DE3509019A1

DE3509019A1 - Druckentlastungsventil fuer den turbolader eines verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE3509019A1
Application number: DE19853509019
Authority: DE
Inventors: John Huddersfield W. Yorkshire Parker
Original assignee: Holset Engineering Co Ltd
Current assignee: Cummins Turbo Technologies Ltd
Priority date: 1984-03-16
Filing date: 1985-03-13
Publication date: 1985-10-24
Also published as: FR2561308A1; GB2156043A; DE3509019C2; GB8406859D0; GB2156043B; US4630445A

Description

3509Q19

HÜLSET ENGINEERING CO. ~/~ tho-ho-30

12.03.1985 <tho-hoX30.B> Sr/Sa

DRUCKENTLASTUNGSVENTIL FÜR DEN TURBOLADER EINES VERBRENNUNGSMOTORS

Stand der Technik, Aufgabe, Lösung

Die Erfindung bezieht sich auf Turbolader für Verbrennunsmotoren und speziell auf Turbolader mit einem Druckentlastungsventil (engl. auch "wastegate valve" genannt).

Ein Turbolader für einen Verbrennungsmotor enthält normalerweise eine Turbine und einen Kompressor. Die Turbine wird gewöhnlich durch Abgas des Verbrennungsmotors angetrieben, und der Turbinenrotor ist in irgendeiner Weise mit dem Kompressorrotor verbunden, wodurch eine Drehung des Turbinenrotors zu einer Drehung des Kompressorrotors führt. Dieser führt Verbrennungsluft unter hohem Druck dem zugehörigen Verbrennungsmotor zu. Ein Problem bei derartigen Turboladern liegt darin, daß die Drehzahl des Turbinenrotors und damit des Kompressorrotors mit der Drehzahl und/oder Belastung des Verbrennungsmotors zunimmt. Bei hohen Betriebsdrehzahlen oder Belastungen des Verbrennungsmotors kann der Fall eintreten, daß Turbine und Kompressor unter übermäßigen Drehzahlen angetrieben werden. Es ist auch möglich, daß der Kompressor dem Verbrennungsmotor Verbrennungsluft unter Drücken zuführt, die höher sind als die höchstzulässigen Drücke für die Maschine.

In Turbolader wurden schon Vorrichtungen eingebaut, die dann wirksam werden, wenn die Rotordrehzahl oder -belastung einen bestimmten Wert überschreitet. Diese Vorrichtungen haben im allgemeinen irgendeine Form eines Druckentlastungsventils (wastegate valve), das es mindestens einem Teil der Motorabgase gestattet,

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an der Turbine vorbeizuströmen, wenn die Drehzahl oder Belastung des Motors einen vorbestimmten Wert erreicht. Das Druckentlastungsventil kann ein hin- und hergehendes Ventil oder Tellerventil sein (poppet valve), das einen Ventilkopf, insbesondere Ventilteller aufweist, der mit einem Ventilsitz zusammenwirkt. Der Ventilkopf wird von einem Ventilschaft getragen, der in einer Ventilführung gelagert ist. Eine Ventilfeder drückt das Ventil in seine Schließstellung.

Eine solche Anordnung ist in der GB-PS 1 043 112 beschrieben und dargestellt. Der Ventilteller ist dem Druck des Auspuffgases ausgesetzt, entweder an einer Stelle vor Erreichen der Turbine oder in der Turbine selbst. Und zwar wirkt der Druck der Auspuffgase auf das Ventil in dessen Öffnungsrichtung ein. Wenn also der Druck der Auspuffgase den der Federkraft entsprechenden Druck überschreitet, öffnet das Ventil, und ein Teil des Auspuffgases umgeht die Turbine. Hierdurch wird eine weitere Zunahme der Drehzahl von Turbine und Kompressor begrenzt.

Bei einer Variante dieser Anordnung ist das dem Ventilteller abgekehrte Ende des Ventilschaftes an einer Druckplatte und einer Membran befestigt, die das Ventilgehäuse in zwei Kammern unterteilen. Die eine Kammer enthält die Feder, die das Ventil in die Schließstellung drückt, und die zweite Kammer ist mit einer Druckmittelquelle verbindbar. Die Membran hat eine solche Größe, daß das Ventil bei einem vorbestimmten Druckmitteldruck geöffnet ist. Das Druckmittel kann aus irgendeiner geeigneten Quelle stammen, es ist jedoch gewöhnlich Luft aus dem Kompressor des Turboladers.

Ein Problem, das bei der Anwendung beider Arten von Tellerventilen auftritt, liegt darin, daß zumindest der Ventilteller den sehr hohen Temperaturen des Auspuffgases ausgesetzt ist und extrem heiß wird. Die Wärme strömt den Ventilschaft entlang und führt zu einer Überhitzung des Ventilschafts, der Feder und, wenn vorhanden, der Membran. Diese Überhitzung kann folgendes verur-

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-ε-

Sachen:

i) Ausfall der Membran (sofern vorhanden) und

ii) Erschlaffung der Feder, was zu Änderungen der Federvorspannung und damit des Arbeitspunktes des Ventils führt.

Durch die vorliegende Erfindung soll mindestens ein Teil des Ventilschaftes gekühlt werden und eine Wärmeleitung zur Feder und zur Membran (falls vorhanden) herabgesetzt oder verhindert werden.

Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach Anspruch 4 kann unter anderem eine Druckplatte vorgesehen sein, die die Form des Bodens eines schalenartigen Teils haben kann, der einen Sitz für die Ventilfeder bilden kann. Das nach Anspruch 4 vorgesehene Kühlmittel kann aus einer beliebigen Quelle stammen, ist jedoch gewöhnlich Luft aus dem Kompressor des Turboladers. Bei solchen Ausführungsformen sorgt das Druckmittel vorzugsweise für den Kühlmittelstrom.

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• (q '

Ausführungsbeispiele mit weiteren Merkmalen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.

Figur 1 zeigt teilweise im Schnitt einen Turbolader mit einem Druckentlastungsventil in Form eines Tellerventils.

Figur 2 zeigt das gleiche Tellerventil mit einem abgewandelten Lagerteil.

Figur 3A, 3B und 3C zeigen verschiedene alternativeAusführungsformen einer Dichtung, die in dem Druckentlastungsventil nach der Erfindung verwendbar sind.

Figur 1 zeigt einen als Ganzes mit 10 bezeichneten Turbolader, der ein Turbinengehäuse 12, ein Kompressorgehäuse 14 und ein Lagergehäuse 16 aufweist. Auf einer zentralen Welle 18 und innerhalb des Turbinengehäuses 12 sitzt ein Turbinenrad oder -rotor 20 mit mehreren Schaufeln 22. Außerdem sitzt auf der Welle 18 und innerhalb des Kompressorgehäuses 14 sitzt ein Kompressorimpeller oder -rotor 24 mit mehreren Schaufeln 26. Die Welle 18 ist drehbar in Lagern 28 innerhalb des Lagergehäuses 16 in üblicher Weise gelagert. Das Turbinengehäuse 12 hat einen Durchlaß 30, der von dem nicht dargestellten Auspuff eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors zum Turbinenrad 20 führt. Das offene Ende des Turbinengehäuses 12 bildet einen Auslaß 32 für die verbrauchten Abgase zum Auspuffsystem und durch dieses zur Atmosphäre. Das Kompressorgehäuse 14 hat einen Einlaß 34, durch den Luft in den Kompressor gesaugt wird und einen Kanal 36, der vom Kompressorrotor 24 zu dem nicht dargestellten Einlaßverteiler des nicht dargestellten Verbrennungsmotors führt. Der Durchlaß 30 hat eine Öffnung 38 und steht mit einem Umgehungskanal 39 in Verbindung, der entweder zum Auslaß der Turbine oder zur Atmosphäre führt. Die Öffnung 38 hat einen Ventilsitz 40, der mit einem Ventilteller 42 eines Tellerventils 44 zusammenarbeitet. Der Ventilteller 42 sitzt an einem Ventilschaft 46, der hin und her verschiebbar in einer Ventilführung 48 gelagert ist.

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Die Tellerventilanordnung ist innerhalb eines Gehäuses 50 untergebracht, das am Turbinengehäuse 12 befestigt ist. Das Gehäuse hat einen Deckel 52, der an dem übrigen Teil des Gehäuses durch einen Klip 54 befestigt ist. Das vom Ventilteller 42 entfernte Ende des Ventilschafts 46 hat eine Schulter 56, die mit einer Hülse 58 (Figur 2) zusammenwirkt. Diese Hülse ist über das Ende des Ventilschafts geschoben. Die Hülse hat einen Ringflansch 60, der an die Schulter 56 stößt, und die Hülse 58 wird in ihrer Lage an der Schulter 56 durch eine Mutter 62 gehalten, die auf einen mit Gewinde versehenen Endabschnitt 64 des Ventilschafts 46 geschraubt ist.

Eine Druckplatte 66 liegt an dem Ringflansch 60 an und wird in ihrer Lage durch einen gesenkgeschmiedeten (swaged) Ringwulst 67 der Hülse 58 gehalten. Auf der Hülse 58 wird von dem Ringwulst Gl außerdem eine Schale 70 gehalten, die dazu dient, eine Feder 68 gegenüber der Achse des Ventilschaftes 46 zu halten und zu zentrieren. Die Feder 68 liegt mit ihrem gegenüberliegenden Ende an der Innenseite des Deckels 52 an und übt dadurch auf den Ventilschaft über die Druckplatte 66, den Flansch 60 und die Schulter 56 eine Kraft aus und drückt den Ventilteller 42 unter Abdichtung in den Ventilsitz 40.

Eine flexible ringförmige Membran 72 wird an ihrem Außenumfang zwischen dem Deckel 52 und dem Rest des Gehäuses 50 gehalten und an ihrem inneren Umfang zwischen der Druckplatte 66 und der Schale 70. Die Membran bildet eine Wand einer Druckkammer 74, die durch ein Anschlußstück 76 mit einem Druckmittel versorgt wird. Dieses Druckmittel wird vom Auslaß des Kompressors oder vom Einlaßverteiler des Motors geliefert. Der Druck innerhalb der Druckkammer 74 ist höher als der Druck im Umgehungskanal 39. Hierdurch wird verhindert, daß Abgase durch die Ventilführung 48 in die Druckkammer 74 gelangen. Die Druckkammer 74 ist durch einen ringförmigen Teil 78 in zwei weitere Kammern unterteilt. Dieser Teil 78 ist an seinem Außenumfang an der Wand des Gehäuses

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50 befestigt und trägt an seinem Innenumfang eine Ringdichtung 80 von annähernd U-Form. Eine kleine Ausgleichsöffnung 82 ist in dem ringförmigen Teil 78 vorgesehen. Sie gestattet eine beschränkte Strömung des Druckmittels zwischen den beiden durch den Teil 78 getrennten Kammern.

Die Ventilführung 48 hat Kanäle 84 und 86, die es dem Druckmittel gestatten, aus der Druckkammer 74 unter Druck durch den Kanal 84 in Berührung mit dem Ventilschaft 46 innerhalb der Ventilführung 48 zu kommen und dann durch den Kanal 86 in eine Kammer 88 zu gelangen. Diese Kammer wird von einem Schild, insbesondere Wärmeschutzschild 90, einem Teil (surrounding part) der Ventilführung 48 und dem Ventilschaft neben der Ventilführung gebildet. Der Wärmeschutzschild 90 hat eine Öffnung 92, die größer ist als der Durchmesser des Ventilschafts 46. Dadurch kann das Druckmittel aus der Kammer 88 in den Umgehungskanal 39 gelangen.

Der Turbolader selbst arbeitet in üblicher Weise mit Auspuffgasen des Verbrennungsmotors, die durch den Durchlaß 30 zum Turbinenrotor 20 geführt werden und dann durch den. Auslaß 32 austreten. Hierdurch wird der Turbinenrotor 20 gedreht und treibt den Kompressorrotor 24 an, so daß dieser Luft durch den Einlaß 34 ansaugt und sie dem Verbrennungsmotor zuführt. Während die Motordrehzahl und/oder -belastung ansteigt, erhöht sich der Druck im Durchlaß 30 bis der kombinierte Druck (Summe der Drücke) des Auspuffgases im Durchlaß 30 und des Druckmittels in der Druckkammer 74 den von der Feder 68 aufgebrachten Druck übersteigt. Dann wird der Ventilteller 42 nach rechts in Figur 1 bewegt. Er hebt also vom Ventilsitz 40 ab und läßt Auspuffgase durch die Öffnung 38 unter Umgehung der Turbine austreten. Bei herkömmlichen Druckentlastungsventilen dieser Art tritt etwa beim Gleichgewichtsdruck eine Ventilschwingung auf, da die Auspuffgase im Durchlaß 30 pulsieren. Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform wird eine solche Ventilschwingung jedoch durch folgende Maßnahmen herabgesetzt oder ganz beseitigt:

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1. Die natürliche Form und die Art des Materials der Dichtung 80, die gegen den Ventilschaft 46 drückt.

2. Die Dichtung 80 wird gegen den Ventilschaft 46 gedrückt, und zwar durch den Druck, der auf die Dichtung von rechts in Figur 1 von dem Druckmittel ausgeübt wird. Als Folge der Form der Dichtung 80 ist der Druck, der auf die Innenseite der U-Form in Richtung gegen den Ventilschaft ausgeübt wird, größer als der Druck der von der gegenüberliegenden Seite her vom Druckmittel ausgeübt wird.

3. Die Dämpfungswirkung, die durch das Zusammenwirken der Platte 66 und des Teils 78 während der Bewegung der Platte 66 hervorgerufen wird und durch die beschränkte Strömung des Druckmittels durch die Ausgleichsöffnung 82.

Bei herkömmlichen Druckentlastungsventilen für Turbolader treten Schwierigkeiten infolge der hohen Temperatur der Auspuffgase auf, die mit dem Ventilteller in Berührung kommen. Die Wärme wird vom Ventilteller her längs des Ventilschafts übertragen. Bei der Ausführungsform nach Figur 1 wird die Übertragung von Wärme längs des Ventilschaftes durch zwei Maßnahmen herabgesetzt oder verhindert: Erstens durch den Wärmeschutzschild 90, der die Auspuffgase von der Ventilführung 48 und einem Teil des Ventilschaftes fernhält. Zweitens dadurch, daß das Druckmittel durch Kanäle 84 und 86 Teilen des Ventilschaftes 46 zugeführt wird und dadurch als Kühlmittel wirkt. Dieses Druck- und Kühlmittel wird außerdem von dem Wärmeschutzschild 90 dicht bei dem Ventilschaft gehalten.

Figur 2 zeigt ein Druckentlastungsventil, das dem nach Figur 1 gleicht, jedoch am Auspuffverteiler 100 des Motors durch einen besonderen Lagerteil 102 angebracht ist. Bei dieser Anordnung sind die Öffnung 38 und der Ventilsitz 40 in diesem getrennten Lagerteil 102 untergebracht, der auch das Druckentlastungsventil aufnimmt. Die Funktion der Anordnung ist genau die gleiche wie nach Figur 1, mit der Ausnahme, daß bei geöffnetem Ventil Aus-

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• /O-

puffgase an einer früheren Stelle ihres Weges in die Atmosphäre umgelenkt werden.

Die Figuren 3A, 3B und 3C zeigen drei verschiedene Formen der Dichtung 80. In Figur 3A wird die Dichtung mit 180 bezeichnet. Bei dieser Anordnung hat die Dichtung anfänglich die Form einer Ringscheibe, deren Innendurchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Ventilschaftes 46. Beim Zusammenbau wird der Ventilschaft 46 durch die Dichtung 180 gedrückt, wodurch diese die in der Zeichnung dargestellte Form annimmt. Die Dichtung 180 besteht aus einem Material, das beim Druck gegen den Ventilschaft diesem seine Bewegung gestattet, aber diese Bewegung dämpft. Ein Beispiel für dieses Material ist PTFE, also Polytetrafluoräthylen. Die Dichtung nach dieser Ausführungsform arbeitet ohne daß Druck an der Federseite der Dichtung vorhanden sein muß (d. h. oben in Figur 2). Falls erforderlich, kann jedoch Druck eines Druckmittels angewandt werden.

Bei der Ausführungsform nach Figur 3B hat die Dichtung 280 die Form eines Ringes mit etwa U-förmigem Querschnitt. Eine Lippe 282 der Dichtung 280 wird in Berührung mit dem Ventilschaft (der hier nicht dargestellt ist) gedrückt, und zwar in Folge der Form der Dichtung und außerdem durch den Druck des Druckmittels, der in der Rinne der U-Form wirksam wird und die Lippe 282 gegen den Ventilschaft 46 drückt. Die Form der Dichtung 280 ist so gewählt, daß jeder Druck des Druckmittels, der die Lippe 282 von dem Ventilschaft wegzudrücken bestrebt ist, kleiner ist als der Druck, der die Lippe in Berührung mit dem Ventilschaft drückt.

Bei der Anordnung nach Figur 3C hat die Dichtung 380 einen Ringabschnitt mit einem ringförmigen Fortsatz 382 solcher Form, daß er gegen den hier nicht dargestellten Ventilschaft 46 drückt. Außerdem wird der Fortsatz 382 vom Druckmittel in Richtung der Pfeile zusätzlich gegen den Ventilschaft gedrückt und dämpft dessen Bewegung. Die Dichtung 380 hat eine solche Form, daß Druck, der den Fortsatz vom Ventilschaft 46 wegdrückt, kleiner

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ist als der Druck des Druckmittels, der den Fortsatz 382 gegen den Ventilschaft drückt.

Viele Abwandlungen der in den Zeichnungen dargestellten Anordnung können durchgeführt werden. Z. B. können Dichtungen vieler verschiedener Formen verwendet werden, und das Druckentlastungsventil kann an vielen anderen Stellen untergebracht werden. Der Deckel 52 kann solche Abmessungen und Form haben, daß er mindestens einen Teil der Seiten der Schraubenfeder 68 berührt und dadurch eine zusätzliche Dämpfung hervorbringt.

Aus den obigen Ausführungen ergibt sich, daß die in den Zeichnungen dargestellte Anordnung den Vorteil hat, Ventilschwingungen und eine Wärmeübertragung längs des Ventilschaftes herabzusetzen.

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BEZUGSZEICHEN

10	Turbolader
12	Turbinengehäuse
14	Kompressorgehäuse
16	Lagergehäuse
18	Welle
20	Turbinenrotor
22	Schaufel
24	Kompressorrotor
28	Lager
30	Durchlaß
32	Auslaß
34	Einlaß
36	Kanal
38	Öffnung
39	Umgehungskanal
40	Ventilsitz
42	Ventilkopf oder -teller
44	Tellerventil
46	Ventilschaft
48	Ventilführung
50	Gehäuse
52	Deckel
54	Klip
56	Schulter
58	Hülse
60	Ringflansch
62	Mutter
64	Gewindeabschnitt
66	Druckplatte
67	Ringwiulst
70	Schale

	Membran	3509019
	Druckkammer	tho-ho-30
72	Anschlußstück
74	ringförmiger Teil
76	Ringdichtung
78	Ausgleichsöffnung
80	86 Kanal
82	Kammer
84,	Wärmeschutzschild
88	Öffnung
90	Auspuffverteiler
92	Lagerteil
100	280 Dichtung
102	Lippe
180,	Dichtung
282	ringförmiger Fortsatz
380
382

Claims

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Sr/Sa

PATENTANSPRÜCHE

Druckentlastungsventil für einen Turbolader eines Verbrennungsmotors mit einem Ventilkopf (insbesondere Ventilteller) an einem Ventilschaft, der mit einem Ventilsitz zusammenarbeitet, wobei der Ventilschaft in einer Ventilführung gelagert ist, die das Öffnen und Schließen des Ventilkopfes gegenüber dem Ventilsitz gestatten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bauteil (90) vorgesehen ist, der zumindest teilweise den Ventilschaft (46) dort umgibt, wo er der Wärme der Auspuffgase ausgesetzt ist, daß dieser Bauteil so angeordnet ist, daß er (im Betrieb) heiße Auspuffgase von dem Teil des Ventilschaftes ablenkt, der von dem Bauteil umgeben ist, und Mittel vorgesehen sind, die dem Ventilschaft einen Strom Kühlmittel zuführen, und zwar in zumindest einem Teil des Bereiches, der von dem Bauteil (90) umgeben ist.
2. Druckentlastungsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Bauteil einen annähernd schalenförmigen Teil (90) aufweist, der so angebracht ist, daß er einen Bereich des Ventilschafts (46) zwischen der Ventilführung (48) und dem Ventilkopf (42) und in der Nachbarschaft der Ventilführung umgibt und eine Öffnung hat, durch die der Ventilschaft hindurchgeführt ist, und daß diese Öffnung größer ist als der Durchmesser des Ventilschaftes und dadurch dem Kühlmittel gestattet, aus dem Teil (90) in einen Umgehungskanal (39) zu entweichen.

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3. Druckentlastungsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Kühlmittelführung mindestens einen Kanal (84) aufweist, der Kühlmittel auf den Ventilschaft lenkt, und zwar in dem Bereich der Ventilführung und in dem Bereich, der von dem Teil (90) umgeben ist.
4. Druckentlastungsventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Gehäuse aufweist, daß eine Feder (68) auf den Ventilschaft (46) über eine Druckplatte (66) einwirkt, daß eine Membran (72) an der Druckplatte angebracht ist und den Innenraum des Ventilgehäuses in zwei Kammern unterteilt, von denen die eine die Feder enthält und die zweite sich zwischen der Ventilführung und der Membran befindet, daß diese zweite Kammer mit einer Druckmittelquelle verbindbar ist, derart, daß im Betrieb Auspuffgas das Öffnen des Ventils unterstützt und das Druckmittel einen Kühlmittelstrom hervorbringt.
5. Druckentlastungsventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß ein erster Kanal (84) die zweite Kammer mit einer Kammer innerhalb der Ventilführung verbindet und ein zweiter Kanal (86) diese Kammer mit einer Kammer-(88) verbindet, die von dem den Ventilschaft umgebenden Teil (90) gebildet ist.
6. Druckentlastungsventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Teile (80, 180, 280, 380) vorgesehen sind, die mit dem Ventilschaft zusammenwirken und dessen Schwingbewegung dämpfen.