DE69807356T2 - Mit einer turbine integriertes abgasrückführungsventil - Google Patents

Description

• Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 18.12.1997 eingereichten gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit der Eingangsnummer 60/068,163, die den gleichen Titel wie die vorliegende Anmeldung trägt.
GEBIET DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von Turboladern und Abgasrückführungssystemen für Verbrennungsmotoren zur Emissionsverbesserung und insbesondere einen Turbolader, der ein als Teil des Turboladers integriertes Abgasrückführungsventil umfaßt.
STAND DER TECHNIK
• Turbolader für Benzin- und Dieselverbrennungsmotoren sind bekannte Vorrichtungen, die auf diesem Fachgebiet zur Druckbeaufschlagung oder Aufladung des einer Brennkammer des Motors zugeführten Einlaßluftstroms unter Nutzung der Wärme und der Durchflußmenge des aus dem Motor austretenden Abgases verwendet werden. Genauer gesagt: Das aus dem Motor austretende Abgas wird in einer solchen Weise in ein Turbinengehäuse eines Turboladers geleitet, daß eine abgasgetriebene Turbine innerhalb des Gehäuses in Drehung versetzt wird. Die abgasgetriebene Turbine ist an einem Ende einer Welle montiert, die auch einem Radialluftverdichter dient, der an einem gegenüberliegenden Ende der Welle montiert ist. Somit bewirkt die Drehbewegung der Turbine auch eine Drehbewegung des Luftverdichters innerhalb eines Verdichtergehäuses des Turboladers, das getrennt vom Abgasgehäuse angeordnet ist. Die Drehbewegung des Luftverdichters bewirkt, daß Einlaßluft in das Verdichtergehäuse eintritt und in gewünschtem Maße druckbeaufschlagt oder aufgeladen wird, bevor sie mit Kraftstoff vermischt und innerhalb der Motorbrennkammer verbrannt wird.
• Abgasrückführung ist ein bekanntes Verfahren zur Reduzierung von NOX-Emissionen in Verbrennungsmotoren. Um wirksam arbeiten zu können, muß ein Abgasrückführungssystem den durch einen Überdruckgradienten im Motor bewirkten ungünstigen Druckgradienten, der beispielsweise für moderne Hochleistungsdieselmotoren typisch ist, in mindestens einem Teil ihres Betriebsbereichs überwinden. Ein herkömmliches Abgasrückführungssystem umfaßt ein Steuerventil, das die Menge des einem Motorauslaßkrümmer entnommenen und zu einem Motoreinlaßsystem zurückgeführten Abgases zum Mischen mit der Einlaßluft und zur anschließenden Verbrennung reguliert. Das Abgasrückführungsventil ist eine sowohl vom Motor als auch vom Turbolader getrennt angeordnete Zusatzvorrichtung. Das herkömmliche Abgasrückführungssystem beinhaltet außerdem eine getrennt vom Turbolader und vom Motor vorgesehene Pumpe, die den Druck des zurückgeführten Abgases, das vom Abgasrückführungsventil dem Einlaßsystem zugeleitet wird, erhöht, um die aus dem Turbolader austretende Einlaßluftladung oder den Ladedruck so anzupassen, daß der Überdruckgradient im Motor überwunden werden kann.
• Moderne Motorräume, insbesondere bei Motoren mit Turbolader, sind so konfiguriert, daß sie für Zusatzvorrichtungen neben dem Motor selbst nur minimalen Platz bieten, so daß dadurch der Einsatz derartiger herkömmlicher Abgasrückführungssysteme, die ein separates Steuerventil, eine separate Pumpe sowie Auslaß- und Einlaßkrümmerbypässe umfassen, sowie das Verlegen und der Anschluß entsprechender Rohrverbindungen schwierig und gelegentlich unmöglich sind. Es ist daher erwünscht, eine oder mehrere Vorrichtungen eines Abgasrückführungssystems als integriertes Element eines vorhandenen Bauteils eines Turboverbrennungsmotors auszuführen, um so die Verwendung eines Abgasrückführungssystems innerhalb der begrenzten Platzverhältnisse eines modernen Motorraums zu ermöglichen. Es ist ebenfalls erwünscht, das Bauteil eines Turboverbrennungsmotors so anzupassen, daß darin mindestens eine Vorrichtung eines Abgasrückführungssystems integriert werden kann, ohne dadurch die Leistung des Motorbauteils selbst zu beinträchtigen, und dies so zu realisieren, daß der Betrieb des Abgasrückführungssystems verstärkt wird.
• In der US-A-4 355 503 wird ein Turbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (siehe Fig. 1 und 2) beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turbolader für Verbrennungsmotoren mit einem Turbinengehäuse mit einer darin befindlichen integralen Abgasrückführungskammer, die von einem Abgasaustritt des Gehäuses getrennt ist. Die Abgasrückführungskammer beinhaltet einen Abgasdurchgang, der sich von der Abgasrückführungskammer zu einem Diffusor innerhalb des Turbinengehäuses erstreckt. Ein Abgasrückführungsventil befindet sich innerhalb der Abgasrückführungskammer und ist über dem Abgasdurchgang positioniert, um den Durchgang des Abgases vom Diffusor und aus dem Turbinengehäuse heraus zu steuern; und es ist ein von der Abgasrückführungskammer zu einem Abgasrückführungskanal verlaufender Strömungsweg vorgesehen.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Die Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen verdeutlicht; darin sind:
• Fig. 1 eine perspektivische erste Seitenansicht eines Turbinengehäusekrümmergußteils für einen Turbolader, das gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist;
• Fig. 2 eine perspektivische zweite Seitenansicht des Turbinengehäusekrümmergußteils von Fig. 1;
• Fig. 3 eine perspektivische Seitenansicht eines Turboladerturbinengehäuses, das gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist;
• Fig. 4 eine Seitenrißansicht des Turboladerturbinengehäuses von Fig. 3; und
• Fig. 5 eine Querschnittsansicht des Abschnitts A-A des Turboladerturbinengehäuses von Fig. 4.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
• Ein gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgeführter Turbolader umfaßt ein Abgasventil, das sich innerhalb eines Abgasaustrittgußteils eines Turboladers befindet und typischerweise als ein Turbinengehäusekrümmergußteil bezeichnet wird, sowie ein innerhalb des Turboladerturbinengehäuses befindliches Abgasrückführungsventil. Das Abgasventil wird betätigt, um die Höhe des Abgasgegendrucks im Turbinengehäuse zu steuern, so daß eine gewünschte Abgasströmung durch das Abgasrückführungsventil und aus dem Turboladerturbinengehäuse heraus zur Verfügung steht, wenn das Abgasrückführungsventil betätigt wird.
• Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, beinhaltet ein Turboladerturbinenkrümmergußteil 10 ein Abgasventil 12, das drehbar innerhalb eines Abgasaustritts 14 angeordnet ist, der sich durch das Krümmergußteil erstreckt. Das Abgasventil 12 kann herkömmlich ausgeführt sein und weist vorzugsweise die Form einer Drosselklappe mit einem Membrandurchmesser auf, der demjenigen des Austritts 14 ähnlich ist, wobei die Membran darin diametrisch angeordnet ist. Das Abgasventil 12 wird innerhalb des Austritts betätigt, um den dadurch erfolgenden Abgasstrom durch ein herkömmliches Betätigungsmittel 16, wie beispielsweise einen pneumatischen, elektrischen oder Vakuumbetätiger, einzuschränken. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Betätigungsmittel 16 die Form eines Vakuumbetätigers auf, der mit dem Abgasventil durch einen Betätigungskolben 18 verbunden ist, der an einem Ende an dem sich vom Abgasventil 12 aus radial erstreckenden Schaft 20 befestigt ist. Das Betätigungsmittel 16 ist durch eine geeignete Montageplatte 22 am Turbinenkrümmergußteil befestigt.
• Das Turbinenkrümmergußteil 10 ist entlang einer passend ausgebildeten Oberfläche 24 so ausgeführt, daß es an einer Gegenfläche eines Turboladerturbinengehäuses befestigt werden kann. Das Turbinenkrümmergußteil beinhaltet eine Abgasrückführungskammer 26, die darin integriert und vom Abgasaustritt 14 durch eine Wand 27 getrennt ist. Die Abgasrückführungskammer 26 ist so konfiguriert, daß sie eine für die Bewegung eines darin befindlichen Abgasrückführungsventils ausreichende Größe und Tiefe besitzt. Das Turbinenkrümmergußteil beinhaltet eine nach außen weisende oder rückseitige Oberfläche 28, die so ausgeführt ist, daß sich ein Abgasrückführungskanal oder eine andere Vorrichtung (nicht dargestellt) an der Abgasrückführungskammer 26 befestigen läßt, und es schließt einen sich dadurch von der Abgasrückführungskammer aus erstreckenden Abgasrückführungsdurchgang 29 ein. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Abgasrückführungsvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform mittels herkömmlicher Schraubenbefestigung an einem passenden Flansch 30 befestigt, der auf der rückseitigen Oberfläche 28 der Abgasrückführungskammer konzentrisch um den Abgasrückführungsdurchgang 29 herum positioniert ist.
• Fig. 3 zeigt ein gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgeführtes Turboladerturbinengehäuse 32.
• Das Turbinengehäuse 32 beinhaltet einen Abgaseintritt 34, der sich radial durch das Gehäuse erstreckt und mit einem Flansch ausgestattet ist, um eine Befestigung an einem Verbrennungsmotorabgaskrümmer zu ermöglichen. Das Turbinengehäuse 32 beinhaltet eine zentrale Öffnung 36, die sich radial dadurch erstreckt. Obwohl nicht dargestellt, ist das Turbinengehäuse so ausgeführt, daß es eine darin befindliche abgasgetriebene Turboladerturbine enthält. Die Turbine beinhaltet sich radial erstreckende Schaufeln, die sich innerhalb eines Turbinengehäusediffusors (siehe Fig. 5) befinden und mit in den Turbinengehäuseabgaseintritt 34 einströmendem Abgas in Berührung gebracht werden. Das Turbinengehäuse ist zum Zwecke der Klarheit und aus Referenzgründen ohne eine darin befindliche Turbine dargestellt. Es versteht sich jedoch, daß das Turboladerturbinengehäuse gemäß der vorliegenden Erfindung mit herkömmlichen Turboladerteilen verwendet werden soll.
• Das Turbinengehäuse 32 beinhaltet eine entsprechende Oberfläche 38, die passend zur Gegenfläche 24 des Turbinenkrümmergußteils 10 ausgebildet ist und eine darin befindliche Abgasrückführungskammer 40 beinhaltet. Die Abgasrückführungskammer 40 ist so konfiguriert, daß sie ausreichend groß und tief ist, um darin ein Abgasrückführungsventil 42 (wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt) aufzunehmen. Die Abgasrückführungskammer 40 ist durch die Wand 44 von der zentralen Turbinengehäuseöffnung 36 getrennt. Die Abgasrückführungskammer 40 beinhaltet einen Abgasdurchgang 46, der sich durch eine Wandoberfläche 48 der mit einem Turbinengehäusediffusor 50 (wie in Fig. 5 dargestellt) verbundenen Abgasrückführungskammer erstreckt.
• Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist das Abgasrückführungsventil 42 innerhalb der Abgasrückführungskammer 40 so am Abgasdurchgang angeordnet, daß eine von dort aus erfolgende Abgasdurchleitung in einem nichtbetätigten Zustand verhindert wird. Das Abgasrückführungsventil kann herkömmlich ausgeführt sein, und in einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Klappenventil verwendet, das einen über dem Abgasdurchgang positionierten Teller oder eine über dem Abgasdurchgang positionierte Membran 52 umfaßt, um eine von dort aus erfolgende Abgasdurchleitung zu verhindern. Ein Betätigerarm 54 ist an einem seiner Enden an der Membran 52 befestigt und erstreckt sich durch eine Öffnung 56 in einem Wandabschnitt 58 der Abgasrückführungskammer 40. Der Betätigerarm 54 ist an einem der Membran 52 gegenüberliegenden Ende 55 so konfiguriert, daß die Befestigung mit einem (nicht dargestellten) geeigneten Betätigungsmittel, wie vorstehend als nützlich für die Abgasventilbetätigung beschrieben, untergebracht werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Betätigerarm 54 so konfiguriert, daß er eine Betätigung der Membran 52 des Abgasrückführungsventils zuläßt, um den Abgasdurchgang durch eine durch das Betätigungsende 55 bewirkte Drehbewegung des Betätigungsarms innerhalb der Öffnung 56 zu öffnen und zu schließen.
• Wie aus Fig. 5 ersichtlich, verhindert die Plazierung oder der Sitz der Abgasrückführungsventilmembran. 52 über dem Abgasdurchgang 46, daß Abgas innerhalb des Turbinengehäusediffusors 50 daraus während des Turboladerbetriebs austritt. Das Abgasrückführungsventil 42 wird beispielsweise in Reaktion auf ein Steuersignal betätigt, das von einer Abgasrückführungssteuervorrichtung oder dergleichen einem Abgasrückführungsventilbetätigungsmittel zugeleitet wird. Das Abgasrückführungsventil 42 wird betätigt, nachdem das Abgasventil 12 betätigt wurde, um den Strömungsweg des Abgases, das aus der zentralen Öffnung 36 durch das Turbinengehäuse 32 über den Abgasaustritt 14 austritt, zu beschränken. Nachdem ein gewünschter Gegendruck innerhalb des Turbinengehäuses 32 und des Turbinendiffusors 50 erreicht ist, wird das Abgasrückführungsventil 42 so betätigt, daß die Membran 52 vom Abgasdurchgang 46 wegbewegt wird, wodurch es möglich ist, daß Abgas vom Turbinendiffusor 50, durch die Turbinengehäuseabgasrückführungskammer 40, durch die Turbinenkrümmergußteilabgasrückführungskammer 26 und zu einer Abgasrückführungsvorrichtung oder einem Abgasrückführungsrohrsystem, das an der rückseitigen Oberfläche 28 des Krümmergußteils befestigt ist, geleitet werden kann. Das aus dem Turbolader entfernte Abgas wird dann in geeigneter Weise behandelt, d. h. aufgeladen und auf das korrekte Kraftstoff-Luft-Verhältnis eingestellt, um in den Einlaßluftstrom des Verbrennungsmotors eingeleitet zu werden. In der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform sind die Abgasrückführungskammer 40 im Turbinengehäuse und die Abgasrückführungskammer 26 im Krümmergußteil gemeinsam so dimensioniert, daß dort die Betätigung des im Turbinengehäuse montierten Abgasrückführungsventils untergebracht werden kann. In alternativen Ausführungsformen ist das Abgasrückführungsventil mit entsprechender Größenanpassung der Abgasrückführungskammer 26 im Krümmergußteil montiert.
• Das Turboladerturbinengehäuse und das Turbinenkrümmergußteil, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgeführt sind, sind in herkömmlicher Weise miteinander verbunden und mit anderen herkömmlichen Turboladerteilen kombiniert, um einen Turbolader für Verbrennungsmotoren bereitzustellen, der sowohl ein darin befindliches Abgasventil als auch ein Abgasrückführungsventil beinhaltet. Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das Abgasrückführungsventil Bestandteil der Konstruktion des eigentlichen Turboladers und keine Einzelvorrichtung eines Abgasrückführungssystems als Motor- und Turboladerzusatzeinrichtung ist, so daß sich kein zusätzlicher Platzbedarf innerhalb eines Motorraums ergibt und der innerhalb moderner Motorräume verfügbare begrenzte Platz maximal genutzt werden kann. Zusätzlich ist in dem Turboladerturbinengehäuse und dem Turbinenkrümmergußteil, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausgeführt sind, das darin befindliche Abgasrückführungsventil so integriert, daß die Leistung des Turboladers oder des Abgasrückführungsventils nicht beeinträchtigt wird.
• Die vorliegende Erfindung ist nunmehr entsprechend den Patentvorschriften ausführlich beschrieben worden, und die Fachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, daß Modifizierungen und Substitutionen im Rahmen der hierin beschriebenen Ausführungsformen möglich sind. Derartige Modifizierungen liegen innerhalb des Schutzbereichs und der Absicht der vorliegenden Erfindung, wie in den nachstehenden Ansprüchen definiert.

Claims (3)

1. Turbolader für Verbrennungsmotoren, der folgendes umfaßt:

ein Turbinengehäuse (32) mit einer darin befindlichen integralen Abgasrückführungskammer (40), die von einem Abgasaustritt (36) des Gehäuses getrennt ist, bei dem die Abgasrückführungskammer (40) einen Abgasdurchgang (46) beinhaltet, der sich von der Abgasrückführungskammer (40) zu einem Diffusor (50) innerhalb des Turbinengehäuses (32) erstreckt;

einen von der Abgasrückführungskammer (40) zu einem Abgasrückführungskanal verlaufenden Strömungsweg;

gekennzeichnet durch:

ein Abgasrückführungsventil (42), das sich innerhalb der Abgasrückführungskammer (40) befindet und über dem Abgasdurchgang (46) positioniert ist, um den Durchgang des Abgases vom Diffusor (50) und aus dem Turbinengehäuse (32) heraus zu steuern.

2. Turbolader nach Anspruch 1, bei dem der Strömungsweg folgendes umfaßt:

ein Turbinenkrümmergußteil (10), das am Turbinengehäuse (32) befestigt ist, mit:

einem sich dadurch erstreckenden Abgasaustritt (14), der getrennt vom Turbinengehäuseabgasaustritt (36) positioniert ist.

3. Turbolader nach Anspruch 2, der weiterhin folgendes umfaßt:

ein innerhalb des Turbinenkrümmergußteilabgasaustritts (14) befindliches Abgasventil (12); und

eine innerhalb des Turbinenkrümmergußteils (10) und gegenüber der Turbinengehäuseabgasrückführungskammer (40) befindliche Abgasrückführungskammer (26), bei der die Turbinenkrümmergußteilabgasrückführungskammer (26) vom Turbinenkrümmergußteilabgasaustritt (14) getrennt ist.