DE1033966B - Einspritzbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzbrennkraftmaschine mit einem großen Drehzahlbereich und stark veränderlicher Belastung, insbesondere eine Fahrzeugbrennkraftmaschine, mit Aufladung durch einen von einer Abgasturbine angetriebenen Verdichter und mit einer Einrichtung zur Veränderung des Durchtrittsquerschnittes des Leitapparates der Abgasturbine zwecks Erzielung einer bestimmten D rehmomentcharakteri s tik.

Bei Einspritzbrennkraftmaschinen mit einem großen Drehzahlbereich und stark veränderlicher Belastung soll insbesondere im Fahrzeugbetrieb das Drehmoment möglichst über den ganzen Drehzahlbereich mit abnehmender Drehzahl größer werden. Lädt man solche Brennkraftmaschinen mittels eines durch eine Abgasturbine angetriebenen Verdichters auf, so bedarf es im Hinblick darauf, daß der Abgasturbolader an sich den höchsten Ladedruck bei höchster Brennkraftmaschinendrehzahl erzeugt, besonderer Maßnahmen, um auch bei der so aufgeladenen Brennkraftmaschine den vorstehend als erstrebenswert hingestellten bestimmten Drehmomentverlauf sicherzustellen. Bekannt ist es, zu diesem Zweck den Durchtrittsquerschnitt des Leitapparates der Abgasturbine so zu regeln, daß bei einer bestimmten Drehzahl der Brennkraftmaschine der Durchtrittsquerschnitt von einem für eine mittlere Brennkraftmaschinendrehzahl günstigen Maß aus mit abnehmender Brennkraftmaschinendrehzahl verkleinert und mit zunehmender Brennkraftmaschinendrehzahl vergrößert wird. Die Regulierung des Durchtrittsquerschnittes erfolgt dabei so, daß mit abnehmender Brennkraftmaschinendrehzahl die Turbinendrehzahl und damit der Ladedruck nicht in unerwünscht starkem Ausmaß absinken und mit steigender Brennkraftmaschinendrehzahl ein Anstieg der Turbinendrehzahl über die zur Erzielung eines bestimmten höchsten Ladedruckes ausreichende Drehzahl hinaus verhindert wird.

Es sind Einspritzbrennkraftmaschinen bekannt, bei denen die Regulierung des Durchtrittsquerschnittes des Leitapparates der Abgasturbine durch Verstellen drehbar gelagerter Leitschaufeln durch ein Gestänge während des Betriebes erfolgt. Diese Art der Steuerung des Durchtrittsquerschnittes des Leitapparates weist erhebliche Nachteile auf. Die die Verstellkräfte übertragende Einrichtung ist insbesondere dann, wenn die Verstellung wie bei einer dieser bekannten Maschinen selbsttätig in Abhängigkeit von irgendwelchen Kenngrößen der Brennkraftmaschine erfolgen soll, sehr verwickelt im Aufbau. Sie beeinträchtigt die Übersichtlichkeit der Anlage und erhöht deren Störanfälligkeit. Auch ist es schwierig, die Drehachsen der heißen Leit-

Einspritzbrennkraftmaschine

Anmelder:
Klöckner-Humboldt-Deutz

Aktiengesellschaft,
Köln-Deutz, Mülheimer Str. 149

Georg Oberländer, Köln-Riehl,

Dipl.-Ing. Friedrich Homola, Köln-Dellbrück,

und Dipl.-Ing. Paul Tholen, Bensberg bei Köln,

sind als Erfinder genannt worden

schaufeln so zu lagern, daß auch nach längerer Betriebszeit weder ein unzulässiges Spiel in den Lagern festzustellen ist noch letztere fest werden. Meist wird man auch ohne eine besondere Kühlung der Lager nicht auskommen, sofern mit normalen Mitteln geschmiert werden soll. Die erfkidungsgemäße Brennkraftmaschine weist insofern eine wesentlich einfachere und vorteilhaftere Steuerung des Durchtrittsquerschnittes des Leitapparates der Abgasturbine auf als zur temperaturabhängigen Verformung des durchströmten Querschnittes des Leitapparates, dessen Schaufeln ganz oder teilweise aus Bimetall bestehen und sich temperaturabhängig im Profil verformen. Eines komplizierten Übertragungsgestänges für die Verstellung bedarf es hierbei nicht. Die Verformung der Schaufeln und damit die Veränderung des Durchtrittsquerschnittes des Leitapparates kann durch Beeinflussung der Schaufeltemperatur gesteuert werden, in Ausgestaltung der Erfindung bei Fahrzeugbrennkraftmaschinen in an sich bei einer Maschine mit mechanischer Verstellung der Leitschaufeln des Leitapparates der Abgasturbine bekannter Weise beispielsweise so, daß der Durchtrittsquerschnitt des Leitapparates mit steigender Brennkraftmaschinendrehzähl größer wird. Es ist an sich bekannt, bei Strömungsmaschinen für den Aufbau von Schaufeln Bimetall zu verwenden. Im besonderen bekannt ist ein Ventilator, dessen Flügel aus verschiedenen Metallen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizientenzusammengesetzt sind und in Abhängigkeit von der Temperatur der Umgebungsluft mehr oder weniger Luft schöpfen.

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Bei Brennkraftmaschinen mit einer Abgastempera- Schaufelblech heranzuführen, so daß eine an sich bei

turcharakteristik gemäß dem Schaulinienbild nach nicht aus Bimetall bestehenden Laufschaufeln einer

Abb. 1, d. h. bei solchen Maschinen, bei denen, wie in Gasturbine bekannte spaltförmige Austrittsöffnung

dem Schaulinienbild gestrichelt angedeutet, bei kon- für die durch den Schaufelkopf zuströmende KüWE-

stantem Drehmoment mit steigender Maschinendreh- 5 luft entsteht. ;,

zahl die Abgastemperatur erheblich ansteigt, können In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel ein*

zur Lenkung der Verformung der Leitschaufeln die erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine dargestellt.

Änderungen der Abgastemperatur ausgenutzt werden. Abb. 1 und 2 zeigen vorstehend bereits besprochene

Genügen diese Temperaturänderungen nicht zur Ver- Schaulinienbilder; ,|

formung der Leitschaufeln in dem erforderlichen io Abb. 3 zeigt eine Brennkraftmaschine in Draui-

Ausmaß, so können diese mit Hilfe einer geeigneten, sieht auf eine Stirnseite; .- ^!

an sich bereits vorgeschlagenen Kühleinrichtung im Abb. 4 stellt vergrößert einen Schnitt nach der

Sinne einer Verstärkung der durch die Abgastempe- Linie IV-IV durch das Einlaufgehäuse der an der

raturänderungen erreichbaren Verformung gekühlt Maschine nach Abb. 3 vorgesehenen Abgasturbfap

werden. Die zusätzliche Kühlung muß in diesem 15 dar; in den

Falle so eingerichtet sein, daß mit abnehmender Abb. 5 bis 8 sind beispielsweise verschiedene Aus-Maschinendrehzahl stärker gekühlt wird. führungen von Leitschaufeln für eine erfindungs-

Bei solchen Maschinen, bei denen, wie in dem gemäße Brennkraftmachine dargestellt.

Schaulinienbild gemäß Abb. 2 veranschaulicht, die Die in Abb. 3 dargestellte, mit 1 bezeichnete Ein-

Abgastemperatur bei konstantem Drehmoment und 20 spritzbrennkraftmaschine ist mit einem aus einem

steigender Maschinendrehzahl nur unerheblich steigt, Verdichter 2 und einer diesen antreibenden Ab§psr

erfolgt im Rahmen der Erfindung die Lenkung der turbine 3 bestehenden Abgasturbolader ausgeorüsiet

Verformung der Leitschaufeln ausschließlich unter Die Brennkraftmaschine besitzt eine Abgastempera*-

Einwirkung eines diesen zugeführten Kühlmittels. turcharakteristik gemäß dem Schaulinienbild nach:

In weiterer Durchbildung der Erfindung wird vor- 25 Abb. 1. Zwecks Erzielung einer bestimmten, den Eigeschlagen, die Kühlmittelführung so einzurichten, fordernissen des Fahrzeugbetriebes gerecht werdenden daß sich die Menge und/oder Temperatur des Kühl- Drehmomentcharakteristik wird der Ladeluftleitung 4 mittels in Abhängigkeit von einer Kenngröße der an der Stelle 5 Luft entnommen und nach Passieren Brennkraftmaschine oder des Abgasturboladers oder einer selbsttätig in Abhängigkeit von der Maschinenin Abhängigkeit von mehreren Kenngrößen zwang- 30 belastung den Durchstrom regelnden Einrichtung § läufig ändern. durch eine Leitung 7 an der Stelle 8 in das Einlauf*

Als Kühlmittel kann Luft verwendet werden, wo- gehäuse der den Verdichter 2 antreibenden Abgas^

bei diese zweckmäßig dem von der Abgasturbine an- turbine 3 geführt. Innerhalb des Einlaufgehäuses

getriebenen Verdichter entnommen wird. Es sind wird die gegenüber den Abgasen wesentlich kältere

zwei Gasturbinenanlagen bekannt, bei denen dem 35 Luft zur Kühlung der sich temperaturabhängig im

Verdichter auf der Druckseite Luft zur Kühlung der Sinne der Erzielung der gewünschten Charakteristik

Laufschaufeln der Turbinen entnommen wird. verformenden Leitschaufel verwendet.

Während bei einer Maschine mit einer Abgas- Abb. 4 zeigt den Aufbau des Leitapparates der Abtemperaturcharakteristik nach Abb. 1 eine Einrieb- gasturbine 3 der in Abb. 3 dargestellten Brennkrafttung zur Regelung der Luftzufuhr zu den Leit- 40 maschine im Schnitt. Bei α und b treten, wie durch schaufeln erforderlich ist, kommt man bei Maschinen Pfeile angedeutet, die Abgase in das Einlauf mit einer Abgastemperaturcharakteristik nach Abb. 2 gehäuse 9 ein und werden durch feststehende Schauunter Ausnutzung der Ladecharakteristik, gemäß der fein 10 der Beschaufelung des Laufrades 11 zugebei abnehmender Ladedrehzahl der Kühlluftanfall leitet. Die Leitschaufeln 10 bestehen aus in das geringer wird, ohne eine solche Regeleinrichtung 45 gewünschte Profil gebogenen Bimetallblechen. Die aus. Schaufelköpfe sind fest im Gehäuse eingespannt,

Die Leitschaufeln können im Rahmen der Erfin- während die Schaufelenden in einer Ebene senkrecht dung jeden geeigneten Aufbau besitzen, beispiels- ^zur Turbinenachse frei verschwenkbar sind und ihre weise, wie an sich bereits vorgeschlagen, aus einem Schwenklage temperaturabhängig ändern. Die zu* im Turbinengehäuse fest eingespannten profilierten 5o Beeinflussung der Temperatur der Schaufelenden Kopf bestehen, an dem abströmseitig frei bewegliche bei 8 in das Einlaufgehäuse 9 eingeführte Luft tritt Wandungen aus auf Saug- und Druckseite des Pro- zunächst in einen in das Gehäuse 9 eingearbeiteten fils verschiedenen, in ihrer Wärmedehnung unter- Ringkanal 12 ein, mit dem die Hohlräume aller Leitschiedlichen Werkstoffen befestigt sind. In Ausge- schaufelköpfe in ständiger Verbindung stehen. Aus staltung der Erfindung sind hierbei die Wandungen 55 den Köpfen heraus strömt die Luft durch einen an als Bimetallzunge ausgebildet. Die Leitschaufelköpfe jeder Leitschaufel bei der Herstellung belassenen können hohl sein und zur Kühlluftführung dienen. In Spalt 13 aus und an den Schaufelenden entlang ab. den Fällen, in denen die verformende Wirkung der Die Leitschaufeln 10 sind im Hinblick auf die Bi-Temperaturveränderung der Abgase noch verstärkt metaliwirkung so aufgebaut, daß sich die Schaufelwerden soll, wird in weiterer Durchbildung der Er- 6° enden mit zunehmender Temperatur strecken und findung vorgeschlagen, die Leitschaufeln der Abgas- dabei den Durchtrittsquerschnitt des Leitapparates turbine, wie an sich bei Laufschaufeln einer Gas- vergrößern. Befinden sich die Schaufelenden bei einer turbine bekannt, mit Austrittsöffnungen für Kühlluft bestimmten Temperatur beispielsweise in der Lage, zu versehen, wobei diese öffnungen jedoch so ange- in der sieh der Abströmwinkel α ergibt, so schwanke» ordnet sind, daß die austretende Kühlluft am Bi- 65 sie bei einer Temperaturabnahme, hervorgerufen metallteil der Leitschaufeln entlang abströmt. Die durch Absinken der Abgastemperatur und/oder durch Schaufeln können hierbei aus Bimetallblech gebogen Beaufschlagung mit Kühlluft, aus den Schaufelköpfen sein, wobei es zweckmäßig ist, die Kante des zur heraus in die bei zwei Leitschaufeln gestrichelt ein-Bildung des hohlen Schaufelkopfes umgebogenen gezeichnete Lage, der ein gegenüber α kleinerer Abvorderen * Endes des Bimetallbleches wieder an das 70 Strömwinkel α'entspricht.

In Abb. 5 ist eine der bei der Maschine nach Abb. 3 verwendeten Leitschaufel groß herausgezeichnet.

Abb. 6 zeigt eine andere, ebenfalls ganz aus Bimetallblech hergestellte Leitschaufel, bei der jedoch das den Schaufelkopf formende Ende des Bleches so umgebogen ist, daß sich der Austrittsspalt 14 für die das ScTaaufelende kühlende Luft an der Oberseite des Profils befindet. Diese Ausführungsform ist bestimmt für eine Brennkraftmaschine mit einer Abgastemperaturcharakteristik gemäß Abb. 2. Da sich bei solchen Maschinen bei konstantem Drehmoment die Abgastemperatur bei Drehzahländerungen nur wenig ändert, ist man bezüglich der Lenkung der Verformung der Leitschaufeln allein auf die den letzteren zugeführte Kühlluft angewiesen. Entnimmt man die Kühlluft dem Ladeverdichter, so steht sie mit steigender Drehzahl in größerer Menge und mit höherem Druck zur Verfügung. Dies bedeutet, daß die Schaufeln so aufgebaut sein müssen, daß die Schaufelenden bei Temperaturänderungen genau entgegengesetzt ausschwenken wie die Leitschaufeln der Maschine gemäß den Abb. 3 und 4. Steigt die Schaufeltemperatur mit abnehmender Maschinendrehzahl infolge geringerer Kühlung, so strecken sich die Schaufelenden im Sinne der Erfindung in die gestrichelt angedeutete, einem größeren Abströmwinkel entsprechende Lage.

Die Schaufeln gemäß Abb. 7 und 8 entsprechen in ihrem Verhalten bei Temperaturänderungen grundsätzlich den Schaufeln nach Abb. 5 bzw. 6, sind jedoch anders aufgebaut. Beide besitzen Köpfe in Gestalt eines fest im Einlaufgehäuse eingespannten Holmes 15 bzw. 16. In den Holmen sind die zum Transport der Kühlluft erforderlichen Hohlräume 17 bzw. 18 und Ausströmkanäle 19 bzw. 20 vorgesehen. Grundsätzlich ist die Kühlluft genauso geführt wie bei den Schaufeln nach den Abb. 5 und 6. Die Schaufelenden 21 und 22 sind als Bimetallstreifen ausgebildet und an den Holmen 15 und 16 frei schwenkbar befestigt.

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Einspritzbrennkraftmaschine mit einem großen Drehzahlbereich und stark veränderlicher Belastung, insbesondere eine Fahrzeugbrennkraftmaschine, mit Aufladung durch einen von einer Abgasturbine angetriebenen Verdichter und mit einer Einrichtung zur Veränderung des Durchtrittsquerschnittes des Leitapparates der Abgasturbine zwecks Erzielung einer bestimmten Drehmomentcharakteristik, dadurch gekennzeichnet, daß zur temperaturabhängige!! Veränderung des durchströmten Querschnittes des Leitapparates dessen Schaufeln, wie an sich bekannt, ganz oder teilweise aus Bimetall bestehen und sich temperaturabhängig im Profil verformen.

2. FahrzeugbrennkraftmaschinenachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchtrittsquerschnitt des Leitapparates in an sich bekannter Weise mit steigender Brennkraftmaschinendrehzahl größer wird.

3. Einspritzbrennkraftmaschineinaoh Anspruch! oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgastemperaturänderungen zur Verformung der Leitschaufeln ausgenutzt werden.

4. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch.3 mit zur Lenkung der Leitschaufelverformung vorgesehenen Kühleinrichtungen für die Schaufelwandungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln im Sinne einer Verstärkung der durch die Abgastemperaturänderungen erreichbaren Verformung gekühlt werden.

5. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 mit zur Lenkung der Verformung der Leitschaufeln vorgesehenen Kühleinrichtungen für die Schaufelwandungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkung der Verformung ausschließlich durch die Bemessung von Menge und/oder Temperatur eines den Schaufeln zugeführten Kühlmittels erfolgt.

6. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Menge und/oder die Temperatur des Kühlmittels in Abhängigkeit von einer Kenngröße der Brennkraftmaschine oder des Abgasturboladers oder in Abhängigkeit von mehreren Kenngrößen zwangläufig ändert.

7. Einspritzbrennkraftmaschine nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel in an sich bekannter Weise dem von der Abgasturbine angetriebenen Verdichter entnommene Luft dient.

8. Einspritzbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schaufeln des Leitapparates der Abgasturbine aus einem im Turbinengehäuse fest eingespannten profilierten Kopf bestehen, an dem abströmseitig frei bewegliche Wandungen aus auf Saug- und Druckseite des Profils verschiedenen, in ihrer Wärmedehnung unterschiedlichen Werkstoffen befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen als Bimetallzunge ausgebildet sind.

9. Einspritzbrennkraftmaschine nach den Ansprüchen 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufelköpfe mit an sich bekannten Hohlräumen zur Kühlluftführung versehen sind.

10. Einspritzbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Leitschaufeln der Abgasturbine aus Blech gebogen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech aus Bimetall besteht.

11. Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln an sich bekannte Austrittsöffnungen für die Kühlluft aufweisen, die jedoch so angeordnet sind, daß die austretende Kühlluft am Bimetallteil der Schaufeln entlang abströmt.

12. Einspritzbrennkraftmaschine nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kante des zur Bildung des hohlen Schaufelkopfes umgebogenen vorderen Endes des Bimetallbleohes wieder an das Schaufelblech so herangeführt ist, daß eine an sich bekannte spaltförmige Austrittsöffnung für die durch den Schaufelkopf zuströmende Kühlluft entsteht.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 559 674; französische Patentschriften Nr. 1 018 006, 914498; britische Patentschrift Nr. 586 838; USA.-Patentschriften Nr. 2 709 893, 2 618 120.

In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 961 742.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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