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Steuereinrichtung für Abgasturbolader Die Erfindung betrifft eine
Steuereinrichtung für den Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, wobei von dem
die Maschine mit der Turbine verbindenden Abgaskanal ein die Turbine überbrückender
Umgehungs- oder Abgasregelkanal über ein Regelventil abgezweigt ist, auf dessen
Ventilkörper der Auspuffdruck und eine Federkraft im öffnungssinn und der Schmiermitteldruck
für den Turbolader im Schließsinn einwirken, wobei der Stößel des den Abgasregelkanal
verschließenden Ventilkörpers an einem Kolben angreift, der in einem Steuergehäuse
verschiebbar angeordnet ist.
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Wenn eine Brennkraftmaschine mit Turbolader kalt anläuft, vergeht
eine beträchtliche Zeit zwischen dem Anlassen der Maschine und dem Auftreten eines
entsprechenden Schmiermitteldruckes an den eine Schmierung erfordernden Stellen
und vor allem an den Lagern der Turboladerwelle. Übliche Lageranordnungen für Turbolader
ermöglichen es dem Rotor, wenn dessen Drehzahl und dementsprechend diejenige der
Turboladerwelie vergleichsweise niedrig gehalten wird, eine beträchtliche Zeitspanne
im Zustand einer Grenzschmierung sicher zu laufen. Bei Breimkraftmaschinen mit Turbolader
ist es daher erforderlich, die Drehzahl des Turboladerrotors so lange zu begrenzen,
bis sich ein ausreichender Schmiermitteldruck eingestellt hat.
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Bei Brennkraftmaschinen, die einen abgasgetriebenen Turbolader verwenden,
ist es weiterhin notwendig. Vorkehrungen dafür zu treffen, daß der maximale Arbeitsdruck
innerhalb der Zylinder der Brennkraftmaschine keine für diese unzulässige Höhe erreicht.
Falls eine Sicherung gegen einen gefährlichen Anstieg des Arbeitsdruckes innerhalb
der Zylinder vorgesehen ist, kann der Turbolader direkt an die Brennkraftmaschine
gelegt werden. Auch bei niedrigen Maschinendrehzahlen ergeben sich dann genügend
hohe Ladedrücke, während andererseits die Ladedrücke bei hohen Maschinendrehzahlen
nicht zu hoch werden.
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Um diesen Erfordernissen Rechnung zu tragen, ist bereits eine Steuereinrichtung
für den Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine bekanntgeworden, bei der die Abgase
der Brennkraftmaschine um die Turbine des Turboladers geleitet werden können. Bei
dieser bekannten Steuereinrichtung ist von dem die Brennkraftmaschine mit der Turbine
verbindenden Abgaskanal ein die Turbine überbrückender Umgehungs- oder Abgasregelkanal
über ein Regelventil abgezweigt, auf dessen Ventilkörper der Auspuffdruck und eine
Federkraft im öffnungssinn und der Schmiermitteldruck für den Turbolader im Schließsinn
einwirken, wobei der Stößel des den Abgasregelkanal verschließenden Ventilkörpers
an einem Kolben angreift, der in einem Steuergehäuse verschiebbar angeordnet ist.
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Allerdings bedarf es bei der bekannten Steuereinrichtung zur gleichzeitigen
Steuerung des Schmiermitteldruckes einer weiteren Ventilanordnung, bei welcher eine
vom Ladekanal abgehende Leitung auf einen Ventilkörper einwirkt, der bei Überschreiten
eines bestimmten Ladedruckes eine Reduzierung des Schmiermitteldruckes dadurch bewirkt,
daß die von ihm bis dahin gesperrte, unter Druck stehende Schmiermittelleitung geöffnet
wird, so daß ein Teil des Schmiermittels in den Schmiermittelansaugbehälter zurückfließen
kann. Diese Ausführung ist sehr aufwendig und auch gegen Störungen anfällig.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
Steuereinrichtung der in Frage stehenden Art zu schaffen, die in ihrem Aufbau wesentlich
einfacher und in ihrer Wirkung zuverlässiger als die bekannte Steuereinrichtung
ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß bei der neuen
Steuereinrichtung das eine Ende des Steuergehäuses an die Schmiermittelzuleitung
und das andere Ende des Steuergehäuses an eine Umgehungsleitung angeschlossen ist,
die unmittelbar mit der Druckleitun- des Turboladers verbunden ist, so daß die eine
Seite des Kolbens unmittelbar dem Ladedruck und die andere Seite dem Schmiermitteldruck
ausgesetzt sind.
Die neue Steuereinrichtung unterscheidet sich von
der bekannten Steuereinrichtung im wesentlichen dadurch, daß die bei der bekannten
Einrichtung vorhandene Ladedruckzweigleitung unmittelbar in das Gehäuse des Ventils
geführt ist, wodurch der Ladedruck dem auf den Kolben des Ventils wirkenden Schmiermitteldruck
entgegenwirkt.
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Die Regelung des Schmiermitteldrucks und der Turbinenbeaufschlagung
erfolgt hierdurch bei der neuen Steuereinrichtung unmittelbar durch den Ladedruck
des Turboladers und nicht mehr durch eine Entnahme von Schmiermittel aus der Schmiermittelleitung.
Der Vorteil der neuen Anordnung besteht daher insbesondere darin, daß die Steuerung
des Schmiermitteldruckes und der Turbinenbeaufschlaaung unter Verwendung eines einzigen
Regelventils unmittelbar durch den Ladedruck erfolgt.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß in die von der Druckleitung des Turboladers zu dem Steuergehäuse führenden Umgehungsleitung
ein oberhalb eines bestimmten Ladedruckes öffnendes Steuerventil eingeschaltet ist.
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Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß
die von der Druckleitung des Turboladers zu dem Steuergehäuse führende Umgehungsleitung
an der dem Ventilstößel zugekehrten Seite des Kolbens an das Steuergehäuse an-Qeschlossen
ist.
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Vorzugsweise ist gemäß der Erfindung weiterhin vorgesehen, daß sich
das Steuergehäuse in der Schmiermittelleitung näher an dem Turbolader als an der
Druckmittelquelle befindet. Schließlich sieht die Erfindung noch vor, daß in der
Schmiermittelleitung in an sich bekannter Weise ein an eine Rückflußleitung angeschlossenes
Überdruckventil vorgesehen ist.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Steuereinrichtung
gemäß der Erfindung sowie an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt F i g. 1
eine Brennkraftmaschine, deren Abgasturbolader sowie eine Steuereinrichtung für
diesen in schematischer Darstellung, F i Q. 2 das Regelventil der Steuereinrichtung
in Endansicht und F i a. 3 das Regelventil der Steuereinrichtung im Längsschnitt
nach Linie 3-3 der F i g. 2.
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Die in F i g. 1 dargestellte Brennkraftmaschine 10 besitzt eine Einlaßleitung
sowie eine Auspuffleitung 12. Zum Aufladen der Brennkraftmaschine 10 dient ein durch
deren Abgase angetriebener Abgasturbolader 13.
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Der Turbolader 13 ist von an sich bekannter Bauart und weist eine
Turbine 14 mit dem Rotor 16 auf. Die gemeinsame Turboladerwelle 17 verbindet den
Rotor 16 mit dem Kompressorrad 18, die einen Teil des insgesamt mit 19 bezeichneten
Kompressors bildet.
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Der Kompressor 19 weist einen Eintrittskanal 21 auf, und die an diesem
eintretende Luft wird verdichtet und vom Kompressorrad 1.8 in den Austrittskanal
des Kompressors oder einem Sammelraum 22 ausgestoßen. Die Antriebskraft für den
Kompressor wird aus der Expansion der Maschinenabgase innerhalb der Turbine 14 abgeleitet.
Ein Abgaskanal 23 stellt die Verbindung zwischen dem Maschinenauspuff 12 und der
Turbineneinlaßkammer oder einer Sammelkammer 24 her. Die den Turbinenmotor 16 verlassenden
verbrauchten Gase werden durch den Austrittskanal 26 an die Atmosphäre abgegeben.
Der Turbinenrotor treibt das Kompressorrad 18 an, und die an der Austrittskammer
22 des Kompressors anfallende Druckluft wird in die Maschinenansaugleitung 11 durch
den Einlaßkanal 27 geführt. Ein Abgasregelkana128 verbindet den Abgaskanal
23
über den Austrittskanal 26 mit der Atmosphäre.
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Ein insgesamt mit 29 bezeichnetes Abgasregelventil steuert die Verbindung
zwischen dem Abgaskanal 23 und dem Abgasregelkanal 28. Dieses Ventil besitzt einen
Ventilsitz 31, der im Bereich der Verbindung des Abgasregelkanals und des Abgaskanals
vorgesehen ist, und ein Ventilkörper in Form einer Kegelscheibe 32 wirkt mit dem
Ventilsitz zusammen. Der Ventilkörper 32 sitzt am einen Ende eines Ventilstößels
33. Hierzu wird auf die F i g. 2 und 3 verwiesen, die den Aufbau des Abgasregelventils
29 im einzelnen wiedergeben.
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Das Abgasregelventi129 besteht aus einem rohrförmigen Gehäuse
34 mit einer zentralen Bohrung 36.
Das eine Ende des Gehäuses wird
durch eine angeformte Stirnwand 37 verschlossen, die eine Eintrittsöffnung 38 als
Einlaß und eine Austrittsöffnung 39 als Auslaß für das Schmiermittel aufweist. Die
öffnungen 38 und 39 stehen mit dem Hohlraum bzw. der Bohrung innerhalb des Gehäuses
in Verbindung. Das entgegengesetzte Ende des Gehäuses wird von dem Verschlußelement
41. verschlossen, welches gegenüber dem Gehäuse verschraubt ist. Das Verschlußelement
41 ist mit einem Halsteil 42 versehen, der ein beträchtliches Stück in die Gehäusebohrung
hineinragt und zur Führung des Stößels 33 dient. Das Verschlußelement 41 trägt weiter
einen angeformten Flanschteil43 mit in Abstand voneinander vorgesehenen öffnungen
44 zur Befestigung des Steuerventils. Dieses Teil 43 des Verschlußelements 41 weist
ein schalenförmig ausgebildetes Ende 46 auf, dessen Rand 47 einen ringförmigen Anschlag
für den Ventilkörper 32 bildet und somit die Bewegung des Ventils 32 und des Stößels
33. in F i g. 3 gesehen, nach rechts begrenzt. Das Verschlußelement 41 und seine
weiteren Teile 43 und 46 sind so gestaltet, daß sie die Wärmeübertragung vom Teil
46 auf das Steuerventilgehäuse vermindern. Die zentrale Bohrung 36 des Gehäuses
ist mit einer verschiebbaren Wand in Form eines Kolbens 48 versehen, der innerhalb
der Bohrung hin- und herbeweglich ist, wobei Dichtungsringe 49
eine Abdichtung
zwischen den Flächen der beweglichen Wand herbeiführen.
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Das innere Ende des Stößels 33 weist einen Federanschlag 51 auf, an
dem eine Druckfeder 52 abgestützt ist, deren anderes Ende der Innenfläche des Verschlußelements
41 anliegt. Das Gehäuse 34 ist mit einer Ablauföffnung 53 versehen, die zur Atmosphäre
führt und zur Lüftung des Ganzen dient sowie zum Abbau jeglichen Drucks zwischen
den Dichtungsringen 49 am Kolben und zum Austrag des in dem Raum zwischen den Dichtungsringen
sich ansammelnden Lecköls. Liegt der Ventilkörper 32 in Schließstellung dem Ventilsitz
31 an (s. F i g. 1), ist der Kolben nicht weit genug nach links bewegt, um die öffnung
53 freizugeben, und diese steht auch nicht mit den Schmiermitteleinlaß- und Auslaßöffnungen
38, 39 in Verbindung. Das Gehäuse ist darüber hinaus mit einer Einlaßöffnung 54
links vom
Kolben 48 (s. F i g. 3) versehen, und es weist außerdem
eine Meßöffnung 56 auf, die mit der Atmosphäre oder mit einem Niederdruckraum in
Verbindung steht, wie aus F i g. 1 hervorgeht.
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Die Einlaßöffnung 54 des Gehäuses 34 steht mit einem Luftkanal bzw.
der schematisch angedeuteten Leitung 57 nach F i g. 1 in Verbindung. Diese Leitung
57 ist an das Innere eines Luftdruckfühlventils oder eines insgescmt mit 58 bezeichneten
Steuerventils angeschlossen. Während F i g. 1 das Steuerventil 58 entfernt von dem
Abgasregelventil29 wiedergibt. kann dieses Steuerventil, wie F i g. 2 zeigt, unmittelbar
an dem Abgasregelventil angeordnet sein, und bei dieser Ausbildung ist die Leitung
57 vergleichsweise kurz. Das Innere des Ventils 58 ist in F i g. 1 schematisch wiedergegeben.
Es besteht aus einem Gehäuse mit einem beweglichen Ventilkörper 59. Eine Druckfeder
61 bewegt den Ventilkörper 59 in eine extreme Stellung, in welcher die Leitung 57
geschlossen ist. Die Außenseite des Ventilkörpers 59 ist dem Luftdruck innerhalb
des Lufteinlaßkanals 62 ausgesetzt. der die Verbindung mit dem Lufteinlaßkanal 27
herstellt.
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Eine das Schmiermittel bzw. Öl führende Leitung 63 leitet den Lagern
der Turboladerwelle das Schmiermittel unter einem vorbestimmten Druck von einer
nicht im einzelnen wiedergegebenen Ölpumpe zu, die durch die Verbrennungskraftmaschine
10 oder durch eine unabhängige Druckmittelquelle angetrieben wird. Die Schmiermittelzuführleitung
63 ist an das Innere des Gehäuses 34 des Abgasregelventils über die Einlaß- und
Auslaßöffnung 38 und 39 angeschlossen und führt das Schmiermittel den Lagern der
Turboladerwelle zu, die schematisch in F i g. 1 bei 64 angedeutet sind. Eine Rückströmleitung
66 führt das Schmiermittel in den Schmiermittelsumpf 67 der Maschine. Eine weitere
Rückfühleitung 68 stellt die Verbindung mit der unter Druck stehenden Zuführleitung
63 her, und der Durchtritt des Schmiermittels durch diese Leitung 68 wird von einem
überdruckventi169 Qesteuert. Das Innere dieses überdruckventils 69 ist schematisch
in F i g. 1 dargestellt und besteht aus einem Ventilkörper 71, der in Schließstellung
durch die Druckfeder 72 unter Torspannung steht und dabei die Leitung 68 abschließt.
Die Stirnwand des Ventilkörpers 71 ist dem in der Leitung 63 unter Druck stehenden
Schmiermittel ausgesetzt. Sowohl das Ventil 69, als auch das Ventil 58 schließen
die von ihnen gesteuerten Leitungen unter dem Druck einer Feder ab, doch können
auch andere spezielle Ventilanordnungen, abweichend von den in F i g. 1 wiedergegebenen,
diese Funktion übernehmen.
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Im Betrieb befindet sich der Ventilkörper 32 des Abgasregelventils,
bevor die Maschine 10 angelassen wird, in der in F i g. 1 in ausgezogenen
Linien wiedergegebenen Stellung, entfernt vom Ventilsitz 31. Wird die Maschine angelassen,
bewegt sich das Auspuffgas unter Druck in die Auspuffleitung 12. Dieses Gas ist
bestrebt, sich in Räume mit geringerem Druck zu entspannen, und ein Teil des Gases
strömt durch das offene Abgasregelventil 31 sowie die Leitungen 28 und 26 zur Atmosphäre.
Der andere Teil des Gases strömt durch die Leitung 23, entspannt sich durch die
Turbineneinlaßöffnung 24 sowie den Turbinenläufer 16 und gelangt schließlich auch
durch den Kanal 26 in die Atmosphäre. Die Expansion lediglich eines Teils der gesamten
Auspuffgase durch den Turbinenläufer 1£ bewirkt, daß dieser, die Läuferwelle 17
und das Kompressorrad 18 mit unternormaler Arbeitsgeschwindigkeit umlaufen, d. h.
nicht mit der Drehzahl, mit welcher der Läufer angetrieben wird, wenn der Körper
32 des Abgasregelventils 29 dem Sitz 31 anliegt.
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Bei fortschreitendem Betrieb der Maschine fördert die Schmiermittelpumpe
das Schmiermittel durch die Leitung 63 zu den Lagern 64 der Turboladewelle, und
diese Schmiermittelzufuhr setzt die rechte Fläche des Kolbens 48 (s. F i g. 1) dem
Schmiermitteldruck aus. Hat der Schmiermitteldruck in der Leitung 63 einen vorbestimmten
Wert erreicht, reicht der auf die Außenfläche des Kolbens 48 wirkende Druck aus,
die von der Druckfeder 52 und den Abgasen erzeugte Kraft zu überwinden, und dadurch
wird der Ventilkörper 32 auf den Sitz 31 bewegt. In dieser Stellung des Ventilkörpers
32 ist die Verbindung zwischen der Leitung 23 und der Leitung 28 geschlossen, so
daß das gesamte Abgas über den Turbinenläufer 16 entspannt wird und so den Turbinenläufer
bis zum Erreichen der normalen Arbeitsdrehzahl beschleunigt. Der normale Schmiermitteldruck
wird dabei in den Lagern 64 der Welle 17 bis zu dem Zeitpunkt erreicht, in welchem
das Ventil schließt, so daß der Turbolader beschleunigt wird und seine normale Arbeitsgeschwindigkeit
annimmt.
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Sollte der Ladedruck in dem Kanal 27 während des Laufs der Maschine
10 eine unerwünschte Höhe erreichen, wird der Ventilkörper 59 im Steuerventil 58
nach rechts (F i g. 1) bewegt, so daß die Leitung 57 öffnet und die komprimierte
Luft die Gehäusebohrung 36 links vom Kolben 48 füllt. Der hierdurch auf den Kolben
wirkende Druck und der von der Feder 52 ausgeübte Druck bewirken eine Bewegung des
Kolbens 48 entgegen dem Schmiermitteldruck und heben den Ventilkörper 32 von dem
Sitz 31 ab. Die in das Gehäuse 34 des Abgasregelventils 29 gelangte Druckluft entlädt
sich durch die Drosselöffnung 56 zur Atmosphäre, wodurch ein konstanter Druckspiegel
innerhalb des Gehäuses des Abgasregelventils erzielt wird und sich eine von diesem
abhängige Ausgleichsstellung des Ventilkörpers 32 des Abgasregelventils ergibt.
Verläßt der Ventilkörper 32 seinen Sitz 31, strömt ein Teil der Auspuffgase durch
das Abgasregelventil in den Kanal 28 und von dort zur Atmosphäre. Die Bemessung
der durch das Abgasregelventil austretenden Abgasmenge und derjenigen, die über
den Turbinenläufer entspannt wird, erfolgt in der Weise, daß die von der Turbine
entwickelte und dem Kompressor zugeführte Kraft lediglich derjenigen entspricht,
die zur Erhaltung des Austrittsdrucks des Kompressors auf der gewünschten Höhe notwendig
ist. Diese Wirkungsweise gewährleistet, daß der Ladedruck in der Maschineneinlaßleitung
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einen vorbestimmten Wert nicht übersteigt, wobei dieser so gewählt ist,
daß der maximale Arbeitsdruck innerhalb der Zylinder der Maschine keine gefährliche
Höhe erreicht. Auf diese Weise kann ein mit dem Steuersystem für die Abgasregelung
versehener Turbolader in solcher Weise an eine Maschine gelegt werden, daß bei niedriger
Maschinendrehzahl ein höherer Ladedruck aufrechterhalten wird, ohne dadurch die
mechanische Festigkeit der Maschine bei hohen Drehzahlen zu beeinträchtigen. Dadurch
gewinnt aber die Maschine eine bessere Drehmomentencharakteristik, die derjenigen
beim normalen Drehzahlbereich überlegen ist.
Die auf die Stirnfläche
des Ventilkörpers 32 ausgeübte Druckwirkung aus der Maschinenauspuffieitung bildet
eine Sicherungsvorkehrung als Schutz gegen jede Störung bzw. einen Fehler des Steuer-.:
entils 58, auf Grund dessen dieses bei einem urbestimmten begrenzten Ladedruck nicht
öffnet.
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Sollte das Steuerventil58 nicht öffnen, steigt der Ladedruck in der
Leitung 27 über den begrenzten Wert an, der durch das Steuerventil58 gegeben ist.
Dementsprechend steigt der Abgasdruck in der Auspuffleitung 12 der Maschine gleichfalls.
Erreicht diese Steigerung des Drucks in der Auspuffleitung eine entsprechende Höhe,
so wird eine Wirkung auf die Stirnseite des Ventilkörpers 32 ausgeübt und der Ventilkörper
32 vom Ventilsitz 31 weg bewegt. Diese Wirkung wird durch die von der Druckfeder
52 ausgehende Kraft unterstützt. Das Öffnen des Abgasregelventils vermindert das
durch die Turbine strömende Gasvolumen und reduziert die Turboladerdrehzahl und
setzt dementsprechend den Ladedruck nnerhalb des Kanals herab.
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Während dieses Öffnen des Abgasregelventils unter anormal hohem Druck
in der Auspuffleitung und bei einem annähernd konstanten Wert des Auspuffdrucks
erfolgt, wenn der Schmiermitteldruck am Kolben 48 konstant gehalten wird, ergibt
sich unter anormalen Bedingungen eine beträchtliche Steigerung des Schmiermitteldrucks.
Während des normalen Betriebs der Maschine ist der Schmiermitteldruck relativ konstant,
doch kann bei kalter Maschine ein wesentlich erhöhter Schmiermitteldruck auftreten.
Das Überdruckventil 69 hält den Schmiermitteldruck ioter sämtlichen Betriebsbedingungen
der Maschine _m wesentlichen konstant. Sollte der Schmiermitteldruck auf einen anormal
hohen Wert ansteigen, wird der Ventilkörper 71 im Ventil 69 so bewegt, daß die Leitung
68 sich öffnet und das Schmiermittel durch die Leitung 68 in den Maschinenölsumpf
67 entweicht und damit den Druck in der Leitung 63 herabsetzt.
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Zusätzlich zu den oben erläuterten Merkmalen ist darauf hinzuweisen,
daß dieses System in vorteilhafter Weise auf eine Steigerung der Höhe reagiert,
in der die Maschine 10 arbeitet. Da der Steuerventilkörper 59 in dem Steuerventil
58 entgegen der von der Feder 61 ausgehenden konstanten Belastung öffnet, wird das
Maximum der Steigerung des Ladedrucks über den Atmosphärendruck konstant gehalten,
und zwar ohne Berücksichtigung der Höhe, in welcher die Maschine 10 arbeitet. Der
Turbolader kann auf diese Weise seine Drehzahl mit Steigerung der Höhe, bei der
die Maschine arbeitet, annähernd im gleichen Verhältnis steigern, in welchem die
Zunahme des Höhenausgleichs bei einem ungesteuerten oder freilaufenden Turbolader
erfolgt. Bei Steuerung durch das erfindungsgemäße System liefert der Turbolader
ein höheres Druckverhältnis des Kompressors (Verhältnis des Kompressoreinlaßdrucks
zum Kompressorauslaßdruck) mit steigender Höhe und gleicht damit zumindest teilweise
die Abnahme des Umgebungsdrucks bei steigender Höhe aus und verhindert einen wesentlichen
Leistungsverlust der Maschine. Diese Anordnung sieht ein steigendes Kompressordruckverhältnis
mit zunehmender Höhe vor und versucht nicht, ein konstantes Kompressordruckverhältnis
bei zunehmender Höhe aufrechtzuerhalten.