DE102004033185A1

DE102004033185A1 - Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit axialem Drehschieberventil

Info

Publication number: DE102004033185A1
Application number: DE200410033185
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Benz (TH); Stephan Dipl.-Ing. Krätschmer (FH); Andreas Dipl.-Ing. Ruess (BA)
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2006-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, beinhaltend einen Verdichter und eine Turbine (2), wobei von einem Abgaseinlaufkanal (6) in die Turbine (2) ein Abgas abführender Bypasskanal (8) abzweigt, in dem ein Bypass-Ventil (10) angeordnet ist, bei welchem ein Drehschieber (12) mit wenigstens einer Strömungsöffnung (14) gegenüber wenigstens einer Strömungsöffnung (30) in einem ruhenden Körper (28) derart verdrehbar ist, dass der Strömungsquerschnitt durch die Strömungsöffnungen (14, 30) abhängig von deren Überdeckungsgrad einstellbar ist. DOLLAR A Die Erfindung sieht vor, dass die Mittelachsen der wenigstens einen Strömungsöffnung (14) des Drehschiebers (12) und der wenigstens einen Strömungsöffnung (30) des ruhenden Körpers (28) parallel zueinander angeordnet und miteinander in axiale Flucht bringbar sind, wobei der Drehschieber (12) stromaufwärts des ruhenden Körpers (28) angeordnet und relativ zu diesem mit einem derartigen Axialspiel versehen ist, das er bei außer Flucht zueiandner stehenden Strömungsöffnungen (14, 30) durch den Staudruck des Abgases gegen den ruhenden Körper (28) gedrängt ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, beinhaltend einen Verdichter und eine Turbine, wobei von einem Abgaseinlaufkanal in die Turbine ein Bypasskanal abzweigt, in dem ein Bypass-Ventil angeordnet ist, bei welchem ein Drehschieber mit wenigstens einer Strömungsöffnung gegenüber wenigstens einer Strömungsöffnung in einem ruhenden Körper derart verdrehbar ist, dass der Strömungsquerschnitt durch die Strömungsöffnungen abhängig von deren Überdeckungsgrad einstellbar ist, gemäß der Gattung von Anspruch 1.

Mit steigender Motordrehzahl muss der Ladedruck eines Abgasturboladers durch ein Ladedruckregelventil oder Bypassventil begrenzt und konstant gehalten werden. Bei geöffnetem Bypassventil wird ein Teil der Abgase unter Umgehung der Turbine über den Bypasskanal direkt zum Abgasschalldämpfer geführt. Hohe Anforderungen an die Brennkraftmaschine hinsichtlich Verbrauch, Schadstoffausstoß und Ansprechverhalten erfordern eine gute Regelbarkeit des Abgasturboladers, insbesondere mit Hilfe des Bypassventils.

Aus der DE 197 27 141 C1 ist ein Tellerventil als Bypassventil bekannt, welches hohen Anforderungen an die Regelbarkeit nicht gerecht wird, außerdem können im Motorbremsbetrieb Schäden am Tellerventil auftreten.

Eine bessere Regelbarkeit weisen Drehschieberventile als Bypassventile auf. Ein solches Drehschieberventil eines gattungsgemäßen Abgasturboladers ist aus der DE 196 18 160 C2 bekannt, wobei der Drehschieber durch in einer Hülse drehbar gelagerten zylindrischen Körper gebildet wird, in welchem sich in Längsrichtung erstreckende, nach radial außen hin offene Strömungskanäle ausgebildet sind, welche abhängig von der Drehlage des Drehschiebers zumindest teilweise mit radialen Strömungsöffnungen der Hülse in Überdeckung bringbar sind. In bestimmten Drehlagen des Drehschiebers sperrt dieser die Strömungsöffnungen der Hülse. Dieses Drehschieberventil hat jedoch den Nachteil, dass ein vollständiges Schließen nicht möglich ist. Insbesondere zwischen dem Drehschieber und der Hülse treten Leckagen auf, welche zu unerwünschten Wirkungsgradverlusten an der Turbine und damit an der Brennkraftmaschine führen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader der eingangs erwähnten Art derart weiter zu entwickeln, dass er einerseits eine gute Regelbarkeit aufweist und andererseits das Bypassventil frei von Leckagen ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, die Mittelachsen der wenigstens einen Strömungsöffnung des Drehschiebers und der wenigstens einen Strömungsöffnung des ruhenden Körpers parallel zueinander anzuordnen und miteinander in axiale Flucht zu bringen, den Drehschieber stromaufwärts des ruhenden Körpers anzuordnen und relativ zu diesem mit einem derartigen Axialspiel zu versehen, dass er bei außer Flucht zueinander stehenden Strömungsöffnungen durch den Staudruck des Abgases gegen den ruhenden Körper gedrängt ist. Dann wird der Drehschieber in gesperrtem Zustand des Bypassventils durch den Staudruck des Abgases gegen den ruhenden Körper gedrängt, wodurch nach dem Prinzip der Selbstverstärkung sich die Dichtwirkung zwischen den beiden Bauteilen erhöht und folglich die Leckagemenge reduziert bzw. ganz vermieden wird. Damit vereint das auf einem konventionellen Drehschieberventil basierende Drehschieberventil der Erfindung die gattungsgemäßen Vorteile einer guten Regelbarkeit mit dem Vorteil einer weitgehenden Vermeidung von Leckagen im Sperrbetrieb wie sie sonst nur Tellerventile bieten.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich.

Gemäß einer besonders zu bevorzugenden Ausführungsform wird der ruhende Körper durch eine Scheibe gebildet, welche in einem Turbinengehäuse dreh- und axialfest gehalten ist, wobei die wenigstens eine Strömungsöffnung der Scheibe durch wenigstens einen, einen Teil des Bypasskanals bildenden Strömungskanal im Turbinengehäuse fortgesetzt ist, welcher auf der Turbinenaustrittsseite mündet.

Eine besonders einfache Konstruktion ergibt sich, wenn der Drehschieber durch eine an einer Welle gehaltene Drehscheibe gebildet wird, an der die wenigstens eine Strömungsöffnung senkrecht zur Ebene der Drehscheibe ausgebildet ist, wobei die Welle von einer Stelleinrichtung angetrieben ist. Weiterhin kann die Drehscheibe der fest stehende Scheibe und einer Stirnfläche des Turbinengehäuses zwischengeordnet sein, in welchem Strömungsöffnungen von Strömungskanälen ausgebildet sind, welche mit strömungsführenden Fluten der Turbine verbunden sind. Dabei sollte die wenigstens eine Strömungsöffnung der fest stehenden Scheibe mit wenigstens einem, jenseits der Drehscheibe angeordneten Strömungsöffnungen im Turbinengehäuse fluchten. Dann bestimmt lediglich die Drehlage der Drehscheibe, ob oder in welchem Maße eine Strömung durch den Bypasskanal stattfindet.

Wenn die Welle im Turbinengehäuse begrenzt axial verschieblich gelagert ist, kann der Staudruck des Abgases die Drehscheibe gegen die fest stehende Scheibe drängen, um die Dichtwirkung durch Selbstverstärkung zu erhöhen.

Die Anzahl der Strömungsöffnungen in der Drehscheibe und in der fest stehenden Scheibe entspricht vorzugsweise der Anzahl der Fluten der Turbine und der Strömungskanal und die Strömungsöffnungen in der fest stehenden Scheibe und in der Drehscheibe weisen einen beispielsweise kreisförmigen Querschnitt auf.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Dabei zeigen:
1 eine Teilschnittdarstellung eines Abgasturboladers mit einem Bypassventil gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und
2 eine perspektivische Explosionszeichnung des Bypassventils von 1.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist der für die Erfindung interessierende Teil eines Abgasturboladers 1 für eine Brennkraftmaschine dargestellt, der einen Verdichter und eine Turbine 2 umfasst. Die Turbine 2 ist in einem Turbinengehäuse 4 gelagert, welches in 1 aufgeschnitten gezeigt ist. Von einem beispielsweise in zwei Fluten geteilten Abgaseinlaufkanal 6 in die Turbine 2 zweigt ein abgasführender Bypasskanal 8 ab, in dem ein Bypassventil 10 angeordnet ist.
Das Bypassventil 10 ist ein Drehschieberventil mit einer vorzugsweise kreisförmigen Drehscheibe 12, in welcher beispielsweise zwei axiale, sich diametral gegenüberliegende und senkrecht zur Ebene der Drehscheibe 12 angeordnete Durchgangsöffnungen 14 ausgebildet sind. Die Drehscheibe 12 ist an einer Welle 16 endseitig gehalten, welche in einer zentralen Lagerbohrung 18 eines Lagerblocks 20 des Bypassventils 10 vorzugsweise parallel zur Turbinenachse drehbar und begrenzt axial verschieblich gelagert ist, vorzugsweise in im Lagerblock 20 gehaltenen Lagerhülsen 21. Ein aus dem Lagerblock 20 herausragendes Ende 23 der Welle 16 wird von einer aus Maßstabsgründen nicht gezeigten Stelleinrichtung angetrieben, vorzugsweise von einer pneumatischen Unterdruckdose in Kombination mit einem Gestänge zur Wandelung der Linearbewegung in eine Rotationsbewegung oder von einem Elektromotor bzw. von anderen geeigneten elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Stellantrieben.
Der Bypasskanal 8 beinhaltet in seinem dem Bypassventil 10 vorgeordneten Teil beispielsweise einen in dem Lagerblock 20 ausgebildeten Strömungskanal 22, welcher aus dem Abgaseinlaufkanal 6 der Turbine 2 quer abzweigt, innerhalb des Lagerblocks 20 in axiale Richtung umgelenkt wird und sich in zwei Strömungskanäle 22 aufzweigt, um an einer Stirnfläche 24 des Lagerblocks 20 in bezogen auf die zentrale Lagerbohrung 18 für die die Drehscheibe 12 tragende Welle 16 diametral angeordnete Strömungsöffnungen 26 zu münden, welche in einer bestimmten Drehlage der Drehscheibe 12 mit deren Durchgangsöffnungen 14 in Flucht und Überdeckung bringbar sind, wie anhand von 2 leicht vorstellbar ist. Die Drehscheibe 12 liegt dabei der Stirnfläche 24 des Lagerblocks 20 vorzugsweise unmittelbar gegenüber.
Die Strömungsöffnungen 26 in der Stirnfläche 24 des Lagerblocks 20 fluchten mit beispielsweise zwei, in einer senkrecht zur Mittelachse der Welle 16 angeordneten, im Lagerblock 20 axial- und drehfest gehaltenen Scheibe 28 ausgebildeten Durchgangsöffnungen 30. Diese Durchgangsöffnungen 30 schaffen eine Strömungsverbindung zu einem Innenraum einer Kappe 32, welche zu dem dem Drehschieberventil 10 nachgeordneten Teil des Bypasskanals 8 gehört und koaxial zur Drehscheibe 12 angeordnet ist. Diese Kappe 32 nimmt mit einer endseitigen zentralen Öffnung 34 eine aus Maßstabsgründen nicht gezeigte Verrohrung auf, welche zur Turbinenaustrittsseite führt.
Die Drehscheibe 12 ist der Stirnfläche 24 des Lagerblocks 20 und der Scheibe 28 unmittelbar und im Wesentlichen spaltlos zwischengeordnet. Genauer ist die Drehscheibe 12 stromaufwärts der Scheibe 28 angeordnet und relativ zu dieser mit einem derartigen Axialspiel versehen, dass die Drehscheibe 12 bei nicht in Flucht zueinander stehenden Durchgangsöffnungen 14, 30 durch den Staudruck des Abgases axial gegen die Scheibe 28 gedrängt ist. Dieses Axialspiel kann durch eine entsprechende Ausbildung der Lagerhülsen 21 erzielt werden. Außerdem sind die Drehscheibe, die fest stehende Scheibe 28 sowie ein Zentrierring der Kappe 32 vorzugsweise in einer zylindrischen Ausnehmung 31 des Lagerblocks axial hintereinander angeordnet, zentriert aufgenommen und axial durch die Kappe 32 gekontert.
In einer bestimmten Drehlage der Drehscheibe 12 jedoch sind deren Durchgangsöffnungen 14 mit den Durchgangsöffnungen 30 der Scheibe 28 bzw. mit den Strömungsöffnungen 26 an der Stirnfläche 24 des Lagerblocks 20 in Flucht bringbar. Insbesondere ist der Querschnitt der Durchgangsöffnungen 14, 30 und der Strömungsöffnungen 26 vorzugsweise kreisförmig und gleich groß. Alternativ können die Querschnitte beliebige Formen aufweisen und nicht gleich groß sein. Der Strömungsquerschnitt durch die Strömungsöffnungen 26 und die Durchgangsöffnungen 14, 30 und damit die Menge des durch den Bypasskanal 8 um die Turbine 2 herum geleiteten und abgeblasenen Abgases ist folglich abhängig vom Überdeckungsgrad der Durchgangsöffnungen 14 der Drehscheibe 12 mit den Durchgangsöffnungen 30 der Scheibe 28 einstellbar. Dieser Überdeckungsgrad ist wiederum von der Drehlage der Drehscheibe 12 relativ zur Scheibe 28 abhängig, die durch den Stellantrieb vorgegeben wird. Die Anzahl der Durchgangsöffnungen 14, 30 in der Drehscheibe 12 und in der fest stehenden Scheibe 28 entspricht vorzugsweise der Anzahl der Fluten 6 der Turbine 2, sie kann aber auch beliebig sein.
Vor diesem Hintergrund ist die Funktionsweise des Bypassventils 10 wie folgt:
Wenn die Brennkraftmaschine mit hoher Drehzahl gefahren wird, muss zumindest ein Teil des Abgases über den Bypasskanal 8 an der Turbine 2 vorbeigeleitet werden, damit der Ladedruck einen Soll-Ladedruck nicht übersteigt. Hierzu wird von einer Steuereinheit ein Steuersignal an die Stelleinrichtung gegeben, welche daraufhin die Welle 16 mit der Drehscheibe 12 derart verdreht, dass deren Durchgangsöffnungen 14 zumindest teilweise mit den Durchgangsöffnungen 30 der fest stehenden Scheibe 28 bzw. mit den Strömungsöffnungen 26 im Lagerblock 20 in Überdeckung geraten. Dann wird ein Teil des im Abgaseinlaufkanal 6 der Turbine 2 strömenden Abgases über die Strömungskanäle 22 des Lagerblocks 20, die Durchgangsöffnungen 14, 30 in der Drehscheibe 12 und in der fest stehenden Scheibe 28 in die Kappe 32 und von dort in die Verrohrung abgezweigt, welche zur Turbinenaustrittsseite führt.
Soll hingegen die Turbine 2 mit der vollen Abgasströmung beaufschlagt werden, beispielsweise beim Hochbeschleunigen aus niedrigen Drehzahlen, so schließt das Drehschieberventil 10, indem die Welle 16 mit der Drehscheibe 12 von der Stelleinrichtung in eine Position verdreht wird, in welcher keinerlei Überdeckung zwischen den Durchgangsöffnungen 14 der Drehscheibe 12 und den Strömungsöffnungen 26 des Lagerblocks 20 bzw. den Durchgangsöffnungen 30 der fest stehenden Scheibe 28 vorhanden ist, so dass der Staudruck des aus den Strömungsöffnungen 26 des Lagerblocks 20 strömenden Abgases die Drehscheibe 12 axial gegen die fest stehende Scheibe 28 drängt, wodurch sich die Dichtwirkung zwischen diesen beiden Bauteilen verstärkt.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform weist der Abgasturbolader 1 ein Leitgitter auf, das vorzugsweise ringförmig und verschiebbar ausgeführt ist. Denkbar sind auch feststehende Leitgitter. Das Leitgitter wirkt mit einer Dekompressionsbremse der Brennkraftmaschine als eine Motorbremseinrichtung zusammen. Die Dekompressionsbremse der Brennkraftmaschine ist vorzugsweise in Form einer Konstantdrossel ausgeführt. Das Leitgitter ist in dem Abgasturbolader 1 so verschiebbar angeordnet, dass es im Motorbremsbetrieb der Brennkraftmaschine zwischen die Turbine 2 und die zwei Fluten des Abgaseinlaufkanals 6 der Turbine 2 gebracht wird. Das Leitgitter wirkt auf das Abgas in derart ein, dass der Staudruck des Abgases unter anderem im Abgaseinlaufkanal 6 steigt. Die Steigerung des Staudruckes bewirkt eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases, das durch das Leitgitter strömt und auf die Turbine 2 trifft. Die Drehzahl der Turbine 2 steigt und ebenso die Drehzahl des mit der Turbine 2 verbundenen Verdichters des Abgasturboladers 1. Durch die mit der Drehzahlerhöhung einhergehende Steigerung des Ladedrucks steigt der Wirkungsgrad der Dekompressionsbremse. Vorteilhafterweise ist mit dem erfindungsgemäßen Bypassventil 10 auch im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine eine genaue Regulierung der Drehzahl der Turbine 2 und somit des Ladedruckes bzw. des Staudruckes möglich.
Zur Erhöhung des Staudrucks des Abgases im Abgaseinlaufkanal 6 kann anstelle eines Leitgitters eine variable Turbinengeometrie (VTG) oder ein Ringschieber vorgesehen werden.

Claims

Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, beinhaltend einen Verdichter und eine Turbine (2), wobei von einem Abgaseinlaufkanal (6) in die Turbine (2) ein Abgas abführender Bypasskanal (8) abzweigt, in dem ein Bypass-Ventil (10) angeordnet ist, bei welchem ein Drehschieber (12) mit wenigstens einer Strömungsöffnung (14) gegenüber wenigstens einer Strömungsöffnung (30) in einem ruhenden Körper (28) derart verdrehbar ist, dass der Strömungsquerschnitt durch die Strömungsöffnungen (14, 30) abhängig von deren Überdeckungsgrad einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachsen der wenigstens einen Strömungsöffnung (14) des Drehschiebers (12) und der wenigstens einen Strömungsöffnung (30) des ruhenden Körpers (28) parallel zueinander angeordnet und miteinander in axiale Flucht bringbar sind, wobei der Drehschieber (12) stromaufwärts des ruhenden Körpers (28) angeordnet und relativ zu diesem mit einem derartigen Axialspiel versehen ist, dass er bei außer Flucht zueinander stehenden Strömungsöffnungen (14, 30) durch den Staudruck des Abgases gegen den ruhenden Körper (28) gedrängt ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ruhende Körper durch eine Scheibe (28) gebildet wird, welche in einem Turbinengehäuse (20) dreh- und axialfest gehalten ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Strömungsöffnung (30) der Scheibe (28) durch wenigstens einen, einen Teil des Bypasskanals (8) bildenden Strömungskanal (32) im Turbinengehäuse (4) fortgesetzt ist, welcher auf der Turbinenaustrittsseite mündet.
Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschieber durch eine an einer Welle (16) gehaltene Drehscheibe (12) gebildet wird, an der die wenigstens eine Strömungsöffnung (14) senkrecht zur Ebene der Drehscheibe (12) ausgebildet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Strömungsöffnung (30) der fest stehenden Scheibe (28) mit wenigstens einer, jenseits der Drehscheibe (12) angeordneten Strömungsöffnung (26) im Turbinengehäuse (4) fluchtet, welcher mit strömungsführenden Fluten (22) verbunden ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (16) im Turbinengehäuse (4) begrenzt axial verschieblich gelagert ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (16) von einer Stelleinrichtung angetrieben ist.
Abgasturbolader nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Strömungsöffnungen (14, 30) in der Drehscheibe (12) und in der fest stehenden Scheibe (28) der Anzahl der Fluten (22) der Turbine (2) entspricht.
Abgasturbolader nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Strömungsöffnungen (14) in der fest stehenden Scheibe (28) und in der Drehscheibe (12) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Abgasturbolader nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader (1) über ein Leitgitter verfügt.
Abgasturbolader nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitgitter verschiebbar und ringförmig ausgeführt ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitgitter mit einer Dekompressionsbremse der Brennkraftmaschine als eine Motorbremseinrichtung zusammenwirkt.