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Die Erfindung betrifft eine Ventileinheit für ein Wastegatesystem und einen ein solches Wastegatesystem umfassenden Abgasturbolader.
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Abgasturbolader dienen der Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung von Verbrennungsmotoren, indem den Brennräumen der Verbrennungsmotoren ein verdichtetes Brennstoff-Luft-Gemisch zugeführt wird. Dadurch kann die Füllung der Brennräume verbessert und eine größere Menge Brennstoff je Arbeitstakt verbrannt werden.
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Abgasturbolader umfassen eine Turbine mit einem Turbinenlaufrad, das von einem Abgasstrom, der von einem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, angeströmt und dadurch drehend angetrieben wird. Die Drehbewegung überträgt das Turbinenlaufrad mittels einer Welle auf ein Verdichterlaufrad. Die Drehung des Verdichterlaufrads sorgt für die Druckerhöhung des dem Verbrennungsmotor zugeführten Frischgases. Die Verdichterleistung hängt somit prinzipiell direkt von der Enthalpie des Abgasstroms ab, wobei jedoch nicht immer die tatsächliche gewünschte Verdichterleistung mit dem gerade anliegenden Abgasstrom korreliert.
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Es ist daher bekannt, die Verdichterleistung durch die Integration von Steuerungsmitteln dem jeweiligen Bedarf anzupassen. Weit verbreitet ist die Integration eines sogenannten Wastegates. Hierbei handelt es sich um einen steuerbaren oder regelbaren Bypass, über den ein Teil des Abgases an der Turbine vorbeigeführt werden kann. Zur Steuerung oder Regelung des über das Wastegate geführten Abgasstroms kommt regelmäßig ein Ventilelement zum Einsatz, der in Abhängigkeit seiner Stellung den Bypassquerschnitt mehr oder weniger freigibt. Die Betätigung des Ventilkörpers erfolgt mittels eines Aktors. Dieser ist jedoch zumeist abseits der Turbine angeordnet und beispielsweise in den Verdichterteil des Abgasturboladers integriert, um dessen thermische Belastung gering zu halten. Die Betätigung des Ventilelements durch den Aktor erfolgt dann mittels eines Betätigungselements. Das Betätigungselement kann dazu einen Lagerungsabschnitt umfassen, der in einer in das Gehäuse des Abgasturboladers integrierten Lagerschale drehbeweglich gelagert ist und sich mit einem Ende in den Bypass des Wastegatesystems erstreckt. An diesem Ende kann ein Betätigungsabschnitt befestigt sein, der sich in radialer Richtung von dem Lagerabschnitt erstreckt und an dessen Ende das Ventilelement befestigt ist. Durch eine Drehung des Lagerabschnitts des Betätigungselements wird somit das Ventilelement bewegt. Die Drehbewegung kann mittels eines Aktorabschnitts des Betätigungselements bewirkt werden, das sich an dem anderen, sich außerhalb des Gehäuses des Abgasturboladers befindlichen Ende des Lagerabschnitts befestigt ist und sich ebenfalls in radialer Richtung dazu erstrecken kann. Eine translatorische Bewegung des Aktorabschnitts durch den Aktor wird somit in eine Drehbewegung des Lagerabschnitts und diese dann wieder in eine translatorische Bewegung des Ventilelements übersetzt.
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Für eine präzise Steuerung beziehungsweise Regelung des über das Wastegate geführten Abgasstroms ist erforderlich, dass die Aktorbewegung weitgehend spielfrei auf das Ventilelement übertragen wird. Um diese Spielfreiheit im Bereich der Lagerung des Betätigungselements in der Lagerschale des Gehäuses zu erreichen, ist bekannt, den Lagerabschnitt auf einer Seite der Lagerschale durch ein Federelement in axialer Richtung zu beaufschlagen, wozu eine Paarung aus einer Kontaktfläche der Lagerschale und einer Kontaktfläche des Betätigungselements gegeneinander gedrückt werden. Diese Federbeaufschlagung bewirkt die gewünschte Spielfreiheit der Lagerung in axialer Richtung, ermöglicht aber gleichzeitig, unterschiedliche, thermisch bedingte Längungen von Lagerschale und Betätigungselement zuzulassen.
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Ein solcher Abgasturbolader mit Wastegatesystem ist aus der
EP 1 644 625 B1 bekannt. Dort ist das Federelement auf der außerhalb des Gehäuses liegenden Seite der Lagerschale angeordnet, während in der Kontaktstelle auf der innenliegenden Seite der Lagerschale zwei Dichtungsscheiben vorgesehen sind, die infolge der Federbelastung gegeneinander gedrückt werden.. Als zusätzlichen Vorteil dieser Ausgestaltung wird in der
EP 1 644 625 B1 die besonders gute Abdichtung angegeben, wodurch ein Austritt von Abgas aus dem Gehäuse des Abgasturboladers über die Lagerung des Betätigungselements vermieden werden kann.
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Einer solchen Verbesserung der Abdichtung in einem vergleichbar ausgebildeten Wastegatesystem widmen sich auch die
JP 05248253 A und die
JP 08334030 A . Dort ist vorgesehen, die unterschiedliche, thermisch bedingte Längung von Lagerschale und Betätigungselement auszunutzen, um bei betriebswarmem Abgasturbolader einen ausreichenden Anpressdruck der zwei Dichtungsscheiben zu bewirken. Eine axiale Federbelastung der Lagerung des Betätigungselements in dem Gehäuse des Abgasturboladers ist dort nicht vorgesehen. Nachteilig an diesem bekannten System ist aber, dass der Anpressdruck in den Dichtungen und damit die Dichtwirkung sowie der Reibungswiderstand und der Verschleiß der Lagerung des Betätigungselements direkt von dem jeweiligen Temperaturniveau im Bereich der Turbine des Abgasturboladers abhängt, das jedoch auch bei betriebswarmer Brennkraftmaschine lastabhängig erheblichen Schwankungen unterliegt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte oder alternative Ventileinheit für ein Wastegatesystem eines Abgasturboladers anzugeben. Insbesondere sollte eine solche Ventileinheit angegeben werden, die trotz einer Spielfreiheit über einen weiten Einsatztemperaturbereich ein Undichtigkeit im Bereich der Lagerung des Betätigungselements zulässt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Ventileinheit für ein Wastegate gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Ein eine solche Ventileinheit umfassender Abgasturbolader ist Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 6.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine. Spielfreiheit der Lagerung des Betätigungselements in der Lagerschale des Gehäuses in Kombination mit einer Kompensation unterschiedlicher, thermisch bedingter Längungen von Betätigungselement und Lagerschale am besten durch eine axiale Federbeaufschlagung erreicht werden kann, wie dies grundsätzlich aus
EP 1 644 625 B1 bekannt ist. Eine weitere, der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis ist, dass eine solche axiale Federbeaufschlagung zwangsläufig zu einer weitgehenden Dichtigkeit der Lagerung führt, indem zwischen dem Betätigungselement und der Lagerschale eine Abstützung bzw. ein Anschlag ausgebildet sein muss, die/der der Federbeaufschlagung entgegenwirkt. Dies gilt insbesondere, wenn die Federbeaufschlagung, wie in der
EP 1 644 625 B1 vorgesehen, durch eine Scheibenfeder erzeugt wird. In vielen Fällen sind zusätzliche Dichtscheiben, wie sie in der
EP 1 644 625 B1 im Bereich des Abstützung vorgesehen sind, für die Erzielung einer guten Abdichtung nicht erforderlich (Diese können vielmehr das Verschleißverhalten positiv beeinflussen. Ein Grundgedanke der Erfindung ist zudem, dass eine Undichtigkeit im Bereich der Lagerung des Betätigungselements nicht nur unproblematisch ist, sondern auch Vorteile aufweisen kann.
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Grundgedanke der Erfindung ist daher, eine Lagerung des Betätigungselements einer gattungsgemäßen Ventileinheit dahingehend abzuändern, dass trotz der axialen Federbeaufschlagung, deren Beibehaltung für eine gute Spielfreiheit und die Kompensation unterschiedlicher, thermisch bedingter Längungen sinnvoll ist, eine gewisse insbesondere vorbestimmte Undichtigkeit in dem Wastegatesystem erzielt werden soll.
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Eine gattungsgemäße Ventileinheit für ein Wastegatesystem, die (mindestens) ein Ventilelement, (mindestens) ein Betätigungselement für das Ventilelement und (mindestens) eine Lagerschale, in der das Betätigungselement drehbeweglich gelagert ist, umfasst, wobei das Betätigungselement mittels (mindestens) eines Federelements in axialer Richtung (d. h. in Richtung der Drehachse) gegen die Lagerschale beaufschlagt ist, ist demnach erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich (mindestens) einer (durch die Federbeaufschlagung) gegeneinander beaufschlagten Kontaktflächenpaarung (mindestens) ein Durchtritt für Abgas vorgesehen ist.
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Dabei kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Durchtritt dadurch ausgebildet ist, dass zumindest eine der Kontaktflächen (mindestens) eine sich von einem Außenrand der Kontaktfläche nach innen, d. h. mehr oder weniger, im Wesentlichen radial erstreckende Vertiefung, z. B. in Form einer Nut oder Ausnehmung, aufweist. Der Verlauf der Vertiefung kann dabei geradlinig oder gebogen sein. Alternativ kann auch ein die Undichtigkeit bewirkendes Zwischenelement, wie beispielsweise eine Unterlegscheibe mit Vertiefungen (Nuten) oder eine Zahnscheibe zum Einsatz kommen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventileinheit kann vorgesehen sein, dass das Federelement in Form einer Tellerfeder ausgebildet ist. Vorteile dieser Ausführungsform können sein: Relativ große Federkräfte bei vergleichsweise kleinem Einbauraum für das Federelement; ein wählbare und ggf. auch anpassbare Federkennlinie (linear, degressiv oder sogar progressiv); eine vergleichsweise hohe Lebensdauer auch bei dynamischen Belastungen, was dem Einsatz in einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs entgegenkommt. Eine Wellfederscheibe kann eine bevorzugte Alternative zu einer Tellerfeder darstellen.
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Im Hinblick auf die erfindungsgemäß angestrebte Undichtigkeit der Lagerung des Betätigungselements der Ventileinrichtung kann die charakteristische Form einer Tellerfeder mit kegeliger oder konischer Ringschale nachteilig sein, da diese durch eine beidseitig geschlossen ringförmige Anlage an den Bauteilen, an denen sich diese abstützt, eine vergleichsweise gute Dichtwirkung aufweist. Um eine Undichtigkeit des Wastegates zu erreichen, die eine entsprechende Undichtigkeit der Lagerung des Betätigungselements beidseitig der Lagerschale voraussetzen kann, kann daher vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass auch die Tellerfeder (mindestens) einen Durchtritt für Abgas aufweist, der insbesondere in Form einer sich von einem Innenrand bis zu einem Außenrand der Tellerfeder erstreckenden Vertiefung, z. B. in Form einer Sicke, vorgesehen sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Tellerfeder aber beispielsweise auch (mindestens) eine Durchgangsöffnung in ihrer Ringschale aufweisen. Weiterhin kann auch vorgesehen sein, dass eine Vertiefung in einer oder beiden Kontaktflächen, an denen die Tellerfeder abgestützt ist, einen Durchtritt für das Abgas ausbildet.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ventileinheit kann weiterhin vorgesehen sein, dass beidseitig d. h. am inneren und am äußeren Ende der Lagerschale jeweils ein Federelement, vorzugsweise zwischen der Lagerschale und dem Betätigungselement, abgestützt ist. Dadurch kann auf einfache Weise ein relativ großer Ausgleichsweg für unterschiedliche, thermisch bedingte Längungen geschaffen werden. Auch kann auf diese Weise vergleichsweise einfach die gewünschte Undichtigkeit beidseitig der Lagerschale erreicht werden, ohne dass hierzu z. B. Vertiefungen bzw. Nuten in die Kontaktflächen eingebracht werden müssten. Vielmehr können entsprechende Undichtigkeiten gewährleistende Federelemente, wie die bereits genannten Tellerfedern mit Vertiefung oder Durchgangsöffnung oder aber auch z. B. herkömmliche Schraubenfedern genutzt werden.
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Ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader umfasst (zumindest) ein (ein- oder mehrteiliges) Gehäuse, (mindestens) eine innerhalb eines Turbinenraums des Gehäuses drehend gelagerte Turbine, (mindestens) einen Einlass zur Zufuhr von Abgas in den Turbinenraum und einen Auslass zur Abfuhr des Abgases aus dem Turbinenraum sowie ein Wastegate für das Abgas zur Umgehung des Turbinenraums, wobei die Menge des über das Wastegatesystem geführten Abgases mittels einer erfindungsgemäßen Ventileinheit regelbar ist. Dabei ist die Lagerschale der Ventileinheit vorzugsweise in das Gehäuse integriert (d. h. in dem Gehäuse befestigt oder integral in diesem ausgebildet).
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
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1: eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers in einer teilweise geschnittenen, perspektivischen Darstellung;
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2: die Ventileinheit des Abgasturboladers gemäß 1 in einer Vorderansicht;
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3: einen Teil der Ventileinheit gemäß 2 in einer perspektivischen Darstellung;
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4: eine Tellerfeder der Ventileinheit gemäß 2;
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5: eine erste Ausführungsform einer Lagerschale zur möglichen Verwendung in einer Ventileinheit gemäß den 2 und 3; und
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6: eine zweite Ausführungsform einer Lagerschale zur möglichen Verwendung in einer Ventileinheit gemäß den 2 und 3.
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Die in der 1 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasturboladers umfasst eine Turbine 10 sowie einen Verdichter 12. Die Turbine 10 umfasst ein Turbinengehäuse 16, das einen Turbineneinlasskanal 18, einen Turbinenauslasskanal 20 sowie einen Turbinenraum 22 ausbildet, die fluidleitend ineinander übergehen. Innerhalb des Turbinenraums 22 ist ein Turbinenlaufrad 24 drehbar gelagert.
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Abgas, das aus einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, kann über den Turbineneinlasskanal 18 in den Turbinenraum 22 strömen, wo es das Turbinenlaufrad 24 drehend antreibt. Nach der Umströmung des Turbinenlaufrads 24 strömt das Abgas über den Turbinenauslasskanal 20 ab.
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Die Drehung des Turbinenlaufrads 24 wird über eine (nicht sichtbare) Welle auf ein (nicht sichtbares) Verdichterlaufrad übertragen, das in einem Verdichterraum des Verdichters 12 drehbar gelagert ist. Durch die Drehung des Verdichterlaufrads kann Frischgas, das über einen (nicht sichtbaren) Verdichtereinlasskanal dem Verdichter zugeführt wird, verdichtet werden. Das verdichtete Frischgas kann dann über einen Verdichterauslasskanal 26 abgeführt und dem Brennraum des Verbrennungsmotors zugeführt werden.
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Zur Leistungsregelung weist der Abgasturbolader ein sogenanntes Wastegatesystem auf. Durch das Wastegatesystem kann ein definierter Anteil des dem Abgasturbolader zugeführten Abgases an dem Turbinenlaufrad 24 vorbeigeführt werden.
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Das Wastegatesystem umfasst eine Ventileinheit mit einem Ventilelement 28, das – je nach Stellung der Ventileinheit – einen Bypasskanal des Wastegatesystem mehr oder weniger verschließt. Weiterhin umfasst das Wastegatesystem ein mehrteiliges Betätigungselement. Dieses umfasst eine Lagerwelle 30, an deren einem Ende ein Ende eines Ventilarms 32 drehfest befestigt ist. Das anderen Ende des Ventilarms 32 ist mit dem Ventilelement 28 verbunden. An dem anderem Ende der Lagerwelle 30 ist ein Ende eines Betätigungsarms 34 drehfest befestigt. Die Lagerwelle 30 ist drehbar innerhalb einer rohrförmigen Lagerschale 36 gelagert. Die Lagerschale 36 selbst ist in einer Lagerbohrung des Turbinengehäuse 16 angeordnet.
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Das Wastegatesystem umfasst weiterhin eine Stellvorrichtung 38. Diese umfasst einen beispielsweise pneumatisch oder elektrisch betätigten Aktor, der in Abhängigkeit von einem Stellsignal, das beispielsweise von einer Motorsteuerung zugeleitet wird, einen Aktorkolben 40 translatorisch bewegt. Dieser Aktorkolben 40 ist mit seinem freien Ende drehbar mit dem anderen Ende des Betätigungsarms 34 verbunden. Eine translatorische Bewegung des Aktorkolbens 40 führt zu einer Schwenkbewegung des Betätigungsarms 34, wobei die Lagerwelle 30 als Drehachse dieser Schwenkbewegung dient. Die Drehung der Lagerwelle 30 führt zu einem entsprechenden Verschwenken des Ventilarms 32 und damit zu einem mehr oder weniger weiten Abheben des Ventilelements 28 von seinem Ventilsitz. Die Breite des so freigegebenen Ringspalts zwischen dem Ventilelement 28 und dem Ventilsitz definiert die Menge des über den Bypasskanal geführten Abgases.
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Um den Verschleiß sowie das Betriebsgeräusch des Ventilsystems gering zu halten, sollte die Lagerung des Betätigungselements in der Lagerschale 36 möglichst spielfrei sein. Dabei soll die Spielfreiheit auch über den großen Bereich der Temperaturen, die der Abgasturbolader insbesondere auf der Turbinenseite im Betrieb aufweisen kann, erreicht werden. Hierzu ist vorgesehen, dass das Betätigungselement mittels zwei Tellerfedern 42 axial (bezogen auf die Längsachse der Lagerwelle 30) gegen die Lagerschale 36 verspannt wird. Dabei sind die Tellerfedern 42 unter Vorspannung zwischen den Stirnseiten der Lagerschale 36 und dem Ventilarm 32 beziehungsweise dem Betätigungsarm 34 angeordnet. Die Tellerfedern 42 können unterschiedliche thermische Längungen der Lagerschale 36 einerseits und (insbesondere) der Lagerwelle 30 andererseits kompensieren.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Ventileinheit eine definierte Undichtigkeit aufweist. Hierzu sind die beiden Tellerfedern 42 jeweils mit zwei radial verlaufenden Sicken 44 versehen. Über die Sicken 44 der zwischen der Lagerschale 36 und dem Betätigungselement verspannten Tellerfedern 42 kann Abgas, das bei geöffnetem Ventilelement 28 aus dem Bypasskanal in den Turbinenauslasskanal 18 strömt, zunächst in den ringförmigen Spalt, der zwischen der Lagerschale 36 und der Lagerwelle 30 ausgebildet ist, strömen und von dort über die Sicken 44 aus dem Abgasturbolader abströmen.
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In einer Weiterentwicklung kann die Innenseite der Lagerschale 36 und/oder die Außenseite der Lagerwelle 30 wenigstens eine Vertiefung, welche sich entlang des zwischen Lagerschale 36 und Lagerwelle 30 gebildeten ringförmigen Spalts verläuft und sich axial vom inneren zum äußeren Ende erstreckt. Diese wenigstens eine Vertiefung kann gradlinig oder gekrümmt, z. B. helixförmig entlang der Innenseite bzw. der Außenseite verlaufen. Auf diese Weise wird eine kontrolliert vorbestimmte Undichtigkeit der Ventileinheit des Wastegates zusätzlich unterstützt.
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Zusätzlich oder alternativ zu der mittels der Sicken 44 eingebrachten Undichtigkeit kann auch vorgesehen sein, diejenigen Kontaktflächen der Lagerschale 36, des Betätigungsarms 34 und/oder des Ventilarms 32, an denen die Tellerfedern 42 anliegen, mit von innen nach außen verlaufenden Vertiefungen 14 (z. B. Nuten) zu versehen, wie dies in den 5 und 6 in zwei Ausführungsformen für die Kontaktflächen der Lagerschale 36 dargestellt ist. Bei der Ausführungsform gemäß der 5 sind je Kontaktfläche vier radial verlaufende Vertiefungen 14 und bei der Ausführungsform gemäß der 6 eine spiralförmig bzw. gekrümmt verlaufende Vertiefung 14 vorgesehen. Selbstverständlich sind aber auch andere Vertiefungsverläufe und beliebige Anzahlen der Vertiefungen möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Turbine
- 12
- Verdichter
- 14
- Vertiefung
- 16
- Turbinengehäuse
- 18
- Turbineneinlasskanal
- 20
- Turbinenauslasskanal
- 22
- Turbinenraum
- 24
- Turbinenlaufrad
- 26
- Verdichterauslasskanal
- 28
- Ventilelement
- 30
- Lagerwelle
- 32
- Ventilarm
- 34
- Betätigungsarm
- 36
- Lagerschale
- 38
- Stellvorrichtung
- 40
- Aktorkolben
- 42
- Tellerfeder
- 44
- Sicke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1644625 B1 [0006, 0006, 0010, 0010, 0010]
- JP 05248253 A [0007]
- JP 08334030 A [0007]
