-
"Zentripetalturbine eines Abgasturboladers" Die Erfindung bezieht
sich auf eine Zentripetalturbine eines Abgastur boladers mit veränderbarem Durchtrittsquerschnitt
für die Abgase zwischen dem Einlaufkanal und dem Laufrad. Derartige veränderbare
Durchtrittsquerschnitte erlauben es, auch bei stark wechselndem Gasdurchsatz, wie
er besonders bei Abgasturboladern von Kraftfahrzeugmotoren auftritt, günstige Beaufschlagungsgeschwindigkeiten
für die Turbinenschaufeln aufrecht zu erhalten. Dadurch ergeben sich gute-Turbinenwirkungsgrade
nicht nur für den Vollastbereich eines blotors, für den die Äbgasturbine normalerweise
ausgelegt ist, sondern auch für dessen Teillastbereich. Dies ist besonders wesentlich
für den Leerlaufbereich von Kraftfahrzeugmotoren, da ein guter Turbinenwtrkungsgrad
kürzere Beschleunigungszeiten des Fahrzeuges ermöglicht.
-
Es ist bekannt, bei Zentripetalturbinen von Abgasturboladern veränderbare
Durchtrittsquerschrntte durch einen Turbinenleitapparat mit verstellbaren Leitschaufeln
zu verwirklichen. Dazu ist jedoch ein vielteillger Verstellmechanismus notwendig,
der nicht nur einen groben Bauaufwand erfordert sondern der auch gegenüber der-erheblichen
IIitzeeinwirkung der Abgase anfällig ist. Bei einer anderen bekannten Zentripetalturbine
besteht der Leitapparat aus Leitschaufeln aus Bimetall, deren Profil sich temperaturabhängig
verformt und damit den Durchtrittsquerschnitt
verändert. Sofern
die Leitschaufelverformung nicht nur durch die Abgastemperatur, sondern auch durch
andere Kenngrößen beeinflußt werden soll, ist zusätzlich eine regelbare Kiihleinrichtung
des Leitapparates erforderlich. Dadurch ergibt sich eine sehr aufwendige und damit
teure Anlage. Durch ihre Temperaturabhängigkeit arbeitet diese Regelung außerdem
mit einer unvermeidlichen Verzögerung, die sich bei der Verwendung der Zentripetalturbine
in Kraftfahrzeugen als Mangel erweist. Beide der erwähnten Ausfülirungen einer Zentripetalturbine
haben den zusätzlichen Nachteil, daß ihre E.inbaumaße durch die Verwendung eines
Leitapparates wesentlich vergrößert sind.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile-
zu beseitigen und eine besonders einfach aufgebaute und zuverlässige Zentripetalturbine
zu schaffen, die kurze Beschleunigungszeiten ermöglicht.
-
Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß in einem leitringlosen
Einlaufkanal eine Klappe angeordnet ist, die aus einer offenen Stellung in eine
geschlossene Stellung schwenkbar -ist, in der nur ein bestimmter Sektor des Laufrades
von Nbgasen beaufschlagt wird. Man verzichtet dabei auf eine stetige Regelung des
Durchtritts querschnittes und beschränkt sich auf eine Teilbeaufschlagung des Laufrades
bei bestimmten Betriebszuständen. Dadurch läßt sich eine aus wenigen Teilen bestehende
Einrichtung zur Veränderung des nurchtrittsquers chnittes verwirklichen, die sich
olme groben Aufwand Ilerstellen läßt und die sich besonders durch eine geringe Störanfälligkeit
auch gegenüber starken thermischen Belastungen auszeichnet. Vin weiterer, wesentlicher
Vorteil der erfindungsgemäßen Zentripetalturbine ist die durch ihren einfachen Aufbau
mögliche gedrungene Bauweise, die eine Verwenduiig auch bei begrenztem Einbauraum
zuläßt,
Nach der Erfindung ist die Klappe in der offenen Stellung
in vorteilafter Weise in die W and des Gehäuses versenkt. Dadurch wird vermiedeii,
daU die Klappe, solange sie nicht benötigt wird, die Strömung der Abgase iiu Einlaufkanal
beeinträchtigt.
-
Erfindungsgemäß nimmt die Klappe oberhalb eines bestimmten Ladedruckes
die offene Stellung ein und unterhalb dieses Druckes dann die geschlossene Stellung,
wenn die Brennkraftmaschine aus dem Leerlaufbereich heraus beschleunigt wird. Die
dabei angewandte Teilbeaufgeschlagung der Zentripetalturbine führt zu einer kürzeren
Bescllleunigungszeit des Abgasturboladers und damit zu einer raschen Erhöhung des
I,adedruckes, der damit besser der beim Beschleunigen eingespritzten Kraftstoffmenge
angepaßt wird. Auf diese iVeise wird der bei Dieselkraftfahrzeugen unerwünschte,
durch unverbrannte Kraftstoffteilchen gebildete Rauchstoß beim Beschleunigen aus
dem Leerlauf heraus, z. B. nadi einem halt oder nach dem Durchfahren einer Gefällestrecke,
verhindert.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird
die Klappe in die geschlossene bzw. offene Stellung durch einen Magnetschalter geschwenkt,
dessen Stromkreis von einem Schalter, der von einem Druckfüiiler betätigt wird,
und einem Schalter mit Zeitrelais, der von der Regelstange der Brennkraftmaschine
betätigt wird, geschlossen bzw. geöffnet.
-
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Zentripetalturbine
eines Abgasturboladers, teilweise im Schnitt, mit einer schematisch dargestellten
Schaltvorrichtung und Fig. 2 einen Querschnitt durch diese Zentripetalturbine nach
der Linie II-II der Fig. 1.
-
Die Zentripetalturbine des Abgasturboladers besteht im wesentlichen
aus einem Laufrad 14 mit Schaufeln 12 und aus einem Gehäuse 13. Das Laufrad 11 ist
auf dem einen Ende einer im Gehäuse 13 gelagerten Welle 14 befestigt, deren anderes
Ende mit dem Laufrad des nicht dargestellten Verdichters des Abgasturboladers verbunden
ist. Der Verdichter liefert verdichtete Luft an eine Kolbenbrennkraftmaschine, deren
Abgase die Zentripetalturbine antreibt.
-
Die Abgase werden der Zentripetalturbine durch einen Einlaßstutzen
15 zugeführt, der tangential in einen leitringlosen Einlaufkanal 16 mündet.
-
Von dem Einlaufkanal 16, der das'laufrad 11 spiralförmig umgibt, strömen
die Abgase zentripetal durch das Laufrad 11 und geben dabei an dieses Energie ab.
Darauf verlassen die Abgase das Gehäuse durch einen zentralen Abgaskanal 17. Die
Ein- bzw. die Ausströmrichtung der Abgase ist jeweils durch einen Pfeil angegeben.
-
Im Einlaufkanal 16 rost eine schwenkbare Klappe 18 angeordnet. Die
Klappe 18 ist dazu mit einer im Gehäuse 13 gelagerten Welle 19 drehfest verbunden.
An einem aus dem Gehäuse 13 ragenden Teil der Welle 19 ist ein Ilebel 20 befestigt,
nzit dem die Klappe l (3 in eine offene und eine geschlossene Stellung gcscliwenkt
werden kann.
-
In der in der Zeichnung dargestellten offenen Stellung A ist die Klappe
18 in einer Ausbuchtung 21 der Wand 22 des Gehäuses 13 versenkt, so da,l3 sich ein
strömungsgünstiger glatter Verlauf der Innenwand 23 des Einlaufkanales 16 ergibt.
Die genaue Stellung der Klappe 18 wird durch einen Anschlag 24 an der Klappe 18
festgelegt, der an einem Gegenanschlag 25 an der Wand 22 des Gehäuses 13 anliegt.
In. dieser Stellung beaufschlagen die Abgase die Schaufeln 12 des Laufrades 11 an
seinem gesamten Umfang.
-
In der geschlossenen Stellung B der Klappe 18, die in der Zeichnung
mit gestrichelten Linien gezeigt ist, liegt ein Teil der Endkante 26 der Klappe
18 an der Innensvand 23 des Einlaufkanalesl6 an. Die Abgase werden dabei sO gelenkt,
daß jeweils nur der der Klappe 18 gegenüberliegende Sektor des Laufrades li beaufschlagt
wird.
-
Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, ist der Hebel 20 mit der
Schaltstange 27 eines Magnetschalters 28 verbunden. Eine Feder 29 stützt sich mit
ihrem einen Ende an dem Magnetschalter 28, mit ihrem anderen Ende an einem Federteller
30 ab> der an der Schaltstange 27 befestigt ist. Der Magnetschalter 28 ist durch
Leitungen 31 und 32 an eine Stromquelle 33 angeschlossen. In der Leitung 32 sind
ein Schalter 34 sowie ein Schalter 35, der mit einem Zeitrelais 36 versehen ist,
angeordnet. Der Schalter 34 ist durch eine Stange 37 mit-einem Druckfühler 38 verbunden,
der am Verdichterausgang angebracht ist. Der Schalter 35 ist durch eine Stange 39
und einen hebel 40 än der EinspritzpuInpe 41 mit der Regelstange 42 der Brennkraftmaschine
verbunden.
-
Bei unterbrochenem Stromkreis wird die Schaltstange 27 des Magnetschalters
28 durch den Druck der Feder 29 auf den-Federteller 30 auswärts gedrückt. Dadurch
wird die Klappe 18 über den Hebel 20 in der offenen Stellung A gehalten. Bei geschlossenem
Stromkreis zieht der Magnetschalter 28 die Schaltstange 27 entgegen dem Druck der
Feder 29 einwärts und schließt damit die Klappe 18 über den Hebel 20.
-
Beim Betrieb der Brennkraftmaschine liegt der Ladedruck des Abgasturboladers
normalerweise oberhalb eines bestimmten Wertes, bei dessen Überschreiten der Druckfühler
38 durch Bewegen der Stange 37 in Pfeilrichtung den Schalter 34 geöffnet hat. Der
Stromkreis des Magnetschalters 28' ist unterbrochen und damit die Klappe 18 geöffnet.
-
Sinkt der Ladedruck unter diesen Wert, so zieht der Druckfühler 38
die Stange entgegen der Pfeilrichtung einwärts und schließt den Schalter 34. Dies
ist z. B. dann der Fall, wenn die Brennkraftmase:hine einige Zeit im Leerlauf läuft.
Dabei nimmt die Regelstange 42 sowie der damit verbundene Schalter 35 die in der
Zeichnung gezeigte Stellung ein, in der der Stromkreis unterbrochen bleibt. Die
Klappe 18 nimmt damit weiterhin die offene Stellung A ein.
-
Wird zum Beschleunigen der Brennkraftmaschine die negelstange 42 in
Pfeilrichtung gezogen, so wird der Ilebel 40 der Einspritzpumpe 41 aus der Leerlaufstellung
in Richtung der Vollaststellung geschwenkt.
-
Dabei wird durch die am Ilebel 40 befestigte Stange 39 der Schalter
35 betätigt, der kurzzeitig einen Kontakt schließt, der das Zeitrelais 3ti
einschaltet,
so daß der Stromkreis für eine gewisse Zeit, z. B. für zwanzig Sekunden, geschlossen
ist. Der nun unter Strom stehende Magnetschalter 28 zieht die Schaltstange 27 entgegen
dem Druck der Feder 29 einwärts und stellt über den Hebel 20 die Klappe 18 in die
geschlossene Stellung B. Damit wird nur noch der jeweils der Klappe 18 gegenüberliegende
Sektor des Laufrades 11 mit Abgasen beaufschlagt.
-
Der Ladedruck des Abgasturboladers steigt beim Beschleunigen der Brennkraftmaschine
wieder an und der Ladedruckfühler 38 öffnet mit dem Schalter 34 den Stromkreis des
Magnetschalters 28. Nachdem dieser stromlos ist, kann die Feder 29 über den Federteller
30, die Schaltstange 27 und den IIebel 20 die Klappe 18 wieder in die offene Stellung
A zurückschwenken.
-
Da der Schalter 35 beim Beschleunigen nur einen Augenblick schließt
und das Zeitrelais 36 den Schalter 35 nur kurzzeitig überbrückt, wird der Stromkreis
zusätzlich zum Schalter 34 auch in diesem Bereich wieder unterbrochen. Eine Verminderung
des Ladedruckes, beispielsweise beim Leerlauf, das zum Schließen des Schalters 34
führt, oder ein kurzzeitiges Beschleuiugen, das zum Schließen des Schalters 35 führt,
kann jeweils für sich allein den Stromkreis des Magnetschalters 2tS nicht schließen.
Erst wenn die Brennkraftmasclline bei geringem Ladedruck aus dem Leerlaufbereich
heraus beschleunigt wird, ist der Schalter 34 und der Schalter 35 bzw. dessen Zeitrelais
3G gleichzeitig geschlossen, so daß. der Magnetschalter 2«' Strom erhält und die
Klappe 18 scliließt.
-
I)ie geschlossene Klappe 1 l., bewirkt nicht nur eine rasche Beschleunigung
der
Brennkraftmaschine bzw. des Kraftfahrzeuges, sondern verhindert auch die Bildung
eines Rauchstoßes beim Beschleunigen.
-
Statt durch einen Magnetschalter kann der IIebel auch durch andere
Mittel, beispielsweise durch einen hydraulischen Stellmotor, gescllwenkt werden.
Die Stellung der Klappe kann statt in Abhängigkeit vom Ladedruck auch in Abhängigkeit
anderer Kenngrößen, beispielsweise der Drehzahl, des Abgasturboladers oder der Kolbenbrennkraftmaschine
geregelt werden.