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Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2006 058 102 A1 geht eine Regelvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers hervor. Die Regelvorrichtung ist zum Öffnen und Schließen eines Umgehungskanals im durchströmbaren Abgasführungsabschnitt zur Umgehung eines im Abgasführungsabschnitt in einer Radkammer des Abgasführungsabschnitts drehbar angeordneten Turbinenrades des Abgasführungsabschnitts vorgesehen. Des Weiteren dient die Regelvorrichtung einer Trennung oder Verbindung einer ersten Flut des Abgasführungsabschnitts mit einer zweiten Flut des Abgasführungsabschnitts. Ein Sperrglied der Regelvorrichtung ist zylinderartig ausgebildet und weist eine Rotationsachse auf. Mit Hilfe einer Rotationsbewegung um die Rotationsachse werden Einströmquerschnitte der Fluten und des Umgehungskanals vollständig oder teilweise geschlossen oder geöffnet.
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Mit Hilfe einer derartigen Regelvorrichtung ist es möglich in bestimmten Betriebspunkten des Abgasturboladers, insbesondere bei Betriebspunkten aufweisend große Strömungsmengen, das Turbinenrad vollständig oder teilweise zu umgehen, und das Turbinenrad durch Schließen oder Verbinden der Fluten strömungsgünstig zu beaufschlagen, so dass ein effizienterer Betrieb des Abgasturboladers ermöglicht ist.
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Das Sperrglied ist zylinderartig ausgebildet, wobei es zur Verbindung, Trennung oder Umgehung zwei Aussparungen an seiner Mantelfläche aufweist. Dadurch ergibt sich zwar eine funktionsgerechte detaillierte Anpassung der Aussparungen an ein Einsatzgebiet des Abgasturboladers, jedoch ist ein entsprechender Kostenaufwand zur Herstellung des Sperrgliedes zu berücksichtigen.
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Somit ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine kostengünstige Regelvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit Hilfe einer Regelvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Regelvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers ist zur Strömungsleitung eines Fluids in einen im durchströmbaren Abgasführungsabschnitt ausgebildeten Umgehungskanal zur Umgehung eines im Abgasführungsabschnitt in einer Radkammer des Abgasführungsabschnitts drehbar angeordneten Turbinenrades des Abgasführungsabschnitts sowie zur Strömungsleitung des Fluids in eine erste Flut des Abgasführungsabschnitts und in eine zweite Flut des Abgasführungsabschnitts ausgebildet. Die Regelvorrichtung weist ein Sperrglied auf, mit dessen Hilfe Kommunikationsöffnungen der Regelvorrichtung zur Strömungsleitung vollständig oder zumindest teilweise gesperrt oder freigegeben werden können, wobei das Sperrglied eine Rotationsbewegung um seine Rotationsachse ausführbar ausgebildet ist. Des Sperrglied in Form eines Rotationskörpersegments eines rotationssymmetrisch zur Rotationsachse ausgebildeten Rotationskörpers ausgestaltet ist. Des Sperrglied weist eine erste Sperrgliedfläche und eine zweite Sperrgliedfläche auf, welche quer zu Rotationsachse ausgebildet sind, und wobei die erste Sperrgliedfläche und die zweite Sperrgliedfläche gleich oder unterschiedlich groß ausgebildet sind.
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Der Vorteil der zylindersegmentartigen Form des Sperrglieds ist weiter darin zu sehen, dass das Sperrglied einfach herzustellen ist. Da lediglich eine Rotationsbewegung zur Positionierung des Sperrgliedes notwendig ist, ist die Gefahr eines Verklemmens des Sperrgliedes aufgrund von Hebelkräften, welche am Sperrglied auftreten könnten, sofern dieses bspw. in Form einer Klappe ausgestaltet ist, wie sie üblicherweise bei Wastegate-Ventilen auftreten, reduziert.
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Des Weiteren ist eine Neigung zur Geräuschentwicklung wie bspw. Klappern oder Rasseln, welches bei üblichen Wastegate-Ventilen auftreten kann ebenfalls reduziert. Auch weist die erfindungsgemäße Regelvorrichtung aufgrund ihrer Flächendichtung eine gute Dichtwirkung auf.
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Ein weiterer Vorteil ist eine schnellere und sichere Einstellung des Sperrgliedes, so dass insbesondere in einem Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine, welche einen Abgasturbolader mit einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung aufweist, eine schnelle Anpassung des Betriebs des Abgasturboladers an den Bedarf der Verbrennungskraftmaschine sichergestellt ist. Hierdurch ergibt sich vorteilhafterweise aufgrund der schnellen Anpassung an den Bedarf der Verbrennungskraftmaschine eine Reduzierung des Kraftstoffbedarfs und damit eine Reduzierung von Emissionen der Verbrennungskraftmaschine.
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In einer Ausgestaltung ist das Sperrglied vorteilhaft in Form eines Halbzylinders oder eines Halbkegels oder eines Halbkegelstumpfes ausgebildet.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das Sperrglied hohl ausgebildet, wodurch sich zur Rotation des Stellgliedes notwendige Bewegungskräfte im Vergleich zu einem massiv ausgebildeten Stellglied reduzieren lassen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit Deformationen, welche aufgrund der hohen Abgastemperaturen auftreten können, zu reduzieren. Insbesondere kann mit der Ausbildung einer variablen Wandstärke des Sperrgliedes auf die Deformation Einfluss genommen werden. Das heißt, es können bspw. durch Simulation extrem temperaturbelastete Bereiche des Sperrgliedes mit einer höheren Wandstärke versehen werden als weniger temperaturbelastete Bereiche.
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In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung entspricht die Rotationsachse einer Längsachse des Sperrglieds. Der Vorteil ist eine einfach herzustellende Form des Sperrgliedes.
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In einer bevorzugten und einfach herzustellenden Weise ist das Sperrglied mit Hilfe einer Welle der Regelvorrichtung bewegbar. Die Welle ist ein Element der Bewegungsvorrichtung, wobei eine Wellenrotationsachse koaxial zur Rotationsachse des Sperrgliedes ausgebildet ist. Somit ist eine einfache Bewegungsinitiation des Sperrgliedes herbeiführbar, die einem sicheren Betrieb der Regelvorrichtung dient.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Sperrglied aus einem keramischen Material ausgebildet. Die Regelvorrichtung und insbesondere das Sperrglied sind im Betrieb Temperaturschwankungen ausgesetzt, welche einen hohen Temperaturgradienten aufweisen, wobei sehr hohe absolute Temperaturen im Bereich von ca. 1000°C üblicherweise auftreten. Keramisches Material ist ein besonders temperaturbeständiges Material, so dass Bauteile, gefertigt aus diesem Material, hochtemperaturfest sind und geringe bzw. je nach Temperatur auch keine Deformationen aufweisen. Somit ist die erfindungsgemäße Regelvorrichtung, welche aus keramischem Material hergestellt ist, besonders betriebssicher.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Gleichen oder funktionsgleichen Elementen sind identische Bezugszeichen zugeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist es möglich, dass die Elemente nicht in allen Figuren mit ihrem Bezugszeichen versehen sind, ohne jedoch ihre Zuordnung zu verlieren. Dabei zeigen:
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1 in einer schematischen Darstellung eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader aufweisend die erfindungsgemäße Regelvorrichtung,
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2 ein Sperrglied der Regelvorrichtung in einer ersten Position,
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3 das Sperrglied in einer zweiten Position, und
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4 das Sperrglied in einer dritten Position.
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Die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1, welche als Dieselmotor oder als Ottomotor ausgeführt ist, weist einen Abgastrakt 2 auf. Im Betrieb saugt die Brennkraftmaschine 1 über einen nicht näher dargestellten Frischluftstrang Verbrennungsluft an, die nach einer unter Zufuhr von Kraftstoff erfolgten Verbrennung in der Brennkraftmaschine 1 als Abgas über den Abgastrakt 2 abgeführt wird.
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Der Abgastrakt 2 umfasst einen mit der Brennkraftmaschine 1 verbundenen ersten Abgaskrümmer 3 und einen ebenfalls mit der Brennkraftmaschine 1 verbundenen zweiten Abgaskrümmer 4, wobei dem ersten Abgaskrümmer 3 eine erste Abgasleitung 5 und dem zweiten Abgaskrümmer 4 eine zweite Abgasleitung 6 zugeordnet ist.
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An einem von der Brennkraftmaschine 1 abgewandten Ende der ersten Abgasleitung 5 ist ein Abgasturbolader 7 positioniert, welcher ein Gehäuse 8 aufweist, das einen durchströmbaren Abgasführungsabschnitt 9, einen durchströmbaren Luftführungsabschnitt 10 und einen Lagerabschnitt 11 umfasst, wobei der Luftführungsabschnitt 10 im Frischluftstrang und der Abgasführungsabschnitt 9 im Abgastrakt 2 angeordnet sind. Der Lagerabschnitt 11 ist zwischen dem Luftführungsabschnitt 10 und dem Abgasführungsabschnitt 9 positioniert.
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Der Abgasturbolader 7 weist zusätzlich zum Gehäuse 8 ein Laufzeug 12 auf, welches ein Verdichterrad 13 zum Ansaugen und Verdichten von Verbrennungsluft, ein Turbinenrad 14 zur Expansion von Abgas und eine das Verdichterrad 13 mit dem Turbinenrad 14 drehfest verbindende Welle 15 mit einer ersten Drehachse 16 umfasst. Das Verdichterrad 13 ist im Luftführungsabschnitt 10, das Turbinenrad 14 ist im Abgasführungsabschnitt 9 und die Welle 15 ist im Lagerabschnitt 11 drehbar gelagert.
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Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird das Turbinenrad 14 als Folge einer Beaufschlagung durch das Abgas der Brennkraftmaschine 1 in eine Rotationsbewegung versetzt, wobei mit Hilfe der Welle 15 das Verdichterrad 13 ebenfalls in Rotation versetzt wird, so dass es Frischluft bzw. Verbrennungsluft ansaugt und verdichtet.
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Zur Verbesserung des Betriebsverhaltens des Abgasturboladers 7, insbesondere bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine 1, ist der Abgasführungsabschnitt 9 zweiflutig ausgebildet, wobei die erste Abgasleitung 5 mit einer ersten Flut 17 des Abgasführungsabschnitts 9 und die zweite Abgasleitung 6 mit einer zweiten Flut 18 des Abgasführungsabschnitts 9 verbunden ist. Die erste Flut 17 ist von der zweiten Flut 18 durch eine nicht näher dargestellte gehäusefeste Flutentrennwand im Abgasführungsabschnitt 9 abgetrennt ausgeführt.
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In einer Variante weist der Abgasführungsabschnitt 9 zusätzlich eine variable Turbinengeometrie zur weiteren Verbesserung des Betriebsverhaltens auf.
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Dem Abgastrakt 2 ist stromauf des Turbinenrades 14 eine verstellbare Regelvorrichtung 19 zugeordnet, mit deren Hilfe ein Aufstauen von Abgas vor dem Turbinenrad 14 und/oder eine Anströmung des Turbinenrades 14 steuerbar ist.
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Der Regelvorrichtung 19 ist als Verbindung mit der ersten Abgasleitung 5 ein erster Kanal 20 zugeordnet, welcher stromauf des Turbinenrades 14 von der ersten Abgasleitung 5 abzweigend ausgebildet ist. Eine Verbindung der Regelvorrichtung 19 mit der zweiten Abgasleitung 6 ist als ein stromauf des Turbinenrades 14 von der zweiten Abgasleitung 6 abzweigender zweiter Kanal 21 ausgebildet. Weiterhin weist die Regelvorrichtung 19 eine Verbindung in Form eines Umgehungskanals 22 auf, im Weiteren als dritter Kanal bezeichnet, welcher stromab des Turbinenrades 14 in die erste Abgasleitung 5 einmündet.
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Zum Umblasen des Abgases von der ersten Abgasleitung 5 in die zweite Abgasleitung 6 wird mit Hilfe der Regelvorrichtung 19 das Abgas aus dem ersten Kanal 20 in den zweiten Kanal 21 umgeleitet. Zum Abblasen von Abgas am Turbinenrad 14 vorbei, wird mit Hilfe der Regelvorrichtung 19 das Abgas aus dem ersten Kanal 20 und dem zweiten Kanal 21 in den dritten Kanal 22 geführt.
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Die Regelvorrichtung 19 ist im Abgastrakt 2 an unterschiedlichen Stellen integrierbar. Vorteilhafterweise ist die Regelvorrichtung 19 in den Abgasführungsabschnitt 9 integriert, so dass stromauf des Turbinenrades 14 Abgas aus der ersten Flut 17 in die zweite Flut 18 umgeleitet bzw. umgeblasen und/oder Abgas aus den beiden Fluten 17, 18 am Turbinenrad 14 vorbei abgeblasen werden kann. Positive Strömungseffekte, welche aufgrund der Um- und/oder Abblasung auftreten, können aufgrund der kurzen Strömungswege zum Turbinenrad 14 genutzt werden.
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Die Regelvorrichtung 19 umfasst ein Sperrglied 24 und ein Ventilgehäuse 25. Das Sperrglied 24 ist als Drehkörper ausgebildet, welcher die Form eines Halbzylinders aufweist, und ist mit Hilfe eines nicht näher dargestellten Drehhebels um eine Rotationsachse 26 verdrehbar. Der Drehkörper 24 ist hohl ausgebildet. Der Drehkörper 24 weist eine erste Sperrgliedfläche 32 und eine zweite Sperrgliedfläche 33 auf, welche quer zur Rotationsachse 26 ausgebildet sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind die erste Sperrgliedfläche 32 und die zweite Sperrgliedfläche 33 gleich groß ausgebildet. Ebenso könnten die Sperrgliedflächen 32, 33 verschieden groß bzw. unterschiedlich groß ausgebildet sein. Dabei kann das Sperrglied 24 in Form eines Kegelstumpfsegments oder eines Kegelsegments ausgeführt sein.
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Das Ventilgehäuse 25 ist als Körpergehäuse ausgebildet und weist eine korrespondierend zum Drehkörper 24 zylindrisch ausgestaltete Aussparung 27 mit einer Aufnahmeöffnung 28 auf, wobei die Aussparung 27 den Drehkörper 24 drehbar aufnehmend ausgeführt ist.
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Im Körpergehäuse 25 ist eine erste Kommunikationsöffnung 29 ausgebildet, welche als Verbindung zwischen einem dem Drehkörper 24 zugewandten Ende des ersten Kanals 20 und der Aussparung 27 ausgebildet ist. Eine zweite Kommunikationsöffnung 30 des Körpergehäuses 25 ist neben der ersten Kommunikationsöffnung 29 angeordnet und ist als Verbindung zwischen einem dem Drehkörper 24 zugewandten Ende des zweiten Kanals 21 und der Aussparung 27 ausgebildet. Eine dritte Kommunikationsöffnung 31 des Körpergehäuses 25 ist neben der ersten Kommunikationsöffnung 29 angeordnet und ist als Verbindung zwischen einem dem Drehkörper 24 zugewandten Ende des dritten Kanals 22 und der Aussparung 27 ausgebildet.
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Die Regelvorrichtung 19 ist für vier Betriebsmodi einstellbar. in einem ersten Betriebsmodus, s. 2, dem Normalbetrieb des Abgasturboladers 7, ist die erste Kommunikationsöffnung 29 vom Drehkörper 24 verschlossen, so dass das Abgas aus der ersten Abgasleitung 5 über die erste Flut 17 direkt auf das Turbinenrad 14 strömen kann. Die zweite Kommunikationsöffnung 30 ist zwar nicht vom Sperrglied 24 verschlossen, allerdings kann keine Umblasung zwischen den Abgasleitungen 5, 6 bzw. Fluten 17, 18 stattfinden, da die erste Kommunikationsöffnung 29 verschlossen ist. Je nach Positionierung der Kommunikationsöffnungen 29, 30, 31 kann die zweite Kommunikationsöffnung 30 im ersten Betriebsmodus ebenfalls durch das Sperrglied 24 geschlossen sein.
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In einem zweiten Betriebsmodus, dem Umblasen, wird das Turbinenrad 14 von Abgas aus beiden Fluten 17, 18 beaufschlagt, wobei stromauf des Turbinenrades 14 ein Teil des Abgases von der ersten Abgasleitung 5 in die zweite Abgasleitung 6 umgeleitet wird. Die 3 zeigt eine Positionierung des Sperrgliedes 24 in diesem Betriebsmodus, wobei die erste Kammunikationsöffnung 29 und die zweite Kommunikationsöffnung 30 geöffnet sind, und Abgas aus der ersten Abgasleitung 5 über den ersten Kanal 20 durch die erste Kommunikationsöffnung 29 in die zweite Abgasleitung 6 über die zweite Kommunikationsöffnung 30 strömen kann und vice versa. Entsprechend eines Verdrehwinkels des Sperrgliedes 24 sind die erste Kommunikationsöffnung 29 und die zweite Kommunikationsöffnung 30 teilweise und/oder vollständig geöffnet.
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In einem dritten Betriebsmodus, dem gleichzeitigen Um- und Abblasen, strömt das Abgas aus der ersten Abgasleitung 5 in die zweite Abgasleitung 6 bzw. vice versa, während gleichzeitig Abgas über die dritte Kommunikationsöffnung 31 in den dritten Kanal 22 strömen kann. Die Position des Sperrgliedes 24 ist dabei, wie in 4 dargestellt, so eingestellt, dass die erste Kommunikationsöffnung 29, die zweite Kommunikationsöffnung 30 und die dritte Kommunikationsöffnung 31 geöffnet sind, so dass Abgas gemäß in den Kanälen 20, 21, 22 ausgebildeten Druckverhältnissen strömen kann.
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In einem vierten Betriebsmodus, dem Abblasen aus dem zweiten Kanal 21 bzw. aus der zweiten Abgasleitung 6, strömt Abgas von der zweiten Abgasleitung 6 am Turbinenrad 14 vorbei in die Abgasanlage 23, während das Turbinenrad 14 von Abgas überwiegend aus der ersten Flut 17 beaufschlagt wird. Dabei ist die erste Kommunikationsöffnung 29 vom Sperrglied 24 versperrt, während die zweite Kommunikationsöffnung 30 und die dritte Kommunikationsöffnung 31 geöffnet sind.
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Je nach Positionierung des Sperrgliedes 24 in den einzelnen Betriebsmodi sind die Kommunikationsöffnungen 29, 30, 31 mehr oder weniger weit geöffnet, wodurch eine feine Regulierung des Übergangs von einem Betriebsmodus in den anderen ermöglicht wird. Dadurch ist ein sprungfreier Betrieb des Abgasturboladers 7, welcher sich durch einen sprunghaften Abfall oder durch einen sprunghaften Anstieg einer Drehzahl des Abgasturboladers 7 äußert, beim Wechsel der Beaufschlagung des Turbinenrades 14 mit Abgas in Abhängigkeit von Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine 1 realisierbar.
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In einer nicht näher dargestellten Variante der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung 19 ist das Ventilgehäuse 25 einstückig mit dem Abgasführungsabschnitt 9 ausgebildet.
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In einer weiteren nicht näher dargestellten Variante ist das Sperrglied 24 aus einem keramischen Werkstoff ausgebildet. Bevorzugt ist das Ventilgehäuse 25 ebenfalls aus einem keramischen Werkstoff hergestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006058102 A1 [0002]
