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Die
Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung für eine Brennkraftmaschine
mit einem Abgasturbolader gemäß Anspruch 1.
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Aus
dem „Kraftfahrtechnischen Taschenbuch", Bosch (25. überarbeitete
und erweiterte Auflage, Oktober 2003, ISBN 3-528-23876-3, S. 535) ist eine
Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader bekannt, wobei ein
Turbinenrad des Abgasturboladers mit Hilfe einer Umgehungsleitung
umgehbar ist. Die Umgehungsleitung, allgemein als Bypass bezeichnet,
weist eine Ventilvorrichtung auf, welche ein mit Hilfe einer Druckdose
betätigbares Tellerventil umfasst. Mit Hilfe der Ventilvorrichtung
ist eine Querschnittsfläche der Umgehungsleitung teilweise
oder vollständig zu öffnen oder zu schließen.
Die Ventilvorrichtung ist so aufgebaut, dass eine Bewegung beim Öffnen
in die Richtung und beim Schließen gegen die Richtung einer
resultierenden Abgasdruckkraft erfolgt. Je höher die Last
der Brennkraftmaschine ist, desto höher ist auch der Druck
in der Umgehungsleitung und damit die resultierende Abgasdruckkraft.
Je höher die resultierende Abgasdruckkraft ist, desto größer
ist die Gefahr, dass die Ventilvorrichtung die Querschnittsfläche
nicht mehr vollständig strömungsdicht abschließt.
Die Folge sind Leckagen bei hohen Lasten der Brennkraftmaschine. Ein
weiterer Nachteil ist in den erforderlichen hohen Schließkräften
zu sehen, die als Folge des Schließens der Ventilvorrichtung
entgegen der Richtung der resultierenden Abgasdruckkraft auftreten.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE 10 2004 005 001 A1 ist eine Ventilvorrichtung
bekannt, die mit Hilfe einer aufwendigen Mechanik versucht, zum
einen die Leckagen gering zu halten und zum anderen die hohen Schließkräfte
zu reduzieren.
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Beiden
bekannten Ventilvorrichtungen ist der Nachteil gemein, dass die
Position der Ventilvorrichtung in der Umhegungsleitung bei vollständig
geöffneter Querschnittsfläche hohe Strömungswiderstandsbeiwerte
der Abgasströmung in der Umgehungsleitung zur Folge hat.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ventilvorrichtung bereitzustellen,
die unter Beachtung einer einfachen Mechanik, mit Hilfe geringer
Kräfte zu betätigen ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der Ventilvorrichtung
gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Ventilvorrichtung ist so ausgestaltet,
dass eine erste Querschnittsfläche einer Umgehungsleitung
quer zu einer aus dem Abgasgegendruck resultierenden Abgasdruckkraft schließbar
ist. Dadurch, dass eine Schließkraft quer zur resultierenden
Abgasdruckkraft aufzuwenden ist, liegt der Vorteil dieser Erfindung
in den geringen Schließkräften, welcher es zum
Schließen der ersten Querschnittsfläche bedarf.
Es ist eine wesentlich geringere als aus dem Stand der Technik bekannte Schließkraft
realisierbar, da sich die Schließkraft überwiegend
aus einer ersten Reibungskraft der Ventilvorrichtung und einer zweiten
Reibungskraft der Verstellvorrichtung zusammensetzt und die resultierende
Abgasdruckkraft weitestgehend vernachlässigbar ist.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schließvorrichtung über
die erste Querschnittsfläche bewegbar angeordnet, wobei
die Ventilvorrichtung axial entlang der ersten Quer schnittsfläche
bewegbar und/oder über die erste Querschnittsfläche
verdrehbar angeordnet ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist die Schließvorrichtung
scheibenförmig ausgebildet, wodurch eine kompakte Bauweise
herbei zu führen ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist die Schließvorrichtung
mit einer zweiten Ausnehmung versehen, so dass, neben einer Verringerung
der Schließkraft aufgrund der Reduzierung der Masse der
Schließvorrichtung, eine Erhöhung der Abdichtung
erzielbar ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist im Abgasführungsabschnitt
eine die Schließvorrichtung aufnehmbar ausgestaltete erste
Ausnehmung vorgesehen, derart, dass die Schließvorrichtung
stromauf einer Bodenfläche der ersten Ausnehmung angeordnet ist.
Dadurch sind selbst bei hohen Lasten der Brennkraftmaschine Leckagen
vermeidbar. Im Gegensatz zum Stand der Technik wirkt der bei insbesondere hohen
Lasten auftretende hohe Abgasgegendruck nicht abhebend auf die Schließvorrichtung,
sondern bewirkt ein Andrücken der Schließvorrichtung
auf die Bodenfläche. Somit tritt weder bei niedrigen noch
bei hohen Lasten der Brennkraftmaschine Leckage an der Ventilvorrichtung
in Erscheinung.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Ventilvorrichtung ist die Schließvorrichtung
in der ersten Ausnehmung verdrehbar gelagert, wodurch die aufzuwendende
Schließkraft im Gegensatz zu einer reinen axialen Bewegbarkeit
weiter reduzierbar ist.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
der Erfindung sind den Ansprüchen, der Figurenbeschreibung
und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Dabei
zeigen:
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1 in
einer schematischen Darstellung eine Brennkraftmaschine mit einem
Abgasturbolader,
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2 in
einem Schnitt entlang einer Schnittlinie II-II ein Ausschnitt aus
einem Abgasführungsabschnitt mit einem Turbinenrad des
Abgasturboladers und einer Umgehungsleitung mit einer erfindungsgemäßen
Ventilvorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel,
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3 in
einer Draufsicht eine Flanschfläche des Abgasführungsabschnitts
gem. 2 mit der Ventilvorrichtung,
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4 in
einem Schnitt entlang einer Schnittlinie IV-IV die Ventilvorrichtung
gemäß 2 und
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5 in
einer Draufsicht die Flanschfläche mit der Ventilvorrichtung
in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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In
den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bauteile mit denselben
Bezugszeichen versehen.
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Die
in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1,
welche als Dieselmotor oder als Ottomotor ausgeführt ist,
weist einen Frischluftstrang 2 und einen Abgastrakt 3 auf.
Im Betrieb saugt die Brennkraftmaschine 1 über
den Frischluftstrang 2 Verbrennungsluft an, die nach einer
unter Zufuhr von Kraftstoff erfolgten Verbrennung in der Brennkraftmaschine 1 als Abgas über
den Abgastrakt 3 abgeführt wird.
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Der
Frischluftstrang 2 weist eine Ladeluftleitung 4 auf,
welche an ihrem der Brennkraftmaschine 1 zugewandten Ende
mit der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist. Stromauf der
Brennkraftmaschine 1 ist in der Ladeluftleitung 4 ein
Ladeluftkühler 5 zur Kühlung angesaugter
Verbrennungsluft angeordnet. Ein Verbrennungsluftfilter 6 zum
Reinigen der angesaugten Verbrennungsluft ist an dem anderen Ende
der Ladeluftleitung 4 angeordnet, welches von der Brennkraftmaschine 1 abgewandt
positioniert ist. Stromab des Verbrennungsluftfilters 6 ist
ein Luftmengenmesser 7 in der Ladeluftleitung 4 angeordnet.
Mit Hilfe des Luftmengenmessers 7 wird ein Luftdurchsatz
gemessen, dessen Messwert an eine Regel- und Steuereinheit 8 weitergegeben
wird. Die Regel- und Steuereinheit 8 ist der Brennkraftmaschine 1 zur
Regelung und Steuerung vieler Funktionen zugeordnet. Über
die Regel- und Steuereinheit 8 ist insbesondere die Kraftstoffzufuhr
regelbar.
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Der
Abgastrakt 3 weist eine Abgasleitung 9 auf, welche
an ihrem der Brennkraftmaschine 1 zugewandten Ende mit
einem nicht näher dargestellten Abgaskrümmer der
Brennkraftmaschine 1 verbundenen ist. An einem von der
Brennkraftmaschine 1 abgewandten Ende der Abgasleitung 9 ist
zur Abgasnachbehandlung ein Abgasnachbehandlungssystem 10 angeordnet,
welches in Form eines Rußfilters und/oder Katalysators
und/oder SCR-Anlage ausgebildet ist.
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Die
Brennkraftmaschine 1 weist ergänzend ein Abgasrückführsystem 11 auf,
dem eine Verbindungsleitung 12 in Form einer Abgasrückführleitung von
der Abgasleitung 9 abzweigend und in die Ladeluftleitung 4 stromab
des Ladeluftkühlers 5 einmündend zugeordnet
ist. In der Abgasrückführleitung 12 ist
zur Kühlung von rückgeführtem Abgas ein
Abgaskühler 13 angeordnet. Eine Einstellung einer
rückgeführten Abgasmenge erfolgt mit Hilfe eines
Abgasrückführventils 14.
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Des
Weiteren ist der Brennkraftmaschine 1 ein Abgasturbolader 15 zugeordnet,
welcher ein Gehäuse 16 aufweist, das einen durchströmbaren
Abgasführungsabschnitt 17, einen durchströmbaren Luftführungsabschnitt 18 und
einen Lagerabschnitt 19 umfasst, wobei der Luftführungsabschnitt 18 im Frischluftstrang 2 und
der Abgasführungsabschnitt 17 im Abgastrakt 3 angeordnet
sind. Der Lagerabschnitt 19 ist zwischen dem Luftführungsabschnitt 18 und
dem Abgasführungsabschnitt 17 positioniert.
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Der
Abgasturbolader 15 weist ein im Gehäuse 16 drehbar
gelagertes Laufzeug 20 auf, welches ein Verdichterrad 21 zum
Ansaugen und Verdichten von Verbrennungsluft, ein Turbinenrad 22 zur
Expansion von Abgas und eine das Verdichterrad 21 mit dem
Turbinenrad 22 drehfest verbindende erste Welle 23 mit
einer ersten Drehachse 24 umfasst. Das Verdichterrad 21 ist
im Luftführungsabschnitt 18, das Turbinenrad 22 ist
im Abgasführungsabschnitt 17 und die erste Welle 23 ist
im Lagerabschnitt 19 drehbar gelagert.
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Im
Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird das Turbinenrad 22 als
Folge einer Beaufschlagung durch das Abgas der Brennkraftmaschine 1 in
eine Rotationsbewegung versetzt, wobei mit Hilfe der ersten Welle 23 das
Verdichterrad 21 ebenfalls in Rotation versetzt wird, so
dass es Verbrennungsluft ansaugt und verdichtet. Die angesaugte
Verbrennungsluft wird, bevor sie in die Brennkraftmaschine 1 gelangt,
im Ladeluftkühler 5 gekühlt.
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Das
Verdichterrad 21 weist eine variable Verdichtergeometrie 25 auf,
mit Hilfe derer ein Anströmquerschnitt auf das Verdichterrad 21 veränderlich einstellbar
ist. Im Abgasführungsabschnitt 17 ist eine Leitvorrichtung 26 zur Änderung
der Abgasströmung auf das Turbinenrad 22 positioniert.
Mit Hilfe einer stromauf des Turbinenrades 22 von der Abgasleitung 9 abzweigenden
und stromab des Turbinenrades 22 wieder in die Abgasleitung 9 einmündenden
Umgehungsleitung 27 ist das Turbinenrad 22 umgehbar. Eine
entsprechende Abgasmenge ist mit Hilfe einer in der Umgehungsleitung 27 angeordneten
Ventilvorrichtung 28 einzustellen.
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In 2 ist
in einem Schnitt der Abgasführungsabschnitt 17 dargestellt,
welcher in der Abgasleitung 9 positioniert ist. Die Abgasleitung 9 mündet
in einen Einströmkanal 32 des Abgasführungsabschnitts 17,
welcher zur Konditionierung des auf das Turbinenrad 22 strömenden
Abgases vorgesehen ist.
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Die
Umgehungsleitung 27, welche eine erste Querschnittsfläche 31 aufweist,
ist im Abgasführungsabschnitt 17 neben dem Einströmkanal 32,
welcher eine zweite Querschnittsfläche 33 aufweist,
ausgebildet. Mit Hilfe einer Trennwand 34 ist der Einströmkanal 32 von
der Umgehungsleitung 27 strömungsdicht abgetrennt.
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In
einem ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Ventilvorrichtung 28,
welche wie in 2 dargestellt, im Abgasführungsabschnitt 17 integriert positioniert
ist, eine Schließvorrichtung 29 und eine Verstellvorrichtung 30.
Die Verstellvorrichtung 30 ist in 3 dargestellt.
Der Abgasführungsabschnitt 17 weist eine die Umgehungsleitung 27 umschließende erste
Ausnehmung 35 mit einer Höhe HV auf, welche idealerweise
an einer Flanschfläche 36 des Abgasführungsabschnitts 17 ausgebildet
ist. Durch die Anordnung der ersten Ausnehmung 35 an der
Flanschfläche 36 ist eine einfache Montage der
Ventilvorrichtung 28 realisierbar. Bereits während
der Herstellung des Abgasführungsabschnitts 17,
beispielsweise in einem Gießverfahren, ist die erste Ausnehmung 35 durch
entsprechende Ausbildung der Gießform einzubringen.
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Die
Schließvorrichtung 29 ist in der ersten Ausnehmung 35 über
die erste Querschnittsfläche 31 verdrehbar gelagert,
wobei die Schließvorrichtung 29 derart ausgestaltet
ist, dass eine erste Außenkontur 37 der Schließvorrichtung 29 einer
zweiten Außenkontur 38 der ersten Ausnehmung 35 angepasst
ausgebildet ist, wie in 3 dargestellt.
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In
einer einfachsten Ausführung ist die Schließvorrichtung 29 in
Form einer flachen Scheibe ausgebildet, wobei eine Höhe
HS der Schließvorrichtung 29 der Höhe
HV entspricht. Eine Oberseite 39 der Scheibe 29,
welche von der ersten Ausnehmung 35 abgewandt positioniert
ist, ist vorteilhafterweise eben ausgestaltet.
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In
dem in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel
der Ventilvorrichtung 28 ist die scheibenförmige
Schließvorrichtung 29 deckelartig ausgebildet,
wobei sie eine zweite Ausnehmung 40 aufweist. Die zweite
Ausnehmung 40 ist von einer Umrandung 41 begrenzt,
wobei die Umrandung 41 die zweite Ausnehmung 40 über
den gesamten Umfang der Scheibe 29 vollständig
umfassend ausgestaltet ist. Die Umrandung 41 ist von der
Oberseite 39 der Scheibe 29 abgewandt, an einer
Unterseite 42 der Scheibe 29 ausgebildet. Bevorzugterweise
sind eine an der ersten Außenkontur 37 angrenzende
Außenfläche 43 der Scheibe 29 und
eine an der zweiten Außenkontur 38 angrenzende
Randfläche 44 der ersten Ausnehmung 35 korrespondierend
ausgestaltet, wobei ein Bewegungsspalt 45 zwischen der
Randfläche 44 und der Außenfläche 43 zur
Vermeidung einer Reibfläche vorzusehen ist.
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Die
Umrandung 41 weist eine Auflagefläche 46 auf,
welche von der Oberseite 39 abgewandt angeordnet ist. Zwischen
der Auflagefläche 46 und einer Bodenfläche 47 der
ersten Ausnehmung 35 ist ein die erste Querschnittsfläche 31 begrenzender, mindestens
linienförmiger Kontakt 48 ausgebildet. Zur Vermeidung
von Leckagen ist der Kontakt 48 die erste Querschnittsfläche 31 vollständig
umfassend auszubilden.
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Eine
bei einer Verdrehung der Scheibe 29 zu überwindende
erste Reibungskraft FSR ist abhängig von der Größe
der Auflagefläche 46 und nimmt ihren kleinsten
Wert bei einer linienförmigen Gestaltung des Kontaktes 48 an.
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Die
Schließvorrichtung 29 ist im Abgasführungsabschnitt 17 so
vorgesehen, dass eine an der Oberseite 39 ausgebildete
Oberfläche 49 an der Flanschfläche 36 bündig
anliegend angeordnet ist. Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 und
in geschlossenem Zustand der Ventilvorrichtung 28, liegt ein
Abgasgegendruck PAB des Abgases sowohl am Turbinenrad 22 als
auch an der Oberfläche 49 an. Der auf die Oberfläche 49 wirkende
Abgasgegendruck PAB wirkt über die Scheibe 29 auf
die Auflagefläche 46. Die Auflagefläche 46 wird
mit einer aus dem Abgasgegendruck resultierenden Kraft FAD gegen
die Bodenfläche 47 gedrückt. Da in dem
ersten Ausführungsbeispiel die Auflagefläche 46 kleiner
ist als die Oberfläche 49, ist ein in der Auflagefläche 46 wirkender
Anpressdruck PAA größer als der Abgasgegendruck
PAB. Der Anpressdruck PAA wirkt damit als, neben dem dichtend wirkenden
Kontakt 48, eine zusätzliche Leckage vermeidende
Komponente.
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Die
verdrehbare Scheibe 29 ist quer zur Strömungsrichtung 50 des
Abgases angeordnet. Aufgrund dieser Anordnung sind sowohl beim Öffnen
als auch beim Schließen der ersten Querschnittsfläche 31 Schließkräfte
erforderlich, welche quer zur Kraft FAB aufzubringen sind. Ist die
verdrehbar Scheibe 29, wie in 2 dargestellt,
senkrecht zur Kraft FAB angeordnet, so weist die aufzubringende
Schließkraft FS einen aus der erste Reibungskraft FSR und
einer zweite Reibungskraft FHR resultierenden Wert auf. Die Größe
der zweiten Reibungskraft FHR ist dabei von der Verstellvorrichtung 30 abhängig.
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Die
Verstellvorrichtung 30 weist eine drehfest mit der Scheibe 29 verbundene
zweite Welle 51 mit einer zweiten Drehachse 52 auf,
welche im Abgasführungsabschnitt 17 drehbar gelagert
ist. An dem von der Scheibe 29 abgewandt angeordneten Ende
der Welle 51 ist ein Aktuator 53 vorgesehen, welcher
die Welle 51 verdrehend ausgestaltet ist. Der in 4 dargestellte
Aktuator 53 ist in Form eines um die Drehachse 52 verdrehbaren
Hebels ausgebildet.
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In
einem zweiten Ausführungsbeispiel gem. 5,
ist die Schließvorrichtung 29 axial entlang einer
Schiebeachse 54 über die erste Querschnittsfläche 31 bewegbar.
Im Abgasführungsabschnitt 17 weist die Ausnehmung 35 zusätzlich
eine nutförmige erste Gleitbahn 55 und eine nutförmigen
zweite Gleitbahn 56 auf, wobei die Gleitbahnen 55, 56 jeweils
mit einer Tiefe TG ausgebildet sind. Die Gleitbahnen 55, 56 sind
bevorzugt parallel zur Schiebeachse 54 ausgebildet und
sind sich gegenüberliegend so positioniert, dass die erste
Querschnittsfläche 31 dazwischenliegend angeordnet
ist. Die Gleitbahnen 55, 56 sind die erste Querschnittsfläche 31 unter
Einhaltung eines Minimalabstandes 57 tangierend ausgebildet.
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Die
Scheibe 29 weist eine die erste Querschnittsfläche 31 in
geschlossenem Zustand vollständig überdeckende
Form auf. Der Scheibe 29 sind in einem parallel zur Schiebeachse 54 vorliegenden ersten
Bereich 58 und in einem parallel zur Schiebeachse 54 vorliegenden
zweiten Bereich 59 eine erste Gleitvorrichtung 60 beziehungsweise
eine zweite Gleitvorrichtung 61 zugeordnet. Die Gleitvorrichtungen 60, 61 sind
an der Unterseite 42 der Scheibe 29 positioniert
und weisen eine Höhe HG auf, wobei die Höhe HG
der Tiefe TG entspricht. Die Gleitvorrichtungen 60, 61 sind
von den Gleitbahnen 55, 56 aufnehmbar und in den
Gleitbahnen 55, 56 bewegbar ausgestaltet.
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In
einem dritten, nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel,
ist die Schließvorrichtung 29 derart ausgestaltet,
dass zusätzlich zur ersten Querschnittsfläche 31 die
zweite Querschnittsfläche der Abgasleitung 9 mindestens
teilweise verschließbar ist. Somit ist mit Hilfe der Schließvorrichtung 29 die Abgasströmung
vor dem Turbinenrad 22 konditionierbar.
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Sowohl
im ersten Ausführungsbeispiel als auch im zweiten Ausführungsbeispiel
ist die Schließvorrichtung 29 vollständig
aus der Umgehungsleitung 27 entfernbar, so dass keine erhöhten
Strömungswiderstandsbeiwerte in Erscheinung treten.
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Der
Aktuator 53 ist mechanisch und/oder pneumatisch und/oder
elektrotechnisch aktivierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004005001
A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Kraftfahrtechnischen
Taschenbuch", Bosch (25. überarbeitete und erweiterte Auflage,
Oktober 2003, ISBN 3-528-23876-3, S. 535) [0002]