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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen kompakten, gesteuerten Zwillings-
oder Doppelstrom-Turbolader, bevorzugt Zwillingsstrom-Turbolader
mit integriertem Bypass. Die Erfindung bezieht sich genauer auf
einen Turbolader mit einer verbesserten Konstruktion des drehbaren
Ventils zur Regelung des Gasstromes einschliessich des Bypasses.
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Beschreibung der verwandten
Technik
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Kolbenverbrennungsmotoren
werden seit langem mit Turboladern ausgerüstet. In einem einfachen, ungesteuerten
Turboladersystem mit feststehender Düse ist der maximale Ladedruck
von der Stärke
des Motors abhängig.
Der ungesteuerte Turbolader muss daher so ausgelegt werden, dass
die optimale Leistung erst bei hohen Motorgeschwindigkeiten erreicht
wird. Unglücklicherweise
liefert der Turbolader in allen anderen Geschwindigkeitsbereichen
einen Ladedruck bzw. ein Luftvolumen, die weniger als optimal sind.
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Gesteuerte
Turbolader liefern eine verbesserte Leistung, da der optimale Arbeitspunkt
der Turbine bereits bei niedrigen oder mittleren Motorgeschwindigkeiten
erreicht wird. In einem einfachen gesteuerten System wird, wenn
die Strömungsgeschwindigkeit
der Abgase steigt und der Turboladerdruck zu hoch wird, ein Teil
der Abgase einfach durch ein Bypassventil in die Umgebungsluft ausgestossen,
wodurch Schäden
am Motor wegen eines übermässigen Ladedruckes
bei hohen Geschwindigkeiten vermieden werden können. Da die Abgase aber die
Turbine umgehen, sind die Energieverluste hoch, und die Motorenleistung
sinkt bei hohen Geschwindigkeiten.
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Wenn
genügend
Raum im Motorraum vorhanden ist, werden bekanntlich zwei Turbolader,
ein Niederdruck- und ein Hochdruckturbolader, in Reihe installiert.
Im unteren Geschwindigkeitsbereich des Verbrennungsmotors werden
die Hoch- und Niederdruckstufe hintereinandergeschaltet betrieben,
und bei steigender Drehzahl des Verbrennungsmotors kann der Übergang
zur Einstufenverdichtung ausschliesslich im Niederdruck-Verdichter
(mit grösserem
Volumen) erfolgen, wobei die Hochdruckturbine teilweise oder völlig umgangen
wird. Obwohl ein solches System einen stark verbesserten Wirkungsgrad liefert,
fehlt ihm die kompakte Bauweise.
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Weiter
ist bekannt, mehrere Strömungskanäle in einem
einzigen Turboladergehäuse
unterzubringen, wobei das einzige Turboladergehäuse so gesteuert werden kann,
dass es wechselweise als Nieder- und Hochdruckturbine wirkt. Bei
diesen Gehäusen
können
Zwillingsstromgehäuse
und Doppelstromgehäuse
unterschieden werden.
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Bei
einem Zwillingsstromgehäuse
ist das spiralförmige
Turbinengehäuse
durch mindestens eine radiale Trennwand in zwei axial benachbarte
Spiralen unterteilt. Das Abgas jeder Spirale gelangt in den Laufradeinlass,
um den gesamten Umfang (360°) des
Laufrades zu beaufschlagen, wobei axial benachbarte Spiralkanäle axial
benachbarte Segmente des Laufrades beaufschlagen.
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In
einem Doppelstromgehäuse
sind Spiralen oder Halbspiralen so angeordnet, dass das Abgas von
jeder Spirale über
die gesamte Breite des Laufradeinlasses, aber nur über den
halben Umfang (180°)
des Laufrades wirkt.
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Die
Auswahl bzw. die Arbeit der Spiralen wird über ein Bypassventil (Drosselventil,
Klappe, Schieberventil) gesteuert, das den Strömungsquerschnitt mit steigender
Geschwindigkeit des Überladers
vergrössert.
Allgemein sind eine Steuervorrichtung mit Fühlern, die den Ladedruck bzw.
die Geschwindigkeit erfassen, sowie ein Regelglied, das das Bypassventil betätigt, vorhanden.
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Zusätzlich zu
den oben angeführten
konstruktiven Überlegungen
müssen
Turbolader für Mehrzylinder-Kolbenverbrennungsmotoren
so ausgelegt werden, dass Abgas-Interferenz
vermieden wird. Um dieses Problem zu überwinden, das besonders dann
auftritt, wenn der Ladedruck kleiner als der Abgasdruck ist oder
der Motor unter Teillast läuft, sind Überladersysteme
bekannt, in denen der Abgaskrümmer
zum Laufrad in zwei oder mehr Zweige unterteilt ist. Die beiden
Abgasleitungen werden oft von den Zylindern des Motors zum spiralförmigen Gehäuse der
Turbine gebracht, wobei eine Gruppe von Zylindern mit einer Abgasleitung
immer in Übereinstimmung
mit der Zündfolge
des Motors verbunden ist, so dass direkt vor- oder nacheinander
zündende
Zylinder nicht in den gleichen Zweig ausblasen und Abgas-Interferenz
folglich vermieden werden kann.
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Um
die im Abgas vorhandene Energie optimal zu nutzen, sollte jeder
der beiden Abgasströme mit
der geringstmöglichen
gegenseitigen Beeinflussung zum Laufradeinlass geführt werden.
Dadurch sollte primär
vermieden werden, dass in einer der beiden Abgasleitungen, die an
der Turbine münden und
je nach den Öffnungszeiten
der Abgasventile pulsieren, eine Fehlzündung des Abgasstromes in die
andere Abgasleitung erfolgt, wäh rend
zu diesem Zeitpunkt dort kein merklicher Abgasstrom vorhanden ist.
Die Impulse des Abgases sollten die Turbinenschaufeln mit der vollen
kinetischen Energie treffen, daher dürfen sie nicht mit einem grossen
Volumen von Anschlussleitungen in Berührung kommen.
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Die
gleichen Zwillings- oder Doppelstromgehäusekonstruktionen, die oben
erörtert
wurden, können
auch speziell dafür
eingesetzt werden, Abgas-Interferenz zu vermeiden und die Abgasimpulse
zu nutzen. Siehe das US-Patent Nr. 3 614 259 (Neff), das ein geteiltes
Turbinengehäuse
lehrt, das verwendet werden kann, um entweder eine Gegendruckturbine oder
eine Turbine mit variabler Geschwindigkeit zu liefern, wobei die
Gasströmung
mit einem Klappenventil gesteuert wird. Bei einer Gegendruckturbine werden
mehrere Abgasleitungen an das Turbinengehäuse angekoppelt, so dass das
Bypassventil bzw. das Strömungssteuerorgan
vergleichbar kompliziert sein muss, wenn es die Strömung durch
zwei, vier oder mehr Strömungspfade
steuert.
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Man
siehe auch das US-Patent Nr. 4 389 845 (Koike), das ein Dreifachströmungs-Turbinengehäuse lehrt,
bei dem ein Steuerventilorgan so in Nachbarschaft zu einem ersten
und einem zweiten Gaseinlass (die durch eine Trennwand voneinander
getrennt sind) angebracht ist, dass die Abgase nur durch erste (Doppel-)
Spiralen oder sowohl durch die ersten (Doppel-) Spiralen als auch
eine zweite (Einzel-) Spirale fliessen können. Das Steuerventilorgan steht
operativ über
eine Verknüpfung
mit einer Steuereinheit in Verbindung, die aus einer Membran, die durch
den Aufladedruck ausgelenkt wird, sowie einer Vorspannfeder besteht.
Das Steuerventil wird je nach dem Ladedruck so betrieben, dass die
zweite Spirale geschlossen oder geöffnet wird. Konkreter ist,
wenn der Motor bei niedrigen oder mittleren Drehzahlen oder unter
Teillast läuft,
die Strömungsgeschwindigkeit
des Abgases so niedrig, dass der Ladedruck gering ist. Daher arbeitet
die Steuereinheit so, dass die zweite Spirale geschlossen wird.
Im Ergebnis strömen
die Abgase nur in die ersten Spiralen. Da die ersten Spiralen einen
beträchtlichen
Abstand voneinander haben, ergibt sich keine Abgas-Interferenz. Ausserdem
können
die Impulse der Abgase sehr wirksam genutzt werden. Wenn die zweite
Spirale durch das Steuerventilorgan geschlossen wird, ist der Querschnitt
der Spiralstruktur kleiner als bei Öffnung der zweiten Spirale,
so dass die Geschwindigkeit der durch die ersten Spiralen strömenden Abgase
erhöht
wird, wodurch ein genügend
hoher Ladedruck erreicht wird. Wenn der Motor bei hoher Drehzahl
läuft,
steigt die Strömungsgeschwindigkeit
der Abgase, so dass die Steuer einheit das Steuerventilorgan veranlasst,
die zweite Spirale zu öffnen,
folglich steigt der Gesamtquerschnitt der Spiralstruktur. Die aus
den getrennten Gaseintritten herausströmenden Abgase werden in der
zweiten Spirale strömungsabwärts vom
Steuerventilorgan vermischt oder zerstreut. Da die zweite Spirale
den Abgasen einen kleineren Strömungswiderstand
bietet, kann der Ladedruck auf einem im Voraus bestimmten Niveau bzw.
Wert gehalten werden.
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Es
ist aus dem oben Gesagten leicht ersichtlich, dass Turbinengehäuse bezüglich der
Auslegung der Kanäle
für die
Einspeisung der Abgase vom Verbrennungsmotor zur Turbine verhältnismässig weit fortgeschritten
sind. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich nicht mit der Auslegung
von Turbinengehäusen.
Die oben besprochenen Quellen lehren die Umgebung, in der die vorliegende
Erfindung genutzt werden kann, und diese Lehren werden hier durch
Bezugnahme einbezogen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft konkreter das Steuerventil, das innerhalb
des Gehäuses
dafür verwendet
wird, um die Strömungsspiralen
und/oder einen weiteren oder engeren Strömungsquerschnitt auszuwählen bzw.
zu betreiben.
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Wie
im US-Patent Nr. 4 389 845 veranschaulicht, kann das Steuerventil
ein Ventil vom Klappentyp (6) oder
ein Bypassventil vom Schiebertyp (11)
sein. Man siehe die US-Patente Nr. 4 443 153 (Dibelius) und 4 351
154 (Richter), die doppelte Abgassammler lehren, wobei jede Abgasleitung nachfolgend
in zwei oder mehr Kanäle
unterteilt wird, die zum Turbolader führen. Die Strömung wird über Bypass-
oder Klappenventile gesteuert.
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Eine
Verbesserung bei der Ventilauslegung ist aus dem US-Patent Nr. 4
544 326 (Nishiguchi u.a.) ersichtlich, das zusätzlich zu Ventilen vom Klappentyp
(6a) ein drehbares Ventil (8A, 9A, 10A, 11A, 13, 16) lehrt. Das drehbare Ventil hat einen L-förmigen Querschnitt,
wie in 10B zu sehen. Das drehbare
Ventil hat ein Vollsegment, dessen Querschnitt ein Kreissegment
ist, und ein kreisförmiges
Ende, das die Gestalt einer kreisförmigen Scheibe besitzt und
woran die Welle des drehbaren Ventils befestigt ist. Das drehbare
Ventil hat nur ein kreisförmiges
Ende. Die andere Seite des drehbaren Ventils ist offen. Ein Hohlraum
des drehbaren Ventils wird auf der einen Seite durch das kreisförmige Ende
begrenzt, aber die andere Seite des Hohlraumes ist offen. Die offene
Seite des Hohlraumes ist der Trennwand des Turbinengehäuses zugewandt.
Die Trennwand ist mit einem Loch ausgebildet. Das Loch mündet in
den Hohlraum. In der in 10A gezeigten, geschlossenen
Position liefert das Loch eine fluidische Verbindung zwischen einem
Hauptspiralkanal und einem sekundären Spiralkanal an einer Stelle strömungsaufwärts vom
Vollsegment des drehbaren Ventils. Diese fluidische Verbindung durch
das Loch wird selbst dann aufrecht erhalten, wenn das Ventil in seiner
geöffneten
Stellung ist. Das Loch kann dynamischen Druck entlasten, der auf
den Boden des Hohlraumes wirkt, wenn das Ventil in seiner geschlossenen
Stellung ist.
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Dieses
Vollsegment, dessen Querschnitt ein Kreissegment ist, ist gegenüber der
zentralen Drehachse des drehbaren Ventilzylinders versetzt. Daher bewirkt
jeder Druck, der auf das Vollsegment wirkt, ein Ungleichgewicht
des Ventils, erhöht
die Kraft, die erforderlich ist, um das Ventil zwischen seinen Stellungen
zu verdrehen, verringert die Geschwindigkeit des Ventils und erhöht die Wahrscheinlichkeit
eines Festsitzens des Ventils.
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Wenn
des Weiteren ein Erfordernis besteht, eine Bypassfunktion in den
Turbolader einzubeziehen, wird dies durch zusätzliche Steuerorgane erreicht
und erhöht
den Platzbedarf wie auch die Komplexität. Es besteht ein Bedarf für eine einfachere
und wirksamere Auslegung der Bypassfunktion.
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In
der US-A-5 146 754 wird ein Abgaskatalysator offenbart, der in einem
Turbolader gemäss
Anspruch 1 verwendet werden kann und ein drehbares Steuerventil
umfasst, das zwei Positionen für
die Öffnung
bzw. den Verschluss einer Zwischenverbindung zwischen zwei Ladereintrittsspiralen
besitzt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage der Entdeckung gemacht,
dass ein drehbares Ventil mit weniger Hysterese, mehr Reaktion und
leichterer Steuerung konstruiert werden kann, über das nicht nur die Strömung zu
den Spiralkanälen
gesteuert werden kann, sondern auch eine Bypassfunktion.
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Konkreter
betrifft eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung einen Turbolader, umfassend:
ein
Laufrad;
ein Turbinengehäuse,
das eine Laufradkammer definiert, die eine Eintrittsöffnung und
eine Austrittsöffnung
besitzt, wobei das Turbinengehäuse
weiter umfasst:
zumindest eine Gehäuseeintrittsöffnung zur
Aufnahme von Abgas,
zumindest einen ersten und einen zweiten
Spiralkanal, die zu einer Eintrittsöffnung einer Laufradkammer
hin offen und so bemessen sind, dass ein Abgasstrom von der Gehäuseeintrittsöffnung zur
Laufradkammer hin gelenkt wird,
zumindest einen strömungsaufwärts vom
Laufrad angeordneten Aufwärts-Gehäuseaustritt,
zumindest
einen strömungsabwärts vom
Laufrad angeordneten Abwärts-Gehäuseaustritt
zum Ablassen von Abgas aus der Laufradkammer; und
ein zwischen
dem Gehäuseeintritt
und dem zumindest einen ersten und einen zweiten Spiralkanal angeordnetes
drehbares Steuerventil, das zwischen (a) einer Position, in der
zumindest eine Spirale blockiert und der Aufwärts-Gehäuseaustritt blockiert ist,
(b) einer Position, in der kein Spiralkanal blockiert ist und der
Aufwärts-Gehäuseaustritt
blockiert ist, und (c) einer Position, in der kein Spiralkanal blockiert
ist und der Aufwärts-Gehäuseaustritt
nicht blockiert ist, verdreht werden kann,
worin das Steuerventilorgan
ein drehbares Ventil ist, das um eine zentrale Achse drehbar ist,
wobei das Ventil eine scheibenförmige
Basis und eine Steuerfläche
umfasst, die auf der Basis angebracht ist und selektiv den ersten
und/oder den zweiten Spiralkanal blockiert, wobei die Scheibe eine Öffnung umfasst, die
mit dem strömungsaufwärts vom
Laufrad angeordneten Austritt zur Deckung gebracht werden kann,
um es dem Abgasstrom zu ermöglichen,
das Laufrad zu umgehen.
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Die
Steuerfläche
des drehbaren Ventils kann die Gestalt eines Keils, eines stumpfen
Keils, einer hyperbolischen Kurve oder jede andere Gestalt besitzen,
die keine Gerade ist. Die Steuerfläche hat somit eine Vorderkante,
die sich über
die Drehachse des drehbaren Ventils hinweg erstreckt, sowie eine
Hinterkante, die kreisförmig
und so ausgelegt ist, dass sie sich mit engem Spiel an den Spiralkanal-Eintrittsöffnungen
bewegt.
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In
einer zweiten Ausführungsform
wird das Bypassventil oder Wastegate nicht über eine Öffnung im scheibenförmigen Teil
des drehbaren Ventils gesteuert, sondern über die Steuerfläche des
drehbaren Ventils. Da diese Steuerfläche eine zusätzliche Funktion
ausfüllen
muss, muss die Steuerfläche
breiter gestaltet werden, wodurch (a) das drehbare Ventil grösser wird
und (b) der Bypass-Austritt in die gleiche Ebene wie der erste und
zweite Spiralkanal gelegt werden muss, was zu grösseren Aussenabmessungen des
Turbinengehäuses
führen
kann.
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In
einer bevorzugten Variante der ersten und zweiten Ausführungsform
wird das drehbare Ventil nicht nur an der Welle zwischen Basisscheibe
und Steuerarm gelagert, sondern auch am oberen Ende des drehbaren
Ventils. Eine solche doppelte Lagerung führt zu einer höheren Präzision in
der Ventilführung.
Dadurch wiederum wird es möglich,
das Ventil mit engeren Toleranzen zu fertigen (z.B. unter Verwendung
einer Spaltoptimierungstechnik mit reibenden Oberflächenschichten
in der Kolbendichtung und im Bypasskanal), was seinerseits zu weniger
Bypass-Leckverlusten und höherem
Wirkungsgrad sowie auch zu einer möglichen Verringerung der Ventilgrösse führt.
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Der
drehbare Teil des drehbaren Ventils kann mit anderen drehbaren Teilen
unterschiedlicher Konstruktion ausgetauscht werden, um leicht die
Strömungseigenschaften
verändern
zu können.
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Es
gibt keine Prallflächen,
keinen wiederholten Aufprall, daher wird im Vergleich zu den normalen variablen
Schieberventilen die Lebensdauer signifikant verlängert. Es
gibt keine Belastung des Turbinengehäuses wie bei herkömmlichen
Schieberventilen.
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Da
wegen der rein rotierenden Bewegung weniger Kraft erforderlich ist,
um das Ventil einzustellen, kann daher das Stellglied kleiner gemacht
werden, ohne ein Festsitzen fürchten
zu müssen.
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Da
die Reibung auf die Lager beschränkt
und daher gering ist, gibt es kaum Hysterese, so dass die Steuerkennlinie
merklich verbessert ist.
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Das
drehbare Ventil kann einseitig (als ein „fliegendes" Ventil) oder beidseitig
(doppelseitig, für höhere Führungspräzision und
geringere Vibrationseigenschaften) montiert werden.
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Die
Arbeitsflächen
sind einfach und leicht maschinell zu bearbeiten, so dass der Herstellungsprozess
unkompliziert und wirtschaftlich ist. Seitliche Dichtungen können tatsächlich entweder
entfallen oder nur wahlweise benutzt werden. Die thermodynamischen
Eigenschaften wurden auch verbessert gefunden. Das drehbare Ventil
ist für
eine Herstellung in grossen Stückzahlen
besonders geeignet.
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Insgesamt
könnten
die Teile kleiner, leichter, mit engeren Toleranzen und wirtschaftlicher
hergestellt werden und beanspruchen weniger Raum als herkömmliche
Schieber- oder drehbare Ventile.
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Vorstehend
sind die einschlägigeren
und wichtigeren Merkmale der vorliegenden Erfindung ziemlich breit
umrissen worden, damit die folgende eingehende Beschreibung der
Erfindung besser verstanden und der vorliegende Beitrag zur Technik
vollkommener eingeschätzt
werden kann. Zusätzliche Merkmale
der Erfindung, die den Gegenstand der Ansprüche der Erfindung bilden, werden
hierunter beschrieben. Fachleute sollten verstehen, dass das Konzept
und die konkreten Ausführungsformen,
die offenbart werden, leicht als eine Basis verwendet werden können, um
drehbare Ventile abzuwandeln oder andere, drehbare Ventile umfassende
Vorrichtungen zu konstruieren, die den gleichen Zweck wie die vorliegende
Erfindung erfüllen.
Es sollte von Fachleuten auch realisiert werden, dass solche gleichwertige
Strukturen nicht vom Geist und Rahmen der Erfindung abweichen, wie
sie in den beigefügten
Ansprüchen
dargelegt wird.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden in den folgenden Abschnitten unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen erörtert, in
denen:
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1 die
drehbare Komponente des drehbaren Ventils zur Verwendung in einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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2 die
Position des drehbaren Ventils innerhalb eines generischen Turboladergehäuses zeigt;
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3 eine
Ansicht des Montageflansches des Turboladers ist;
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4 der 3 entspricht
und einen Querschnitt durch das drehbare Ventil darstellt;
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5 eine
Ansicht des engsten Querschnitts des Turboladers von unten ist,
die den Steuerarm in den Positionen a bis c zeigt;
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6a bis
c das drehbare Ventil und die Öffnung
in den Positionen a bis c zeigen, die den Steuerarmpositionen a
bis c entsprechen;
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7 ein
axialer Längsschnitt
durch das Turboladergehäuse
ist, der den ersten und zweiten Abgas-Strömungskanal zeigt;
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8 und 9 Querschnittsansichten
einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung von der Seite bzw. von oben zeigen, wobei der Abgas-Bypasskanal
neben dem drehbaren Ventil und nicht unter dem drehbaren Ventil
angeordnet ist; und
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10 eine
weitere Alternative der ersten Ausführungsform zeigt, wo der Bypasskanal
nicht unter dem ersten und zweiten Strömungskanal angeordnet ist.
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Eingehende Beschreibung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Konstruktion eines drehbaren
Ventils und wird hier im Zusammenhang mit einem Turbolader beschrieben, worin
die Abgase eines Motors durch ein Abgasrohr zu einer Turbine strömen, wo
Druckenergie, Geschwindigkeitsenergie und thermische Energie in
ein Drehmoment an der Turbinenwelle umgewandelt werden. Dieses Drehmoment
wird an einen Verdichter übermittelt,
der umläuft
und komprimierte Luft durch einen Ansaugkanal in den Motor entlädt.
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Wie
im Einzelnen im einführenden
Teil der Beschreibung erörtert,
ist es wohlbekannt, mehrfache Strömungspfade unterschiedlicher
Eigenschaften in Turboladergehäuse
hineinzukonstruieren, allgemein zumindest einen grösseren Spiralkanal
und einen kleineren Spiralkanal, die durch eine Trennwand voneinander
getrennt sind und in denen die Abgase vom Motor selektiv kanalisiert
werden. Sowohl der grössere
als auch der kleinere Kanal ist zu einer Eintrittsöffnung einer
Laufradkammer hin offen, die das Laufrad enthält. Diese Gehäuseauslegungen sind
für die
vorliegende Erfindung eine Begleiterscheinung und brauchen hierin
nicht in grossen Einzelheiten erörtert
zu werden. Wenn das drehbare Ventil der vorliegenden Erfindung zwischen
einem Abgaseintritt und dem Laufrad eines Turboladers angebracht
wird, dann wird es dafür
benutzt, die Abgasströmung
entlang der verschiedenen Kanäle
zu steuern bzw. zu lenken, und es liefert dadurch Verbesserungen
im Wirkungsgrad und in der Kompaktheit, die in grösseren Einzelheiten
unten erörtert
werden. Wenn das drehbare Ventil der vorliegenden Erfindung in einem Turbolader
verwendet wird, ist es dementsprechend nicht auf eine spezielle
Klasse oder Konstruktion des Turbinengehäuses begrenzt, sondern kann
in allen Gehäusen
vom Doppelströmungs-,
Zwillingsströmungs-
oder Gegendrucktyp oder kombinierten Typen verwendet werden.
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Geeignete
Turbinengehäusekonstruktionen sind
zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 3 614 259 (Neff), 4 389 845
(Koike), 4 443 153 (Dibelius), 4 351 154 (Richter) und 4 544 326
(Nishiguchi) zu finden, deren Lehren hier durch Bezugnahme einbezogen werden.
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Fühler, Steuerlogik
und Stellglieder für
die Bewegung des drehbaren Ventils sind ebenfalls wohlbekannt, wie
beispielhaft durch die oben aufgeführten US-Patente belegt, und
brauchen daher hier nicht im Einzelnen erörtert zu werden. Verbunden
mit einem elektronischen System des Motors, das die Betriebseigenschaften
des Motors wie die Drehzahlen, Massenflüsse, Turboladerdrücke und
Turbolader-Lufttemperaturen registriert, kann das drehbare Ventil
zu einem Beriebsmodus gesteuert werden, der den Verbrauch oder die
Schadstoffe bei jedem beliebigen Arbeitspunkt des Motors minimiert.
In der Regel ist zwischen minimalem Verbrauch und minimalen Schadstoffen
ein Kompromiss erforderlich. Je nach den Umgebungsbedingungen, dem
Belastungszustand und der Drehzahl wird der Abgas-Massenfluss zielorientiert
zwischen der Bypassseite (die ein Bypassventil sein kann oder direkt
mit einem Abgaskatalysator verbunden sein kann), dem ersten Strömungskanal
der Turbine und dem zweiten Strömungskanal
der Turbine und, sofern weitere Strömungskanäle vorliegen, dann auch auf
die weiteren Strömungskanäle aufgeteilt.
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Indem
wir uns nun den Figuren zuwenden, zeigt 1 die drehbare
Komponente 1 des drehbaren Ventils, das in einer ersten
Ausführungsform
der Erfindung verwendet werden soll. Die Basisscheibe 2 wird
durch eine kreisförmige
Kante 3 am äusseren Umfang
definiert und hat eine darin definierte Öffnung 7. Auf einer
Oberfläche
der Basisscheibe ist eine Steuerfläche 4 vorgesehen,
die in der Figur keilförmig
mit einer stumpfen Vorderkante 5 und einer zur peripheren
Kante der Scheibe konzentrischen, bogenförmigen Hinterkante 6 dargestellt
wird. Die Drehachse des drehbaren Ventils verläuft hinter der Vorderkante
der Führungsfläche.
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2 zeigt
die räumliche
Anordnung des drehbaren Leitventils innerhalb eines generischen Turbinengehäuses 8.
Das drehbare Ventil 1 ist strömungsabwärts von einem Montageflansch 10 und strömungsaufwärts vom
Laufrad 9 an der engsten Stelle 11 des Strömungsquerschnitts
der Turbine angebracht. Das drehbare Ventil ist um eine Welle 12 drehbar
montiert.
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3 ist
ein Blick auf den Montageflansch des Turboladers, von dem eine äussere (allgemein, aber
nicht notwendigerweise kleinere) Spirale 13 und eine innere
(allgemein grössere)
Spirale 14 sowie ein Leitarm 17 zu sehen sind, über den
das (nicht gezeigte) Stellglied das drehbare Ventil bewegt.
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4 entspricht 3 und
ist ein Querschnitt durch die Turboladeröffnung für das drehbare Ventil. Hier
ist ein einzelnes Lager 22 für die Montage der länglichen
Welle 12 des drehbaren Ventils 1 gezeigt. Ebenfalls
werden der Bypass-Kanal 16 und ein durchgehendes Loch im
Boden des Turbinengehäuses
unter dem drehbaren Ventil gezeigt, das mit dem Loch in der Scheibe
des drehbaren Ventils zur Deckung gebracht werden kann, wenn sich
das drehbare Ventil in der unten erörterten Position „c" befindet.
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5 ist
eine Unteransicht des Turbinengehäuses am engsten Teil seines
Querschnitts, die den Leitarm 17 in zwei Endpositionen
sowie zu den Positionen „a", „b" und „c" bewegbar zeigt,
deren Bedeutung aus 6a bis c besser verständlich werden wird.
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6a zeigt
das drehbare Ventil (einschliesslich des Lochs in der Scheibe) in
der Position „a", die der Leitarmposition „a" von 5 entspricht. Wenn
die Strömungsgeschwindigkeit
der Abgase niedrig ist, wird das drehbare Ventil so eingestellt, dass
die Steuerfläche 4 die
Innenspirale 14 blockiert und die Abgase nur durch die
Aussenspirale 13 strömen.
Der Gesamtquerschnitt der äusseren
Spiralstruktur ist klein, so dass die Geschwindigkeit der durch
die Aussenspirale fliessenden Abgase erhöht ist. In einer (nicht gezeigten)
bevorzugten Ausführungsform
kann die Aussenspirale unterteilt, d.h. im Wesentlichen durch eine
Trennwand abgetrennt sein, so dass Impulse der Abgase mit hohem
Wirkungsgrad genutzt werden können
und folglich selbst bei niedrigen Drehzahlen ein genügend hoher
Ladedruck gewährleistet
werden kann.
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Wenn
die Strömungsgeschwindigkeit
der Abgase zunimmt, wirkt ein (nicht gezeigtes) Stellglied so, dass
das drehbare Ventil 1 veranlasst wird, nicht nur die Aussenspirale
(oder Spiralen) 13 zu öffnen, sondern
auch die Innenspirale 14. Im Ergebnis vergrössert sich
das Volumen des Turbinengehäuses 8 so,
dass die Geschwindigkeit der Abgase abnimmt und folglich der Ladedruck
auf einem vorbestimmten Niveau gehalten werden kann.
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Wenn
die Drehzahl des Motors weiter zunimmt, steigt die Strömungsgeschwindigkeit
der Abgase entsprechend an, so dass das Stellglied das drehbare
Ventil 1 veranlasst, nicht nur die Aussen- und Innenspiralen
zu öffnen,
sondern auch das Loch 7 in der Scheibe mit dem durchgehenden
Loch 15 zur Deckung zu bringen, das sich durch eine Wand
hindurch erstreckt und zum Abgas-Bypasskanal 16 führt, der
als ein Bypassventil (Wastegate) oder für die Rückführung ausgelegt ist. Im Ergebnis
wird ein Teil des Abgases vom Motor in die Umgebungsluft ausgestossen,
so dass verhindert werden kann, dass der Ladedruck übermässig ansteigt,
und er auf einem optimalen Niveau gehalten werden kann.
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Zusammenfassend
werden die Innen- und Aussenspiralen und die Abgas-Bypass-Öffnung auf die Strömungsgeschwindigkeit
der Abgase vom Motor ansprechend selektiv so geöffnet bzw. geschlossen, dass
ohne Rücksicht
auf die Veränderlichkeit der
Strömungsgeschwindigkeit
die erwünschten
Turbineneigenschaften bewahrt bleiben können.
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7 ist
ein axialer Längsschnitt
durch das Turboladergehäuse,
der den ersten und zweiten Abgasströmungskanal zeigt. Diese Kanäle können eine beliebige
Konstruktion, Konfiguration und Komplexität haben, Zwillingsströmung, Doppelströmung und Mehrkanal-Zwillingsströmung oder
-Doppelströmung,
je nachdem, was für
ein Turboladergehäuse vom
Typ des gesteuerten Gegendrucks optimal ist. Die Strömungskanäle können sich
radial erstrecken und axial benachbart sein, wie hier gezeigt, oder
sie können
innen und aussen angeordnet sein, wie bei der Doppelströmungsanordnung.
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8 und 9 stellen
Querschnittsansichten einer zweiten Ausführungsform der Erfindung von der
Seite und von oben dar, wobei der Abgas-Bypasskanal neben dem drehbaren
Ventil und nicht darunter angeordnet ist. Der Vorteil dieser Auslegung besteht
darin, dass das drehbare Ventil „flacher und breiter" wird, was in bestimmten
Motorräumen
erwünscht
sein kann. Die Welle des drehbaren Ventils ist wiederum über ein
einziges Lager 22 montiert. Das drehbare Ventil kann leicht
durch Abnahme eines Deckelteils erreicht werden. In der in 9 gezeigten
Position des drehbaren Ventils sind die Innenspirale 14 und
der Bypasskanal 16 blockiert. Durch Drehen des drehbaren
Ventils im Uhrzeigersinn öffnet
sich zuerst die Innenspirale 14, nach weiterer Drehung öffnet sich
der Bypasskanal 16.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird in 10 gezeigt. Hier ist der Bypasskanal nicht
unter dem ersten und zweiten Strömungskanal angeordnet,
sondern liegt von der Innen- und Aussenspirale aus gesehen auf der
anderen Seite der Ventilwelle (wie in der Figur gezeigt).
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Eine
weitere Änderung
in 10 besteht darin, dass das drehbare Ventil nicht
an einem Ende, sondern an beiden Enden des Ventils montiert ist.
Die untere Welle 112b ist nämlich in das untere Lager 110b montiert,
während
die obere Welle 112a in das obere Lager 110a montiert
ist. Die doppelte Lagerung führt
zu einer höheren
Präzision
in der Führung
des Ventils. Dies wiederum ermöglicht
eine Herstellung des Ventils mit engeren Toleranzen, was wiederum zu
geringeren Bypass-Leckverlusten und höherem Wirkungsgrad führt, ferner
auch dazu, die Grösse des
Ventils verringern zu können.
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Bezüglich der
oben gegebenen Beschreibung sollte also realisiert werden, dass
die optimalen Dimensionsbeziehungen der Teile der Erfindung einschliesslich
von Änderungen
in der Grösse,
den Materialien, der Gestalt, Funktion und Arbeitsweise, dem Zusammenbau
und der Verwendung für
einen Fachmann als offenkundig angesehen werden, und es ist beabsichtigt,
dass alle Beziehungen, die den in den Zeichnungen veranschaulichten
und in der Beschreibung beschriebenen gleichwertig sind, von der vorliegenden
Erfindung erfasst werden.
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Daher
wird das Vorstehende nur als eine Veranschaulichung der Prinzipien
der Erfindung betrachtet. Weiter wird, da Fachleuten zahlreiche
Abwandlungen und Änderungen
leicht einfallen werden, nicht gewünscht, die Erfindung auf die
genaue Konstruktion und Betriebsweise zu beschränken, die gezeigt und beschrieben
wurden, und dementsprechend fallen alle geeigneten Abwandlungen
und Äquivalente,
auf die man zurückfallen
könnte,
in den Umfang der Erfindung.
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Nun,
da die Erfindung beschrieben worden ist,