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Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung, insbesondere Abblasventil, mit einem verlagerbaren Ventilkörper zum Freigeben und Verschließen eines Durchströmungsquerschnitts und mit einer Aktoreinrichtung zur Verlagerung des Ventilkörpers, wobei die Aktoreinrichtung eine flexible und mit dem Ventilkörper wirkverbundene Membran aufweist, die einer mit einem Druckmedium beaufschlagbaren Druckkammer zugeordnet ist.
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Ferner betrifft die Erfindung einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer durch Abgas der Brennkraftmaschine antreibbaren Turbine und mit einem mit der Turbine mechanisch gekoppelten Verdichter, sowie mit einem Bypasskanal, der eine Ventileinrichtung zum Verschließen und Freigeben seines Durchströmungsquerschnitts des Bypasskanals aufweist.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug.
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Ventileinrichtungen, Abgasturbolader und Antriebsvorrichtungen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik weitläufig bekannt. Sogenannte pneumatisch betätigbare Ventileinrichtungen weisen einen Ventilkörper auf, der durch Druckluftbeaufschlagung aus seiner Freigabestellung in eine Schließstellung oder andersherum verlagerbar ist. Regelmäßig wird dabei zur Erbringung einer Rückstellkraft ein Federelement vorgesehen. Wird in der Druckkammer ein Druck mittels des Druckmediums erzeugt, wird die Membran von diesem Druck beaufschlagt und verformt sich entsprechend. Damit wird der mit der Membran wirkverbundene Ventilkörper mit der Membran mitbewegt, wodurch ein Durchströmungsquerschnitt freigegeben wird.
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Entsprechende Ventileinrichtungen sind beispielsweise aus der
WO 2009/066304 A1 oder auch aus der
DE 10 2009 031 048 A1 bekannt. Nachteilig bei den bekannten Ventileinrichtungen ist die Temperaturbeständigkeit der Membran. Bei Anwendungen im Heißgasbereich, wie beispielsweise zur Bypassschaltung eines Abgasturboladers, wird die Membran den hohen Temperaturen des zu steuernden/regelnden Gasstrom ausgesetzt, die insbesondere durch den Ventilkörper in die Membran eingeleitet werden. Eine Membran, deren Grundkörper wie in der genannten
WO 2009/066304 A1 aus einem Kunststoff gefertigt ist, könnte durch die hohen Temperaturen leicht beschädigt werden. Eine Membran, die wie in der genannten
DE 10 2009 031 048 A1 als Metallplättchen ausgebildet ist, weist ein kritisches Verhalten in Bezug auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten aus, der zu einer Fehlfunktion der Membran führen könnte, wenn sich das Material entsprechend ausdehnt. Darüber hinaus ist eine derartige Membran weniger flexibel und für Anwendungen mit einem größeren Verlagerungsweg nicht geeignet.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Ventileinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die temperaturbeständig ist und die Funktion und einen ausreichend großen Verlagerungsweg dauerhaft gewährleistet.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch eine Ventileinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung hat den Vorteil, dass die Membran derart gefertigt ist, dass sie hohen Temperaturen standhält und ausreichend Flexibilität zur Verfügung stellt, so dass sie auch bei hohen Temperaturen die Funktion der Membran dauerhaft gewährleistet. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass die Membran der Ventileinrichtung aus einem Fasergewebe besteht, das aus einem temperaturbeständigen Material gefertigt ist. Die Membran wird also allein durch ein Fasergewebe gebildet und weist keine insbesondere aus Kunststoff gefertigte Umhüllung auf. Durch Ausbildung als Fasergewebe weist die Membran eine gewisse Luftdurchlässigkeit auf, die bei allen aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsformen stets vermieden wird. Vorliegend wurde jedoch erkannt, dass eine geringe Luftdurchlässigkeit in Zusammenhang mit einer hohen Temperaturbeständigkeit für die Funktion und Dauerfestigkeit der Ventileinrichtung überraschenderweise vernachlässigbar ist. Das temperaturbeständige Fasergewebe erlaubt eine gewisse Verlagerung der Faseranordnung zueinander, sodass außerdem bei Temperaturschwankungen das Fasergewebe die Möglichkeit hat, interne Spannungen zu kompensieren beziehungsweise auszugleichen.
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Vorzugsweise ist das Fasergewebe fein- beziehungsweise engmaschig ausgebildet, sodass die Luftdurchlässigkeit der Membran möglichst gering gehalten wird. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Aktoreinrichtung verbessert beziehungsweise optimiert. Die verbleibenden Leckageströme durch die Membran hindurch sind dann vernachlässigbar gering.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Fasergewebe aus Metall gefertigt ist. Die Fasern des Fasergewebes sind somit Metallfasern, die entsprechend miteinander verwebt beziehungsweise gewebt sind, um die Membran zu bilden. Das Metall ist temperaturbeständig und aufgrund der faserigen Ausbildung bietet es eine ausreichende Flexibilität für die Membran. Zweckmäßigerweise wird dazu ein Metall gewählt, das einen ausreichend hohen Elastizitätsquotienten aufweist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Membran mittig mit einem freien Ende des Ventilkörpers, insbesondere mit einem freien Ende eines Ventilschafts des Ventilkörpers, verbunden ist. Vorzugsweise ist die Membran wie üblich an ihrem Außenumfang in dem Gehäuse der Ventileinrichtung eingespannt, sodass in der symmetrisch ausgebildeten Membran der größte Verlagerungsweg in der Mitte beziehungsweise im Zentrum der Membran liegt. Durch Anbinden des Ventilkörpers an dieser Stelle wird somit ein großer beziehungsweise der größtmögliche Verlagerungsweg für den Ventilkörper und eine gleichmäßige Belastung der Membran gewährleistet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Membran mittig eine Öffnung aufweist, durch welche der Ventilkörper mit seinem freien Ende, insbesondere unter Bildung einer radialen Presspassung, hindurchragt. Der Ventilkörper durchdringt somit die Membran, sodass er einfach und sicher an dieser befestigbar/befestigt ist. Durch eine entsprechende Wahl des Innendurchmessers der Öffnung und des Außendurchmessers des Ventilschafts beziehungsweise des freien Endes des Ventilkörpers wird bevorzugt die genannte radiale Presspassung realisiert, die einen sicheren Halt der Membran an dem Ventilkörper zumindest dahingehend gewährleistet, dass eine Relativverschiebung von Membran und Ventilkörper zueinander in einer Ebene senkrecht zur Längserstreckung des Ventilkörpers beziehungsweise der Verlagerungsrichtung verhindert wird.
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Vorzugsweise weist das freie Ende des Ventilkörpers zumindest abschnittsweise ein Gewinde auf, wobei die Membran zwischen einem Absatz des Ventilkörpers und einer auf das Gewinde aufgeschraubten Mutter an dem Ventilkörper verklemmt und/oder verspannt gehalten ist. Gegebenenfalls können dabei zwischen Mutter und Membran und/oder zwischen Absatz und Membran jeweils zumindest eine Sicherungsscheibe, Dämpfungsscheibe oder dergleichen vorgesehen sein. Durch die Fertigung der Membran als Fasergewebe lässt sich die Membran zwischen Mutter und Absatz einfach verklemmen beziehungsweise verspannen, ohne dass die Membran beschädigt wird. Dadurch ergeben sich weitere Vorteile bezüglich der Fertigung und den Fertigungskosten.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Öffnung der Membran in dem Fasergewebe durch ein Ringelement, insbesondere Kreisringelement, aus Vollmaterial gebildet ist, das fest mit dem Fasergewebe verbunden ist. Dabei ist also vorgesehen, dass die Membran mittig einen integrierten Ring und/oder Kreisring aus einem Vollmaterial aufweist, der fest mit dem Fasergewebe verbunden ist. Sind der Ring und das Fasergewebe aus dem gleichen oder ähnlichen Metall gefertigt, so lassen sich diese beispielsweise miteinander verschweißen. Auch ist es denkbar, den Ring beziehungsweise Kreisring mit dem Fasergewebe zu verpressen. Durch Vorsehen des Rings beziehungsweise Kreisrings aus Vollmaterial kann die Anzugskraft der Mutter auf dem Gewinde noch weiter erhöht werden, wodurch die Sicherheit gegenüber einem Ausfall der Ventileinrichtung weiter optimiert wird.
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Der erfindungsgemäße Abgasturbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 8 zeichnet sich dadurch aus, dass die Ventileinrichtung wie oben beschrieben ausgebildet ist. Durch die hierdurch gebotene hohe Beständigkeit der Ventileinrichtung beziehungsweise der Membran auch gegenüber sehr hohen Temperaturen wird eine hohe Lebensdauer der Ventileinrichtung auch im Einsatz bei einem Abgasturbolader sicher gewährleistet.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Bypasskanal, dem die Ventileinrichtung zugeordnet ist, der Turbine zugeordnet ist, sodass durch den Bypasskanal das heiße Abgas der Brennkraftmaschine geleitet wird. Die vorteilhafte Ausbildung der Ventileinrichtung erlaubt trotz der hohen Temperaturbeanspruchung eine hohe Lebensdauer der Ventileinrichtung und damit des Abgasturboladers.
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Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug oder Schifffahrzeug zeichnet sich durch den oben beschriebenen Abgasturbolader aus, was zu den oben bereits genannten Vorteilen führt.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dabei zeigen:
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1 eine Antriebsvorrichtung in einer vereinfachten Darstellung, und
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2 eine Ventileinrichtung der Antriebsvorrichtung in einer vereinfachten Detailansicht.
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1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Antriebsvorrichtung 1, wie sie beispielsweise für Kraftfahrzeuge, Schifffahrzeuge oder dergleichen verwendet werden kann. Die Antriebsvorrichtung 1 weist eine Brennkraftmaschine 2 sowie einen der Brennkraftmaschine zugeordneten Abgasturbolader 3 auf. Der Abgasturbolader 3 weist eine Turbine 4 und einen Verdichter 5 auf, die miteinander mechanisch gekoppelt sind. Insbesondere ist dabei wie üblich vorgesehen, dass ein Laufrad der Turbine 4 drehfest mit einem Laufrad des Verdichters 5 verbunden ist. Für die Verbindung ist zweckmäßigerweise eine drehbar gelagerte Welle vorgesehen, auf welcher die beiden Laufräder befestigt sind. Während der Verdichter 5 einem Frischlufttrakt 6 der Brennkraftmaschine 2 zugeordnet ist, ist die Turbine 4 einem Abgastrakt 7 zugeordnet, sodass die Turbine 4 durch den von der Brennkraftmaschine 2 erzeugten Abgasstrom angetrieben wird. Die Turbine 4 treibt wiederum den Verdichter 5 an, der Frischluft ansaugt, verdichtet und der Brennkraftmaschine 2 zur Verbrennung zur Verfügung stellt.
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Um die Leistung des Abgasturboladers 3 zu beeinflussen, ist der Turbine 4 ein Bypasskanal 8 zugeordnet, dessen Durchströmungsquerschnitt einstellbar ist. Hierzu ist an dem Bypasskanal eine Ventileinrichtung 9 vorgesehen, auf die mit Bezug auf 2 im Folgenden näher eingegangen werden soll.
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2 zeigt hierzu die Ventileinrichtung 9 in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung. Die Ventileinrichtung 9 weist ein Ventilkörper 10 auf, dem eine Aktoreinrichtung 11 zu seiner Betätigung beziehungsweise Verlagerung zugeordnet ist. Der Ventilkörper 10 ist als Tellerventil ausgebildet, das einen Ventilteller 12 und einen Ventilschaft 13 aufweist. Das freie Ende des Ventilschafts 13 ist der Aktoreinrichtung 11 zugeordnet. Der Ventilschaft 13 ist dabei axial in einem Gehäuseteil 14 der Ventileinrichtung 9 geführt, sodass er lediglich axial verlagerbar ist. Die Aktoreinrichtung 11 ist als pneumatische Aktoreinrichtung, im Wesentlichen auf herkömmliche Art und Weise ausgebildet. Insbesondere weist die Aktoreinrichtung 11 mehrere Federelemente 15 auf, die dazu dienen, den Ventilkörper 10 mit dem Ventilteller 12 gegen einen Ventilsitz 16 in dem Bypasskanal 8 zu drängen, sodass der Durchströmungsquerschnitt des Bypasskanals 8 im unbetätigten Zustand der Ventileinrichtung 9 verschlossen wird.
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Das freie Ende 17 des Ventilschafts 13 weist einen verjüngten Durchmesser auf, sodass der Ventilschaft 13 an dem freien Ende einen Wellen-Absatz 18 aufweist. Auf diesen Wellenabsatz ist ein becherförmiges Aktorelement aufgeschoben, an welchem sich die Federelemente 15, die vorliegend als Schraubenfedern ausgebildet sind, abstützen, sodass über das Aktorelement 19 die Federkraft in den Ventilkörper 10 eingeleitet wird. Anderendig stützen sich die Federelemente 15 an einem zweiten becherförmigen Aktorelement 20 ab, das fest mit dem Gehäuseteil 14 verbunden ist.
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Zwischen dem Gehäuseteil 14 und dem zweiten Aktorelement 20 ist weiterhin eine Membran 21 an ihrem Außenumfang eingeklemmt gehalten. Die Membran 21 ist ebenso wie die übrigen Elemente der Aktoreinrichtung 11 koaxial zu dem Ventilschaft 13 ausgerichtet und weist mittig eine Öffnung auf, durch welche das freie Ende 17 des Ventilschafts 13 hindurchragt. Dabei liegt die Membran auf der den Federelementen 15 gegenüberliegenden Seite des Aktorelements 19 in einer Druckkammer 22, die im Übrigen von dem Gehäuseteil 14 gebildet wird. In die Druckkammer führt ein Druckluftanschluss 23, durch welchen die Druckkammer 22 mit Druckluft beaufschlagbar ist. Die Membran 21 bildet somit eine Wand der Druckkammer 22. Wird die Druckluft in die Druckkammer 22 geführt, wird die Membran 21 entgegen der Federkraft der Federelemente 15 gedrängt.
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Das freie Ende 17 des Ventilschafts 13 weist ein Gewinde auf, auf welches eine Mutter 24 aufgeschraubt ist, die den Boden des becherförmigen Aktorelements 19 sowie die Membran 21 gegen den Absatz 18 des Ventilschaftes 13 presst. Wird die Membran aufgrund der Druckbeaufschlagung entgegen der Federkraft der Federn 15 gedrängt, so zieht sie das Aktorelement 19 sowie den Ventilkörper 10 mit, wie durch einen Pfeil 25 angedeutet, so dass sich der Ventilteller 12 von dem Ventilsitz 16 löst und einen Durchströmungsquerschnitt des Bypasskanals 8 freigibt.
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Die Membran 21 besteht aus einem feinmaschigen Fasergewebe, das aus Metall (fasern) gefertigt ist. Die Maschen sind dabei derart eng ausgebildet, dass nur ein geringer Leckagestrom durch die Membran hindurch gelangt. Für die Funktion der Membran 21 beziehungsweise der Ventileinrichtung 9 ist dieser jedoch vernachlässigbar.
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Die vorteilhafte Ausbildung der Membran 21 aus dem metallischen Fasergewebe gewährleistet die Haltbarkeit der Membran 21 sowie der Ventileinrichtung 9 über lange Zeit trotz der Anordnung der Ventilanordnung an dem Abgastrakt 7 der Brennkraftmaschine 2, der von den heißen Abgasen der Brennkraftmaschine 2 durchströmt wird. Das metallische Fasergewebe ist äußerst temperaturbeständig und flexibel und nimmt auch die durch den Ventilkörper 10 in das Fasergewebe eingeleitete Wärme problemlos auf, ohne dass die Funktionsfähigkeit der Membran 21 beeinträchtigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/066304 A1 [0005, 0005]
- DE 102009031048 A1 [0005, 0005]
