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Die Erfindung betrifft ein Abblaseventil für Turbinen von Abgasturboladern mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Ein Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor enthält normalerweise eine Turbine und einen Kompressor. Die Turbine wird gewöhnlich durch Abgas des Verbrennungsmotors angetrieben, und der Turbinenrotor ist in irgendeiner Weise mit dem Kompressorrotor verbunden, wodurch eine Drehung des Turbinenrotors zu einer Drehung des Kompressorrotors führt. Dieser führt Verbrennungsluft unter Druck dem zugehörigen Verbrennungsmotor zu. Ein Problem bei derartigen Turboladern liegt darin, dass die Drehzahl des Turbinenrotors und damit des Kompressorrotors mit der Drehzahl und/oder Belastung des Verbrennungsmotors zunimmt. Bei hohen Betriebsdrehzahlen oder Belastungen des Verbrennungsmotors kann der Fall eintreten, dass Turbine und Kompressor unter übermäßigen Drehzahlen angetrieben werden. Es ist auch möglich, dass der Kompressor dem Verbrennungsmotor Verbrennungsluft unter Drücken zuführt, die höher sind als die höchstzulässigen Drücke für die Maschine.
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In Abgasturboladern wurden schon Vorrichtungen eingebaut, die dann wirksam werden, wenn die Rotordrehzahl oder -belastung einen bestimmten Wert überschreitet. Diese Vorrichtungen haben im Allgemeinen ein Abblaseventil, das es mindestens einem Teil der Motorabgase gestattet, an der Turbine vorbeizuströmen, wenn die Drehzahl oder Belastung des Motors einen vorbestimmten Wert erreicht. Diese Abblaseventile sind üblicherweise als Tellerventile mit in einem Ventilgehäuse geführten Ventilschaft ausgebildet, welche durch Federkraft und/oder eine Membran betätigt werden, die eine Druckkammer begrenzt und durch Druckluft betätigt wird.
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Ein Problem, das bei der Anwendung von Abblaseventilen auftritt, welche durch Druckluft betätigt werden, liegt darin, dass das Abblaseventil sehr träge auf dynamische Änderungen des Motorbetriebs reagiert.
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Der Stand der Technik zeigt Beispiele, welche die Dynamik solcher Abblaseventile erhöhen sollen. So offenbart die
DE 10 2004 031 230 A1 eine Vorrichtung und Verfahren zur Ladedruckregelung, bei der ein Abblaseventil in einer Abblaseleitung angeordnet ist. Das Ventil ist mit seinem Ventilschaft in einer Ventilführung geführt und in einem Drehgelenk mit einem Hebel gekoppelt, der wiederum an die Welle eines Elektromotors montiert ist. Zum Öffnen und Schließen des Ventils vollführt die Welle des Elektromotors eine bestimmte Drehung und das Ventil folgt mit einer translatorischen Bewegung. Das Drehgelenk vollzieht kinematisch eine kreisförmige Bewegung bei der sich der senkrechte Abstand zur Verlängerung der Achse der Ventilführung ändert. Bei freier Bewegung würde der Ventilschaft nicht nur eine translatorische Bewegung vollziehen, sondern auch eine leicht kippende.
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Der Nachteil dabei ist, dass die Ventilführung dieses Kippen unterbindet, was im Endeffekt zu einem Klemmen des Ventils in der Ventilführung führen kann. Um dies zu verhindern müsste zwischen dem Ventilschaft und der Ventilführung ein großes Spiel vorgesehen werden, welches eine ausreichende Kippbewegung zulässt. Dies würde beim Motorbetrieb zu einem Abblasen von heißem Abgas durch den so vorhandenen Spalt bedeuten. Die Folge wäre eine Schädigung der umliegenden Bauteile. Aus diesem Grund ist dieser Stand der Technik noch nicht ausgereift.
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Aus
DE 30 32 218 C2 ist ein Abblaseventil bekannt, dessen Ventil über einen Elektromotor mit Ritzel und einer in den Ventilschaft eingearbeiteten Verzahnung angetrieben wird. In einer weiteren Variante als hydraulische Ausführung, bei der eine Kolben-Zylindereinheit das Ventil betätigt und dabei ständig Hydraulikflüssigkeit abgesteuert wird. Beide Varianten haben den Nachteil, dass sie zum Halten einer Stellung des Ventils ständig elektrische Energie oder Druck benötigen, was zu einem insgesamt höheren Energiebedarf des Motors führt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, das dynamische Verhalten des Abblaseventils zu verbessern und bei der Betätigung und Halten einer Stellung wenig Energie zu verbrauchen.
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Die Lösung erfolgt mit einem Abblaseventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
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Gemäß der Erfindung ist ein Abblaseventil für Abgasturbolader vorgesehen, mit einem mit einem Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilteller und mit einem in einem Ventilgehäuse geführten Ventilschaft, welcher an einem Ende mit einem ein drehantreibbares Element umfassendes Getriebe zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine translatorische Bewegung des Ventilschafts gekoppelt ist. Dabei ist das Getriebe ein Kurvengetriebe.
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Vorteilhafterweise ermöglicht das Kurvengetriebe eine direkte Übertragung einer Drehbewegung eines, z. B. mit einem Elektromotor gekoppelten, drehantreibbaren Elements in eine translatorische Bewegung des Ventilelements. Dadurch entfallen Verzögerungen bei der Regelung des Abblaseventils, wie sie bei den üblichen durch Ladedruck pneumatisch geregelten Abblaseventilen üblich sind. Verzögerungen werden hervorgerufen durch die Kompressibilität der Luft und im Leitungssystem entstehende Druckschwingungen. Ein weiterer Vorteil ist der erweiterte Regelbereich des Abblaseventils, weil es unabhängig vom Ladedruck regelbar ist. Somit reagiert der Verbrennungsmotor in einem erweiterten Kennfeldbereich dynamischer, was sich in einer direkten Lastannahme widerspiegelt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das drehantreibbare Element des Kurvengetriebes mit einer Nutführung ausgebildet, die mit dem Ventilschaft gekoppelt ist. Die Nutführung bedingt eine Zwangsführung des Ventilelements mit dem Vorteil, dass ein Klemmen des Ventilelements in der Ventilführung vermieden wird. Zusätzlich erhält das Abblaseventil durch eine beliebige Kontur der Nutführung eine spezielle Öffnungscharakteristik.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das drehantreibbare Element des Kurvengetriebes mit einem Nocken ausgebildet, der den Ventilschaft betätigt. Der Vorteil dabei ist, dass auf den Nocken eine beliebige Kontur aufgebracht werden kann, womit dem Abblaseventil eine spezielle Öffnungscharakteristik verliehen werden kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kreuzen sich die Achsen des drehantreibbaren Elements und des Ventilschafts nicht.
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Der Vorteil dabei ist, dass ein selbständiges Öffnen des Abblaseventils durch einen Abgasdruck verhindert wird, weil Gaskräfte auf das Abblaseventil eine resultierende Kraft auf das drehantreibbare Element bewirken, welche das Abblaseventil nahezu ohne äußere Krafteinwirkung in einer Stellung verharren lässt. Somit muss ein Antrieb nur noch geringe Stellkräfte zur Korrektur der Stellung des Abblaseventils aufbringen, was einen sehr geringen Energiebedarf zur Folge hat.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verläuft die Kontur des Nockens oder der Nutführung spiralenförmig. Der Vorteil dabei ist, dass eine Spiralenform, womit z. B. Exzenter charakterisiert werden, üblicherweise verwendet wird, um eine Drehbewegung mit geringen Kräften in eine Längsbewegung mit hohen Kräften umzusetzen. Hohe Kräfte in translatorischer Richtung entstehen v. a. beim Schließen des Abblaseventils gegen hohen Gaskräfte hervorgerufen durch den Abgasdruck.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist am Ventilschaft eine Rolle angeordnet, welche in die Nutführung eingreift oder am Nocken anliegt. Dadurch ist es möglich, bei geringen Reibungskräften zwischen Nutführung bzw. Nocken und Ventilschaft mit geringen Antriebskräften das Ventil zu verstellen. Außerdem ist ein geringer Verschleiß zwischen den oben genannten Bauteilen gewährleistet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist am Ventilschaft ein Rollenträger angeordnet, an welchem die Rolle angeordnet ist. Dadurch ist es möglich flexibel auf konstruktive Randbedingungen einzugehen, außerdem entfällt eine aufwändige Bearbeitung des hartverchromten Ventilschafts.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist am Rollenträger ein Zapfen angeordnet, der zur Führung des Rollenträgers in einer axialen Führung im Ventilgehäuse verschiebbar angeordnet ist. Der Vorteil dabei ist, dass durch die Betätigung des Ventils entstehende Querkräfte aufgenommen werden, und so ein Klemmen in der Ventilführung vermieden wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist im Rollenträger eine Nut angeordnet, in die der Nocken eingreift und so den Rollenträger gegen Verdrehen sichert. Der Vorteil dabei ist, dass der Rollenträger durch den Nocken geführt wird und somit auch die Lage der Rolle zum Nocken immer fixiert ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Feder zwischen dem Rollenträger und dem Ventilgehäuse angeordnet, oder an der Achse des drehantreibbaren Elements und einem nicht drehbaren Bauteil angeordnet, welche durch Federkraft die im Rollenträger angeordnete Rolle in Kontakt mit dem Nocken oder der Nutführung hält. Der Vorteil dabei ist, dass das drehantreibbare Element und die Rolle und damit auch das Ventil in ständigem Kontakt gehalten werden. Damit werden konstruktiv bedingte Spiele zwischen den Bauteilen ausgeglichen und ein unkontrolliertes Schwingen des Ventils vermieden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umschließt das Ventilgehäuse das kurvengetriebeseitige Ende des Ventilschafts und das Kurvengetriebe mit einer Kammer, in die Kammer ist ölhaltige Luft zur Kühlung und Schmierung der sich bewegenden Bauteile einleitbar, und die eingeleitete Luft strömt über einen Spalt zwischen Ventilschaft und Ventilschaftführung ab. Der Vorteil dabei ist, dass die Bauteile des Abblaseventils, insbesondere die Feder, vor Überhitzung durch Wärme von heißem Abgas geschützt werden. Bei Verwendung von Ladeluft dient der üblicherweise darin enthaltene Ölanteil zusätzlich zur Schmierung der sich bewegenden Bauteile.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch das Abblaseventil entlang der Schnittlinie A-A gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, sowie einen darin enthaltenen Ausbruch entlang der in 2 eingezeichneten Schnittlinie C-C;
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2 einen Längsschnitt durch das Abblaseventil entlang der in 1 eingezeichneten Schnittlinie B-B gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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3 eine perspektivische Ansicht des Abblaseventils;
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4 einen Querschnitt durch das Abblaseventil entlang der in 5 eingezeichneten Schnittlinie C-C gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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5 einen Längsschnitt durch das Abblaseventil entlang der in 4 eingezeichneten Schnittlinie D-D gemäß der weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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1 zeigt in einem Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A die wesentlichen Bauteile eines Abblaseventils 1 gemäß einer ersten Ausführungsform zum Abblasen von Abgas vor einer Turbine (nicht dargestellt) eines Abgasturboladers (nicht dargestellt). Ein aus einem Ventilteller 3 und einem Ventilschaft 4 bestehendes Ventilelement 2, ist mit seinem Ventilschaft 4 in einem Ventilgehäuse 6 geführt. Das Ventilgehäuse 6 ist an ein schematisch dargestelltes Abgasgehäuse 11 montiert, in dem ein Abgaskanal 12 und ein Abblasekanal 13 integriert sind. Der Abgaskanal 12 und der Abblasekanal 13 sind durch eine Überströmöffnung 14 miteinander verbunden, in die ein Ventilsitz 10 eingearbeitet ist. Der Ventilteller 3 wirkt mit dem Ventilsitz 10 in der Überströmöffnung 14 zusammen. Am Ende des Ventilschafts 4 ist ein Rollenträger 15 angeordnet, an dem wiederum eine drehbare Rolle 17 angeordnet ist. Diese Rolle 17 greift in eine Nutführung 19 eines drehantreibbaren Elements 20 ein, welches aus einem sichelförmigen Führungsstück 22 und einer daran angeordneten Gabel 23 gebildet wird. In einem Ausbruch C-C durch den Ventilschaft 4 ist eine Antriebswelle 25 dargestellt an der die Gabel 23 angeordnet ist. Die Antriebswelle 25 ist im Ventilgehäuse 6 drehbar gelagert und durch einen Antrieb, z. B. Elektro-, Hydraulik- oder Pneumatikmotor, antreibbar. Die Nutführung 19 hat eine Spiralenform, so dass beim Drehen des drehantreibbaren Elements 20 die Rolle 17 der Spiralenform folgt und dadurch das Ventilelement 2 translatorisch betätigt wird. Auf den Ventilteller 3 wirkende Gaskräfte durch den Abgasdruck verursachen bei der Betätigung des Ventilelements 2 hohe Verstell- bzw. Haltekräfte, die der Antrieb aufbringen muss. Um diese Kräfte möglichst gering zu halten, sind die Achsen 21, 5 des drehantreibbaren Elements und des Ventilschafts so angeordnet, dass sie sich nicht kreuzen, wie im Ausbruch C-C zu erkennen ist. Dies bewirkt eine resultierende Kraft auf das drehantreibbare Element 20, welche das Ventilelement 2 nahezu ohne äußere Krafteinwirkung in einer bestimmten Stellung verharren lässt. Somit muss ein Antrieb (nicht dargestellt) nur noch geringe Verstellkräfte zum Betätigen, oder zur Korrektur der Stellung des Ventilelements 2 aufbringen, was einen sehr geringen Energiebedarf zur Folge hat. Ein Teil der o. g. Bauteile sind durch eine Kammer 7 des Ventilgehäuses 6 umschlossen. in diese Kammer 7 ist durch einen nicht dargestellten Anschluss Luft einleitbar. Die Luft umströmt und kühlt die Bauteile und strömt über einen Spalt 9 zwischen Ventilschaft 4 und Ventilschaftführung aus der Kammer ab. Bei Verwendung von Ladeluft dient der üblicherweise darin enthaltene geringe Ölanteil zusätzlich zur Schmierung der sich bewegenden Bauteile im Abblaseventil 1.
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2 zeigt das Abblaseventil 1 aus 1 in einem Längsschnitt entlang der Schnittlinie B-B ohne das schematische Abgasgehäuse. Neben den in 1 schon beschriebenen Bauteilen ist in dieser Ansicht ein Zapfen 18 dargestellt, der am Rollenträger 15 angeordnet ist. Der Zapfen 18 ist in einer nutförmigen axialen Führung 8 im Ventilgehäuse 6 verschiebbar angeordnet und dient zur translatorischen Führung des Rollenträgers 15.
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3 zeigt die Antriebsseite des Abblaseventils in einer perspektivischen Ansicht. Dabei ist ein Ende der Antriebswelle 25 zu erkennen, an das der Antrieb (nicht dargestellt) angeordnet wird zum Betätigen des drehantreibbaren Elements 20. Das drehantreibbare Element 20, sowie weitere nachfolgend erwähnte Bauteile sind in dieser Figur im Inneren des Abblaseventils 1, und somit nicht zu erkennen. Um durch Federkraft die Rolle 17 in Kontakt mit der Nutführung 19 zu halten, ist zusätzlich eine Feder (nicht dargestellt) mit einem Ende an die Antriebswelle 25 und mit dem anderen Ende an das Ventilgehäuse 6 montierbar. In der nutförmigen axialen Führung 8 ist der in 2 schon beschriebene Zapfen 18 zur translatorischen Führung des Rollenträgers 15 angeordnet.
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4 zeigt in einem Querschnitt entlang der Schnittlinie C-C die wesentlichen Bauteile eines Abblaseventils 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Auch hier ist das Ventilelement 402 mit seinem Ventilschaft 404 im Ventilgehäuse 406 geführt. Das Zusammenwirken mit dem Abgasgehäuse ist wie in 1 beschrieben, daher ist das Abgasgehäuse hier nicht dargestellt. Am Ende des Ventilschafts 404 ist ein Rollenträger 415 mit einer Nut 416 angeordnet. In dieser Nut 416 ist die drehbare Rolle 417 angeordnet. An der Rolle 417 liegt das drehantreibbare Element 420 an, das als ein spiralenförmiger Nocken 424 ausgebildet ist. Am Nocken 424 ist die drehbare Antriebswelle (nicht dargestellt) angeordnet, bei deren Drehung sich auch der Nocken 424 dreht. Die Rolle 417 liegt am Nocken 424 an, somit wird die Drehbewegung in eine translatorische Bewegung der Rolle 417 samt Rollenträger 415 und Ventilelement 402 umgewandelt. Der Rollenträger 415 ist durch eine axiale Führung 408 im Ventilgehäuse 406 translatorisch geführt. Gegen Verdrehung sichert ihn das Eingreifen des Nockens 424 in die Nut 416. Das drehantreibbare Element 420 ist im Ventilgehäuse 406 so angeordnet, dass sich ihre Achse 421 und die Achse 405 des Ventilschafts nicht kreuzen. Wie in 1 schon beschrieben, bewirkt dies eine resultierende Kraft, hier auf den Nocken 424 und somit auf die Antriebswelle (nicht dargestellt), so dass diese nahezu ohne äußere Krafteinwirkung in einer bestimmten Stellung verharren. Die entstehende Rotation durch den Achsversatz wirkt der Rotation durch die ablaufende Rolle 417 am Nocken 424 entgegen. Vom Antrieb (nicht dargestellt) sind nur noch geringe Verstell- und Haltekräfte aufzubringen. Eine Feder 426 zwischen dem Rollenträger 415 und Ventilgehäuse 406 übt eine Federkraft auf die Rolle 417 aus, die diese ständig am Nocken 424 anliegen lässt. Damit werden konstruktiv bedingte Spiele zwischen den Bauteilen ausgeglichen und ein unkontrolliertes Schwingen des Ventilelements 402 vermieden. Wie in 1 schon beschrieben ist auch in dieser Ausführungsform des Abblaseventils Ladeluft in die Kammer 407 zur Kühlung und Schmierung der Bauteile einleitbar.
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5 zeigt das Abblaseventil 1 aus 4 in einem Längsschnitt entlang der Schnittlinie D-D. Neben den in 4 schon beschriebenen Bauteilen ist in dieser Ansicht die im Ventilgehäuse 406 angeordnete Antriebswelle 425 dargestellt. Ebenso ist der Zapfen 418 dargestellt, der samt Rolle 417 im Rollenträger 415 angeordnet ist. Der Zapfen 418 dient in dieser Ausführungsform des Abblaseventils 1 nur der Lagerung der Rolle 417. Die translatorische Führung des Rollenträgers 415 übernimmt die axiale Führung 408.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abblaseventil
- 2, 402
- Ventilelement
- 3, 403
- Ventilteller
- 4, 404
- Ventilschaft
- 5, 405
- Achse Ventilschaft
- 6, 406
- Ventilgehäuse
- 7, 407
- Kammer
- 8, 408
- axiale Führung
- 9
- Spalt
- 10
- Ventilsitz
- 11
- Abgasgehäuse
- 12
- Abgaskanal
- 13
- Abblasekanal
- 14
- Überströmöffnung
- 15, 415
- Rollenträger
- 416
- Nut
- 17, 417
- Rolle
- 18, 418
- Zapfen
- 19
- Nutführung
- 20, 420
- drehantreibbares Element
- 21, 421
- Achse drehantreibbares Element
- 22
- Führungsstück
- 23
- Gabel
- 424
- Nocken
- 25, 425
- Antriebswelle
- 426
- Feder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004031230 A1 [0005]
- DE 3032218 C2 [0007]
