DE102010044683A1

DE102010044683A1 - Abgasturbolader mit einem Bypassventil

Info

Publication number: DE102010044683A1
Application number: DE201010044683
Authority: DE
Inventors: Jens Kühlmeyer; Dipl.-Ing. Hagelstein Dirk; Eduard Lippert
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2012-03-08
Also published as: US20130186085A1; WO2012031727A1; KR101428952B1; US8844283B2; EP2614235A1; RU2013115289A; CN103097689B; KR20130037729A; CN103097689A; EP2614235B1; RU2535468C1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1) für eine Brennkraftmaschine (3). Der Abgasturbolader (1) hat einen Bypasskanal (4) zur Umgehung einer Turbine (5) des Abgasturboladers (1). Zwischen einer Abgasdruckleitung (10) und einem Auslassquerschnitt (6) der Turbine (5) ist in dem Bypasskanal (4) ein Bypassventil (2) vorgesehen. Das Bypassventil (2) ist mit einem Ventilschaft in einer Schiebeführung axial beweglich gehalten und ein Ventilteller des Bypassventils (2) ist in einem geschlossenen Zustand des Bypassventils (2) gegen einen Ventilsitz anlegbar, wobei die mit dem Ventilschaft verbundene Seite des Ventiltellers der Abgasdruckleitung (10) zugewandt ist. Weiterhin ist an dem Bypassventil eine Druckplatte ausgebildet, die in einer Ausnehmung eines Gehäuses (13) des Abgasturboladers (1) beweglich ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, der mit einem Bypassventil ausgeführt ist, welches in einem Bypasskanal einer Turbine zwischen einer Abgasdruckleitung und einem Auslassquerschnitt der Turbine des Abgasturboladers angeordnet ist. Das Bypassventil ist zur Steuerung des Durchflusses von Abgas durch den Bypasskanal mit einem elektrisch und/oder pneumatisch betätigbaren Stellmittel verbunden und besteht aus einem Ventilteller und einem Ventilschaft. Durch das Bypassventil ist ein Teilstrom des Abgases bedarfsweise an der Turbine vorbeileitbar. Der Ventilschaft ist in einer Schiebeführung axial beweglich gehalten. Um den Bypasskanal strömungsdicht zu verschließen, ist der Ventilteller in einem geschlossenen Zustand des Bypassventils gegen einen Ventilsitz anlegbar.
Im Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader wird über einen Bypasskanal für eine Turbine des Abgasturboladers ein Teilstrom des Abgases wahlweise an der Turbine vorbeigeleitet. Hierzu ist in dem Bypasskanal ein auch als Wastegateventil bezeichnetes Bypassventil zum Öffnen oder Schließen des Bypasskanals angeordnet. Das Bypassventil besteht aus einem Ventilteller und einem Ventilschaft. Der Ventilteller wird in einem geschlossenen Zustand des Bypassventils gegen einen Ventilsitz gedrückt. Bei einer Lastanforderung an die Brennkraftmaschine wird das Bypassventil geschlossen und mit einer vorbestimmten Kraft gegen den Ventilsitz gedrückt, wobei die Kraft derart gewählt wird, dass während der Lastanforderung der Bypasskanal gegen den Abgasdruck der Brennkraftmaschine strömungs- und druckdicht verschlossen ist.
Abgasturbolader mit einem Bypasskanal für die Turbine des Abgasturboladers sind aus den Druckschriften WO 2006/046810 A1 , US 4,171,936 A , GB 1,049,656 A und GB 2 033 007 A bekannt. Diese zeigen einen Abgasturbolader mit einem in dem Bypasskanal angeordneten Bypassventil. Auf das aus dem genannten Stand der Technik bekannte Bypassventil wirkt ein mechanisch und/oder pneumatisch arbeitendes Stellmittel. Das Stellmittel ist für die pneumatische Steuerung ein mit dem Ventilschaft verbundener Druckkolben beziehungsweise eine Druckmembran, die in einem von dem Bypasskanal abgetrennten Arbeitsraum beweglich angeordnet ist. Dieser Arbeitsraum ist über eine Druckleitung mit dem ladeluftseitigen Saugrohr verbunden.
Aus der Druckschrift US 2002/0078934 A1 ist ein Stellmittel bekannt, das elektrisch beziehungsweise elektro-mechanisch angetrieben wird.
Die Ansteuerung des Bypassventils durch den Einsatz eines elektrischen Stellmittels lässt sich präziser und unabhängig von den Druckverhältnissen im Abgasturbolader, jedoch zu jeder Zeit abhängig von dem Arbeitsbereich und der Lastanforderung der Brennkraftmaschine gestalten. Da die elektrischen Stellmittel die pneumatischen Kräfte des Abgasturboladers nicht ausnutzen können, müssen sie ausreichend leistungsstark ausgeführt sein. Solche leistungsstarken elektrischen Stellmittel benötigen nicht nur viel Energie, sondern sie haben auch eine entsprechend große Masse mit den dadurch verursachten Kosten sowie einen erhöhten Platzbedarf.
Um den Kraftaufwand des Stellmittels gegen den Abgasdruck zu reduzieren, ist es bekannt, das Bypassventil in Form eines Tellerventils mit Ventilteller und Ventilschaft auszuführen. Dabei wirkt der Abgasdruck im geschlossenen Zustand des Ventils gegen den Ventilteller und drückt diesen in den Ventilsitz, wodurch die Druck- und Strömungsdichtigkeit unterstützt wird.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass für das Bypassventil im Bypasskanal der Turbine des Abgasturboladers ein kostengünstiges Stellmittel mit geringer Leistungsaufnahme, kleinem Bauraum und geringer Masse vorgesehen werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Abgasturbolader gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist ein Abgasturbolader vorgesehen, bei dem der Abgasdruckleitung die mit dem Ventilschaft verbundene Seite des Ventiltellers zugewandt ist, sodass der Ventilteller zum Öffnen des Bypassventils in Richtung des Auslassquerschnitts bewegt wird. Dabei ist es vorteilhaft, dass an dem Bypassventil eine in einer Ausnehmung eines Gehäuses des Abgasturboladers bewegliche Druckplatte ausgebildet ist. Durch den Einsatz der Druckplatte ist es möglich, die erforderliche Stellkraft des Bypassventils zu reduzieren. Die Druckplatte ist derart an dem Bypassventil angeordnet, dass die Anströmung des Bypassventils aus der Abgasdruckleitung genau zwischen dem Ventilteller und der Druckplatte erfolgt. Somit wirkt die Gaskraft zugleich auf den Ventilteller und die Druckplatte. Da die Wirkung der Gaskraft auf den Ventilteller und die Druckplatte in entgegengesetzter Richtung erfolgt, heben sich die Kräfte gegenseitig nahezu auf. Die Abgasdruckleitung, auch Krümmer genannt, ist eine Verbindung zwischen der Brennkraftmaschine und dem Abgasturbolader, in der das unter hohem Druck stehende Abgas von dem Zylinder der Brennkraftmaschine zu der Turbine des Abgasturboladers transportiert wird.
Hierzu ist die Ausnehmung gegenüber dem Bypasskanal mittels zumindest eines Dichtelements der Druckplatte nahezu strömungsdicht verschlossen. So wird weitgehend verhindert, dass der Gasdruck hinter die Druckplatte strömen kann. Der Gasdruck wirkt sowohl auf den Ventilteller als auch auf die Druckplatte mit nahezu derselben Kraft, jedoch in entgegengesetzter Richtung. Da die Druckplatte über den Ventilschaft mit dem Ventilteller verbunden ist, heben sich die Kräfte gegeneinander nahezu vollständig auf. Das Stellmittel des Bypassventils muss im Wesentlichen nur noch die Reibungswiderstände der Dichtungen überwinden. Dies ist besonders bei stark pulsierenden Abgasbeaufschlagungen günstig. Für eine Montage des Ventils durch den Ventilsitz hindurch ist es jedoch erforderlich, dass der Durchmesser der Druckplatte etwas kleiner ist als der Durchmesser des Ventiltellers. Somit muss das Stellmittel lediglich die Kraft für die Änderung der Position des Bypassventils aufbringen, welche nur aus den Reibkräften der Dichtungen und der aus dem Verhältnis des für den Abgasdruck wirksamen Querschnitts des Ventiltellers und der Druckplatte verbleibenden Restkraft besteht. Da die druckwirksame Querschnittsfläche des Ventiltellers aus Montagegründen größer ist als die druckwirksame Querschnittsfläche der Druckplatte, wirkt die resultierende Abgaskraft stets in Richtung Öffnen des Bypassventils. Da die resultierende Abgaskraft größer ist als die zu überwindenden Reibkräfte der Dichtungen, ist bei einem Ausfall des Stellmittels eine Selbstöffnung des Bypassventils sichergestellt.
Damit sich bei der Bewegung des Bypassventils in der Ausnehmung hinter der Druckplatte kein Gegendruck aufbauen kann, ist es vorteilhaft, dass die Ausnehmung mit einem Auslassquerschnitt der Turbine durch eine insbesondere in dem Gehäuse des Abgasturboladers ausgebildete Ausgleichsleitung verbunden ist. Somit wird zugleich sichergestellt, dass an der zur Führung und Abdichtung des Bypassventils vorgesehenen Schiebeführung stets der niedrige Abgasdruck nach der Turbine anliegt. Dieses Druckniveau ist dichtungstechnisch leichter zu beherrschen als der in der Abgasdruckleitung vor der Turbine herrschende Druck. Der hohe Druck liegt lediglich an der wesentlich größeren Dichtung der Druckplatte an.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasturboladers hat einen Ventilsitz, an dem eine Maskierung angeordnet ist. Diese Maskierung erlaubt es, die Abgasdurchsatzkennlinie wunschgemäß modellieren zu können. Die Maskierung ist als ein stegartiger Vorsprung ausgebildet, der entlang des Ventilsitzes gegenüber der unmittelbaren Umgebung in Richtung des Auslassquerschnitts erhaben ist. Hierdurch wird bis zu einem wunschgemäßen Öffnungshub des Bypassventils die Fläche des Öffnungsspalts zwischen Ventilteller und Ventilsitz entsprechend der Ausdehnung der Maskierung eingeschränkt. Durch eine solche Maskierung kann der Abgasstrom durch das Bypassventil bei kleinen Öffnungshüben gehindert werden, über den vollen Kreisquerschnitt des Ventilsitzes auszuströmen. Bei einer Maskierung, die sich beispielsweise einen Millimeter gegenüber dem Ventilsitz erhebt und ein Sechstel des Kreisumfangs des Ventilsitzes abdeckt, kann der Abgasstrom bei Ventilhüben bis zu einem Millimeter nur über fünf Sechstel des Kreisumfangs und bei Ventilhüben über einen Millimeter über den vollen Kreisumfang durch das Bypassventil strömen. Darüber hinaus kann durch die Wahl der Position der Maskierung die Ausströmrichtung des Abgases beeinflusst werden.
Aufgrund der gegenüber dem Stand der Technik stark reduzierten Stellkraft sowie der Möglichkeit, mittels einer Maskierung die Durchflusscharakteristik des Abgases flexibel gestalten zu können, ist das erfindungsgemäße Bypassventil auch als zwei- oder mehrstufiges Regelventil einsetzbar.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind zwei davon in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine schematische Darstellung eines Abgasturboladers;
2 eine geschnittene Darstellung eines Bypassventils einer ersten Ausführungsform in einem geschlossenen Zustand;
3 eine geschnittene Darstellung des Bypassventils der ersten Ausführungsform in einem geöffneten Zustand;
4 eine schematische Ansicht eines Auslassquerschnitts des Abgasturboladers mit einem Bypassventil einer zweiten Ausführungsform in einem geschlossenen Zustand;
5 eine geschnittene Darstellung des Bypassventils der zweiten Ausführungsform in einem geschlossenen Zustand;
6 eine geschnittene Darstellung des Bypassventils der zweiten Ausführungsform in einem teilweise geöffneten Zustand;
7 eine geschnittene Darstellung des Bypassventils der zweiten Ausführungsform in einem vollständig geöffneten Zustand
8 eine geschnittene Darstellung einer weiteren Variante eines Abgasturboladers mit einem vergrößerten Ausschnitt eines Bypassventils des Abgasturboladers.
1 zeigt einen Abgasturbolader 1 einer Brennkraftmaschine 3. Der Abgasturbolader 1 hat ladeluftseitig einen Kompressor 9 und abgasseitig eine Turbine 5. In dem Gehäuse 13 des Abgasturboladers 1 ist zur Umgehung der Turbine 5 ein Bypasskanal 4 vorgesehen. Der Bypasskanal 4 verbindet eine Abgasdruckleitung 10 mit einem Auslassquerschnitt 6 der Turbine 5. In dem Bypasskanal 4 ist ein Bypassventil 2 zum Verschließen des Bypasskanals 4 angeordnet. Die gezeigte Ausführungsform hat einen von dem Bypassventil 2 und der Abgasdruckleitung 10 begrenzten Abschnitt des Bypasskanals 4, welcher auch als Abzweigung der Abgasdruckleitung 10 bezeichnet werden kann. Eine Ausgleichsleitung 8 verbindet eine Ausnehmung im Bereich des Bypassventils 2 mit dem Auslassquerschnitt 6, sodass in der Ausnehmung stets derselbe Druck herrscht wie in dem Auslassquerschnitt 6.
Die 2 und 3 zeigen eine geschnittene, vergrößerte Darstellung des Bypassventils 2. Das in dem Bypasskanal 4 angeordnete Bypassventil 2 besteht aus einem Ventilteller 12 und einer Druckplatte 14, die beide mit einem Ventilschaft 15 verbunden und gemeinsam mit dem Ventilschaft 15 beweglich sind. In dem Gehäuse 13 des Abgasturboladers ist eine Ausnehmung 11 vorgesehen, in der die Druckplatte 14 beweglich angeordnet ist. Die Druckplatte 14 hat zumindest ein Dichtelement 17, das die Ausnehmung 11 gegenüber dem Bypasskanal 4 strömungs- und druckdicht verschließt. Das Bypassventil 2 ist mit dem Ventilschaft 15 in einer Schiebeführung 16 axial beweglich gehalten. Die Schiebeführung 16 dient weiterhin der Abdichtung der Ausnehmung 11 gegenüber der Umwelt. Bei dem Bypassventil 2 ist die mit dem Ventilschaft 15 verbundene Seite des Ventiltellers 12 der in 1 gezeigten Abgasdruckleitung zugewandt. Bewegt wird das Bypassventil 2 durch ein Stellmittel 7. Die Ausnehmung 11 ist über die Ausgleichsleitung 8 mit dem Auslassquerschnitt 6 verbunden.
2 zeigt das Bypassventil 2 in einem geschlossenen Zustand. Dabei liegt der Ventilteller 12 an einem Ventilsitz 18 an. Das mit dem Ventilschaft 15 verbundene Stellmittel 7 erzeugt eine Schließkraft, um so den Bypasskanal 4 gas- und druckdicht zu verschließen.
3 zeigt das Bypassventil 2 in einem geöffneten Zustand. Der Ventilteller 12 weist zu dem Ventilsitz 18 einen Abstand auf, der sich als Ringspalt ausgebildet hat. Die Druckplatte 14 wurde in der Ausnehmung 11 um denselben Ventilhubweg bewegt.
4, 5, 6 und 7 zeigen eine zweite Ausführungsform des in den vorhergehenden Figuren beschriebenen Bypassventils 2. Bei dieser Ausführungsform ist an dem Ventilsitz 18 eine Maskierung 19 angeordnet. Die Maskierung 19 ist als ein stegartiger Vorsprung ausgebildet, der entlang des Ventilsitzes 18 gegenüber der unmittelbaren Umgebung in Richtung des Auslassquerschnitts 6 erhaben ist. Hierdurch wird bis zu einem wunschgemäßen Öffnungshub des Bypassventils 2 die Fläche des Öffnungsspalts zwischen Ventilteller 12 und Ventilsitz 18 entsprechend der Ausdehnung der Maskierung 19 eingeschränkt. Durch eine solche Maskierung 19 kann der Abgasstrom durch das Bypassventil 2 bei kleinen Öffnungshüben gehindert werden, über den vollen Kreisquerschnitt des Ventilsitzes 18 auszuströmen.
4 zeigt eine schematische Ansicht des Auslassquerschnitts 6 des Abgasturboladers. Zu erkennen sind von dem Bypassventil die dem Auslassquerschnitt 6 zugewandte Seite des Ventiltellers 12, die Ausgleichsleitung 8, der Ventilsitz 18, die an dem Ventilsitz 18 angeordnete Maskierung 19 und eine Ausströmöffnung 20 der Turbine.
5 zeigt das Bypassventil in einem geschlossenen Zustand. Dabei liegt der Ventilteller 12 an einem Ventilsitz 18 an. Die Maskierung 19 ist in diesem Zustand des Bypassventils 2 ohne Wirkung.
6 zeigt das Bypassventil in einem teilweise geöffneten Zustand. Der Ventilteller 12 weist zu dem Ventilsitz 18 einen Abstand auf. Durch diesen Abstand bildet sich ein Spalt aus, der jedoch durch die Maskierung 19 begrenzt ist. Im Bereich der Maskierung 19 weist der Ventilteller 12 zu dem Ventilsitz 18 zwar einen Abstand auf, doch da der Ventilteller 12 nun an der Maskierung 19 anliegt, bildet sich hier lokal kein Spalt aus.
7 zeigt das Bypassventil in einem vollständig geöffneten Zustand. Der Ventilteller 12 weist nun sowohl zu dem Ventilsitz 18 als auch zu der Maskierung 19 einen Abstand auf. Der Spalt zwischen dem Ventilteller 12 und dem Ventilsitz 18 beziehungsweise der Maskierung 19 ist über den gesamten Umfang des Ventiltellers 12 ausgebildet.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform des Abgasturboladers bei dem die Maskierung 19 durch eine zweckmäßige räumliche Ausformung einer Fläche 21 des Gehäuses 13 gebildet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2006/046810 A1 [0003]
US 4171936 A [0003]
GB 1049656 A [0003]
GB 2033007 A [0003]
US 2002/0078934 A1 [0004]

Claims

Abgasturbolader (1), insbesondere für eine Brennkraftmaschine (3), der mit einem Bypassventil (2) ausgeführt ist, welches in einem Bypasskanal (4) einer Turbine (5) zwischen einer Abgasdruckleitung (10) und einem Auslassquerschnitt (6) der Turbine (5) des Abgasturboladers (1) angeordnet ist und mit einem elektrisch und/oder pneumatisch betätigbaren Stellmittel (7) zur Steuerung des Durchflusses von Abgas durch den Bypasskanal (4) verbunden ist, wobei durch das Bypassventil (2) ein Teilstrom des Abgases bedarfsweise an der Turbine (5) vorbeileitbar ist, das Bypassventil (2) einen Ventilteller (12) und einen Ventilschaft (15) hat, das Bypassventil (2) mit dem Ventilschaft (15) in einer Schiebeführung (16) axial beweglich gehalten ist und der Ventilteller (12) in einem geschlossenen Zustand des Bypassventils (2) gegen einen Ventilsitz (18) anlegbar ist, um den Bypasskanal (4) gas- und druckdicht zu verschließen, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Ventilschaft (15) verbundene Seite des Ventiltellers (12) der Abgasdruckleitung (10) zugewandt ist.
Abgasturbolader (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Bypassventil (2) eine Druckplatte (14) ausgebildet ist, die in einer Ausnehmung (11) eines Gehäuses (13) des Abgasturboladers (1) beweglich ist.
Abgasturbolader (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (11) gegenüber dem Bypasskanal (4) mittels eines Dichtelements (17) der Druckplatte (14) strömungsdicht verschlossen ist.
Abgasturbolader (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (11) mit dem Auslassquerschnitt (6) der Turbine (5) durch eine Ausgleichsleitung (8) verbunden ist.
Abgasturbolader (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsleitung (8) in dem Gehäuse (13) des Abgasturboladers (1) ausgebildet ist.
Abgasturbolader (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass an dem Ventilsitz (18) eine Maskierung (19) vorgesehen ist.