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Die Erfindung betrifft ein Bypass-Ventil für einen Abgasturbolader insbesondere für einen Verbrennungsmotor, das als Klappenventil mit einem Ventilklappensitz und einer mit dem Ventilklappensitz zusammenwirkenden Ventilklappe ausgebildet ist und einen Abgasturbolader dessen Turbinengehäuse und/oder dessen Verdichtergehäuse ein Bypass-Ventil mit einer Ventilklappe und einem Ventilklappensitz aufweist.
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Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO2-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen um den Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken und somit mehr Treibstoff, Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
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Ein Abgasturbolader weist dazu eine im Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnete Turbine mit einem durch den Abgasstrom angetriebenen Turbinenlaufrad und einen im Ansaugtrakt angeordneten Verdichter mit einem den Druck aufbauenden Verdichterlaufrad auf. Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad sind drehfest an den gegenüberliegenden Enden einer Rotorwelle befestigt, die in einer zwischen Turbine und Verdichter angeordneten Lagereinheit drehgelagert ist. Somit wird mit Hilfe des Abgasmassenstroms das Turbinenrad und über die Rotorwelle wiederum das Verdichterlaufrad angetrieben und die Abgasenergie so zum Druckaufbau im Ansaugtrakt genutzt.
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Turbinen und Verdichter sind Strömungsmaschinen und haben aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeiten einen jeweils von Baugröße und Bauart abhängigen optimalen Betriebsbereich der durch den Massedurchsatz, das Druckverhältnis und die Drehzahl des jeweiligen Laufrades gekennzeichnet ist.
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Im Gegensatz dazu ist der Betrieb eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug von dynamischen Änderungen der Last und des Betriebsbereiches gekennzeichnet.
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Um nun den Betriebsbereich des Abgasturboladers an sich ändernde Betriebsbereiche des Verbrennungsmotors anpassen zu können und so ein gewünschtes Ansprechverhalten möglichst ohne spürbare Verzögerungen (Turboloch) zu gewährleisten werden Abgasturbolader mit sogenannten variablen Turbinengeometrien und mit über Ventilklappen zu öffnenden Bypass-Kanälen im Turbinengehäuse und Verdichtergehäuse ausgestattet.
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Eine entsprechende Bypass-Kanal Einrichtung auf der Turbinenseite wird als Wastegate-Ventil bezeichnet. Das Wastegate-Ventil verbindet den Abgaskanal in Strömungsrichtung vor dem Turbinenlaufrad mit dem Abgaskanal hinter dem Turbinenlaufrad. Das Wastegate-Ventil kann über eine Schließvorrichtung, zum Beispiel eine Ventilklappe geöffnet oder geschlossen werden. Bei niedriger Drehzahl aber hoher Lastanforderung und dem entsprechend kleinen Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors ist das Wastegate-Ventil geschlossen und der gesamte Abgasmassenstrom wird über das Turbinenlaufrad geführt. Dies gewährleistet eine ausreichende Drehzahl von Turbinen- und Verdichterlaufrad und somit einen ausreichenden Druckaufbau des Verdichters auch bei niedriger Drehzahl des Verbrennungsmotors. Bei hoher Drehzahl hoher Last und entsprechend großem Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors wird dann das Wastegate-Ventil geöffnet und zumindest ein Teil des Abgasmassenstroms am Turbinenlaufrad vorbei direkt in den Auspuffbereich in Strömungsrichtung hinter dem Turbinenlaufrad geleitet, um die Drehzahl von Turbinen- und Verdichterlaufrad sowie das Druckverhältnis an Turbine und Verdichter innerhalb des gewünschten Arbeitsbereichs des Abgasturboladers zu halten.
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Eine entsprechende Bypass-Kanal Einrichtung auf der Verdichterseite wird als Schubumluft-Ventil bezeichnet. Das Schubumluft-Ventil verbindet den Frischluft-Ansaugkanal in Strömungsrichtung vor dem Verdichterlaufrad mit dem Druckluftkanal in Strömungsrichtung nach dem Verdichterlaufrad. In Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors in denen der Verbrennungsmotor so viel Druckluft ansaugt und verbraucht, dass der Verdichter keinen zu hohen Überdruckanstieg im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors erzeugt, bleibt das Schubumluft-Ventil geschlossen. Steigt jedoch der Überdruck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotor zu stark an, was zum Beispiel der Fall ist, wenn bei hoher Drehzahl abrupt die Drosselklappe geschlossen wird, so besteht die Gefahr das das sogenannte Verdichterpumpen auftritt, was sich durch die damit einhergehenden Schwingungen schädlich auf die Mechanik des Turboladers auswirken kann und deshalb vermieden werden soll. In diesem Fall wird das Schubumluft-Ventil geöffnet und der Überdruck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors wird durch Rückströmung von Druckluft aus dem Druckluftkanal in den Frischluft-Ansaugkanal des Abgasturboladers abgebaut.
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1 zeigt schematisiert einen solchen Abgasturbolader 1, gemäß dem Stand der Technik, in Schnitt-Darstellung, der eine Abgasturbine 20, einen Frischluftverdichter 30 und ein Läuferlager 40 umfasst. Die Abgasturbine 20 ist mit einem Wastegate-Ventil 29 ausgestattet und der Abgasmassestrom AM ist mit Pfeilen angedeutet. Der Frischluftverdichter 30 weist ein Schubumluft-Ventil 39 auf und der Frischluft-Massestrom FM ist ebenfalls mit Pfeilen angedeutet. Der sogenannte Turboladerläufer 10 des Abgasturboladers 1 besteht aus dem Turbinenlaufrad 12, dem Verdichterlaufrad 13 sowie der Läuferwelle 14. Der Turboladerläufer 10 rotiert im Betrieb um die Läuferdrehachse 15 der Läuferwelle 14. Die Läuferdrehachse 15 und gleichzeitig die Turboladerachse 2 fallen zusammen und sind durch die eingezeichnete Mittellinie dargestellt und kennzeichnen die axiale Ausrichtung des Abgasturboladers 1. Der Turboladerläufer 10 ist mit seiner Läuferwelle 14 mittels zweier Radiallager 42 und einer Axiallagerscheibe 43 gelagert. Sowohl die Radiallager 42 als auch die Axiallagerscheibe 43 werden über Ölversorgungskanäle 44 mit Schmiermittel versorgt.
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Als Schließvorrichtung zum Öffnen und Schließen von den genannten Bypass-Ventileinrichtungen, wie Wastegate-Ventilen und Schubumluft-Ventilen, werden in bekannter Weise Klappenventile eingesetzt. Diese können in Bezug auf ihre Betätigung unterschiedlich gestaltet sein, wie in 1 beispielhaft gezeigt ist. Das Wastegate-Ventil 29 wird beispielsweise in linearer Hubbewegung mittels eines linear betätigten Ventilschafts 65 direkt von einem Aktuator 66 betätigt. Eine solche Ausführung wird im Weiteren auch als Linear-Klappenventil bezeichnet. Dagegen wird das Schubumluft-Ventil 39 hier beispielhaft in rotatorischer Hubbewegung mittels eines Kurbelarms 60 über ein entsprechendes Kurbelgetriebe (nicht dargestellt) betätigt, wobei die Ventilklappe 55 eine Schwenkbewegung um die Kurbelspindeldrehachse 62 ausführt. Eine solche Ausführung wird im Weiteren auch als Schwenk-Klappenventil bezeichnet.
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Ein Beispiel eines konventionellen, mittels Kurbelarm 60 betätigten Schwenk-Klappenventils gemäß dem Stand der Technik ist in 2 vergrößert, in einer Schnittdarstellung eines Turbinengehäuses 21 in Form eines Wastegate-Ventils 29 mit einer Kurbelarm-Betätigungsvorrichtung dargestellt.
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Über den Abgaszuführkanal 23 tritt der Abgasmassenstrom AM in das Turbinengehäuse 21 der Abgasturbine ein. Aus dem Turbinengehäuse 21 wird der Abgasmassenstrom AM auf das Turbinenrad (nicht dargestellt) geleitet und tritt dann durch den Abgasabführkanal 26 in das Abgassystem (nicht dargestellt) und durch dieses in die Umgebung aus. Der Bypass-Kanal 50, hier ein Wastegate-Kanal, verbindet nun auf direktem Weg den Abgaszuführkanal 23 mit dem Abgasabführkanal 26. Der Ventilklappensitz 51 des Bypass-Kanals 50 weist eine ebene, ringförmige Ventilsitzfläche 52 auf. Zum Schließen des Bypass-Kanals 50 wird eine tellerförmige Ventilklappe 55, hier eine Wastegate-Klappe, auf die Ventilsitzfläche 52 des Ventilklappensitzes 51 aufgelegt. Die Ventilklappe 55 ist an einem Kurbelarm 60 befestigt, der auf einer Kurbelspindel 61 montiert ist und damit um die Kurbelspindeldrehachse 62 drehbar gelagert ist. Durch Drehung des Kurbelarms 60 um die Kurbelspindeldrehachse 62 (in der Zeichnung im Uhrzeigersinn) wird die Ventilklappe 55 entlang des Ventilklappenweges aus näherungsweise senkrechter Richtung auf die Ventilsitzfläche 52 aufgesetzt und der Bypass-Kanal 50 so geschlossen und in umgekehrter Richtung geöffnet.
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Solche Klappenventile haben den Nachteil, dass der Öffnungsquerschnitt des Ventildurchgangs, auch als Ventilöffnungsquerschnitt bezeichnet, nach dem Abheben der Ventilklappe vom der Ventilsitzfläche mit dem Öffnungshubweg der Ventilklappe sehr schnell zunimmt. Dies war bisher kein Problem, da ohnehin in den meisten Fällen im Betrieb nur die zwei Maximalstellungen „Offen“ oder „Geschlossen“ vorgesehen waren. Immer strenger werdende gesetzliche Vorschriften bezüglich des Abgasverhaltens von Verbrennungsmotoren und gestiegene Anforderungen in Bezug auf die verzögerungsfreie und harmonische Leistungsabgabe eines Verbrennungsmotors erfordern jedoch zunehmend eine proportionale, stufenlose Steuerung des Öffnungsquerschnitts der Bypass-Ventile.
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Um eine bessere Steuerbarkeit oder Regelbarkeit eines Bypass-Ventils zu gewährleisten ist ein über einen größeren Öffnungshubweg der Ventilklappe kontinuierlich zunehmender Öffnungsquerschnitt wünschenswert. Um dies zu erzielen wird zum Beispiel in den Dokumenten
US 6 035 638 A ,
DE112009002230T5 sowie
US20120312010A1 ein auf der Unterseite der Ventilklappe angeordneter, in den Wastegatekanal hineinragender Ventilkörper vorgeschlagen, der entsprechend seiner Geometrie den Öffnungsquerschnitt des Wastegate-Ventils über den Öffnungshubweg der Ventilklappe bestimmt.
Diese Ausführungen haben jedoch den Nachteil, dass der massiv ausgeführte Ventilkörper das Gewicht und somit die Masseträgheit erhöht und im Falle angeregter Schwingungen der Ventilklappe zu einem erhöhten Verschleiß führen kann.
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Aus der
JP 2008/133 736 A ist ein Bypass-Ventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 bekannt. Das bekannte Bypass-Ventil weist eine Ventilklappe auf, die in einem Endbereich eine Ventilschürze besitzt, welche zwischen der Öffnung des zugehörigen Bypass-Kanales und einem Betätigungsarm für die Ventilklappe angeordnet ist.
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Aus der
DE 11 2009 002 230 T5 ist ein Bypass-Ventil bekannt, das einen an der Ventilklappe angeordneten zusätzlichen Ventilkörper aufweist, der in den zugehörigen Bypass-Kanal hineinragt. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bypass-Ventil insbesondere für einen Abgasturbolader zur Verfügung zu stellen, das eine verbesserte Steuerbarkeit und Regelbarkeit aufweist und zugleich eine hohe Verstelldynamik ermöglicht. Eine weitere Aufgabenstellung besteht darin einen Abgasturbolader zur Verfügung zu stellen, der bezüglich der Steuerbarkeit und Regelbarkeit sowie der Verstelldynamik seiner Bypass-Ventile verbessert ist.
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Diese Aufgaben werden durch ein Bypass-Ventil und einen Abgasturbolader mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das erfindungsgemäße Bypass-Ventil, das für die Nutzung in einen Abgasturbolader, insbesondere für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen ist, weist einen, an einem Ende eines Bypass-Kanals ausgebildeten, Ventilklappensitz und eine Ventilklappe auf. Der Ventilklappensitz ist gekennzeichnet durch eine Ventilsitzfläche, eine senkrecht dazu stehende Ventilsitzachse und einen Ventilsitz-Außenumfang. Der Ventilsitz-Außenumfang erstreckt sich ausgehend von der Ventilsitzfläche in Richtung der Ventilsitzachse und bildet so einen Ventilsitzstutzen mit einer konusförmigen Außenkontur.
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Die Ventilklappe weist einen Ventilklappen-Außenumfang (59) und eine dem Ventilklappensitz zugewandte Schließfläche auf, die zum Öffnen und Schließen des Bypass-Kanals mit der Ventilsitzfläche zusammenwirkt. Dabei liegt die Ventilklappe im geschlossenen Zustand des Bypass-Ventils mit ihrer Schließfläche dichtend auf der Ventilsitzfläche auf und ist im geöffneten Zustand des Bypass-Ventils von der Ventilsitzfläche abgehoben, so dass ein Ventilöffnungsquerschnitt des Bypass-Kanals freigegeben ist, durch den das jeweilige, im Bypass-Kanal anstehende Fluid abfließen kann.
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Das erfindungsgemäße Bypass-Ventil zeichnet sich dadurch aus, dass, im geschlossenen Zustand des Bypass-Ventils betrachtet, die Schließfläche der Ventilklappe zumindest über einen Teilbereich des Ventilklappen-Außenumfangs in ihrem in Bezug auf die Ventilsitzachse radialen Randbereich in radialer Richtung über den Ventilsitz-Außenumfang des Ventilklappensitzes hinausragt, wobei am äußeren Rand der Schließfläche dieses Teilbereichs und außerhalb des Ventilsitz-Außenumfangs des Ventilklappensitzes eine Klappenschürze angeordnet ist, die sich ausgehend von der Schließfläche überwiegend in Richtung der Ventilsitzachse über eine axiale Schürzenhöhe über den Ventilklappensitz hinweg und zumindest über einen Teil des Ventilklappen-Außenumfangs erstreckt. Auf diese Weise umfasst die Klappenschürze den Ventilsitz-Außenumfang des Ventilklappensitzes zumindest teilweise und übergreift diesen in einem Überlappungsbereich in axialer Richtung um die Schürzenhöhe.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Bypass-Ventils liegt darin, dass durch die den Ventilklappensitz um- und übergreifende Klappenschürze, insbesondere zu Beginn des Öffnungshubweges der Ventilklappe, der Ventilöffnungsquerschnitt nur langsam ansteigend freigegeben wird, wobei die Anstiegscharakteristik bzw. die Öffnungscharakteristik durch die Form der Klappenschürze, die Schürzenhöhe und den Verlauf der Schürzenhöhe über den Umfang der Ventilklappe quasi nach Belieben gestaltet werden kann.
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Der erfindungsgemäße Abgasturbolader weist eine Abgasturbine und einem Frischluftverdichter auf, wobei der Abgasturbolader dadurch gekennzeichnet ist, dass er zumindest ein erfindungsgemäßes Bypass-Ventil gemäß der vorausgehenden Beschreibung und insbesondere mit Merkmalen gemäß den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen aufweist.
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Insbesondere kann dabei die Abgasturbine des Abgasturboladers ein Wastegate-Ventil oder der Frischluftverdichter ein Schubumluft-Ventil aufweisen oder es kann sowohl die Abgasturbine ein Wastegate-Ventil als auch der Frischluftverdichter ein Schubumluft-Ventil aufweisen, wobei das Wastegate-Ventil oder das Schubumluft-Ventil oder beide als erfindungsgemäßes Bypass-Ventil gemäß der vorausgehenden Beschreibung und insbesondere mit Merkmalen gemäß den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen des Bypass-Ventils ausgebildet sind.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Abgasturboladers liegt darin, dass dieser eine bessere Steuerbarkeit oder Regelbarkeit seiner Bypass-Ventile aufweist und somit eine harmonischere und gleichzeitig dynamischere Leistungsentfaltung des Verbrennungsmotors in allen Drehzahlbereichen ermöglicht.
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Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Darstellungen in der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 einen Abgasturbolader gemäß dem Stand der Technik, mit den wesentlichen Komponenten, in vereinfachter schematischer Schnitt-Darstellung;
- 2 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Turbinengehäuses mit einem als Schwenk-Klappenventil ausgeführten Wastegate-Ventil gemäß dem Stand der Technik;
- 3 bis 7 jeweils eine vereinfachte Schnittdarstellung einer jeweiligen Ausführung eines erfindungsgemäßen Bypass-Ventils;
- 8 je eine perspektivische Darstellung zweier Ausführungsformen einer Ventilklappe eines erfindungsgemäßen Bypass-Ventils;
- 9 eine vereinfachte Schnittdarstellung einer weiteren Ausführung eines erfindungsgemäßen Bypass-Ventils mit einem zusätzlichen Ventilkörper und
- 10 einen Abgasturbolader mit zwei Bypass-Ventilen in vereinfachter schematischer Schnitt-Darstellung
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Funktions- und benennungsgleiche Teile sind in den Figuren durchgehend mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Die 1 und 2 dienen der Erläuterung des Standes der Technik und wurden in diesem Zusammenhang bereits oben einleitend beschrieben.
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3 zeigt in einer vereinfachten Schnittdarstellung eine vorteilhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen, als Schwenk-Klappenventil ausgeführten Bypass-Ventils in geschlossenem Zustand. Dabei liegt die Ventilklappe 55 mit ihrer Schließfläche 56 dichtend auf der Ventilsitzfläche 52 des Ventilklappensitzes 51 auf. Die Ventilsitzachse 53 steht senkrecht auf der Ventilsitzfläche 52 und ist mit einer Strich-Punkt-Linie dargestellt. Die Ventilklappe 55 ist an einem Kurbelarm 60 angeordnet und wird mit dessen Hilfe um die Kurbelspindeldrehachse 62 vom offenen in den geschlossenen Zustand des Bypass-Ventils geschwenkt.
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Die Ventilklappe 55 ragt in ihrem radialen Randbereich in radialer Richtung über den Ventilsitz-Außenumfang 54a des Ventilklappensitzes 51 hinaus. Der Ventilsitz-Außenumfang 54a erstreckt sich ausgehend von der Ventilsitzfläche 52 in Richtung der Ventilsitzachse 53 und in Richtung des Bypass-Kanals 50 (in der Figur nach unten) und bildet so einen Ventilsitzstutzen 75.
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Hierbei nimmt der Ventilsitz-Außenumfang 54a mit zunehmendem Abstand von der Ventilsitzfläche 52 kontinuierlich zu, wodurch der Ventilsitzstutzen 75 eine konusförmige Außenkontur aufweist, die einen hier als Ventilsitzstutzenwinkel 58b bezeichneten Konuswinkel zur Ventilsitzachse 53 bildet. Dies bewirkt, dass ein Ventilöffnungsquerschnitt sich mit kontinuierlich fortschreitendem Öffnungshubweg der Ventilklappe 55 kontinuierlich vergrößert.
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Am radial äußeren Rand der Schließfläche 56 der Ventilklappe 55 und außerhalb des Ventilsitz-Außenumfangs 54 des Ventilklappensitzes 51 ist eine Klappenschürze 57 an der Ventilklappe 55 angeordnet. Die Klappenschürze 57 erstreckt sich, ausgehend von der Schließfläche 56 überwiegend in Richtung der Ventilsitzachse 53 über eine axiale Schürzenhöhe 58 über den Ventilklappensitz 51 hinweg und in dieser Ausführung über den kompletten Ventilklappen-Außenumfang 59. Auf diese Weise umfasst die Klappenschürze 57 den Ventilsitz-Außenumfang 54a, respektive den Ventilsitzstutzen 75 des Ventilklappensitzes 51 komplett und übergreift in diesem Überlappungsbereich mit der Klappenschürze 57 den Ventilsitzstutzen 75 um die Schürzenhöhe 58.
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Die in 3 gezeigte Ausführungsform ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Klappenschürze 57 sich in einem Schürzenwinkel 58a zur Ventilsitzachse 53 (betrachtet im geschlossenen Zustand des Bypass-Ventils), der jedenfalls kleiner ist als 45°, in Richtung der Ventilsitzachse 53 und in Bezug auf die Ventilsitzachse (53) nach radial außen über den Ventilklappensitz 51 hinweg erstreckt. Dadurch dass der Schürzenwinkel 58a kleiner ist als 45°, erstreckt sich die Klappenschürze 57 überwiegend in Richtung der Ventilsitzachse 53 und zu einem kleineren Anteil in radialer Richtung. Zugleich stimmt der Schürzenwinkel 58a hier mit dem Ventilsitzstutzenwinkel 58b überein. In anderer Ausführung können sich Ventilsitzstutzenwinkel 58b und Schürzenwinkel 58a durchaus auch unterscheiden. Bei dieser Ausführung entsteht beim Abheben der Ventilklappe 55 vom Ventilklappensitz 51 in vorteilhafter Weise ein Ringspalt zwischen Klappenschürze 57 und dem Ventilsitz-Außenumfang 54a, der den Ventilöffnungsquerschnitt bestimmt, wobei dieser bei zunehmendem Öffnungshubweg der Ventilklappe 55 nur langsam kontinuierlich ansteigt, solange die Klappenschürze 57 den Ventilklappensitz 51 übergreift bzw. die Klappenschürze 57 sich mit dem Ventilsitzstutzen 75 in Überlappung befindet. In diesem Überlappungsbereich wird der Ventilöffnungsquerschnitt maßgeblich durch den Ringspalt bestimmt und erhöht sich in Abhängigkeit von dem Ventilsitzstutzenwinkel 58b nur langsam. Erst nachdem, ab einem bestimmten Öffnungshubweg der Ventilklappe, die Überlappung zwischen Klappenschürze 57 und dem Ventilklappensitz 51 bzw. dem Ventilsitzstutzen 75 aufgehoben ist, nimmt der Ventilöffnungsquerschnitt sprunghaft weiter zu bis zur kompletten Öffnung des Bypass-Ventils.
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Weiterhin ergibt sich durch die Konusform des Ventilsitzstutzens 75 und der korrespondierenden Trichterform der umlaufenden Klappenschürze 57 eine vorteilhafte zentrierende Wirkung beim Schließen des Bypass-Ventils, also beim Aufsetzen der Ventilklappe 55 auf den Ventilklappensitz 51.
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4 zeigt eine Abwandlung der Ausführung des erfindungsgemäßen Bypass-Ventils aus 3. Im Unterschied zu der Ausführung in 3 weist hier die Ventilklappenschürze einen Winkel von 0° auf, erstreckt sich also in Richtung der Ventilsitzachse 53 (betrachtet im geschlossenen Zustand des Bypass-Ventils). Diese Ausführung hat den Vorteil einer gegenüber der Ausführung der 3 einfacheren Herstellung der Ventilklappe 55. Bezüglich des Öffnungsverhaltens des Ventilöffnungsquerschnittes über den Öffnungshubweg der Ventilklappe 55 zeigt dies Ausführung ein mit der vorausgehend beschriebenen Ausführung der 3 vergleichbares Verhalten.
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5 zeigt eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Bypass-Ventils, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Klappenschürze 57 aus zumindest zwei sich jeweils über einen Teil des Ventilklappen-Außenumfangs 59 erstreckenden Klappenschürzen-Segmenten 57a besteht.
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Die Klappenschürze kann ggf. auch nur ein Klappenzschürzen-Segment 57a oder mehr als zwei über den Ventilklappen-Außenumfang 59 verteilt angeordnete Klappenschürzen-Segmente 57a aufweisen. Dabei können die einzelnen Klappenschürzen-Segmente 57a jeweils die gleiche oder auch unterschiedliche Klappenschürzenhöhen 58a aufweisen. Auch durch die Positionierung und Dimensionierung der Lücken zwischen den einzelnen Klappenschürzen-Segmenten 57a kann Einfluss genommen werden auf die gewünschte Öffnungscharakteristik, also den Verlauf des Ventilöffnungsquerschnitts in Relation zum Öffnungshubweg der Ventilklappe.
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In diesem Fall sind vier einzelne Klappenschürzen-Segmente 57a über den Umfang der Ventilklappe am äußeren Rand der Schließfläche angeordnet. Zwischen den einzelnen Klappenschürzen-Segmenten 57a ergeben sich auf diese Weise Lücken in der Klappenschürze 57, die den Ventilöffnungsquerschnitt zu Beginn des Öffnungshubwegs der Ventilklappe vergrößern.
Bei dieser Ausführung weist der Schürzenwinkel 58a 0° auf, also verlaufen im geschlossenen Zustand des Bypass-Ventils und bei kleinen Öffnungshubwegen der Ventilklappe 55 der Ventilsitz-außenumfang 54a und die Klappenschürze 57 nahezu parallel. Dadurch kann der Ringspalt zwischen dem Ventilsitz-Außenumfang 54a und der Klappenschürze 57 beziehungsweise den Klappenschürzen-Segmenten 57a hier verhältnismäßig klein gehalten werden und ändert sich nur wenig solange die Klappenschürze 57 auf ihrem Öffnungshubweg den Ventilsitzstutzen 75 noch übergreift bzw. überlappt. In diesem Überlappungsbereich wird der Ventilöffnungsquerschnitt maßgeblich durch die Lücken zwischen den Klappenschürzen-Segmenten bestimmt und erhöht sich langsam. Erst nachdem, ab einem bestimmten Öffnungshubweg der Ventilklappe, die Überlappung zwischen Klappenschürze 57 und dem Ventilklappensitz 51 bzw. dem Ventilsitzstutzen 75 aufgehoben ist, nimmt der Ventilöffnungsquerschnitt sprunghaft weiter zu bis zur kompletten Öffnung des Bypass-Ventils. Je größer der Anteil der Lücken in der Klappenschürze 57, desto mehr nähert sich der Verlauf des Ventilöffnungsquerschnitts über dem Öffnungshubweg der Ventilklappe 55 an den Verlauf eines konventionellen Klappenventils, ohne Klappenschürze 57 an. Auch kann dadurch die Position der Lücken genutzt werden, um dem ausströmenden Abgasstrom zumindest anfänglich eine bestimmte Richtung vorzugeben.
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Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bypass-Ventils ist in 6 dargestellt und zeichnet sich dadurch aus, dass die Schürzenhöhe 58 entlang dem Ventilklappen-Außenumfang 59 variiert. In diesem speziellen Fall weist die Klappenschürze 57 in dem dem Kurbelarm des als Schwenk-Klappenventil ausgeführten Bypass-Ventils zugewandten Bereich die kleinste Schürzenhöhe auf, die in beiden Richtungen über den Umfang der Ventilklappe kontinuierlich, bis zu dem auf dem Umfang gegenüberliegenden Punkt mit der größten Schürzenhöhe zunimmt. So ergibt sich ein quasi keilförmiger Verlauf der Klappenschürze 57 von einem Punkt auf dem Umfang der Ventilklappe 55 zu einem auf dem Umfang gegenüberliegenden Punkt. Zugleich weist die Klappenschürze 57 einen Schürzenwinkel von 0° auf.
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Bei dieser Gestaltung der Klappenschürze 57 ist das Öffnungsverhalten des Ventilöffnungsquerschnitts über den Öffnungshubweg der Ventilklappe sehr stark von der Ausführung des Bypass-Ventils als Schwenk-Klappenventil (hier dargestellt) oder als Linear-Klappenventil (nicht dargestellt) abhängig. Bei der Ausführung des Bypass-Ventils als Schwenk-Klappenventil wird zunächst nur ein kleiner Ventilöffnungsquerschnitt in Form eines Ringspaltes zwischen Klappenschürze 57 und Ventilsitz-Außenumfang 54a freigegeben, der sich über einen ersten Öffnungshubwegbereich der Ventilklappe 55, solange sich Klappenschürze 57 und Ventilsitzstutzen 75 in Überlappung befinden, nur sehr geringfügig vergrößert. Bei einem bestimmten Punkt des Öffnungshubweges der Ventilklappe 55 wird dann die Überlappung von Klappenschürze 57 und Ventilklappensitz 51 bzw. Ventilsitzstutzen 75 schlagartig aufgehoben, wodurch sich bei weiterem Abheben der Ventilklappe vom Ventilklappensitz der Ventilöffnungsquerschnitt sprunghaft erhöht.
Bei Ausführung des Bypass-Ventils als Linear-Klappenventil, das mit einer Ventilklappe 55, wie in 6 gezeigt, ausgestattet ist und eine lineare Hubbewegung ausführt, wird die Überlappung von Klappenschürze 57 und Ventilsitzstutzen 75 zumindest über einen ersten Öffnungshubwegbereich langsam aufgehoben und somit der Ventilöffnungsquerschnitt langsam ansteigend freigegeben, bis der maximale Ventilöffnungsquerschnitt erreicht ist.
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7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bypass-Ventils mit einer über den Umfang der Ventilklappe variierenden Schürzenhöhe 58 der umlaufenden Klappenschürze 57. Wie in dem in 6 dargestellten Beispiel liegt auch hier der Schürzenwinkel bei 0°. Auch in diesem Beispiel weist die Klappenschürze 57 in dem dem Kurbelarm 60 zugewandten Bereich, die kleinste Schürzenhöhe 58 auf, die in beiden Richtungen über den Umfang der Ventilklappe bis über die Hälfte des Umfanges der Ventilklappe 55 hinweg zunächst kontinuierlich zunimmt, um dann bis zu dem auf dem Umfang gegenüberliegenden Punkt wieder bis auf null abzunehmen. Bei dieser Ausführung ergibt sich ein Verlauf des Ventilöffnungsquerschnittes über den Öffnungshubweg der Ventilklappe 55, der von Beginn der Hubbewegung, also unmittelbar nach dem Abheben der Schließfläche 56 von der Ventilsitzfläche 52 kontinuierlich ansteigt bis zu einem Punkt des Öffnungshubweges der Ventilklappe 55 an dem dann die Überlappung von Klappenschürze 57 und Ventilklappensitz 51 bzw. Ventilsitzstutzen 75 schlagartig aufgehoben, wird, wodurch sich bei weiterem Abheben der Ventilklappe vom Ventilklappensitz der Ventilöffnungsquerschnitt sprunghaft erhöht.
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8 zeigt zwei weitere Beispiele für die Gestaltung der Ventilklappe 55 eines erfindungsgemäßen Bypass-Ventils in isolierter perspektivischer Darstellung, um dem Betrachter eine räumliche Vorstellung der Ventilklappe 55 zu vermitteln. Dabei zeigt das linke Beispiel eine Ventilklappe 55 mit einer, über den gesamten Ventilklappen-Außenumfang 59 am äußeren Rand der Schließfläche 56 umlaufenden und eine gleichbleibende Schürzenhöhe 58 aufweisende, Klappenschürze 57. Das rechte Beispiel zeigt dagegen eine Ventilklappe 55 mit nur einem, nur über die Hälfte des Ventilklappen-Außenumfang 59 umlaufenden Klappenschürzen-Segment 57a.
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Die Beschreibung der in den 3 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiele macht deutlich, dass, unabhängig von der Ausführung des Bypass-Ventils als Schwenk-Klappenventil oder Linear-Klappenventil, durch Anwendung der verschiedenen gezeigten Merkmale der Ventilklappen 55, alleine oder in Kombination mit einander und im Zusammenwirken mit dem jeweiligen Ventilsitzstutzen 75, der Verlauf des Ventilöffnungsquerschnittes über den Öffnungshubweg der Ventilklappe fast beliebig und je nach Anforderung, gestaltet werden kann.
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Auf diese Weise kann ein Bypass-Ventil zur Verfügung gestellt werden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Schürzenhöhe 58 entlang dem Ventilklappen-Außenumfang 59 so variiert und/oder der Schürzenwinkel 58a so gewählt ist und/oder der Ventilsitzstutzenwinkel 58b so gewählt ist bzw. der Ventilsitz-Außenumfang 54a in dem Überlappungsbereich der Klappenschürze 57, ausgehend von der Ventilsitzfläche 52, in Richtung der Ventilsitzachse 53 so zunimmt, dass ein Ventil-Öffnungsquerschnitt sich mit kontinuierlich fortschreitendem Öffnungshubweg der Ventilklappe 55 kontinuierlich vergrößert.
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9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bypass-Ventils, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zusätzlich zu der Klappenschürze 57 auf der Schließfläche 56 der Ventilklappe 55 und innerhalb eines Ventilsitz-Innenumfangs 54b ein Ventilkörper 70 angeordnet ist, der sich in Richtung der Ventilsitzachse 53 durch den Ventilklappensitz 51 hindurch in den Bypass-Kanal hinein erstreckt. Eine solche Ausführung ermöglicht die zusätzliche Beeinflussung des Ventilöffnungsquerschnittes über den Öffnungshubweg der Ventilklappe 55 durch Beschränkung des Austrittsquerschnittes des Bypass-Kanals 50 im Bereich des Ventilklappensitzes 51. Durch Eintauchen des Ventilkörpers 70 in den Bypass-Kanal 50 ergibt sich ein Spalt, beispielsweise ein Ringspalt, zwischen dem Ventilsitz-Innenumfang 54b und dem Außenumfang des Ventilkörpers 70, der den Ventilöffnungsquerschnitt mit bestimmt. So kann beispielsweise, bei entsprechender Gestaltung des Ventilkörpers 70, in einem Öffnungshubwegbereich, in dem die Überlappung der Klappenschürze 57 mit dem Ventilsitzstutzen 75 bereits aufgehoben ist, der Ventilöffnungsquerschnitt weiterhin durch den Ventilkörper 70 bestimmt werden. So kann der Öffnungshubwegbereich, in dem eine langsam kontinuierlich fortschreitende Vergrößerung des Ventilöffnungsquerschnittes gewährleistet ist, vergrößert werden.
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Es versteht sich für den Fachmann, dass die verschiedenen einzelnen Merkmale der in den 3 bis 9 dargestellten Ausführungsbeispiele, jeweils alleine für sich oder auch, sofern sie sich nicht als Alternativen gegenseitig ausschließen, in Kombination mehrerer Einzelmerkmale miteinander, zur Realisierung eines erfindungsgemäßen Bypass-Ventils herangezogen werden können.
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Ein Abgasturbolader 1 ist in 10 schematisch vereinfacht dargestellt. Dieser stimmt mit dem in 1 gezeigten Abgasturbolader weitgehend überein, weshalb hier auf eine wiederholte detaillierte Beschreibung aller Komponenten verzichtet wird. Der dargestellte Abgasturbolader 1 weist eine Abgasturbine 20 und einen Frischluftverdichter 30 auf, wobei der Abgasturbolader 1 zumindest ein Bypass-Ventil 29, 39 mit einer jeweiligen Klappenschürze 57 aufweist. Insbesondere weist in diesem Ausführungsbeispiel die Abgasturbine 20 ein Wastegate-Ventil 29 und der Frischluftverdichter 30 ein Schubumluft-Ventil 39 auf, wobei das Wastegate-Ventil 29 und das Schubumluft-Ventil 39 als Bypass-Ventil ausgeführt sind. Weiterhin ist das Schubumluft-Ventil 39 als Schwenk-Klappenventil mit einem Kurbelarm 60 ausgeführt, wogegen das Wastegate-Ventil 29 als Linear-Klappenventil mit einem Ventilschaft 65 ausgeführt ist. Dieser Abgasturbolader ist selbstverständlich nicht auf das in 10 gezeigte Ausführungsbeispiel begrenzt sondern kann auch zum Beispiel mit nur einem Bypass-Ventil in der Abgasturbine 20 oder in dem Frischluftverdichter 30 ausgestattet sein. Ebenso steht es dem Fachmann frei das jeweilige Bypass-Ventil als Schwenk-Klappenventil oder auch als Linear-Klappenventil auszuführen.
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Der Abgasturbolader kann besonders vorteilhaft mit einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs kombiniert werden, wo er ein harmonisches aber zugleich dynamisches Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors und somit ein komfortables Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs gewährleistet.
