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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wastegate-Anordnung für eine Turbine, eine Turbine für einen Abgasturbolader, einen Abgasturbolader und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Abgasturboladers.
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Die
DE 10 2004 041 166 A1 beschreibt den bekannten Aufbau eines Turboladers für ein Kraftfahrzeug, der im Wesentlichen aus einer Radialturbine und einem im Ansaugtrakt des Motors angeordneten Radialverdichter, der über eine Turboladerwelle drehfest mit dem Turbinenrad der Radialturbine gekoppelt ist, besteht. Der Abgasstrom, der eine hohe kinetische und thermische Energie aufweist, treibt im Betrieb das Turbinenrad an, welches über die Kopplung mit der Turboladerwelle das Verdichterrad in Rotation versetzt. Der Radialverdichter saugt Luft an und verdichtet diese, wodurch im Ansaugtrakt des Motors eine entsprechend größere Masse Frischluft und damit mehr Sauerstoff zur Verfügung steht als bei einem herkömmlichen Saugmotor. Damit erhöht sich. der Motor-Mitteldruck und somit das Motor-Drehmoment, was zu einer höheren Leistungsabgabe des Motors führt.
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Zur Regelung der die Turbine durchströmenden Abgasmenge kann auf der Turbinenseite des Turboladers u. a. ein so genanntes Wastegate-Ventil eingesetzt werden. Bei einem Wastegate-Ventil handelt es sich um ein steuerbares Bypass-Ventil. Dieses leitet bei einem eingestellten Ladedruck auf der Verdichterseite einen Teil der erzeugten heißen Abgase an der Turbine vorbei direkt in den Auspuff. Dadurch kann eine zu hohe Drehzahl des Turboladers und damit verbunden eine Überlastung dessen Lager sowie ein Überschreiten der mechanischen und thermischen Grenzen des Verbrennungsmotors verhindert werden.
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Die Steuerung der das Wastegate-Ventil durchströmenden Abgasmenge erfolgt z. B. mittels einer Wastegate-Klappe. Die Wastegate-Klappe ist z. B. auf einer drehbar im Turbinengehäuse gelagerten Wastegate-Welle, auch Wastegate-Spindel genannt, verdrehfest angeordnet. Die Betätigung der Wastegate-Klappe erfolgt über eine Linearbewegung an einem Betätigungshebel der Wastegate-Welle mittels eines pneumatischen oder elektrischen Aktuators. Diese Linearbewegung bewirkt ein Drehmoment an der Wastegate-Welle, wodurch das Wastegate-Ventil geöffnet und geschlossen werden kann.
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Aufgrund der hohen Abgastemperaturen ist die Wastegate-Spindel im Turbinengehäuse typischerweise in einer Buchse gleitgelagert. Da die Buchse und die Wastegate-Spindel aufgrund ihrer unterschiedlichen Materialeigenschaften unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen und da zudem bei dem Abgasturbolader ein sehr großer Temperaturbereich abgedeckt werden muss, ist die Gleitlagerung zwischen der Buchse und der Wastegate-Welle spielbehaftet. Dadurch ist zwischen diesen Reibpartnern kein flächiger, sondern nur ein punktueller Kontakt vorhanden. Im Wesentlichen ergeben sich zwei Lagerstellen. Zum Einen an einem der Außenseite des Turbinengehäuses zugeordneten Ende der Gleitbuchse und zum Anderen an einem von der Außenseite des Turbinengehäuses wegweisenden Ende der Gleitbuchse.
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Eine solche Wastegate-Anordnung ist zum Beispiel in der
WO 2009/107555 , insbesondere
12 und dazugehörige Beschreibung, dargestellt.
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Sowohl beim Öffnen als auch beim Schließen des Wastegate-Ventils wirken an diesen Lagerstellen Normalkräfte, welche aus einer Betätigungskraft des Hebelarmes und einer auf die Wastegate-Klappe wirkenden Abgaskraft resultieren. Beim Schließen des Wastegate-Ventils addieren sich diese Normalkräfte und bewirken eine relativ hohe resultierende Normalkraft in der Gleitbuchse, was zu sehr hohen Reibmomenten in den Lagerstellen führt. Beim Öffnen des Wastegate-Ventils muss der Aktuator zum Betätigen des Hebelarmes das Wastegate-Ventil mit einer bestimmten Kraft geschlossen halten, damit die Wastegate-Klappe gerade von dem das Wastegate-Ventil durchströmenden Abgas aufgedrückt wird. Die hierzu erforderliche Kraft ist zwar geringer als beim Schließen des Wastegate-Ventils, dennoch wirken die aus der Betätigungskraft und der Abgaskraft resultierenden Kräfte in den Lagerstellen in dieselbe Kraftwirkungsrichtung und addieren sich. Somit entsteht auch beim Öffnen des Wastegate-Ventils ein nicht zu vernachlässigendes Reibmoment in den Lagerstellen. Da der Aktuator zum Betätigen des Betätigungshebels diese Reibmomente überwinden muss, ist das maximal zu überwindende Reibmoment ausschlaggebend für die Auslegung des Aktuators.
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In dem Dokument
DE 39 16 221 C2 ist beispielsweise ein Abgasturbolader mit einer Wastgate-Ventil-Anordnung nach Art eines Schwenkklappenventils offenbart, dessen Klappe mit einem Hebel verbunden ist, der drehfest auf einer Welle sitzt, die zu beiden Seiten des Hebels in einem den Bypasskanal aufnehmenden Gehäuse gelagert und außerhalb des Gehäuses mit einer Betätigungseinrichtung verbunden ist. Jedoch auch hier wirken die aus der Betätigungskraft und der Abgaskraft resultierenden Kräfte in den Lagerstellen in dieselbe Kraftwirkungsrichtung und addieren sich.
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Bei Anwendungen mit einem pneumatisch angesteuerten Wastegate-Ventil wurde dies bislang kaum berücksichtigt und die Nachteile, wie z. B. ein hoher Leckagemassenstrom durch mangelnde Zuhaltekraft des Aktuators und damit eine nicht optimale Arbeitsweise des Turboladers bei Vollast im niedrigen Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors, wurden bewusst in Kauf genommen. Bei ersten Serienanwendungen für elektrische Aktuatoren zur Ansteuerung des Wastegate-Ventils wurde zur Überwindung der hohen Reibmomente ein sehr starker elektrischer Aktuator eingesetzt. Dies führt allerdings zu sehr hohen Kräften, wenn der Aktuator kalt ist, so dass dies zu Beschädigungen am Turbolader führen kann. Weiterhin führt der Einsatz eines starken und damit auch voluminösen Stellmittels zu hohen Kosten und einem großen Bauraumbedarf.
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Dies gilt es verständlicherweise zu vermeiden.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Wastegate-Anordnung für einen Turbine zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wastegate-Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch eine Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 und/oder durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 und/oder durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst.
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Demgemäß ist vorgesehen:
- – Eine Wastegate-Anordnung für eine Turbine, insbesondere für einen Abgasturbolader, mit einem Wastegate-Ventil, welches derart gestaltet ist, Abgas an der Turbine vorbeizuleiten, mit einer Wastegate-Welle mit einer ersten Lagerstelle und mit einer zweiten Lagerstelle, welche der drehbaren Lagerung der Wastegate-Welle dienen, mit einem an der Wastegate-Welle verdrehfest angebrachten Hebelarm, welcher derart gestaltet ist, bei einem Aufbringen einer Hebelarmkraft auf den Hebelarm die Wastegate-Welle in Rotation zu versetzen und mit einer an der Wastegate-Welle verdrehfest angebrachten Wastegate-Klappe, welche eine das Wastegate-Ventil durchströmende Abgasmenge steuert, und welche bezogen auf die erste und zweite Lagerstelle derart angeordnet ist, dass in zumindest einer der Lagerstellen bei einem Öffnen und/oder Schließen des Wastegate-Ventils eine aus der Hebelarmkraft resultierende Hebelarmnormalkraft und eine aus einer auf die Wastegate-Klappe wirkenden Abgaskraft resultierende Abgasnormalkraft entgegengesetzte Kraftwirkungsrichtungen aufweisen.
Bei der vorliegenden Erfindung ist der Hebelarm an einem ersten Ende der Wastegate-Welle, die zweite Lagerstelle an einem zweiten Ende der Wastegate-Welle, die erste Lagerstelle zwischen dem Hebelarm und der zweiten Lagerstelle und die Wastegate-Klappe zwischen der ersten Lagerstelle und der zweiten Lagerstelle auf der Wastegate-Welle angeordnet. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, die gesamte zur Verfügung stehende Länge der Wastegate-Welle zur Erreichung optimaler Hebelverhältnisse auszunutzen.
Dabei sind die erste und zweite Lagerstelle und die Wastegate-Klappe in einer Längsrichtung der Wastegate-Welle voneinander beabstandet angeordnet. Hierdurch sind vorteilhafte Hebelverhältnisse einstellbar, welche derart einstellbar sind, dass die aus der Hebelkraft und der Abgaskraft resultierenden Normalkräfte in zumindest einer Lagerstelle entgegengesetzte Kraftwirkungsrichtungen aufweisen und sich gegenseitig zumindest teilweise aufheben.
Bei der vorliegenden Erfindung sind die erste Lagerstelle, die zweite Lagerstelle und die Wastegate-Klappe in der Längsrichtung der Wastegate-Welle derart angeordnet, dass sich in einem Schließpunkt des Wastegate-Ventils, in dem das Wastegate-Ventil vollständig geschlossen ist, die Hebelarmnormalkraft und die Abgasnormalkraft gegenseitig aufheben. Hierdurch lässt sich in vorteilhafter Weise die erforderliche Haltekraft des Stellmittels im Schließpunkt des Wastegate-Ventils deutlich reduzieren. Somit wird auch der Energieverbrauch des Stellmittels signifikant reduziert, wodurch sich der Wirkungsgrad eines Abgasturboladers mit einer erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung erhöht.
- – Eine Turbine für einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, mit einem Turbinengehäuse und mit einer erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung, wobei das Wastegate-Ventil, die erste Lagerstelle und die zweite Lagerstelle in dem Turbinengehäuse angeordnet sind.
- – Einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, mit einer erfindungsgemäßen Turbine, der aufweist: ein in dem Turbinengehäuse angeordnetes Turbinenrad, einen Verdichter mit einem Verdichtergehäuse, ein in dem Verdichtergehäuse angeordnetes Verdichterrad und eine Turboladerwelle, welche das Verdichterrad mit dem Turbinenrad drehfest verbindet.
- – Ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasturboladers, der eine erfindungsgemäße Wastegate-Anordnung aufweist, mit einem ersten Betriebsmodus, bei dem die Wastegate-Klappe geschlossen wird, wobei während des Schließvorgangs an der ersten Lagerstelle die Hebelarmnormalkraft und die Abgasnormalkraft in entgegengesetzten Kraftwirkungsrichtungen wirken und in etwa gleich groß sind, wodurch an der ersten Lagerstelle ein geringes Lagerreibmoment erzeugt wird.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht nun unter anderem darin, dass die Wastegate-Welle zwei Lagerstellen aufweist und dass die Wastegate-Klappe bezogen auf die erste und zweite Lagerstelle derart auf der Wastegate-Welle angeordnet ist, dass bei einem Öffnen und/oder Schließen des Wastegate-Ventils in zumindest einer der Lagerstellen die in der Lagerstelle wirkende Hebelarmnormalkraft und die entsprechende Abgasnormalkraft entgegengesetzte Kraftwirkungsrichtungen aufweisen. Hierdurch ist es möglich, dass sich in der betreffenden Lagerstelle die Hebelarmnormalkraft und die Abgasnormalkraft zumindest teilweise aufheben. Hierdurch wird das Reibmoment in der entsprechenden Lagerstelle signifikant reduziert.
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Mit der erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung ist es somit möglich, ein zuverlässiges Öffnen und Schließen des Wastegate-Ventils mit einem kleiner dimensionierten und damit leichteren und kostengünstigeren Stellmittel zu gewährleisten.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren der Zeichnung.
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In einer typischen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Wastegate-Welle an der ersten Lagerstelle einen größeren Außendurchmesser als an der zweiten Lagerstelle auf. Hierdurch fallen beim Öffnen des Wastegate-Ventils die Reibmomente in der ersten Lagerstelle möglichst groß aus. Eine Erhöhung des Reibeffekts beim Öffnen des Wastegate-Ventils wirkt sich vorteilhaft auf die Entkopplung des Stellmittels von den pulsierenden Gaskräften des Abgases aus. Hierdurch wird die Regelcharakteristik der erfindungsgemäßen Wastegaste-Anordnung und damit auch die Regelcharakteristik eines Abgasturboladers mit einer erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung signifikant verbessert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Wastegate-Welle zwei axial ineinander steckbare Einzelwellen auf, wobei an einer als Hohlwelle ausgebildeten ersten Einzelwelle die erste Lagerstelle angeordnet ist und wobei an einer als Vollwelle ausgebildeten zweiten Einzelwelle die zweite Lagerstelle angeordnet ist. Hierdurch wird die Herstellung und auch die Montierbarkeit der Wastegate-Welle signifikant vereinfacht, wodurch sich die Produktionskosten der erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung deutlich reduzieren.
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In einer ebenso bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Wastegate-Klappe über ein bogenförmiges Zwischenstück an die Wastegate-Welle angekoppelt. Hierdurch kann ein Ventilkörper der Wastegate-Klappe in vorteilhafter Weise von der Rückseite des bogenförmigen Zwischenstücks in üblicher Art und Weise mit einer Nietscheibe mit dem Zwischenstück spielbehaftet verbunden werden. Dadurch ist es möglich, die erfindungsgemäße Wastegate-Anordnung ohne erhöhten Anpassungs- und Kostenaufwand in einer Produktionseinrichtung für bekannte Wastegate-Anordnungen zu fertigen. Hierdurch reduzieren sich die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung.
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In einer ebenso bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Wastegate-Klappe einen abgerundeten Ventilkörper auf. Hierdurch wird ein zuverlässiges Abdichten des Wastegate-Ventils gewährleistet, wodurch Abgasleckagen zuverlässig verhindert werden. Hierdurch erhöht sich der Wirkungsgrad eines Abgasturboladers mit einer erfindungsgemäße Wastegate-Anordnung, da im Volllastbetrieb eines Verbrennungsmotors unter hoher Drehzahl die gesamte Abgasmenge durch die Turbine des Abgasturboladers geführt wird.
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In einer typischen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Stellmittel vorgesehen, über welches die Hebelarmkraft auf den Hebelarm aufbringbar ist. Das Stellmittel gewährleistet eine zuverlässige Positionierung der Wastegate-Welle in der gewünschten Position, hierdurch kann der gewünschte Öffnungsgrad des Wastegate-Ventils eingestellt und damit die Funktionalitat eines Abgasturboladers mit einer erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung gewährleistet werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein zweiter Betriebsmodus vorgesehen, bei dem die Wastegate-Klappe vollständig geschlossen ist, wobei ein Schließpunkt der Wastegate-Klappe derart gewählt ist, dass die Hebelarmnormalkraft und die Abgasnormalkraft einander in der ersten Lagerstelle aufheben. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise das Stellmittel kleiner dimensioniert werden. Dadurch reduzieren sich das Gewicht, der Bauraum und die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein dritter Betriebsmodus vorgesehen, bei dem die Wastegate-Klappe geöffnet wird, wobei während des Öffnungsvorganges an der ersten Lagerstelle die Hebelarmnormalkraft und die Abgasnormalkraft in entgegen gesetzten Kraftwirkungsrichtungen wirken und die Abgasnormalkraft größer ist als die Hebelarmnormalkraft, wodurch an der ersten Lagerstelle ein hohes Lagerreibmoment erzeugt wird. Durch ein hohes Lagerreibmoment beim Öffnen des Wastegate-Ventils ist in vorteilhafter Weise eine Entkopplung des Stellmittels von den pulsierenden Abgasnormalkräften möglich. Hierdurch verbessert sich die Regelungscharakteristik eines Abgasturboladers mit einer erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung signifikant.
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Die obigen Ausgestaltungen lassen sich – sofern sinnvoll – auf beliebige Weise miteinander kombinieren.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
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1 eine Aufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung beim Schließen eines Wastegate-Ventils;
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2 eine Vorderansicht der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung gemäß 1 in Blickrichtung II;
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3 eine Aufsicht auf die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung gemäß 1 beim Öffnen des Wastegate-Ventils;
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4 eine Aufsicht auf eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung;
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5 eine vereinfachte Darstellung der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung gemäß 1 beim Schließen des Wastegate-Ventils;
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6 ein Momentengleichgewicht der Anordnung gemäß 5 um die z-Achse;
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7 ein Momentengleichgewicht der Anordnung gemäß 5 um die y-Achse;
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8 eine Darstellung von Reibmomentenverläufen an einer Wastegate-Welle in Abhängigkeit vom Abgasdruck an einem Wastegate-Ventil; und
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9 eine Aufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit einer Wastegate-Anordnung gemäß 1.
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In den Figuren der Zeichnung sind – sofern nichts Anderes ausgefuhrt ist – gleiche Bauteile, Elemente und Merkmale mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
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1 illustriert eine Aufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung beim Schließen eines Wastegate-Ventils.
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Die 1 zeigt eine Wastegate-Anordnung 1 mit einer Wastegate-Welle 5, die ein ersten Ende 14 und ein zweiten Ende 15 aufweist. Die Wastegate-Welle 5 wird auch als Wastegate-Spindel bezeichnet. Die Wastegate-Welle 5 weist weiterhin ein bogenförmiges Zwischenstück 18 auf, welches sich in etwa senkrecht aus einer Mantelfläche der Wastegate-Welle 5 erstreckt und einen 90° Bogen beschreibt bis das bogenförmige Zwischenstück 18 in einen in etwa parallel zu der Wastegate-Welle 5 verlaufenden Befestigungsabschnitt 32 übergeht, welcher der Befestigung eines Ventilkörpers 19 einer Wastegate-Klappe 10 an der Wastegate-Welle 5 dient. Der Ventilkörper 19 der Wastegate-Klappe 10 ist an dem Befestigungsabschnitt 32 bevorzugt spielbehaftet befestigt. Die Befestigung kann beispielsweise über eine Nietscheibe 33 erfolgen. Alternativ dazu kann der Ventilkörper 19 der Wastegate-Klappe auch ohne das bogenförmige Zwischenstück 18 und dem Befestigungsabschnitt 32 an der Wastegate-Welle 5 verdrehfest angeordnet sein. Der Ventilkörper 19 weist auf einer der Wastegate-Welle 5 abgewandten Vorderseite eine abgerundete, insbesondere eine halbkugelige Form auf.
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Die Wastegate-Welle 5 weist eine erste Lagerstelle 6 und eine dem zweiten Ende 15 der Wastegate-Welle 5 zugeordnete zweite Lagerstelle 7 auf. Eine der Lagerstellen 6, 7 ist bevorzugt als Festlager ausgebildet, beispielsweise die zweite Lagerstelle 7, während die erste Lagerstelle 6 beispielsweise als Loslager ausgebildet ist. Hierdurch werden Längsausdehnungen der Wastegate-Welle 5 aufgrund der hohen Einsatztemperaturen zuverlässig ausgeglichen. Die Lagerstellen 6 und 7 sind beispielsweise als Gleitlagerstellen in einem Turbinengehäuse eines Abgasturboladers ausgebildet. Die Wastegate-Klappe 10 ist bezogen auf eine Längsrichtung 1 der Wastegate-Welle 5 zwischen der ersten und der zweiten Lagerstelle 6, 7 angeordnet. Am ersten Ende 14 der Wastegate-Welle 5 ist ein in 1 nicht dargestellter Hebelarm vorgesehen, mit welchem ein Drehmoment auf die Wastegate-Welle 5 aufbringbar ist. Auf den Hebelarm wirkt eine Hebelarmkraft 9, welche beispielsweise über ein Stellmittel senkrecht zur Wastegate-Welle 5 auf den Hebelarm aufbringbar ist. Senkrecht auf den Ventilkörper 19 der Wastegate-Klappe 10 wirkt eine Abgaskraft 12. Die Abgaskraft 12 resultiert aus einem Abgasstrom, welcher durch ein in 1 nicht dargestelltes Wastegate-Ventil strömt und auf den Ventilkörper 19 druckt. Das Wastegate-Ventil ist bevorzugt als Bohrung in einem Turbinengehäuse eines Abgasturboladers ausgebildet, welche einen Turbineneinlass der Turbine mit einem Auspuff eines Verbrennungsmotors verbindet. Dadurch, dass der Ventilkörper 19 bevorzugt spielbehaftet an die Wastegate-Welle 5 gekoppelt ist, passt der Ventilkörper 19 sich beim Schließen des Wastegate-Ventils selbsttätig in einen Ventilsitz des Wastegate-Ventils ein. Hierdurch können Abgasleckagen minimiert werden.
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Die Funktion der erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung 1 bei einem Schließen S des Wastegate-Ventils wird im Folgenden erläutert.
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Beim Schließen des Wastegate-Ventils wird die Hebelarmkraft 9 auf den Hebelarm aufgebracht, wodurch die Wastegate-Welle 5 in Rotation versetzt wird. Das durch das Wastegate-Ventil strömende Abgas drückt beim Schließen des Wastegate-Ventils gegen den Ventilkörper 19 und versucht diesen aus dem Ventilsitz des Wastegate-Ventils zu drücken. Die Abgaskraft 12 bewirkt so ein Drehmoment, welches entgegengesetzt zu einem aus der Hebelarmkraft 9 resultierenden Drehmoment auf die Wastegate-Welle 5 wirkt. In der ersten Lagerstelle 6 wirkt eine aus der Hebelarmkraft 9 resultierende Hebelarmnormalkraft 11 und eine entgegen der Hebelarmnormalkraft 11 wirkende, aus der Abgaskraft 12 resultierende Abgasnormalkraft 13. In der zweiten Lagerstelle 7 wirken eine aus der Hebelarmkraft 9 resultierende Hebelarmnormalkraft 27 und eine aus der Abgaskraft 12 resultierende Abgasnormalkraft 28. Die Hebelarmnormalkraft 27 und die Abgasnormalkraft 28 weisen beispielsweise die gleiche Kraftwirkungsrichtung auf.
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Die Wastegate-Klappe 10 ist dabei in Längsrichtung 1 derart zwischen der ersten und der zweiten Lagerstelle 6, 7 an der Wastegate-Welle 5 angeordnet, dass bevorzugt in der ersten Lagerstelle 6 die Hebelarmnormalkraft 11 und die Abgasnormalkraft 13 entgegengesetzte Kraftwirkungsrichtungen haben und sich zumindest teilweise gegenseitig aufheben. In bevorzugter Weise heben sich die Hebelarmnormalkraft 11 und die Abgasnormalkraft 13 in einem Schließpunkt des Wastegate-Ventils, in welchem das Wastegate-Ventil mittels dem Ventilkörper 19 vollständig verschlossen ist, gegenseitig vollständig auf. Dadurch, dass sich an der ersten Lagerstelle 6 die Hebelarmnormalkraft 11 und die Abgasnormalkraft 13 zumindest teilweise gegenseitig aufheben, fallen die aus einer Lagernormalkraft, welche eine Resultierende aus den Kräften 11, 13 darstellt, resultierenden Reibmomente in der ersten Lagerstelle 6 gering aus. Hierdurch kann ein Stellmittel zur Verstellung der Wastegate-Welle 5 kleiner dimensioniert werden.
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2 zeigt eine Vorderansicht der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung gemäß 1 in Blickrichtung II.
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Die 2 illustriert die Wastegate-Anordnung 1 mit der Wastegate-Welle 5 dem bogenförmigen Zwischenstück 18 und der Wastegate-Klappe 10. Auf die Wastegate-Klappe 10 wirkt die Abgaskraft 12. An der Wastegate-Welle 5 ist verdrehfest ein Hebelarm 8 angebracht. Eine Mittelebene 42 des Hebelarms 8 und eine Mittelebene 43 der Wastegate-Klappe 10 schließen bevorzugt in etwa einen rechten Winkel ein. Der Hebelarm 8 ist beispielsweise über eine formschlüssige Verbindung wie beispielsweise eine Keilwellenverbindung, eine stoffschlüssige Verbindung, wie beispielsweise eine Schweißverbindung oder über eine kraftschlussige Verbindung wie beispielsweise eine Klemmverbindung an die Wastegate-Welle 5 gekoppelt. Die Wastegate-Anordnung 1 weist weiterhin ein Stellmittel 20 auf, welches uber eine Kopplung 31 mit dem Hebelarm 8 verbunden ist. Die Kopplung 31 ist beispielsweise als Gestange ausgebildet. Das Stellmittel 20 ist bevorzugt ein elektrischer oder pneumatischer Aktuator. Eine Motorsteuerung 30 eines Verbrennungsmotors ist über eine Datenleitung 29 mit dem Stellmittel 20 verbunden.
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Uber die Kopplung 31 ist die Hebelarmkraft 9 von dem Stellmittel 20 auf den Hebelarm 8 aufbringbar. Durch das Aufbringen der Hebelarmkraft 9 auf den Hebelarm 8 wird die Wastegate-Welle 5 in Rotation versetzt. Das Wastegate-Ventil kann so geschlossen oder geöffnet werden. Je nach Betriebszustand des Verbrennungsmotors gibt die Motorsteuerung 30 über die Datenleitung 29 an das Stellmittel 20 den Steuerbefehl zum Öffnen oder Schließen des Wastegate-Ventils.
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3 zeigt eine Aufsicht auf die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung gemäß 1 beim Öffnen des Wastegate-Ventils.
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Die 3 stellt die Wastegate-Welle 5 mit der Wastegate-Klappe 10, der auf den Hebelarm wirkenden Hebelarmkraft 9 und der auf die Wastegate-Klappe 10 wirkenden Abgaskraft 12 dar. Zur vereinfachten Darstellung zeigt 3 die Wastegate-Welle 5 ohne die erste und die zweite Lagerstelle und ohne das Stellmittel.
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Die Funktion der erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung 1 bei einem Öffnen O des Wastegate-Ventils wird im Folgenden erläutert.
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Beim Öffnen O des Wastegate-Ventils drückt die Abgaskraft 12 gegen die Wastegate-Klappe 10 derart, dass die Wastegate-Klappe 10 gerade aufgedrückt wird. Das heißt, das Stellmittel muss über den Hebelarm eine Hebelarmkraft 9 aufbringen, welche so groß ist, dass das Abgas die Wastegate-Klappe 10 gerade aufdrücken kann. Dadurch sind die Hebelarmnormalkräfte 11 bzw. 27 an der ersten bzw. zweiten Lagerstelle kleiner als die Abgasnormalkräfte 13 bzw. 28 in der ersten bzw. zweiten Lagerstelle. An der ersten Lagerstelle wirken die Hebelarmnormalkraft 11 und die Abgasnormalkraft 13 in entgegengesetzten Wirkungsrichtungen und heben einander zumindest teilweise auf. Dadurch, dass sich beim Öffnen O die Hebelarmnormalkraft 11 und die Abgasnormalkraft 13 nicht vollständig aufheben, wird in der ersten Lagerstelle im Vergleich zum Schließen des Wastegate-Ventils ein höheres Reibmoment erzeugt. Hierdurch wird das Stellmittel vorteilhafter Weise von der üblicherweise pulsierenden Abgaskraft 12 entkoppelt, wodurch sich die Regelcharakteristik einer Turbine eines Abgasturboladers mit einer erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung signifikant verbessert.
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4 zeigt eine Aufsicht auf eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung.
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Die 4 zeigt eine Wastegate-Anordnung 1 mit der Wastegate-Welle 5, dem bogenförmigen Zwischenstück 18 und der Wastegate-Klappe 10. Weiterhin zeigt 4 die erste und die zweite Lagerstelle 6, 7, welche in einem nur abschnittsweise dargestellten Turbinengehause 21 angeordnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung 1 weist die Wastegate-Welle 5 an der ersten Lagerstelle 6 einen Durchmesser D auf, welcher deutlich größer ist als ein Durchmesser d der Wastegate-Welle 5 an der zweiten Lagerstelle 7. Zur vorteilhaften Montierbarkeit und kostengünstigen Herstellbarkeit der Wastegate-Welle 5 ist diese in der gezeigten Ausfuhrungsform bevorzugt aus einer ersten Einzelwelle 16, welche als Hohlwelle ausgebildet ist und aus einer zweiten Einzelwelle 17, welche als Vollwelle ausgebildet ist, ausgeführt. Die zweite Einzelwelle 17 ist dabei durch die erste Einzelwelle 16 geführt und mit dieser verdrehfest, beispielsweise über eine Keilwellenverbindung verbunden. Alternativ dazu kann die Wastegate-welle 5 auch einstückig ausgebildet sein.
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Da beim Schließen des Wastegate-Ventils wie zuvor beschrieben an der ersten Lagerstelle 6 so gut wie keine Lagernormalkräfte wirken, weil sich die Hebelarmnormalkraft und die Abgasnormalkraft in der ersten Lagerstelle nahezu vollstandig aufheben, hat der große Durchmesser D der ersten Lagerstelle 6 beim Schließen kaum einen Einfluss auf die entstehenden Reibmomente, welche das Stellmittel zusätzlich zu dem aus der Abgaskraft resultierenden Drehmoment überwinden müsste. In der zweiten Lagerstelle 7 wird der Reibeinfluss durch einen möglichst kleinen Wellendurchmesser d gering gehalten.
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Wird hingegen das Wastegate-Ventil geöffnet, steigt die Lagernormalkraft in der ersten Lagerstelle 6 und generiert aufgrund des großen Wellendurchmessers D ein großes Reibmoment. Hierdurch wird beim Öffnen des Wastegate-Ventils das Stellmittel in vorteilhafter Art und Weise von der üblicherweise pulsierenden Abgaskraft entkoppelt, wodurch sich die Regelcharakteristik einer derartigen Wastegate-Anordnung 1 signifikant verbessern lässt.
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5 zeigt eine vereinfachte perspektivische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung gemäß 1 beim Schließen des Wastegate-Ventils.
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Die 5 illustriert die Wastegate-Welle 5 mit der ersten Lagerstelle 6, der zweiten Lagerstelle 7, dem Hebelarm 8, dem bogenförmigen Zwischenstück 18 und der an dem bogenförmigen Zwischenstück 18 angeordneten Wastegate-Klappe 10. An dem Hebelarm 8 wirkt die Hebelarmkraft 9. Auf die Wastegate-Klappe 10 wirkt die Abgaskraft 12. Weiterhin zeigt 5 die Wastegate-Anordnung 1 in Relation zu einem Koordinatensystem 44 mit einer x-, einer y- und einer z-Achse. Die erste Lagerstelle 6 ist als Loslager ausgebildet und die zweite Lagerstelle 7 ist als Festlager ausgebildet. Die Wastegate-Welle 5 liegt parallel zur z-Achse des Koordinatensystems 44.
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6 zeigt ein Momentengleichgewicht der Anordnung gemäß 5 um die z-Achse.
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Die
6 illustriert die Wastegate-Welle
5, welche auf der z-Achse des Koordinatensystems
44 liegt, mit dem Hebelarm
8 und der Wastegate-Klappe
10. Auf die Wastegate-Klappe
10 wirkt die Abgaskraft
12 und auf den Hebelarm
8 wirkt die Hebelarmkraft
9. Bei der Aufstellung eines Momentengleichgewichtes um einen Drehpunkt B, welcher einer Drehachse der Wastegate-Welle
5 entspricht, ergibt sich mit einer Länge b des Hebelarmes
8 und einer Länge a
y, welche einem um den Punkt B wirksamen Hebelarm der Abgaskraft
12 entspricht, folgender Zusammenhang:
Mit:
- ΣMzB,
- Summe der Momente um die z-Achse um den Punkt B,
- Fbar,
- Hebelarmkraft, 9, und
- Fgas,
- Abgaskraft, 12.
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7 zeigt ein Momentengleichgewicht der Anordnung gemäß 5 um die y-Achse.
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Die
7 zeigt die Wastegate-Welle
5 mit der ersten und zweiten Lagerstelle
6,
7 sowie der Wastegate-Klappe
10. Die Hebelarmkraft
9 wirkt auf den Hebelarm und die Abgaskraft
12 wirkt auf die Wastegate-Klappe
10. In der ersten Lagerstelle
6 wirkt eine resultierende erste Lagernormalkraft
34, welche die Resultierende aus der Abgasnormalkraft und der Hebelarmnormalkraft in der ersten Lagerstelle
6 ist.
7 betrachtet ein Momentengleichgewicht der um die y-Achse des Koordinatensystems
44 wirkenden Momente in einem Drehpunkt A, welcher der zweiten Lagerstelle
7 entspricht. Die Abgaskraft
12 wirkt mit einem Hebelarm der Länge h
1 um den Drehpunkt A. Die Hebelarmkraft
9 wirkt mit einem Hebelarm der Länge h
3 ebenfalls um den Drehpunkt A. Unter der Annahme, dass die resultierende Lagernormalkraft
34 in der ersten Lagerstelle
6 gleich Null ist, ergibt sich der folgende Zusammenhang:
Mit:
- ΣMzA,
- Summe der Momente um die z-Achse um den Punkt A,
- Fbar,
- Hebelarmkraft, 9, und
- Fgas,
- Abgaskraft, 12.
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Mit dem Momentengleichgewicht um die z-Achse ΣM
zA und dem Momentengleichgewicht um die z-Achse ΣM
zB ergibt sich das optimale Hebelverhältnis, bei dem in der ersten Lagerstelle
6 die aus der Hebelarmkraft
9 und der Abgaskraft
12 resultierenden Normalkräfte einander vollständig aufheben und somit die resultierende Lagernormalkraft
34 gleich Null ist:
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Bei diesem Hebelverhältnis wird beim Schließen des Wastegate-Ventils in der ersten Lagerstelle 6 ein minimales Reibmoment erzeugt.
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8 zeigt eine Darstellung von Reibmomentenverläufen an einer Wastegate-Welle in Abhängigkeit vom Abgasdruck an einem Wastegate-Ventil.
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Die 8 illustriert ein Diagramm mit Momentenverläufen beim Öffnen bzw. beim Schließen eines Wastegate-Ventils. Das dargestellte Drehmoment M am Wastegate-Ventil ist auf einen Abgasdruck am Wastegate-Ventil skaliert und über einem Drehwinkel α der Wastegate-Welle aufgetragen. Der Abgasdruck bewirkt, dass die Abgaskraft auf die Wastegate-Klappe wirkt. Über die Wastegate-Klappe wird auf die Wastegate-Welle ein Abgasmoment 37 ausgeübt. Beim Schließen des Wastegate-Ventils muss das Stellmittel das Abgasmoment 37 und ein Schließreibmoment 36 überwinden. Beim Öffnen des Wastegate-Ventils wird das Wastegate-Ventil durch das Abgas aufgedrückt. Das Stellmittel muss gegen ein Öffnungsreibmoment 35 und gerade gegen das Abgasmoment 37 wirken.
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Durch eine Reduzierung des Reibeffektes beim Schließen der Wastegate-Klappe kann ein kleinerer und damit kostengünstigeres Stellmittel gewählt werden, da das maximal erforderliche Drehmoment zum Schließen der Wastegate-Klappe sinkt.
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Die Erhöhung des Reibeffekts beim Öffnen des Wastegate-Ventils wirkt sich vorteilhaft auf die Entkopplung des Stellmittels von den üblicherweise pulsierenden Kräften des Abgases auf. Beim Öffnen des Wastegate-Ventils wird die Wastegate-Klappe gerade durch das Abgas aufgedrückt. Daher muss das Stellmittel beim Öffnen kein hohes Drehmoment aufbringen.
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Somit ist durch geeignete Lagerung der Wastegate-Welle bzw. geeignete Hebelverhältnisse und Wellendurchmesser in der ersten und zweiten Lagerstelle die erfindungsgemäße Wastegate-Anordnung derart modifizierbar, dass die Reibmomente beim Schließen des Wastegate-Ventils möglichst gleich klein und beim Öffnen des Wastegate-Ventils möglichst groß ausfallen. Dadurch kann das Stellmittel kleiner dimensioniert werden, wodurch dessen Beschaffungskosten, der erforderliche Bauraum und der Energieverbrauch sinken.
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9 zeigt eine Aufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit einer Wastegate-Anordnung gemäß 1.
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Ein Verbrennungsmotor 39 mit mehreren Zylindern 40 ist über eine Abgasleitung 41 fluidisch mit einem in einem Turbinengehäuse 21 angeordneten Turbinenrad 22 einer Turbine 2 gekoppelt. Das Wastegate-Ventil 4 mit der Wastegate-Klappe 10 stellt für das Abgas einen Bypass um die Turbine 2 dar. Das Turbinenrad 22 ist uber eine Turboladerwelle 26 mit einem Verdichterrad 25 drehfest verbunden. Das Verdichterrad 25 ist in einem Verdichtergehäuse 24 eines Verdichters 23 eines Abgasturboladers 3 angeordnet. Das Verdichterrad 25 ist über einen Ansaugtrakt 38 mit dem Verbrennungsmotor 39 fluidisch gekoppelt.
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Im Betrieb des Verbrennungsmotors 39 mit dem Abgasturbolader 3 stellt der Verbrennungsmotor 39 über die Abgasleitung 41 dem Turbinenrad 22 Abgas zur Verfügung. Durch das Turbinenrad 22 wird die Enthalpie des Abgases erniedrigt und die kinetische und thermische Energie des Abgases wird in Rotationsenergie umgewandelt. Die Rotationsenergie wird über die Turboladerwelle 26 auf das Verdichterrad 25 übertragen. Das Verdichterrad 25 saugt Frischluft an, komprimiert diese und führt die komprimierte Frischluft über den Ansaugtrakt 38 dem Verbrennungsmotor 39 zu.
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Dadurch, dass in dem komprimierten Luftvolumen pro Volumeneinheit mehr Sauerstoff vorhanden ist, kann im Verbrennungsmotor 39 pro Luftvolumeneinheit mehr Kraftstoff verbrannt werden, wodurch sich die Leistungsausbeute des Verbrennungsmotors 39 erhöht. Je nach Betriebszustand des Verbrennungsmotors 39 kann über das Wastegate-Ventil 4 Abgas an der Turbine 2 vorbeigeleitet werden, beispielsweise bei einer konstant hohen Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor 39 mit einem Abgasturbolader 3 unter Volllast bei hohen Drehzahlen. Durch ein Vorbeileiten eines Teils des Abgases an der Turbine 2 wird zuverlässig ein Überladen des Verbrennungsmotors 39 verhindert. Dadurch, dass der Abgasturbolader 3 eine erfindungsgemäße Wastegate-Anordnung aufweist, kann das zur Verstellung der Wastegate-Klappe 10 erforderliche Stellmittel, wie zuvor beschrieben, kleiner dimensioniert werden. Hierdurch reduziert sich das Gewicht, der Bauraum, die Herstellungskosten und der Energieverbrauch eines Verbrennungsmotors 39 mit einem Abgasturbolader 3 mit einer erfindungsgemäßen Wastegate-Anordnung.
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Die aufgeführten Materialien, Zahlenangaben und Dimensionen sind beispielhaft zu verstehen und dienen lediglich der Erläuterung der Ausführungsformen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung.
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Die angegebene Wastegate-Anordnung für eine Turbine, Turbine für einen Abgasturbolader und Abgasturbolader mit Turbine ist besonders vorteilhaft im Kraftfahrzeugbereich und hier vorzugsweise bei Personenkraftfahrzeugen, beispielsweise bei Diesel- oder Ottomotoren, einsetzbar, lässt sich bei Bedarf allerdings auch bei beliebig anderen Turboladeranwendungen einsetzen.
