DE102006022482A1

DE102006022482A1 - Abgasregelklappenventil

Info

Publication number: DE102006022482A1
Application number: DE102006022482A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dietsche
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-05-13
Filing date: 2006-05-13
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2026-05-14
Also published as: DE102006022482B4

Abstract

Es handelt sich um ein Abgasregelklappenventil für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, wobei das Abgasregelklappenventil einen Schwenkarm und einen daran angeordneten Ventilteller besitzt, der an einer Bypassöffnung in einem Turbinengehäuse des Abgasturboladers zum Verschließen der Bypassöffnung in Anlage bringbar ist und zum Öffnen der Bypassöffnung davon abhebbar ist und das Abgasregelklappenventil mittels einer Betätigungseinrichtung verschwenkbar ist und die Anordnung des Ventiltellers an dem Schwenkarm derart ist, dass der Ventilteller relativ zur Bypassöffnung winkeleinstellbar ist, wobei der Kontaktbereich zwischen dem Schwenkarm und dem Ventilteller von einer Außenfläche und einer Innenfläche einer Kugelkalotte gebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasregelklappenventil für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, wobei das Abgasregelklappenventil einen Schwenkarm und einen daran angeordneten Ventilteller besitzt, der an einer Bypassöffnung in einem Turbinengehäuse des Abgasturboladers zum Verschließen der Bypassöffnung in Anlage bringbar ist und zum Öffnen der Bypassöffnung davon abhebbar ist und das Abgasregelklappenventil mittels einer Betätigungseinrichtung verschwenkbar ist und die Anordnung des Ventiltellers an dem Schwenkarm derart ist, dass der Ventilteller relativ zur Bypassöffnung winkeleinstellbar ist.
Bei Abgasturboladern ist es zeitweise erforderlich, einen Teil des Abgasstroms an der Turbine des Abgasturboladers vorbei zu leiten und zwar über einen sogenannten Wastegate-Kanal direkt in den Gasaustrittsbereich des Turbinengehäuses. Eine solche Vorgehensweise ist nur bei bestimmten Lastzuständen der Brennkraftmaschine erforderlich, weshalb dieser Wastegate-Kanal verschließbar sein muss. Zu diesem Zweck wird ein Abgasregelklappenventil oder auch eine Wastegate-Klappe eingesetzt. Diese weist einen an einem Schwenkarm angeordneten Ventilteller auf, der auf die Bypassöffnung abgesenkt und von ihr wieder abgehoben werden kann, um die Bypassöffnung in den Wastegate-Kanal zu öffnen oder zu verschließen, je nachdem, ob der Lastzustand der Brennkraftmaschine dies gerade erfordert.
Das Abgasregelklappenventil weist dabei eine Drehachse auf, an der der Schwenkarm verschwenkt werden kann und wird von außerhalb des Turbinengehäuses über eine Betätigungseinrichtung in der Form beispielsweise einer mit dem Schwenkarm verbundenen Stange, die an einer Druckdose angelenkt ist, betätigt.
Die Bypassöffnung weist nun aufgrund der mechanischen Bearbeitung des Turbinengehäuses zwischen ihrem Sitz und dem Abgasregelklappenventil Winkelunterschiede auf. Um nun dann, wenn das Abgasregelklappenventil die Bypassöffnung verschließen soll, für ausreichende Gasdichtigkeit zu sorgen, wird üblicherweise zwischen den Schwenkarm und den Ventilteller ein deutliches Spiel von beispielsweise 0.5 mm vorgesehen. Dieses Spiel führt nun dazu, dass sich der Ventilteller relativ zum Schwenkarm schräg stellen kann und damit eine Winkelanpassung an den Sitz der Bypassöffnung möglich ist.
Ein solches Abgasregelklappenventil, wie es vorstehend beschrieben wurde, ist beispielsweise in der EP 0 078 637 B2 beschrieben worden. Der Ventilteller wird nun von dem in das Turbinengehäuse eintretenden Abgasstrom beaufschlagt und zwar auch dann, wenn das Abgasregelklappenventil teilweise geöffnet ist, was beispielsweise im Übergangsbereich vom geschlossenen zum offenen Zustand der Bypassöffnung möglich ist. Aufgrund der intermittierenden Verbrennung der Brennkraftmaschine strömt das heiße Abgas nicht kontinuierlich, sonder pulsierend in das Turbinengehäuse ein, sodass der Ventilteller von einem pulsierenden Gasstrom beaufschlagt wird.
Durch das große Spiel zwischen dem Ventilteller und dem Schwenkarm entsteht durch die Abgaspulsation eine regellose Bewegung des Ventiltellers in seiner Halterung am Schwenkarm. Durch die Bewegung des Ventiltellers kommt es nun während des Öffnens und Schließens der Bypassöffnung zu einem impulsartigen oder stoßartigen Kontakt mit dem Sitz der Bypassöffnung. Dieser Hammerschlageffekt führt zu großen Beschleunigungen und damit zu großen Kräften. Der Ventilteller und der Schwenkarm sind den heißen Abgasstromtemperaturen von beispielsweise bis zu 950°C ausgesetzt, sodass es aufgrund der großen auftretenden Kräfte und den bei diesen Temperaturen nur geringen Widerständen der eingesetzten Werkstoffe gegen Verformung zu einer Zerstörung und einem Abriss des Ventiltellers kommen kann. Der Abgasturbolader und der nachgeschaltete Katalysator können dadurch ebenfalls vollständig ausfallen.
Dieser Effekt kann nun in verstärkter Weise auch bei einem sogenannten Twin-Scroll-Abgastrubolader auftreten, da das Abgasregelklappenventil hier nicht nur von einem pulsierenden Gasstrom belastet wird, sondern aufgrund des bei einem solchen Abgasturbolader zweiflutigen Einlassbereichs von zwei Abgasströmen, die abwechselnd nicht zentrische Gasimpulskräfte auf den Teller ausüben und somit den Ventilteller zusätzlich eine Kippbewegung aufprägen. Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung nunmehr die Aufgabe zugrunde, das Abgasregelklappenventil derart weiterzubilden, dass die Gefahr eines Abreißens des Ventiltellers verringert wird und somit die Ausfallwahrscheinlichkeit des Abgasregelklappenventils reduziert wird.
Die Erfindung schafft nun zur Lösung dieser Aufgabe ein Abgasregelklappenventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung sieht nun ein Abgasregelklappenventil für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine vor, wobei das Abgasregelklappenventil einen Schwenkarm und einen daran angeordneten Ventilteller besitzt, der an einer Bypassöffnung in einem Turbinengehäuse des Abgasturboladers zum Verschließen der Bypassöffnung in Anlage bringbar ist und zum Öffnen der Bypassöffnung davon abhebbar ist und das Abgasregelklappenventil mittels einer Betätigungseinrichtung verschwenkbar ist und die Anordnung des Ventiltellers an dem Schwenkarm derart ist, dass der Ventilteller relativ zur Bypassöffnung winkeleinstellbar ist, wobei der Kontaktbereich zwischen dem Schwenkarm und dem Ventilteller von einer Außenfläche und einer Innenfläche einer Kugelkalotte gebildet ist.
Durch die Ausbildung des Kontaktbereichs zwischen dem Schwenkarm und dem Ventilteller nach der Art zweier relativ zueinander bewegbarer Kugelkalotten wird zwischen den so gebildeten konzentrischen Kalotten eine reibungsbehaftete Kontaktfläche gebildet, entlang der der Ventilteller relativ zum Schwenkarm in alle Raumrichtungen innerhalb eines vorbestimmten Verschwenkbereichs beweglich ist und somit einen Winkelausgleich in alle Raumrichtungen durchführen kann.
Durch diese Ausbildung des Kontaktbereichs zwischen Schwenkarm und Ventilteller nach der Art zweier aufeinander gleitender Kugelkalotten wird das nach den bekannten Abgasregelklappenventilen notwendige große Spiel in der Lagerung des Ventiltellers am Schwenkarm vermieden. Im Kontaktbereich zwischen den Kugelkalotten am Schwenkarm und am Ventilteller findet eine reibungsbehaftete Relativbewegung des Ventiltellers am Schwenkarm statt und außerdem steht verglichen mit der Kontaktfläche des Ventiltellers am Schwenkarm bei dem bekannten Abgasregelklappenventil eine große Fläche zur Kraftübertragung zwischen dem Ventilteller und dem Schwenkarm zur Verfügung. Damit wird das Problem der unkontrollierten Taumelbewegung des Ventiltellers am Schwenkarm aufgrund des pulsierenden Abgasstroms vermieden und somit kommt es beim Aufsetzen des Ventiltellers am Sitz der Bypassöffnung nicht mehr zu einem stoßartigen Kontakt. Damit wiederum bleibt der beim bekannten Abgasregelklappenventil zu beobachtende Hammerschlageffekt aus und das Problem des Abreißens des Ventiltellers wird vermieden.
Es ist dabei nach der Erfindung vorgesehen, dass die Außenfläche des Kontaktbereichs am Schwenkarm vorgesehen ist und die Innenfläche am Ventilteller. Der Schenkarm kann dabei eine Öffnung besitzen, die von einem am Ventilteller angeordneten Schaft durchsetzt wird. Dieser Schaft wiederum durchsetzt einen Ringkörper, der den Schwenkarm zwischen sich und den Ventilteller einschließt und an seinem Kontaktbereich zum Schwenkarm eine einer Außenfläche einer Kugelkalotte ähnliche zweite Kontaktfläche besitzt. An dieser zweiten Kontaktfläche nun liegt der Schwenkarm mit einer, einer Innenfläche einer Kugelkalotte ähnlichen ersten Kontaktfläche an, sodass es bei einer Relativverlagerung des Ventiltellers zum Schwenkarm zu einer entsprechenden Verlagerungsbewegung des Ringkörpers an dem Schwenkarm kommt.
Um nun den Ventilteller relativ zum Ringkörper festlegen zu können, ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Ringkörper an seiner von der zweiten Kontaktfläche abgewandten Seite weitgehend mit einer ebenen Fläche ausgebildet ist und mittels eines Befestigungsabschnitts des Schafts zwischen dem Schwenkarm und dem Befestigungsabschnitt festgelegt werden kann. Bei diesem Befestigungsabschnitt kann es sich beispielsweise um eine Niet- oder eine Schweißnaht oder einen Verstemmabschnitt des Schafts des Ventiltellers handeln, sodass der Ventilteller mittels seines Schafts und dem dort vorgesehen Befestigungsabschnitt am Ringkörper festgelegt werden kann.
Da nun der Ringkörper den Schwenkarm des Abgasregelklappenventils zwischen seiner zweiten Kontaktfläche und der kugelkalottenförmigen Innenfläche am Ventilteller mit Spiel aufnimmt, kann der Ventilteller eine Winkelausgleichsbewegung in alle Raumrichtungen relativ zum Schwenkarm durchführen, wenn er am Sitz der Bypassöffnung zur Anlage kommt. Gleichzeitig ist aber das Problem der unkontrollierten Taumelbewegung des Ventiltellers relativ zum Schwenkarm im pulsierenden Abgasstrom vermieden, sodass es nicht mehr dazu kommen kann, dass es beim Aufsetzen des Ventiltellers am Sitz der Bypassöffnung über einen Randbereich des Tellerrands zu einem hammerschlagartigen Aufsetzen an dem, dem Erstkontaktbereich zwischen dem Ventilteller und dem Sitz der Bypassöffnung gegenüberliegenden Bereich des Bypassöffnungssitzes kommt, denn durch den reibungsbehafteten Kontaktbereich zwischen dem kugelkalottenförmigen Innenflächenbereich des Ventiltellers und dem kugelkalottenförmigen Außenflächenbereich des Schwenkarms kommt es zu einer langsamen Winkelausgleichsverlagerungsbewegung in diesem Kontaktbereich und damit nicht mehr zu einem impulsartigen Aufschlagen des Ventiltellers am Sitz der Bypassöffnung.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn im Kontaktbereich zwischen dem Schwenkarm und dem Ventilteller eine Spielpassung mit einer Toleranz von etwa 0.1 mm oder weniger vorgesehen ist. Dies im Vergleich mit dem bei einem bekannten Abgasregelklappenventil vorgesehenen Spiel zwischen dem Ventilteller und dem Schwenkarm von ca. 0.5 mm deutlich kleinerer Wert, sodass es durch den reibungsbehafteten Kontaktbereich zwischen dem Ventilteller und dem Schwenkarm zu Reibkräften kommt, die einer regellosen Bewegung des Ventiltellers am Schwenkarm entgegen wirken.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:
1 eine schematische Längsschnittsschnittansicht einer Ausführungsform eines Abgasregelklappenventils nach der vorliegenden Erfindung; und
2 eine ähnliche Darstellung zur Erläuterung des Winkelausgleichs zwischen dem Ventilteller und dem Schwenkarm.
1 der Zeichnung zeigt in einer Schnittansicht eine schematische Darstellung eines Abgasregelklappenventils 1 nach einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
Das dargestellte Abgasregelklappenventil 1 besitzt einen Schwenkarm 2 und einen Ventilteller 3, der einen Schaft 4 aufweist, der eine Öffnung 5 des Schwenkarms 2 durchsetzt.
Der Kontaktbereich 6 zwischen dem Schwenkarm 2 und dem Ventilteller 3 wird nun von einer Außenfläche und einer Innenfläche einer Kugelkalotte gebildet. Unter dem Begriff der Kugelkalotte wird eine Kugelkappe oder auch eine Kugelhaube verstanden, der gekrümmte Teil der Oberfläche eines Kugelsegments also, der dann entsteht, wenn eine Ebene mit einer Kugel zum Schnitt gebracht wird. Wird nun dieses Kugelsegment ausgehöhlt, sodass eine Wandfläche stehen bleibt, die eine vorbestimmte Wandstärke besitzt, so entspricht dies der hier erwähnten Kugelkalotte.
Am Schenkarm 2 ist nun eine dem Ventilteller 3 zugeordnete Außenfläche 7 vorgesehen, die die Außenfläche der Kugelkalotte bildet und die Innenfläche 8 des Ventiltellers 3 bildet die Innenfläche. Aufgrund dieser Ausgestaltung bildet der Schwenkarm 2 also zumindest in seinem dem Ventilteller 3 zugeordneten Kontaktbereich eine Kugelkalotte aus, der auf Seiten des Ventiltellers 3 eine konzentrische Kugelkalotte gegenüberliegt. Zwischen diesen beiden Kugelkalotten bilden sich reibungsbehaftete Kontaktflächen aus, die beispielsweise mit einem Spiel von 0.1 mm versehen sind und es somit nicht mehr zu einer regellosen Taumelbewe gung des Ventiltellers 3 an dem Schwenkarm 2 kommen kann, wenn der Ventilteller 3 von dem pulsierenden Abgasstrom im Turbinengehäuse beaufschlagt wird.
Mittels eines Ringkörpers 9, der an seiner Oberseite eine ebene Fläche 10 besitzt, an der ein am Schaft 4 des Ventiltellers 3 festgelegtes Niet 11 aufliegt, wird der Ventilteller 3 mit der vorstehend beschriebenen Spielpassung im Kontaktbereich 6 zwischen Schwenkarm 2 und Ventilteller 3 festgelegt. Bewegt sich nun der Ventilteller 3 aus seiner in 2 der Zeichnung dargestellten Lage in die gestrichelte Lage 3', so führt der Ringkörper 9 eine Verlagerungsbewegung aus der in 2 mit dem Bezugszeichen 9 dargestellten Lage in die zugehörige gestrichelte Lage 9' aus. Der Ringkörper 9 kann dabei an der einer Innenfläche einer Kugelkalotte ähnlichen ersten Kontaktfläche 12 des Schwenkarms 2 eine Winkelausgleichsbewegung durchführen und zwar über seine mit der ersten Kontaktfläche 12 in Kontakt stehende zweite Kontaktfläche 13, die eine einer Außenfläche einer Kugelkalotte ähnliche Konfiguration besitzt.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Abgasregelklappenventils 1 sorgt nun dafür, dass der Ventilteller 3 am Schwenkarm 2 eine Winkelausgleichsbewegung in alle Raumrichtungen durchführen kann und somit ein gasdichter Sitz des Ventiltellers 3 am Sitz des Bypassventils gegeben ist und gleichzeitig das Problem vermieden wird, dass der Ventilteller nach der Art eines Hammerschlags auf den Sitz der Bypassöffnung aufschlägt und daher das Verschleiß- und Ausfallproblem, welches Eingangs geschildert wurde, vermieden wird.
Hinsichtlich vorstehend im Einzelnen nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird im Übrigen ausdrücklich auf die Ansprüche und die Zeichnung verwiesen.

1: Abgasregelklappenventil
2: Schwenkarm
3: Ventilteller
4: Schaft
5: Öffnung
6: Kontaktbereich
7: Außenfläche
8: Innenfläche
9: Ringkörper
10: ebene Fläche
11: Niet
12: erste Kontaktfläche
13: zweite Kontaktfläche

Claims

Abgasregelklappenventil (1) für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, wobei das Abgasregelklappenventil (1) einen Schwenkarm (2) und einen daran angeordneten Ventilteller (3) besitzt, der an einer Bypassöffnung in einem Turbinengehäuse des Abgasturboladers zum Verschließen der Bypassöffnung in Anlage bringbar ist und zum Öffnen der Bypassöffnung davon abhebbar ist und das Abgasregelklappenventil (1) mittels einer Betätigungseinrichtung verschwenkbar ist und die Anordnung des Ventiltellers (3) an dem Schwenkarm (2) derart ist, dass der Ventilteller (3) relativ zur Bypassöffnung winkeleinstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (6) zwischen dem Schwenkarm (2) und dem Ventilteller (3) von einer Außenfläche (7) und einer Innenfläche (8) einer Kugelkalotte gebildet ist.
Abgasregelklappenventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche (7) am Schwenkarm (2) vorgesehen ist und die Innenfläche (8) am Ventilteller (3).
Abgasregelklappenventil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkarm (2) eine Öffnung (5) besitzt, die von einem am Ventilteller (3) angeordneten Schaft (4) durchsetzt ist.
Abgasregelklappenventil (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkarm (2) an seiner der Außenfläche (7) gegenüberliegenden Seite eine, einer Innenfläche (8) einer Kugelkalotte ähnliche erste Kontaktfläche (12) besitzt.
Abgasregelklappenventil (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (4) einen Ringkörper (9) durchsetzt, der den Schwenkarm (2) zwischen sich und dem Ventilteller (3) einschließt und an einer der ersten Kontaktfläche (12) zugewandten Seite eine einer Außenfläche (7) einer Kugelkalotte ähnliche zweite Kontaktfläche (13) besitzt.
Abgasregelklappenventil (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkörper (9) an seiner von der zweiten Kontaktfläche (13) abgewandten Seite weitgehend ebenflächig ausgebildet ist und mittels eines Befestigungsabschnitts des Schaftes (4) zwischen Schwenkarm (2) und Befestigungsabschnitt festgelegt ist.
Abgasregelklappenventil (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass Passungen zwischen den Kontaktbereichen (6) des Ventiltellers (3) und des Schwenkarms (2) sowie den Kontaktflächen (6) des Schwenkarms (2) und des Ringkörpers (9) derart vorgesehen sind, dass der Ventilteller (3) am Schwenkarm (2) in alle Raumrichtungen winkelverlagerbar ist.
Abgasregelklappenventil (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kontaktbereich (6) zwischen Schwenkarm (2) und Ventilteller (3) eine Spielpassung mit einer Toleranz von etwa 0.1 mm oder weniger vorgesehen ist.
Abgasregelklappenventil (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsabschnitt ein Niet oder eine Schweißnaht ist.