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Dokumentenidentifikation DE4026099C2 03.02.1994
Titel Ölversorgungssystem für die Lager von zu- und abschaltbaren Abgasturboladern
Anmelder MTU Motoren- und Turbinen-Union Friedrichshafen GmbH, 88045 Friedrichshafen, DE
Erfinder Sudmanns, Hans, 88048 Friedrichshafen, DE
DE-Anmeldedatum 17.08.1990
DE-Aktenzeichen 4026099
Offenlegungstag 31.10.1991
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.02.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.02.1994
IPC-Hauptklasse F02C 7/06
IPC-Nebenklasse F02B 37/00   F02D 23/00   F01M 11/10   F02B 39/14   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Ölversorgungssystem für die Lager von zu- und abschaltbaren Abgasturboladern, das den Zufluß von Schmiermittel zu den Lagern steuert.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades können Brennkraftmaschinen mit mehreren Abgasturboladern ausgerüstet werden, von denen einer oder mehrere zu- und abschaltbar ausgeführt sind. Im Leerlauf oder bei geringer Last sind dann durch Sperren der Abgaszufuhr zur Turbine die schaltbaren Abgasturbolader stillgesetzt. In diesem Betriebszustand herrscht in Verdichter und Turbine der abgeschalteten Abgasturbolader und in der Ladeluftleitung der Atmosphärendruck. Die bei Abgasturboladern üblichen Sperrluftdichtungen, die den Austritt von Schmieröl aus dem Lagergehäuse in das Verdichter- und Turbinengehäuse bei zugeschaltetem Abgasturbolader verhindern, sind wegen des fehlenden Überdrucks bei Stillstand des Abgasturboladers nicht funktionsfähig. Infolge einer Kohäsionswirkung gelangen bei längeren Stillstandszeiten eines Abgasturboladers nicht unbeträchtliche Mengen von Schmieröl durch die Sperrluftdichtungen hindurch in das Turbinen- und Verdichtergehäuse, wo sich das Schmieröl in einer Lache ansammelt. Bei der Inbetriebnahme des Abgasturboladers kann das Lecköl zu Schäden an Abgasturbolader und Brennkraftmaschine führen.

Es wurde deshalb in der DE-PS 37 04 967 schon vorgeschlagen, auch nach Abschaltung eines Abgasturboladers in der Ladeluftleitung einen über dem Umgebungsdruck liegenden Druck aufrechtzuerhalten. Hierzu werden durch eine saugseitig angeordnete Absperrvorrichtung auch der Verdichter des abgeschalteten Abgasturboladers und die Sperrluftdichtungen mit dem im Luftleitungssystem herrschenden Ladeluftdruck beaufschlagt. Nachteilig ist, daß die Sperrluftentnahme mit einer Wirkungsgradverschlechterung des Motors verbunden ist. Ferner können keine handelsüblichen Abgasturbolader verwendet werden, weil sie keine Sperrluftdichtungen mit dem erforderlichen Leitungssystem aufweisen. Dementsprechend hoch sind die Kosten für Abgasturbolader mit Sperrluftdichtungen. Nachteilig ist ferner, daß für den ununterbrochenen Schmiermittelfluß auch während der Stillstandszeiten Energie verbraucht wird.

Bei einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader nach der DE-PS 11 69 721 ist eine Abschaltung des Abgasturboladers an sich nicht vorgesehen. Infolge eines Schadens am Abgasturbolader kann jedoch eine ungewollte Stillsetzung des Abgasturboladers erfolgen. Würde die Brennkraftmaschine bei stillstehendem Abgasturbolader weiterbetrieben und die Schmiermittelzufuhr zu den Lagern des Abgasturbolader nicht gestoppt, würde infolge des in der Ansaugleitung herrschenden Unterdrucks nach und nach das Schmieröl der Brennkraftmaschine in den Verdichter des Abgasturboladers gesaugt werden. Es ist deshalb ein Ventil in der Schmiermittelleitung zu den Lagern des Abgasturboladers vorgesehen, das bei einem Unterdruck in der Abgasleitung den Schmiermittelfluß zu den Lagern stoppt, so daß ein gefahrloser Weiterbetrieb der Brennkraftmaschine ohne Aufladung möglich ist. Ferner ist eine Schaltvorrichtung vorgesehen, die bei mangelndem Schmiermitteldruck in der Schmiermittelleitung zu den Lagern des Abgasturboladers die Schmiermittelzufuhr sperrt, wobei gleichzeitig die Abgase anstatt der Turbine einer Umgehungsleitung zugeführt werden.

Eine Wiederzuschaltung des Abgasturboladers kann erst nach Behebung des Defekts erfolgen. Die Inbetriebnahme des intakten Abgasturboladers geschieht beim Start der Brennkraftmaschine mit Zündung. Dabei erfolgt die Schmiermittelzufuhr zu den Lagern und die Beaufschlagung der Turbine mit Abgas gleichzeitig. Es ist dann allerdings möglich, daß der Schmiermitteldruck an den Lagern noch nicht ausreichend aufgebaut ist, während der Abgasturbolader bereits hochgefahren ist. In diesem Fall können die Lager Schaden nehmen.

Bei der Einrichtung nach der JP-59-1 45 331 A wird ein Abgasturbolader stillgesetzt, wenn ein zu geringer Öldruck in einer zu den Lagern führenden Schmiermittelleitung festgestellt wird. Die Steuerung erfolgt offenbar durch einen Mikroprozessor oder eine andere elektrische Schaltung. Mit dieser Einrichtung wird die Schmierung der Lager während der An- und Auslaufphase des Abgasturboladers jedoch nicht sichergestellt.

Bei der Einrichtung nach der JP-59-1 41 724 A wird kein Schmiermittel zu den Lagern eines Abgasturboladers geführt, solange eine gewisse Drehzahl nicht überschritten wird. Erst, wenn die Drehzahl des Abgasturboladers 8 diesen Wert überschreitet, wird ein Ventil 26 geöffnet, und erst dann gelangt Schmieröl zu den Lagern des Abgasturboladers 8. Das Ventil 27, das die Schmiermittelmenge zu den Lagern des weiteren Abgasturboladers 9 steuert, dürfte in entsprechender Weise funktionieren. Die Ventile werden durch eine elektrische Schaltung gesteuert.

Bei der Einrichtung nach der DE-AS 11 80 192 kann die Zuschaltung eines Abgasturboladers erst dann erfolgen, wenn ein ausreichender Öldruck an den Lagern anliegt. Es ist jedoch offenbar nicht vorgesehen, den Schmiermittelfluß zu den Lagern bei Stillstand des Abgasturboladers abzustellen. Zur Steuerung dient ein vom Ladeluftdruck und dem Schmiermitteldruck beaufschlagbares Steuerorgan, das über eine Stange mit den Sperrorganen in einer zur Turbine führenden Abgasleitung und in einer Bypaßleitung zur Turbine verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schmiermittelversorgung der Lager von schaltbaren Abgasturboladern in allen Phasen, also einschließlich der An- und Auslaufphase, durch einfache Bauelemente zu steuern, deren Steuerung in einfacher Weise direkt möglich ist, und die in hohem Maße störsicher sind.

Diese Aufgabe wird bei einer Ausführung des Ölversorgungssystems für die Lager nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Für die Ölversorgung der Lager sind nach Anspruch 1 zwei parallele Schmiermittelleitungen vorgesehen. In der ersten parallelen Schmiermittelleitung befindet sich ein Ventil, das beim Zu- und Abschalten des Abgasturboladers betätigt wird, um die Zufuhr von Schmiermittel durch die Schmiermittelleitung freizugeben oder zu sperren. Ein weiteres Ventil dient dazu, die Inbetriebnahme oder die Stillsetzung des Abgasturboladers auszulösen. Dieses Ventil wird durch den vor den Lagern herrschenden Schmiermitteldruck über eine Steuerleitung gesteuert. Dadurch wird sichergestellt, daß ein Anlaufen des zuschaltbaren Abgasturboladers erst dann erfolgt, wenn an den Lagern ein ausreichender Schmiermitteldruck herrscht. In der zweiten parallelen Schmiermittelleitung befindet sich ein weiteres Ventil. Dieses Ventil kann zusammen mit dem Ventil in der ersten parallelen Schmiermittelleitung freigeschaltet werden, aber erst gesperrt werden, wenn der Abgasturbolader ausgelaufen ist. Nach Anspruch 2 kann zur Betätigung des Ventils in der zweiten parallelen Schmiermittelleitung das Ausgangssignal eines Drehzahlsensors dienen, oder, nach Anspruch 3 der in den Stellzylindern für die Absperreinrichtungen zur Schaltung des Abgasturboladers herrschende Stelldruck. Als Zeitverzögerungsglied dient eine Drossel in der Steuerleitung. In den Ansprüchen 4 bis 6 werden zweckmäßige Ausgestaltungen der Pneumatik- und Hydraulikbauteile aufgeführt. Nach Anspruch 7 ist noch eine weitere parallele Schmiermittelleitung vorgesehen, die lediglich zu einer reduzierten Schmierölversorgung dient. Denn Undichtigkeiten der Absperreinrichtungen können auch nach Abschaltung des Abgasturboladers ein Weiterlaufen des Abgasturboladers mit geringer Drehzahl bewirken.

Der besondere Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß nur einfache Bauelemente wie Leitungen und Ventile gebraucht werden, die wenig störanfällig sind. Die Betätigung der Ventile kann unmittelbar durch Systemdrücke und gegebenenfalls durch ein elektrisches Ausgangssignal eines Drehzahlsensors gesteuert werden. Dabei können die Ventile bei Zu- und Abschaltung des Abgasturboladers jeweils in der gleichen Reihenfolge betätigt werden, was eine einfache und sichere Steuerung des Schmiermittelflusses bedeutet.

Von Vorteil ist weiter, daß die Einrichtung auch als Sicherheitseinrichtung zum selbsttätigen Abstellen der schaltbaren Abgasturbolader bei Mangelschmierung der Lager dienen kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben; es zeigt die einzige Figur einen Schaltplan für ein Ölversorgungssystem mit unmittelbar von Systemdrücken oder elektrischen Betriebskennwerten der Brennkraftmaschine entsprechenden Signalen geschalteten Ventilen.

In der Figur ist schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit den Zylindern 24, den strichpunktiert dargestellten Ansaugleitungen 25 und 26, den ebenfalls strichpunktiert gezeichneten Abgasleitungen 27, sowie zwei Abgasturboladern 2 und 3 dargestellt, von denen einer mittels Absperreinrichtungen 4 und 5 in den Zuführungen von Verdichter 6 und Turbine 7 zu- bzw. abschaltbar ist. Die Lager 8 des ständig in Betrieb befindlichen Abgasturboladers 3 und die Lager 9 des zu- und abschaltbaren Abgasturboladers stehen über die Schmiermittelleitung 10 mit der Ölversorgung der Brennkraftmaschine 1 in Verbindung. Das aus den Lagern abtropfende Öl sammelt sich in den nicht dargestellten Lagergehäusen der Abgasturbolader 2 und 3, und fließt über eine nicht dargestellte Ölrücklaufleitung in den Schmieröltank der Brennnkraftmaschine 1 zurück. Es sind zwei parallele Schmiermittelleitungen 15 und 23 vorgesehen, die die Schmiermittelleitung 12, die zu den Lagern 9 des schaltbaren Abgasturboladers 2 führt, mit der Ölversorgung der Brennkraftmaschine verbinden. Bei stillgesetztem Abgasturbolader 2 befinden sich die Ventile 14 und 22, die in den Schmiermittelleitungen 15 und 23 angeordnet sind, beide in Sperrstellung. Ferner ist noch eine weitere Schmiermittelleitung 11 vorgesehen, die zu den Schmiermittelleitungen 15 und 23 parallel liegt und eine steuerbare Drossel 13 enthält. Die Schmiermittelleitung 11 dient zu einer reduzierten Schmiermittelversorgung der Lager. Denn Undichtigkeiten der Absperreinrichtungen 4, 5 können auch nach Abschaltung des Abgasturboladers 2 ein Weiterlaufen des Abgasturboladers mit geringer Drehzahl bewirken. Die Ölmenge wird durch die Drossel 13 so klein gehalten, daß, sollte sie aus dem Lagergehäuse des Abgasturboladers austreten, keine Schäden durch Ölzutritt in Turbinen- und Verdichtergehäuse entstehen können. Diese Ölmenge reicht jedoch nicht aus zur Schmierung der Lager bei zugeschaltetem Abgasturbolader 2. Anstelle einer Drossel 13 in der Schmierölleitung 11 könnte auch ein Schmiermittelgeber angeordnet sein, der taktweise geringe Schmiermittelmengen durchläßt. Die Taktzahl kann beispielsweise in Abhängigkeit von der Drehzahl des Abgasturboladers 2 geregelt werden, die ein Maß für die Undichtigkeit darstellt.

Beim Ölversorgungssystem nach der Figur können die Ventile 14 und 22 unmittelbar durch Systemdrücke geschaltet werden. Hierzu wirken die Drücke über Steuerleitungen unmittelbar am Betätigungsglied der Ventile. Das Ventil 14 mit drei Anschlüssen und zwei Schaltstellungen wird beispielsweise durch den Ladeluftdruck betätigt. Es kann jedoch auch, wie dargestellt, ein elektrisches, von der Einrichtung 47 zur Verfügung gestelltes, dem Ladeluftdruck entsprechendes Schaltsignal zur Betätigung des Ventils 14 vorgesehen sein. Soll der Abgasturbolader zugeschaltet werden, wird das Ventil 14 aus der gezeichneten Sperrstellung umgeschaltet, und dadurch der Schmiermittelfluß durch die Schmiermittelleitung 15 hindurch freigegeben. Zugleich baut sich auch in der gleichzeitig freigeschalteten Steuerleitung 16 der Schmiermitteldruck auf, der in der Schmiermittelleitung 12 zu den Lagern 9 herrscht. Bei ausreichendem Schmiermitteldruck in der Steuerleitung 16 wird das Ventil 17 zeitverzögert durch die Drossel 28 umgeschaltet. Dies bewirkt, daß über die Druckleitungen 20 und 21 Druckmittel zu den Druckräumen der Stellzylinder 18 und 19 gelangt und dadurch die Klappen der Absperreinrichtungen 4 und 5 geöffnet werden. Natürlich können anstelle von doppeltwirkenden Stellzylindern 18, 19 bei entsprechender Ventilgestaltung auch einfachwirkende eingesetzt werden. Auch können andere Druckmittel zu ihrer Betätigung als der Ladeluftdruck dienen.

Zusätzlich zur Schmiermittelleitung 15 ist noch die weitere parallele Schmiermittelleitung 23 mit dem Ventil 22 vorgesehen. Die Freischaltung des Ventils 22 erfolgt nach der Freischaltung des Ventils 14 und bevor das Ventil 14 beim Abschalten des Abgasturboladers 2 wieder in Sperrstelltung geschaltet wird. Das Ventil 22 ist pneumatisch oder elektrisch betätigt. Denn es kann zur Betätigung der über Steuerleitung 29 anliegende Stelldruck in den Stellzylindern 18 und 19 verwendet werden oder ein von einem Drehzahlgeber 40 erzeugtes elektrisches Signal, das in Steuerleitung 41 anliegt. Bei entsprechendem Druck in den Stellzylindern 18, 19, bei dem die Klappen der Absperreinrichtungen 4, 5 geöffnet sind, wird das Ventil 22 freigeschaltet und es gelangt über beide Schmiermittelleitungen 15 und 23 gleichzeitig Schmiermittel zu den Lagern 9. Entsprechend könnte die Freischaltung des Ventils abhängig von der Drehzahl erfolgen, wenn die Drehzahl ungleich Null ist oder eine vorbestimmte Drehzahl überschritten wird.

Erfordern die Betriebskennwerte der Brennkraftmaschine die Abschaltung des Abgasturboladers, werden die Ventile in der gleichen Reihenfolge wie beim Zuschalten in Sperrstellung umgeschaltet. Durch Umschalten des Ventils 14 in die gezeichnete Sperrstellung wird der Schmiermittelfluß durch die Schmiermittelleitung 15 hindurch unterbrochen, und es gelangt nur noch über die Schmiermittelleitung 23 Schmiermittel zu den Lagern 9. Zugleich wird die Steuerleitung 28 über die Rückflußleitung 49 druckentlastet. Wegen der Drossel 28 erfolgt die Umschaltung des Ventils 17 etwas zeitverzögert. Die Druckänderung in den Stellzylindern 18, 19 pflanzt sich, zeitverzögert durch die Drossel 30, fort und bewirkt das Umschalten des Ventils 22 in Sperrstellung, wodurch die Schmiermittelzufuhr zu den Lagern 9 abgesperrt wird. Die Drossel 30 ist dabei so ausgebildet, daß die Umschaltung des Ventils 22 erst nach einer Zeitspanne nach dem Schließen der Absperreinrichtungen 4, 5 erfolgt, nach der das Auslaufen des Abgasturboladers 2 gewährleistet ist. Wird der Drehzahlsensor 40 zur Betätigung des Ventils 22 benutzt, so erfolgt die Umschaltung, wenn die Drehzahl Null ist.

Die Schmierung des Abgasturboladers ist also sowohl in der Hochlaufphase als auch in der Auslaufphase gewährleistet. Zugleich ist in den Stillstandszeiten die Schmiermittelzufuhr abgestellt, so daß keine Schäden durch unerwünschten Schmiermittelfluß entstehen können.

Vorteilhaft ist ferner, daß sich mit der dargestellten Einrichtung bei mangelnder Schmiermittelzufuhr zu den Lagern 9 im Notfall selbsttätig abstellen läßt, so daß Lagerschäden vermieden werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Ölversorgungssystem für die Lager (9) von zu- und abschaltbaren Abgasturboladern (2) für eine Brennkraftmaschine (1),
    1. 1.1 mit zwei parallelen Schmiermittelleitungen (15, 23) für die Ölversorgung der Lager (9) des schaltbaren Abgasturboladers (2),
    2. 2. wobei in der ersten parallelen Schmiermittelleitung (15) ein in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine betätigbares Ventil (14) angeordnet ist, das beim Zu- oder Abschalten des Abgasturboladers (2) betätigt wird,
    3. 2.1 wobei bei Zuschaltung des Abgasturboladers (2) durch Betätigung des Ventils (14) die Zufuhr von Schmiermittel über die Schmiermittelleitung (15) zu den Lagern (9) freigegeben wird,
    4. 2.2 und wobei bei Abschaltung des Abgasturboladers (2) durch erneute Betätigung des Ventils (14) die Schmiermittelleitung (15) wieder gesperrt wird,
    5. 3. sowie mit einem durch den in einer Steuerleitung (16) herrschenden Druck betätigbaren Ventil (17),
    6. 3.1 dessen Steuerleitung (16) mit dem an den Lagern (9) herrschenden Schmiermitteldruck beaufschlagt wird, wenn die Schmiermittelleitung (15) durch das Ventil (14) freigeschaltet ist, in welchem Fall der Zutritt von Druckmittel zu den Stellzylindern (18, 19) der Absperreinrichtungen (4, 5) zur Inbetriebnahme des Abgasturboladers (2) freigegeben ist,
    7. 3.2 und dessen Steuerleitung (16) zur Druckentlastung mit einer Rücklaufleitung (49) verbunden ist, wenn die Schmiermittelleitung (15) gesperrt ist, in welchem Fall die Stellzylinder (18, 19) durch Umschalten des Ventils (17) zur Stillsetzung des Abgasturboladers (2) mit Druckmittel beaufschlagt werden,
    8. 4. sowie mit einem Ventil (22),
    9. 4.1 das die Schmiermittelzufuhr über die zweite parallele Schmiermittelleitung (23) freigibt, wenn die Schmiermittelleitung (15) freigegeben ist,
    10. 4.2 und die Schmiermittelzufuhr stoppt, wenn der Abgasturbolader (2) ausgelaufen ist.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1,
    1. 1. wobei dem schaltbaren Abgasturbolader (2) ein Drehzahlsensor (40) zugeordnet ist,
    2. 1.1 der über eine Steuerleitung (41) mit dem Betätigungsglied des Ventils (22) verbunden ist,
    3. 1.2 und die Umschaltung des Ventils (22) in Sperrstellung auslöst, wenn der Abgasturbolader (2) ausgelaufen ist.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1,
    1. 1. wobei das Umschalten des Ventils (22) über eine Steuerleitung (29) durch den in den Stellzylindern (18, 19) herrschenden Stelldruck erfolgt,
    2. 1.1 wobei in der Steuerleitung (29) eine Drossel (30) angeordnet ist.
  4. 4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    1. 1. wobei das Ventil (14) für zwei Schaltstellungen ausgebildet ist,
    2. 1.1 wobei in der einen Schaltstellung die Schmiermittelleitung (15) freigeschaltet ist, und die Steuerleitung (16) mit der Schmiermittelleitung (15) verbunden ist,
    3. 1.2 und wobei in der anderen Schaltstellung die Schmiermittelleitung (15) gesperrt und die Steuerleitung (16) mit der Rücklaufleitung (49) verbunden ist.
  5. 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    1. 1. wobei in der Steuerleitung (16) zwischen Ventil (14) und Ventil (17) eine Drossel (28) angeordnet ist.
  6. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    1. 1. wobei als Stelldruck für die Betätigungszylinder (18, 19) ein in der Ansaugleitung eines ständig mitlaufenden Abgasturboladers (3) herrschender Druck dient.
  7. 7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    1. 1. wobei parallel zu den Schmiermittelleitungen (15 und 23) eine weitere Schmiermittelleitung (11) mit einer Drossel (13) vorgesehen ist, über die ständig auch bei abgeschaltetem Abgasturbolader (2) eine geringe Schmiermittelmenge zur Aufrechterhaltung einer Mindestölversorgung zu den Lagern (9) gelangt.






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