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Stand der Technik
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Aus
DE 42 43 448 A1 ist eine Vorrichtung zur Steuerung der Verdichterleistung eines in einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgasturboladers bekannt, die einen pneumatischen Stellantrieb aufweist. Der pneumatische Stellantrieb wird mit einem Stelldruckmittel durch eine separate Stelldruckmittelpumpe versorgt, deren Stelldruck in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter gesteuert wird. Als Stelldruckmittelpumpe ist eine elektrisch betriebene Luftpumpe vorgesehen, deren Antrieb durch ein Steuergerät in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter gesteuert wird. Im Bereich zwischen der Druckseite der Luftpumpe und dem Stellantrieb ist eine gedrosselte Verbindung zur Umgebungsluft ausgestaltet. Der Durchtrittsquerschnitt der Verbindung zur Umgebungsluft wird durch das Steuergerät zusätzlich zur Steuerung des Stelldrucks in Abhängigkeit von dem mindestens einen Betriebsparameter über ein elektrisch betätigtes Ventil gesteuert. Bei dem elektrisch betätigten Ventil handelt es sich um ein Schaltventil, welches getaktet gesteuert wird.
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Die
DE 34 04 769 A1 offenbart eine Aufladeeinrichtung mit einem Wastegate-Ventil, welches einen rotationssymmetrischen Aufbau besitzt.
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Die
DE 10 2005 028 006 A1 zeigt ein Ventilelement mit asymmetrischem Aufbau, bei welchem eine Maskierung als keilförmige Erhebung ausgebildet ist, in welcher eine kugelkappenartige Ausnehmung vorgesehen ist.
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Die
DE 198 53 391 A1 zeigt Ventilelemente mit Ventilkörpern, die eine rotationssymmetrische Symmetrie besitzen. Der Ventilkörper kann eine kugelsegmentartige Geometrie oder die Geometrie eines Kreiskegels aufweisen.
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Auch die
DE 198 43 026 C2 zeigt Ventilelemente mit rotationssymmetrischen Geometrien.
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Die
DE 197 05 422 C1 behandelt ein Ventil, welches im Querschnitt verschiedene Abschnitte einschließlich eines kugelsegmentartigen Segments aufweist.
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Die
WO 2005/073 536 A1 lehrt ebenfalls Ventil-Geometrien, die rotationssymmetrische aufgebaut sind.
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Neue, derzeit noch in der Entwicklung befindliche Generationen von Verbrennungskraftmaschinen bauen kleiner und werden zunehmend mit Aufladeeinrichtungen, wie z. B. Abgasturboladern, ausgestattet, um die Leistungsdichte zu erhöhen. An Aufladeeinrichtungen, wie z. B. Abgasturboladern, wird der Ladedruck dabei über ein Waste-Gate-Ventil geregelt. Ist das Waste-Gate-Ventil geöffnet, so fällt der Ladedruck ab. Steigt die Leistungsanforderung an die Verbrennungskraftmaschine, so wird das Waste-Gate-Ventil dementsprechend geschlossen und der Ladedruck steigt.
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Die Betätigung des Ventils erfolgt in der Regel pneumatisch über eine Unterdruck- oder eine Überdruckdose. Der Steuerdruck wird, wie aus
DE 42 43 448 A1 bekannt, über ein Taktventil vom Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine vorgegeben.
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Es hat sich herausgestellt, dass der Querschnittsverlauf des durch das Waste-Gate-Ventil freigegebenen oder verschlossenen Strömungsquerschnittes über den Öffnungswinkel des Waste-Gate-Ventils stark nicht-linear verläuft. In unmittelbarer Nähe der geschlossenen Position der geschlossenen Position des Waste-Gate-Ventils reagiert das Ventil sehr empfindlich, während das Ventil in der Nähe der voll geöffneten Position sehr unempfindlich auf Winkeländerungen reagiert.
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Da jedoch bei geschlossenem Waste-Gate-Ventil eine Regelung des Ladedrucks an der Verbrennungskraftmaschine im volllastnahen Bereich unabdingbar ist, ist die Empfindlichkeit des Waste-Gate-Ventiles in diesem Stellbereich, d. h. in einer einen Volllastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine ermöglichenden Position, wichtig, um eine Regelung des Ladedrucks auch im volllastnahen Bereich der Verbrennungskraftmaschine zu ermöglichen. Dahingegen können Ungenauigkeiten des Waste-Gate-Ventils in dem Auslenkungsbereich, der der vollständig geöffneten Position des Waste-Gate-Ventils entspricht, eher toleriert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, am Waste-Gate-Ventil eine mechanische Maskierung vorzusehen, die eine Verbesserung der Regelungsgüte und der -genauigkeit gerade im volllastnahen Bereich einer Verbrennungskraftmaschine ermöglicht. Im volllastnahen Bereich der Verbrennungskraftmaschine, bei dem das Waste-Gate-Ventil in der Regel vollständig geschlossen oder um nur wenige Winkelgrade geöffnet steht, kann somit auf äußerst feinfühlige Weise in nur knapp unter Volllast liegenden Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine eine Dosierung des Ladedrucks erfolgen. Sprungartige Änderungen des Ladedruckes lassen sich ausschließen. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene mechanische Maskierung wird an der Seite des Ventiltellers des Waste-Gate-Ventils vorgesehen, welche dem Abgaskrümmer zuweist, so dass die mechanische Maskierung einer Innenseite des Ventildeckels des Waste-Gate-Ventils der Abgasströmung ausgesetzt ist, die bei geschlossenem Waste-Gate-Ventil unmittelbar auf die bevorzugt als Abgasturbolader ausgebildete Aufladeeinrichtung auftrifft. Steht das Waste-Gate-Ventil, welches bevorzugt durch einen pneumatischen Steller, wie z. B. eine Über- oder Unterdruckdose, angesteuert ist, nur um wenige Winkelgrade offen, so kann durch die mechanische Maskierung auf der der Abgasströmung zuweisenden Seite des Ventildeckels des Waste-Gate-Ventils eine äußerst feinfühlige Regulierung des Strömungsquerschnittes, über welchen Abgas an der Aufladeeinrichtung vorbeigeleitet wird, erreicht werden. Dies trägt insbesondere dem nicht linearen Verlauf des Querschnittes über den Öffnungswinkel des Waste-Gate-Ventils Rechnung.
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Zeichnung
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
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1 eine einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine zugeordnete, als Abgasturbolader ausgebildete Aufladeeinrichtung mit Waste-Gate-Ventil,
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2 Schließposition und Öffnungsstellung eines Waste-Gates gemäß des Standes der Technik und
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3.1 und 3.2 Öffnungs- und Schließposition des erfindungemäß vorgeschlagenen Waste-Gate-Ventils für eine Aufladeeinrichtung.
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Ausführungsvarianten
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Der Darstellung gemäß 1 ist eine fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine zu entnehmen, der eine als Abgasturbolader ausgebildete Aufladeeinrichtung zugeordnet ist.
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1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine, die in diesem Ausführungsbeispiel als fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine ausgeführt ist. Für den Einsatz der Erfindung ist es jedoch unerheblich, ob es sich bei der Verbrennungskraftmaschine um eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine oder um eine – wie in 1 dargestellt – fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine handelt.
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Frischluft wird über einen Luftfilter 10 in einen Ansaugstutzen 12 angesaugt und in einem Verdichterteil 16 einer bevorzugt als Abgasturbolader ausgebildeten Aufladeeinrichtung 14 verdichtet. Neben dem Verdichterteil 16 umfasst die bevorzugt als Abgasturbolader ausgebildete Aufladeeinrichtung 14 ein Turbinenteil 18. Das Verdichterteil 16 kann mit dem Turbinenteil 18 über eine starre Welle gekoppelt sein. Zur Ladedruckregelung der bevorzugt als Abgasturbolader ausgebildeten Aufladeeinrichtung 14 ist dieses ein Waste-Gate-Ventil 20 zugeordnet. Das Waste-Gate-Ventil 20 wird über einen pneumatischen Steller 22 betätigt, der z. B. als Unterdruckdose oder als Überdruckdose ausgebildet sein kann. Der pneumatische Steller 22 ist über ein z. B. als Stellstange ausgebildetes Stellelement 24 mit einem um eine Schwenkachse 30 verschwenkbaren Ventilteller 26 des Waste-Gate-Ventils verbunden. Der Ventilteller 26 öffnet oder verschließt – je nach Ansteuerung durch den pneumatischen Steller 22 – eine Öffnung 28 im Gehäuse 70 der bevorzugt als Abgasturbolader ausgebildeten Aufladeeinrichtung 14.
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Nach Passage des Verdichterteiles 16 der bevorzugt als Abgasturbolader ausgebildeten Aufladeeinrichtung 14 strömt die vorverdichtete Frischluft über eine Ladeluftleitung 32 einem Zwischenkühler 34 zu. Nach Passage des Zwischenkühlers 34 strömt die vorverdichtete, abgekühlte Frischluft einer Drosseleinrichtung 36 zu, über welche der der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luftmassenstrom geregelt wird.
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Nach Passage der Drosseleinrichtung 36 strömt die vorverdichtete und im Zwischenkühler 34 abgekühlte Frischluft entsprechend der Stellung der Drosseleinrichtung 36 über mindestens ein Einlassventil 38 der Verbrennungskraftmaschine Brennräumen 44 der Verbrennungskraftmaschine zu.
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Im Zylinderkopfbereich der Verbrennungskraftmaschine befindet sich zwischen dem bereits erwähnten mindestens einen Einlassventil 38 mindestens ein Auslassventil 40 pro Zylinder. Bei einer Verbrennungskraftmaschine können pro Zylinder auch jeweils zwei Einlassventile 38 und zwei Auslassventile 40 angeordnet sein. Zwischen diesen befindet sich im Zylinderkopfbereich der Verbrennungskraftmaschine gemäß der Darstellung in 1 eine Zündkerze 42, über welche das im Brennraum 44 bei der Aufwärtsbewegung eines Kolbens 46 verdichtete Kraftstoff-Luftgemisch gezündet wird und bei der Expansion Arbeit leistet. In schematischer Wiedergabe sind der Verbrennungskraftmaschine im Bereich des Kurbelgehäuses 54 ein Klopfsensor 50 sowie ein Sensor 52 zugeordnet, über den die Temperatur des Kühlmediums detektiert wird.
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Das nach dem Arbeitstakt aus dem Brennraum 44 über das mindestens eine Auslassventil 40 aus dem Brennraum 44 ausgeschobene Abgas tritt in eine Abgasleitung 56 ein und wird dem Turbinenteil 18 der bevorzugt als Abgasturbolader ausgebildeten Aufladeeinrichtung 14 zugeleitet. Je nach Stellung des Waste-Gate-Ventils 20, welches zur Ladedruckregelung der Aufladeeinrichtung eingesetzt wird, wird entweder im Volllastbereich der Verbrennungskraftmaschine der gesamte Abgasmassenstrom über den Turbinenteil 18 der bevorzugt als Abgasturbolader ausgebildeten Aufladeeinrichtung 14 geleitet und leistet dort die zur Verdichtung der Frischluft erforderliche Arbeit, oder ein Teil des über die Abgasleitung 56 strömenden Abgases wird entsprechend einer Öffnungsstellung des Ventiltellers 26 des Waste-Gate-Ventils am Turbinenteil 18 der bevorzugt als Abgasturbolader ausgebildeten Aufladeeinrichtung 14 vorbeigeleitet.
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Nach Passage des Turbinenteils 18 der bevorzugt als Abgasturbolader ausgebildeten Aufladeeinrichtung 14 beziehungsweise nach Passage der Öffnung 28 bei geöffnetem Waste-Gate-Ventil 20 strömt das entspannte Abgas über höchstens einen Katalysator 58 in den im Abgastrakt vorgesehenen mindestens einen Schalldämpfer der Auspuffanlage.
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Aus der Darstellung gemäß 2 geht ein aus dem Stand der Technik bekanntes, bisher bei als Abgasturboladern ausgeführten Aufladeeinrichtungen eingesetztes Waste-Gate-Ventil in Schließstellung und in geöffneter Position hervor.
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In den beiden in 2 durch Bezugszeichen 80 und 82 dargestellten Positionen des Ventiltellers 26 des Waste-Gate-Ventils 20 ist die Öffnung 28 im schematisch angedeuteten Gehäuse 70 der Aufladeeinrichtung 14 dargestellt. Die Öffnung 28 ist in einer geschlossenen Position 80 durch den Ventilteller 26 des Waste-Gate-Ventils 20 geschlossen und über die an einem Anlenkpunkt 78 am Ventilteller 26 angelenkte Stellstange 24 in der geschlossenen Position 80 fixiert. Die geschlossene Position 80 gemäß der Darstellung in 2 entspricht dem Volllastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine, in dem das gesamte aus den Brennräumen 44 der Verbrennungskraftmaschine ausgeschobene Abgas in einem Abgaskrümmer gesammelt über den Turbinenteil 18 der bevorzugt als Abgasturbolader ausgebildeten Aufladeeinrichtung 14 geleitet wird.
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In der ebenfalls in 2 dargestellten geöffneten Position 82 ist der Ventilteller 26 des Waste-Gate-Ventils 20 um die Schwenkachse 30 geringfügig ausgelenkt. Diese Auslenkung erfolgt durch die Betätigung des in 1 dargestellten pneumatischen Stellers, der auf die am Anlenkpunkt 78 mit dem Ventilteller 26 verbundene Stellstange 24 wirkt und den Ventilteller 26 des Waste-Gate-Ventils 20 öffnet. Durch eine Betätigung des pneumatischen Stellers 22 wird der Ventilteller 26 des Waste-Gate-Ventils 20 um die Schwenkachse 30 ausgelenkt und der Ventilteller 26 von Anlageflächen 76, die die Öffnung 28 im Gehäuse 70 der Aufladeeinrichtung 14 begrenzen, abgestellt. Aufgrund des nicht linearen Querschnittsverlaufes, der sich beim Auslenken des Ventiltellers 26 um die Schwenkachse 30 an der Öffnung 28 einstellt, reagiert das Waste-Gate-Ventil im volllastnahen Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine sehr empfindlich.
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In den 3.1 und 3.2 sind die geschlossene Position 80 und die geöffnete Position 82 des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Waste-Gate-Ventils mit einer mechanischen Maskierung an der Innenseite dargestellt.
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3.1 ist entnehmbar, dass der Ventilteller 26 des Waste-Gate-Ventils 20 sich in einer geschlossenen Position 80 befindet. Der Ventilteller 26 des Waste-Gate-Ventils 20 ist durch ein als Druckstange ausgebildetes Stellglied 24, welches durch den in 1 dargestellten pneumatischen Steller 22 betätigt wird, in die geschlossene Position 80 gestellt. Eine Außenseite des Ventiltellers 26 des Waste-Gate-Ventils 20 ist durch Bezugszeichen 74 bezeichnet, eine Innenseite des Ventiltellers 26 durch Bezugszeichen 72.
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3.1 zeigt, dass an der Innenseite 72 des Ventiltellers 26 des Waste-Gate-Ventils 20 gemäß der Darstellung in 1 eine mechanische Maskierung 84 ausgeführt ist. In der in 3.1 dargestellten Ausführungsvariante der mechanischen Maskierung 84 ist diese im Wesentlichen als ein rechtwinkliges Dreieck ausgebildet. Ein erster Flächenabschnitt 86 der mechanischen Maskierung 84 bildet eine erste Kathete des im Wesentlichen rechtwinklig ausgebildeten Dreiecks, während ein zweiter Flächenabschnitt 88 eine zweite Kathete eines im Wesentlichen rechtwinkligen Dreiecks bildet. Die mechanische Maskierung 84 ist mit ihrer Hypotenuse an der Innenseite 72 des Ventiltellers 26 aufgenommen. Aus der in 3.1 dargestellten geschlossenen Position 80 des Ventiltellers 26 geht hervor, dass sich der zweite Flächenabschnitt 86 an dem der Schwenkachse 30 des Ventiltellers 26 abgewandten Ende befindet. Der Anlenkpunkt 78 des druckstangenförmig ausgebildeten Stellgliedes 24 zur Betätigung des Ventiltellers 26 liegt an der Außenseite 74 des Ventiltellers 26, dem ersten Flächenabschnitt 86 gegenüberliegend. Ein Schrägungswinkel, in dem der erste Flächenabschnitt 86 der mechanischen Maskierung 84 in Bezug auf die Horizontale ausgebildet ist, ist durch Bezugszeichen 90 identifiziert. Der Schrägungswinkel 90 des ersten Flächenabschnittes 86 liegt bevorzugt im Bereich von > 90° und < 150°.
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Aus der Darstellung gemäß 3.1 geht des Weiteren hervor, dass in der geschlossenen Position 80 des Ventiltellers 26 des Waste-Gate-Ventils 20 die mechanische Maskierung 84 in die Öffnung 28 des in 3.1 nur schematisch angedeuteten Gehäuses 70 der Aufladeeinrichtung 14 eintaucht.
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3.2 zeigt das erfindungsgemäß vorgeschlagene Waste-Gate-Ventil in einer Öffnungsposition.
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Aus der Darstellung gemäß 3.2 geht hervor, dass in einer um wenige Winkelgrade geöffneten Position 82 des Ventiltellers 26 ein Öffnungsquerschnitt 94 der Öffnung 28 im Gehäuse 70 der Aufladeeinrichtung 14 geöffnet steht. In der in 3.2 dargestellten geöffneten Position 82 des Ventiltellers 26 des Waste-Gate-Ventils 20 verläuft der zweite Flächenabschnitt 88 der mechanischen Maskierung 84 in horizontale Richtung. Während des Öffnens des Ventiltellers 26 des Waste-Gate-Ventiles 20 von der in 3.1 dargestellten geschlossenen Position 80 in die in 3.2 dargestellte geöffnete Position 82 von nur wenigen Winkelgraden 92 fährt der erste Flächenabschnitt 86 kontinuierlich aus der Öffnung 28 im Gehäuse 90 der Aufladeeinrichtung 14 aus und gibt während dieser Ausfahrbewegung von der geschlossenen Position 80 in die geöffnete Position 82 einen im Wesentlichen konstant bleibenden Querschnitt 94 frei, so dass während dieses Öffnungsweges 92 um nur wenige Winkelgrade ein im Wesentlichen konstant verlaufender Öffnungsquerschnitt 94 gewährleistet ist und ein ruckartiges oder sprungartiges Öffnen des Waste-Gate-Ventils 20 mit seinen nachteiligen Folgen auf die Ladedruckregelung einer insbesondere als Abgasturbolader ausgebildeten Aufladeeinrichtung 14 ausgeschlossen werden kann.
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Aus der Darstellung gemäß 3.2 geht hervor, dass die Auslenkbewegung des Ventiltellers 26 des Waste-Gate-Ventiles 20 von der geschlossenen Position 80 in die um wenige Winkelgrade geöffnete Position 82 um die Schwenkachse 30 erfolgt. Der Öffnungsweg, den der Ventilteller 26 des Waste-Gate-Ventils 20 durchläuft, ist durch Bezugszeichen 92 angedeutet. Der Stellbereich, in dem Waste-Gate-Ventile gemäß bisher bekannter Ausführungsvarianten eine hohe Nichtlinearität aufweisen, liegt in einem Winkelbereich zwischen 0° und 40°. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann innerhalb dieses Winkelbereiches, bei Einsatz der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maskierung, sei sie am Ventilteller 26 des Waste-Gate-Ventils 20 angebracht, sei sie am Gehäuse des Waste-Gate-Ventils 20 ausgebildet, eine lineare Änderung des Öffnungsquerschnittsverlaufes bei Betätigung des Waste-Gate-Ventils 20 erreicht werden.
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Auch aus der Darstellung gemäß 3.2 geht hervor, dass der erste Flächenabschnitt 86 der mechanischen Maskierung 84, die im Wesentlichen die Konfiguration eines rechtwinkligen Dreiecks aufweist, in Bezug auf die Innenseite 92 des Ventiltellers 26 des Waste-Gate-Ventils 20 in einem Schrägungswinkel 90 ausgebildet ist, der in einem Bereich zwischen 90 und 150° liegt. Der Aufsetzpunkt, an dem der erste Flächenabschnitt 86 die Innenseite 72 des Ventiltellers 26 des Waste-Gate-Ventils 20 berührt, liegt bevorzugt ein wenig seitlich versetzt in Bezug auf die Innenseite des Gehäuses 70, so dass beim Öffnen des Ventiltellers 26 des Waste-Gate-Ventils 20 unmittelbar ein Abströmen eines geringen Abgasmassenstromes aus der Abgasleitung 56 (vergleiche Darstellung gemäß 1) in den weiteren Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine möglich ist. Je nach Ansprechverhalten des Waste-Gate-Ventils 20 kann der Abstand zwischen dem Aufsetzpunkt des ersten Flächenabschnittes 86 auf der Innenseite 72 des Ventiltellers 26 und der Innenwand der Öffnung 28 im Gehäuse 70 der Aufladeeinrichtung 14 gewählt werden. Ein weiterer Parameter, um das Ansprechverhalten des Waste-Gate-Ventils 20 gezielt zu beeinflussen, ist die Wahl des Schrägungswinkels 90 des ersten Flächenabschnittes 86, wie in den 3.1 und 3.2 dargestellt.
