DE60128967T2

DE60128967T2 - Abgasturbinenvorrichtung

Info

Publication number: DE60128967T2
Application number: DE60128967T
Authority: DE
Inventors: Per Larsson; Nils Olof Hakansson
Original assignee: Volvo Lastvagnar AB
Current assignee: Volvo Truck Corp
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: BR0117061A; US6895753B2; JP2004530834A; DE60128967D1; JP3939295B2; US20040112054A1; EP1404952A1; EP1404952B1; WO2003001041A1; BR0117061B1; ATE364780T1

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Zuführen von Dichtungsluft zu einer Abgasturbine, die mit einer Brennkraftmaschine für einen Turbo-Verbund-Betrieb in einem Fahrzeug zusammenwirkt, wobei Abgase aus der Brennkraftmaschine in einem Abgassystem mit einer Laderturbine aufgenommen werden, die einen Kompressor für die Verbrennungsluft der Maschine antreibt, wobei Restenergie im Abgasstrom für die Abgasturbine für eine Überführung zur Kurbelwelle der Brennkraftmaschine wiedergewonnen wird, die Abgasturbine in einem Lagergehäuse gelagert ist, dem über eine Fluidleitung Dichtungsluft zugeführt wird, und das Abgassystem eine Abgasbremsdrosseleinrichtung mit einem Abgasdruckregelgerät zum Regulieren des Abgasbremsdrucks aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Bei einem Turbo-Verbund-Motor wird eine Abgasturbine, beispielsweise eine Axialturbine, zur Rückgewinnung von Restenergie aus den Abgasen aus einer Brennkraftmaschine verwendet, nachdem die Abgase dazu benutzt wurden, einen Turbo-Verdichter zum Verdichten der Motorladeluft anzutreiben. Die Abgase treiben die Abgasturbine mit einer Drehzahl von annähernd 90.000 UpM an. In einem Lagergehäuse werden an der Abgasturbinenantriebswelle Dichtungen verwendet, um zu verhindern, dass Schmieröl entweicht und Gase im Leckstrom hineingelangen. Aufgrund der hohen Drehzahlen und hohen Temperaturen sind die Dichtungen großen Beanspruchungen ausgesetzt, siehe beispielsweise EP-A-0171882 .
Ein bekanntes Verfahren zum Verbessern der Funktionalität der Abgasturbinendichtungen besteht darin, das Lagergehäuse über eine Druckleitung oder eine Bohrung so unter Druck zu setzen, dass ein Überdruck bezüglich des Umgebungsdrucks zwischen den beiden Dichtungen in dem Lagergehäuse aufrechterhalten wird. Ein bestimmter Anteil dieses Pufferdrucks darf durch die äußere Dichtung nach außen in das Abgassystem hindurchgehen, während der Rest durch die innere Dichtung hindurchgeht und das Innere des Kurbelgehäuses erreicht.
Bei normalen Betriebsbedingungen herrscht an der Auslassseite des Abgasturbinenrotors ein Unterdruck vor. Dies ergibt sich aufgrund der Zentrifugalkräfte. Auf der anderen Seite der Dichtungen herrscht der Kurbelgehäusedruck vor (normalerweise ein leichter Überdruck bezogen auf den Atmosphärendruck). Bei Fehlen irgendeines Pufferdrucks, der etwa 0,5 bar am Messgerät entspricht, kann die Druckdifferenz normalerweise zu einem Ölleckstrom führen.
Bei Aktivierung einer Abgasbremse, die stromab von der Abgasturbine angeordnet ist und eine Drossel zum Unterbrechen des Abgasstroms durch Abgaskanäle der Brennkraftmaschine aufweist, kann der Druck stromauf von der Abgasbremsdrossel auf etwa 5 bar am Messgerät ansteigen, während die Gastemperatur etwa 700°C erreichen kann. Dieser Druck- und Temperaturanstieg bedeutet, dass beim Bremsen die Dichtungen spontan viel größeren Beanspruchungen als unter anderen Betriebsbedingungen ausgesetzt werden. Als Folge können sehr heiße und nicht besonders saubere Gase als Leckstrom in das Lagergehäuse gelangen, wenn der Überdruck darin nicht auf einen entsprechend höheren Wert erhöht wird. Das heiße Gas kann bedeuten, dass die Arbeitstemperatur der Dichtungen und des Lagers überschritten werden, was eine nachteilige Einwirkung auf die Betriebssicherheit des Systems haben kann. Um zu gewährleisten, dass Abgase nicht in das Lagergehäuse gelangen, muss deshalb der Pufferdruck in dem Lagergehäuse etwas höher als der Druck in der Abgasbremse gehalten werden.
Deshalb sollte der Pufferdruck in dem Lagergehäuse zwischen 0,5 und 6,0 bar am Messgerät abhängig von den Betriebsbedingungen liegen. Theoretisch sollte es möglich sein, den höheren Druckwert jederzeit aufrechtzuerhalten, dies würde jedoch zu einem hohen Luftverbrauch und zu der konstanten Förderung eines hohen Volumenstroms zum Kurbelgehäuse führen. Dies würde auch bedeuten, dass keine Luftquelle außer dem mechanischen Verdichter des Fahrzeugs verwendet werden könnte, um hohen Druck zu fördern, was bedeutet, dass unannehmbare hohe parasitische Verluste in der Brennkraftmaschine auftreten würden.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ziel der Erfindung besteht deshalb darin, eine Vorrichtung zum Zuführen von Dichtungsluft zu einer Abgasturbine bereitzustellen, wobei die Vorrichtung keine unangemessenen Verluste entstehen lässt, die den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine beeinträchtigen.
Für diesen Zweck zeichnet sich die Vorrichtung nach der Erfindung dadurch aus, dass das Abgasdruckregelgerät über eine erste Druckluftleitung mit einer Druckluftquelle verbunden ist, die über ein Prioritäten setzendes Ventil und eine Druckluftleitung parallel zu dem Lagergehäuse angeschlossen werden kann.
Das Steuerventil ermöglicht auch in geeigneter Weise, dass das Lagergehäuse mit dem Maschineneinlasskrümmer über eine Druckluftleitung verbunden ist.
Gemäß einer vorteilhaften beispielsweisen Ausgestaltung der Abgasdrosseleinrichtung hat diese ein Abgasdrosselventil, das in dem Abgassystem stromab von dem Abgasdruckregelgerät angeordnet ist.
Das Abgasdruckregelgerät besteht geeigneterweise aus einem Kolbenventil mit einer ersten Kolbenfläche, auf die der Abgasdruck einwirkt, wenn die Abgasbremsdrosseleinrichtung geschlossen ist, und mit einer zweiten gegenüberliegenden Kolbenfläche, die fest mit der ersten Kolbenfläche verbunden ist und auf die der Druck in der Druckluftleitung einwirkt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften beispielsweisen Ausgestaltung der Erfindung hat die zweite Kolbenfläche eine etwas kleinere Fläche als die erste Kolbenfläche, wobei das Kolbenventil eine Bypass-Leitung öffnen kann, die die Abgasbremsdrosseleinrichtung umgeht, wenn auf die erste Kolbenfläche des Kolbenventils ein Abgasdruck einwirkt, der kleiner ist als der Druck, welcher in dem Kreislauf vorherrscht, der von den Druckluftleitungen und dem die Prioritäten setzenden Ventil gebildet wird, und welcher den Druck für die zweite Kolbenfläche des Kolbenventils oder für das Lagergehäuse bereitstellt.
Die Druckluftleitung ist in geeigneter Weise mit einer Ventileinheit verbunden, die zwischen der Druckluftquelle und dem die Prioritäten setzenden Ventil angeordnet ist und einen Überdruck einspeist, der von einem Bereitschaftsniveau bis zu einem höheren Niveau variieren kann, das proportional zu der geforderten Maschinenbremsleistung eingestellt werden kann.
Bei einem normalen Maschinenbetriebszustand kann das die Prioritäten setzende Ventil Dichtungsluft zum Lagergehäuse aus dem Maschineneinlasskrümmer fördern.
Bei einem Zustand mit geringer Maschinenlast kann das die Prioritäten setzende Ventil Dichtungsluft zum Lagergehäuse aus der Druckluftleitung bei einem Druck fördern, der gleich dem Bereitschaftsniveau ist.
Bei einem Maschinenbremszustand kann das die Prioritäten setzende Ventil Dichtungsluft zum Lagergehäuse aus der Druckluftleitung bei einem Druck fördern, der gleich einem höheren Druckniveau ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf beispielsweise Ausführungsformen, die in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt sind, näher erläutert, in denen
1 schematisch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung bei einer ersten Anwendung zeigt,
2 in größerem Maßstab ein einen Teil der Vorrichtung bildendes Lagergehäuse zeigt,
3 eine Gesamtdarstellung gemäß 1 ist und die Vorrichtung in einer zweiten Anwendung zeigt,
4 genauso wie 1 und 3 die Vorrichtung in einer dritten Anwendung zeigt und
5 ein Schema einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung zeigt.
Beschreibung von beispielsweisen Ausführungsformen
Die in den Figuren gezeigte Vorrichtung soll in einer im Wesentlichen herkömmlichen Brennkraftmaschine in Turbo-Verbund-Bauweise (nicht gezeigt) zum Einsatz kommen und vorzugsweise einen Teil der Antriebseinheit für ein Schwerlastfahrzeug oder einen Omnibus bilden. Der Motor ist vorzugsweise ein Dieselmotor mit Direkteinspritzung, bei dem ein Lader 10, bei welchem eine abgasangetriebene Turbine 11 und ein Verdichter 13 auf der Turbinenwelle 12 angeordnet sind, zum Verdichten und Zuführen von Verbrennungsluft verwendet wird. Die Einlassluft wird dem Verdichter 13 zum Verdichten zugeführt, wonach die verdich tete Luft abgekühlt werden kann, wenn sie durch einen Ladeluftkühler hindurchgeht, bevor sie zum Motoreinlasskrümmer 14 gefördert wird, in dem normalerweise ein Überdruck von 0 bis 2,3 bar vorherrscht.
Die Motorabgase werden in herkömmlicher Weise in der Abgassammelkammer gesammelt und zur Turbine 11 des Laders 10 transportiert, um den Verdichter 13 anzutreiben. Die Abgase werden dann über eine zweite Abgasturbine, die bei der beispielsweise gezeigten Ausführungsform aus einer Axialturbine 15 besteht, und eine Abgasbremsvorrichtung 16 zu einer Auspuffeinheit mit einer Abgasemissionskontrolleinrichtung geführt.
Die Axialturbine 15 wird bei Turbo-Verbund-Motoren verwendet, um Restenergie aus den Abgasen rückzugewinnen, wenn sie einmal durch die Turbine des Laders hindurchgegangen sind. Die Abgase treiben die Leistungsturbine mit sehr hohen Drehzahlen bis zu etwa 90.000 UpM bei normaler Motordrehzahl an, was im Falle eines Dieselmotors für Schwerlastfahrzeuge eine Drehzahl von etwa 1.500 bis 2.500 UpM bedeutet. Das erhaltene Drehmoment wird auf die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine u.a. über ein Getriebe 17, das die Drehzahl reduziert, und eine hydrodynamische Kupplung 18 übertragen, die das Getriebe 17 von der Motorkurbelwelle mechanisch trennt.
Die Abgasbremsvorrichtung 16 hat eine Drossel 19, die zwischen zwei Grenzstellungen mit Hilfe eines Thermoelements 20 betrieben wird, wobei sich die Drossel schnell zwischen einer voll offenen Stellung und einer voll geschlossenen Stellung verschiebt. Die Abgasbremsvorrichtung hat weiterhin eine Bypass-Leitung 21, die die Drossel 19 umgeht und mit Hilfe eines Abgasbremsreglers in Form eines Kolbenventils 22 gesteuert werden kann, das sich stromauf von der Drossel 19 befindet. Auf eine erste Kolbenfläche 23 wird durch den Abgasdruck eingewirkt, wenn die Abgasbremsdrossel geschlossen ist, wobei die Kolbenoberfläche 24 gegen die Wirkung einer Schraubenfeder 24 gedrückt wird, so dass die Bypass-Leitung 21 geöffnet wird. Eine zweite Kolbenfläche 25 ist fest mit der Kolbenfläche 23 durch eine Stange 26 verbunden und wird verschiebbar in einem Zylinder 27 gehalten.
Auf die Kolbenfläche 25 wirkt ein regulierender Luftdruck über eine Druckluftleitung 28, die mit einem Druckluftsystem verbunden ist, das einen Teil des Fahrzeugs verbindet, wobei dieses System dazu verwendet wird, Leistung für Zusatzeinheiten in dem Fahrzeug zu erzeugen, beispielsweise das Bremssystem und das System zur pneumatischen Betätigung des Fahr zeuggetriebes. U.a. hat dieses Druckluftsystem einen Verdichter 29, einen Speicherbehälter 30 und ein Ventilgehäuse 31. Normalerweise wird in dem Behälter 30 ein Überdruck von etwa 8,5 bar aufrechterhalten. Der Überdruck in der Druckluftleitung 28 stromab von dem Ventilgehäuse für das Abgasbremssystem beträgt seinerseits etwa 0,5 bis 7,5 bar.
Dadurch, dass die zweite Kolbenfläche 25 des Kolbenventils 22 einen etwas kleineren Durchmesser als die erste Kolbenfläche 23 hat, ist das Kolbenventil in der Lage, während einer Motorbremsung zu reagieren und die die Abgasbremsdrossel 16 umgehende Bypass-Leitung 21 zu öffnen, falls auf die erste Kolbenoberfläche durch einen Abgasdruck eingewirkt wird, der kleiner als der Druck ist, der in der Leitung für verdichtete Luft vorherrscht, und wird so gegen die zweite Kolbenfläche 25 wirken. Beispielsweise kann die Kolbenfläche 23 einen Durchmesser von 90 mm haben, während die Kolbenfläche 25 einen Durchmesser von 84 mm hat, wobei das Kolbenventil 22 in der Lage ist, auf einen Abgasbremsdruck zu reagieren, der etwa 15% niedriger als der Systemdruck ist.
Die Axialturbine 15 hat ein Lagergehäuse 32, das mit zwei Abdichtungen 33 und 34 versehen ist, von denen eine den Kurbelgehäusedruck und die andere gegenüber dem Abgasdruck abdichtet, der auf die Abgasbremsvorrichtung 16 wirkt, wobei der Überdruck möglicherweise etwa 5 bar während des Bremsens beträgt. Eine mit dem Druckluftsystem über ein prioritätsgebendes Ventil 35 verbundene Druckluftleitung mündet in einen Raum 37 zwischen den beiden Dichtungen 33 und 34 und führt einen Pufferdruck zu, der verhindern soll, dass heiße Abgase, die Verunreinigungen enthalten, in die Lager der Axialturbine gelangen. Der Pufferdruck zwischen den Abdichtungen sollte einen Druck zwischen etwa 0,5 bar aufrechterhalten, der höher ist als der Druck auf der Außenseite des Lagergehäuses. Das Prioritäten setzende Ventil 35 ist mit dem Motoreinlasskrümmer 14 über eine erste Zweigleitung 38 und mit der Druckluftleitung 28 über eine zweite Zweigleitung 39 verbunden.
In Betrieb des Motors (siehe 1) erhält das Lagergehäuse normalerweise den Abdichtungsdruck aus dem Einlasskrümmer 14. Wenn der Motor mit niedriger Last angetrieben wird (siehe 3), fällt der Druck in dem Einlasskrümmer 14 ab, so dass das Prioritäten setzende Ventil 35 zu dem Druckluftsystem über die Leitungen 39 und 28 öffnet, sobald der Überdruck von 0,5 bar, der beispielsweise in dem Druckluftsystem vorherrscht, den Druck in dem Einlasskrümmer überschreitet.
Die Ventileinheit 31 liefert Überdruck, der aus dem Ruhezustandspegel von 0,5 bar Messanzeige zu einem höheren Pegel variieren kann, der proportional zur geforderten Motorbremsleistung einstellbar ist. Für diesen Zweck ist die Ventileinheit mit einer Motorsteuereinheit 40 (siehe 5) verbunden, die ausgelegt ist, den höheren Überdruckwert bezüglich verschiedener Parameter einzustellen, beispielsweise bezüglich Informationen über den Bremspedaldruck und das ABS-System, so dass die Bremsleistung bezüglich des angetriebenen Motors und des Straßenzustands optimiert wird.
Beim Bremsen (siehe 4) steigt der Druck in dem Abgasbremsgehäuse an, und es muss ein höherer Druck benutzt werden, wobei das Prioritäten setzende Ventil so umschaltet, dass der höhere Dichtungsdruck aus dem Druckluftsystem entnommen werden kann. Wie vorher unter Bezug auf das Kolbenventil 22 beschrieben wurde, hält der Abgasbremsdruck durchgehend ein Niveau, das geringer ist als der sich ändernde Steuerdruck, der beim Motorbremsen zu dem Lagergehäuse 32 über das Prioritäten setzende Ventil 35 und die Druckluftleitung 36 befördert wird, so dass der Druck zwischen den Dichtungen jederzeit den Abgasdruck auf der Außenseite der Dichtung 34 überschreitet.
Zu dem Lagergehäuse können deshalb unterschiedliche Werte für einen Pufferdruck geliefert werden, ohne dass eine Notwendigkeit für eine häufige Aktivierung des Verdichters des Verdichtungsluftsystems besteht. Das bedeutet, dass ein Minimum an zusätzlichen Bauelementen und Verrohrung erforderlich ist, um das erwähnte Ziel zu erreichen.
5 zeigt eine Variante der Erfindung, bei der die Abgasbremsregeleinrichtung 16 anders als in 1, 3 und 4 ausgelegt ist. Der Abgaskanal ist L-förmig, und das Kolbenventil 22 ist in den Winkel zwischen den beiden Kanalabschnitten eingesetzt. Die Drossel 19 und die Bypass-Leitung 21 sind in diesem Fall nicht erforderlich, da die Verschiebung aus dem Normalbetrieb zur Abgasbremsung durch das Kolbenventil 22 erzeugt wird, das aus einer inneren, nicht funktionellen Position zu einer äußeren Funktionsposition bewegt wird, die in 5 gezeigt ist. In dieser Position dichtet die Kolbenfläche 23 den Abgaskanal bei einem Druck ab, der durch das Ventilgehäuse 31 und die Motorsteuereinheit 40 so bestimmt wird, dass ein Überschussdruck an der Kolbenoberfläche 23 im Leckstrom vorbeigelangen kann. Die in 5 gezeigte Variante der Erfindung ist etwas weniger kostspielig für die Produktion als die in 1, 3 und 4 gezeigten Lösungen, führt jedoch unglücklicherweise zu einem größeren Druckabfall in der Abgasleitung.
Die Erfindung ist nicht als auf die beispielsweisen, vorstehend beschriebenen Ausführungsformen begrenzt anzusehen, vielmehr ist eine Anzahl von weiteren Varianten und Modifizierungen erdenklich, ohne vom Rahmen der folgenden Ansprüche abzuweichen.

Claims

Vorrichtung zum Zuführen von Dichtungsluft zu einer Abgasturbine (15), die mit einer Brennkraftmaschine für einen Turbo-Verbund-Betrieb in einem Fahrzeug zusammenwirkt, wobei – Abgase aus der Brennkraftmaschine in einem Abgassystem mit einer Laderturbine (11) aufgenommen werden, die einen Kompressor (13) für die Verbrennungsluft der Maschine antreibt, – Restenergie im Abgasstrom über die Abgasturbine (15) für eine Überführung zur Kurbelwelle der Brennkraftmaschine wiedergewonnen wird, – die Abgasturbine (15) in einem Lagergehäuse (32) gelagert ist, dem über eine Fluidleitung (36) Dichtungsluft zugeführt wird, und – das Abgassystem eine Abgasbremsdrosseleinrichtung (16) mit einem Abgasdruckregelgerät (22) zum Regulieren des Abgasbremsdrucks aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Abgasdruckregelgerät (22) über eine Druckluftleitung (28) mit einer Druckluftquelle (29, 30) verbunden ist, die über ein Prioritäten setzendes Ventil (35) und die Fluidleitung (36) parallel zu dem Lagergehäuse (32) angeschlossen werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die Prioritäten setzende Ventil (35) die Verbindung des Lagergehäuses (32) mit dem Maschineneinlasskrümmer (14) über eine Druckluftleitung (38) ermöglicht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasbremsdrosseleinrichtung (16) ein Abgasdrosselventil (19) aufweist, das in dem Abgassystem stromab von dem Abgasdruckregelgerät (22) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasdruckregelgerät aus einem Kolbenventil (22) besteht, das eine erste Kolbenfläche (23), auf die der Abgasdruck einwirkt, wenn die Abgasbremsdrosseleinrichtung (16) geschlossen ist, und eine zweite gegenüberliegende Kolbenfläche (25) aufweist, die fest mit der ersten Kolbenfläche verbunden ist und auf die der Druck in der Druckluftleitung (28) einwirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kolbenfläche (25) eine Fläche hat, die etwas kleiner als die erste Kolbenfläche ist, wobei das Kolbenventil (22) eine Bypassleitung (21) öffnen kann, die die Abgasbremsdrosseleinrichtung (16) umgeht, wenn auf die erste Kolbenfläche (23) des Kolbenventils ein Abgasdruck einwirkt, der kleiner ist als der Druck, welcher in dem Kreislauf vorherrscht, der von den Druckluftleitungen (28, 36) und dem die Prioritäten setzenden Ventil (35) gebildet wird, und welcher Druck für die zweite Kolbenfläche (25) des Kolbenventils oder für das Lagergehäuse (32) bereitstellt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftleitung (28) mit einer Ventileinheit (31) verbunden ist, die zwischen der Druckluftquelle (29, 30) und dem die Prioritäten setzenden Ventil (35) angeordnet ist und einen Überdruck einspeist, der von einem Bereitschaftsniveau bis zu einem höheren Niveau variieren kann, das proportional zu der geforderten Maschinenbremsleistung eingestellt werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem normalen Maschinenbetriebszustand das die Prioritäten setzende Ventil (35) Dichtungsluft zum Lagergehäuse (32) aus dem Maschineneinlasskrümmer (14) fördert.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zustand mit geringer Maschinenlast das die Prioritäten setzende Ventil (35) Dichtungsluft zum Lagergehäuse (32) aus der Druckluftleitung (28) bei einem Druck fördert, der gleich dem Bereitschaftsniveau ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Maschinenbremszustand das die Prioritäten setzende Ventil (35) Dichtungsluft zum Lagergehäuse (32) aus der Druckluftleitung (28) bei einem Druck fördert, der gleich einem höheren Druckniveau ist.