DE748261C

DE748261C - Verfahren zur Regelung des Geblaesedruckes einer mittels eines Abgasturbogeblaeses aufgeladenen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE748261C
Application number: DE1939748261D
Authority: DE
Inventors: Karl Imfeld
Priority date: 1939-06-28
Filing date: 1939-06-28
Publication date: 1944-10-30

Description

Verfahren zur Regelung des Gebläsedruckes einer mittels eines Abgasturbogebläses aufgeladenen Erennkraftmaschine Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Gebläsedruekes einer mittels Abgasturbogebläses aufgeladenen Brennkraftmaschine für erdgebundene Fahrzeuge, derart, daß Abgas zwischen -Brennkraftmaschine und Abgasturbine abgeblasen wird.
Es ist bereits vorgeschlagen, eine derartige Druckregelung unabhängig von der Leistung der Hauptmaschine in der Weisse vorzunehmen, da.ß periodisch am Ende des Auspuffvorganges jedes Arbeitszylinders einer mehrzylindrigen Maschine durch Abblasen von Abgas mittels eines Ventils .eine Senktrog des Druckes in der gemeinsamen Abgasleitung herbeigeführt wird. Die Aufgabe ist dabei, den Spüldruck zeitweilig den Abgasdruck überholen zu lassien, um die Spülung selbst sicherzustellen und zu erleichtern. Denn bei dieser bekannten Maschinenanlage ist ein Aufladegebläse vorausgesetzt, dessen Förderdruck dem Abgasdruck während des Hauptteils der Auspuffdauer jedes 'Zylinders unterlegen ist. Die periodische Steuerung des Abblaseventils für das Abgas erfolgt entweder durch mecha; nischt Mittel oder vermittels des periodisch schwankenden Druckunterschiedes zwischen Abgas und Spülung, durch das ein mit dem Abblasev entil verbundener Kolben gehoben und gesenkt wird.

Ferner ist bereits für .den Betrieb von Flugzeugen und anderen .nicht e.rdgebuandenen Fahrzeugen vorgeschlagen, die Motorleistang auch bei Erreichen größerer Höhen dadurch konstant oder annähernd konstant zu halten, .daß mit steigender Flughöhe ein immer grö,-lrerer Anteil der 'Abgasenergie der Brennkraftmaschinie auf die Abgasturbine geleitet wird, so daß bei Erreichen der maximalen

Flu;;li:öli:e die gesamte Aligasenergi° auf die

Turbine wirkt. Die Leistung in Bodennahe

wird hierbei allein durch die Brennkraft-

urasch.in.e ohne Zuhilfenahme des Abr;a.sturbo-

gebläses erzeugt. -

Die Erfindung unterscheidet sich von den

bisher bekannten Verfahren dadurch, daß das

1)rehinotnent einer n üttels-@bgasturhogebläse#

aufgeladenen Bren:nkraftmaschine für erdge-

bundene Fahrzeuge derart beeinflußt wird.

da.ß von einer bestimmten., meist im mittleren

Bereich der Breimkraftmaschine lieglenden

Drehzahl :ein Drehmoment, etwa entsprechend

der Ztigkraftliy-perhel einer Dampfmaschine,

erzeugt wird, also bei höheren Drehzahlen

ein geringeres Drehmoment als bei niedrigen

Drehzahlen vorhanden ist. hinterhalb der

mittleren Drehzahl bzw. der für den ange-

d@euteten Verlauf der Zugkrafthy-perbel fest-

gel-e ten Drehzahl hat die Brennkraftmaschfne

die normale Mo-t:orencharalcteristik.

Erfindtitrgsgeniäfä wird der Gebläsedruck

iti Abhängigkeit von der Leistung der Brenn-

kraft.maschine geregelt, derart, daß er von

einer mittleren bis zur höchsten Ma.schi.nen-

leistung stetig und in zunehmendem Maße

gegenüber demjenigen Förderdruck -es-eukt

wird, der sich ohne die geschilderte Maf.4-

nahme einstellen würde, indem von Diner mitt-

lertn\Iaschinenleistung an ein federbelastetes

Drosselventil für die Abgase ständig offen

gehalten wird. dessen Durchlaß sich mit stei-

gender Maschinenteistutig infolge des e,rhiiht-cn

Abgasdruckes stetig vergrößert und anteilig

mehr Abgas abblasen: läßt.

Der Erfindun.- liegen fol.getide Erfahrungen

zugrunde. Einer durch ein Aly:-asturlyogeayl:ise

aufgeladenen Bremskraftmaschine wird von

einem mittleren Last- und Drehzahlbereich

an bis zur Vollast und Höchstd,reliz,alil ver-

Ii:i;Itn.ismäßig weit mehr Ladeluft durch das

Gebläse zugeführt als frei niederen Lasten und

Drehzahlen., so d@aß der Lei.stungsgewinn durch

die Auffadunig im höheren Bereich anteilig

viel gröber als im mittleren und niiederen

Bernich ausfällt. Diese Erscheinu-ug ist auf

die Förd-erkennlin.ie des Gebläses 'zurückzu-

führen, nach der die gelieferte Aufladeluft-

menge mit der Gebläsedrehzahl sehr stark an-

wachst, ttud diese Drehzahl steigt wiederum

sowo:lil bei zunehmender Maschinenbelastung

unter gleichl>l,eilyender Maschinendrehzahl als

auch bei zunehmender Maschinendrehzahl

unter gleichbleibender Belastung, d. h. also

allgemein mit der Mascli:inenl;eisttrng, an,

weil sowohl höhere Belastim- als auch Dreh-

zahl der Ilaupttnaschinie mehr und höher ge-

spa:tintes Abgas zum 11etrieb der Ah-asturbine

ergeben.

- Insbesondere für den Fahrzeugbetrieb mit

seinen stark wechselnden Lasten und Dreh-

zahlen ist der aus vorstehendem folgende Ver-

lauf der Drehmomentenkennlinie der Haupt-

maschine - fast lirfeares Anwachsen des Mc@-

urents mit Last und Drehzahl -- ungünstig.

denn die Verwendung des Turbogebläses

würck^ hier überhaupt erst bei Spitzenlyctricli

lohnend werden. während gerade mitt-

lere Leistungen am häufigsten in Gebrauch

#i-k Erwünscht ist es daher fier den Fahr-

#,zctig1ietrieb inh Aufladung, Mittel zti finden,

um das Drehmomtent von der Höchstdrehzahl

bis zu einem mittleren G:escliwi,n:d,igkeitsly:c,-

reich entgegen dem üblichem Verlauf steigen

und erst unterhalb dieses Bereiches absinken

zu lassen. Ein solcher Verlauf der Momenten-

keniiiinie erfordert unter Umständen zur Siche-

rung einer ausreichenden Aufladung a.ueli im

niederen Laistlyerei,ch eine Cberbem:essung des

Abgasturbogeliläses, die aber gegebenjenfalfs

in Kauf genommen. werden kann, weil die

Vorteilc deit größeren Aufwand bei ,%-eit,eni

überwiegen. Denn: erst durch die gesch,ild:erte

Gestaltung der Momenteakennli tie gewinnt

die aufgeladene Fah:rzeugm.asch.irie die not-

wendige Elastizität, die es dem Fahrer in den

meisten Fällen auctvermö-licht, selbst stärkere

Steigungen, bei denen die Mascliinevdi-eliz<ilil

erheblich absinkt, zti überwinden, ohne

schalten zL müssen.

Wird nun erfindungsgemäß mt den atige-

gebetien Mitteln. der Gebläsedruck in der

@N'eise geregelt, daß er von e-ii@er mittleren

bis zur höchsten Maschinenleist-ttn- stetig und

verhä1tnisinäPri- mehr und mehr l;egenüber

dein normalen, im qtiad@rat;iscli,en Verhältnis

mit der G:ebläs,ed@relizahl zunehmenden Förder-

druck gesenkt wird, so wird das Maß der

Aufladung der Maschine im oberenLeistunhs-

bereieh verhältnismäßig ebenso vermindert

und damit der angestrebte Verlauf der Mo-

mentenketinliini,e erreicht.

Zur Erzielung :eines stufenlosen, allin:ih-

lichen -Cherganges des Turb::iineneintrites-

druckes vom \ormalbetri,eb auf @bbLasel)e-

tri-ely beilm überschreiten einer mittleren

Nlascliii.enlei:stttng und somit auch zur Er-

re.nchun ,g eines gleichartigen allmählichc>n

Cberganges .des Gebläselieferdruckes kante

die Formgebung des bei der Eröffnung des

Abblaseventi-ls entstehenden Drosselspaltes

dienen. d. h. die lichte Weite des DrossA-

spaltes kann mi-t sich vergrößerndem 1-lttli

des Ventils unverändert bleiben oder auch

verändert werden, beispielsweise sich ver-

gröf.'rern_, so daß mit wachsender Vent,il-

eröffnung, die vom Abgasdruck abhängig ist,

anteilig mehr Ah gas abgeblasen wird.

Eine andere Lösung für - 61.e Vergleich-

mäßigung des Überganges der Drücke kann

durch die Wahl einer 13elasttin:;sfecler des

3bblaseventils mit besonderer Federcharak-

teristik verwirklicht werden. Das Abbl.aseventilkann auch durch mehrere Federn besonderer Charakteristik belastet sein, so daß sich für ie Belastung mit wachsendem Hub e:in,e kombinierte Federcharakteristik hergibt. Beispielsweise kann diese Charakteristik so gewählt werdten, daß der Ventilhub nicht proportional mit dem Druck der Abgase vor der Turbine steüi,gt und fällt, sondei^n sich mtiit steigendem Abgasdruck anteilig vergrößert.

Eine dritte Lösung kann darin hegen, daß der ,allmghli.che Druckiib,ergang ' durch den -Einbau mehrerer Abblaseven tile mit verschieden: großen Durchgangsquerschnitten und Federbelastungen erreicht wird.
Schließlich können je zwei oder drei dieser Maßnahmen zur Verglenchmäßigun,- des Drucküberganges gleichzeitig zur Anwendunnä kommen. .
Das Verfahren nach der Erfindung .wird durch die Zeichnungen veranschaulicht, und zwar ze.i@t Abb. r ein Schaubild, das den grundsätzlichen Verfahrensschritt wiedergibt, während die ' Abb. 2 bis 6 die bereits angeführten wer-. schiedenen sekundären Verfahrensmerkmale in wesenhafter-Form erkennen lassen.
In Abb. r ist angenommen, daß die Drehzahl der unveränderlich sei, ihre Belastung dagegen von Leerlauf bis zu 2oo;o Überlast ztuiähme. Diese Belastungen, die auf der Abszissen,achse aufgetragen sind, entsprechen also dien Maschinenleistungen bei gegebener Drehz,a!hl. Als Ordinaten sind i11 Atmosphärenüberdruck die Drücke aufgetragen, die ,einerseits die Abgase mit steigender Leistung annehmen und die andererseits dos Gebläse der Aufladeluft erteilt. Die aus-,ezogene KurvepT- entspricht dem Verlauf des Ab-asdhuckes, 'dien- sich ohne die Regelung mach der Erfindung @e; beben würde, während die gestrichelte Linie pT' dem mit der Erfin-Jung angestrebten Verlauf der Abgasdruck-Unleentspricht. Man erkennt, daß gemäß dein beispielsweise angeführten Za:hlenwexten sich ohne das Rege lverfa:h1ren nach der Erfindungein höchster Abgasdruck von 0,35 atü bei starker Überlastung einstellen würde, daß aber von einem mittleren Lastbereich an in zunehmendem Maße Abgas derart vor der Turbine .abgeblasen werden soll, daß der Abgasdruck beim Ennitritt in die Turbine -nur noch o,2 atü aufweist. Der Druck der Aufladeluft hinter dem Gebläse ist durch eine strichpunktierte Linie dargestellt, und die Linie ist so, wie sie sich ohne :das Regelverfahren nach der Erfindtur- ergeben würde, mit p(,- bezeichnet. Man erkennt, d.aß dieser Aufladedruck mit wachsender Belastung der Hauptmaschine wie der Abgasdruck, aber in noch stärkerem Maße als dieser anwächst und bei Überlast beispielsweüse 0,50 atü erreichen -würde. Diese Erscheinung .ergibt' sich aus der eingangs gegebenen Darstellung der Betriebsverhältnisse des Abgasturbog@eblä,s@e,s. NU, nackender Belastung der Maschine müssen Abgasdruck und Abgasmenge der Hauptmä,schine anwachsen und daher die Turbinendmehzahl zunehmen. Es steigt mithin auch die G@ebläsedrdhzahl, mit welcher der Lieferdruck des Gebläses in einem etwa quadmatischen Verhältnis zunimmt. Dadurch nun ', da:ß von einem mittleren Lastbereich der Hauptmaschine an Abgas in zundhmendem Maße vor der Turbine abgeblasen wird, wie die Kurven yiT' zeigt, nimmt selbsttätig vom gleichen Lastbereich an auch die Drehzahl des Gebläses und damit sein, Lieferdruck weniger rasch zu, als es ahne die neue Regelung der Fall wäre. Dieser Verlauf des Lieferdruckes ist in Abb. 1 durch die strich,-punktiert gezeichnete Kurve pc dargestellt, und zwar derart, daß anstatt des unerwünscht hohen Aufladtedrudkes von o,5oatü bei starker Überlast sich nur ein Überdruck 'von beisPielsvvei,se 0,30 atü einstellt.
In Abb.2 ist allgemein das Abblasen vor der Turbine mittels, eines federbelasteten Ventils dargiestellt. Das von der BrennkrafC-maschine ausgepuffte Abgas 'strömt durch das Rohr a in Pfeilrichtung zur Turbine. -An das Rohr a ist ein Zweigrohr b unter Zwischenschä.ltuug eines mit der Feder 'd belasteten Ventils c angeschlossen. Die Feder d stützt sich auf eine Einstellschraubee, mittels derer die Vorspannung der Feder verändert werden kann. Diese Vorspannung ist so gewählt, daP sich belspi@elsweise bei Überschreitung Beines Abgasdrtickeis vo-n o, i o atü das Ventil zu heben beginnt und einen Teil der Abgase durch das Rohr b abströmen läß@t. Das Ventil c öffnet sich nun mit weiter steigendem Abgasdruck pT 'in zunehmendem Maße und läßt bis zu dem praktisch erreichbaren H.öclns@-druck immer mehr Abgas in der Weise durch das Rohr b abströmen, daß der auf die Turbinenschaufeln zur Wirkung kommende Abga-:,druck und die Abgasm,e,nge von etwa Halblast bis Überlast der Hauptmaschine mir -wenig zunehmen. Entsprechend nimmt auch der tatsächliche: Li.efe,rdruckpc' des Gebläses nur wenig zu. Das Ausmaß der abgeblasenen Menige und damit die ,erzielte Senkung des Abgasdruckes können durch die Formgebung dies Ventils weitgehend beeinflußt --erden. Bleieiner Ausbildung nach Abb.2 mit einer sehr schmalen Ventilsitzfläche und normaler Schraubenfeder wird die Größe des Doppelspaltes d(e;s Ventils etwa dem Abgasdruck, der -auf die untere Ventilfläche wirkt, pro,-portional sein. Unterhalb der Sitzfläche -weist das Ventil eine kegelig verengte Ansatzfläche f auf, die diese Proportionalität 7wisch:en Abgasdruck und Ventilhab bzw. Drosselspalt nicht beeinflußt. In Abb. 3 schließt sich an die kegelige Sitzfläche des feststehenden Ventilteils noch eine mit .einem engen Spalt 1a den unteren Ventilteil umgebend-- zylindrische Fläche an.. Dieser untere Teil des Ventils e hat ebenfalls die Form eines zylindrischen Ansatzes mit der Umfangsfläche f. Wetln sich nun das Ventil hebt, so. ändert sich zunächst der lichte Querschnitt des Durchgangsspaltes Ir nicht, d. h. die Drosselung bleibt gleich stark, so lange bis sich das Ventil mit seiniem zylindrischen Ansatz über die kegelige Sitzfläche e:rh.oben -hat. Dann erst wird der Ventildurchlaß in zunehmendem Maße weiter, die Drosselung geringer, die Abblasemenge und die Drucksenhuing der Abgase entsprechend größer. -Die Abb. ¢ zeigt unter gleicher Verwendung der Bezugszeichen wie in Abb.3 eine Ausführungsform dies Ventils. bei welcher die anfängliche Hubstrecke des Ventils, die gleichbleibende Drosselung ergibt, gegenüber der Form nach Abb. 3 wesentlich verkürzt ist, so daß nach kurzem Hub des Ventils der Venti.ldurchlaß sich wieder proportional dem Ventilhub eiheiter t.
In Abb. 5 ist -ein Ventil c dargestellt, dessen Dürchlaß zwar proportional dem Huh wächst, dessen Hub jedoch sich nicht proportianal mit dem Abgasdruck vergrößert. Denn als Ventilbelastung sind Kegelfedern gewählt, die keine gerade Linie als Federcharakteristik, sondern eine gekrümmte Kurve aufweisen müssen, so daß sich die Federn mit wachsendem Hub versteifen. Statt der Federn des gezeichneten Ausführungsbeispiels könnten auch solche gewählt werden, de sich mit wachsendem Hub des Ventils erweichen. Die Wahl dieser Federart hängt davon ab, wie die Gestrichelte pT' in Abb. i auf Grund der gegebenen Betriebsverhältnisse gestaltet werden soll.
Nach Abb.6 werden mehrere verschieden große Ahblaseventile c', c=, c-' mit den verschieden starken Belastungsfedern d', d=, d;` verwendet. In der Strömungsrichtung der Abgase im Rohr a liegt das kle-in:ste Ventil c' mit der schwächsten Feder d' .an erster Stelle und .öffnet sich demnach bei der geringsten Drucküberschreitung der Abgase zuerst. Bei weitersteigendem Druck :öffnen sich der Roille nach die Ve@ntilec= und c3, so daß beim höchsten Druck alle drei Ventile geöffnet sind und ständig größere Abgasmengen unter Drucksenkung im Rohre abgeblasen werden. Dio Federt. cl', d'=, d-*, sind dabei derart abgestimmt, daß die Drucksenkung nicht stufenweise vor sich geht, sondern. allmählich zunimmt. Die verschiedenen Maßnahmen nach Abb. 3 bis 6 können schließlich auch gleichzeitig werden, d. h. es können beispielsweise die lsegelfediern nach Abb.5 mit der Gestaltung des Drosselspaltes nach Abb.3 oder 4. kombiniert werden. oder die Ventile r', c°, c-" nach Abb. 6 erhalten Formen nach Abb.3 oder 4 und Federn nach Abb. 5.
Die durch das Rohr b abgeblasenen Abgasmengen werden zweckmäßig hinter der Turbine mit den die Turbine verlassenden Abgasen vereinigt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur- Regeltnig des Gebläsedruckes einer mittels eines Abgasturbogebläses aufgeladenen Bretltikraftm.aschine für erdgebundene Fahrzeuge durch Abblasen von Abgas zwischen Brennkraftmaschine und Turbine, dadurch gekennzeichnet, daß der Gebläsedrttck in Abhängigkeit von der Leistung der Brennkraftmaschine geregelt wird, derart, daß er von einer mittleeren Leistung an bis zur Höchstle istung der Maschine stetig und in zunehmendem Maße gegenüber dem normalen Förderdruck gesenkt wird, indem von der mittleren. Maschinenleistung allein federbelastetes Drosselveiiitil ständig offen gehalten wird, dessen Durchlaß sich mit steigender Maschinen1 istung infolge des erhöhten Abgasdruckes vergrößert und anteilig mehr Abgas abblasen läßt. a. Regelunbsv,erfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein stufenloser und allmählicher Ühergatig des Turbinenein.trittsdruckes von Normalbetrieb auf Ahblaseb-etrieb beim Überschreiten einer mittleren Maschinenleistung und somit ein entsprechender Übergang des Geb läselieferd,ruckes durch die Formgebung des bei Eröffnung des Abblaseventils eiltstehenden Drosselspaltes erzielt wird. 3. Regelungsverfahren nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß der allrnählich@e Übergang der Drücke durch die Charakteristik derBelastungsfederoderdie kombinierte Charakteristik mehrerer Federn desAbbl<asevetitilsherbeigefiihrt%vircl. 4. Regelungsverfahren. nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß der allmähliche Übergang der Drücke durch Einbau mehrerer Abblaseventile mit verschieden. großen Durchgatigsquerschnitten ttnd Federbelastungen erreicht wird. 5. Regelungsverfahren nach Anspruch t, -ekennzeichmet durch gleichzeitige Anwendunag- je zweier oder der drei Verfahren zur Vergleichmäßirung der Di-ucküber_ gänge nach den Ansprüchen 2 bis .l-