DE2742251C3 - Abblasventil für eine mit Abgasturbolader arbeitende Kolben-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Abblasventil für eine mit Abgasturbolader arbeitende Kolben-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem bekannten gattungsgemäßen Abblasventil (DE-AS 17 76 208) ist das Verse.Jußglied zweiteilig ausgebildet und zwar ist ein Teller des Verschlußgliedes frei kippbar am Ende eines Schafts des Verschlußgliedes angeordnet. Mit dieser verhältnismäßig aufwendigen Ausbildung des Verschlußgliedes soll erreicht werden, daß das Ventil nicht sprunghaft, sondern stetig öffnet, da der Teller beim Offnen verkippt und dadurch zunächst nur einen kleinen Querschnitt freigibt Eine Eigenart des bekannten Ventils liegt darin, daß zwischen der Stellung des Verschlußgliedes, insbesondere der Stellung des Schaftes, und dem Öffnungsquerschnitt wegen der verschiedenen möglichen Lagen des Tellers keine eindeutige Beziehung besteht, so daß die Öffnung des Ventils, die gegen die Kraft einer Feder erfolgt, nicht definiert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abblasventil für eine mit Abgasturbolader arbeitende Kolben-Brennkraftmaschine zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau nicht sprunghaft, sondern stetig und unter wohl definierten Bedingungen öffnet

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst

Bei dem erfindungsgemäßen Abblasventil wird beim Öffnen des Ventilgliedes zunächst nur ein kleiner Durchströmquerschnitt zwischen Umfangsrand des Tellers und konischer Innenfläche des Sitzteils freigegeben. Der Druckabfall an diesem zunächst kleinen Durchströmquerschnitt sorgt zusammen mit der nach Öffnung des Ventils größeren, druckbeaufschlagten Fläche des Tellers dafür, daß die vom Verschlußglied her in Öffnungsrichtung wirkende Kraft nach Öffnung des Ventils nicht plötzlich kleiner wird, wodurch das Ventil in wohl definierter Weise gleichmäßig und ohne zum Flattern zu neigen öffnet.

Die genau definierten Bedingungen, unter denen das erfindungsgemäße Abblasventil öffnet, und seine stetige Öffnung ermöglichen eine Ausbildung und Anordnung des Abblasventils gemäß dem Anspruch 2, mit der der Vorteil erzielt wird, daß die effektive Schließkraft des Abblasventils bei unter Last laufender Brennkraftmaschine mit zunehmender Drehzahl abnimmt, wodurch das Abblasventil zunehmend öffnet, so daß mit steigender Drehzahl ein relativ starker Abfall des vom ίο Turbolader gelieferten Saugrohrdruckes erzielt wird. Auf diese Weise kann die Brennkraftmaschine ständig nahe an ihrer Klingelgrenze betrieben werden und ein der jeweiligen Drehzahl entsprechendes möglichst hohes Drehmoment erhalten werden. Die mit den Merkmalen des Anspruchs 2, für den kein selbständiger Schutz beansprucht wird, erzielten Vorteile fallen besonders bei einer fremdgezündeten Viertakt-Brennkraftmaschine ins Gewicht

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert Es stellt dar

F i g. 1 eine fremdgezündete Viertakt-Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader,

Fig.2 einen Schnitt durch ein bei der Anordnung nach F i g. 1 verwendetes Abblasventil,

F i g. 3 verschiedene Verläufe des Drehmoments bzw. Saugrohrdruckes in abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine,

Fig.4 verschiedene Kurven zur Darstellung der Arbeitsweise des Abblasventils,

F i g. 5 die Kennlinie einer im Abblasventil verwendeten Feder.

Gemäß F i g. 1 weist eine Brennkraftmaschine 6 fünf Zylinder 8 auf, in denen nicht dargestellte Kolben

arbeiten. Jeder Zylinder 8 ist über eine Saugleitung 10 mit einem Saugrohr 12 und über eine Auslaßleitung 14 mit einem Abgaskrümmer 16 verbunden.

An den Abgaskrümmer 16 ist ein Abgasturbolader 18

angeflanscht der auf einer gemeinsamen Welle eine

Abgasturbine 20 und eine Ladeturbine 22 aufweist Von

der Abgasturbine 20 führt ein Abgasrohr 24 zu einem

Schalldämpfer 26 des Auspuffs der Brennkraftmaschine. Die Ladeturbine 22 ist über ein Ladeluftrohr 28 mit

dem Saugrohr 12 verbunden. An der Übergangsstelle zwischen dem Ladeluftrohr 28 und dem Saugrohr 12 ist eine mit einem Gaspedal zusammenwirkende Drossel· klappe 30 angeordnet

An den Einlaß der Ladeturbine 22 ist mittels eines Krümmers 32 eine Luftdurchsatzeinrichtung 34, z. B. Bosch-K-Jetronic, angeschlossen, die den Durchsatz der von der Ladeturbine 22 durch einen Luftfilter angesaugten Frischluft mißt Die Luftdurchsatzmeßeinrichtung 34 arbeitet mit einer Einspritzanlage zusammen, mittels der in jede Saugleitung 10 eine dem v% Luftdurchsatz entsprechende Treibstoffmenge eingespritzt wird.

An den Abgaskrümmer 16 ist ein Abblasventil 38 angeschlossen, durch das hindurch Abgase der Brennkraftmaschine 6 unter Umgehung der Abgasturbine 20 unmittelbar in das Abgasrohr 24 entweichen können. Dieses Abblasventil 38 weist ein Verschiußglied 40 auf. das an einer beweglichen Wand 42 befestigt ist und von einer Feder 44 in Schließstellung vorgespannt ist. Die bewegliche Wand 42 ist auf ihrer von der Feder 44 *ft abgewandten Seite über eine Druckleitung 46 mit dem im Abgaskrümmer 16 herrschenden Druck beaufschlagbar.

Bis hierher ist die Anordnung in an sich bekannter

Weise gebaut, so daß von einer eingehenden Beschreibung der Einzelteile abgesehen wirrt.

Die der Feder 44 zugewandte Seite der beweglichen Wand 42 ist mittels einer Unterdruckleitung 48 mit dem Unterdruck beaufschlagbar, der auf der Innenseite des Krümmers 32 herrscht, wenn durch diesen von der Ladeturbine Frischluft angesaugt wird.

Der genauere Aufbau des Abblasventils 38 ist in F i g. 2 dargestellt.

Das Abblasventil weist ein zweiteiliges Gehäuse 50 auf, dessen erster Gehäuseteil 52, der aus hochwarmfestem Metall besteht, mittels eines Flansches 54 an eine vom Abgaskrümmer 16 kommende Leitung 56 (Fig. 1) anschließbar ist und mittels eines Anschlusses 58 an das Abgasrohr 24 anschließbar ist. Mit dem ersten Gehäuseteil 52 ist ein zweites Gehäuseteil 60 unter Zwischenanordnung einer wärmeisolierenden Asbestscheibe 62 verschraubt Das zweite Gehäuseteil 60 weist einen Einlaß 64 zum Anschluß der Druckleitung 46 (F i g. 1) und einen weiteren Einlaß 66 zum Anschluß der Unterdruckleitung 48 (F i g. 1) auf.

In einer in das erste Gehäuseteil 52 eingesetzten Buchse 68 ist ein Schaft 70 des Verschlußglie.des 40 geführt, das in einem scheibenförmigen Teller 72 endet Der Teller 72 arbeitet mit einem in das erste Gehäuseteil 52 eingeschraubten Sitzteil 74 zusammen, welches eine sich in Öffnungsrichtung des Verschlußgliedes 40 konisch erweiternde Innenfläche 75 aufweist Der Teller 72 ist so bemessen, daß seine vordere Stirnfläche 76 deutlich größer ist als die durch den Sitz 77 des Sitzteils 74 umgrenzte Ringfläche (etwa 2 :1) und daß sein vorderer Umfangsrand 78 bei geschlossenem Abblasventil 38 fast an der Innenfläche 75 anliegt

Das rückwärtige Ende des Schaftes 70 ist mit einem becherförmigen Teil 79 verschraubt, das zwischen sich und einer Gegenplatte 80 eine Membran 82 einspannt deren Außenrand zwischen zwei Hälften des zweiten Gehäuseteils 60 eingespannt ist Die Membran 82 bildet zusammen mit dem becherförmigen Teil 78 und der Gegenplatte 30 eine bewegliche Wand, die das Innere des zweiten Gehäuseteils 60 in eine Unterdruckkammer 84 und eine Druckkammer 86 unterteilt

Das erste Gehäuseteil 52 ist zum Teller 72 hin in Art einer Glocke 90 ausgebildet, die einen Anschlag für die Öffnungsbewegung des Verschlußgliedes 40 darstellt und die Buchse 68 vor heißen Abgasen abschirmt

Zwischen dem becherförmigen Teil 79 und dem zweiten Gehäuseteil 60 erstreckt sich in der Unterdruckkammer 84 die Schraubenfeder 44, die das Verschlußglied 40 in Schließstellung drängt

Die Funktion der beschriebenen Anordnung wird zunächst bei Fehlen der Unterdruckleitung 48 erläutert:

Es wird angenommen, daß die Brennkraftmaschine bei deutlich geöffneter Drosselklappe 30, d.h. unter Last, und mit einer vorgegebenen Zündverstellkennlinie betrieben wird.

Bei Drehzahlen über 1000min-' (Fig.3) wird der Abgasturbine 20 vom Abgaskrümmer i6 her zunehmend Abgasdruck ρ entsprechend der ausgezogenen Kurve la gemäß F i g. 3 zugeführt Die Abgasturbine 20, die für kleine Drücke und Durchsätze ausgelegt ist, und ein relativ kleines Trägheitsmoment hat, entwickelt schon bei diesen niederen Drehzahlen eine beträchtliche Leistung, mit der die Ladeturbine 22 angetrieben v/ird, was im Saugrohr 12 zu einem Druckverlauf gemäß der ausgezogenen Kurve Ha in Fig. 3 führt. Dieser Saugrohrdruck wiederur.i führt dazu, daß die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Drehzahl ein Drehmoment entsprechend der ausgezogenen Kurve lila in F ig- 3 entwickelt

Würde man die Brennkraftmaschine unter den geschilderten Bedingungen hochdrehen lassen, so ergäbe sich bei der zulässigen Höchstdrehzahl, die im angegebenen Beispiel bei etwa 5300 min-' liegt ein Saugrohrdruck, der die Brennkraftmaschine weit überlasten würde und zu starkem Klingeln oder sogar zur Zerstörung der Brennkraftmaschine führen würde.

Der bei Höchstdrehzahl zulässige Saugrohrdruck ist in F i g. 3 mit a angegeben. Das Abblasventil 38 muß nun so bemessen sein, daß sich bei der zulässigen Höchstdrehzahl von 5300 U/min gerade der höchstzulässige Saugrohrdruck a ergibt Zur Dimensionierung des Abblasventils 38 dient dabei im wesentlichen die Vorspannkraft Ks der Schraubenfeder 88, mit der das Verschlußglied 40 in Schließstellung vorgespannt ist, und die Federkonstante der Schraubenfeder 88, die die auf das Verschlußglied 40 wirkende Kraft in Abhängig-

keit von der Öffnung bzw. dem Hub h ''^s Verschlußgliedes 40 bestimmt In Fig.5 ist die Kraft K der Schraubenfeder 88 in Abhängigkeit vom Hub h dargestellt

Eine Schraubenfeder 88 hat notwendigerweise eine

positive Kennlinie, d. h. für eine zunehmende öffnung des Ve.rschlußgliedes 40 ist eine zunehmende Kraft auf die Schraubenfeder 88 und damit ein zunehmender Druck im Abgaskrümmer 16, der der Druckkammer 88 zugeführt wird, notwendig. Dieser zunehmende Druck im Abgaskrümmer führt im allgemeinen zu einer entsprechenden Druckzunahme im Saugrohr 12 mit zunehmender Drehzahl.

Unterhalb der Höchstdrehzahl sind jedoch deutlich höhere Saugrohrdrücke zulässig als bei Höchstdrehzahl.

Bei einem ausschließlich mittels einer Schraubenfeder 88 gesteuerten Abblasventil lassen sich bei abnehmender Drehzahl zunehmende Saugrohrdrücke nur dadurch erreichen, daß die Öffnungskennlinie des Verschlußgliedes möglichst flach verläuft, d. h. die von der Schraubenfeder 88 eine öffnung des Ventils entgegengesetzte Kraft nur möglichst schwach zunimmt, wie in Fi g. 5 dargestellt Mit einer so ausgelegten Schraubenfeder 88 läßt sich gemäß F i g. 3 der durch die Kurve Ib angegebene Abgasdruck in Abhängigkeit von der Drehzahl erzielen. Bei 3000 min-' öffnet sich das Abblasventil, um dann bei 5300 min-' einen Abgasdruck im Abgaskrümmer 16 aufrechtzuerhalten, der im Saugrohr 12 zu dem Druck a führt. Der durch die Kurve Ib angegebene Verlauf des Abgasdruckes führt zu einem Druckverlauf im Saugrohr gemäß der Kurve Hb. Insgesamt steigt der Saugrohrdruck II bis etwa 300OmIR-¹, d.h. bis zum öffnen des Abblasventils 36 also deutlich an und fällt dann infolge der extrem flachen Kennlinie der Schraubenfeder 88 leicht zum Wert β ab.

Der Verlauf des Saugrohrdruckes gemäß den Kurven Ha und Hb führt zu einem Verlauf des Drehmoments gemäß Kurven IHa und HIb.

Wie allgemein bekannt, kann der zulässige Saugrohrdruck unterhalb dt/ Höchstdrehzahl bei abnehmender Drehzahl relativ stark zunehmen, ohne daß es zu klingelndem Betrieb kommt, wie durch den in Fig. 3 gestrichelt eingezeichneten Kurvenast IVb angedeutet. Ein Saugrohrdruckverlauf gemäß der theoretisch möglichen Kurve IVb führt zu einem Drehmomentver lauf gemäß der in rig.3 gestrichelt eingetragenen Kurve Vb. Wie aus F i g. 3 ohne weiteres ersichtlich, tritt bei der bisher in ihrer Funktion beschriebenen Anordnung ein in Fig. 3 gestrichelt angegebener

Drehmomentverlust auf. der im Bereich mittlerer Drehzahlen, d. h. zwischen 3000 min-' und 4000 min-', also gerade im normalerweise gefahrenen Drehzahlbereich der Maschine, beträchtlich ist.

Hier nun setzt die Erfindung ein:

Damit der Saugrohrdruck bei abnehmenden Drehzahlen unterhalb der Höchstdrehzahl entsprechend der Kurve IVb zunehmen kann, muß der Ladeturbine 22 über die Abgasturbine 20 im Vergleich zur Kurve lib mehr Leistung zugeführt werden. Dazu ist es notwendig, der Abgasturbine 20 unterhalb der Höchstdrehzahl Abgasdruck entsprechend der in Fig. 3 mit Vl gekennzeichneten Kurve zuzuführen, d. h. die Öffnung des Abblasventils 38 so zu steuern, daß sich der durch die Kurve VIb gegebene Druckverlauf ergibt. Dieser Verlauf des Abgasdruckes in Abhängigkeit von der Drehzahl unterscheidet sich von dem durch die Kurve Ib gegebenen Verlauf dadurch, daß der Abgasdruck, der die Abgasturbine 20 antreibt, mit steigender Drehzahl bei Öffnung des Abblasventils 38 wesentlich weniger stark zunimmt als gemäß Kurve Ib bzw. im dargestellten Beispiel sogar abnimmt.

Dazu wird folgendermaßen vorgegangen:

In F i g. 4 gibt die Kurve VII idealisiert die Kraft k an. die die Schraubenfeder 88 bei steigender Drehzahl der zunehmenden Öffnung des Verschlußgliedes 40 entgegensetzt. Die Kurve VIII gibt idealisiert diejenige Kraft k an. die auf der der Schraubenfeder 44 zugewandten Seite der beweglichen Wand 42 durch den über die Unterdruckleitung 48 in der Unterdruckkammer 84 erzeugten Unterdruck hervorgerufen wird. Diese Kraft k ist proportional zu dem Unterdruck auf der Innenseite des in die Ladeturbine 22 führenden Krümmers 32. durch den mit zunehmender Drehzahl eine zunehmende Luftströmung erfolgt. Die durch den Unterdruck im Krümmer 32 hervorgerufene Kraft auf die bewegliche Wand 42 wirkt der Kraft der Schraubenfeder 44 entgegen, so daß sich durch Subtraktion der Kurve VIII von der Kurve VII die Kurve IX als diejenige Kurve angibt, die die dem Abgasdruck in der Druckkammer 86 entgegenwirkende Kraft der beweglichen Wand 42 angibt. Die Kurve IX fällt mit zunehmender Drehzahl au. üie dem Abgasdruck entgegenwirkende bchiieÜKrait des Abblasventils fällt also mit zunehmender Öffnung des Abblasventils ab.

Eine Schließkraft des Verschlußgliedes 40 gemäß Kurve IX in Fig.4 führt zu einem entsprechenden Verlauf des Druckes in der Druckkammer 86, der der Schließkraft des Verschlußgliedes 40 entgegenwirkt. Durch entsprechende Wahl der Vorspannung der Schraubenfeder 44 und der Federkonstante sowie der Dimensionierung des Krümmers 32 und der Art der Ableitung der Unterdruckleitung 48 läßt sich die Kurve IX sowohl hinsichtlich ihrer Lage der Höhe nach als auch hinsichtlich ihrer Neigung verändern. Durch geeignete Wahl der genannten Größen läßt sich somit im Abgi^krümmer 16 ein Druckverlauf gemäß der Kurve VIb in Fig. 3 entspricht, d.h. insbesondere bei

■-. der Höchstdrehzahl von 5300 min ' einen Wert b hat und mit abnehmender Drehzahl entsprechend der Kurve VIb ansteigt. Damit die Kurve la (geschlossenes Abblasventil) stetig in die Kurve VIb (offenes Abblasventil) übergeht, bleibt das mit der Unterdruck-

Hi leitung 48 versehene Abblasventil gegenüber der herkömmlichen Ausführungsform (Fig. Ib) bis zu höheren Drehzahlen geschlossen, nämlich bis etwa 3300 min¹. Die Drehzahl, bei der das Abblasventil 38 öffnet und damit der maximale Abgasdruck im

r> Abgaskrümmer 16 läßt sich, wie anhand Fig.4 ausgeführt, durch die Vorspannkraft der Schraubenfeder 44 einstellen. Insgesamt ergibt sich somit ein Verlauf des Abgasdruckes im Abgaskrümmer 16 und damit des für die Abgasturbine 20 wirksamen Abgasdnickes

.»η entsprechend der Kurve Ia über den strichpunktierten Kurvenzug VIa längs der Kurve VIb. Dieser Verlauf des Abgasdruckes führt zu dem durch die Dimensionierung des Abgasturboladers 18 gegebenen entsprechenden Verlauf des Druckes im Saugrohr von der Kurve Ha

j) über den strichpunktierten Kurvenast IVa längs des gestrichelten, theoretisch möglichen Kurvenastes IVb. Dieser Saugrohrdruckverlauf wiederum führt zu einem Drehmorrentverlauf gemäß der Kurve Ilia, Va und Vb. Wie aus diesen Kurven ersichtlich, wird gegenüber

in herkömmlichen Brennkraftmaschinen, deren Abblasventil ohne die Unterdruckleitung 48 arbeitet, im schraffierten Bereich merklich an Drehmoment gewonnen.
Im folgenden wird noch ein Vorteil erläutert, der

)> durch spezielle Ausbildung des Abblasventils 38 erreicht wird. Wie aus Fig.2 ersichtlich, bricht der an der Stirnfläche 76 des Tellers 72 wirksame Abgasdruck beim Abheben des Tellers 72 vom Sitz 77 zusammen, da dieser Druck dann plötzlich in das Abgasrohr 24 (F i g. I)

entweichen kann. Damit diese plötzliche Druckabnahme nicht zu einem erneuten Schließen des Abblasventils bzw. zu dessen Flattern führt, ist die Größe der stirniiacne /t> memich groüer ais die vom Sitz Ti umgrenzte Fläche und liegt der Umfangsrand 78 des

Ji Tellers bei geschlossenem Abblasventil beinahe an der konischen Innenfläche 77 des Sitzteils 74 an. Damit wird erreicht, daß bei kleiner Öffnung des Abblasventils, also dann, wenn sich der Teller 72 nur wenig vom Sitz 77 abhebt, nur ein sehr schmaler ringförmiger Kanal zwischen dem Umfangsrand 78 und der konischen Innenfläche 75 freigegeben wird, wodurch eine dynmische Stauwirkung auftritt, die den Teller 72 in Öffnungsrichtung drängt und den beim öffnen des Abblasventils auftretenden Druckabfall ausgleicht

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Abblasventil für eine mit Abgasturbolader arbeitende Kolben-Brennkraftmaschine, mit einem federbelasteten Verschlußglied, dessen Teller in Schließstellung an einem Sitzteil anliegt und eine dem Sitz zugewandte Stirnfläche aufweist, die deutlich größer ist als die in Schließstellung innerhalb des Sitzes freiliegende Fläche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sitzteil (74) mit einer sich an den Sitz (77) anschließenden konischen Innenfläche (75) ausgebildet ist, die vom Umfangsrand (78) des Tellers (72) in dessen Schließstellung annähernd berührt wird und die mit zunehmender Öffnung des Verschlußgliedes einen zunehmenden Durchlaß freigibt

2. Abblasventil nach Anspruch 1, bei dem die in Schließstellung innerhalb des Sitzes freiliegende Fläche des Tellers mit dem Abgasdruck der Brennkraftmaschine beaufschlagt ist und das Ventilglied mit einer beweglichen Wand verbunden ist, die eine Kammer begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (Unterdruckkammer 84) über eine Unterdruckleitung (48) an die Innenseite eines Krümmers (32) auf der Frischlufteinlaßseite des Turboladers (18) angeschlossen ist