DE2824401C2

DE2824401C2 - Abgasturbolader

Info

Publication number: DE2824401C2
Application number: DE2824401A
Authority: DE
Inventors: Charles E. Rolling Hills Estates Calif. McInerney
Original assignee: Garrett Corp
Current assignee: Garrett Corp
Priority date: 1977-06-08
Filing date: 1978-06-03
Publication date: 1984-09-20
Also published as: FR2393958B1; DE2824401A1; IT7848913A0; GB1598617A; CA1077727A; BR7802389A; ES468414A1; JPS5848738B2; US4120156A; JPS545117A; SE7805568L; SE441945B; FR2393958A1; IT1103577B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Abgasturbolader mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Hauptanspruches.

Derartige Abgasturbolader sind aus der GB-PS 10 41 842 bekannt. Hierbei sind eine Abgavregclklappe und ein Steuergerät als integrale Einheit zum direkten Befestigen auf dem heißen Turbinengehäuse eines Abgasturboladers angeordnet. Eine fest angeordnete ringförmige Platte ist direkt mit der Endfläche des heißen Turbinengehäuses befestigt und stellt einen wesentlichen Teil des Steuergerätes dar, das durch zwei ringförmige Balgenteile definiert ist, welche miteinander so zusammenwirken, daß sie eine Ringkammer ergeben, in die der Verdichterabgabedruck eingespeist wird. Übersteigt der Verdichterabgabedruck einen vorbestimmten Wert, dehnen sich die ringförmigen Balgenteile aus und ziehen ein Ventilbauteil von dem Sitzeingriff ab, wodurch eine Vielzahl von Bypass-Kanälen bedeckt werden. Die gesamte, zusammengesetzte Anordnung aus Steuergerät und Ventilbauteil wird bei dem Endzusainmenbau durch ein schalenförmiges Gasauslaßgehäuse abgedeckt. Dadurch, daß das Ventilbauteil von den direkt mit dem heißen Turbinengehäuse verbundenen Steuergerät aufgenommer, wird, ist es nicht gegen die Hitze des Turbinengehäuses geschützt. Das Ventilbauteil ist ferner ein aufwendiges und kompliziertes Bauteil, dessen Balgenteile aus teueren Metallblechmateriaiien hergestellt sein müssen, die die hohen Temperaturen iles Turbinengehäuses aushalten.

Aus der GB-PS 9 bi) 110 ist ferner ein Klappenventil für Abgasturbolader bekannt, das über eine Wirbelbewegung eines starr mit einem Ende einer Spindel verbundenen Hebels geöffnet oder geschlossen wird. Eine begrenzte Schwenkbewegung zwischen dem Ventil und dem das Ventil mit der Spindel verbindenden Arm ergibt einen korrekten Sitz des Ventils.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Abgasturbolader der gattungsgemäßen Art so auszugestalten, daß einfacher herstellbare Turbinen- und Abgasgehäuse mit einem Bypass-Ventil erzielt werden, dessen Steuervorrichtung von dem heißen Bereich des Abgasturboladers entfernt angeordnet sein kann.

to Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Anspruches 2.

Das Steuergerät nach der Erfindung stellt eine billige und leichte Vorrichtung dar, in der das auf Druck ansprechende Bauteil vorteilhafterweise eine einfache und billige elastisch nachgiebige Membran aus Gummi oder dergl. ist. Des weiteren ist das Ventilbauteil ein billiges, klappenförmiges Schwenkventil, das gegen die Hitze des Turbinengehäuses geschützt ist.

Die Abgasrcgclklappe ist beweglich von einem Gasabgabegchäuse in Eingriff mit einem Ventilsitz auf dem Turbinengehäuse aufgenommen. Die Abgasregelklappe bedeckt dabei eine Abblaseöffnung, die im Turbinengehäuse angeordnet ist und die zweckmäßigerweise in einer gemeinsamen Endfläche mit dem Hauptgasauslaß aus dem Turbinengehäuse ausgebildet ist. Eine derartige Abgasregclklappe ist als klappenförmiges Ventil ausgelegt, das zur Durchführung einer Schwenkbewegung jo von einer Drchwelle aufgenommen wird, die von außerhalb des Gasabgabegehäuses betätigt wird. Die Drehwclle wird insbesondere mit Hilfe einer Kulisse betätigt, die mit einer verlängerten Betätigerstange verbunden ist, welche aus einem auf pneumatischen Druck ansprej^r> chenden Steuergerät vorsteht. Diese Konstruktion ermöglicht die Befestigung einer einfachen, billigen Abgasregelklappc mit einem Gasabgabegehäuse wenigstens teilweise außer direktem Kontakt mit dem HochtempcraUT-Turbinengchäuse. Das Steuergerät ist dabei auf einem Tragarm befestigt, der mit dem eine verhältnismäßig niedrige Temperatur aufweisenden Verdichtergehäuse verbunden ist.

Die Abgasturboladcrsteuerung nach vorliegender Erfindung gestaltet die Verwendung eines einzigen Turbincngehäuses für eine große Vielzahl von Motor- und Abgasleitungskonfigurationen. Das Austrittsgehäuse ist der einzige Bestandteil, der für einen individuellen Anwendungsfall individuell geformt werden muß, und dieses Austrittsgehäuse weist das Schwenkklappenventil und die Abgas-Bypass-Kammer auf. Das Schwenkklappcnvcntil ist ein lose festgelegtes Ventil, das eine Wärmcwcllung kompensiert, ohne daß Herstelltoleranzen erforderlich sind, und das direkt auf dem Turbinengehäuse aufsitzt und die Abblaseöffnung schließt.
Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Abgasturbolader nach der Erfindung, der mit einer Brennkraft-W) maschine gekoppelt ist,

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab eine Seitenansicht des Abgasturboladers, wobei Teile herausgebrochen dargestellt sind,

F i g. J eine Aufsicht auf die Darstellung nach F i g. 2. tv> wobei Teile herausgebrochen dargestellt sind.

F i g. 4 eine vertikale Schnittansicht längs der Linie 4-4 der F i g. 2.

F i g. 5 in vergrößertem Maßstab eine F.ndansicht

längs der Linie 5-5 der F i g. 2, wobei Teile herausgebrochen dargestellt sind,

F i g. 6 eine horizontale Teilschnittansichl längs der Linie 6-6 der F i g. 5,

F i g. 7 in vergrößertem Maßstab eine vertikale Schnittansicht längs der Linie 7-7 der F i g. 6, wobei das Turbinenbypassventil in einer Offen-Stellung gezeigt ist,

Fig.8 einen horizontalen Teilschnitt ähnlich dem nach Fig.6 einer anderen Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 9 einen horizontalen Teilschnitt ähnlich nach F i g. 5 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Ein Abgasturbolader 10 nach den F i g. 1 bis 3 weist eine Turbine 12 und einen Kompressor 14 auf. die mit der Abgasleitung 16 und der Lufteinlaßleitung 18 einer Brennkraftmaschine 20 gekoppelt sind. Die Turbine 12 besitzt ein Turbinenrad 22, das innerhalb eines schnekkenförmigen Turbinengehäuses 24 angeordnet und auf einer Welle 26 befestigt ist, mit der gleichzeitig ein Kompressorrad 28 umläuft, das in einem Kompressorgehäuse 30 aufgenommen wird. Das Turbinengehäuse 24 und das Kompressorgehäuse 30 sind an entgegengesetzten Enden einer zentrischen Gehäuseanordnung 32 befestigt, die Lager 34 zur Aufnahme der gemeinsamen Welle 26 besitzt. Zweckmäßigerweise sind in der Gehäuseanordnung 32 ölschmierstellen 36 vorgesehen, um ein Schmieren der Lager 34 und der Welle 26 zu erleichtern.

Das Kompressorgehäuse 30 weist einen offenen Lufteinlaß 38 auf, durch den Bypassluft axial in das Kompressorgehäuse 30 eingesaugt wird, wenn das Kompressorrad 28 umläuft. Das umlaufende Kompressorrad 28 dient dazu, die in das Gehäuse eingesaugte Luft zu komprimieren und die Luft durch einen Kompressorluftauslaß 40 abzugeben. Bei den meisten Brennkraftmaschinen ist der Kompressorlufteinlaß 38 stromabwärts in bezug auf die Drossel (nicht dargestellt) durch eine entsprechende Leitung 42 verbunden, und der Kompressorluftauslaß 40 ist mit der Lufteinlaßleitung 18 des Motors 20 verbunden. Auf diese Weise dient der Kompressor 14 dazu, den Motor mit Ladeluft bei erhöhten Drükken zu speisen.

Das Kompressorrad 28 wird drehbar von dem Turbinenrad 22 angetrieben, das seinerseits drehbar durch aus dem Motor 20 abgegebene Abgase angetrieben wird. Insbesondere weist das Turbinengehäuse 24 einen Abgaseinlaß 44 und einen Abgasauslaß 46 auf. die beide mit dem Inneren des Turbinengehäuses 24 in Verbindung stehen. Der Abgaseinlaß 44 ist z. B. über entsprechende Flansche 47 mit der Abgasleitung 16 des Motors 20 verbunden, wobei heiße Motorabgase durch den Abgaseinlaß 44 strömen und auf die Schaufeln de.> Turbinenrades 22 auftreffen sowie das Turbinenrad antreiben. Die Abgase verlassen das Turbinengehäuse 24 in axialer Richtung durch den Abgasauslaß 46 und strömen im Anschluß daran durch eine entsprechende Abgasanlagenleitung 52 für den Motor. Die Leitung 52 kann eine entsprechende Abgasreinigungssteuer- und/ oder Geräuschdämpfungsanlage aufweisen, durch die hindurch die Abgase geleitet werden, bevor sie in das Freie gelangen.

Ein Abgasgehäuse 50 verbindei das Turbinengehäuse 24 mit der Auspuffleitung 52. Insbesondere ist das Abgasgehäuse 50 mit dem Turbinengehäuse 24 über Schraubverbindungen 54 verbunden und deckt den Abgasauslaß 46 des Turbinengeiiäuses ab. Das Abgasgehäuse 50 weist einen Abgaskanal 48 auf, der mit dem Gasauslaß 46 und der Abgasleitung 52 ausgerichtet ist. wobei die heißen Abgase, die durch die Turbine 12 in Umlauf gesetzt werden, durch das Gehäuse 50 in die Leitung 52 abgegeben werden. Zweckmaßigerweise besitzen das Abgasgehäuse 50 und die Leitung 52 Flansche 53 zu ihrer Verbindung.

Wie in den Zeichnungen dargestellt, weist das Abgasgehäuse 50 einen offenen, schalenförmigen Teil 56 auf, der sich seitlich von dem Abgaskanal 48 in einer Richtung gegen den Gaseinlaß 44 des Turbinengehäuses 24 erstreckt. Dieser schalenförmige Teil 56 weist eine Gasbypasskammer 58 auf, die offen mit dem Abgaskanal 48 des Abgasgehäuses 50 zusammen mit dem Gaseinlaß des Turbinengehäuses 24 über eine im Turbinengehäuse ausgebildete Abblaseöffnung 60 in Verbindung steht. Die Abblaseöffnung 60 ist dabei im Turbinengehäuse 24 längs des offenen Gaseinlasses 44 des Gehäuses ausgebildet, bevor die Abgase auf die Schaufeln des Turbinenrades 22 auftreffen. In der Praxis ist die Anzapföffnung 60 vorzugsweise längs des Turbinengaseinlasses 44 vor einer Verengung des Einlasses 44 zur Beschleunigung des Gasdurchflusses vor dem Antrieb des Turbinenrades angeordnet.
Wie in den F i g. 4 und 6 gezeigt, ist die Abblaseöffnung 60 im Turbinengehäuse 24 längs des Gasauslasses 46 ausgebildet und in Richtung parallel zur Achse des Gasauslasses 46 geöffnet. Dabei ist das Turbinengehäuse mit dem Gasauslaß 46 und der Abblaseöffnung 60, die in einer gemeinsamen Endfläche 62 ausgebildet sind,

jo gegossen. Dies ergibt ein verhältnismäßig einfaches Turbinengehäusegußteil, weil die Endfläche 62 auf eine ebene Fläche bearbeitet werden kann. Das Abgasgehäuse 50 weist den Abgaskanal 48 auf und die ßypasskammer 58 ist zweckmäßigerweise so geformt, daß sie

J5 mit der ebenen Endwand 62 des Turbinengehäuses aufeinanderliegend in Eingriff kommt, so daß beide Turbinengehäuseöffnungen bedeckt werden. Falls erwünscht, kann eine entsprechend geformte Dichtung (nicht dargestellt) zwischen Turbinengehäuse 24 und Abgasgehäuse 50 eingesetzt werden, damit dazwischen eine gasdichte Abdichtung erzielt wird.

Ein Schwenkklappenventil 64 ist zum gesteuerten öffnen und Schließen der Abblaseöffnung 60 vorgesehen, damit der Bypass der Abgase um das Turbinenrcd 22 gesteuert werden kann. Insbesondere weist das Ventil 64 eine flache, kreisförmige Klappe 66 auf, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Abblaseöffnung 60. Die Klappe 66 ist mit Hilfe einer Niet 68 am einen Ende eines Ventilstößels 70 befestigt, der sich

^ri0 von dem Ventilkopf 66 nach hinten in die Bypass-Kammer 58 erstreckt. Ein Schwenkarm 72 ist über dem Stößel 70 zwischen einer ersten Beilage 74, die an dem Ventilstößel 70 in der Nähe der Klappe 66 festgelegt ist, und einer zweiten Beilage 76, die an dem hinteren Ende des Ventilstößels festgelegt ist, aufgenommen. Der Schwenkarm 72 erstreckt sich von dem Ventilstößel 66 nach oben und wird um ein Ende einer horizontal verlaufenden Antriebswelle 78 herum gewickelt und an seinem oberen Ende mit einem Ende der Antriebswelle 78 befestigt, z. B. angeschweißt. Die Antriebswelle 78 ist nach außen in einer Buchse 80 gelagert, die in der Seitenwand 82 des Abgasgehäuses 50 aufgenommen ist; sie ist mit ihrem nach außen gerichteten Ende an einem Ende einer Kulisse 84 befestigt. Die Kulisse 84 erstreckt

b5 sich von der Welle 78 nach unten und von dem Abgasgehäuse weg; sie ist mit ihrem untersten Ende über einen Bolzen 88 schwenkbar mit der Betätigerstange 86 verbunden. Die Betäliserstanye 86 erstrpokt sirh narh nhpn

und von dem Abgasgehäuse 50 weg und ist in gesteuerter Weise mit einer Steuervorrichtung 90 gekoppelt.

Die Steuervorrichtung 90 ist auf dem Kompressorgehäuse 30 mittels Tragarm 91 befestigt; sie stellt eine Vorrichtung dar, mit deren Hilfe die Betätigerslange 86 gesteuert und selbsttätig bewegt werden kann, damit die Position der Klappe 66 gegenüber der Abblascöffnung 60 verschoben wird. Die Steuervorrichtung 90 ist in ihrem Aufbau von herkömmlicher Ausführung und weist insbesondere eine (nicht dargestellte) Innenmembran auf, die mit der Betätigerstange 86 gekoppelt ist und die Steuervorrichtung in zwei getrennte Kammern teilt (vgl. z. B. US-PS 31 95 805). Zwei Schlauchanschlüsse 92 und 94 sind auf der Steuervorrichtung 90 befestigt und ergeben Einlaßkanäle in die beiden Kammern auf entgegengesetzten Seiten der Membran. Die Steuerung wird dadurch erzielt, daß die Anschlüsse 92 und 94 an verschiedene Druckquellen gekoppelt werden, damit ein Druckunterschied auf entgegengesetzten Seiten der Membran erzeugt wird, der sich in Abhängigkeit von den Motorbetriebsbedingungen ändert. Auf diese Weise wird die Betätigerstange 86 in Abhängigkeit von Änderungen in vorbestimmten Motorbetriebsbedingungen entsprechend der jeweiligen Druckquelle, die mit den Anschlüssen 92 und 94 gekoppelt ist, verschoben. Beispielsweise ist es bei manchen Anwendungsfällen erwünscht, die Schlauchanschlüsse 92 und 94 mit dem Kompressoraustrittsdruck und dem Umgebungsdruck zu koppeln. Bei anderen Anwendungsfällen kann es erwünscht sein, die Anschlüsse 92 und 94 mii dem Kompressoraustrittsdruck und dem Einlaßdruck zu koppeln. Andererseits können andere Arten von Steuervorrichtungen verwendet werden, um die Position der Betätigerstange 86 zu steuern, wobei auch handbetätigte Steuervorrichtungen verwendet werden können.

Eine Bewegung der Betätigerstange 86 dient zur Steuerung des öffnens und Schließens der Abblaseöffnung 60, wie in den Fig. 6 und 7 dargestellt. Da die Betätigerstange 86 in der Pfeilrichtung 96 verschoben wird, wird die Kulisse 84 so geschwenkt, daß sie die Welle 78 um ihre eigene Achse in Gegenuhrzcigcrrichtung nach Fig. 7 dreht. Eine derartige Drehbewegung der Welle 78 führt den Schwenkarm 72 aus der Anlage mit dem Ventilkopf 66 ab und dadurch können Abgase aus dem Abgaseinlaß *A die Klappe 66 aus seiner Vcntilsitzposition auf dem Turbinengehäuse 24 zum Schließen der Abblaseöffnung 60 abgehoben werden. Auf diese Weise können Abgase um das Turbinenrad 22 hcrumgeleitet werden, wobei das Turbinenrad nicht mehr mit maximaler Drehzahl angetrieben wird, um den Kompressorladedruck entsprechend zu reduzieren. Die volumetrische Durchflußgeschwindigkeit der Abgase, die um das Turbinenrad herumgeleitet werden, hängt von dem Grad der öffnung der Klappe 66 in bezug auf die Abblaseöffnung 60 ab. Wenn die Motorbetriebsbedingungen verlangen, daß das Turbinenrad 12 mit höheren Drehzahlen umläuft, wird die Betätigerstange 86 durch die Steuervorrichtung 90 so bewegt, daß die Klappe 66 in ihre Ventilsitzposition auf dem Turbinengehäuse 24 zum Schließen der Abblaseöffnung 60 zurückgeführt wird.

Eine abgeänderte Ausführungsform der Turboladersteucrung nach der Erfindung ist in Fig.8 gezeigt; in dieser F i g. 8 sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Ein Turbinengehäuse 24 weist einen Abgaseinlaß 44 und einen AbgasauslaQ 46 auf. Die Abgase aus einer Brennkraftmaschine werden durch das Gehäuse 24 in Umlauf gesetzt und treiben ein Turbinenrad an, das seinerseits ein Kompressorrad antreibt, um Hochdruckladeluft in den Motor einzuführen. Das Turbinengehäuse 24 ist mit einer Abblaseöffnung60 zusammen mit einer bearbeiteten ebenen Endfläche 62, die den Abgasauslaß 46 und die Abblaseöffnung 60 umgibt, versehen.

Ein Gasaustrittsgehäuse 150 ist auf der Endfläche 62 des Turbinengehäuses 24 mittels Schrauben 54 befestigt. Das Gehäuse 150 weist einen schalenförmigen Teil

ίο 156 auf, der eine Bypasskammer 158 bildet, welche zwischen einem Austrittskanal 148 im Gehäuse 150 und der Abblaseöffnung 60 in Verbindung steht. Ein Turbinenbypassvenlil 64 ist am Gasaustrittsgehäuse 150 befestigt und weist eine Klappe 66 zum selektiven öffnen und Schließen der Abblaseöffnung auf. Das Gehäuse 150 ist so geformt, daß der Gasausirittskanai 148 im Winkel ausgebildet ist, damit der Verbindungsflansch 53 am Gehäuse zur zweckentsprechenden Verbindung mit einer Abgasleitung für den Motor im Winkel positioniert wird. Auf diese Weise kann das Turbinengehäuse 24 des Turboladcrs 10 gleichförmig für eine große Vielfalt von unterschiedlichen Motoranwendungen gegossen werden, wobei die Form des Austrittsgehäuses individuell entsprechend der jeweiligen Motor- und Abgasleitungskonfiguration angepaßt werden kann. Ferner ist die Position der Abblaseöffnung 60 am Turbinengehäuse 24 über einen weiten Bereich von Motoranwendungen gleichförmig, und das Austrittsgehäuse ist so dimensioniert und geformt, daß es mit dem gleichen Schwenkklappenventil 64 und der Steuergelenkverbindung hierfür verwendet werden kann.

Eine weitere modifizierte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig.9 gezeigt. Ein Austrittsgehäuse 250 ist mittels Schraubverbindungen 54 an der ebenen Endfläehe 62 eines Turbinengehäuses 24 befestigt. Das Turbinengehäuse 24 weist wiederum einen Gaseinlaß 44 und einen Gasauslaß 46 zusammen mit einer Abblaseöffnung 60 in der Endfläche 62, die in den Gaseinlaß 44 mündet, auf. Das Austrittsgehäuse 250 besitzt einen Austrittskanal 248, der mit dem Gasauslaß 44 ausgerichtet ist, und bildet eine offene Bypasskammer 258 zwischen der Abblaseöffnung 60 und dem Austrittskanal 248. Bei dieser Ausführungsform ist das Austrittsgehäuse so geformt, daß der Austrittskanal 248 eine rechtwinkelige Konfiguration hat, die sich über die Abblaseöffnung 60 und die Bypasskammer 258 zur direkten Verbindung damit faltet. Das Schwenkklappenventil 64 ist zum selektiven öffnen und Schließen der Abblaseöffnung 60 in Abhängigkeit von der Bewegung der Betätigerstangc 86 vorgesehen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Abgasturbolader mit einem einen Gaseinlaß und einen Gasauslaß aufweisenden Turbinengehäuse, dessen Gaseinlaß eine Abblaseöffnung bcsit/.t. und mit einem den Gasauslaß und die Abblaseöffnung schalenartig überdeckenden, am Turbinengehäuse angeflanschten Abgasgehäusc, in dem ein den Durchfluß durch die Abblaseöffnung steuerndes Ventil angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abblaseöffnung (6C) und der Gasauslaß (46) des Turbinengehäuses (24) in einer gemeinsamen ebenen Endfläche (62) münden, an der auch das Abgasgehäuse (SO) angeflanscht ist. und daß das Ventil, wie an sich bekannt, als Schwenkklappenventil (64) ausgebildet is?, dessen Klappe (66) mit einem Schwenkarm (72), der mit einer in dem Abgasgehäuse (50) gelagerten, mittels einer entfernt angeordneten Steuervorrichtung (90) drehbaren Antriebswelle (78) fest verbunden ist, derart verbunden ist, daß es sich mit seiner Dichtfläche zum Verschließen der Abblaseöffnung (60) an die Endfläche (62) anlegen kann.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung der Klappe (66) mit dem Schwenkarm (72) ein mit der Klappe (66) fest verbundener Ventilstößel (70) vorgesehen ist, der zur Ermöglichung einer Kippbewegung zwischen Klappe (66) und Schwenkarm (72) mit Spiel mit letzterem verbunden ist.