DE102012015536A1

DE102012015536A1 - Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102012015536A1
Application number: DE201210015536
Authority: DE
Inventors: Achim Hans Hinkelmann; Bernhardt Lüddecke; Hermann Burmester; Jan Ehrhard; Dietmar Filsinger; Nobuyuki Ikeya; Christian Winter
Original assignee: Audi AG; IHI Charging Systems International GmbH
Current assignee: Audi AG; IHI Charging Systems International GmbH
Priority date: 2012-08-06
Filing date: 2012-08-06
Publication date: 2014-02-06
Anticipated expiration: 2032-08-07
Also published as: DE102012015536B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage (1) für eine Brennkraftmaschine, mit einem Abgasturbolader (2), dessen Turbinenrad mittels einer Bypassleitung (5) überbrückbar ist, wobei ein Durchströmungsquerschnitt einer der Bypassleitung (5) zugeordneten Ventilöffnung (7) mittels eines Ventiltellers (8) einer Ventileinrichtung (6) einstellbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass der Ventilteller (8) in seiner Geschlossenstellung derart angeordnet ist, dass seine Längsmittelachse (20) beabstandet zu der Längsmittelachse (10) der Ventilöffnung (7) vorliegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, mit einem Abgasturbolader, dessen Turbinenrad mittels einer Bypassleitung überbrückbar ist, wobei ein Durchströmungsquerschnitt einer der Bypassleitung zugeordneten Ventilöffnung mit einem Ventilteller einer Ventileinrichtung einstellbar ist.
Abgasanlagen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Eine derartige Abgasanlage ist der Brennkraftmaschine zugeordnet und dient insbesondere dem Abführen von Abgasen der Brennkraftmaschine in Richtung einer Außenumgebung. Die Abgase werden der Abgasanlage also von der Brennkraftmaschine zugeführt. Die Abgasanlage weist den Abgasturbolader auf, der über eine Turbine und einen von der Turbine angetriebenen Verdichter verfügt. Die in die Abgasanlage eingeleiteten Abgase werden der Turbine zumindest zeitweise zugeführt. Durchströmt das Abgas die Turbine beziehungsweise überströmt es ein Turbinenrad der Turbine, so wird ein Drehmoment erzeugt, welches den Verdichter beziehungsweise ein Verdichterrad des Verdichters antreibt. Mithilfe des Verdichters wird Luft, beispielsweise Frischluft, komprimiert und der Brennkraftmaschine zugeführt. Auf diese Weise kann eine Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine erzielt werden.
Weil ein Betreiben des Verdichters nicht in allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine sinnvoll ist beziehungsweise nicht stets das gesamte Abgas der Turbine zugeführt werden soll, ist die Bypassleitung vorgesehen, mittels welcher Abgas um die Turbine beziehungsweise das Turbinenrad herumführbar ist. Beispielsweise mündet die Bypassleitung zu diesem Zweck stromaufwärts der Turbine in eine der Turbine das Abgas zuführende Abgasleitung ein oder ist stromaufwärts des Turbinenrads an ein Turbinengehäuse der Turbine angeschlossen. Die Bypassleitung liegt insoweit strömungstechnisch parallel zu der Turbine beziehungsweise dem Turbinenrad vor. Um den Durchsatz des Abgases, welches durch die Bypassleitung um das Turbinenrad herumgeführt wird, einzustellen, ist die Ventileinrichtung vorgesehen. Diese weist die der Bypassleitung zugeordnete Ventilöffnung sowie den Ventilteller auf. Durch eine bestimmte Anordnung des Ventiltellers bezüglich der Ventilöffnung ist nun der Durchströmungsquerschnitt der Ventilöffnung einstellbar. Die Bypassleitung ist beispielsweise an ein Waste-Gate des Abgasturboladers beziehungsweise der Turbine angeschlossen.
In einer Geschlossenstellung des Ventiltellers liegt dieser derart bezüglich der Ventilöffnung vor, dass letztere vollständig verschlossen ist. Entsprechend strömt kein Abgas durch die Bypassleitung um das Turbinenrad herum. Vielmehr wird das gesamte Abgas dem Turbinenrad zugeführt. In einer Offenstellung des Ventiltellers ist dagegen die Ventilöffnung vollständig freigegeben, sodass der gesamte Durchströmungsquerschnitt freigegeben ist. In Abhängigkeit von den Druckverhältnissen stellt sich nun ein bestimmter Durchsatz durch die Bypassleitung beziehungsweise über das Turbinenrad ein. Der Ventilteller ist beispielsweise zwischen der Geschlossenstellung und der Offenstellung verschwenkbar gelagert.
Aus der DE 20 2010 005 747 U1 ist beispielsweise eine Ventilklappe für ein Abblasventil eines Abgasturboladers bekannt. Diese umfasst einen Ventilteller sowie einen Schwenkarm, an dem der Ventilteller befestigt ist. Das Befestigen ist dabei derart vorgesehen, dass der Ventilteller relativ zu dem Schwenkarm ein Spiel aufweist, insbesondere eine Kippbewegung relativ zu dem Schwenkarm ausführen kann. Bei einer derartigen Ventilklappe kann es jedoch, insbesondere aufgrund des Spiels, infolge der über den Bypasskanal geführten Strömung und Strömungsimpulsen zu einer Schwingungsanregung der Ventilklappe und somit zu deutlich wahrnehmbaren Geräuschen während des Betriebs sowie zu einem erhöhten Verschleiß der Ventilklappenlagerung im Schwenkarm kommen, insbesondere wenn die Ventilklappe wenigstens bereichsweise geöffnet ist, also nicht vollständig in der Geschlossenstellung vorliegt. Diese Geräusche sind von Insassen eines Kraftfahrzeugs, welches den Abgasturbolader aufweist, beispielsweise als Rasseln wahrnehmbar, was zu Irritationen führen kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine vorzuschlagen, welche diesen Nachteil nicht aufweist, sondern insbesondere einen geräuscharmen Betrieb, auch bei nicht vollständig verschlossener Ventileinrichtung, ermöglicht.
Dies wird erfindungsgemäß mit einer Abgasanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass der Ventilteller in seiner Geschlossenstellung derart angeordnet ist, dass seine Längsmittelachse beabstandet zu der Längsmittelachse der Ventilöffnung vorliegt. Im Folgenden werden Richtungsangaben bezüglich der Ventilöffnung angegeben, wobei die axiale Richtung die Durchströmungsrichtung des Abgases durch die Ventilöffnung, die radiale Richtung eine auf dieser senkrecht stehende Richtung und eine Umfangsrichtung eine auf dem Umfang der Ventilöffnung liegende Richtung bezeichnet. In der Geschlossenstellung ist die Ventilöffnung durch den Ventilteller verschlossen. Ist der Ventilteller in seiner Geschlossenstellung angeordnet, dichtet also die Ventilöffnung vorzugsweise vollständig ab, so sollen die Längsmittelachsen von Ventilteller und Ventilöffnung beabstandet voneinander vorliegen. Besonders bevorzugt sind sie dabei parallel zueinander beabstandet. Anders ausgedrückt liegen die Schnittpunkte der beiden Längsmittelachsen mit der Ventilöffnungsebene, welche durch die Ventilöffnung aufgespannt wird, also senkrecht auf der axialen Richtung steht, beabstandet voneinander vor und fallen nicht aufeinander.
Die Längsmittelachse ist dabei beispielsweise die Achse durch den geometrischen Schwerpunkt des Ventiltellers und/oder einer von dem Ventilteller ausgebildeten, der Ventilöffnung zugewandten Ventilschließfläche, die in der Geschlossenstellung die Ventilöffnung zu deren Verschließen übergreift. Zu diesem Zweck liegt sie in der Geschlossenstellung beispielsweise an einem Ventilsitz an, welcher der Ventilöffnung zugeordnet ist. Beispielsweise umgreift der Ventilsitz die Ventilöffnung wenigstens bereichsweise. Die Längsmittelachse steht beispielsweise senkrecht auf der Ventilschließfläche. Die Ventilschließfläche ist besonders bevorzugt vollständig plan. Das bedeutet insbesondere, dass die Ventilschließfläche auch in der Geschlossenstellung des Ventiltellers vollständig außerhalb der Ventilöffnung vorliegt. Es kann nun vorgesehen sein, dass dies auch für den gesamten Ventilteller gilt, dass dieser also keine weitere, über die Ventilschließfläche in Richtung der Ventilöffnung überstehende Elemente aufweist. In einer alternativen Ausgestaltung des Ventiltellers ist dies jedoch vorgesehen. Die Ventilöffnung ist beispielsweise in einem Gehäuse des Abgasturboladers ausgebildet, in welchem die Turbine angeordnet ist. Alternativ kann sie auch in einem Turbinengehäuse vorliegen, welches die Turbine beziehungsweise das Turbinenrad aufnimmt.
Mit der beschriebenen Anordnung beziehungsweise Ausgestaltung des Ventiltellers wird erreicht, dass zumindest bei teilweise und/oder vollständig geöffnetem Ventilteller von dem strömenden Abgas eine zusätzliche Kraft und/oder ein zusätzliches Drehmoment auf den Ventilteller ausgeübt wird. Die Anordnung beziehungsweise Ausgestaltung des Ventiltellers ist nun bevorzugt derart gewählt, dass diese zusätzliche Kraft und/oder das zusätzliche Drehmoment stets in dieselbe Richtung weisen, sodass also keine Vorzeichenwechsel der Kraft beziehungsweise des Drehmoments auftreten. Entsprechend wird der Ventilteller stets in dieselbe Richtung gedrängt und mithin das Entstehen von unerwünschten Geräuschen und Schwingungen des Ventiltellers verhindert oder zumindest verringert. Letzteres bedeutet neben den weiteren, bereits beschriebenen Vorteilen eine längere Lebensdauer der Abgasanlage.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ventilteller mittels einer ein Spiel in zumindest eine Richtung und/oder um zumindest eine Achse aufweisende Stelleinrichtung zum Einstellen des Durchströmungsquerschnitts der Ventilöffnung verlagerbar ist. Der Ventilteller ist mittels der Stelleinrichtung verlagerbar beziehungsweise verstellbar, sodass der Durchströmungsquerschnitt der Ventilöffnung einstellbar ist. Die Stelleinrichtung weist das Spiel auf, was bedeutet, dass eine zumindest geringfügige Verlagerung des Ventiltellers auch dann auftreten kann, wenn dieser nicht mittels der Stelleinrichtung verstellt, beispielsweise zwischen der Geschlossenstellung und der Offenstellung beziehungsweise umgekehrt verlagert werden soll. Das Spiel kann dabei lediglich in der Stelleinrichtung oder zwischen dem Ventilteller und der Stelleinrichtung auftreten. Auch ein gleichzeitiges Auftreten jeweils eines Spiels in der Stelleinrichtung und zwischen dem Ventilteller und der Stelleinrichtung kann gegeben sein.
Das Spiel tritt in die wenigstens eine Richtung beziehungsweise um die zumindest eine Achse auf. Die Bewegung des Ventiltellers im Rahmen des Spiels wird üblicherweise durch das die Ventilöffnung durchströmende Abgas bewirkt, bei welchem der Ventilteller überströmt und/oder umströmt wird. Durch dieses Überströmen beziehungsweise Umströmen, bei welchem die Strömungsgeschwindigkeiten des Abgases häufig im turbulenten Bereich liegen, kommt es zu Druckschwankungen an dem Ventilteller, wodurch dieser im Rahmen des Spiels bezüglich der Ventilöffnung verlagert wird. Bei ungünstigen Strömungsverhältnissen tritt also eine zyklische Bewegung des Ventiltellers bezüglich der Ventilöffnung auf, welche insbesondere zwischen zwei das Spiel begrenzenden Endanschlägen erfolgt. Die zyklische Bewegung kann alternativ oder zusätzlich durch die während des Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine auftretenden Druckschwankungen verursacht beziehungsweise verstärkt werden. Das periodische Anschlagen des Ventiltellers an zumindest einen dieser Endanschläge bewirkt die eingangs beschriebene Geräuschentwicklung. Dennoch ist das Spiel üblicherweise notwendig, um einen Winkelausgleich zu realisieren beziehungsweise Toleranzen zu kompensieren, welche beispielsweise fertigungs- und/oder bauteilbedingt sind. Wie bereits vorstehend erläutert, soll nun die zusätzliche Kraft beziehungsweise das zusätzliche Drehmoment die zyklische Bewegung des Ventiltellers unterbinden, insbesondere indem sie beziehungsweise es ihn in Richtung eines der Endanschläge drängt und ihn dort hält.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Ventilteller über einen Lagerstift an einem Stellelement der Stelleinrichtung gelagert ist. Der Lagerstift ist bevorzugt starr an dem Ventilteller angebracht, kann jedoch bereits der Stelleinrichtung zugeordnet sein. Das Stellelement ist beispielsweise Bestandteil einer Verstellwelle oder zumindest an dieser befestigt. Das Spiel ist üblicherweise zumindest teilweise zwischen dem Lagerstift und dem Stellelement vorgesehen. Das bedeutet, dass der Lagerstift derart an dem Stellelement gelagert ist, dass er im Rahmen des Spiels, insbesondere zwischen Endanschlägen, verlagerbar ist. Das Stellelement bildet beispielsweise einen Hebelarm aus, über welchen der Ventilteller von einer Drehachse einer Verstellwelle beabstandet ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann der Ventilteller mit einer drehbar gelagerten Verstellwelle der Stelleinrichtung, insbesondere über den Lagerstift und/oder das einen Hebelarm ausbildende Stellelement, wirkverbunden sein. Die Verstellwelle ist mit einem Antrieb verbunden, mittels welchem sie in eine gewünschte Winkelstellung gedreht werden kann. Durch diese Drehbewegung wird eine Verlagerung des Ventiltellers bezüglich der Ventilöffnung bewirkt. Beispielsweise ist die Wirkverbindung zwischen der Verstellwelle und dem Ventilteller dabei über den Lagerstift und/oder das Stellelement hergestellt. Mithilfe des Stellelements kann der Ventilteller beziehungsweise dessen Längsmittelachse von einer Drehachse der Verstellwelle beabstandet sein. Entsprechend bildet das Stellelement den Hebelarm aus, über welchen die Drehbewegung der Verstellwelle in eine Bewegung des Ventiltellers umgesetzt wird.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Ventilteller als Ventilscheibe vor. Die Ventilscheibe zeichnet sich dadurch aus, dass ihre Dicke, also ihre Erstreckung in axialer Richtung, um ein Vielfaches geringer ist als ihre Erstreckung in radialer Richtung. Sie ist dabei im Wesentlichen zylinderförmig, weist also zwei parallele, vorzugsweise ebene Flächen auf, von welchen eine die Ventilschließfläche bildet. Die beiden Flächen werden von einer Mantelfläche miteinander verbunden, die beispielsweise von parallelen Geraden gebildet wird. Alternativ können die Geraden jedoch auch geneigt sein, insbesondere gegeneinander geneigt, sodass die Ventilscheibe nicht in Form eines Zylinders, sondern vielmehr in Form eines Kegelstumpfes vorliegt. Beispielsweise ist der Lagerstift auf der der Ventilschließfläche abgewandten Seite des Ventiltellers an diesem befestigt. Zu diesem Zweck ist auf dieser Seite bevorzugt eine Aufnahme zur Lagerung des Lagerstifts vorgesehen. Alternativ kann der Lagerstift auch stoffschlüssig an dem Ventilteller befestigt oder einstückig mit ihm ausgebildet sein.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Ventilteller oder ein Grundkörper des Ventiltellers rund ist. Unter dem Ventilteller ist der gesamte Aufbau zu verstehen, welcher beispielsweise über den Lagerstift an dem Stellelement der Stelleinrichtung gelagert ist. Der Grundkörper ist dagegen nur ein Abschnitt dieses Ventiltellers. Im Längsschnitt gesehen, also in axialer Richtung geschnitten, oder in Längsdraufsicht auf die Ventildichtfläche ist nun der Ventilteller beziehungsweise der Grundkörper rund beziehungsweise kreisförmig. Die vorstehend genannte Längsmittelachse des Ventiltellers ist entweder dem Ventilteller selbst oder nur dem Grundkörper des Ventiltellers zugeordnet. Liegen also an dem Grundkörper noch weitere, sich beispielsweise in radialer Richtung erstreckende Fortsätze oder dergleichen vor, so werden diese bei letzterer Ausführungsform nicht bei der Bestimmung der Längsmittelachse des Ventiltellers berücksichtigt. Ist die Längsmittelachse dagegen dem gesamten Ventilteller zugeordnet, so finden sie sehr wohl Berücksichtigung. Die Verlagerung der Längsmittelachse des Ventiltellers gegenüber der Längsmittelachse der Ventilöffnung kann also entweder durch eine entsprechende Verlagerung des Ventiltellers in seiner Geschlossenposition und/oder durch seine Gestaltung erzielt werden. Alternativ ist auch eine entsprechende Gestaltung der Ventilöffnung realisierbar. Dabei ist die Ventilöffnung beispielsweise unrund ausgebildet, ist also nicht kreisförmig. Sie kann zum Beispiel oval oder mehreckig sein. Bei einer derartigen Ausführungsform ist der Ventilteller bevorzugt rund. Er kann jedoch ebenfalls unrund ausgestaltet sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Ventilteller im Längsschnitt gesehen zumindest bereichsweise asymmetrisch ausgebildet. Unter dem Längsschnitt ist wiederum ein Schnitt in axialer Richtung durch den Ventilteller zu verstehen, wobei der Ventilteller in seiner Geschlossenstellung angeordnet ist. Der Ventilteller ist nun beispielsweise punktasymmetrisch bezüglich seines geometrischen Mittelpunkts und/oder achsenasymmetrisch bezüglich einer auf der axialen Richtung senkrecht stehenden, durch den Ventilteller beziehungsweise die Ventilschließfläche verlaufenden Achse. Auf diese Weise wird das zusätzliche Drehmoment erzielt, welches bevorzugt über der Zeit lediglich in eine Richtung des Spiels gerichtet ist, also insbesondere stets dasselbe Vorzeichen aufweist. Auf diese Weise kann es nicht zu einer Anregung von Schwingungen des Ventiltellers im Rahmen des Spiels kommen. Vielmehr wird der Ventilteller stets an einen der Endanschläge des Spiels gedrängt, sodass keine Geräuschbildung auftreten kann. Zusätzlich wird durch das Vermeiden der Schwingungen auch die Lebensdauer der Abgasanlage beziehungsweise der Stelleinrichtung verlängert.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Ventilteller wenigstens einen, sich ausgehend von dem Grundkörper in radialer Richtung erstreckenden Fortsatz aufweist. Der Grundkörper ist, wie vorstehend bereits erläutert, beispielsweise im Längsschnitt kreisrund. An dem Grundkörper ist nun der wenigstens eine Fortsatz angeordnet. Dabei kann der Fortsatz entweder an dem Grundkörper befestigt oder einstückig mit diesem ausgeführt sein. Bedingt durch den Fortsatz ist mithin der Ventilteller asymmetrisch ausgebildet. Der Fortsatz ist an einer bestimmten Umfangsposition des Grundkörpers angeordnet und weist auf seiner an den Grundkörper anschließenden Seite eine bestimmte Erstreckung in Umfangsrichtung auf. Die Form des Fortsatzes kann prinzipiell beliebig gewählt werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch eine Ausgestaltung, bei welcher eine Außenkontur des Fortsatzes zumindest in demjenigen Bereich, in welchem sie nicht an dem Grundkörper anliegt, einen stetigen Verlauf aufweist. Entsprechend ist der Fortsatz auf seiner von dem Grundkörper abgewandten Seite bevorzugt rund. Beispielsweise sind sowohl der Grundkörper als auch ein Zusatzelement, welches dem Grundkörper zur Bildung des Fortsatzes geometrisch überlagert wird, im Längsschnitt beziehungsweise in Draufsicht rund.
Mit Vorteil kann vorgesehen sein, dass der Ventilteller auf seiner der Ventilöffnung zugewandten Seite wenigstens ein Strömungsleitelement aufweist. Das Strömungsleitelement erstreckt sich vorzugsweise in axialer Richtung, sodass es bei Anordnung des Ventiltellers in seiner Geschlossenposition in die Ventilöffnung hineinragt. Das Strömungsleitelement dient ebenfalls der Erzeugung des zusätzlichen Drehmoments um wenigstens eine Achse, welches derart gerichtet ist, dass der Ventilteller stets an einen der Endanschläge des Spiels gedrängt wird. Das Strömungsleitelement liegt beispielsweise als Strömungsleitsteg vor, dessen größte Erstreckung parallel zu der Ventilschließfläche vorliegt. Die Erstreckungen des Strömungsleitelements beziehungsweise des Strömungsleitstegs in die beiden anderen Richtungen können mit zueinander gleichen oder zumindest ähnlichen Abmessungen ausgeführt sein. Beispielsweise verläuft das Strömungsleitelement im Längsschnitt oder in Draufsicht gesehen entlang eines Teilkreises, beispielsweise eines Halbkreises. Alternativ kann das Strömungsleitelement auch mehrere Strömungsleitschenkel aufweisen, welche vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht aufeinander stehen, beispielsweise in Form eines U. Die Schenkel laufen dabei entweder unmittelbar ineinander ein oder sind durch Kreisbögen beziehungsweise Teilkreisbögen, insbesondere Viertelkreisbögen, miteinander verbunden.
Mit Vorteil kann es schließlich vorgesehen sein, dass die Ventilöffnung wenigstens bereichsweise von einem als Ventilkragen ausgebildeten Ventilsitz der Ventileinrichtung eingeschlossen ist. Der Ventilsitz ist also im Bereich der Ventilöffnung vorgesehen und fasst diese zumindest bereichsweise ein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Ventilsitz in radialer Richtung unmittelbar an die Ventilöffnung anschließt. Dabei kann er die Ventilöffnung vollständig einschließen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigen:
1 einen Bereich einer Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine,
2 eine weitere Ansicht eines Bereichs der Abgasanlage,
3 eine Draufsicht in axialer Richtung auf einen Ventilteller einer Ventileinrichtung in einer ersten Ausführungsform,
4 eine Draufsicht in axialer Richtung auf den Ventilteller der Ventileinrichtung in einer zweiten Ausführungsform,
5 eine Ansicht des Ventiltellers der Ventileinrichtung in einer dritten Ausführungsform,
6 eine Draufsicht auf den Ventilteller der Ventileinrichtung in einer vierten Ausführungsform, und
7 eine Draufsicht auf einen Bereich einer Ventileinrichtung der Abgasanlage.
Die 1 zeigt einen Bereich einer Abgasanlage 1 für eine hier nicht näher dargestellte Brennkraftmaschine. Die Abgasanlage 1 ist derart strömungstechnisch an die Brennkraftmaschine angeschlossen, dass einem Abgasturbolader 2 beziehungsweise einer Turbine 3 des Abgasturboladers 2, von welcher hier lediglich ein Turbinengehäuse 4 dargestellt ist, Abgas der Brennkraftmaschine zuführbar ist, beispielsweise über eine hier nicht näher dargestellte Abgasleitung. Die Turbine 3 weist ein in dem Turbinengehäuse 4 beziehungsweise in der Turbinenspirale angeordnetes Turbinenrad auf, welches drehbar gelagert und von dem Abgas überströmbar ist. Durch dieses Überströmen wird ein Drehmoment erzeugt, welches über eine Wirkverbindung zwischen dem Turbinenrad und einem Verdichterrad eines Verdichters des Abgasturboladers 2 übertragen wird beziehungsweise übertragbar ist. Die Turbine 3 dient insoweit dem Antrieb des Verdichters. Der Verdichter ist der Brennkraftmaschine vorgeschaltet, wobei er der Brennkraftmaschine zugeführte Luft, beispielsweise Frischluft, zunächst verdichtet, bevor diese in die Brennkraftmaschine eintritt beziehungsweise dieser zugeführt wird. Mit dieser Maßnahme kann die Leistung der Brennkraftmaschine deutlich vergrößert werden.
Es ist jedoch nicht in allen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine zweckdienlich, das gesamte Abgas der Brennkraftmaschine durch die Turbine 3 beziehungsweise über das Turbinenrad zu leiten. Entsprechend ist eine Bypassleitung 5 vorgesehen, durch welche Abgas an der Turbine 3 oder zumindest dem Turbinenrad vorbeigeführt werden kann. Zu diesem Zweck mündet die Bypassleitung 5 stromaufwärts des Turbinenrads in die Abgasleitung beziehungsweise das Turbinengehäuse 4 ein. Um die Menge beziehungsweise den Durchsatz des um das Turbinenrad beziehungsweise die Turbine 3 herumgeführten Abgases einstellen zu können, ist eine Ventileinrichtung 6 vorgesehen. Diese verfügt über eine – beispielsweise runde – Ventilöffnung 7, die der Bypassleitung 5 zugeordnet ist und deren Durchströmungsquerschnitt mittels eines Ventiltellers 8 der Ventileinrichtung 6 einstellbar ist. Die Ventilöffnung 7 ist in der hier dargestellten Ausführungsform von einem hier nur ansatzweise erkennbaren Ventilsitz 9 in Umfangsrichtung (bezüglich einer Längsmittelachse 10 der Ventilöffnung 7) vollständig umgeben, insbesondere unmittelbar umgeben. Die Ventilöffnung 7 spannt dabei eine Ventilöffnungsebene 11 auf. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Ventilöffnung 7 auch unrund sein. Entsprechend kann, muss jedoch nicht, der Verlauf des Ventilsitzes 9 ebenfalls unrund sein.
Der Ventilteller 8 ist mittels einer Stelleinrichtung 12 in Richtung des Doppelpfeils 13 verlagerbar. Zu diesem Zweck weist die Stelleinrichtung 12 eine Verstellwelle 14 auf, die in einer Lagerstelle 15 beziehungsweise einem Lager drehbar gelagert ist. Insbesondere sitzt die Lagerstelle 15 in einer Ausnehmung des Turbinengehäuses 4 oder der Bypassleitung 5 beziehungsweise einem entsprechenden Gehäuse. Die Verstellwelle 14 ist über ein Stellelement 16 und einen hier nicht erkennbaren Lagerstift 17 mit dem Ventilteller 8 wirkverbunden. Das Stellelement 16 kann dabei an der Verstellwelle 14 befestigt oder einstückig mit dieser ausgeführt sein. Das Stellelement 16 bildet einen Hebelarm, sodass eine Drehbewegung der Verstellwelle 14 in eine Verlagerung des Ventiltellers 8 entsprechend des Doppelpfeils 13 umgesetzt wird.
Es wird deutlich, dass der Ventilteller 8 als Ventilscheibe 18 vorliegt. Der Ventilteller 8 weist eine Ventilschließfläche 19 auf, die der Ventilöffnung 7 zugewandt ist. Bei Anordnung des Ventiltellers 8 in seiner Geschlossenstellung liegt die Ventilschließfläche 19 parallel oder zumindest näherungsweise parallel zu der Ventilöffnungsebene 11 vor. Dabei liegt sie zum Verschließen der Ventilöffnung 7 an dem Ventilsitz 9 an. Der Ventilteller 8 verfügt über eine Längsmittelachse 20, die beispielsweise zentral durch den Lagerstift 17 verläuft. Die Längsmittelachse 20 verläuft durch einen geometrischen Mittelpunkt des Ventiltellers 8 beziehungsweise eines Grundkörpers 21 (hier nicht dargestellt) des Ventiltellers 8. In der hier gezeigten Ausführungsform ist der Ventilteller 8 im Längsschnitt, also senkrecht zu der Längsmittelachse 20, rund. Entsprechend ist auch die Ventilschließfläche 19 beziehungsweise deren Außenkontur rund.
Die Lagerung des Ventiltellers 8 mithilfe der Stelleinrichtung 12 weist nun ein Spiel in zumindest eine Richtung und/oder um zumindest eine Achse auf. Besonders bevorzugt ist der Ventilteller 8 mithilfe des Lagerstifts 17, der beispielsweise einstückig mit dem Ventilteller 8 ausgebildet ist, derart an dem Stellelement 16 gelagert, dass zwischen dem Stellelement 16 und dem Lagerstift 17 das Spiel vorliegt. Auch ohne eine Verlagerung beziehungsweise Drehbewegung der Verstellwelle 14 kann entsprechend, insbesondere bei wenigstens teilweise freigegebener Ventilöffnung 17, eine Verlagerung des Ventiltellers 8 in die wenigstens eine Richtung beziehungsweise um die wenigstens eine Achse auftreten. Diese Bewegung wird durch das durch die Ventilöffnung 7 hindurchtretende Abgas bewirkt. Beispielsweise liegt das Lagerspiel in axialer und/oder radialer Richtung bezüglich der Längsmittelachse 20 vor.
Ist der Ventilteller 8 im Längsschnitt symmetrisch ausgestaltet beziehungsweise ist er derart angeordnet, dass die Längsmittelachse 10 in der Geschlossenstellung des Ventiltellers 8 mit der Längsmittelachse 20 zusammenfällt, so kann das Abgas unter Umständen Schwingungen des Ventiltellers 8 im Rahmen des Spiels anregen. Weil die Durchströmung der Ventilöffnung 7 üblicherweise turbulent ist, können dabei Kräfte beziehungsweise Drehmomente abwechselnd in unterschiedliche Richtungen auftreten, sodass der Ventilteller 8 zwischen Endanschlägen, die das Spiel begrenzen, hin und her verlagert wird. Dies kann zu einer unerwünschten Geräuschbildung und zu einer Verringerung der Lebensdauer führen. Aus diesem Grund ist die Abgasanlage 1 derart ausgestaltet, dass in der Geschlossenstellung des Ventiltellers 8 die Längsmittelachse 10 nicht mit der Längsmittelachse 20 zusammenfällt. Vielmehr sollen sie parallel zueinander beabstandet sein. Anders ausgedrückt sind die Schnittpunkte der Längsmittelachsen 10 und 20 mit der Ventilöffnungsebene 11 voneinander verschieden, fallen also auch in der Geschlossenstellung des Ventiltellers 8 nicht zusammen. Entsprechend sind die Ventilöffnung 7 und der Ventilteller 8 oder die Ventilöffnung und der Grundkörper 21 des Ventiltellers 8 nicht koaxial zueinander angeordnet.
Die 2 zeigt einen Bereich der Abgasanlage 1 in einer alternativen Ansicht. Deutlich zu erkennen sind hier Achsen 22, 23 und 24, welche ihren Schnittpunkt vorzugsweise in einem Mittelpunkt des Lagerstifts 17 haben. Die Achse 23 liegt üblicherweise stets parallel zu einer Drehachse der Verstellwelle 14, während die Achse 22 mit der Längsmittelachse 20 des Ventiltellers 8 zusammenfallen kann. Die Achse 24 steht senkrecht auf den beiden Achsen 22 und 23. In der Geschlossenstellung des Ventiltellers 8 liegt somit die Achse 22, wie auch die Längsmittelachse 20, bevorzugt parallel zu der Längsmittelachse 10 der Ventilöffnung 7 (hier nicht dargestellt). Die Abgasanlage 1 soll nun derart ausgestaltet sein, insbesondere durch die vorstehend beschriebene Anordnung der Längsmittelachsen 10 und 20 zueinander, dass gegenüber einer herkömmlichen Anordnung, bei welcher die Längsmittelachse 10 und 20 in der Geschlossenstellung des Ventiltellers 8 aufeinanderfallen, in zumindest einer von der Geschlossenstellung verschiedenen Stellung des Ventiltellers 8 ein größeres Drehmoment um die Achse 24 und/oder um die Achse 23 erzeugt wird. Dieses Drehmoment ist dabei bevorzugt derart bemessen, dass bei einer Überlagerung mit dem von der Strömung verursachten Wechselmoment das resultierende Drehmoment stets ein gleichbleibendes Vorzeichen aufweist.
Auf diese Weise wird erreicht, dass der Ventilteller 8 stets in lediglich eine Richtung beziehungsweise in Richtung nur eines der Endanschläge des Spiels gedrängt wird. Entsprechend können keine Schwingungen des Ventiltellers 8 entstehen, sodass zum einen die Geräuschbildung verringert ist und zum anderen die mechanische Belastung der Stelleinrichtung 12 verkleinert wird. Insgesamt wird somit sowohl der Komfort für Insassen eines Kraftfahrzeugs, welchem die Abgasanlage 1 beziehungsweise die Brennkraftmaschine zugeordnet ist, verbessert und zum anderen die Lebensdauer der Stelleinrichtung 12 erhöht.
Die 3 zeigt eine Draufsicht auf den Ventilteller 8 sowie einen Bereich der Stelleinrichtung 12, von welcher ein Bereich der Verstellwelle 14 sowie ein Bereich des Stellelements 16 erkennbar ist. Es wird wiederum deutlich, dass in dieser Ausführungsform der Ventilteller 8 beziehungsweise die Ventilscheibe 18 kreisrund ist. Angedeutet ist hier zusätzlich der Lagerstift 17, welcher eigentlich von dem Ventilteller 8 verdeckt ist. Bei dieser Ausführungsform, bei welcher der Ventilteller 8 als solches rund ist, wird die Erzeugung des vorstehend beschriebenen zusätzlichen Drehmoments durch die Verlagerung der Längsmittelachse 20 gegenüber der Längsmittelachse 10 der Ventilöffnung 7 erzielt.
Die 4 zeigt den Ventilteller 8 einer zweiten Ausführungsform der Ventileinrichtung 6. Bei dieser besteht der Ventilteller 8 aus dem Grundkörper 21 sowie einem Fortsatz 25. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Grundkörper 21 im Längsschnitt beziehungsweise in der dargestellten Draufsicht rund. Der Fortsatz 25 erstreckt sich in radialer Richtung ausgehend von dem Grundkörper 21 nach außen. Er weist dabei beispielsweise eine Außenkontur in Form eines Kreisabschnitts vor, sodass insbesondere der Ventilteller 8 aus zwei überlagerten kreisförmigen Elementen, nämlich dem Grundkörper 21 und einem weiteren, den Fortsatz 25 bildenden Element, besteht. Bei der hier dargestellten Ausführungsform des Ventiltellers 8 kann es vorgesehen sein, dass auch in der Geschlossenstellung des Ventiltellers 8 die Längsmittelachse 20 – bezogen auf den Grundkörper 21 – mit der Längsmittelachse 10 der Ventilöffnung 7 zusammenfällt, also nicht von dieser beabstandet ist. Dies ist jedoch besonders bevorzugt zusätzlich vorgesehen, um ein größeres zusätzliches Drehmoment zu erzielen.
Die 5 zeigt den Ventilteller 8 einer dritten Ausführungsform der Ventileinrichtung 6. In dieser schließt sich in axialer Richtung in Richtung der Ventilöffnung 7 (hier nicht dargestellt) an den Ventilteller 8 ein Strömungsleitelement 26 an, welches insbesondere als Strömungsleitsteg vorliegt. Das Strömungsleitelement 26 ist dabei im Längsschnitt gesehen teilkreisförmig, insbesondere halbkreisförmig. Das Strömungsleitelement 26 ist derart an dem Ventilteller 6 angeordnet, dass es bei Vorliegen des Ventiltellers 8 in seiner Geschlossenstellung in die Ventilöffnung 7 eindringt. Das Strömungsleitelement 26 kann in beliebiger Form ausgestaltet sein beziehungsweise beliebig an dem Ventilteller 8 angeordnet sein. Dabei soll jedoch stets die gewünschte zusätzliche Kraft beziehungsweise das gewünschte zusätzliche Drehmoment erzielt werden. Der Ventilteller 8 ist in der gezeigten Ausführungsform kreisförmig. Er kann jedoch zusätzlich über den beschriebenen Fortsatz 25 verfügen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann auch die versetzte Anordnung der Längsmittelachsen 10 und 20 vorgesehen sein.
Die 6 zeigt eine vierte Ausführungsform. In dieser liegt das Strömungsleitelement 26 in U-Form vor. Es besteht insoweit aus drei Stegen 27, 28 und 29, die ineinander übergehen, beispielsweise über Teilkreisbogenelemente, oder unmittelbar aneinander angrenzen. Der Ventilteller 8 ist hier kreisförmig ausgebildet. Er kann jedoch zusätzlich den aus der 4 bekannten Fortsatz 25 aufweisen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann auch die versetzte Anordnung der Längsmittelachsen 10 und 20 vorgesehen sein, wobei bereits das Vorsehen des Strömungsleitelements 26 allein ausreichend sein kann, um das gewünschte zusätzliche Drehmoment zu erzeugen.
Die 7 schließlich zeigt einen Bereich der Ventileinrichtung 6 der Abgasanlage 1 in einer Draufsicht. Zu erkennen ist, dass der Ventilteller 8 kreisförmig, also rund, ist. Dagegen soll die Ventilöffnung 7 unrund sein, also eine von einer Kreisform abweichende Kontur aufweisen. Der Ventilteller 8 ist dabei derart bemessen, dass er die Ventilöffnung 7 trotz ihrer unrunden Form vollständig abdeckt. Unter der unrunden Form ist beispielsweise eine ovale Form, eine mehreckige Form, oder eine Bogenform mit über den gesamten Umfang stetigem Verlauf zu verstehen. Es wird deutlich, dass auch bei einer derartigen Ausgestaltung von Ventilteller 8 und Ventilöffnung 7 die Längsmittelachsen 10 und 20 in der Geschlossenstellung nicht aufeinander fallen, sondern vielmehr parallel beabstandet zueinander vorliegen.
Insgesamt kann festgehalten werden, dass durch jede der genannten Maßnahmen allein, also das versetzte Anordnen der Längsmittelachsen 10 und 20 zueinander, beispielsweise durch entsprechende Positionierung eines runden Ventiltellers 8 und einer runden Ventilöffnung 7, das Vorsehen zumindest eines Fortsatzes 25 an dem Grundkörper 21 des Ventiltellers 8, die unrunde Gestalt der Ventilöffnung 7 oder des Ventiltellers 8 sowie das Vorsehen des wenigstens einen Strömungsleitelements 26 an dem Ventilteller 8 die gewünschte zusätzliche Kraft beziehungsweise das gewünschte zusätzliche Drehmoment bereitgestellt werden kann. Besonders vorteilhaft wird jedoch eine Kombination von zwei, drei oder allen vier Maßnahmen herangezogen. Auf diese Weise wird sowohl die Geräuschbildung verringert, als auch die Lebensdauer der Abgasanlage 1 oder zumindest der Stelleinrichtung 12 verlängert.
Bezugszeichenliste

1: Abgasanlage
2: Abgasturbolader
3: Turbine
4: Turbinengehäuse
5: Bypassleitung
6: Ventileinrichtung
7: Ventilöffnung
8: Ventilteller
9: Ventilsitz
10: Längsmittelachse
11: Ventilöffnungsebene
12: Stelleinrichtung
13: Doppelpfeil
14: Verstellwelle
15: Lagerstelle
16: Stellelement
17: Lagerstift
18: Ventilscheibe
19: Ventilschließfläche
20: Längsmittelachse
21: Grundkörper
22: Achse
23: Achse
24: Achse
25: Fortsatz
26: Strömungsleitelement
27: Steg
28: Steg
29: Steg

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202010005747 U1 [0005]

Claims

Abgasanlage (1) für eine Brennkraftmaschine, mit einem Abgasturbolader (2), dessen Turbinenrad mittels einer Bypassleitung (5) überbrückbar ist, wobei ein Durchströmungsquerschnitt einer der Bypassleitung (5) zugeordneten Ventilöffnung (7) mit einem Ventilteller (8) einer Ventileinrichtung (6) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (8) in seiner Geschlossenstellung derart angeordnet ist, dass seine Längsmittelachse (20) beabstandet zu der Längsmittelachse (10) der Ventilöffnung (7) vorliegt.
Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (8) mittels einer ein Spiel in zumindest einer Richtung und/oder um zumindest eine Achse (22, 23, 24) aufweisende Stelleinrichtung (12) zum Einstellen des Durchströmungsquerschnitts der Ventilöffnung (7) verlagerbar ist.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (8) über einen Lagerstift (17) an einem Stellelement (16) der Stelleinrichtung (12) gelagert ist.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (8) mit einer drehbar gelagerten Verstellwelle (14) der Stelleinrichtung (12), insbesondere über den Lagerstift (17) und/oder das einen Hebelarm ausbildende Stellelement (16), wirkverbunden ist.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (8) als Ventilscheibe (18) vorliegt.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (8) oder ein Grundkörper (21) des Ventiltellers (8) rund ist.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (8) im Längsschnitt gesehen zumindest bereichsweise asymmetrisch ausgebildet ist.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (8) wenigstens einen, sich ausgehend von dem Grundkörper (21) in radialer Richtung erstreckenden Fortsatz (25) aufweist.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (8) auf seiner der Ventilöffnung (7) zugewandten Seite wenigstens ein Strömungsleitelement (26) aufweist.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilöffnung (7) wenigstens bereichsweise von einem als Ventilkragen ausgebildeten Ventilsitz (9) der Ventileinrichtung (6) eingeschlossen ist.