DE102011108205A1

DE102011108205A1 - Ventilelement für einen Abgasturbolader sowie Turbine für einen Abgasturbolader mit einem solchen Ventilelement

Info

Publication number: DE102011108205A1
Application number: DE102011108205A
Authority: DE
Inventors: Peter Bollweg
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2013-01-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventilelement für eine Turbine eines Abgasturboladers, mittels welchem ein Strömungsquerschnitt (Q) eines zumindest teilweise in einem Turbinengehäuse (12) verlaufenden Umgehungskanals (14), über welchen ein Turbinenrad der Turbine (10) von Abgas zu umgehen ist, variabel einstellbar ist und welches einen Ventilkörper (18) umfasst, der eine Kontaktfläche (32) aufweist, über welche zum fluidischen Versperren des Umgehungskanals (14) in einer Schließstellung des Ventilelements (16) das Ventilelement (16) an einem korrespondierenden Ventilsitz (34) des Turbinengehäuses (12) anliegt, wobei sich an die Kontaktfläche (32) nach innen hin wenigstens ein von der Kontaktfläche (32) erhabener Vorsprung (36) des Ventilkörpers (18) anschließt, welcher zumindest in einer den Umgehungskanal (14) mindestens bereichsweise freigebenden Offenstellung des Ventilelements (16) wenigstens bereichsweise in den Umgehungskanal (14) hineinragt, sowie eine Turbine (10) für einen Abgasturbolader.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventilelement einen Abgasturboladers der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie eine Turbine für einen Abgasturbolader mit einem solchen Ventilelement der im Oberbegriff des Patentanspruchs 6 angegebenen Art.
Die DE 10 2006 022 482 A1 offenbart 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. Das Abgasregelklappenventil ist mittels einer Betätigungseinrichtung verschwenkbar, wobei die Anordnung des Ventiltellers an dem Schwenkarm derart ist, dass der Ventilteller relativ zur Bypassöffnung winkeleinstellbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass der Kontaktbereich zwischen dem Schwenkarm und dem Ventilteller von einer Außenfläche und einer Innenfläche einer Kugelkalotte gebildet ist.
Es hat sich gezeigt, dass es bei derartigen Ventilelementen zu einem unerwünschten und verbesserungswürdigen Strömungsverhalten des Abgases durch die Bypassöffnung kommt, wenn des Ventilelement verschwenkt wird, um die Bypassöffnung freizugeben.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ventilelement für eine Turbine eines Abgasturboladers bereitzustellen, welches ein verbessertes Strömungsverhalten des Abgases ermöglicht. Ebenso ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine für einen Abgasturbolader mit einem solchen Ventilelement bereitzustellen, bei welcher ein verbessertes Strömungsverhalten des Abgases ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Ventilelement für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Turbine für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Der erste Aspekt der Erfindung betrifft ein Ventilelement für eine Turbine eines Abgasturboladers, mittels welchem ein Strömungsquerschnitt eines zumindest teilweise in einem Turbinengehäuse der Turbine verlaufenden Umgehungskanals variabel einstellbar ist. Über den Umgehungskanal kann ein in einem Aufnahmeraum des Turbinengehäuses aufgenommenes Turbinenrad der Turbine von Abgas umgangen werden, wodurch das Turbinenrad von dem Abgas nicht beaufschlagt und nicht angetrieben wird.
Das Ventilelement umfasst einen Ventilkörper, der eine Kontaktfläche aufweist. Zum fluidischen Versperren des Umgehungskanals in einer Schließstellung des Ventilelements liegt das Ventilelement über die Kontaktfläche an einem korrespondierenden Ventilsitz des Turbinengehäuses an.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich an die Kontaktfläche nach innen hin, insbesondere in radialer Richtung nach innen hin, wenigstens ein von der Kontaktfläche erhabener Vorsprung des Ventilkörpers anschließt, welcher zumindest in einer den Umgehungskanal mindestens bereichsweise freigebenden Offenstellung des Ventilelements wenigstens bereichsweise in den Umgehungskanal hineinragt. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Vorsprung sowohl in der Schließstellung als auch zumindest in einem Teilbereich eines Bewegungsbereichs des Ventilelements, in welchem das Ventilelement zum Verschließen und Öffnen des Umgehungskanals bewegbar ist, zumindest bereichsweise in den Umgehungskanal hineinragt. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass ausgehend von der Schließstellung der Vorsprung sowohl in der Schließstellung als auch in dem sich an die Schließstellung beim Öffnen des Ventilelements anschließendem Teilbereich des Bewegungsbereichs zumindest bereichsweise in den Umgehungskanal über eine Ausströmöffnung des Umgehungskanals hineinragt.
Dadurch wird ein effektiver Strömungsquerschnitt des Umgehungskanals, welcher von dem den Umgehungskanal durchströmenden Abgas zu durchströmen ist, zumindest in der einen Offenstellung, in welcher der Vorsprung in den Umgehungskanal hineinragt, von den den Umgehungskanal begrenzenden Wandungen des Turbinengehäuses einerseits und andererseits von dem Vorsprung begrenzt, insbesondere in dem Teilbereich des Bewegungsbereichs, welcher die Schließstellung sowie sich daran anschließende geringfügige Offenstellungen des Ventilelements umfasst.
Zum Bewegen des Ventilelements zwischen der Offenstellung und der Schließstellung ist beispielsweise vorgesehen, dass das Ventilelement um eine Schwenkachse verschwenkbar ist. Dies bedeutet, dass der Vorsprung in der Schließstellung, welches sich auf einen Schwenkwinkel von 0° bezieht, sowie wie bei geringen Schwenk- und damit Öffnungswinkeln des Ventilelements in den Umgehungskanal hineinragt. Durch den Vorsprung kann somit bei geringen Offenstellungen bzw. Öffnungswinkeln des Ventilelements der effektive Strömungsquerschnitt innerhalb des Umgehungskanals begrenzt werden. Insbesondere im Vergleich zu Ventilelementen mit zumindest im Wesentlichen und insbesondere ausschließlich ebenen Ventilkörpern, die also sowohl im Kontaktbereich als auch in sich darin anschließenden Bereichen eben ausgebildet sind, kann dadurch der Anstieg des Volumenstroms bzw. des Massenstroms des Abgases durch den Umgehungskanal bei ausgehend von der Schließstellung sich öffnendem Ventilelement besonders gering gehalten werden. Daraus kann ein zumindest im Wesentlichen linearer Verlauf des Volumenstroms bzw. des Massenstroms dargestellt werden, wodurch ein besonders vorteilhaftes und verbessertes Strömungsverhalten des Abgases durch den Umgehungskanal realisierbar ist.
Mit anderen Worten verhält sich insbesondere in dem Teilbereich die Zunahme des Volumenstroms bzw. Massenstroms des Abgases durch den Umgehungskanal zumindest im Wesentlichen linear zu dem sukzessiven Öffnen des Ventilelements und dem sukzessiven Freigeben des Umgehungskanals, da zumindest in dem Teilbereich der Vorsprung in den Umgehungskanal wenigstens bereichsweise hineinragt. Beim sukzessiven Schließen des Ventilelements, insbesondere im Teilbereich, nimmt der Massenstrom dementsprechend dazu umgekehrt zumindest im Wesentlichen linear ab.
Durch die Darstellung dieses zumindest im Wesentlichen linearen Verhaltens des Massenstroms kann eine Steuerung bzw. Regelung des Volumenstroms bzw. Massenstroms des Abgases durch den Umgehungskanal besonders präzise erfolgen. Entsprechende Ansteuerungen und Adaptionen der Turbine sind dabei nicht vorgesehen und nicht von Nöten, um die Strömungscharakteristik des Volumenstroms bzw. Massenstroms linear auszugestalten. So können komplexe und rechenintensive Steuerungsverfahren vermieden werden, was die notwendige Rechenkapazität zum Steuern bzw. Regeln der Turbine gering hält. Damit einher gehen geringe Kosten, insbesondere für ein Steuergerät zum Regeln bzw. Steuern der Turbine.
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader mit einer in einem Aufnahmeraum eines Turbinengehäuses der Turbine zumindest bereichsweise aufgenommenen Turbinenrad, mit wenigstens einem Zuführkanal, über welchen das Turbinenrad mit Abgas einer Verbrennungskraftmaschine beaufschlagbar ist und mit wenigstens einem Umgehungskanal, über welchen das Turbinenrad mit Abgas zu umgehen ist. Dem Umgehungskanal ist dabei eine Ventileinrichtung mit einem zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung um eine Schwenkachse verschwenkbaren Ventilelement zugeordnet, mittels welchem ein Strömungsquerschnitt des zumindest teilweise in dem Turbinengehäuse verlaufenden Umgehungskanals variabel einstellbar ist.
Das Ventilelement umfasst dabei einen Ventilkörper, der eine Kontaktfläche aufweist, über welche das Ventilelement in der Schließstellung an einem korrespondierenden Ventilsitz des Turbinengehäuses anliegt.
Erfindungsgemäß schließt sich an die Kontaktfläche nach innen hin, insbesondere in radialer Richtung nach innen hin, wenigstens ein von der Kontaktfläche erhabener Vorsprung an, welcher zumindest in der Offenstellung wenigstens bereichsweise in den Umgehungskanal hineinragt. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Bei der erfindungsgemäßen Turbine ist es bevorzugt vorgesehen, dass der Vorsprung in einem unteren Teilbereich eines Schwenkbereichs des Ventilelements in den Umgehungskanal hineinragt, wobei der Teilbereich die Schließstellung sowie ausgehend von der Schließstellung sich daran anschließende Offenstellungen und somit Öffnungswinkel des Ventilelements umfasst. Bei dem Teilbereich handelt es sich somit um den unteren Teilbereich des Schwenkbereichs des Ventilelements. Dadurch kann in dem Teilbereich ein effektiver Strömungsquerschnitt des Umgehungskanals, der von dem Abgas zu durchströmen ist, einerseits durch Wandungen des Turbinengehäuses und andererseits durch den Vorsprung begrenzt werden. Dadurch ist insbesondere im Vergleich zu Ventilelementen mit zumindest im Wesentlichen ebenem Ventilkörper zum Freigeben und Versperren des Umgehungskanals ein besonders geringer Anstieg des Volumenstroms bzw. des Massenstroms des Abgases durch den Umgehungskanal bei ausgehend von der Schließstellung sich öffnendem Ventilelement in dem Teilbereich geschaffen. Insbesondere kann dadurch ein zumindest linearer Zusammenhang zwischen dem Volumenstrom bzw. dem Massenstrom des Umgehungskanals und dem Öffnungswinkel dargestellt werden. Dies bedeutet, dass der Volumenstrom bzw. Massenstrom des Abgases in dem Teilbereich zumindest im Wesentlichen mit steigendem Öffnungswinkel des Ventilelements linear ansteigt und entsprechend bei sich schließendem Ventilelement zumindest im Wesentlichen linear abfällt.
Dieses vorteilhafte und verbesserte Strömungsverhalten des Abgases durch den Umgehungskanal ermöglicht eine präzise, einfache und unkomplexe Steuerung bzw. Regelung der Turbine bzw. des Massenstroms des Abgases durch den Umgehungskanal, so dass komplexe Regelungs- oder Steuerungsverfahren, welche eine hohe Rechenkapazität bedingen, vermieden werden können. Dadurch können die Kosten der Turbine gering gehalten werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Vorsprung stirnseitig konvex und zumindest im Wesentlichen kugelsegmentförmig ausgebildet. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte und insbesondere zumindest im Wesentlichen lineare Strömungscharakteristik des Volumenstroms bzw. Massenstroms des Abgases durch den Umgehungskanal dargestellt werden, so dass der Volumenstrom bzw. der Massenstrom zumindest in dem Teilbereich des Bewegungsbereichs des Ventilelements zumindest im Wesentlichen linear zu dem Öffnen bzw. Schließen des Ventilelements korrespondiert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Turbine für einen Abgasturbolader, mit einem Umgehungskanal, welcher von Abgas einer der Turbine zugeordneten Verbrennungskraftmaschine durchströmbar ist, wobei ein Ventilelement vorgesehen ist;
2 ein Diagramm mit einem Verlauf einer Drehzahl eines Rotors des Abgasturboladers gemäß 1 und mit einem Verlauf eines Drucks des Abgasturboladers;
3 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform einer Turbine für einen Abgasturbolader gemäß 1;
4 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht einer Turbinengehäuses der Turbine gemäß 3;
5 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht der einer Turbine gemäß 3;
6 ein Diagramm mit vier Verläufen von Abgasmassenströmen durch einen Umgehungskanal einer Turbine für einen Abgasturbolader über einem Öffnungswinkel eines jeweiligen Ventilelements zum Steuern des Abgasmassenstroms durch den Umgehungskanal;
7 ein Diagramm mit einer ausschnittsweisen, vergrößerten Darstellung der Verläufe gemäß 6
8 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine gemäß 3;
9 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht der Turbine mit dem Ventilelement gemäß 1;
10 ausschnittsweise eine weitere schematische Perspektivansicht der Turbine mit dem Ventilelement gemäß 9;
11 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Turbine mit dem Ventilelement gemäß 1;
12 ein Diagramm mit zwei Verläufen von Abgasmassenströmen durch einen Umgehungskanal einer Turbine für einen Abgasturbolader über einem Öffnungswinkel eines jeweiligen Ventilelements zum Steuern des Abgasmassenstroms durch den Umgehungskanal, wobei einer der Verläufe zu einer Ausführungsform des Ventilelements gemäß 1 korrespondiert;
13 ein Diagramm mit vier Verläufen von Abgasmassenströmen durch einen Umgehungskanal einer Turbine für einen Abgasturbolader über einem Öffnungswinkel eines jeweiligen Ventilelements zum Steuern des Abgasmassenstroms durch den Umgehungskanal, wobei drei der Verläufe zu unterschiedlichen Ausführungsformen des Ventilelements gemäß 1 korrespondieren;
14 ausschnittsweise eine vergrößerte Darstellung des Diagramms gem. 13;
15 ein Diagramm mit zwei Verläufen von Abgasmassenströmen durch einen Umgehungskanal einer Turbine für einen Abgasturbolader über einem Öffnungswinkel eines jeweiligen Ventilelements zum Steuern des Abgasmassenstroms durch den Umgehungskanal, wobei einer der Verläufe zu einer Ausführungsform des Ventilelements gemäß 1 korrespondiert;
16 ein Diagramm mit zwei Verläufen von Abgasmassenströmen durch einen Umgehungskanal einer Turbine für einen Abgasturbolader über einem Öffnungswinkel eines jeweiligen Ventilelements zum Steuern des Abgasmassenstroms durch den Umgehungskanal, wobei einer der Verläufe zu einer Ausführungsform des Ventilelements gemäß 1 korrespondiert; und
17 ein Diagramm mit vier Verläufen von Abgasmassenströmen durch einen Umgehungskanal einer Turbine für einen Abgasturbolader über einem Öffnungswinkel eines jeweiligen Ventilelements zum Steuern des Abgasmassenstroms durch den Umgehungskanal, wobei drei der Verläufe zu einer jeweiligen Ausführungsform des Ventilelements gemäß 1 korrespondiert;
Die 1 zeigt eine Turbine 10 für einen Abgasturbolader, mittels welchem eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, aufladbar ist. Die Turbine 10 umfasst ein Turbinengehäuse 12, welches einen Aufnahmeraum aufweist. In dem Aufnahmeraum ist zumindest bereichsweise ein Turbinenrad um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse 12 drehbar aufgenommen. Durch Wandungen des Turbinengehäuses 12 ist wenigstens ein Zuführkanal begrenzt, welcher über entsprechende Abgasverrohrungen fluidisch mit wenigstens einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine verbunden ist. So kann Abgas aus dem Brennraum in den Zuführkanal einströmen. Mittels des Zuführkanals ist das Abgas zu dem Aufnahmeraum führbar, so dass das Abgas das Turbinenrad beaufschlagen und dadurch antreiben kann.
Zur Begrenzung eines Ladedrucks und/oder zur Darstellung eines besonders großen Durchsatzparameters für hohe Abgasmassenströme umfasst das Turbinengehäuse 12 wenigstens einen Umgehungskanal 14, über welchen das Turbinenrad von zumindest einem Teil des Abgases zu umgehen ist. Das den Umgehungskanal 14 durchströmende Abgas kann das Turbinenrad somit nicht antreiben. Wie angedeutet, ist dieses Umgehen des Turbinenrads jedoch lediglich in bestimmten Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine bzw. der Turbine 10 vorteilhaft und gewünscht.
Zum bedarfsweisen fluidischen Freigeben und Versperren des Umgehungskanals 14 umfasst die Turbine 10 ein Ventilelement 16 mit einem Ventilkörper 18. Der Ventilkörper 18 ist dabei beispielsweise mit einem in der 1 nicht näher dargestellten Hebelarm gekoppelt, so dass der Ventilkörper 18 über den Hebelarm um eine Drehachse 20 in einem Schwenkbereich zwischen einer den Umgehungskanal 14 fluidisch versperrenden Schließstellung und einer Mehrzahl von Offenstellungen verschwenkbar ist. In der 1 ist dabei eine Rastpolbahn 22 gezeigt, welche das Verschwenken des Ventilkörpers 18 anhand einer Spitze 24 des Ventilkörpers 18 veranschaulicht.
Die Schließstellung und die Offenstellung des Ventilkörpers 18 in dessen Schwenkbereich korrespondieren dabei zu jeweiligen Drehwinkeln, welche auch als Öffnungswinkel bezeichnet werden. Die den Umgehungskanal 14 verschließende Schließstellung korrespondiert dabei zu einem Drehwinkel und damit zu einem Öffnungswinkel von 0°. Ausgehend davon korrespondieren die Offenstellungen zu Öffnungswinkeln, welche größer als 0° sind und in welchen der Umgehungskanal 14 bzw. eine Austrittsöffnung 26 des Umgehungskanals fluidisch freigegeben ist. In der 1 ist dabei ein Öffnungswinkel von zumindest im Wesentlichen 5° des Ventilkörpers 18 bzw. des Ventilelements 16 gezeigt.
Der Ventilkörper 18 umfasst eine Grundplatte 28, welche eine axiale Erstreckung und damit eine Dicke t aufweist. Durch die Grundplatte 28 ist auf einer Stirnseite 30 der Grundplatte 28 eine zumindest im Wesentlichen ringförmige Kontaktfläche 32 gebildet, welche in der Schließstellung des Ventilelements an einem korrespondierenden Ventilsitz 34 des Turbinengehäuses 12 anliegt.
An die Kontaktfläche 32 des Ventilkörpers 18 schließt sich in radialer Richtung des Ventilkörpers 18 nach innen hin ein von der Kontaktfläche 32 erhabener Vorsprung 36 an, welcher auch als Nase bezeichnet wird. Wie anhand der 1 zu erkennen ist, ragt der Vorsprung 36 bei dem Öffnungswinkel von zumindest im Wesentlichen 5° in den Umgehungskanal 14 hinein. Daran ist auch zu erkennen, dass der Vorsprung 36 auch in der Schließstellung, d. h. bei dem Öffnungswinkel von 0° sowie bei Öffnungswinkeln zwischen 0° und 5° in den Umgehungskanal 14 hineinragt. Ferner ist anhand der 1 zu erkennen, dass der Vorsprung 36 auch bei zumindest geringfügig größeren Öffnungswinkeln von 5° noch bereichsweise in den Umgehungskanal 14 hineinragt. Dies bedeutet, dass der Vorsprung 36 in einem unteren Teilbereich des gesamten Schwenkbereichs zumindest bereichsweise in den Umgehungskanal 14 hineinragt, wobei dieser untere Teilbereich des Schwenkbereichs zumindest die Öffnungswinkel von 0° bis einschließlich 5° und darüber hinaus bis gegebenenfalls einschließlich 10° umfasst.
In diesem Teilbereich, also insbesondere bei geringen Öffnungswinkeln des Ventilelements 16, ist ein effektiver Strömungsquerschnitt Q, über welchen das den Umgehungskanal 14 durchströmende Abgas strömt, einerseits von den Umgehungskanal 14 des Turbinengehäuses 12 begrenzenden Wandungen und andererseits durch den bereichsweise in den Umgehungskanal 14 hineinragenden Vorsprung 36 begrenzt. Dies bedeutet, dass der effektive Strömungsquerschnitt Q nicht etwa ausschließlich durch die den Umgehungskanal 14 begrenzende Wandungen des Turbinengehäuses 12 begrenzt, sondern vielmehr zumindest im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist. Darüber hinaus ist in dem Teilbereich ein in Umfangsrichtung des Umgehungskanals 14 umlaufender Spalt S zwischen dem Ventilelement 16 und dem Turbinengehäuse 12, über den das Abgas den Umgehungskanal 14 durchströmen bzw. aus diesem über die Austrittsöffnung 26 hinausströmen kann, zumindest im Wesentlichen konstant.
Der Vorsprung 36 ist dabei auf einer Stirnseite 38 des Vorsprungs 36 konvex ausgebildet, wobei der Vorsprung 36 zumindest im Wesentlichen kugelsegmentförmig ausgebildet ist. Dadurch ist ein annähernd linearer Zusammenhang zwischen dem Massenstrom des Abgases durch den Umgehungskanal 14 und dem Öffnen bzw. Schließen des Ventilelements 16 in dem Teilbereich (in den der Vorsprung 36 zumindest bereichsweise in den Umgehungskanal 14 hineinragt) geschaffen. Dies bedeutet, dass – ausgehend von der Schließstellung – bei sukzessivem Ansteigen des Öffnungswinkels damit ein dazu zumindest im Wesentlichen lineares Ansteigen des Massenstroms des Abgases einhergeht. Wird demgegenüber das Ventilelement sukzessive geschlossen, so fällt der Massenstrom zumindest im Wesentlichen linear dazu ab. Dadurch kann der Massenstrom durch den Umgehungskanal 14 besonders präzise und mit einem nur geringen Regelungsaufwand bzw. Steuerungsaufwand eingestellt werden.
Die zumindest im Wesentlichen kugelsegmentförmige Ausgestaltung des Vorsprungs 36 wird dabei durch einen Kugelradius r_Kugel des Vorsprungs 36 charakterisiert. Durch den Vorsprung 36 wird der Strömungsquerschnitt des Umgehungskanals 14, welcher durch einen Kanalradius r_Kanal charakterisiert ist, reduziert auf den effektiven Strömungsquerschnitt Q. Diese Reduzierung des Strömungsquerschnitts ist charakterisiert durch einen Nasenradius r_Nase. Um geringe Massenströme bei geringen Öffnungswinkeln des Ventilelements 16 zu realisieren, ist es vorteilhaft, den Nasenradius r_Nase zumindest im Wesentlichen an den Kanalradius r_Kanal anzupassen und den Nasenradius r_Nase nach dem Kanalradius r_Kanal zu wählen und entsprechend zu gestalten. Um gleichzeitig ein sicheres Öffnen und Schließen des Ventilelements 16 zu gewährleisten, ist es vorteilhaft den Nasenradius r_Nase unterhalb gewisser maximaler Schwellenwerte auszugestalten.
Durch den Vorsprung 36 ist es auch vermieden, dass es beim Öffnen des Ventilelements 16 ausgehend von der Schließstellung in einem, bezogen auf die Drehachse 20, entfernten Bereich A zwischen dem Ventilelement 16 und dem Turbinengehäuse 12 zu einem größeren Strömungsquerschnitt kommt als in einem, bezogen auf die Drehachse 20, nahen Bereich B, wie es beispielsweise bei einem Ventilkörper 18 der Fall ist, welcher auf einer dem Umgehungskanal 14 zugewandten Stirnseite ausschließlich eben ausgebildet ist. Der Vorsprung 36 vermeidet somit diese unterschiedlichen Strömungsquerschnitte und somit Strömungsverhältnisse oder hält diese zumindest gering, so dass in Umfangsrichtung des Ventilkörpers 18 bei der Turbine 10 gemäß der 1 ein zumindest im Wesentlichen konstanter Spalt S und ein zumindest im Wesentlichen konstanter effektiver Strömungsquerschnitt Q ermöglicht ist, was mit dem zumindest im Wesentlichen linearen Zusammenhang zwischen dem Massenstrom des Abgases und dem Öffnen bzw. Schließen des Ventilelements 16 einhergeht.
Im nahen Bereich B ist der Strömungsquerschnitt dabei begrenzt bzw. abhängig von dem Abstand des Ventilkörpers 18 zu dem Turbinengehäuse 12. Um einen besonders homogenen Massenstrom des Abgases im Schwenkbereich und insbesondere im Teilbereich des Schwenkbereichs des Ventilelements 16 zu realisieren, ist der Abstand d = r_Kanal – r_Nase in der Größenordnung des Abstands zwischen dem Ventilkörper 18 und dem Turbinengehäuse 12 im nahen Bereich B ausgestaltet, der von dem Öffnungswinkel charakterisiert wird. Mit anderen Worten ist vorteilhafterweise ein radialer Abstand zwischen dem Vorsprung 36 und den Umgehungskanal 14 in radialer Richtung begrenzenden Wandungen des Turbinengehäuses 12 zumindest im Wesentlichen gleichgroß wie der axiale Abstand zwischen dem Turbinengehäuse 12 und dem Ventilkörper 18. Daraus resultiert ein homogener und zumindest im Wesentlichen konstanter Massenstrom über den Umfang des Ventilkörpers 18.
Wie der 1 ferner zu entnehmen ist, ist ein Übergangsbereich 40 zwischen der Kontaktfläche 32 und dem Vorsprung 36 zumindest im Wesentlichen bogenförmig ausgebildet. Dies hält die Belastungen des Ventilkörpers gering. Ferner ist das Turbinengehäuse 12 in einem Austrittsbereich des Umgehungskanals 14 im Bereich des Ventilsitzes 34 zumindest im Wesentlichen bogenförmig ausgebildet, was in der 1 mit exp_Kanal bezeichnet ist. Dadurch ist es möglich, dass die Spitze 24 des Vorsprungs 36 den Umgehungskanal 14 und damit das Turbinengehäuse 12 entlang der Rastpolbahn verlassen bzw. in den Umgehungskanal eindringen kann, während vorteilhafterweise ein gewisser minimaler Abstand zwischen dem Ventilelement 16 und dem Turbinengehäuse 12 beibehalten wird.
Vorteilhafterweise wird der Kugelradius r_Kugel in Abhängigkeit von dem Nasenradius r_Nase gewählt. Im Bereich der Spitze 24 definiert ein Winkel α die Änderungsrate, mit welcher der Massenstrom des Abgases ansteigt, während das Ventilelement 16 geöffnet wird. Der Massenstrom steigt dabei ebenso mit dem Winkel α an. Der minimale Anstieg ist erreicht, wenn jeweilige Tangenten an der Rastpolbahn 22 und an dem Kugelradius r_Kugel an der Spitze 24 parallel sind. Dies bedeutet, dass dann der Winkel α = 0° ist.
Die 9 bis 11 zeigen die Turbine 10, bei der das Ventilelement 16 von Abgas umströmt ist. Die Strömung des Abgases ist dabei durch Strömungspfeile angedeutet. Sehr gut zu erkennen ist, dass insbesondere bei kleinen Öffnungswinkel der effektive Strömungsquerschnitt Q relativ gering gehalten wird. Insbesondere anhand der 11 ist zu erkennen, dass der umlaufende Spalt S zumindest im Wesentlichen konstant ist bzw. verbleibt beim Öffnen.
Die 2 zeigt ein Diagramm 42, auf dessen Abszisse 44 die Zeit aufgetragen ist und auf dessen Ordinaten 46, 48 die Drehzahl eines Rotors mit dem Turbinenrad des Abgasturboladers bzw. der Druck p₃₂ des Abgasturboladers aufgetragen ist. Wie zu erkennen ist, kommt es bei Verwendung eine beispielsweise in der 3 gezeigten Ventilelements 50 anstelle des Ventilelements 16 zum Einstellen des Massenstroms des Abgases zu Oszillationen der Drehzahl und des Drucks p₃₂. Dieses unterwünschte Betriebsverhalten des Abgasturboladers kann durch die Verwendung des Ventilelements 16 reduziert oder vermieden werden.
Die 3 zeigt ein weiteres Ventilelement 50, welches im Vergleich mit dem Ventilelement 16 zwar die Grundplatte 28 jedoch nicht den Vorsprung 36 umfasst und daher eine weniger vorteilhafte Einstellung des Abgasmassenstroms ermöglicht. Dabei ist, wie durch einen Richtungspfeil angedeutet, auch das weitere Ventilelement 50 zwischen wenigstens einer den Umgehungskanal 14 freigebenden und einer den Umgehungskanal 14 verschließenden Stellung in einem Schwenkbereich verschwenkbar. Insbesondere ermöglicht das weitere Ventilelement 50 im Gegensatz zum Ventilelement 16 keinen zumindest im Wesentlichen linearen Verlauf des Massenstroms.
Die 4 und 5 zeigen das Turbinengehäuse 12 der Turbine 10 mit dem weitere Ventilelement 50 gemäß 3. In Strömungsrichtung des Abgases durch den Umgehungskanal 14 herrscht stromauf des Ventilelements ein Druck von beispielsweise 3,25 bar und eine Abgastemperatur von 560°C, während stromab des Ventilelements ein Druck von zumindest im Wesentlichen 1 bar herrscht.
Die 6 und 7 zeigen jeweils ein Diagramm 52, auf dessen Abszisse 54 der Öffnungswinkel jeweiliger Ventilelemente gemäß dem weiteren Ventilelement 50 aufgetragen ist. Auf der Ordinate 56 ist der Massenstrom des Abgases aufgetragen. In dem Diagramm 52 sind ein erster Verlauf 58, ein zweiter Verlauf 60, ein dritter Verlauf 62 und ein vierter Verlauf 64 des Massenstroms bei entsprechenden Öffnungswinkel aufgetragen, wobei der dritte Verlauf 62 und der vierte Verlauf 64 einem Massenstrom/Öffnungswinkel-Verhältnis zweier unterschiedlicher Ausführungsformen des weiteren Ventilelement 50 zu zuordnen sind, während der erste Verlauf 58 und der zweite Verlauf 60 einem Massenstrom/Öffnungswinkel-Verhältnis unterschiedlicher Durchmessern des Umgehungskanals 14 zu zuordnen sind
Die 8 zeigt eine Ausführungsform des weiteren Ventilelements 50, zu welchem die Verläufe 60, 62 in dem Diagramm 52 korrespondieren. Der effektive Strömungsquerschnitt Q vergrößert sich beim Öffnen des Ventilelements 50. Der größte Wechsel des effektiven Strömungsquerschnittes tritt bei der größten Entfernung zur Drehachse 22 auf.
Die 12 zeigt ein Diagramm 66, auf dessen Abszisse 68 der Öffnungswinkel eines jeweiligen Ventilelements für eine Turbine wie die Turbine 10 aufgetragen ist und auf dessen Ordinate 70 der Massenstrom des Abgases durch den Umgehungskanal 14 aufgetragen ist. In dem Diagramm sind zwei Verläufe, ein fünfter Verlauf 72 und ein sechster Verlauf 74 des Abgasmassenstroms aufgetragen.
Der fünfte Verlauf 72 ist einem Massenstrom/Öffnungswinkel-Verhältnis des weiteren Ventilelement 50 gemäß 8, während der sechste Verlauf 74 einer Massenstrom/Öffnungswinkel-Verhältnis des Ventilelement 16 gemäß 1 zu zuordnen ist. Wie zu erkennen ist, ist durch den Vorsprung 36 ein zumindest im Wesentlichen linearer fünfter Verlauf 72 des Massenstroms realisiert. Ebenso kommt es zu einem höheren Massenstrom bei kleinem Öffnungswinkel aufgrund der bogenförmigen Rundung exp_Kanal.
Die 13 und 14 zeigen das Diagramm 66 mit dem fünften Verlauf 72 und einem siebten Verlauf 74', wobei der siebte Verlauf 74' dem sechsten Verlauf 74 entspricht, einem achten Verlauf 74'' und einem neunten Verlauf 74''', welche einem Massenstrom/Öffnungswinkel-Verhältnis des Ventilelements 16 gemäß 1 zu zuordnen sind. Der siebte Verlauf 74' ist einem Massenstrom/Öffnungswinkel-Verhältnis des Ventilelement 16 mit dem Kugelradius r_Kugel entsprechend 6 mm zu zuordnen. Der achte Verlauf 74'' ist einem Massenstrom/Öffnungswinkel-Verhältnis des Ventilelement 16 mit dem Kugelradius r_Kugel entsprechend 7 mm zu zuordnen und der neunte Verlauf 74''' ist einem Massenstrom/Öffnungswinkel-Verhältnis des Ventilelement 16 mit dem Kugelradius r_Kugel entsprechend 8 mm zu zuordnen. Die Vergrößerung des Kugelradius r_Kugel führt somit zu einer Reduzierung des Massenstroms bei kleinen Öffnungswinkeln. Der lineare Bereich wird hin zu geringeren Massenströmen verschoben.
Eine Gegenüberstellung des fünften Verlaufs 72 und des neunten Verlaufs 74''' ist in 15 und eine Gegenüberstellung des fünften Verlaufs 72 und eines zehnten Verlaufs 78 ist in 16 dargestellt. Der zehnte Verlauf 78 ist einem Massenstrom/Öffnungswinkel-Verhältnis des Ventilelements 16 mit dem Kugelradius r_Kugel entsprechend 8 mm zu zuordnen, wobei das Ventilelement 16, welches zur Ermittlung des zehnten Verlaufs herangezogen wurde, einen höher ausgebildeten Vorsprung aufweist als das Ventilelement 16, welches zur Ermittlung des neunten Verlaufs 74''' herangezogen wurde. Wie den 15 und 16 zu entnehmen ist, erstreckt sich der zumindest im Wesentlichen lineare Bereich über die gesamte Bandbreite des Massenstroms.
Die 17 zeigt im Diagramm 66 eine Gegenüberstellung des fünften Verlaufs 72, dem siebten Verlaufs 74', dem neunten Verlaufs 74''' und dem zehnten Verlaufs 78. Ausgehend von dem vierzehnten Verlauf 78'' über den dreizehnten Verlauf 78' hin zu dem zwölften Verlauf 78 ist der jeweilige Verlauf einem Massenstrom/Öffnungswinkel-Verhältnis des Ventilelement 16 gemäß 1 zu zuordnen, wobei der Vorsprung 36 jeweils zunehmends flacher ausgebildet ist. Dies bewirkt eine Erhöhung des Massenstroms und einen lineareren Verlauf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006022482 A1 [0002]

Claims

Ventilelement für einen Abgasturbolader, mittels welchem ein Strömungsquerschnitt (Q) eines zumindest teilweise in einem Turbinengehäuse (12) verlaufenden Umgehungskanals (14), über welchen ein Turbinenrad der Turbine (10) von Abgas zu umgehen ist, variabel einstellbar ist und welches einen Ventilkörper (18) umfasst, der eine Kontaktfläche (32) aufweist, über welche zum fluidischen Versperren des Umgehungskanals (14) in einer Schließstellung des Ventilelements (16) das Ventilelement (16) an einem korrespondierenden Ventilsitz (34) des Turbinengehäuses (12) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Kontaktfläche (32) nach innen hin wenigstens ein von der Kontaktfläche (32) erhabener Vorsprung (36) des Ventilkörpers (18) anschließt, welcher zumindest in einer den Umgehungskanal (14) mindestens bereichsweise freigebenden Offenstellung des Ventilelements (16) wenigstens bereichsweise in den Umgehungskanal (14) hineinragt.
Ventilelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (36) stirnseitig konvex ausgebildet ist.
Ventilelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergangsbereich (40) zwischen der Kontaktfläche (32) und dem Vorsprung (36) zumindest im Wesentlichen bogenförmig ausgebildet ist.
Ventilelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (36) zumindest im Wesentlichen kugelsegmentförmig ausgebildet ist.
Ventilelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (32) zumindest im Wesentlichen eben ausgebildet ist.
Turbine für einen Abgasturbolader, mit einem in einem Aufnahmeraum eines Turbinengehäuses (12) zumindest bereichsweise aufgenommen Turbinenrad, mit wenigstens einem Zuführkanal, über welchen das Turbinenrad mit Abgas einer Verbrennungskraftmaschine beaufschlagbar ist und mit wenigstens einem Umgehungskanal (14), über welchen das Turbinenrad von Abgas zu umgehen ist und welchem eine Ventileinrichtung mit einem zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung um eine Schwenkachse (20) verschwenkbaren Ventilelement (16) zugeordnet ist, mittels welchem ein Strömungsquerschnitt (Q) des zumindest teilweise in dem Turbinengehäuse (12) verlaufenden Umgehungskanals (14) variabel einstellbar ist und welches einen Ventilkörper (18) umfasst, der eine Kontaktfläche (32) aufweist, über welche das Ventilelement (16) in der Schließstellung an einem korrespondierenden Ventilsitz (34) des Turbinengehäuses (12) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Kontaktfläche (32) nach innen hin wenigstens ein von der Kontaktfläche (32) erhabener Vorsprung (36) des Ventilkörpers (18) anschließt, welcher zumindest in der Offenstellung wenigstens bereichsweise in den Umgehungskanal (14) hineinragt.