DE102010044683A1 - Abgasturbolader mit einem Bypassventil - Google Patents
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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 GB 2 033 007 A - Aus der Druckschrift
US 2002/0078934 A1 - 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 Abgasturbolader1 einer Brennkraftmaschine3 . Der Abgasturbolader1 hat ladeluftseitig einen Kompressor9 und abgasseitig eine Turbine5 . In dem Gehäuse13 des Abgasturboladers1 ist zur Umgehung der Turbine5 ein Bypasskanal4 vorgesehen. Der Bypasskanal4 verbindet eine Abgasdruckleitung10 mit einem Auslassquerschnitt6 der Turbine5 . In dem Bypasskanal4 ist ein Bypassventil2 zum Verschließen des Bypasskanals4 angeordnet. Die gezeigte Ausführungsform hat einen von dem Bypassventil2 und der Abgasdruckleitung10 begrenzten Abschnitt des Bypasskanals4 , welcher auch als Abzweigung der Abgasdruckleitung10 bezeichnet werden kann. Eine Ausgleichsleitung8 verbindet eine Ausnehmung im Bereich des Bypassventils2 mit dem Auslassquerschnitt6 , sodass in der Ausnehmung stets derselbe Druck herrscht wie in dem Auslassquerschnitt6 . - Die
2 und3 zeigen eine geschnittene, vergrößerte Darstellung des Bypassventils2 . Das in dem Bypasskanal4 angeordnete Bypassventil2 besteht aus einem Ventilteller12 und einer Druckplatte14 , die beide mit einem Ventilschaft15 verbunden und gemeinsam mit dem Ventilschaft15 beweglich sind. In dem Gehäuse13 des Abgasturboladers ist eine Ausnehmung11 vorgesehen, in der die Druckplatte14 beweglich angeordnet ist. Die Druckplatte14 hat zumindest ein Dichtelement17 , das die Ausnehmung11 gegenüber dem Bypasskanal4 strömungs- und druckdicht verschließt. Das Bypassventil2 ist mit dem Ventilschaft15 in einer Schiebeführung16 axial beweglich gehalten. Die Schiebeführung16 dient weiterhin der Abdichtung der Ausnehmung11 gegenüber der Umwelt. Bei dem Bypassventil2 ist die mit dem Ventilschaft15 verbundene Seite des Ventiltellers12 der in1 gezeigten Abgasdruckleitung zugewandt. Bewegt wird das Bypassventil2 durch ein Stellmittel7 . Die Ausnehmung11 ist über die Ausgleichsleitung8 mit dem Auslassquerschnitt6 verbunden. -
2 zeigt das Bypassventil2 in einem geschlossenen Zustand. Dabei liegt der Ventilteller12 an einem Ventilsitz18 an. Das mit dem Ventilschaft15 verbundene Stellmittel7 erzeugt eine Schließkraft, um so den Bypasskanal4 gas- und druckdicht zu verschließen. -
3 zeigt das Bypassventil2 in einem geöffneten Zustand. Der Ventilteller12 weist zu dem Ventilsitz18 einen Abstand auf, der sich als Ringspalt ausgebildet hat. Die Druckplatte14 wurde in der Ausnehmung11 um denselben Ventilhubweg bewegt. -
4 ,5 ,6 und7 zeigen eine zweite Ausführungsform des in den vorhergehenden Figuren beschriebenen Bypassventils2 . Bei dieser Ausführungsform ist an dem Ventilsitz18 eine Maskierung19 angeordnet. Die Maskierung19 ist als ein stegartiger Vorsprung ausgebildet, der entlang des Ventilsitzes18 gegenüber der unmittelbaren Umgebung in Richtung des Auslassquerschnitts6 erhaben ist. Hierdurch wird bis zu einem wunschgemäßen Öffnungshub des Bypassventils2 die Fläche des Öffnungsspalts zwischen Ventilteller12 und Ventilsitz18 entsprechend der Ausdehnung der Maskierung19 eingeschränkt. Durch eine solche Maskierung19 kann der Abgasstrom durch das Bypassventil2 bei kleinen Öffnungshüben gehindert werden, über den vollen Kreisquerschnitt des Ventilsitzes18 auszuströmen. -
4 zeigt eine schematische Ansicht des Auslassquerschnitts6 des Abgasturboladers. Zu erkennen sind von dem Bypassventil die dem Auslassquerschnitt6 zugewandte Seite des Ventiltellers12 , die Ausgleichsleitung8 , der Ventilsitz18 , die an dem Ventilsitz18 angeordnete Maskierung19 und eine Ausströmöffnung20 der Turbine. -
5 zeigt das Bypassventil in einem geschlossenen Zustand. Dabei liegt der Ventilteller12 an einem Ventilsitz18 an. Die Maskierung19 ist in diesem Zustand des Bypassventils2 ohne Wirkung. -
6 zeigt das Bypassventil in einem teilweise geöffneten Zustand. Der Ventilteller12 weist zu dem Ventilsitz18 einen Abstand auf. Durch diesen Abstand bildet sich ein Spalt aus, der jedoch durch die Maskierung19 begrenzt ist. Im Bereich der Maskierung19 weist der Ventilteller12 zu dem Ventilsitz18 zwar einen Abstand auf, doch da der Ventilteller12 nun an der Maskierung19 anliegt, bildet sich hier lokal kein Spalt aus. -
7 zeigt das Bypassventil in einem vollständig geöffneten Zustand. Der Ventilteller12 weist nun sowohl zu dem Ventilsitz18 als auch zu der Maskierung19 einen Abstand auf. Der Spalt zwischen dem Ventilteller12 und dem Ventilsitz18 beziehungsweise der Maskierung19 ist über den gesamten Umfang des Ventiltellers12 ausgebildet. -
8 zeigt eine weitere Ausführungsform des Abgasturboladers bei dem die Maskierung19 durch eine zweckmäßige räumliche Ausformung einer Fläche21 des Gehäuses13 gebildet ist. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- WO 2006/046810 A1 [0003]
- US 4171936 A [0003]
- GB 1049656 A [0003]
- GB 2033007 A [0003]
- US 2002/0078934 A1 [0004]
Claims (6)
- 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.
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