EP0814235A1 - Radial turbine for a turbocharger - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a radial turbine for a turbocharger of a supercharged internal combustion engine with an adjustable turbine guide device which has at least two separate gas supply channels, which can be displaced into two different working positions in a guide cylinder formed by two control rings in a guide cylinder surrounding the turbine blade, and the turbine guide device consists of the guide ring with the two control rings, between which gas supply channels of different cross-sections are formed via a separating partition.
- an exhaust gas turbocharger with a radial turbine in which an adjustable control ring is arranged for changing an effective cross section of the guide device for the exhaust gas flow supplied.
- This comprises two feed channels with different cross sections, which are designed for full load and part load, wherein in each case one feed channel is switched on in order to produce a correspondingly effective cross section.
- the invention has for its object to enable simple adjustment of the control rings with a self-holding for a generic arrangement with a turbine guide.
- an adjustable guide ring with two gas guide channels for full and partial load of the turbine guide device by means of a compressed air reservoir and electrically controllable solenoid valves in a position for high boost pressure and thus strong torque and in a further position for an optimal, Ignition pressure-compatible and consumption-optimized full-load operation is adjustable.
- the guide ring can remain in its assumed position in stable self-retention after completion of an adjustment process. After the desired position has been reached, the guide ring thus remains self-locking and, moreover, this state is supported by the pressures developed by the internal combustion engine on the air and exhaust side.
- the increased area of the intermediate wall on which the exhaust gas pressure stands and due to the different throttling of the ring channels by a one-sided seal results in a resulting holding force that holds the guide ring securely in the position assigned by the control.
- the guide ring essentially comprises two control rings which each terminate an annular channel with the turbine housing. These ring channels are connected to the compressed air reservoir and a boost pressure sensor.
- the intermediate wall separating the gas guide channels of the guide ring is held in the two possible positions in a wall of the turbine housing in a seat, each of which results in a flush gas guide channel.
- a mechanical lock consisting of a retaining pin, which is pneumatically actuated and ensures that the guide ring does not move uncontrolled from a set position due to vibrations of the internal combustion engine, is used for the starting process and for idling.
- the position of the guide ring is preferably set by means of a memory-oriented control, by a control device via solenoid valves depending on parameters of the internal combustion engine. These parameters can be, for example, the speed of the internal combustion engine, the speed of the exhaust gas turbine, the pressure in the charge air receiver or the fuel injection pump, and a combination of these parameters is also possible.
- An exhaust gas turbocharger 1 for an internal combustion engine 13 essentially comprises a compressor 3 with an exhaust gas turbine 2. Via a control device 18, the exhaust gas turbine 2 can be supplied with compressed air as a function of the load state of the internal combustion engine through a boost pressure sensor 14 and a compressed air reservoir 8.
- the guide ring L can be shifted into two positions T and V, the T position standing for a high boost pressure and allowing a strong torque on the output flange of the internal combustion engine 13.
- the V position stands for optimal, pressure-sensitive and consumption-optimized full-load operation.
- the turbine guide device 4 can be adjusted to the two positions T and V by means of the compressed air reservoir 8 and electrically controllable solenoid valves 9 in the control device 18. Due to constructive measures on the guide device 4, the guide ring L can remain in the desired position in the self-holding position, without constant supply of compressed air from an external store.
- the guide ring L is pushed into the position T via a pressure pulse from the external compressed air reservoir 8 into the ring channel 5a of the control ring S1.
- a mechanical lock consisting of a holding pin 19 is actuated by means of a pneumatic cylinder 20 and the position T is locked.
- the air supply from the memory 8 can be interrupted, since otherwise high air consumption would result.
- the pressure in the charge air receiver 14 also increases.
- the boost pressure generates in the ring channels 5a or 5b of the control rings S1 or S2 the force for the self-holding of the turbine guide device 4.
- the safe self-holding is achieved in particular by the ring channel 5b being sealed more tightly with respect to the turbine-side gas supply channel 12 by means of piston ring-like sealing elements 16 than on that other side in the ring channel 5a.
- This different throttling results in a higher pressure in the ring channel 5b, which holds the guide ring L in the position T.
- a further increase in the holding force is achieved by an enlarged area of an intermediate wall 17 of the guide ring L, on which the Exhaust gas pressure in the inflow channel 12 of the turbine 2 presses.
- the intermediate wall 17 is mounted in a seat which consists of an annular recess 32 and 33 in the walls 30, 31 of the turbine housing 7.
- the switching criteria 15, which are stored in the memory 10 of the control, are overrun. These can be: speed of the charging device 1, speed of the internal combustion engine 13, impermissible boost pressure or the amount of fuel injected or a combination of these quantities.
- the ring channel 5b is briefly vented via the solenoid valves 9 by the electrical switching signal triggered by the switching criteria.
- the charge pressure in the ring channel 5a presses the guide ring L from the position T into the position V. Due to the changed effective guide ring area in the gas guide channel 11, the charge pressure changes to a desired level.
- a pressure pulse with a narrow time limit is conducted from the higher pressure of the external memory 8 into the ring channel 5b and displaces the guide ring L against the boost pressure in the ring channel 5a.
- the controller interrupts the air flow from the memory 8 after an adjustable time interval and switches back to the boost pressure connection in the ring channel 5b. With this configuration, the guide ring L remains stable in the desired position.
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Radialturbine für einen Turbolader einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einer verstellbaren Turbinenleiteinrichtung, die mindestens zwei voneinander getrennte Gaszuführkanäle aufweist, welche mittels eines aus zwei Steuerringen gebildeten Leitringes in einem die Turbinenschaufel umgebenden Führungszylinder, in zwei unterschiedliche Arbeitspositionen verschiebbar ist und die Turbinenleiteinrichtung aus dem Leitring mit den zwei Steuerringen besteht, zwischen denen Gaszuführkanäle verschiedenen Querschnitts über eine trennende Zwischenwand gebildet sind.The invention relates to a radial turbine for a turbocharger of a supercharged internal combustion engine with an adjustable turbine guide device which has at least two separate gas supply channels, which can be displaced into two different working positions in a guide cylinder formed by two control rings in a guide cylinder surrounding the turbine blade, and the turbine guide device consists of the guide ring with the two control rings, between which gas supply channels of different cross-sections are formed via a separating partition.
Aus der DE 42 15 301 Al ist ein Abgasturbolader mit einer Radialturbine bekannt, bei der zur Änderung eines wirksamen Querschnitts des Leitapparates für den zugeführten Abgasstrom ein verstellbarer Steuerring angeordnet ist. Dieser umfaßt zwei Zuführkanäle mit unterschiedlichen Querschnitten, die für Vollast und Teillast ausgelegt sind, wobei jeweils ein Zuführkanal eingeschaltet ist, um einen entsprechend wirksamen Querschnitt zu ergeben.From DE 42 15 301 Al an exhaust gas turbocharger with a radial turbine is known, in which an adjustable control ring is arranged for changing an effective cross section of the guide device for the exhaust gas flow supplied. This comprises two feed channels with different cross sections, which are designed for full load and part load, wherein in each case one feed channel is switched on in order to produce a correspondingly effective cross section.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine gattungsgemäße Anordnung mit einer Turbinenleiteinrichtung eine einfache Verstellung der Steuerringe mit einer Selbsthaltung zu ermöglichen.The invention has for its object to enable simple adjustment of the control rings with a self-holding for a generic arrangement with a turbine guide.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.This object is achieved by the features of claim 1. Further advantageous configurations are characterized by the features of the subclaims.
Die mit der Erfindung hauptsächlich erzielten Vorteile bestehen darin, daß ein verstellbarer Leitring mit zwei Gasführungskanälen für Voll- und Teillast der Turbinenleiteinrichtung mittels eines Druckluftspeichers und elektrisch ansteuerbaren Magnetventilen in eine Stellung für hohen Ladedruck und damit starkem Drehmoment und in eine weitere Stellung für einen optimalen, zünddruckgerechten und verbrauchsoptimierten Vollastbetrieb verstellbar ist.The main advantages achieved by the invention are that an adjustable guide ring with two gas guide channels for full and partial load of the turbine guide device by means of a compressed air reservoir and electrically controllable solenoid valves in a position for high boost pressure and thus strong torque and in a further position for an optimal, Ignition pressure-compatible and consumption-optimized full-load operation is adjustable.
Durch eine entsprechende konstruktive Ausbildung mittels einer die Gasführungskanäle trennenden Zwischenwand, kann der Leitring nach Abschluß eines Verstellvorganges in stabiler Selbsthaltung in seiner eingenommenen Stellung verbleiben. Nach einem Erreichen der gewünschten Position bleibt der Leitring somit in Selbsthaltung und zudem wird dieser Zustand noch durch die von der Brennkraftmaschine entwickelten Drücke luft- und abgasseitig unterstützt. Die vergrößerte Fläche der Zwischenwand auf die der Abgasdruck steht und durch die unterschiedliche Drosselung der Ringkanäle durch eine einseitige Abdichtung ergibt sich eine resultierende Haltekraft, die den Leitring sicher in der von der Steuerung zugewiesenen Position hält.By means of a corresponding constructive design by means of an intermediate wall separating the gas guiding channels, the guide ring can remain in its assumed position in stable self-retention after completion of an adjustment process. After the desired position has been reached, the guide ring thus remains self-locking and, moreover, this state is supported by the pressures developed by the internal combustion engine on the air and exhaust side. The increased area of the intermediate wall on which the exhaust gas pressure stands and due to the different throttling of the ring channels by a one-sided seal results in a resulting holding force that holds the guide ring securely in the position assigned by the control.
Der Leitring umfaßt im wesentlichen zwei Steuerringe, welche mit dem Turbinengehäuse jeweils einen Ringkanal abschließen. Diese Ringkanäle sind mit dem Druckluftspeicher und einem Ladedruckaufnehmer verbunden.The guide ring essentially comprises two control rings which each terminate an annular channel with the turbine housing. These ring channels are connected to the compressed air reservoir and a boost pressure sensor.
Die die Gasführungskanäle des Leitringes trennende Zwischenwand, ist jeweils in den zwei möglichen Stellungen in einer Wandung des Turbinengehäuses in einem Sitz gehalten, der jeweils einen bündigen Gasführungskanal ergibt.The intermediate wall separating the gas guide channels of the guide ring is held in the two possible positions in a wall of the turbine housing in a seat, each of which results in a flush gas guide channel.
Für den Anfahrvorgang sowie für den Leerlauf dient eine mechanische Sperre, bestehend aus einem Haltestift, welcher pneumatisch angesteuert wird und dafür sorgt, daß der Leitring nicht durch Vibrationen der Brennkraftmaschine unkontrolliert aus einer eingestellten Position wandert.A mechanical lock, consisting of a retaining pin, which is pneumatically actuated and ensures that the guide ring does not move uncontrolled from a set position due to vibrations of the internal combustion engine, is used for the starting process and for idling.
Die Position des Leitringes wird vorzugsweise mittels einer speicherorientierten Steuerung, durch eine Steuereinrichtung über Magnetventile in Abhängigkeit von Parametern der Brennkraftmaschine eingestellt. Diese Parameter können beispielsweise die Drehzahl der Brennkraftmaschine, die Drehzahl der Abgasturbine, der Druck im Ladeluftaufnehmer oder der Kraftstoffeinspritzpumpe sein, wobei auch eine Kombination dieser Parameter möglich ist.The position of the guide ring is preferably set by means of a memory-oriented control, by a control device via solenoid valves depending on parameters of the internal combustion engine. These parameters can be, for example, the speed of the internal combustion engine, the speed of the exhaust gas turbine, the pressure in the charge air receiver or the fuel injection pump, and a combination of these parameters is also possible.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown schematically in the drawings and is described in more detail below.
Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Längsschnitt durch einen Abgasturbolader mit einer Radialturbine und mit einem verstellbaren Leitring,
- Fig. 2
- einen vergrößerten Ausschnitt der Turbine mit dem verstellbaren Leitring und
- Fig. 3
- eine Steuerung mit Magnetventilen und Luftleitungen.
- Fig. 1
- 2 shows a longitudinal section through an exhaust gas turbocharger with a radial turbine and with an adjustable guide ring,
- Fig. 2
- an enlarged section of the turbine with the adjustable guide ring and
- Fig. 3
- a control with solenoid valves and air lines.
Ein Abgasturbolader 1 für eine Brennkraftmaschine 13 umfaßt im wesentlichen einen Verdichter 3 mit einer Abgasturbine 2. Über eine Steuerungseinrichtung 18 ist der Abgasturbine 2 durch einen Ladedruckaufnehmer 14 und einem Druckluftspeicher 8 Druckluft in Abhängigkeit vom Lastzustand der Brennkraftmaschine zuführbar.An exhaust gas turbocharger 1 for an
In der Abgasturbine 2 ist eine Turbinenleiteinrichtung 4 mit einem Leitring L, bestehend aus zwei Steuerringen Sl und S2 mit gebildeten Gasführungskanälen 11,12, unterschiedlichen Querschnitts angeordnet.A
Der Leitring L kann in zwei Stellungen T und V verschoben werden, wobei die T-Stellung für einen hohen Ladedruck steht und ein starkes Drehmoment am Abtriebsflansch der Brennkraftmaschine 13 erlaubt. Dagegen steht die V-Stellung für einen optimalen, zünddruckgerechten und verbrauchsoptimierten Vollastbetrieb.The guide ring L can be shifted into two positions T and V, the T position standing for a high boost pressure and allowing a strong torque on the output flange of the
Die Turbinenleiteinrichtung 4 kann mittels des Druckluftspeichers 8 und elektrisch ansteuerbaren Magnetventilen 9 in der Steuerungseinrichtung 18 in die beiden Positionen T und V verstellt werden. Aufgrund konstruktiver Maßnahmen an der Leiteinrichtung 4 kann der Leitring L in der gewünschten Stellung in der Selbsthaltung verbleiben, ohne ständige Zuführung von Druckluft aus einem externen Speicher.The
Hierzu besteht auf der Turbinengehäuseseite 7 eine direkte Verbindung über eine Leitung 6 zum Ladeluftaufnehmer 14 der Brennkraftmaschine 13. Über einen Ringkanal 5a wirkt der Ladeluftdruck ständig auf den Leitring L. Auf der Lagerträgerseite 21 besteht eine Verbindung über eine Leitung 6a zwischen dem Ringkanal 5b und dem Ladeluftaufnehmer 14 nur über die Steuerungseinrichtung 18. In den Ringkanal 5a des Steuerringes S2 kann wahlweise Druckluft aus dem externen Druckluftspeicher 8, Ladeluft aus dem Ladeluftaufnehmer 14 oder durch Entlüftung der Druck entsprechend verändert werden. Auf dieser Seite erfolgt dann auch die Ein leitung des Schaltvorganges.For this purpose, there is a direct connection on the
Ausgehend vom Start der Brennkraftmaschine 13, wird über einen Druckimpuls aus dem externen Druckluftspeicher 8 in den Ringkanal 5a des Steuerringes S1 der Leitring L in die Position T geschoben. Gleichzeitig wird mittels eines Pneumatikzylinders 20 eine mechanische Sperre, bestehend aus einem Haltestift 19, betätigt und die Position T verriegelt. Dadurch kann die Luftzufuhr aus dem Speicher 8 unterbrochen werden, da sich im anderen Fall ein hoher Luftverbrauch einstellen würde. Bei einer steigenden Leistung der Brennkraftmaschine 13 steigt auch der Druck im Ladeluftaufnehmer 14.Starting from the start of the
Der Ladedruck erzeugt in den Ringkanälen 5a oder 5b der Steuerringe S1 oder S2 die Kraft für die Selbsthaltung der Turbinenleiteinrichtung 4. Die sichere Selbsthaltung wird insbesondere dadurch ereicht, daß der Ringkanal 5b mittels kolbenringartiger Dichtungselemente 16 gegenüber dem turbinenseitigen Gaszuführkanal 12 stärker abgedichtet wird als auf der anderen Seite im Ringkanal 5a.The boost pressure generates in the
Diese unterschiedliche Drosselung ergibt im Ringkanal 5b einen höheren Druck, der den Leitring L in der Position T hält. Eine weitere Verstärkung der Haltekraft wird durch eine vergrößerte Fläche einer Zwischenwand 17 des Leitringes L erreicht, auf die der Abgasdruck im Zuströmkanal 12 der Turbine 2 drückt. Die Zwischenwand 17 ist in einem Sitz gelagert, der aus einer Ringausnehmung 32 und 33 in den Wänden 30,31 des Turbinengehäuses 7 besteht.This different throttling results in a higher pressure in the
Diese reduzierte Drosselung des Luftstromes im Ringkanal 5a führt zu einem thermischen Ausgleich der Leiteinrichtung 4, da die kühle Ladeluft den turbinenseitig heißeren Teil stärker kühlt. Dadurch entsteht kein thermischer Verzug, der zum Klemmen des Schiebesitzes im Führungszylinder F das Leitringes L führen könnte. Der Luftstrom dient gleichzeitig als Sperrluft gegen das Eindringen von Abgas in die Ringkanäle 5a und 5b und dient auch zur Vermeidung von Ablagerungen im Schiebespalt.This reduced throttling of the air flow in the
Durch diese beiden Maßnahmen ergibt sich eine außerordentlich hohe Funktionssicherheit, auch beim Betrieb mit Rückstandskraftstoffen.These two measures result in extraordinarily high functional reliability, even when operating with residual fuels.
Bei weiter zunehmender Leistung werden die Schaltkriterien 15 überfahren, die im Speicher 10 der Steuerung abgelegt sind. Dieses können sein: Drehzahl der Aufladeeinrichtung 1, Drehzahl der Brennkraftmaschine 13, unzulässiger Ladedruck oder die eingespritzte Kraftstoffmenge oder eine Kombination dieser Größen.With further increasing power, the
Durch das von den Schaltkriterien ausgelöste elektrische Schaltsignal wird der Ringkanal 5b über die Magnetventile 9 kurzzeitig entlüftet. Der anstehende Ladedruck im Ringkanal 5a drückt den Leitring L aus der Position T in die Position V. Aufgrund der veränderten wirksamen Leitringfläche im Gasführkanal 11 ändert sich der Ladedruck auf eine gewünschte Höhe.The
Beim Rückschalten von der Position V in die Position T wird ein zeitlich eng begrenzter Druckimpuls aus dem höheren Druck des externen Speichers 8 in den Ringkanal 5b geleitet und verschiebt den Leitring L gegen den Ladedruck im Ringkanal 5a. Die Steuerung unterbricht nach Ablauf eines einstellbaren Zeitintervalls den Luftstrom aus dem Speicher 8 und schaltet zurück auf die Ladedruckverbindung in den Ringkanal 5b. Durch diese Ausgestaltung verbleibt der Leitring L stabil in der gewünschten Position.When switching back from position V to position T, a pressure pulse with a narrow time limit is conducted from the higher pressure of the
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