DE3941715A1 - Abgasturbolader fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents

Abgasturbolader fuer eine brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader nach dem Oberbegriff des An­ spruches 1.
Es ist allgemein bekannt, die Leistung der Turbine eines Abgasturboladers zu steuern, um einen günstigen Drehmomentverlauf in einem weiten Drehzahlbe­ reich einer Brennkraftmaschine zu erzielen. Die Grenzen der Leistungssteue­ rung sind u. a. gegeben durch das Verhältnis von maximalem zu minimalem Tur­ binendurchsatz, dem sogenannten Schluckvermögen. Die Steuerung ist primär nur durch die Abstimmung des Schluckvermögens möglich, da bei einer vorhan­ denen Brennkraftmaschine der Abgasmassenstrom durch das Hubvolumen und die Drehzahl festliegt. Steigt das Abgasangebot der Brennkraftmaschine über den maximal zulässigen Turbinendurchsatz an, steigt dadurch auch die Leistung des Turboladerverdichters und somit der Ladedruck. Um eine infolge dessen auf­ tretende Schädigung der Brennkraftmaschine zu vermeiden, ist es bekannt, den Turboladergesamtwirkungsgrad dadurch zu senken, daß ein Teil der Abgasmenge nicht dem Turbinenrad zur Verfügung gestellt wird.
In der DE 35 07 095 C2 ist eine Ladedrucksteuervorrichtung eines Abgasturboladers offenbart, bei der eine vor dem Turbineneintritt angeord­ nete Drosselklappe die Turbinenleistung regelt und ein Abblaseventil einen Teil der Abgase an der Turbine vorbeileitet, wenn die Motordrehzahl weiter steigt. Die Drosselklappe und das Abblaseventil werden von je einem Stell­ glied betätigt. Die Stellglieder werden von einem Steuergerät auf der Basis von Motordrehzahl und zugeführter Ansaugluft gesteuert. Die gesamte Ladedrucksteuerung ist somit aufwendig und die Abstimmung der beiden Stell­ glieder untereinander ist problematisch.
Aus der DE-OS 35 31 296 ist eine Steuervorrichtung für einen Turbolader mit veränderlicher Leistung bekannt, bei der Schaufeln vor dem Turbinenradeintrittt zur Regelung des Ladedruckes in vier verschiedene Posi­ tionen verstellt werden können. Die Verstellung erfolgt mittels Druckluft in Abhängigkeit von Motorleistung und -drehzahl. Nachteilig bei dieser Steuer­ vorrichtung ist das nicht kontinuierliche Verstellen der Schaufeln in vier Stufen und der hohe mechanische Aufwand der Schaufelstellvorrichtung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Abgasturbolader zu schaf­ fen, der in einem weiten Drehzahlbereich einer Brennkraftmaschine eine An­ passung an die für einen gewünschten Ladedruck erforderliche Verdichterlei­ stung ermöglicht und dabei in möglichst einfacher Weise aufgebaut ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist in den Unteransprüchen be­ nannt.
Der erfindungsgemäße Abgasturbolader erlaubt es, mit einem einzigen Stell­ glied sowohl die Leitschaufeln am Turbineneintritt kontinuierlich zu betäti­ gen und somit den Ladedruck über einen weiten Drehzahlbereich zu steuern, als auch eine in die Turbine integrierte Abblaseeinrichtung zu betätigen, die es ermöglicht, die Motordrehzahl weiter zu erhöhen, ohne den Ladedruck auf unzulässig hohe Werte ansteigen zu lassen. Das Problem der Abstimmung von mehreren Stellgliedern untereinander entfällt somit.
Das Stellglied kann z. B. eine übliche, pneumatische Druckdose sein, die von dem zwischen Verdichter und Brennkraftmaschine herrschenden Durck gesteuert wird. Die Integration von verstellbarer Turbinengeometrie und Abblaseein­ richtung innerhalb des Turbinengehäuses ermöglicht einen kompakten Aufbau und eine sichere Betätigung zunächst der Leitschaufeln in einem ersten Be­ reich und daran anschließend der Abblaseeinrichtung in einem zweiten Be­ reich.
Eine beispielhafte Ausführung der Erfindung wird nachfolgend erläutert. Es zeigt
Fig. 1 Einen Schnitt durch das Turbinengehäuse eines Turboladers,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II gemäß Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III gemäß Fig. 1,
Fig. 4 einen Schnitt durch Teile des Turbinengehäuses und
Fig. 5 einen Schnitt durch das Turbinengehäuse einer weiteren Ausführung der Erfindung.
Ein Abgasturbolader 1 für eine nicht gezeigte Brennkraftmaschine weist ein Turbinengehäuse 2 auf, in dem ein Turbinenrad 3 drehbar um eine Rotations­ achse R gelagert ist. Das Gehäuse 2 besteht u. a. aus ersten und zweiten Ge­ häusewänden 4, 5, wobei in der zweiten Gehäusewand 5 in einem radial äußeren Bereich D2 mehrere Öffnungen 6 angeordnet sind.
In dem Turbinengehäuse 2 ist ein Verstellmechanismus 7 zur Beeinflussung der Strömungsverhältnisse in der Turbine und eine Abblaseeinrichtung 8 für einen Teil der Abgase integriert. In der ersten Gehäusewand 4 ist ein ringförmiger Leitschaufelträger 9 angebracht, der kreisförmig angeordnete Aufnahmen 10 aufweist. In jeder Aufnahme 10 ist mit einem seiner Enden ein Bolzen 11 drehbar gelagert, auf dem eine Leitschaufel 12 befestigt ist. Das andere En­ de der Bolzen 11 ist in einer parallel zwischen den Gehäusewänden 4, 5 ange­ ordneten Trennwand 13 gelagert. Die Trennwand 13 ist mittels Distanzhülsen 14 und Schrauben 15 am Leitschaufelträger 9 befestigt. Die Länge der Hülse 14 ist geringfügig größer als die Breite der Leitschaufeln 12, so daß ein eng tolerierter Spalt zwischen den Leitschaufeln 12 und dem Leitschaufel­ träger 9 bzw. der Trennwand 13 entsteht. Die Gehäusewand 4 und die Trennwand 13 bilden einen Einlaßkanal 16.
Koaxial innerhalb des Leitschaufelträgers 9 ist ein Verstellring 17 drehbar um die Achse R in einer U-förmigen Ausnehmung 18 der ersten Gehäusewand 4 mit Rollen 19 gelagert. Der Verstellring 17 weist auf seinem Umfang zwei diagonal gegenüberliegende Gewinde 20 auf, in die Mitnehmerstifte 21 einge­ schraubt sind. Diese Stifte 21 erstrecken sich parallel zur Achse R bis vor die gegenüberliegende Gehäusewand 5 und durchdringen dabei die Trennwand 13 in Langlöchern 22.
Die Trennwand 13 bildet zusammen mit der zweiten Gehäusewand 5 einen Neben­ kanal 23. In ihm ist unmittelbar vor der Wand 5 ein um die Achse R verdreh­ barer Schieber 24 angeordnet. Dieser weist in dem radial äußeren Bereich D2 Öffnungen 25 auf. Die Mitnehmerstifte 21 sind in dem Schieber 24 in einer Mitnehmeröffnung 26 gelagert und in einer Nut 27 der Wand 5 mit Rollen 28 abgestützt.
Am Leitschaufelträger 9 sind in den Einlaßkanal 16 ragende Anschläge 29 an­ gebracht. Der Verstellring 17 weist schaufelförmige Mitnehmer 30 auf, die ebenfalls in den Einlaßkanal 16 ragen.
Bei einem Abgasturbolader der zuvor beschriebenen Art lassen sich die Strö­ mungsverhältnisse der Abgase zunächst in dem Einlaßkanal 16 durch Verdrehen des Verstellringes 17 innerhalb eines ersten Bereiches B1 verändern. Die Mitnehmer 30 des Verstellringes 17 stehen dabei in Kontakt mit den drehbar gelagerten Leitschaufeln 12. Um bei niedrigen Motordrehzahlen einen mög­ lichst hohen Ladedruck zu erzielen, muß die Turboladerdrehzahl erhöht wer­ den. Dies gelingt durch Verringern der Turbinenschluckfähigkeit, indem der Verstellring 17 gemäß Fig. 2 entgegen der Richtung des Pfeiles V verstellt wird. Die Mitnehmer 30 drehen dabei die Leitschaufeln 12 um die Bolzen 11 im Uhrzeigersinn in die in Fig. 2 gestrichelt dargestellte Stellung, d. h. die Schaufeln 12 stehen in einem kleinen Winkel WK zum Turbinenrad 3. Die da­ durch entstehende, geringe Querschnittsfläche von Einlaßkanälen 16′ zwischen benachbarten Leitschaufeln 12 erhöht die Strömungsgeschwindigkeit des Abgas­ stromes und somit die Turboladerdrehzahl.
Bei steigenden Motordrehzahlen wird der Verstellring 17 in Richtung des Pfeiles V verdreht, so daß sich der Winkel zwischen Leitschaufeln 12 und Turbinenrad 3 vergrößert. Die dadurch vergrößerte Querschnittsfäche der Ein­ laßkanäle 16′ erhöht die Turbinenschluckfähigkeit und hält das Ladedruckni­ veau trotz steigender Motordrehzahl konstant. Ab einer bestimmten Stellung des Verstellringes 17 verlieren die an ihm angeordneten Mitnehmer 30 den Kontakt mit den Leitschaufeln 12, so daß diese frei in der Abgasströmung hängen und selbsttätig versuchen, einen großen Winkel zum Turbinenrad 3 ein­ zustellen. Um die geometrisch bedingte, maximale Schluckfähigkeit nicht zu überschreiten, wird dieser durch die Anschläge 29 auf den Winkel WG be­ grenzt.
Bei weiter steigenden Motordrehzahlen kann der Abgasstrom im Einlaßkanal 16 nicht weiter beeinflußt werden, so daß der Ladedruck auf unzulässig hohe Werte ansteigen würde. Zur Vermeidung dieses unerwünschten Betriebszustandes wird durch das weitere Drehen des Verstellringes 17 in Richtung des Pfeiles V über den Bereich B1 hinaus mittels der Mitnehmerstifte 21 Abblaseeinrich­ tung 8 betätigt.
Während des zuvor beschriebenen Verdrehens des Verstellringes 17 im Bereich B1 bewegen sich die Mitnehmerstifte 21 in den Langlöchern 22 der Trennwand 13 und der Schieber 24 wird synchron zum Verstellring 17 bewegt. Die Öff­ nungen 25 des Schiebers 24 sind dabei nicht in Deckung mit den Öffnungen 6 der zweiten Gehäusewand 5.
Durch weiteres Drehen des Verstellringes 17 in einem Bereich B2 kommen die Öffnungen 25 und 6 zur Deckung. Somit kann ein Teilstrom des in das Turbi­ nengehäuse 2 eintretenden Abgases durch den Nebenkanal 23 und die Öffnungen 25, 6 in einen Bypaß-Kanal 31 strömen. Er ist zwischen der Gehäusewand 5 und einem daran geschraubten Flansch 32 ausgebildet und führt die Abgase an dem Turbinenrad 3 vorbei stromabwärts in den Hauptabgasstrom zurück, der das Turbinenrad 3 antreibt. Der Schieber 24 wird radial über die Mitnehmerstifte 21 und die Rollen 28 gestützt, axial wird er durch den im Nebenkanal 23 herrschenden Druck an die Gehäusewand 5 gepreßt. Die Zumischung des Teil­ stromes in den Hauptabgasstrom erfolgt koaxial und somit verlustarm am Ende des Bypaß-Kanales 31.
Trotz steigender Motordrehzahl und damit steigendem Abgasangebot bleibt der Ladedruck auf einem zulässigen Niveau, da mit zunehmender Abgasmenge die Überdeckung der Öffnungen 25 und 6 zunimmt und so das überschüssige Abgas mit der Abblaseeinrichtung 8 abgeführt wird.
Bei sinkender Motordrehzahl verläuft die zuvor beschriebene Veränderung der Abgasströmungsverhältnisse in umgekehrter Reihenfolge. Zunächst verschließt der Schieber 24 im Bereich B2 die Öffnungen 25 gegenüber den Öffnungen 6, anschließend wird die Turbinengeometrie durch das Verdrehen der Leitschau­ feln 12 im Bereich B1 soweit verändert, bis der Winkel WK zwischen ihnen und dem Turbinenrad 3 entsteht.
Da der Verstellring 17 sowohl den Verstellmechanismus 7 als auch die Abbla­ seeinrichtung 8 betätigt, ist nur ein einziges Stellglied 33 zur Betätigung des Verstellringes 17 erforderlich. Das Verdrehen des Verstellringes 17 er­ folgt in bekannter Weise über dieses Stellglied 33, z. B. eine mit dem Saug­ rohrdruck des Motors beaufschlagte, federbelastete Membrandose und ein Ge­ stänge oder über ein aus mehreren Regelgrößen abgeleitetes elektrisches Si­ gnal. Das Stellglied 33 wirkt über eine Achse 34 auf den Verstellring 17. In einer anderen Ausführung der Erfindung gemäß Fig. 5, ist der Schieber 24 L-förmig ausgeführt. Die Öffnung 25 ist in dem oberen, parallel zur Rotati­ onsachse R verlaufenden Teil 35 des Schiebers 24 angeordnet. Die Verstellung der variablen Turbinengeometrie und des Schiebers 24 erfolgt in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführung der Erfindung. Die Gehäusewand 5 weist einen Rücksprung 36 auf, der zusammen mit dem Flansch 32 den Bypaß-Kanal 31 begrenzt.

Claims (16)

1. Abgasturbolader an einer Brennkraftmaschine mit einer einen Verdichter antreibenden Turbine, die einen Verstellmechanismus mit verstellbaren Leit­ schaufeln zur Beeinflussung der Strömungsverhältnisse in der Turbine auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellmechanismus (7) und eine Ab­ blaseeinrichtung (8), die einen Teil der Abgase an der Turbine vorbei lei­ tet, von einem einzigen, gemeinsamen Stellglied (33) betätigbar sind.
2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver­ stellmechanismus (7) und die Abblaseeinrichtung (8) in dem Turbinengehäuse (2) angeordnet sind.
3. Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver­ stellmechanismus (7) in einer ersten seitlichen Gehäusewand (4) und die Ab­ blaseeinrichtung (8) in einer zweiten seitlichen Gehäusewand (5) angeordnet ist.
4. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver­ stellmechanismus (7) einen um die Rotationsachse (R) des Turbinenrades (3) drehbaren Verstellring (17) aufweist, der mittels an ihm befestigter Mitneh­ mer (30) die Leitschaufeln (12) verstellt.
5. Abgasturbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver­ stellring (17) mittels an ihm befestigter Mitnehmerstifte (21) die Abblase­ einrichtung (8) betätigt.
6. Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abblase­ einrichtung (8) einen um die Rotationsachse (R) des Turbinenrades (3) dreh­ baren Schieber (24) aufweist, in dem in einem radial inneren Bereich (D1) Mitnehmeröffnungen (26) zur Aufnahme der Mitnehmerstifte (21) und in einem radial äußeren Bereich (D2) Öffnungen (25) zur Abgasabblasung angeordnet sind.
7. Abgasturbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abblase­ einrichtung (8) einen um die Rotationsachse (R) des Turbinenrades (3) dreh­ baren, L-förmigen Schieber (24) aufweist, in dem in einem radial inneren Be­ reich (D1) Mitnehmeröffnungen (26) zur Führung der Mitnehmerstifte (21) und in einem abgewinkelten Teil (35) Öffnungen (25) zur Abgasabblasung angeord­ net sind.
8. Abgasturbolader nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in­ nerhalb des Turbinengehäuses (2) parallel zu ersten und zweiten Gehäusewän­ den (4, 5) eine Trennwand (13) so angeordnet ist, daß zwischen der Trennwand (13) und der ersten Gehäusewand (4) ein Einlaßkanal (16) und zwischen der Trennwand (13) und der zweiten Gehäusewand (5) ein Nebenkanal (23) gebildet ist.
9. Abgasturbolader nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ein­ laßkanal (16) die Leitschaufeln (12) mit Bolzen (11) drehbar zwischen der Trennwand (13) und einem als Leitschaufelträger (9) ausgebildeten Teil der Gehäusewand (4) aufgehängt sind.
10. Abgasturbolader nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gehäusewand (5) auf einem radialen Umfang (Bereich D2) Öffnungen (6) an­ geordnet sind, die zusammen mit den Öffnungen (25) des Schiebers (24) einen Austritt für die Abgase aus dem Nebenkanal (23) in einen Bypaß-Kanal (31) bilden.
11. Abgasturbolader nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Mitnehmerstifte (21) parallel zur Rotationsachse (R) vom Verstellring (17) aus bis in eine Mut (27) der Gehäusewand (5) erstrecken und dabei in der Trennwand (13) angeordnete Langlöcher (22) und die Mitnehmeröffnungen (26) durchdringen und daß die Mitnehmerstifte (21) mit Rollen (28) in der Nut (27) gelagert sind.
12. Abgasturbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver­ stellring (17) in einer Ausnehmung (18) der Gehäusewand (4) mit Rollen (19) gelagert ist.
13. Abgasturbolader nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenn­ wand (13) mittels Schrauben (15) und Distanzhülsen (14) am Leitschaufel­ träger (9) befestigt ist.
14. Abgasturbolader nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leit­ schaufelverstellung durch am Leitschaufelträger (9) angeordnete Anschläge (29) begrenzt ist.
15. Abgasturbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ver­ stellring (17) eine die erste Gehäusewand (4) durchdringende Achse (34) an­ geordnet ist, an der das Stellglied (33) angreift.
16. Abgasturbolader nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Verstellmechanismus (7) die Leitschaufeln (12) durch Verdrehen in einem ersten Bereich (B1) und die Abblaseeinrichtung (8) durch weiteres Verdrehen in einem daran anschließenden zweiten Bereich (B2) betätigt.
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