TURBINE PRESSURE-CONTROLLED BY-PASS VALVE FOR TURBOCHARGED INTERNAL-COMBUSTION ENGINES

Abstract: 1. Turbine pressure controlled bypass valve for internal combustion engines with turbocharger, for controlling the overflow from the supercharged air side of the turbocharger compressor into the exhaust gas duct before the turbine inlet, having a valve element (18, 31) for opening and closing the connection between the supercharged air pipe and the exhaust gas duct, an actuating unit (21, 33) responding to differential pressures for controlling the lift movement of the valve element, wherein the supercharged air pressure (pv ) acts continuously, on the one hand, on the first side of the valve element (18, 31) and, on the other hand, on the second side of the actuating organ (21, 33) and the forces thus generated are mutually opposed, and wherein spring means are provided for attaining the desired curve of lift movement and ajustment screws are provided for the maximum lift and the spring preload, characterised in that the ambient air pressure acts continuously on the first side of the actuating element and that the ratio of the area content of the sides of the actuating organ (21, 33) effectively subject to pressure to the area content of the sides of the valve element (18, 31) effectively subject to pressure is substantially equal to one, so that the control of the valve lift is effected, in the main, only by the pressure pT before the turbine inlet, which pressure acts on the second side of the valve element (18, 31).

Description: Turbinendruckgesteuertes Bypassventil für Verbrennungsmotoren mit Turbolader Die vorliegende Erfindung betrifft ein turbinendruckgesteuertes Bypassventil für Verbrennungsmotoren mit Turbolader nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bei Viertaktverbrennungsmotoren mit hoher Aufladung, insbesondere bei solchen Dieselmotoren, besteht bei starrer Verbindung der Antriebswelle mit den vortriebserzeugenden Mitteln, beispielsweise einem Festpropeller, das Problem der Anpassung des vom Verdichter eines Turboladers gelieferten Luftstromes an den Luftbedarf bei der jeweiligen Belastung. Ohne entsprechende Vorkehrungen würde bei Teillast z.B. bei Festpropellerbetrieb und noch stärker bei Drehzahldrückung der Ladedruck zu tief absinken und der Motor daher unter Luftmangel leiden. Ausserdem besteht bei üblichen Turboladern mit fester Turbinen- und Verdichterbeschaufelung, die normalerweise für den Betrieb im Volllastbereich optimiert sind, im Teillastbereich die Gefahr des Pumpens. Dies lässt sich vermeiden durch ein gesteuertes Bypassventil, durch das der Verdichterauslasskanal mit dem Turbineneinlasskanal verbunden werden kann. Dieses Bypassventil ist bei höherem Leistungsbedarf geschlossen,ausser kurzzeitig in Sonderfällen, wie z.B. bei Tragflügelbooten während der Verdrängungsfahrt kurz vor dem Austauchen, wo infolge des grossen Fahrtwiderstandes die Motordrehzahl noch gedrückt ist. Durch Aufheizen der Bypassluft in einem Abgaswärmetaucher und/oder einer Regeleinrichtung für den Turbineneinlassquerschnitt kann die Aufladecharakteristik noch verbessert werden. Bei den Bypassen bekannter Bauart, siehe beispielsweise die DAS 23 16 627, werden die Drücke pV und PT, die nach dem Verdichter bzw. vor der Turbine herrschen, zur Steuerung des Hubes von Drosselmitteln benutzt bei denen das den Durchtrittsquerschnitt verändernde Organ verdichterseitig eine kleinere wirksam druckbeaufschlagte Fläche aufweist als turbinenseitig. Dies hat zur Folge, dass der Uebergang vom offenen Zustand des Drosselorgans bei niedriger Teillast in den vollständig geschlossenen Zustand im Bereich der Höchstleistung sehr breit ist, womit beispielsweise bei festen Schiffspropellern ein zufriedenstellender Betrieb von mittels Turboladern aufgeladenen Viertaktdieselmotoren praktisch erschwert ist. Für einen solchen Betrieb wird nämlich einerseits gefordert, dass der Bypass im Vollastbereich im allgemeinen dauernd geschlossen ist, da dann der Motor in diesem Bereich mit optimalem Wirkungsgrad arbeitet und auch der Verdichter auf besten Wirkungsgrad in diesem Bereich ausgelegt ist. Andererseits soll die Gefahr des Pumpens, die bei einer solchen Auslegung eines Verdichters ohne verstellbare Verdichterbeschaufelung bei niedrigerer Teillast auftreten kann, vermieden werden, da der Ladedruck sonst stark absinkt, der Motor damit unter Luftmangel leidet, raucht und schlecht beschleu nigt. Es treten dabei auch noch höhere Abgastemperaturen als bei Vollast auf. Der Bypass muss daher in einem gewissen Bereich niedriger Teillast offengehalten werden. Aehnliche Verhältnisse, und zwar noch stärker ausgeprägt, treten bei hoher Leistung im Fahrzustand mit gedrückter Drehzahl auf, bei dem ebenfalls Pumpgefahr besteht. Um diese Pumpneigung bei den erwähnten Betriebszuständen mit Sicherheit auszuschalten, ist es erforderlich, dass der Bypass bei Ann < herung an diese Gefahrengrenzen bei Teillast rascher öffnet als dies bei den bekannten Ausführungen von "Vell offen" bis IgVoll geschlossen"bzw. umgekehrt der Fall ist. Die vorliegende, im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 definierte Erfindung entstand aus der Aufgabe, den Schliessvorgang allein in Abhangigkeit vom Turbineneintrittsdruck zu steuern uild ihn innerhalb eines gegenüber den bekannten Bypassen kleineren Aenderungsbereiches des Turbineneintrittsdruckes PT zu beenden. Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen stellen dar: Fig. 1 ein Diagramm, aus dem das Zusammenwirken eines By passventils nach der vorliegenden Erfindung mit einem Dieselmotor hervorgeht, und die Fig. 2 und 3 zwei Ausführungsbeispiele von erfindungs gemässen Bypassventilen. Beim Diagramm der Fig. 1 stellt die Ordinate den Differenzdruck PV ¯ PT und die Abszisse den Abgasdruck PT vor der Turbine dar. Das Motorkennfeld bei Festpropellerbetrieb wird durch die Kurvenschar 1 repräsentiert, wobei die Parameter 40, 50, 60 % PN usw. konstante Motorleistungen in Prozenten der Nennleistung PN bedeuten. Die Kurvenschar 2 gilt für drei Werte der Parameter AB/AT bzw. h/hc, wobei AB die wirksame Bypassdurchflussfläche und AT die wirksame Turbinendurchflussfläche sowie h Zwischenwerte des Ventilhubes und hc den maximalen Ventilhub bezeichnen. Die senkrechten strichlierten Geraden geben die Gleichgewichts lagen des Ventils wieder, wie aus den unten erläuterten Gleichgewichtsbedingungen hervorgeht. Bei dem erwähnten Vergleichsbypassventil sind diese Geraden nach rechts geneigt und schneiden die Kurvenschar 2 in den Punkten 9 und 7, die weiter auseinanderliegen als die Punkte 5 und 7 des erfindungsgemässen Bypassventils. Der strichpunktierte Kurvenzug 3-4-5-6-7-8 stellt demnach eine beispielsweise Betriebslinie des Schliess- bzw. Oeffnungsvorganges eines Bypassventiles gemäss vorliegender Erfindung dar, wobei die Strekke 10 den Uebergangsbereich darstellt, d.h., die Druck + schwankung - a PT, innerhalb deren sich ein Schliess- bzw. Oeffnungsvorgang des Bypassventils vollzieht. Der über dieser Betriebslinie verlaufende Kurvenzug 4-9-7 mit jeweils zwei Punkten zwischen benachbarten Stücken stellt dagegen qualitativ die Betriebs linie für das erwähnte Vergleichsbypassventil dar. Sein Uebergangsbereich 11 zwischen seinem vollen Oeffnungshub hc und dem voll geschlossenen Zustand h = o ist grösser als bei dem vorliegenden Bypassventil und zeigt demnach im Betrieb ein schlechteres Uebergangsverhalten. Auf weitere Details dieses Diagrammes wird bei Beschreibung der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele eingegangen. Bei der schematisch dargestellten Ausführung nach Fig. 2 zeigt der Pfeil 12 die Strömungsrichtung der von einem nicht dargestellten Verdichter eines Turboladers in einen Motor geförderten, verdichteten Ladeluft. Die Pfeile 13 deuten die über das Bypassventil vor die Turbine des Turboladers überströmende Bypassluft an. Ein Gehäuse 14 ist mit seinem Flansch 15 an eine nicht dargestllte Ladeluftleitung angeflanscht und ein zweiter Flansch 16 dient zum Anschluss einer nicht dargestellten Bypassleitung, die das Bypassventil mit einer Abgasleitung des Motors an einer Stelle vor der Turbine des Turboladers verbindet. Falls das Bypassventil nicht selbst, wie im vorliegenden Falle, als Rückschlagventil wirkt, das ein Ueberströmen von Abgas in die Ladeluftleitung verhindert, falls der Differenzdruck - T PT negativ werden sollte, so wird in dieser Bypasslei- tung ein Rückschlagventil vorgesehen. Die Elemente des Ventils sind in dieser Ausführung bekannt. Am vorderen Ende einer im Gehäuse 14 verschieblich gelagerten Ventilspindel 17 befindet sich eine Ventilplatte 18, deren Maximalhub hc beträgt. Die Ventilspindel 17 weist eine Längsbohrung 19 und hinter einem Kolben 21 eine Querbohrung 20 auf, welche beiden Bohrungen die Ladeluftleitung mit einem Zylinderraum 22 hinter dem Kolben 21 verbinden. In diesem Zylinderraum 22 herrscht also immer der jeweilige Druck pV der Ladeluft, wogegen im Zylinderraum 23 vor dem Kolben 21 der Umgebungsluftdruck Pu herrscht, da dieser Zylinderraum über einen offenen Belüftungsstutzen 24 mit der Atmosphäre kommuniziert. In einer Nabe 25 für die Lagerung der Ventilspindel 17 ist eine in dieser Nabe verschraubbare Federhülse 26 vorgesehen, zwischen welcher und dem Kolben 21 eine Feder 27 eingespannt ist. Die Federhülse erlaubt die Einstellung der gewünschten Federkraft. Zur Einstellung des Maximalhubes dient eine am hinteren Ende des Gehäuses vorgesehene Schraube 28. Der Flansch 16 dient zum Anschluss einer das Gehäuse 14 mit dem Turbineneinlass verbindenden Bypassleitung. Im Gehäuse herrscht daher im Bereich des Flansches 16 der Druck vor der Turbine. Es wurde oben gesagt, dass in der Bypassleitung ein schnelles Rückschlagventil vorgesehen ist, dass bei PT ein Ueberströmen von Abgas in die Ladeluftleitung verhindert. Ein solches Rückschlagventil kann man sich ersparen, wenn man das Abschlussorgan im Bypassventil, hier also die Ventilplatte 18, selbst als Rückschlagventil ausbildet, wie bei der Ausführung der Ventilplatte 18 nach Fig. 2. Diese Ventilplatte ist mit iherer Nabe 29 auf einem begrenzten Weg verschieblich auf einem Zapfen 30 der Ventilspindel 17 gelagert. Die Schulter des Zapfens 30 bildet die hintere Wegbegrenzung, die vordere Begrenzung kann vom Sitz der Ventilplatte 18 an der Innenseite des Flansches 15 selbst gebildet werden. Solange PV > PT ist, liegt die Nabe 29 an der Schulter des Zapfens 30 an, bei PT > PV wird die leichte Ventilplatte auf ihren Sitz gedrückt und verhindert so das Ueberströmen von Abgas in die Ladeluft. Um die Steuerung des Hubes h der Ventilplatte allein in Abhängigkeit vom Turbineneintrittsdruck PT zu erhalten, wie es einer der Aufgaben der Erfindung entspricht, sind bestimmte Verhältnisse zwischen den Abmessungen von Kolben 21 und Ventilplatte 18 einzuhalten. Man erreicht eine solche Steuerungs-Charakteristik, wenn man die Ventildruckfläche AQ und die Kolbenfläche AK wenigstens angenähert gleich ausführt. Dafür gilt die folgende Gleichgewichtsbedingung, in der AQ die verdichterseitige Ventildruckfläche der Ventilplatte 18, ' die wirksame Druckfläche auf der Rückseite der Ventilplatte, AK die wirksame Druck fläche des Kolbens 21 gegenüber dem hinteren Zylinderraum 22, A'K die wirksame Druckfläche des Kolbens gegenüber dem vorderen Zylinderraum 23, FF die Federkraft, FFo die Vorspannkraft und c die Federkonstante der Feder 27 bedeuten: : AQPVAKPVFF = A'KPU-A'QPT. Dies gilt aber nur für Pv) PT- Da AQ = AK = A, A'Q = Av K = A' und FF = FFO - ch folgt Q h = (A'/c) < PU - PT) + FFo/c, d.h., der Hub h ist allein vom Turbineneintrittsdruck PT abhängig. Bei dieser Ausführung liegt der Kolben 21, dessen Abdichtung auf bekannte Weise durch Kolbenringe, Labyrinthe oder Lippendichtungen etc. erfolgen kann, stromabwärts der Ventilplatte 18. Bei der in Fig. 3 schematisch dargestellten Variante hingegen ist der Kolben oder ein funktionell gleichwertiges Element stromaufwärts des Ventilorgans angeordnet. Das Ventilorgan ist hier ein Ringplattenventil 31, das bei sehr kleinem Hub grosse Strömungsquerschnitte bietet und wegen der kleinen Masse seiner aus dünnem Blech bestehenden Ventilplatte 32 als besonders rasch ansprechendes Rückschlagventil wirkt. Anstelle eines Kolbens ist bei dieser Ausführung ein Metallbalg 33 und als Feder eine Tellerfeder 34 vorgesehen. Die Tellerfeder, deren Kennlinie sich durch Zufügen, Wegnehmen oder Umkehren einzelner Elemente besonders einfach ändern lässt, ist im Inneren des gegen die Verdichterseite hin vollkommen geschlossenen Metallbalges untergebracht. Diese Konstruktion ist als völlig gasdicht. Mit einer Schraube 35 kann der Hub und mit einer Schraube 36 die Federvorspannung eingestellt werden, so dass sich dieses Bypassventil ebenso wie jenes nach Fig. 1 den indi viduellen Eigenschaften verschiedener Motoren anpassen lässt. Durch Verbindungsbohrungen 37 und 38 wird erreicht, dass vor und hinter dem Metallbalg 33 der Druck pV bzw. Pu wirkt. Wie für die erste Ausführung gilt auch für diese, dass das erfindungsgemäss gewünschte Verhalten durch ein Verhältnis AQ/AK ¯ 1 erzielt wird. Für das Ringplattenventil setzt sich die Ventildruckfläche AQ dabei aus der Summe der den Ventildurchtrittsquerschnitt abdeckenden Ringflächen der Ventilplatte 32 zusammen, deren Breiten mit 39 bezeichnet sind. Beim Metallbalg ist AK der Querschnitt, der durch einen Durchmesser zwischen der äusseren und inneren Wellung bestimmt ist. Es ist auch-zu berücksichtigen, dass der Metallbalg zur Federwirkung mit beiträgt. Damit die Ventilplatten 18 bzw. 32 auch bei schwachem Ueberwiegen des Turbineneintrittsdruckes PT gegenüber den Ladeluftdruck Pv ansprechen, könnte es sich als zweckmässig erweisen, schwache Schliessfedern vorzusehen, die das Rückschlagen unterstützen. Praktisch genügt es, wenn das Verhältnis AQ/AK angenähert 1 ist, um den angestrebten schmalen Uebergangsbereich für den Schliessvorgang des Ventils zu erhalten. Die Breite des Uebergangsbereiches lässt sich durch Einbau einer anderen Feder, der Schliesspunkt und der maximale Hub können mit den er wahnten Schrauben 26, 28 bzw. 35, 36 variiert werden. Bei einem Verhältnis A / 4 1 d.h., AK > AQr würde man Q K zwar einen noch schmäleren Uebergangsbereich als bei einem Ventil mit AK X AQ und auch grössere Variationsmöglichkeiten für die Feder erhalten. Falls aber AK/AQ zu gross wird, etwa grösser als 2, so könnten sich bei höheren Drücken zwei Schnittpunkte der Gleichgewichtskurven des Ventils mit den Kurven konstanter Leistung ergeben, so dass die Betriebsli nie nicht eindeutig wäre. Dies ist unzulässig. Ausserdem wäre der Bauaufwand für den Kolben sehr gross. Der für die vorliegenden Ausführungen gewählte Wert von ss 1 für AK/AQ bzw. AO/AK stellt einen bestmöglichen Kompromiss dar, der zudem den Vorteil aufweist, dass bei einem allfälligen Pumpstoss, bei dem das pV schlagartig kurz absinkt, das Ventil nicht zu- oder aufgeschlagen und damit beschädigt wird.

Claims: Patentansprüche 1. Turbinendruckgesteuertes Bypassventil für Verbrennungsmo toren mit Turbolader, zur Steuerung des Ueberströmens von der Ladeluftseite des Verdichters des Turboladers in den Abgaskanal vor dem Turbineneintritt, mit einem Ven tilelement zum Oeffnen und Schliessen der Verbindung zwi schen der Ladeluftleitung und dem Abgaskanal, einem auf Differenzdrücke ansprechenden Betätigungsorgan zur Steu erung der Hubbewegung des Ventilelements, sowie mit Federmitteln zur Erzielung des gewünschten Verlaufes der Hubbewegung und Einstellschrauben für den Maximalhub und die Federvorspannung, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Flächeninhaltes der wirksam druckbe aufschlagten Flächenelemente des Betätigungsorgans (21, 33) zum Flächeninhalt der wirksam druckbeaufschlagten Flächenelemente des Ventilelementes (18, 31) im wesent lichen gleich 1 ist, so dass die Steuerung des Ventil hubes im wesentlichen nur durch den Druck PT vor dem Turbineneintritt bewirkt wird. 2. Bypassventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement aus einer auf einem Zapfen (30) einer Ventilspindel (17) verschieblich gelagerten Ven tilplatte (18) besteht, wobei der mögliche Verschiebe weg in der einen Richtung durch den Ventilsitz im Ge häuse und in der anderen Richtung durch einen Anschlag auf der Ventilspindel (17) begrenzt ist. 3. Bypassventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement ein Ringplattenventil (31) ist, dass das Betätigungsorgan ein Metallbalg (33) ist, und dass die Federmittel aus einer innerhalb des Metall balgs angeordneten Tellerfeder (34) bestehen.

Inventors: HORLER, HANSULRICH, DR., PEREGO, AMBROGIO, Hörler, Hansulrich, Dr.
Applicants: BBC AKTIENGESELLSCHAFT BROWN, BOVERI & CIE.
Application year: 1982
Main classification: F02B37
IPC codes: F02B37, F02B39