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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einem Bypass-Ventil, das ein Ventilelement aufweist, das zwischen einer geschlossenen Stellung und einer geöffneten Stellung verstellbar ist, und mit einem Aktuator, der über mindestens ein Betätigungselement mit dem Ventilelement gekoppelt ist.
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Abgasturbolader dienen dazu, die Leistung eines Verbrennungsmotors zu verbessern, indem über eine Turbine, die im Abgasstrom angeordnet ist, ein Verdichter angetrieben wird, der Frischluft ansaugt bzw. verdichtet und diese komprimierte Luft in den Zylinder des Motors drückt. Aufgrund der größeren Luftmenge steht somit mehr Sauerstoff zur Verbrennung zur Verfügung, so dass eine höhere Verbrennungsleistung erzielt werden kann.
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Üblicherweise wird der Turbolader so ausgelegt, dass der Abgasstrom des Verbrennungsmotors bereits bei geringen Drehzahlen eine große Verdichtungsleistung bewirkt. Hieraus folgt, dass bei hohen Drehzahlen des Verbrennungsmotors nicht der gesamte Abgasstrom durch die Turbine geleitet werden darf. Daher ist bekannt, eine Bypassleitung mit einem Ventil („Wastegate“) vorzusehen, durch die bei bestimmten Betriebszuständen ein Teil des Abgasstroms an der Turbine des Turboladers vorbeigeführt werden kann.
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Für solche Bypassleitungen werden einfache Klappenventile verwendet, die die Bypassleitung öffnen oder schließen können. Der Antrieb dieser Ventile erfolgt über den Aktuator, der über ein Gestänge mit dem Ventil gekoppelt ist. In geöffnetem Zustand sind aber die Ventile sowie der mechanische Antrieb für diese Klappen frei beweglich. Zudem hat das Übertragungsgestänge ein geringes Spiel, so dass es, beispielsweise durch Vibrationen oder den Abgasstrom, zu einer unerwünschten Geräuschbildung durch ein Klappern des Klappenventils oder der Bauteile kommen kann, die zur Betätigung des Ventils vorgesehen sind.
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Aus der
DE 102 30 934 A1 ist en Abgasturbolader mit einem Bypass-Ventil bekannt, das ein Ventilelement aufweist. Das Ventilelement ist an einem Betätigungshebel gelagert. Dieser liegt in der vollständig geöffneten Stellung an einem Anschlag am Gehäuse an.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bypass-Ventil bereitzustellen, das eine reduzierte Geräuschbildung aufweist.
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Zur Lösung der Aufgabe ist bei einem Abgasturbolader mit einem Bypass-Ventil, das ein Ventilelement aufweist, das zwischen einer geschlossenen Stellung und einer geöffneten Stellung verstellbar ist, und mit einem Aktuator, der über mindestens ein Betätigungselement mit dem Ventilelement gekoppelt ist, ein Anschlag für das Ventilelement vorgesehen, wobei der Anschlag dem Ventilelement zugeordnet ist, so dass dieses in seiner geöffneten Stellung gegen den Anschlag verspannt ist. Der Anschlag ermöglicht, in geöffnetem Zustand des Klappenventils die relevanten Bauteile gegen den Anschlag zu drücken und damit zu verspannen, also das Spiel im Klappenventil und dessen Antrieb zu beseitigen. Dadurch wird verhindert, dass unerwünschte Geräusche entstehen. Insbesondere bei sogenannten Twinscroll-Turboladern kann so eine Geräuschbildung durch eine gasdynamische Anregung des Ventilelements verhindert werden. Durch ein Verspannen des Ventilelements ist es erfindungsgemäß möglich, dass alle zwischen Ventilelement und Aktuator angeordneten Bauteile, beispielsweise das Betätigungselement und alle Gelenke, ebenfalls verspannt werden, so dass keine spielbehaftet gelagerten Bauteile vorhanden sind.
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In dieser Ausführungsform liegt das Ventilelement in der geöffneten Stellung beispielsweise exzentrisch am Anschlag an. Wird das am Anschlag anliegende Ventilelement weiter durch den Aktuator gegen den Anschlag gedrückt, wird das Ventilelement durch die vom Aktuator ausgeübte Kraft um den Anschlag verkippt. Dadurch verkantet das Ventilelement zusätzlich, wodurch ein zusätzliches Verspannen erfolgt.
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Es ist aber auch denkbar, dass das Ventilelement in der geöffneten Stellung mittig am Anschlag anliegt, so dass das Ventilelement lediglich gegen den Anschlag gedrückt wird und nur aufgrund des Anpressdrucks spielfrei gehalten wird.
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Der Abgasturbolader kann beispielsweise ein Gehäuse aufweisen, und der Anschlag ist am Gehäuse vorgesehen. Dies führt zu einer kompakten Gestaltung, bei der der Anschlag unmittelbar in der Nähe der relevanten Bauteile des Klappenventils angeordnet ist.
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Der Anschlag kann beispielsweise in das Gehäuse integriert sein, so dass kein zusätzliches Bauteil zur Befestigung des Anschlags erforderlich ist, wodurch ein einfacherer Aufbau und somit eine schnellere Montage des Abgasturboladers möglich ist.
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Das Gehäuse ist vorzugsweise ein einstückiges Gußteil. In diesen Ausführungsformen kann der Anschlag ein zusätzliches Bauteil sein, beispielsweise eine Schraube, die in ein am Gehäuse vorgesehenes Gewinde eingedreht ist. Auf diese Weise ist ein einstellbarer Anschlag geschaffen.
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Der Anschlag kann aber auch einstückig mit dem Gehäuse ausgeführt sein, also beispielsweise durch einen Vorsprung des Gehäuses gebildet sein, so dass jegliche Montage entfällt.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- - 1 eine schematische Darstellung eines zweistufigen Abgasturboladers mit einem Bypass-Ventil,
- - 2 eine Detailansicht des Bypasses mit einem Ventilelement,
- - 3 eine Detailansicht des Aktuators und des Betätigungselements des Abgasturboladers aus 1,
- - 4 eine Detailansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers, und
- - 5 eine Detailansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers.
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In 1 ist schematisch eine Motorbaugruppe 10 mit einem Verbrennungsmotor 14 und einem dem Verbrennungsmotor zugeordneten zweistufigen Abgasturbolader 12 gezeigt. Der Verbrennungsmotor 14 weist hier vier Zylinder 16 auf. Der Verbrennungsmotor 14 beziehungsweise die Zylinder 16 werden über Frischluftleitungen 18 mit Frischluft versorgt. Die Abgase des Verbrennungsmotors 14 werden über Abgasleitungen 20 abgeführt.
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In der Abgasleitung 20 sind hier zwei Turbinen 22a, 22b angeordnet, die durch den Abgasstrom angetrieben werden. In den Frischluftleitungen 18 sind zwei Verdichter 24a, 24b angeordnet, die jeweils mit einer der Turbinen 22a, 22b gekoppelt sind. Die Verdichter 24a, 24b dienen dazu, Frischluft anzusaugen beziehungsweise zu komprimieren. Die Turbine 22a bildet mit dem Verdichter 24a die erste Stufe des Turboladers 12, die Turbine 22b sowie der Verdichter 24b die zweite Stufe. Der Abgasturbolader 12 kann aber auch nur eine Stufe aufweisen.
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Die Turbinen 22a, 22b werden jeweils durch den Abgasstrom, der durch die Abgasleitungen 20 strömt, angetrieben. Die Verdichter 24a, 24b sind direkt mit der jeweiligen Turbine 22a, 22b gekoppelt, so dass diese durch die Turbinen 22a, 22b angetrieben werden. Strömt Abgas durch die Abgasleitungen 20, werden also die Verdichter 24a, 24b angetrieben und saugen zusätzlich Frischluft an beziehungsweise komprimieren diese. Die komprimierte Frischluft wird dem Verbrennungsmotor 14 beziehungsweise den Zylindern 16 zugeführt, so dass eine erhöhte Luftmenge für den Verbrennungsprozess zur Verfügung steht.
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Die Turbinen 22a, 22b sind direkt mit den Verdichtern 24a, 24b gekoppelt, so dass die Leistung der Verdichter 24a, 24b direkt von der Drehzahl der jeweiligen Turbine 22a, 22b abhängt. Der Turbolader insgesamt ist so ausgelegt, dass schon bei einer geringen Drehzahl der Turbine 22a, 22b, also einem geringen Abgasausstoß bei einer niedrigen Drehzahl des Verbrennungsmotors 14, eine ausreichende Verdichtungsleistung erfolgt. Dadurch wird schon bei geringen Motorleistungen bzw. Drehzahlen des Verbrennungsmotors 14 eine Leistungssteigerung bewirkt. Um bei hohen Drehzahlen des Verbrennungsmotors einen Teil des Abgasstroms an der Turbinen vorbeiführen zu können, ist jeder Turbine 22a, 22b eine Bypassleitung 26a, 26b zugeordnet, die mit einem Ventil 28a, 28b geöffnet bzw. geschlossen werden kann. Bei geöffnetem Ventil 28a, 28b strömt ein Teil des Abgases über die jeweilige Bypassleitung 26a, 26b an der jeweiligen Turbine 22a, 22b vorbei. Die jeweilige Turbine 22a, 22b wird also nicht durch den gesamten Abgasstrom angetrieben, sondern lediglich von einem Teil des Abgasstroms, so dass der Volumenstrom des Abgases durch die Turbine 22, 22b reduziert ist.
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Der Aufbau einer solchen Bypassleitung 26 ist in den 2 und 3 dargestellt, in der ein Ausschnitt der Abgasleitung 20 dargestellt ist. Die Abgasleitung 20 hat einen Einlass 30, von dem das Abgas aus dem Verbrennungsmotor 14 in einen ersten Rohrabschnitt 32 der Abgasleitung 20 strömt. Von diesem Rohrabschnitt 32 strömt das Abgas in eine Strömungsrichtung S in die Turbine 22 und anschließend über einen zweiten Rohrabschnitt 34 zum Auslass 36. Zwischen Einlass 30 und Auslass 36 ist eine Bypassleitung 26 vorgesehen, durch die Abgas unter Umgehung der Turbine 22 direkt vom Einlass 30 zum Auslass 36 strömen kann. Die Bypassleitung 26 kann durch ein Bypassventil 28 verschlossen werden.
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Das Bypass-Ventil 28 weist ein Ventilelement 38 auf, hier eine Ventilklappe, die um ein Gelenk 39 schwenkbar gelagert ist und die auf einen Ventilsitz 40 der Bypassleitung 26 aufgesetzt werden kann und diese somit verschließt. Dem Ventil 28 ist außerdem ein Aktuator 42 zugeordnet, der, wie im Folgenden dargestellt wird, ein Linearantrieb ist und der über ein Betätigungselement 44 mit dem Ventilelement 38 gekoppelt ist.
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Das Betätigungselement 44 ist hier durch ein Übertragungsgestänge gebildet, an dem das Ventilelement 38 schwenkbar gelagert ist. Der Aktuator 42 hat einen Stößel 46, der in eine Betätigungsrichtung B linear aus dem Aktuator 42 heraus verschoben werden kann (siehe 3). Wird der Stößel 46 in Betätigungsrichtung B verschoben, wird das Betätigungselement 44 und das daran angelenkte Ventilelement 38 verschwenkt, so dass die Bypassleitung 26 geöffnet wird und ein Teil des Abgasstroms durch die Bypassleitung 26 an der Turbine 22 vorbeiströmen kann.
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Zum Schließen der Bypassleitung 26 wird der Stößel 46 des Aktuators 42 entgegen der Betätigungsrichtung B eingezogen, wodurch das Ventilelement 38 gegen den Ventilsitz 40 gezogen wird. Durch die über das Betätigungselement 44 auf das Ventilelement 38 aufgebrachte Zugkraft wird das Ventilelement 38 gegen den Ventilsitz 40 gezogen, wodurch die Bypassleitung 26 abgedichtet ist. Durch die Zugkraft werden zudem alle zwischen dem Ventilelement 38 und dem Aktuator angeordneten Bauteile, also hier das Betätigungselement 44 verspannt, so dass diese spielfrei gehalten sind.
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Im geöffneten Zustand, der in 2 dargestellt ist, ist das Ventilelement 38 aber üblicherweise frei beweglich, so dass dieses beispielsweise im Abgasstrom flattern kann. Da auch die Bauteile des Betätigungselements 44 ein gewisses Spiel aufweisen, kann es dadurch zu einer starken Geräuschbildung bei geöffnetem Bypass-Ventil 28 kommen.
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Um zu verhindern, dass im geöffneten Zustand des Ventils das Ventilelement 38 klappert oder andere Bauteile des Antriebs des Ventilelements vibrieren, ist ein Anschlag 48 vorgesehen, an dem das Ventilelement 38 in der geöffneten Stellung anliegen kann (siehe 4). Bei dem in 4 gezeigten Beispiel ist der Anschlag 48 durch eine Schraube gebildet, die in ein am Gehäuse 50 des Abgasturboladers 12 vorgesehenes Gewinde eingedreht ist.
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Wird das Bypass-Ventil 28 geöffnet, wird das Ventilelement 38 so weit verschwenkt, bis das Ventilelement 38 am Anschlag 48 anliegt. Durch ein weiteres Verschieben des Stößels 46 in Betätigungsrichtung B wird das Ventilelement gegen den Anschlag 48 gedrückt und dabei verspannt, so dass das Ventilelement 38 spielfrei am Anschlag 48 anliegt. Dadurch ist eine Bewegung des Ventilelements, die zu einer Geräuschbildung führen kann, ausgeschlossen.
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Wie in 4 zu sehen ist, liegt der Anschlag 48 exzentrisch am Ventilelement 38 an. Dadurch wird das Ventilelement 38 beim Aufbringen der Druckkraft durch den Aktuator 42 zusätzlich um den Anschlag verschwenkt, wodurch ein zusätzliches Verspannen erfolgt. Da das Ventilelement 38 um mehrere Achsen verschwenkt beziehungsweise verspannt wird, wird auch das Betätigungselement 44 beziehungsweise dessen Gelenke verspannt, so dass der gesamte Ventilantrieb spielfrei gehalten wird und somit ein Klappern oder eine unerwünschte Geräuschbildung zuverlässig ausgeschlossen ist.
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Es ist aber auch denkbar, dass das Ventilelement 38 mittig am Anschlag 48 anliegt, wie in der in 5 gezeigten zweiten Ausführungsform dargestellt ist. In dieser Ausführungsform wird das Ventilelement 38 nicht zusätzlich verkippt, sondern lediglich gegen den Anschlag 48 gedrückt, so dass nur durch die Anpresskraft eine spielfreie Lagerung bewirkt ist.
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Das mittige Anliegen des Ventilelements 38 an dem Anschlag 48 kann insbesondere dadurch bereitgestellt werden, dass der Anschlag 48 in der geöffneten Stellung einen Verbindungsstift des Ventilelements 38 beaufschlagt, der einen tellerförmigen Abschnitt des Ventilelements 38 mit dem Gelenk 39 verbindet und hierzu im Wesentlichen mittig an dem tellerförmigen Abschnitt befestigt ist. Vorzugsweise beaufschlagt der Anschlag 48 den Verbindungsstift auf einer dem tellerförmigen Abschnitt abgewandten Stirnfläche.ln den hier gezeigten Ausführungsformen ist der Anschlag 48 durch eine Schraube gebildet, die am Gehäuse 50 befestigt ist. Die ermöglicht eine einfache Einstellung des gewünschten Öffnungswinkels der Bypassleitung 26 und somit eine Einstellung der durch die Bypassleitung 26 strömenden Abgasmenge. Der Anschlag kann aber auch durch andere Bauteile gebildet sein. Insbesondere kann der Anschlag auch durch einen Teil des Gehäuses 50 gebildet sein, also als einstückig ausgeführte Nase oder Vorsprung.
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Abweichend von den hier dargestellten Ausführungsformen ist es auch denkbar, dass der Anschlag 48 dem Betätigungselement 44 zugeordnet ist und das Betätigungselement 44 in der geöffneten Stellung gegen den Anschlag 48 verspannt wird.
