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Die Erfindung betrifft eine Wastegateklappe zum Öffnen und Schließen eines Wastegatekanals eines Abgasturboladers und insbesondere eine spielfreie Verbindung eines Klappenbetätigungselements mit einer Klappe sowie einen im Turbinengehäuse beweglich gelagerten Klappensitz.
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Ein Turbolader weist im Allgemeinen ein Turbinenrad und ein Verdichterrad auf. Das Turbinenrad und das Verdichterrad sind hierbei auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Der Abgasstrom der an den Turbolader angeschlossenen Brennkraftmaschine treibt das Turbinenrad an und das Turbinenrad wiederum das Verdichterrad. Das Verdichterrad kann dadurch Frischluft verdichten und die verdichtete Luft der Brennkraftmaschine zuführen. Durch eine Aufladung wird generell der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine gesteigert.
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Je mehr die Motordrehzahl steigt, desto schneller dreht sich durch die antreibende Abgasmenge das Turbinenrad der Turbine und mit diesem auch die Welle des Abgasturboladers, auf welcher sich weiterhin das Verdichterrad des Verdichters befindet. Durch die schnellere Drehung der Welle und damit auch des Verdichterrades erhöht sich die Luftfördermenge des Verdichters. Dies führt zu einer wachsenden Abgasmenge des Motors und damit wiederum zu einem schnelleren Antreiben des Turbinenrades. Um die jeweils gegebenen mechanischen und thermischen Grenzen des Motors nicht zu überschreiten, ist eine Abregelung des Abgasturboladers notwendig.
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Eine Form der Ladedruckregelung des Turboladers ist hierbei ein turbinenseitiger Bypass bzw. eine sogenannte Klappeneinrichtung zum Öffnen und Schließen eines Wastegatekanals im Turbinengehäuse. Die Klappeneinrichtung weist eine Klappe auf, welche mit einem Klappenbetätigungselement verbunden ist. Durch Betätigen des Klappenbetätigungselements wird die Klappe zwischen einer geöffneten Position und einer geschlossenen Position geschwenkt, um den Wastegatekanal im Turbinengehäuse teilweise oder vollständig zu öffnen und zu schließen. In Abhängigkeit von der Öffnungsstellung wird ein mehr oder weniger großer Teil des Abgases an der Turbine vorbei direkt in den Auspuff des Fahrzeugs geleitet. Dadurch wird ein weiteres Ansteigen der Turbinendrehzahl unterbunden.
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Aus dem Stand der Technik sind Klappeneinrichtungen eines Turboladers bekannt, beispielsweise aus den Druckschriften
DE 10 2011 075 450 A1 und
DE 10 2009 007 574 A1 . Klappeneinrichtungen dieser Art weisen ein Klappenbetätigungselement und eine Klappe auf, wobei die Klappe wenigstens ein Aufnahmeelement mit wenigstens einem Aufnahmebereich zum Aufnehmen des Klappenbetätigungselements aufweist. Die Klappe und die Klappenbetätigungselement sind hierbei über eine Niet- oder Schraubverbindung miteinander verbunden.
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Um Fertigungs- und Montagetoleranzen auszugleichen, wurde die Klappe bisher mit relativ viel Spiel an die Klappenbetätigungselement befestigt, um eine Dichtheit des von der Klappe verschließbaren Wastegatekanals zu erreichen. Das große Spiel der Klappe führt jedoch dazu, dass die Klappeneinrichtung im Motorbetrieb störende Geräusche erzeugt. Außerdem führt ein Klappern der Klappeneinrichtung zu einem Verschleiß am Klappenbetätigungselement, an der Klappe und am Aufnahmeelement zum Aufnehmen des Klappenbetätigungselementes. Durch Spielreduzierungen oder Dämpfungselemente wurde aus diesem Grund versucht die Geräuschentwicklung bzw. den Verschleiß zu reduzieren. Dies wiederum kann jedoch zu Undichtigkeiten im System führen.
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In der Patentschrift
US 5618026 ist ein Ventil mit einem Schließkörper und einem verstellbaren Ventilsitz gezeigt. Die in dieser Druckschrift gezeigte Anordnung ist jedoch aufgrund einer ungünstigen Kinematik für eine Anwendung in Abgasturboladern nicht geeignet.
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Wie sich herausgestellt hat, ist es schwierig eine Klappeneinrichtung fertigzustellen, die im geschlossenen Betriebszustand das Turbinengehäuse dicht verschließt, und die gleichzeitig während des Betriebs keine störenden Geräusche verursacht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deswegen, eine Klappeneinrichtung zu entwickeln, die im geschlossenen Zustand der Klappe den Wastegatekanal gut abschließt und gleichzeitig während des Betriebs keine störenden Geräusche erzeugt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Klappeneinrichtung für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
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Die vorgeschlagene Klappeneinrichtung zum Öffnen und Schließen eines Wastegatekanals in einem Turbinengehäuse eines Abgasturboladers weist eine Klappe, ein Klappenbetätigungselement und einen in dem Turbinengehäuse ausgebildeten Klappensitz auf. Erfindungsgemäß sind die Klappe und das Klappenbetätigungselement spielfrei miteinander verbunden. Ferner ist vorgesehen, dass der Klappensitz beweglich in dem Turbinengehäuse gelagert ist zur Sicherstellung eines Dichtsitzes zwischen Klappe und Klappensitz.
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Eine Dichtheit des Systems wird mit der vorliegenden Erfindung durch eine Anpassung des beweglichen Klappensitzes an die Klappe erreicht. Beim Schließen der Klappe schmiegt sich die Klappe dann dem Klappensitz an. Der bewegliche Klappensitz vermag durch Fertigungs- und Montageprozesse bedingte Toleranzen im System effektiv auszugleichen. Die Toleranzen brauchen also nicht mehr seitens der Klappe und des Klappenbetätigungselementes kompensiert zu werden. Vielmehr ist es möglich, die Klappe und das Klappenbetätigungselement spielfrei miteinander zu verbinden, was mit einer erheblichen Reduzierung von Geräuschen und Verschleiß einhergeht. Bisher wurden oft Dämpfungselemente zum Dämpfen von auftretenden Vibrationen und Relativbewegungen zwischen Klappe und Klappenbetätigungselement eingesetzt. Auf solche Dämpfungselemente kann mit der vorliegenden Erfindung verzichtet werden. Die erfindungsgemäße Klappeneinrichtung gewährleistet somit die Dichtheit des Systems, sie ist besonders geräuscharm ausgebildet und aufgrund fehlender Relativbewegungen ist ein Verschleiß der Bauteile erheblich reduziert.
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In einer Ausbildung der Erfindung sind die Klappe und das Klappenbetätigungselement einteilig ausgebildet. Hierdurch brauchen die Komponenten nicht mehr gefügt zu werden und es kann auf zusätzliche Verbindungsteile verzichtet werden. Außerdem können Vibrationen zwischen der Klappe und dem Klappenbetätigungselement aufgrund der einteiligen Ausführung nicht mehr auftreten. Ein aus Klappe und Klappenbetätigungselement bestehendes, einteiliges Bauteil kann z.B. in einem Feingussverfahren oder einem Metallpulver-Spritzgießverfahren (metal injection moulding, MIM) hergestellt werden. Alternativ zur einteiligen Ausführungsform kann die Klappe mit dem Klappenbetätigungselement auch stoffschlüssig verbunden werden, beispielsweise durch Verschweißen, Verlöten und/oder Verkleben. Hierdurch wird auch eine spielfreie Verbindung zwischen der Klappe und dem Klappenbetätigungselement gewährleistet.
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Der Klappensitz ist in einer Ausführungsform der Erfindung als Kugelkalotte ausgebildet. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Kugelkalotte durch eine Höhe h und einen Radius R definiert. Hierbei können die Höhe h und der Radius unterschiedlich, aber auch gleich sein. Falls die Höhe h und der Radius R gleich sind, ist die Kugelkalotte eine Halbkugel.
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Aufgrund der beweglichen Lagerung der Kugelkalotte und der Symmetrie einer Kugelkalotte kann eine räumliche Anpassung der Kugelkalotte an die Klappe in einfacher Weise erfolgen. Bevorzugt weist das Turbinengehäuse eine zur Kalotte komplementäre Form auf, um die Kugelkalotte aufzunehmen.
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Optional liegt in einem geschlossenen Zustand der Klappe ein virtueller Kugelmittelpunkt der Kugelkalotte auf einer Mittelachse der Klappe. Ein virtueller Kugelmittelpunkt ist hierbei durch den Mittelpunkt einer die Kalotte einhüllenden Kugel mit Radius R definiert. In der genannten Ausführung liegt die Klappe zentriert auf der Kalotte auf, was zu einer verbesserten Dichtheit und einer verbesserten Anpassung des Klappensitzes an die Klappe führt. Falls die Klappe symmetrisch ist, kann diese Mittelachse eine Symmetrieachse der Klappe sein.
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Im geschlossenen Zustand der Klappe kann eine dem Wastegatekanal zugewandte ebene Fläche der Klappe als kreisförmige Fläche ausgebildet sein. Diese symmetrische, flache Ausbildung der Klappenfläche vereinfacht eine Herstellung der Klappe. Außerdem werden der Schließvorgang und eine Abdichtung hierdurch vereinfacht. Es ist auch möglich, dass ein an den Klappensitz anliegender Bereich der Klappe als kreisringförmige Fläche ausgebildet ist. In einem Bereich innerhalb des Kreisringes kann ein in den Wastegatekanal hineinragender Vorsprung ausgebildet sein, um ein Abschließen des Wastegatekanals zu begünstigen.
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Um sicherzustellen, dass der Klappensitz während des Betriebs nicht aus dem Turbinengehäuse herausfällt, ist es vorteilhaft, wenn der Klappensitz mit einer Sicherung im Turbinengehäuse gesichert ist. Diese Sicherung kann aus einem im Turbinengehäuse eingeschweißten oder eingepressten Sicherheitsring bestehen. Statt eines Ringes, können auch mehrere Sicherungsstifte oder andere Sicherungsmaßnahmen vorgesehen sein. Alternativ können der Klappensitz und/oder das Turbinengehäuse auch bereichsweise verstemmt werden, um zu vermeiden, dass der Klappensitz aus dem Turbinengehäuse herausfällt.
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Um die Anpassung des Klappensitzes an die Klappe zu verbessern, kann der Klappensitz spielbehaftet in dem Turbinengehäuse gelagert werden. Eine Schrägstellung der Kalotte, welche beim Schließen des Wastegatekanals durch Drücken der Klappe auf den Klappensitz entstehen kann, kann durch die spielbehaftete Lagerung des Klappensitzes im Turbinengehäuse ausgeglichen werden. Ein mögliches Klappern des Klappensitzes gegen das Turbinengehäuse kann durch eine Federlagerung des Klappensitzes im Turbinengehäuse reduziert werden. Hierzu kann eine Tellerfeder oder ein Federring in das Turbinengehäuse zum Dämpfen von Vibrationen eingebaut werden.
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Im Betrieb des Abgasturboladers herrschen aufgrund heißer Abgase (bis zu 1050°C oder mehr) große Temperaturunterschiede im Turbinengehäuse. Folglich dehnen sich das Turbinengehäuse und der Klappensitz aufgrund des Wärmeeintrages aus. Der Klappensitz weist deshalb bevorzugt einen gleichen oder ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Turbinengehäuse auf. Bei einer betriebsmäßigen Erhitzung der Bauteile dehnen sich Klappensitz und Turbinengehäuse dann ungefähr gleich aus, wodurch mechanische Spannungen zwischen dem Klappensitzes und dem Turbinengehäuses reduziert werden. Dies wirkt sich positiv auf die Lebensdauer des Abgasturboladers aus.
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Um das Abgas aus dem Wastegatekanal zu dem Auspuff zu führen, ist der Klappensitz in bevorzugter Weise bereichsweise hohl ausgebildet. Das Abgas wird dann durch den hohlen Bereich zum Auspuff weitergeleitet. Beispielsweise kann eine Bohrung vorgesehen sein, welche ein Ende des Wastegatekanals bildet. Statt einer nachträglichen Bohrung kann der Kugelsitz auch bereits bei einem Gießprozess hohl ausgebildet werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Klappenbetätigungselement gegenüber dem Turbinengehäuse schwenkbar ausgebildet. Beim Öffnen wird die Klappe dann von dem Turbinengehäuse weg geschwenkt. Hierdurch können die auf das Klappenbetätigungselement und die Klappe wirkenden Kräfte optimal übertragen werden. Das Klappenbetätigungselement kann mittels eines Aktuators betätigt werden, beispielsweise eines elektrischen oder eines pneumatischen Aktuators. Bevorzugt betätigt der Aktuator das Klappenbetätigungselement über einen Hebel, der zwischen dem Aktuator und den Klappenbetätigungselement angeordnet ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Hierbei sind funktionsgleiche Teile in den Figuren durchgängig mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In den Figuren zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Abgasturboladers,
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2 eine Aufsicht auf ein Klappenbetätigungselement und eine Klappe gemäß dem Stand der Technik,
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3A eine Aufsicht auf eine Klappe und ein Klappenbetätigungselement, welche einteilig verbunden sind,
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3B eine Aufsicht auf eine andere Ausführungsform einer Klappe und eines Betätigungselement, welche einteilig verbunden sind,
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4 einen Querschnitt eines Klappensitzes in einem Turbinengehäuse,
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5 einen Querschnitt eines federgelagerten Klappensitzes in einem Turbinengehäuse und
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6 einen Querschnitt eines federringgelagerten Klappensitzes in einem Turbinengehäuse.
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In 1 ist eine Aufsicht auf einen für eine Brennkraftmaschine geeigneten Abgasturbolader 1 gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Der Abgasturbolader 1 umfasst einen Verdichter und eine Turbine 2, die jeweils in einem Verdichtergehäuse 3 und einem Turbinengehäuse 4 angeordnet sind und auf einer gemeinsamen Welle miteinander gekoppelt sind. Die Welle ist wiederum in einem Lagergehäuse 5 untergebracht. Zur Leistungssteuerung der Turbine 2 bzw. des Abgasturboladers 1 weist die Turbine 2 einen Bypass, der auch als Wastegate bezeichnet wird, auf. Zum Steuern des Bypasses ist eine Klappeneinrichtung vorgesehen, welche eine Klappe 6 und ein Klappenbetätigungselement 7 umfasst. Letzteres ist über einen Hebel 8 und ein Gestänge 9 mit einem elektrischen oder pneumatischen Aktuator 10 verbunden. Der Aktuator 10 ist auf dem Verdichtergehäuse 3 angeordnet und betätigt das Klappenbetätigungselement 7 bei einem vorgegebenen Druck im Verdichter. Ein Teil des Abgasstroms wird folglich um die Turbine 2 herum geleitet.
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2 zeigt eine Aufsicht auf die Klappe 6 und das Klappenbetätigungselement 7, welche gemäß dem Stand der Technik miteinander über eine Scheibe 11 festgenietet sind. Hierbei ist ein zylindrischer Aufnahmestift 12 der Klappe 6 gezeigt, auf welchen das Klappenbetätigungselement 7 aufgesteckt wird. Auf beiden Seiten des Aufnahmestiftes 12 sind Stege 13 angeordnet, zwischen denen das Klappenbetätigungselement 7 aufgenommen wird, um die Klappe 6 und das Klappenbetätigungselement 7 zu positionieren und fixieren. Auf diese Weise wird die Klappe 6 gegen ein Drehen bzw. ein Verdrehen gesichert. Allerdings unterliegen sämtliche Elemente aus der in der 2 gezeigten Anordnung Toleranzen, wodurch zum Beispiel ein Drehen oder Verdrehen der Klappe 6 nicht völlig verhindert werden kann. Die Anordnung aus der 2 ist ferner an verschiedenen Stellen spielbehaftet um eine Dichtheit der Klappeneinrichtung sicherzustellen. Zwischen dem Stift 12 und dem Klappenbetätigungselement 7 existiert ein Spiel von 0,4 mm. Ferner beträgt ein Spiel zwischen einem Steg 13 und dem Klappenbetätigungselement 7 0,4 mm und außerdem ist ein Spiel zwischen dem Klappenbetätigungselement 7 und der Klappe 6 0,5 mm. Verschleiß und Geräusche entstehen häufig an den genannten spielbehafteten Stellen.
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In den 3A und 3B sind die Klappe 6 und das Klappenbetätigungselement 7 einteilig und somit spielfrei miteinander verbunden gemäß zwei Ausführungen der Erfindung. Die Klappe 6 und das Klappenbetätigungselement 7 wurden in einem Feingussverfahren hergestellt. Auf die in der 2 gezeigte Verbindungstechnik (Stege, Aufnahmestift, Scheibe, Nietverbindung) kann aufgrund der einteiligen Verbindung zwischen der Klappe 6 und dem Klappenbetätigungselement 7 verzichtet werden, was mit einer kostengünstigen Herstellung einhergeht. Außerdem ist die Anordnung hierdurch besonders geräuscharm und wenig anfällig für Verschleiß. In der Anordnung der 3A ist eine Klappenfläche kreisförmig 14 ausgeführt, während in der 3B eine Fläche der Klappe kreisringförmig 15 mit einem zusätzlichen mittigen Vorsprung 16 ausgebildet ist.
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In der 4 ist ein Querschnitt eines Klappensitzes 15 in einem Turbinengehäuse 4 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Zur Deutlichkeit ist nur ein Teil des Klappenbetätigungselementes 7 gezeigt. Der Klappensitz 100 ist als Kugelkalotte mit Radius R und Höhe h ausgebildet, wobei die Höhe h und der Radius R im Ausführungsbeispiel gleich sind. Die Kugelkalotte 100 ist somit eine Halbkugel. Die Kugelkalotte 100 ist mit einer Bohrung versehen, welche ein Ende des Wastegatekanals 16a darstellt. Durch die Bohrung kann Abgas aus dem Turbinengehäuse 4 an die Turbine 2 vorbei in Richtung des Pfeils 17 geleitet werden. Die Kugelkalotte 100 ist mittels eines eingepressten Sicherheitsringes 18 gegen ein Herausfallen aus dem Turbinengehäuse 4 gesichert. Ferner ist die Kugelkalotte 100 spielbehaftet (Spiel 19) in dem Turbinengehäuse 4 gelagert, wodurch sich die Kalotte 100 der Klappenfläche 14 anschmiegen kann. Hierdurch dichtet die Klappeneinrichtung besonders gut ab. Eine Bewegungsrichtung der Kalotte 100 ist mittels des Doppelpfeils 200 angegeben. Die dem Wastegatekanal 16a zugewandte Fläche 14 der Klappe ist flach und kreisförmig gemäß der Anordnung aus der 3A. Ein virtueller Mittelpunkt 20 der Halbkugel 100 liegt auf einer Mittelachse 21 der Klappe 6 und einer Mittelachse des Wastegatekanals 16a. Die gezeigte Anordnung ist rotationssymmetrisch um die Mittelachse 21.
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In der 5 ist eine andere Ausführung der Klappeneinrichtung gezeigt, welche sich von der Anordnung aus der 4 dahingehend unterscheidet, dass die Kugelkalotte 100 mittels einer Tellerfeder 22 federnd im Turbinengehäuse 4 gelagert ist zum Dämpfen von Vibrationen. Ferner umfasst die Klappe 6 einen Vorsprung 16, welcher in die Bohrung der Kalotte 100 hineinragt. Durch den Vorsprung kann die Klappe vorteilhaft in der Kugelkalotte gehalten werden. Der Bereich 15 rundum den Vorsprung 16 ist kreisringförmig (vgl. 3B). Auch hier weist die Klappeneinrichtung eine Rotationssymmetrie um die Mittelachse 21 auf.
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In der 6 werden die Federlagerung und die Sicherung der Kalotte 100 im Turbinengehäuse 4 mittels eines Federringes 23 realisiert. Vorteil dieser Anordnung ist die Verwendung eines einzigen Bauteils zur Verwirklichung sowohl der Lagerung als auch der Sicherung.
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Der Klappensitz 100 und das Turbinengehäuse 4 sind in den oben ausgeführten Beispielen beide aus Gusseisen gefertigt und besitzen somit einen gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. In einer anderen Ausführungsform bestehen der Klappensitz und das Turbinengehäuse aus verschiedenen Materialien. Dabei ist es von Vorteil, wenn sie einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Auf diese Weise werden mechanische Spannungen zwischen Turbinengehäuse und Klappensitz verringert. Ferner ist in den oben gezeigten Ausführungen das Klappenbetätigungselement 7 über einen Hebel 8 mittels eines elektrischen Aktuators 10 betätigbar. Nach Betätigung des Hebels 8 werden die Klappe 6 und das Klappenbetätigungselement 7 vom Turbinengehäuse 4 weg geschwenkt, um den Wastegatekanal 16a zu öffnen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011075450 A1 [0005]
- DE 102009007574 A1 [0005]
- US 5618026 [0007]
