DE19836443C1 - Motorbremsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine weist eine im Abgasstrang angeordnete Turbine auf, deren Turbinenquerschnitt mittels variabler Turbinengeometrie einstellbar ist, wobei die variable Turbinengeometrie ein Leitgitter mit Leitschaufeln in einem Düsenquerschnitt der Turbine und eine verstellbare Sperreinrichtung aufweist, die zwischen einer den Strömungsquerschnitt des Leitgitters reduzierenden Staustellung und einer Freigabestellung verstellbar ist. DOLLAR A Um einen einfachen Aufbau und hohe Leistungswerte im Motorbremsbetrieb zu erlauben, ist vorgesehen, daß die Sperreinrichtung verstellbare Hohlschaufeln aufweist, die in Staustellung die Leitschaufeln des Leitgitters umgreifen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Motorbremsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE 195 43 190 A1 ist ein Motorbremssystem für eine aufgeladene Brennkraftmaschine bekannt, die eine Turbine mit einer über ein verstellbares Leitgitter variabel einstellba­ rer Turbinengeometrie aufweist. Das Leitgitter umfaßt Leit­ schaufeln, die mit Hilfe eines Stellglieds so eingestellt werden können, daß der wirksame Turbinenquerschnitt der Tur­ bine verändert wird. Hierdurch ist es möglich, je nach Be­ triebszustand der Brennkraftmaschine verschieden hohe Drücke im Abschnitt zwischen den Zylindern und dem Abgasturbolader zu realisieren, wodurch die Leistung der Turbine und die Lei­ stung des Verdichters je nach Bedarf eingestellt werden kön­ nen.

Um im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine eine Motorbremswir­ kung zu erzielen, wird das Leitgitter in eine Staustellung überführt, in der der Turbinenquerschnitt deutlich reduziert ist. Im Abschnitt zwischen den Zylindern und dem Abgasturbo­ lader baut sich ein hoher Überdruck auf, zugleich strömt Ab­ gas mit hoher Geschwindigkeit durch die Kanäle zwischen den Leitschaufeln und beaufschlagt das Turbinenrad, woraufhin der Verdichter im Ansaugtrakt einen Überdruck aufbaut.

Dadurch wird der Zylinder eingangsseitig mit erhöhtem Ladedruck beaufschlagt, ausgangsseitig liegt zwischen dem Zylinderauslaß und dem Abgasturbolader ein Überdruck an, der dem Abblasen der im Zylinder verdichteten Luft über Dekompressionsventile in den Abgasstrang hinein entgegenwirkt. Im Motorbremsbetrieb muß der Kolben im Verdichtungs- und Ausschiebehub Kompressionsarbeit gegen den hohen Überdruck im Abgasstrang verrichten, wodurch eine starke Bremswirkung erreicht wird.

Über Sperrkörper, die in die Zwischenräume zwischen die Leit­ schaufeln des Leitgitters verfahrbar sind, kann der Abgasge­ gendruck zwischen dem Zylinderauslaß und der Turbine zur Steigerung der Motorbremswirkung zusätzlich erhöht werden. Über die Sperrkörper wird der wirksame Turbinenquerschnitt so eingestellt, daß der für die gewünschte Bremswirkung erfor­ derliche Abgasgegendruck im Abgasstrang erreicht wird.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen gattungsgemäße Motorbremsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem Ab­ gasturbolader mit variabler Turbinengeometrie anzugeben, die einfach aufgebaut ist und hohe Leistungswerte im Motorbremsbe­ trieb erlaubt.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 gelöst.

In Staustellung sind die Leitschaufeln des Leitgitters in den Hohlschaufeln aufgenommen. Die Hohlschaufeln besitzen ein grö­ ßeres Volumen als die Leitschaufeln, so daß in Staustellung der freie Strömungsquerschnitt des Leitgitters und folglich auch der Düsenquerschnitt der Turbine reduziert ist und ein erhöhter Abgasgegendruck aufgebaut werden kann, der im Motorbremsbetrieb zur Steigerung der Bremsleistung genutzt wird.

Zugleich kann ein einfacher Turbinenaufbau im Hinblick auf die variable Turbinengeometrie realisiert werden, indem die Ein­ stellung des Strömungsquerschnitts teilweise oder vollständig über die verstellbare Hohlschaufel-Sperreinrichtung vorgenommen wird, die in Staustellung in den Strömungsweg der Turbine ein­ geschoben wird. Hierbei kann es zweckmäßig sein, ausschließlich die Hohlschaufel-Sperreinrichtung verstellbar auszubilden und ein ortsfestes, unverrückbares Leitgitter mit Leitschaufeln im Strömungsweg anzuordnen, das entsprechend einfach aufgebaut ist. Die Abstimmung an einen bestimmten Motor kann in diesem Fall durch Austausch bzw. Anpassung des Leitgitters an den je­ weiligen Motortyp erfolgen.

Ein weiterer Vorteil der Querschnittsreduzierung mit Hilfe der verstellbaren Hohlschaufeln liegt in der flexiblen Gestaltung der Hohlschaufel-Kontur bzw. des Hohlschaufel-Querschnitts, der unmittelbar die Strömungsverhältnisse im Düsenquerschnitt der Turbine beeinflußt und auf den jeweiligen Einsatz- und Verwen­ dungszweck hin optimiert werden kann. Die Hohlschaufel-Kontur kann beispielsweise strömungstechnisch dahingehend optimiert werden, daß in Staustellung maximale Strömungsgeschwindigkeiten in den Kanälen zwischen benachbarten Hohlschaufeln erzielt wer­ den, wodurch eine hohe Turbinenleistung und entsprechend ein hoher Überdruck im Ansaugtrakt erreicht wird.

Weiterhin ist vorteilhaft, daß die Kontur der Hohlschaufeln un­ abhängig von der Kontur der Leitschaufeln gestaltet werden kann, so daß eine optimierte Anpassung an den jeweiligen Ein­ satzzweck möglich ist. Die Leitschaufeln können auf maximale Leistung im befeuerten Betrieb ausgelegt werden, die Hohlschau­ feln können auf maximale Motorbremsleistung konzipiert werden. Es kann beispielsweise von Vorteil sein, die Kontur der Hohl­ schaufeln tropfenförmig zu gestalten, wobei der der Anströmung ausgesetzte vordere Bereich der Hohlschaufel einen weiteren Querschnitt und der der Anströmung abgewandte Bereich einen schmaleren Querschnitt aufweist, so daß sich der Strömungskanal in Strömungsrichrung gesehen verjüngt.

Zweckmäßig werden die Hohlschaufeln in axialer Richtung, insbe­ sondere quer zur Strömungsrichtung im Bereich des Düsenquer­ schnitts verschoben; die Turbine ist als Axialschieberturbine ausgebildet, die sich durch eine einfache Konstruktion aus­ zeichnet.

Die Hohlschaufeln weisen vorteilhaft einen umschlossenen Auf­ nahmeraum mit einer Einschuböffnung für die Leitschaufeln auf. In Staustellung sind die Leitschaufeln zweckmäßig vollständig im Aufnahmeraum der Hohlschaufeln aufgenommen, so daß in Stau­ stellung die Strömung im Düsenquerschnitt nur durch die Kontur und die Anordnung der Hohlschaufeln, nicht aber durch die Kon­ tur der Leitschaufeln bestimmt wird.

Es kann gegebenenfalls zweckmäßig sein, die Hohlschaufeln mit einem teilweise offenen Aufnahmeraum auszubilden, beispielswei­ se als Halbschale. In diesem Fall werden die Strömungskanäle in Staustellung von den einander zugewandten Konturen benachbarter Leitschaufeln und Hohlschaufeln gebildet.

Die Hohlschaufeln sind bevorzugt an einem Schieber befestigt, der in einer Ausnehmung im Turbinengehäuse aufgenommen ist, wo­ bei die Ausnehmung über eine Druckausgleichsbohrung mit einem dem Düsenquerschnitt vorgelagerten Zutrittsraum verbunden ist, um durch die Stellbewegung des Schiebers hervorgerufene Druck­ kräfte zu reduzieren und die Verstellkräfte gering zu halten.

Die Hohlschaufeln sind vorzugsweise in Freigabestellung voll­ ständig außerhalb des Düsenquerschnitts angeordnet, um sicher­ zustellen, daß in Freigabestellung die Strömung unbeeinflußt von den Hohlschaufeln bleibt. In Staustellung erstrecken sich die Hohlschaufeln dagegen bevorzugt vollständig über die gesam­ te Breite des Düsenquerschnitts, so daß die Strömung in Stau­ stellung allein durch die Hohlschaufeln bestimmt wird und au­ ßerdem Fehlluftströme vermieden werden.

Vorzugsweise ragen die Leitschaufeln des Leitgitters und die Hohlschaufeln der Sperreinrichtung von gegenüberliegenden Sei­ ten in den Düsenquerschnitt. Dies ist konstruktiv einfach zu realisieren und erlaubt eine weitgehend unabhängige Gestaltung des Leitgitters und der Sperreinrichtung.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnun­ gen zu entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Turbine,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Leitgitter mit Sperreinrich­ tung,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein Leitgitter mit Sperreinrich­ tung in einer weiteren Ausführung.

Die in Fig. 1 gezeigte Turbine 1 im Abgasstrang einer Brenn­ kraftmaschine, insbesondere der Brennkraftmaschine eines Nutz­ fahrzeugs, ist Teil eines Abgasturboladers zur Aufladung der Brennkraftmaschine und treibt einen Verdichter im Ansaugtrakt an.

Die Turbine 1 ist mit variabel einstellbarer Turbinengeometrie ausgestattet, die in Leitgitter 2 mit Leitschaufeln 3 und eine verstellbare Sperreinrichtung 4 mit Hohlschaufeln 5 umfaßt, wo­ bei die Leitschaufeln 3 und die Hohlschaufeln 5 im Bereich ei­ ner Düse der Turbine 1 angeordnet sind und den wirksamen Turbi­ nenquerschnitt stromauf des Turbinenrades 6 reduzieren, wodurch der Abgasgegendruck im Abgasstrang zwischen dem Zylinderauslaß der Brennkraftmaschine und dem Turbineneinlaß erhöht und die Turbinenleistung gesteigert wird. Die Turbine treibt ihrerseits über eine Welle den Verdichter an, der die mit Atmosphärendruck angesaugte Frischluft auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet. Die verdichtete Luft wird dem Saugrohr der Brennkraftmaschine zugeführt. Der erhöhte Ladedruck führt zu einer Steigerung der Motorantriebsleistung.

Im Motorbremsbetrieb wird der Abgasturbolader zur Erzeugung von Motorbremsleistung eingesetzt. Die verstellbare Sperreinrich­ tung 4 der Turbine 1 wird hierfür in die in Fig. 1 gezeigte Staustellung überführt, in der die Hohlschaufeln 5 im Düsen­ querschnitt der Turbine 1 liegen und der wirksame Turbinenein­ trittsquerschnitt reduziert ist. Daraufhin baut sich ein erhöh­ ter Abgasgegendruck auf, das Abgas strömt mit erhöhter Ge­ schwindigkeit durch die freien Strömungskanäle zwischen benach­ barten Hohlschaufeln 5 der Sperreinrichtung 4 und trifft auf das Turbinenrad 6. Durch die gesteigerte Leistung des Abgastur­ boladers wird im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine ein Über­ druck aufgebaut. Zugleich werden Bremsventile am Zylinderauslaß der Brennkraftmaschine geöffnet, so daß die im Zylinder ver­ dichtete Luft in den Abgasstrang abgeblasen werden kann.

Die Turbine 1 ist als Radialturbine ausgebildet und weist einen Spiralkanal 7 auf, über den das Abgas der Ringdüse, die im Be­ reich des engsten Querschnitts der Turbine ausgebildet ist, un­ mittelbar stromauf des Turbinenrades 4 zugeführt wird.

Das Leitgitter 2 und die Sperreinrichtung 4 sind im Bereich der Ringdüse angeordnet. Das Leitgitter 2 besteht aus ringförmig angeordneten Leitschaufeln 3, die an einem Leitgitterträger 8 gehalten sind. Die Leitschaufeln 3 erstrecken sich über die ge­ samte Breite der Ringdüse. Das Leitgitter 2 mit den Leitschau­ feln 3 ist unverrückbar angeordnet. Die Achse des Leitgitters 2 fällt mit der Turbinenachse 9 zusammen.

Die Sperreinrichtung 4 ist ebenfalls im Bereich der Ringdüse angeordnet und umfaßt ringförmig angeordnete Hohlschaufeln 5 aus Blech, die an einem als Schieber 10 fungierenden Träger ge­ halten sind. Die Sperreinrichtung ist in Pfeilrichtung 11 axial verschiebbar ausgebildet zwischen einer Staustellung, in der die Hohlschaufeln 5 in den Düsenquerschnitt einragen, und einer Freigabestellung, in der die Hohlschaufeln 5 aus dem Düsenquer­ schnitt zurückgezogen sind. In Staustellung wirkt die Sperrein­ richtung 4 als Motorbremse, in Freigabestellung dient die Sper­ reinrichtung 4 der Steigerung der Motorantriebsleistung. Das Leitgitter 2 und die Sperreinrichtung 4 ragen von gegenüberlie­ genden Düsenseiten 12, 13 in die Ringdüse ein. In Staustellung erstrecken sich die Hohlschaufeln 5 über die gesamte Breite der Ringdüse. Es kann zweckmäßig sein, Zwischenstellungen zwischen der Staustellung und der Freigabestellung zuzulassen, um die Bremsleistung zu variieren.

Der Schieber 10 der Sperreinrichtung 4 ist in einer Ausnehmung 14 im Gehäuse der Turbine 1 angeordnet. Die Ausnehmung 14 ist ausreichend groß ausgebildet, um in Freigabestellung sowohl den Schieber 10 als auch die Hohlschaufeln 5 aufzunehmen. Um ein weitgehend kräftefreies Überführen zwischen Staustellung und Freigabestellung zu ermöglichen, ist vorteilhaft zwischen der Ausnehmung 14 und dem Spiralkanal 7 der Turbine eine Druckaus­ gleichsverbindung geschaffen, über die die Ausnehmung 14 mit dem Spiralkanal 7 kommuniziert.

Der Schieber wird zweckmäßig von einem Stellelement betätigt, das von einer Motorsteuerung und Regelung in Abhängigkeit des Last- und Betriebszustandes und der Leistungsanforderung des Fahrers gesteuert wird.

In Staustellung umgreifen die Hohlschaufeln 5 die Leitschaufeln 3. An der freien, dem Leitgitter 2 zugewandten Stirnseite wei­ sen die Hohlschaufeln 5 Einschuböffnungen auf, so daß beim Überführen der Sperreinrichtung 4 von der Freigabestellung in die Staustellung die Leitschaufeln 3 im umschlossenen Aufnahme­ raum der Hohlschaufeln aufgenommen werden.

Die freie, axiale Stirnseite der Hohlschaufeln 5 weist eine Deckscheibe 15 auf, die in Staustellung der Sperreinrichtung 4 am Leitgitterträger 8 an der dem Leitgitter 2 benachbarten Dü­ senseite 12 anliegt. Die Deckscheibe 15 begrenzt die Ein­ schuböffnungen für die Leitschaufeln 3.

Die Bremsleistung kann durch die Position der Hohlschaufeln und der daraus resultierenden Einstellung des Turbinenquerschnitts beeinflußt werden. Es kann zweckmäßig sein, zusätzlich oder al­ ternativ zur axialen Verstellung der Hohlschaufeln auch eine radiale Verstellmöglichkeit für die Hohlschaufeln vorzusehen, um den Querschnitt der Strömungskanäle zwischen benachbarten Hohlschaufeln veränderlich auszubilden. Die Querschnittsein­ stellung wird in diesem Fall durch Drehung der Schaufeln be­ werkstelligt.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch das Leitgitter 2 und die Sper­ reinrichtung 4 in Staustellung. Das Volumen der Hohlschaufeln 5 übersteigt das Volumen der am Leitgitterträger 8 gehaltenen Leitschaufeln 5, die Leitschaufeln 3 des Leitgitters 2 sind vollständig in den inneren Aufnahmeräumen 17 der Hohlschaufeln 5 der Sperreinrichtung 4 aufgenommen. Die Anzahl der Leitschau­ feln 3 entspricht der Anzahl der Hohlschaufeln 5; im Ausfüh­ rungsbeispiel sind insgesamt zwölf Leitschaufeln 3 bzw. Hohl­ schaufeln 5 gleichmäßig über den Umfang verteilt vorgesehen. Die Leitschaufeln und die Hohlschaufeln sind tangential ausge­ richtet, zwischen benachbarten Schaufeln sind Strömungskanäle 16 ausgebildet, über die das Abgas dem radial innenliegenden Turbinenrad zuführbar ist.

Die Hohlschaufeln 5 sind näherungsweise tropfenförmig ausgebil­ det, wobei der Bereich größeren Querschnitts der Abgasanströ­ mung und der Bereich kleineren Querschnitts dem radial innen­ liegenden Raum zugewandt ist. Infolge der tangentialen Ausrich­ tung der Schaufeln liegt der engste Querschnitt des Strömungs­ kanals 16 zwischen zwei benachbarten Hohlschaufeln 5 im Bereich des kleineren Querschnitts einer Hohlschaufel und dem Bereich des größeren Querschnitts einer benachbarten Hohlschaufel. Der Querschnitt des Strömungskanals 16 verjüngt sich in Strömungs­ richtung des Abgases.

In Freigabestellung bestimmt sich der Querschnitt der Strö­ mungskanäle 16 ausschließlich nach der Form, der Größe, der An­ zahl und der Lage der Leitschaufeln 3, unabhängig von den Hohl­ schaufeln 5. Der Querschnitt der Strömungskanäle 16 ist in Freigabestellung wesentlich größer als in Staustellung. Ent­ sprechend hängt in Staustellung der Querschnitt der Strömungs­ kanäle 16 nur von den Hohlschaufeln 5 ab.

Die Strömungskanäle 16 können unter strömungstechnischen Ge­ sichtspunkten durch Anpassung der Kontur der Leitschaufeln bzw. der Hohlschaufeln gestaltet werden.

Gemäß dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel können die Hohlschaufeln 5 auch mit einem offenen Aufnahmeraum ausgeführt sein, insbesondere als Halbschale ausgebildet sein, so daß die Leitschaufeln 3 in Staustellung nur teilweise von den Hohl­ schaufeln 5 der Sperreinrichtung begrenzt sind. In dieser Aus­ führung werden in Staustellung die Strömungskanäle 16 durch die einander zugewandten Seiten jeweils einer Leitschaufel 3 und einer benachbarten Hohlschaufel 5 bestimmt. Gegebenenfalls kann die Zahl der Strömungskanäle 16 verdoppelt werden, indem die Hohlschaufeln 5 in Staustellung etwa mittig zwischen zwei Leit­ schaufeln plaziert werden, so daß zu beiden Seiten einer Hohl­ schaufel jeweils ein Strömungskanal entsteht. Die beiden Strö­ mungskanäle beidseits einer Hohlschaufel können strömungstech­ nisch unterschiedlich gestaltet sein.

Claims (13)

1. Motorbremsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit einer im Abgasstrang angeordneten Turbine (1), deren Turbinenquer­ schnitt mittels variabler Turbinengeometrie einstellbar ist, wobei die variable Turbinengeometrie ein Leitgitter (2) mit Leitschaufeln (3) in einem Düsenquerschnitt der Turbine (1) und eine verstellbare Sperreinrichtung (4) aufweist, die zwischen einer den Düsenquerschnitt reduzierenden Staustellung und einer Freigabestellung verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperreinrichtung (4) verstellbare Hohlschaufeln (5) aufweist, die in Staustellung die Leitschaufeln (3) des Leit­ gitters (2) umgreifen.

2. Motorbremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlschaufeln (5) einen umschlossenen Aufnahmeraum (17) mit einer Einschuböffnung für die Leitschaufeln (3) aufweisen und in Staustellung die Leitschaufeln (3) vollständig im Auf­ nahmeraum (17) aufgenommen sind.

3. Motorbremsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (3) ortsfest angeordnet sind.

4. Motorbremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlschaufeln (5) axial verschiebbar sind.

5. Motorbremsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschieberichtung (1) die Achsrichtung der Turbine (1) ist.

6. Motorbremsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem Leitgitter (3) zugewandten axialen Stirnseite der Hohlschaufeln (5) die Einschuböffnungen begrenzende Deck­ scheiben (15) vorgesehen sind.

7. Motorbremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperreinrichtung (4) einen Schieber (10) aufweist, an dem die Hohlschaufeln (5) gehalten sind.

8. Motorbremsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (10) in einer Ausnehmung (14) im Turbinenge­ häuse aufgenommen ist und die Ausnehmung (14) über eine Druck­ ausgleichsbohrung mit einem dem Düsenquerschnitt vorgelagerten Zutrittsraum (7) kommuniziert.

9. Motorbremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlschaufeln (5) in Freigabestellung außerhalb des Dü­ senquerschnitts angeordnet sind.

10. Motorbremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlschaufeln (5) in Staustellung sich über die gesamte in Achsrichtung gemessene Breite des Düsenquerschnitts erstrec­ ken.

11. Motorbremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (3) des Leitgitters (2) und die Hohl­ schaufeln (5) der Sperreinrichtung (4) von gegenüberliegenden Seiten (12, 13) in den Düsenquerschnitt einragen.

12. Motorbremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (16) zwischen benachbarten Schaufeln (3, 5) einen sich in Strömungsrichtung verjüngenden Querschnitt aufweist.

13. Motorbremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlschaufeln (5) aus Blech hergestellt sind.