EP1602803A1 - Vorrichtung zum Reduzieren von Schwingungen eines Verbrennungsmotor und Abgasturbolader umfassenden Systems - Google Patents

Vorrichtung zum Reduzieren von Schwingungen eines Verbrennungsmotor und Abgasturbolader umfassenden Systems Download PDF

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EP1602803A1
EP1602803A1 EP04405340A EP04405340A EP1602803A1 EP 1602803 A1 EP1602803 A1 EP 1602803A1 EP 04405340 A EP04405340 A EP 04405340A EP 04405340 A EP04405340 A EP 04405340A EP 1602803 A1 EP1602803 A1 EP 1602803A1
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vibration
turbocharger
combustion engine
internal combustion
vibration damper
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EP04405340A
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English (en)
French (fr)
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Alfons Tröndle
Balz Flury
Christoph Mathey
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Accelleron Industries AG
Original Assignee
ABB Turbo Systems AG
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/04—Antivibration arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/28—Supporting or mounting arrangements, e.g. for turbine casing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M35/00—Combustion-air cleaners, air intakes, intake silencers, or induction systems specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines
    • F02M35/10—Air intakes; Induction systems
    • F02M35/10006—Air intakes; Induction systems characterised by the position of elements of the air intake system in direction of the air intake flow, i.e. between ambient air inlet and supply to the combustion chamber
    • F02M35/10078—Connections of intake systems to the engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers

Definitions

  • the invention relates to the field of supercharged internal combustion engines. she relates to a system of an internal combustion engine and an exhaust gas turbocharger and a Device for reducing vibrations on a system from a Internal combustion engine and an exhaust gas turbocharger.
  • variable speed motors In constant speed motors, the resonance can be changed by changing the System stiffness or the structural natural frequency of the speed pushed away become.
  • variable speed motors On the other hand, there are several resonances in the system lying in the operating range. Then often occur high vibrations, which leads to a Reduction of service life of individual components or the whole system can lead.
  • the invention is therefore the object of a system of internal combustion engine and to provide exhaust gas turbocharger in which the internal combustion engine in the whole available speed range can be operated without going through it resulting oscillations the service life of individual components or the whole system reduce.
  • this object is achieved in that the system Internal combustion engine and exhaust gas turbocharger vibration reducing means, such as in Shape of a vibration absorber and / or a vibration damper, added become.
  • the vibration damper and / or the vibration damper on a attached exposed, strongly vibrating point of the system Because there are the vibrations the strongest and thus the vibration reducing agents are the most effective can be used.
  • turbocharger Since the turbocharger is usually mounted in an exposed position on the internal combustion engine, It is particularly effective to use the vibration reducing means on the turbocharger attach, for example, on the filter muffler air inlet side of the Compressor housing.
  • the damper or vibration absorber in the first place in the Main vibration direction of the eigenmodes of the lowest natural frequencies of the engine turbocharger system act, i. usually in the direction of the turbocharger axis and across (horizontally).
  • the turbocharger is usually on a console above the engine or at the front of the engine Motors fixed in exposed position. Through this exposed situation, he experiences the strongest Vibration and is therefore for the attachment of vibration dampers and Most suitable for vibration absorbers.
  • the vibration absorber can be designed in different variants, for example as a vibrating mass on a spring. Vibration absorbers can be undamped or be muffled. Weak and undamped vibration absorbers are set to a specific Frequency designed and act over a small frequency range. Heavily steamed Vibration dampers act as dampers over a wide frequency range.
  • the mass of the vibration absorber is around 5-10% of the turbocharger weight. To this Way, a balance is created between the damper force to be achieved and the additional weight that the loader has to endure mechanically.
  • the damping is achieved by the damping properties of the attachment or with separate damper.
  • components of the turbocharger as a vibration absorber or Vibration dampers are used.
  • a decoupled Filter mufflers are used as absorber mass, while on the attachment of the Filter silencer on the compressor housing damping can be achieved.
  • the absorber mass can also be used as a vibrating mass in a steaming, highly viscous liquid (e.g., oil) filled space, or loose Bulk material to be arranged in a corresponding container.
  • This room can look like in a rigidly mounted tank as an additional component in the system Internal combustion engine and turbocharger, or as an integral part in one Casing cavity may be formed on the turbocharger, the console or the engine.
  • the vibration damper is attached to a strongly oscillating part of the turbocharger attached and with the engine block, console or an outside Attachment point rigidly connected.
  • the dampers must be dependent on the application to a relatively high natural frequency (10 -100 Hz) and small vibration amplitudes (0.1 -2 mm).
  • Vibration damper and damper can be mounted on all housings of the turbocharger, the console or attached to external parts of the engine block. As at the gas inlet or Gas leakage temperatures are high and the parts may damage Vibration damper and silencer to bearing housing, compressor housing, Filter silencer or, in the case of turbochargers without filter silencer, on the intake manifold be attached.
  • the filter silencer itself can also be used as a vibration absorber be grown, wherein via the connection to the compressor housing a damping can be achieved.
  • FIG. 1 shows an exhaust gas turbocharger, as it is mounted on an internal combustion engine, in the figure, only the outer housing parts and the connecting flanges for the Supply lines to the internal combustion engine can be seen.
  • the air for the internal combustion engine is sucked in via a filter muffler 5 and in the compressor housing 1 on the rotating compressor wheel out.
  • the compressor wheel is at one end of a shaft attached, which is rotatably mounted in the bearing housing 4.
  • At the other end of the wave is attached the turbine wheel.
  • the turbine housing comprises two parts, the Gas inlet housing 2 with the supply of hot exhaust gases from the internal combustion engine, and the gas outlet housing 3 with the outlet flange for connecting the Exhaust system.
  • the exhaust gas turbocharger with a second support, approximately in the range of Filter silencer be additionally supported.
  • the internal combustion engine has a vibration damper 6, which is attached to the filter muffler of the exhaust gas turbocharger and its mass for example, in a tank in oil damping and resilient by means of elastic elements stored or arranged as loose bulk material in a container.
  • a Vibration damper / damper can also be on another case of the Exhaust gas turbocharger be attached.
  • the vibration damper with a first support on the bearing housing and with a second support on the flange connection between the Be mounted compressor housing and the filter muffler. It serves the additional Attaching to it, the vibration damper / damper as stiff as possible with the Turbocharger to connect, so that the vibrations as directly as possible to the Vibrating be transferred.
  • an additional vibration damper 7 is shown, the fixed with the filter muffler 5 and a corresponding support (e.g., console, engine block or external framework).
  • the additional vibration damper dampens the vibrating filter silencer optimally (place with highest amplitudes), in particular when the support (8) is very stiff.
  • Fig. 2 shows a vibration damper 9 which is fixed to the bearing housing.
  • the damping via the material damping of the attachment (multilayer material with damping intermediate layers) or by a separate vibration damper.

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Abstract

Dem System aus Verbrennungsmotor und Abgasturbolader werden ein Schwingungstilger (6) und ein Schwingungsdämpfer (7) hinzugefügt. Schwingungstilger und Schwingungsdämpfer werden an einer exponierten, stark schwingenden Stelle des Systems befestigt. Da dort die Schwingungen am stärksten sind, können die schwingungsreduzierenden Mittel am wirkungsvollsten eingesetzt werden. Das System aus Verbrennungsmotor und Abgasturbolader wird dadurch derart verbessern, dass der Verbrennungsmotor in dem gesamten zu Verfügung stehenden Drehzahlbereicht betrieben werden kann, ohne dass die Standzeit einzelner Bauteile oder des ganzen Systems verringert wird. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der aufgeladenen Verbrennungsmotoren. Sie betrifft ein System aus einem Verbrennungsmotor und einem Abgasturbolader sowie eine Vorrichtung zum Reduzieren von Schwingungen an einem System aus einem Verbrennungsmotor und einem Abgasturbolader.
Stand der Technik
Systeme aus Verbrennungsmotor und Abgasturbolader haben abhängig von ihrer Aufstellungsart Struktureigenfrequenzen, die von der Zündfrequenz des Motors und/ oder den Vielfachen der Nenndrehzahl des Motors angeregt werden. Liegen solche Resonanzen im Betriebsbereich des Motors, kann der Motor mit dem Abgasturbolader unzulässig stark schwingen.
Bei Motoren mit konstanter Drehzahl kann die Resonanz durch Verändern der Systemsteifigkeit bzw. der Struktureigenfrequenz von der Drehzahl weg geschoben werden. Auf Motoren mit variabler Drehzahl hingegen können mehrere Resonanzen im vorglesehenen Betriebsbereich liegen. Dann treten oft hohe Vibrationen auf, die zu einer Verringerung der Standzeit einzelner Bauteile oder des ganzen Systems führen können.
Um den hohen Anforderungen von Endkunden und Klassifikationsgesellschaften gerecht zu werden, müssen bestimmte Schwingungsgrenzwerte am Motorblock und am Abgasturbolader eingehalten werden. Gelingt es nicht, durch Verändern der Eigenfrequenzen die Schwingungsgrenzwerte der Hersteller oder Klassifikationsgesellschaften über den ganzen Drehzahlbereich zu unterschreiten, müssen gewisse Drehzahlbereicht des Motors für den Betrieb gesperrt werden, um Schäden zu vermeiden. Zwangsläufig ergeben sich dadurch Nachteile für den Betreiber. Bislang sind keine konstruktiven Abhilfemaßnahmen bekannt und untersucht, um die Schwingungen wirksam zu reduzieren.
Kurze Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, ein System aus Verbrennungsmotor und Abgasturbolader zu schaffen, in welchem der Verbrennungsmotor in dem gesamten zu Verfügung stehenden Drehzahlbereich betrieben werden kann, ohne durch dabei entstehende Schwingungen die Standzeit einzelner Bauteile oder des ganzen Systems zu verringern.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass dem System aus Verbrennungsmotor und Abgasturbolader schwingungsreduzierende Mittel, etwa in der Form eines Schwingungstilgers und/ oder eines Schwingungsdämpfers, hinzugefügt werden.
Vorteilhafterweise wird der Schwingungstilger und/oder der Schwingungsdämpfer an einer exponierten, stark schwingenden Stelle des Systems befestigt. Da dort die Schwingungen am stärksten sind und damit die schwingungsreduzierenden Mittel am wirkungsvollsten eingesetzt werden können.
Da der Turbolader in der Regel in exponierter Lage am Verbrennungsmotor befestigt ist, ist es besonders wirkungsvoll, die schwingungsreduzierenden Mittel am Turbolader zu befestigen, beispielsweise am Filterschalldämpfer lufteintrittsseitig des Verdichtergehäuses.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden sind anhand der Figuren verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung schematisch dargestellt und näher erläutert.
In allen Figuren sind gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
Fig. 1
eine Ansicht eines Abgasturboladers mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen, und
Fig. 2
eine Ansicht eines Abgasturboladers mit einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Durch das Anbringen eines gedämpften Schwingungstilgers oder eines Schwingungsdämpfers an exponierten Stellen, an denen die Vibrationen am stärksten sind, können die Schwingungen von Verbrennungsmotor und Abgasturbolader wirksam reduziert werden.
Dabei sollte der Dämpfer oder Schwingungstilger in erster Linie in die Hauptschwingungsrichtung der Eigenformen der tiefsten Eigenfrequenzen des Motor-Turbolader-Systems wirken, d.h. in der Regel in Richtung der Turboladerachse und quer (horizontal) dazu.
Der Turbolader ist meist auf einer Konsole über dem Motor oder an der Stirnseite des Motors in exponierter Lage befestigt. Durch diese exponierte Lage erfährt er die stärksten Vibrationen und ist deshalb für das Anbringen von Schwingungsdämpfern und Schwingungstilgern am besten geeignet.
Der Schwingungstilger kann in verschiedenen Varianten ausgeführt sein, beispielsweise als schwingende Masse an einer Feder. Schwingungstilger können ungedämpft oder gedämpft sein. Schwach- und ungedämpfte Schwingungstilger werden auf eine bestimmte Frequenz ausgelegt und wirken über einen kleinen Frequenzbereich. Stark gedämpfte Schwingungstilger wirken wie Dämpfer über einen breiten Frequenzbereich.
Die Masse des Schwingungstilgers beträgt rund 5- 10% der Turboladergewichts. Auf diese Weise wird eine Ausgewogenheit geschaffen zwischen der zu erreichenden Dämpferkraft und dem Zusatzgewicht, welches der Lader mechanisch ertragen muss.
Die Dämpfung erfolgt durch die dämpfenden Eigenschaften der Befestigung oder mit separatem Dämpfer. Auch können Bauteile des Turboladers als Schwingungstilger oder Schwingungsdämpfer genutzt werden. Beispielsweise kann ein abgekoppelter Filterschalldämpfer als Tilgermasse genutzt werden, während über die Befestigung des Filterschalldämpfers an dem Verdichtergehäuse eine Dämpfung erzielt werden kann.
Die Tilgermasse kann auch als schwingende Masse in einem mit dämpfender, hochviskoser Flüssigkeit (z.B. Öl) gefüllten Raum gelagert sein, oder aus einem losen Schüttgut bestehend in einem entsprechenden Behälter angeordnet sein. Dieser Raum kann in einem starr befestigten Tank als zusätzliches Bauteil im System aus Verbrennungsmotor und Abgasturbolader, oder als integraler Bestandteil in einem Gehäusehohlraum am Turbolader, der Konsole oder dem Motor ausgebildet sein.
Der Schwingungsdämpfer wird an einem stark schwingenden Teil des Turboladers befestigt und mit dem Motorblock, Konsole oder einem außenstehenden Befestigungspunkt starr verbunden. Die Dämpfer müssen abhängig von der Anwendung auf eine relativ hohe Eigenfrequenz (10 -100 Hz) und kleine Schwingungsamplituden (0.1 -2 mm) ausgelegt sein.
Schwingungstilger und Dämpfer können an allen Gehäusen des Turboladers, der Konsole oder an aussenliegenden Teilen des Motorblocks angebracht sein. Da am Gaseintritt oder Gasaustritt die Temperaturen hoch sind und die Teile Schaden nehmen können, sollten Schwingungsdämpfer und -tilger an Lagergehäuse, Verdichtergehäuse, Filterschalldämpfer oder, bei Turboladern ohne Filterschalldämpfer, am Saugstutzen angebracht werden. Der Filterschalldämpfer selbst kann auch als Schwingungstilger angebaut werden, wobei über die Verbindung zum Verdichtergehäuse eine Dämpfung erreicht werden kann.
Fig. 1 zeigt einen Abgasturbolader, wie er auf einen Verbrennungsmotor befestigt wird, wobei in der Abbildung nur die äusseren Gehäuseteile sowie die Anschlussflansche für die Zuleitungen zum Verbrennungsmotor zu sehen sind. Die Luft für den Verbrennungsmotor wird über einen Filterschalldämpfer 5 angesaugt und im Verdichtergehäuse 1 auf das rotierende Verdichterrad geführt. Das Verdichterrad ist an einem Ende einer Welle befestigt, welche im Lagergehäuse 4 drehbar gelagert ist. Am anderen Ende der Welle ist das Turbinenrad befestigt. Das Turbinengehäuse umfasst zwei Teile, das Gaseintrittsgehäuse 2 mit der Zuleitung der heissen Abgase vom Verbrennungsmotor, sowie das Gasaustrittsgehäuse 3 mit dem Auslassflansch zum Anschliessen der Auspuffanlage. Je nach Art und Grösse ist der Abgasturbolader, am Lagergehäuse oder an einem Teil des Turbinengehäuses mit dem Verbrennungsmotor verbunden. Hilfsweise kann der Abgasturbolader mit einer zweiten Stütze, etwa im Bereich des Filterschalldämpfers zusätzlich abgestützt sein.
Erfindungsgemäss weist der Verbrennungsmotor einen Schwingungstilger 6 auf, welcher am Filterschalldämpfer des Abgasturboladers befestigt ist und dessen Masse beispielsweise in einem Tank in Öl dämpfend und mittels elastischen Elementen federnd gelagert oder als loses Schüttgut in einem Behälter angeordnet ist. Ein solcher Schwingungstilger/ -dämpfer kann auch auf einem anderen Gehäuse des Abgasturboladers befestigt werden.
Beispielsweise kann der Schwingungstilger mit einer ersten Abstützung am Lagergehäuse und mit einer zweiten Abstützung auf die Flanschverbindung zwischen dem Verdichtergehäuse und dem Filterschalldämpfer befestigt sein. Dabei dient die zusätzliche Befestigung dazu, den Schwingungstilger/ -dämpfer so steif wie möglich mit dem Turbolader zu verbinden, damit die Schwingungen möglichst direkt auf den Schwingungstilger übertragen werden. Rechts unten in Fig. 1 ist ein zusätzlicher Schwingungsdämpfer 7 dargestellt, der fest mit dem Filterschalldämpfer 5 und einer entsprechenden Auflage (z.B. Konsole, Motorblock oder externes Gerüst) verbunden ist. Der zusätzliche Schwingungsdämpfer dämpft den schwingenden Filterschalldämpfer optimal (Stelle mit höchsten Amplituden), insbesondere wenn die Abstützung (8) sehr steif ist.
Fig. 2 zeigt einen Schwingungstilger 9, der am Lagergehäuse befestigt ist. Die Dämpfung erfolgt über die Materialdämpfung der Befestigung (mehrschichtiges Material mit dämpfenden Zwischenschichten) oder durch einen separaten Schwingungsdämpfer.
Bezugszeichenliste
1
Verdichtergehäuse
2
Gaseintrittsgehäuse
3
Gasaustrittsgehäuse
4
Lagergehäuse
5
Filterschalldämpfer
6
Schwingungstilger
7
Schwingungsdämpfer
8
Unterlage
9
Schwingungstilger

Claims (8)

  1. System aus einem Verbrennungsmotor und einem Abgasturbolader, umfassend eine Vorrichtung zum Reduzieren von Schwingungen des Verbrennungsmotor und/ oder des Abgasturboladers, wobei die Vorrichtung zum Reduzieren von Schwingungen mindestens einen Schwingungstilger (6, 9) und/ oder einen Schwingungsdämpfer (7) umfasst.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungstilger (6,9) und/ oder der Schwingungsdämpfer (7) an einer exponierten, stark schwingenden Stelle des Systems befestigt ist.
  3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungstilger (6,9) und/ oder der Schwingungsdämpfer (7) an der Stelle des Systems befestigt ist, an welcher die Schwingungen am stärksten sind.
  4. System nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbolader in exponierter Lage am Verbrennungsmotor befestigt ist, und dass der Schwingungstilger (6,9) und/ oder der Schwingungsdämpfer (7) am Turbolader befestigt ist.
  5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungstilger (6,9) und/ oder der Schwingungsdämpfer (7) in die Hauptschwingungsrichtung der Eigenform wirken.
  6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Reduzieren von Schwingungen mindestens einen Schwingungstilger (6,9) umfasst, und dass der Schwingungstilger (6,9) gedämpft ist.
  7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Reduzieren von Schwingungen mindestens einen Schwingungstilger umfasst, und dass mindestens ein Bauteil des Turboladers als Schwingungstilger ausgebildet ist.
  8. Vorrichtung zum Reduzieren von Schwingungen an einem System aus einem Verbrennungsmotor und einem Abgasturbolader, umfassend mindestens einen Schwingungstilger (6,9) und/ oder Schwingungsdämpfer (7), welcher an exponierten Stellen des Systems aus Verbrennungsmotor und Abgasturbolader angebracht werden kann.
EP04405340A 2004-06-03 2004-06-03 Vorrichtung zum Reduzieren von Schwingungen eines Verbrennungsmotor und Abgasturbolader umfassenden Systems Withdrawn EP1602803A1 (de)

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