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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, mit einer Wastegate-Ventileinrichtung.
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Bei derzeitigen Abgasturboladern, die eine Wastegate-Ventileinrichtung aufweisen kann ein Teil des aus dem Motorauslass strömenden Abgases an dem Turbinenrad des Abgasturboladers vorbeigeführt werden. Zu diesem Zweck weist ein derartiger Abgasturbolader eine Wastegate-Ventileinrichtung auf, die zwischen dem Turbinenrad und einer Eintrittsöffnung der Abgase in den Abgasturbolader angeordnet ist. Dieses „Bypassen” von Abgasen über eine Bypass-Leitung, an dem Turbinenrad vorbei und geregelt durch die Wastegate-Ventileinrichtung, findet in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebszustandes der Brennkraftmaschine statt. Dabei weist in der Regel eine derartige Wastegate-Ventileinrichtung eine Klappe auf, die mittels einer Stelleinrichtung auf eine Wastegateöffnung des Turbinengehäuses gedrückt wird. Bei derzeit üblichen Wastegate-Ventileinrichtungen ist die Kinematik der Klappe derart ausgebildet, dass die gepulsten, von der Brennkraftmaschine kommenden Gasdrücke über einen Hebel der Stelleinrichtung direkt auf den Aktuator der Stelleinrichtung wirken, sodass hohe Aktuatorkräfte notwendig sind, um die Wastegateöffnung dicht zu verschließen. Zudem ist aufgrund der hohen, auf den Aktuator wirkenden Kräfte eine Feinregulierung der Wastegate-Ventileinrichtung nur bei dementsprechender Dimensionierung des Aktuators und anderer Komponenten der Wastegate-Ventileinrichtung möglich.
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Aus der
WO 2009 106 161 A1 ist ein Abgasturbolader mit einer Wastegate-Ventileinrichtung bekannt, die im Turbinengehäuse integriert ist. Die Wastegate-Ventileinrichtung weist eine Wastegate-Klappe auf, die einen Wastegate-Kanal verschließen kann. Dabei ist die zur Kanalöffnung zugesandte Klappenfläche abgerundet ausgebildet. Durch eine Rotation der Klappe, kann der Wastegate-Kanal geöffnet bzw. geschlossen werden, wobei der Wechsel der Klappe von einer Verschlussposition in eine der Öffnungspositionen durch eine reine Rotationsbewegung bewerkstelligt wird. Nachteilig bei dieser Ladeeinrichtung mit einer derartigen Wastegate-Ventileinrichtung ist, dass im Laufe der Zeit eine mögliche Undichtigkeit der Wastegate-Ventileinrichtung bei sich einstellendem Verschleiß auftreten kann.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Ladeeinrichtung mit einer Wastegate-Ventileinrichtung eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine einfache und kostengünstige Konstruktion, eine geringe Dimensionierung auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Ladeeinrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, mit einer Wastegate-Ventileinrichtung, umfassend eine Klappe, eine Stelleinrichtung und einen Wastegate-Kanal, auszustatten. Dabei ist der Wastegate-Kanal vor einer Wastegateöffnung eines Turbinengehäuses positioniert, sodass ein freies Ende des Wastegate-Kanals eine Kanalöffnung ausbildet, die mittels der Klappe durch Drehung um ihre Drehachse verschlossen oder geöffnet werden kann. Der Wastegate-Kanal und die Klappe sind dabei so ausgebildet und zueinander positioniert, dass bei einer beliebigen Öffnungsposition der Klappe, bei der die Klappe zumindest teilweise über der Kanalöffnung positioniert ist, eine Strömung von aus der Kanalöffnung ausströmendem Gas aufgrund des Kanals und aufgrund einer zur Kanalöffnung zugewandten Klappenfläche eine gleichsinnige, zumindest aber keine gegensinnige Richtungsänderung erfährt. Durch die dementsprechende Ausbildung bzw. Positionierung von Klappe und Wastegate-Kanal kann erreicht werden, dass das aus der Kanalöffnung ausströmende Gas durch den Kanal und durch die zur Kanalöffnung zugewandte Klappenfläche mit jeweils gleichem Richtungssinn umgelenkt wird. Dabei bedeutet eine gleichsinnige Richtungsänderung oder Umlenkung, dass ein im Wastegate-Kanal in eine Rechtskurve umgelenktes Gas durch die Klappenfläche nicht in eine Linkskurve umgelenkt wird. Dies soll auch für den umgekehrten Fall gelten. Mit anderen Worten, die Strömungslinien des Gases im Bereich des Wastegate-Kanales, der Kanalöffnung und der Klappenfläche dürfen keinen Wendepunkt aufweisen. Dabei soll diese Art der Strömung zumindest für die Hauptmenge des ausströmenden Gases gelten. In zu vernachlässigenden Randbereichen kann eine derartige gegensinnige, nicht gewünschte Richtungsänderung der Strömung des ausströmenden Gases aber durchaus auftreten, wenn diese mit gegensinnigem Richtungssinn ausströmenden Gasmengen hinsichtlich der Hauptmenge des mit gleichem Richtungssinn ausströmenden Gases vernachlässigbar sind. Vorteilhaft kann durch eine derartige gleichsinnige Richtungsänderung des Gases im Bereich des Wastegate-Kanals und im Bereich der Klappenfläche die Ausbildung eines Strömungsabrisses bzw. einer Grenzschichtablösung und die damit einhergehende Ausbildung von Wirbeln im Bereich des Wastegate-Kanals, der Klappenöffnung und der Klappenfläche zumindest verringert und ggf. verhindert werden. Dadurch kann die Strömung im Wastegate-Kanal ablösefrei ausgebildet sein und aufgrund von nicht auftretenden Wirbeln bzw. gering auftretenden Wirbeln kann der Wastegate-Kanal im Durchmesser kleiner dimensioniert werden.
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Des Weiteren kann die Kanalöffnung in Art eines Schrägsitzes ausgebildet sein. Das bedeutet, dass die durch die Kanalöffnung aufgespannte Kanalöffnungs-Ebene und eine insbesondere durch die Wastegateöffnung aufgespannte Wastegateöffnungs-Ebene unter einem ersten Winkel α zueinander positioniert sind.
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Aufgrund dieser Schrägstellung der Kanalöffnung kann die Wastegate-Ventileinrichtung derartig konstruiert werden, dass die derzeit übliche Kinematik der Klappe beim Schließen bzw. Öffnen abgewandelt werden kann. Schrägstellung der Kanalöffnungs-Ebene bedeutet in diesem Fall, dass diese einen Winkel zu der zur Rotationsachse des Wastegate-Kanals rechtwinklig ausgerichteten Wastegateöffnungs-Ebene einschließt. Bei derzeit üblichen Wastegate-Ventileinrichtungen kann im Wesentlichen die Klappe durch ein Anheben oder Aufsetzen die Wastegate-Öffnung des Turbinengehäuses freigeben oder verschließen. Aufgrund dieser nachteiligen Ausführung können die auf die Klappe wirkenden Gaskräfte direkt auf den Aktuator der Stelleinrichtung übertragen werden. Mit einer Kanalöffnung in Art eines Schrägsitzes ist es möglich, durch eine Rotationsbewegung der Klappe um eine Drehachse, die Klappe vor der Kanalöffnung bzw. auf der Kanalöffnung zu positionieren. Des Weiteren kann die Klappe durch Einsatz eines Hebelarmes eine Kinematik aufweisen, die relativ zur Kanalöffnung eine Rotation darstellt, bei gleichzeitigem Anheben bzw. Aufsetzen der Klappe auf die Kanalöffnung. Wird nun die Kanalöffnung nicht als Schrägsitz sondern parallel zur Wastegateöffnungs-Ebene ausgebildet, so kann bei einer Rotation der Klappe um eine Drehachse die Kinematik der Klappe bei dem Verschließen bzw. Freigeben der Kanalöffnung lediglich durch eine Rotationsbewegung beschrieben werden. Der Winkel α kann Werte von 0° bis 90° einnehmen, insbesondere von 10° bis 80°, ggf. von 20° bis 70° und beispielsweise von 30° bis 60°. Bevorzugt ist ein Wert im Bereich von 40° bis 50°. Vorteilhaft können durch die Ausbildung der Kanalöffnung in Form eines Schrägsitzes die durch die Gase auf die Klappe wirkenden Kräfte größer sein als die von dem Aktuator der Stelleinrichtung aufzubringenden Stellkräfte, mit denen die Klappe auf die Kanalöffnung gepresst wird. Somit kann die Stelleinrichtung vorteilhaft mit reduzierter Kraft arbeiten und einfacher und damit kostengünstiger ausgebildet werden. Des Weiteren sind die Gasschwingungen von der Betätigungsrichtung der Stelleinrichtung entkoppelt und demzufolge sind geringere Betätigungskräfte der Stelleinrichtung zum Verschließen der Kanalöffnung durch die Klappe notwendig. Geringere Betätigungskräfte der Stelleinrichtung wiederum führen zu geringeren Verformungen im hohen Temperaturbereich und somit kann die Gesamtkonstruktion des Turbinengehäuses und der Wastegate-Ventileinrichtung geringer dimensioniert werden, was sich in geringeren Herstellungskosten niederschlägt.
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Ist zudem die Klappe vom Durchmesser her größer dimensioniert, als die Kanalöffnung, so kann im Falle eines Verschleißes des Wastegate-Kanals im Bereich des Klappensitzes bzw. eines Verschleißes der Klappenfläche eine selbstständige Nachstellung der Wastegate-Ventileinrichtung erreicht werden und somit können auch hinsichtlich dieses Aspektes vorteilhaft günstigere Werkstoffe verwendet werden.
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Weiterhin kann eine Neigungsrichtung der Kanalöffnung in der Strömungsrichtung von Gasen im Turbinengehäuse im Bereich der Wastegate-Öffnung orientiert sein oder die Neigungsrichtung der Kanalöffnung und die Strömungsrichtung von Gasen im Turbinengehäuse im Bereich der Wastegate-Öffnung können unter einem zweiten Winkel β zueinander positioniert sein. Durch ein derartiges Verdrehen des Schrägsitzes der Kanalöffnung sind die vorgenannten positiven Effekte ggf. noch verbesserbar, wobei durch Verdrehen des Schrägsitzes im Wesentlichen auch die gegensinnige Richtungsänderungen der Strömung von aus der Kanalöffnung ausströmenden Gas verringert bzw. verhindert werden können. Der Winkel β kann Werte von 0° bis 360° einnehmen, insbesondere von 270° bis 90°, ggf. von 300° bis 60° und beispielsweise von 315° bis 45°. Bevorzugt ist ein Wert im Bereich von 330° bis 30°.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
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1 Eine Wastegate-Ventileinrichtung mit einem auf ein Turbinengehäuse aufgesetzten Wastegate-Kanal in Schrägsitzausbildung,
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2 die Wastegate-Ventileinrichtung in einer Öffnungsposition,
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3 Strömungslinien von aus der Kanalöffnung austretenden Gasen,
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4 eine mögliche Stellung einer Neigungsrichtung der Kanalöffnung zu einer Strömungsrichtung von Gasen im Turbinengehäuse im Bereich der Wastegate-Öffnung,
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5 eine Ladeeinrichtung mit einer Wastegate-Ventileinrichtung.
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Wie in 1 dargestellt ist, umfasst eine Wastegate-Ventileinrichtung 1 eine Klappe 2 und einen Wastegate-Kanal 3. Der Wastegate-Kanal 3 ist mit einem Turbinengehäuse 4 verbunden und in Strömungsrichtung nach einer Wastegateöffnung 5 des Turbinengehäuses 4 positioniert. Dabei ist der Wastegate-Kanal 3 so mit dem Turbinengehäuse 4 verbunden, dass der Wastegate-Kanal 3 und das Turbinengehäuse 4 zueinander druckdicht ausgebildet sind.
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An seinem freien Ende 6, also an dem Ende des Wastegate-Kanals 3, das nicht mit dem Turbinengehäuse 4 verbunden ist, weist dieser eine Kanalöffnung 7 auf, die mit der Klappe 2 druckdicht verschließbar ist. In der 1 ist somit die Verschlussposition der Klappe 2 zu der Kanalöffnung 7 dargestellt. Die Kanalöffnung 7 ist in Form eines Schrägsitzes ausgebildet, so dass eine durch die Kanalöffnung aufgespannte Kanalöffnungs-Ebene 8 unter einem Winkel α zu einer Wastegateöffnungs-Ebene 9 verkippt ist. Die Wastegateöffnungs-Ebene 9 ist vorzugsweise durch die Wastegateöffnung 5 aufgespannt. Durch diese schräge Ausgestaltung der Kanalöffnung 7 wird es möglich, eine Kinematik 10, mit der die Klappe 2 im Bereich der Kanalöffnung 7 bewegt wird, unterschiedlich zu einem reinen Anheben und Absenken der Klappe 2 auf die Kanalöffnung 7 auszubilden. Somit kann beispielsweise durch eine Kinematik 10 in Form einer Rotationsbewegung der Klappe 2 um einen in 1 nicht gezeigten Drehpunkt das Öffnen und Verschließen der Kanalöffnung 7 ermöglicht werden. Schrägstellung der Kanalöffnungs-Ebene 8 bedeutet in diesem Fall, dass diese einen Winkel zu der zur Rotationsachse 14 des Wastegate-Kanals 3 rechtwinklig ausgerichteten Wastegateöffnungs-Ebene 9 einschließt.
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Eine der Kanalöffnung 7 zugewandte Klappenfläche 11 der Klappe 2 kann plan ausgebildet sein. Ist die Klappenfläche 11 zudem größer als die Kanalöffnung 7 ausgebildet, so kann ein im Laufe der Nutzung eintretender Verschleiß sowohl eines an dem Wastegate-Kanal 3 angeordneten Klappensitzes 12, als auch der Klappenfläche 11 aufgrund der Kinematik 10 eine selbsttätige Nachstellung der Wastegate-Ventileinrichtung 1 ermöglicht werden. Die Klappenfläche kann mindestens 5% größer sein als die Kanalöffnung, beispielsweise 10%, ggf. 15% und insbesondere 20%.
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In 2 ist die Wastegate-Ventileinrichtung 1 in einer Öffnungsposition dargestellt. Aufgrund der Kinematik 10, 10' kann die Klappe 2 weiter von der Kanalöffnung 7 wegbewegt werden und somit dieselbe weiter öffnen oder näher an die Kanalöffnung 7 herangeführt bzw. dieselbe stärker verschließen. In 1 und 2 ist der Wastegate-Kanal 3 derart zu einer Strömungsrichtung 13 von Gasen im Turbinengehäuse 4 im Bereich der Wastegateöffnung 5 angeordnet, dass eine Rotationsmittelachse 14 des Wastegate-Kanals 3 einen rechten Winkel mit der Strömungsrichtung 13 einschließt. Für diesen Winkel γ der zwischen der Rotationsmittelache 14 und der Strömungsrichtung 13 angeordnet ist, können allerdings auch andere Werte eingestellt sein.
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Der Winkel α kann Werte von 0° bis 90° einnehmen, insbesondere von 10° bis 80°, ggf. von 20° bis 70° und beispielsweise von 30° bis 60°. Bevorzugt ist ein Wert im Bereich von 80° bis 90°.
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In 3 sind bei geöffneter Wastegate-Ventileinrichtung 1 mögliche Strömungslinien 15, 15' von aus der Kanalöffnung 7 ausströmenden Gas im Bereich des Wastegate-Kanales 3, der Kanalöffnung 7 und der Klappenfläche 11 dargestellt. Ein wesentlicher allgemeiner Gedanke der Erfindung ist, dass derartige Strömungslinien 15 in dem vorgenannten Bereich keine Wendepunkte aufweisen. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass auch im Bereich der Klappenfläche 11 und besonders durch die Klappenfläche 11 die Strömungslinien 15 derartig ausgebildet werden, dass sie keinen gegensinnigen Richtungswechsel erfahren. Somit wechseln die Strömungslinien 15 in dem vorbenannten Bereich nicht von einer Rechtskurve in eine Linkskurve oder umgekehrt. Allerdings kann in Randbereichen eine derartige nicht gewünschte Ausbildung der Strömungslinien 15' auftreten, dies aber nur in vernachlässigbarem Umfang. Durch eine derartige Umlenkung der Strömungslinien 15 bzw. der Strömung des aus der Kanalöffnung 7 austretenden Gases ohne gegensinnige Richtungsumkehr, können Strömungsabrisse bzw. Grenzschichtablösungen der Strömung und damit einhergehende Wirbelausbildungen im vorbeschriebenen Bereich des Wastegate-Kanals 3, der Kanalöffnung 7 und der Klappenfläche 11 verringert bzw. verhindert werden. Dadurch ist vorteilhaft die gesamte Wastegate-Ventileinrichtung 1 geringer dimensionierbar.
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Des Weiteren ist in der 3 ebenfalls eine Brennkraftmaschine 16 dargestellt, die fluidisch leitend mit einem Anschlussflansch 17 des Turbinengehäuses 4 verbunden ist, sodass die aus der Brennkraftmaschine 16 austretenden Abgase 18 in das Turbinengehäuse 4 eingeleitet werden können. Der Wastegate-Kanal 3 kann als auf die Wastegateöffnung 5 aufgesetzter Stutzen oder Rohrabschnitt ausgebildet sein. Durch eine derartige Ausbildung des Wastegate-Kanals 3 ist eine kostengünstige Herstellung der Wastegate-Ventileinrichtung 1 möglich.
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In 4 ist eine mögliche Verdrehung der schrägstehenden Kanalöffnung 7 zur Strömungsrichtung 13 dargestellt. Dabei können eine Neigungsrichtung 19 der Kanalöffnung 7, somit also die Schrägstellung der Kanalöffnung, und die Strömungsrichtung 13 von Gasen im Turbinengehäuse 4 im Bereich der Wastegateöffnung 5 unter einem Winkel β zueinander positioniert sein. Dabei ist unter der Neigungsrichtung 19 der Kanalöffnung 7 die Verbindungslinie des am weitesten von der Wastegate-Öffnungs-Ebene 9 beabstandeten Punktes 21 des Klappensitzes 12 und des am geringsten von der Wastegateöffnungs-Ebene 9 beabstandeten Punktes 20 des Klappensitzes 12 zu verstehen.
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In 5 ist nun eine Ladeeinrichtung 22 mit einer Wastegate-Ventileinrichtung 1 dargestellt. Dabei weist die Wastegate-Ventileinrichtung 1 die Klappe 2 auf, die über einen Hebelarm 23, um eine Drehachse 24 verdrehbar angeordnet ist. Eine Stelleinrichtung 25 der Wastegate-Ventileinnchtung 1 umfasst demzufolge den Hebelarm 23 und einen im Bereich der Drehachse 24 angeordneten Lagerzapfen 26 über den Rotationen von einem in der 5 nicht gezeigten und dargestellten Aktuator auf den Hebelarm 23 übertragen werden können. Aus der 5 wird nun ersichtlich, dass ein Teil der Kinematik 10, 10 der Klappe 2 in Bezug zu der Kanalöffnung 7 eine Rotationsbewegung ist. Betrachtet man hingegen die 2 so wird deutlich, dass ein weiterer Anteil der Kinematik der Klappe 2 auch ein Absenken 10'' und ein Anheben 10''' der Klappe 2 auf die Kanalöffnung 7 umfassen kann. Demzufolge kann die Kinematik 10, 10', 10'', 10''' der Klappe 2 in Relation zur Kanalöffnung 7 eine zusammengesetzte Bewegung aus Rotation 10, 10' und Translation 10''. 10''' sein.
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Anstatt eines Lagerzapfens 26 kann die Stelleinrichtung 25 auch eine verdrehbare Hülse aufweisen, an dem der Hebelarm 23 angebunden ist. Die Drehachse 24 der Stelleinrichtung 25 kann an dem Turbinengehäuse 4 positioniert sein. Bevorzugt ist die Drehachse 24 in einem Eintrittsbereich 27 des Abgases in das Turbinengehäuse 4 angeordnet.
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Zumindest eine Komponente der Stelleinrichtung 25 und/oder die Klappe 2 kann beispielsweise aus einem metallischen Gussmaterial, einer als Plattenmaterial, als Stahlmaterial, als Gussmaterial oder als Feingussblech ausgebildeten Nickelbasislegierung, einem für Umformprozesse geeigneten metallischen Material und/oder einem mit metallischen Materialien verbindbaren Keramikmaterial bestehen, daraus herstellt sein oder es zumindest aufweisen. Des Weiteren kann zumindest eine Komponente der Stelleinrichtung 25 und/oder die Klappe 2 durch beispielsweise ein Metallpulver-Spritzgussverfahren (MIM), ein Sinterverfahren, ein Pressverfahren, ein, insbesondere Eisen- oder Stahl-, Gussverfahren, ein Umformverfahren, umfassend Gesenkschmieden, Tiefziehen, Nieten, Stanzen, Schneiden, Gradziehen, Stülpen, Biegen und Bohren hergestellt sein. Weiterhin kann zumindest eine Komponente der Stelleinrichtung 25 und die Klappe 2 mittels beispielsweise Schweißen, insbesondere Elektrodenstrahl- oder Laser-, Löten, insbesondere Vakuum-, Schutzgas-, Hart-, Verstemmen, Bördeln, Umkragen, Vernieten oder Verschrauben miteinander verbunden sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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