird. Dieses Druckmittel wird vom Auslaß des Kompressors oder vom Einlaßverteiler des Motors geliefert. Der Druck innerhalb der Druckkammer 74 ist höher als der Druck im Umgehungskanal 39. Hierdurch wird verhindert, daß Abgase durch die Ventilführung 48 in die Druckkammer 74 gelangen. Die Druckkammer 74 ist durch eine ringförmige Wand 78 in zwei weitere Kammern unterteilt. Diese Wand 78 ist an ihrem Außenumfang an der Wand des Gehäuses 50 befestigt und trägt an ihrem Innenumfang eine Ringdichtung 80 von annähernd U-Form. Eine Drosselöffnung 82 ist in der Wand 78 vorgesehen. Sie gestattet eine beschränkte Strömung des Druckmittels zwischen den beiden durch die Wand 78 getrennten Kammern.

Die Ventilführung 48 hat Kanäle 84 und 86, die es dem Druckmittel gestatten, aus der Druckkammer 74 unter Druck durch den Kanal 84 in Berührung mit dem Ventilschaft 46 innerhalb der Ventilführung 48 zu kommen und dann durch den Kanal 86 in eine Kammer 88 zu gelangen. Diese Kammer wird von einem Schild, insbesondere Wärme­ schutzschild 90, einem Teil (surrounding part) der Ventilführung 48 und dem Ventilschaft neben der Ventilführung gebildet. Der Wärmeschutzschild 90 hat eine Öffnung 92, die größer ist als der Durchmesser des Ventilschafts 46. Dadurch kann das Druckmittel aus der Kammer 88 in den Umgehungskanal 39 gelangen.

Der Turbolader selbst arbeitet in üblicher Weise mit Auspuffgasen des Verbrennungsmotors, die durch den Durchlaß 30 zum Turbinenro­ tor 20 geführt werden und dann durch den Auslaß 32 austreten. Hierdurch wird der Turbinenrotor 20 gedreht und treibt den Kom­ pressorrotor 24 an, so daß dieser Luft durch den Einlaß 34 an­ saugt und sie dem Verbrennungsmotor zuführt. Während die Motor­ drehzahl und/oder -belastung ansteigt, erhöht sich der Druck im Durchlaß 30 bis der kombinierte Druck (Summe der Drücke) des Auspuffgases im Durchlaß 30 und des Druckmittels in der Druckkam­ mer 74 den von der Feder 68 aufgebrachten Druck übersteigt. Dann wird der Ventilteller 42 nach rechts in Fig. 1 bewegt. Er hebt also vom Ventilsitz 40 ab und läßt Auspuffgase durch die Öffnung 38 unter Umgehung der Turbine austreten. Bei herkömmlichen Druck­ entlastungsventilen dieser Art tritt etwa beim Gleichgewichts­ druck eine Ventilschwingung auf, da die Auspuffgase im Durchlaß 30 pulsieren. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird eine solche Ventilschwingung jedoch durch folgende Maßnahmen herabgesetzt oder ganz beseitigt.

• 1. Die natürliche Form und die Art des Materials der Ringdichtung 80, die gegen den Ventilschaft 46 drückt.
• 2. Die Ringdichtung 80 wird gegen den Ventilschaft 46 gedrückt, und zwar durch den Druck, der auf die Ringdichtung von rechts in Fig. 1 von dem Druckmittel ausgeübt wird. Als Folge der Form der Ringdichtung 80 ist der Druck, der auf die Innenseite der U-Form in Richtung gegen den Ventilschaft ausgeübt wird, größer als der Druck der von der gegenüberliegenden Seite her vom Druckmittel ausgeübt wird.
• 3. Die Dämpfungswirkung, die durch das Zusammenwirken der Druckplatte 66 und der Wand 78 während der Bewegung der Platte 66 hervorgerufen wird und durch die beschränkte Strömung des Druckmittels durch die Drosselöffnung 82.
• 4. Die Wirkung von Druckmittel, das durch den engen Ringspalt zwischen der Druckplatte 66 und der Gehäusewand gedrückt wird.

Fig. 2 zeigt ein Druckentlastungsventil, das dem nach Fig. 1 gleicht, jedoch am Auspuffverteiler 100 des Motors durch einen besonderen Lager­ teil 102 angebracht ist. Bei dieser Anordnung sind die Öffnung 38 und der Ventilsitz 40 in diesem getrennten Lagerteil 102 untergebracht, der auch das Druckentlastungsventil aufnimmt. Die Funktion der Anordnung ist genau die gleiche wie nach Fig. 1, mit der Ausnahme, daß bei geöffnetem Ventil Auspuffgase an einer früheren Stelle ihres Weges indie Atmosphä­ re umgelenkt werden.

Die Fig. 3A, 3B und 3C zeigen drei verschiedene Formen der Ringdich­ tung. In Fig. 3A wird die Ringdichtung mit 180 bezeichnet. Bei dieser Anordnung hat die Ringdichtung anfänglich die Form einer Ringscheibe, deren Innendurchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Ventilschaf­ tes 46. Beim Zusammenbau wird der Ventilschaft 46 durch die Ringdichtung 180 gedrückt, wodurch diese die in der Zeichnung dargestellte Form an­ nimmt. Die Ringdichtung 180 besteht aus einem Material, das beim Druck gegen den Ventilschaft diesem seine Bewegung gestattet, aber diese Bewe­ gung dämpft. Ein Beispiel für dieses Material ist PTFE, also Polytetra­ fluoräthylen. Die Ringdichtung nach dieser Ausführungsform arbeitet ohne daß Druck an der Federseite der Ringdichtung vorhanden sein muß (d. h. oben in Fig. 2). Falls erforderlich, kann jedoch Druck eines Druckmit­ tels angewandt werden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3B hat die Ringdichtung 280 die Form eines Ringes mit etwa U-förmigem Querschnitt. Eine Lippe 282 der Ring­ dichtung 280 wird in Berührung mit dem Ventilschaft (der hier nicht dar­ gestellt ist) gedrückt, und zwar infolge der Form der Dichtung und au­ ßerdem durch den Druck des Druckmittels, der in der Rinne der U-Form wirksam wird und die Lippe 282 gegen den Ventilschaft 46 drückt. Die Form der Dichtung 280 ist so gewählt, daß jeder Druck des Druckmittels, der die Lippe 282 von dem Ventilschaft wegzudrücken bestrebt ist, klei­ ner ist als der Druck, der die Lippe in Berührung mit dem Ventilschaft drückt.

Bei der Anordnung nach Fig. 3C hat die Ringdichtung 380 einen Ringab­ schnitt mit einem ringförmigen Fortsatz 382 solcher Form, daß er gegen den hier nicht dargestellten Ventilschaft 46 drückt. Außerdem wird der Fortsatz 382 vom Druckmittel in Richtung der Pfeile zusätzlich gegen den Ventilschaft gedrückt und dämpft dessen Bewegung. Die Ringdichtung 380 hat eine solche Form, daß Druck, der den Fortsatz vom Ventilschaft 46 wegdrückt, kleiner ist als der Druck des Druckmittels, der den Fortsatz 382 gegen den Ventilschaft drückt.

Viele Abwandlungen der in den Zeichnungen dargestellten Anordnung können durchgeführt werden, z. B. können Dichtungen vieler verschiedener Formen verwendet werden, und das Abblaseventil kann an vielen anderen Stellen untergebracht werden. Der Deckel 52 kann solche Abmessungen und Form ha­ ben, daß er mindestens einen Teil der Seiten der als Schraubenfeder aus­ gestalteten Feder 68 berührt und dadurch eine zusätzliche Dämpfung her­ vorbringt.

Aus den obigen Ausführungen ergibt sich, daß die in den Zeichnungen dar­ gestellte Anordnung die Wirkung hat, Ventilschwingungen herabzusetzen.

Bezugszeichen

10 Turbolader
12 Turbinengehäuse
14 Kompressorgehäuse
16 Lagergehäuse
18 Welle
20 Turbinenrotor
22 Schaufel
24 Kompressorrotor
28 Lager
30 Durchlaß
32 Auslaß
34 Einlaß
36 Kanal
38 Öffnung
39 Umgehungskanal
40 Ventilsitz
42 Ventilteller
46 Ventilschaft
48 Ventilführung
50 Gehäuse
52 Deckel
54 Klip
56 Schulter
58 Hülse
60 Ringflansch
62 Mutter
64 Gewindeabschnitt
66 Druckplatte
67 Ringwulst
68 Feder
70 Schale
72 Membran
74 Druckkammer
76 Anschluß
78 Wand
80 Ringdichtung
82 Drosselöffnung
84,86 Kanal
88 Kammer
90 Wärmeschutzschild
92 Öffnung
100 Auspuffverteiler
102 Lagerteil
180, 280 Ringdichtung
282 Lippe
380 Dichtung
382 ringförmiger Fortsatz

Claims (4)

1. Abblaseventil für eine Turbine eines Turboladers an einem Verbren­ nungsmotor, mit folgenden Merkmalen

• a) ein Ventilteller (42), der an einem Ventilschaft (46) befe­ stigt ist und mit einem Ventilsitz (40) zusammenwirkt, wobei der Ventilschaft in einer Ventilführung (48) für eine Bewegung zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung des Ventils gelagert ist,
• b) eine Feder (68), die das Ventil in Schließstellung drückt,
• c) eine Druckplatte (66), die am Ventilschaft (46) angebracht ist, wobei die Feder (68) über die Druckplatte auf den Ventil­ schaft einwirkt,
• d) eine druckbeaufschlagte Membran (72),
• e) die Fläche der Druckplatte (66) hat eine solche Größe, daß ein schmaler Ringspalt zwischen der Druckplatte (66) und der Wand des Gehäuses (50) verbleibt,
• f) ein Anschluß (76) zum Innern des Gehäuses ist am Gehäuse vor­ gesehen, und zwar auf der der Feder abgelegenen Seite der Druckplatte,
• g) der Anschluß (76) ist mit einer Druckmittelquelle verbindbar, wodurch im Betrieb die Wirkung der Auspuffgase zum Öffnen des Ventils unterstützt wird,
• h) eine Wand (78) verläuft quer durch das Gehäuse (50) und unter­ teilt dessen Innenraum in zwei Kammern, von denen die erste die Druckplatte (66) enthält und die zweite durch den Anschluß (76) mit der Druckmittelquelle verbindbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• i) in der Wand (78) eine Drosselöffnung (82) vorgesehen ist, wo­ durch im Betrieb eine Bewegung der Druckplatte (66) und damit des Ventilschafts (46) gedämpft wird,
• j) die Wand (78) dicht bei der Druckplatte (66) angeordnet ist, wodurch bei der Bewegung der Druckplatte auftretende Druck­ schwankungen auch über den Spalt zwischen der Druckplatte (66) und dem Gehäuse (50) ausgeglichen werden müssen, was zur Folge hat, daß die Dämpfung der Bewegung der Druckplatte weiter un­ terstützt wird,
• k) die Wand (78) eine Ringdichtung (80, 180 usw.) aufweist, die den Ventilschaft unter Berührung umgibt und einen etwa U-förmigen Querschnitt hat, wobei ein Arm der U-Form am Ven­ tilschaft anliegt, so daß im Betrieb das Druckmittel zumindest einen Teil der Ringdichtung gegen den Ventilschaft drückt und dessen Schwingbewegungen zusätzlich dämpft.

2. Abblaseventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringdichtung (80, 180 usw.) aus Polytetrafluoräthylen besteht.

3. Abblaseventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Feder (68) umgebender Deckel (52) eine solche Form und Größe hat, daß er die Seiten der als Schraubenfeder ausgestalteten Feder (68) berührt und dadurch die Schwingungen der Feder dämpft.