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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft auch eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Abgasturbolader.
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Herkömmliche Abgasturbolader mit einer Wastegate-Öffnung weisen häufig Ventilvorrichtungen auf, welche eine drehbar an einem Turbinengehäuse des Abgasturboladers gelagerte Spindel und eine drehfest an der Spindel gelagerte Wastegate-Klappe zum Öffnen bzw. Schließen der Wastegate-Öffnung umfassen. Bauteilbedingt müssen derartige herkömmliche Wastegate-Klappen in der Lage sein, einen Winkelfehler in dem Klappenmechanismus auszugleichen, welcher verschleißbedingt entstehen kann oder auch bei der Herstellung des Wastegate-Klappenmechanismus in Form von sogenannten Winkel-Spielen vorgesehen werden muss. Derartige Winkel-Spiele in herkömmlichen Wastegate-Klappenmechanismen führen dann jedoch häufig zu besagtem Verschleiß in den Komponenten des Wastegate-Klappenmechanismus. Ursachen dafür sind häufig Abgaspulsationen in den die Brennkraftmaschine verlassenden Abgasen, welche unerwünschte mechanische Schwingungen in dem Turbinengehäuse anregen können. Ohne einen technisch aufwändigen Kompensationsmechanismus können derartige mechanische Schwingungen des Turbinengehäuses auch zu unerwünschten akustischen Geräuschen, beispielsweise in Form eines "Prasselns", in dem Abgasturbolader führen. Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Wastegate-Klappenmechanismen besteht darin, dass ein Öffnungsquerschnitt der Wastegate-Öffnung sich in Abhängigkeit von einem Öffnungswinkel der Waste-gate-Klappe relativ zu der Wastegate-Öffnung stark ändern kann.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für einen Abgasturbolader bereitzustellen, in welchem oben genannte Nachteile beseitigt oder zumindest reduziert sind.
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Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der erfindungsgemäße Abgasturbolader weist ein Turbinengehäuse auf, in welchem eine Wastegate-Öffnung zum Durchströmen mit einem Abgas der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Der Abgasturbolader umfasst ferner eine einen Ventilsitz und einen Ventilteller aufweisende Ventilvorrichtung zum Einstellen eines Öffnungsgrads der Wastegate-Öffnung. Hierfür ist der Ventilteller zum Einstellen des Öffnungsgrads verstellbar am Ventilsitz gelagert. Weiterhin umfasst der erfindungsgemäße Abgasturbolader ein mit dem Ventilteller in Wirkverbindung stehendes Betätigungselement zum Einstellen einer Ventilteller-Position des Ventiltellers relativ zu dem Ventilsitz.
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Erfindungsgemäß ist das Betätigungselement an dem Turbinengehäuse getrennt vom Ventilteller gelagert. Mittels einer solchen getrennten Lagerung von Betätigungselement und Ventilteller können diese beiden Komponenten in mechanisch besonders stabiler Weise an dem Turbinengehäuse bzw. dem Ventilsitz unabhängig voneinander befestigt werden, was das Auftreten von störenden "Prasselgeräuschen" beim Durchströmen der Wastegate-Öffnung mit einem Abgas einer Brennkraftmaschine vollständig oder zumindest weitgehend unterdrückt. Zusätzlich wird das Auftreten von Verschleißerscheinungen an dem Ventilteller bzw. an dem Betätigungselement als Folge eines Langzeitbetriebs des erfindungsgemäßen Abgasturboladers stark reduziert, da die in herkömmlichen Abgasturboladern vorgesehenen und oben bereits erläuterten mechanische Winkel-Spiele in dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader nicht mehr erforderlich sind.
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Vorzugsweise ist das Betätigungselement als Antriebsnocken ausgebildet, welcher zum Einstellen der Ventilteller-Position auf einer vom Ventilsitz abgewandten Oberseite des Ventiltellers anliegt. Mit "Anliegen" kann auch gemeint sein, dass das als Antriebsnocken ausgebildete Betätigungselement lose auf der Oberseite des Ventiltellers anliegt, d.h. es muss nicht notwendigerweise an der Oberseitebefestigt sein. Folglich kann das Betätigungselement in einer ersten Variante in dem Abgasturbolader derart angeordnet sein, dass es ständig in Kontakt mit der Oberseite des Ventiltellers steht. Mittels einer derartigen Anordnung des Betätigungselements kann verhindert werden, dass sich der Ventilteller unerwünschterweise vollständig aus dem Ventilsitz heraus bewegen kann. Das Betätigungselement wirkt dann also in der Art eines axialen Anschlags. Alternativ zu der ersten Variante kann in einer zweiten Variante aber auch daran gedacht sein, dass in einer Offenstellung des Ventiltellers das Betätigungselement von Oberseite des Ventiltellers abgehoben ist.
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In einer weiterbildenden Ausführungsform kann ein Vorspannelement, insbesondere ein Federelement, am Turbinengehäuse, insbesondere am Ventilsitz, abgestützt sein, mittels welchem der Ventilteller gegen das Betätigungselement vorspannbar oder vorgespannt ist. Insbesondere kann das Vorspann- bzw. Federelement derart ausgebildet sein, dass es in einer Offenstellung des Ventiltellers diesen gegen einen am Turbinengehäuse vorgesehenen Anschlag vorspannt. Eine derartige Ausbildung bietet sich insbesondere an, wenn das Betätigungselement wie oben erläutert in der Offenstellung des Ventiltellers von der Oberseite des Ventiltellers abhebt. Denn dann ist mittels eines solchen Anschlags sichergestellt, dass sich der Ventilteller auch in der Offenstellung mechanisch stabil an dem Turbinengehäuse abstützen kann, was dem Auftreten von unerwünschten "Prasselgeräuschen" im Bereich des Ventiltellers weitgehend entgegenwirkt.
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Alternativ kann der Ventilteller, wenn das Betätigungselement derart ausgebildet ist, das es immer in Kontakt mit der Oberseite des Ventiltellers steht, ständig, als unabhängig von der momentanen Ventilteller-Position des Ventiltellers, gegen das Betätigungselement vorgespannt sein. Auch auf diese Weise kann die Ausbildung von störenden "Prasselgeräuschen" wirksam unterdrückt werden, da sich auch in diesem Fall der Ventilteller in der Offenstellung mechanisch stabil (gegen das Betätigungselement) abstützen kann. Zudem können mittels des Vorspannelements das Auftreten unerwünschter Verschleißerscheinungen in dem Ventilteller bzw. dem Betätigungselement stark reduziert werden.
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Vorzugsweise sitzt eine vom Betätigungselement abgewandte Unterseite des Ventiltellers in einer Ventilteller-Position, in welcher der Ventilteller die Wastegate-Öffnung verschließt, wenigstens mit einem in Umfangsrichtung des Ventiltellers verlaufenden Randbereich auf dem Ventilsitz auf. Zum Öffnen der Ventilvorrichtung wird der Ventilteller in eine senkrecht zur Ebene des Ventiltellers verlaufende axiale Richtung zu dem Betätigungselement hin bewegt. Eine solche Bewegung kann, wenn der Ventilteller mittels des Vorspannelements gegen das Betätigungselement vorgespannt ist, durch eine Bewegung des Betätigungselements von der Wastegate-Öffnung weg erfolgen.
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Um eine verschleißfreie, aber dennoch sehr präzise Bewegung des Ventiltellers relativ zu dem Ventilsitz zu ermöglichen, kann in einer weiterbildenden Ausführungsform auch daran gedacht sein, dass auf der Unterseite des Ventiltellers ein in Umfangsrichtung verlaufender, vom Ventilteller abstehender und auf die Wastegate-Öffnung aufstülpbarer Tellerkragen angeordnet ist, der von dem Randbereich der Unterseite eingefasst ist. Insbesondere kann die Wastegate-Öffnung als zu dem Tellerkragen komplementärer Wastegate-Dom ausgebildet sein, so dass der Tellerkragen dann als Lauffläche fungieren kann.
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Um in einer Ventilteller-Position, in welcher der Ventilteller die Wastegate-Öffnung nicht verschließt, ein Durchströmen der Wastegate-Öffnung mit einem Abgas zu ermöglichen, kann in dem Tellerkragen wenigstens eine radiale Durchgangsöffnung vorgesehen sein.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die wenigstens eine Durchgangsöffnung einen sich beim Öffnen hubabhängig progressiv vergrößernden, insbesondere einen dreiecksförmigen oder einen halbkreisförmigen, Öffnungsquerschnitt auf. Auf diese Weise lässt sich eine effektive Menge an durch die Wastegate-Öffnung strömendem Abgas präzise einstellen und auf flexible Weise an jeweilige Betriebsbedingungen, insbesondere im Zusammenhang mit der den erfindungsgemäßen Abgasturboladers verwendete Brennkraftmaschine, anpassen. Es ist klar, dass in weiteren alternativen Varianten auch andersförmig ausgebildete Öffnungsquerschnitte möglich sind.
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Um die Strömungseigenschaften der Ventilvorrichtung hinsichtlich des durch sie strömenden Abgas-Stromes weiter zu verbessern, kann sich in einer weiterbildenden Ausführungsform der Ventilteller in Richtung einer senkrecht zur Ebene des Ventiltellers verlaufenden axialen Achse zu der Wastegate-Öffnung hin konisch verjüngen oder in diese Richtung konvex ausgebildet sein. Auf diese Weise kann insbesondere die Ausbildung von unterwünschten Strömungswirbeln im Bereich des Ventiltellers unterbunden werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform können zum Zwecke der Verlängerung der Lebensdauer des Abgasturboladers das Turbinengehäuse oder/und der Ventilteller oder/und das Betätigungselement mit geeigneten Materialien beschichtet sein.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen jeweils schematisch:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit geöffneter Wastegate-Klappe,
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2 den Abgasturbolader der 1 mit geschlossener Wastegate-Klappe,
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3 eine Variante des Abgasturboladers der 1 mit dreieckigen Durchgangsöffnungen,
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4 eine weitere Variante des Abgasturboladers der 1 mit halbkreisförmigen Durchgangsöffnungen,
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5 eine weitere Variante des Abgasturboladers der 1 mit konisch verjüngt ausgebildetem Ventilteller,
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6 eine weitere Variante des Abgasturboladers der 1 mit konvex ausgebildetem Ventilteller.
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In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader dargestellt und mit 1 bezeichnet. Der Abgasturbolader 1 weist ein Turbinengehäuse 2 auf, in welchem eine Wastegate-Öffnung 3 zum Durchströmen mit einem Abgas (in der 1 angedeutet durch einen Pfeil mit dem Bezugszeichen 4) angeordnet ist. Der Abgasturbolader 1 weist eine Ventilvorrichtung 5 mit einem Ventilsitz 6 und einem Ventilteller 7 auf. Mittels der Ventilvorrichtung 5 ist dabei ein Öffnungsgrad der Wastegate-Öffnung 3 einstellbar; hierzu ist der Ventilteller 7 verstellbar am Ventilsitz 6 gelagert.
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In der Darstellung der 1 ist der Ventilteller 7 in einer Ventilteller-Position gezeigt, in welcher der Ventilteller 7 die Wastegate-Öffnung 3 nicht verschließt, so dass Abgas (Pfeil 4) durch die Wastegate-Öffnung 3 strömen kann. Zum Verstellen der Ventilteller-Position des Ventiltellers 7 weist der Abgasturbolader 1 ein Betätigungselement 8 auf, welches mit dem Ventilteller 7 in Wirkverbindung steht, aber an dem Turbinengehäuse 2 getrennt vom Ventilteller 7 gelagert ist. Das Betätigungselement 8 kann als Antriebsnocken ausgebildet sein, welcher zum Einstellen der Ventilteller-Position des Ventiltellers 7 auf einer Oberseite 9 des Ventiltellers 7 anliegt. Das Betätigungselement 8 kann dabei derart an dem Turbinengehäuse 2 gelagert sein, dass es in jeder möglichen Ventilteller-Position des Ventiltellers 7 an der Oberseite 9 anliegt. Auf diese Weise kann zum einen sichergestellt werden, dass sich der Ventilteller 7 jederzeit an dem Betätigungselement 8 abstützen kann, was das Auftreten von störenden mechanischen Schwingungen in dem Ventilteller 7 und damit verbunden unerwünschte "Prasselgeräusche" des Ventiltellers 7 unterbindet; zum anderen ist sichergestellt, dass der Ventilteller 7 den Ventilsitz 6 nicht unerwünschterweise verlassen kann.
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Der Ventilteller 7 kann mittels eines Vorspannelements gegen das Betätigungselement 8 vorgespannt sein. Ein solches Vorspannelement kann in der Art einer Federelements ausgebildet sein und ist in der 1 mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Das Vorspannelement 10 kann sich am Ventilsitz 6 abstützten; in alternativen Varianten kann eine Abstützung aber auch am Turbinengehäuse 2 erfolgen. In der in der 1 gezeigten Offenstellung des Ventiltellers 7 spannt das Vorspannelement 10 den Ventilteller 7 gegen das Betätigungselement 8 vor, welches in jeder Ventil-Position des Ventiltellers 7 an der Oberseite 9 des Ventiltellers 7 anliegen kann.
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In einer alternativen Variante, in welcher das Betätigungselement 8 in der Offenstellung des Ventiltellers 7 nicht an der Oberseite 9 anliegt, kann ein in der 1 nicht gezeigter Anschlag oder dergleichen an dem Turbinengehäuse 2 vorgesehen sein, gegen welchen das Vorspannelement 10 den Ventilteller 7 in der Offenstellung des Ventiltellers 7 dann vorspannen kann.
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Auf diese Weise kann in jedem Fall sichergestellt werden, dass sich der Ventilteller 7 auch in der Offenstellung an einer mechanisch stabilen Komponente (entweder dem Betätigungselement 8 oder an dem Turbinengehäuse 2) abstützen kann, was die Ausbildung von störenden mechanischen Schwingungen und damit verbunden von unerwünschten "Prasselgeräuschne" des Ventiltellers 7 aufgrund von Abgaspulsationen unterbindet.
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In der 2 ist nun der Abgasturbolader 1 mit einer geschlossenen Position des Ventiltellers 7 gezeigt, in welcher der Ventilteller 7 die Wastegate-Öffnung 3 verschließt. In dieser Ventilteller-Position sitzt eine vom Betätigungselement 8 abgewandte Unterseite 11 wenigstens mit einem in Umfangsrichtung des Ventiltellers 7 verlaufenden Randbereich 12 auf dem Ventilsitz 6 auf.
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Betrachtet man die Darstellungen der 1 und 2, so erkennt man, dass auf der Unterseite 11 des Ventiltellers 7 ein in Umfangsrichtung verlaufender, vom Ventilteller 7 abstehender und auf die Wastegate-Öffnung 2 aufstülpbaren Tellerkragen 13 angeordnet ist. Der Tellerkragen 13 ist von dem Randbereich 12 der Unterseite 11 des Ventiltellers 7 eingefasst und fungiert als eine Art Lauffläche für den Ventilteller 7, wenn dieser zwischen den verschiedenen Ventilteller-Positionen bewegt wird.
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Aus die Darstellung der 3 lässt sich entnehmen, dass in dem Tellerkragen 13 wenigstens eine radiale Durchgangsöffnung 14 vorgesehen sein kann. Diese Durchgangsöffnung kann in einer Ventilteller-Position, in welcher der Ventilteller 7 die Wastegate-Öffnung 3 nicht verschließt, von Abgas durchströmt werden. In einer Ventilteller-Position, in welcher der Ventilteller 7 die Wastegate-Öffnung 3 hingegen verschließt, kann eine Innenumfangsfläche des Tellerkragens 13 an einer dazu komplementären Außenumfangsfläche des Ventilsitzes 6 anliegen, und zwar derart, dass die Durchgangsöffnung 14 vollständig verschlossen ist und folglich kein Abgas durch diese hindurchströmen kann.
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Durch ein Bewegen des Ventiltellers 7 entgegen der axialen Richtung A in Richtung der Offenstellung wird also die Durchgangsöffnung 14 nach und nach von der Außenumfangsfläche des Ventilsitzes freigegeben, so dass sich der effektive Öffnungsquerschnitt der Durchgangsöffnung 14 stetig vergrößert, bis der Ventilteller 7 sich in der Offenstellung befindet, in welcher der (maximale) Öffnungsquerschnitt der Durchgangsöffnung 14 vollständig mit Abgas durchströmt werden kann.
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In einer bevorzugten Variante kann der effektive Öffnungsquerschnitt 14 hubabhängig mit einer Position des Ventiltellers 7 zwischen einer Offenstellung und einer geschlossenen Stellung zunehmen. Für die geometrische Ausgestaltung der Durchgangsöffnung 14 ergeben sich dabei vielerlei Variationsmöglichkeiten. Bevorzugt ist dabei ein in der 3 gezeigter dreiecksförmiger Öffnungsquerschnitt. Alternativ ist auch ein halbkreisförmiger Öffnungsquerschnitt der Durchgangsöffnung 14 vorstellbar, wie er in der Darstellung der 4 gezeigt ist. Auch ein Öffnungsquerschnitt in der Art eines Kreissegments ist vorstellbar. Je nach Betriebsbedingungen beim Einsatz des Abgasturboladers 1 im Zusammenhang mit einer Brennkraftmaschine kann der Öffnungsquerschnitt also an die konkreten Betriebsbedingungen des Abgasturboladers 1 optimiert werden.
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Eine optimierte Strömungsführung des durch die Ventilvorrichtung 5 strömenden Abgases 4 kann erzielt werden, wenn der Ventilteller 7 sich in Richtung der senkrecht zur Ebene des Ventiltellers 7 verlaufenden axialen Achse A zu der Wastegate-Öffnung 3 hin konisch verjüngt, was in der Variante gemäß der 5 gezeigt ist, oder in diese Richtung konvex ausgebildet ist, was in der Variante gemäß der 6 dargestellt ist (vgl. Pfeile 15 in den 5 und 6).
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Der erfindungsgemäße Abgasturbolader 1 kann in einer Brennkraftmaschine zum Einsatz kommen, welche eine Brennkammer aufweist, wobei stromauf einer solchen Brennkammer eine Zuführungsleitung zum Zuführen von Frischluft in die Brennkammer angeordnet ist. Entsprechend ist dann stromab der Brennkammer eine Abgasleitung zum Abführen von in der Brennkammer erzeugtem Abgas angeordnet, wobei in der Abgasleitung der Abgasturbolader 1 angeordnet ist.
