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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Öffnen und Schließen eines Bypasses in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs sowie ein Kraftfahrzeug.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor und Abgasturbine einen Bypass um die Abgasturbine herum anzuordnen. Dieser Bypass wird in Abhängigkeit eines Betriebszustands des Kraftfahrzeugs durch ein Ventil freigegeben. Dieses Ventil ist auch als Wastegate oder Wastegate-Ventil bekannt.
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Ventile gemäß dem Stand der Technik weisen konstruktionsbedingt bei höheren Temperaturen eine niedrigere Schießkraft auf als bei niedrigeren Temperaturen. Um die auftretenden Schließkräfte bei niedrigeren Temperaturen begrenzen zu können, können Steuerungen und Regelungen verwendet werden, die jedoch aufwendig zu erzeugen sind.
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So ist aus der
DE 10 2012 010 348 A1 eine Vorrichtung zur Steuerung eines elektrischen Stellantriebes für eine Wastegate-Ventilanordnung eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine mit einem in einem Bypasskanal des Abgasturboladers angeordneten Wastegate bekannt. Es wird mittels des Stellantriebes zur Einstellung des über den Bypasskanal an dem Abgasturbolader vorbeigeleiteten Abgasstromes geschlossen oder geöffnet. Die Vorrichtung ist ausgebildet im geschlossenen Zustand des Wastegates dasselbe mit einer vorbestimmten Schließkraft zu beaufschlagen, derart, dass die Schließkraft oder ein die Schließkraft bestimmender Betriebsparameter des Stellantriebs mittels eines Schließkraftreglers auf einen Schließkraft-Sollwert in Abhängigkeit eines Schließkraft-Istwertes oder auf einen Sollwert dieses Betriebsparameters in Abhängigkeit eines Istwertes geregelt wird.
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Aus der
DE 10 2009 028 117 A1 geht eine Vorrichtung zum Betreiben eines Steilantriebs für eine Wastegate-Stellvorrichtung eines Abgasturboladers hervor. Das Wastegate ist mit Hilfe des Stellantriebs elektrisch verstellbar und in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors angeordnet. Die Vorrichtung ist ausgebildet, um abhängig von einer Öffnungsstellung des Wastegates eine den Abgasturbolader durchströmende Abgasmenge einzustellen, und um während einer Schließstellung des Wastegates den Stellantrieb mit einer elektrischen Leistung anzusteuern, so dass ein variierender Schließdruck des Wastegates abhängig von einem Verlauf eines über das Wastegate anliegenden Abgasgegendrucks bereitgestellt wird.
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Zudem ist in der
DE 10 2009 028 117 A1 eine Wastegate-Stellanordnung zum Ansteuern eines Wastegates vorgesehen. Die Wastegate-Stellanordnung umfasst das Wastegate zum Einstellen einer durch einen Abgasturbolader strömenden Abgasmenge und einen elektrisch ansteuerbaren Stellantrieb in einer Wastegate-Stellvorrichtung des Abgasturboladers zum Ansteuern des Wastegates, wobei die Wastegate-Stellanordnung ausgebildet ist, um den Stellantrieb mit einer elektrischen Leistung ansteuern, so dass eine Öffnungsstellung des Wastegates und dadurch eine den Abgasturbolader durchströmende Abgasmenge einstellbar ist, wobei die Wastegate-Stellanordnung weiterhin ausgebildet ist, um während einer Schließstellung des Wastegates den Stellantrieb mit einer elektrischen Leistung anzusteuern, um einen variierenden Schließdruck des Wastegates abhängig von einem Verlauf eines über das Wastegate anliegenden Abgasgegendrucks bereitzustellen.
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Die
EP 2146071 A2 zeigt ein passives thermisch betätigtes Wastegate-Ventil, das einen Turbinenbypass öffnet, um erhitztes Abgas um ein Turbinengehäuse herum zu leiten, anstatt durch das Turbinengehäuse, welches die Wärmeenergie absorbieren würde.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Ventil sowie ein Kraftfahrzeug mit diesem Ventil bereitzustellen.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Ventil nach Anspruch 1 sowie einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 2. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Ventil umfasst ein Verschlusselement und einen Aktuator, der ausgebildet ist, das Verschlusselement zu betätigen. Das Ventil ist ausgebildet, in einer Schließstellung eine Öffnung mit dem Verschlusselement zu verschließen und in einer Offenstellung die Öffnung freizugeben. In der Schießstellung liegt eine Schließkraft an dem Verschlusselement an. Erfindungsgemäß weist das Ventil zumindest ein Bauteil auf, welches geeignet ist, mit seinem physikalischen Temperaturverhalten die Schließkraft in der Weise zu beeinflussen, dass die Schließkraft bei einer ersten Temperatur gleich oder geringer ist als bei einer zweiten Temperatur, die höher als die erste Temperatur ist. Dabei ist der Aktuator ein Elektromotor und das zumindest eine Bauteil ist ein elektrischer Leiter des Elektromotors. Dieser besteht aus einem Material, das einen sich mit steigender Temperatur verringernden elektrischen Widerstand aufweist.
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Damit ist vorteilhaft ein selbsteinstellendes Ventil bereitgestellt. Eine aufwendige Steuerung beziehungsweise Regelung zur Einstellung der Schließkraft kann entfallen.
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Durch den Elektromotor ist ein schnelles Schalten des Ventils ermöglicht. Zudem ist zusätzlich die Möglichkeit gegeben, die Schließkraft ergänzend durch eine Steuerung des Elektromotors zu beeinflussen.
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Mit dem Bauteil des Elektromotors ist es vorteilhaft ermöglicht, einen Stromfluss zum Elektromotor und/oder im Elektromotor passiv zu variieren. Es ist ermöglicht, den Elektromotor in der Weise auszugestalten, dass das vom Elektromotor erzeugte Drehmoment mit abnehmender Temperatur sinkt.
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Das erfindungsgemäße Ventil ist in allen Ausgestaltungsvarianten bevorzugt in ein Kraftfahrzeug integriert. Mittels des Ventils ist ein Strömungskanal verschließbar oder freigebbar. Der Strömungskanal ist insbesondere ein um eine Abgasturbine herumführender Bypass in einem Abgasstrang des Kraftfahrzeugs.
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Das Kraftfahrzeug profitiert damit von den Vorteilen des erfindungsgemäßen Ventils. Die Schließkraft des Wastegate-Ventils kann entsprechend den Anforderungen ohne eine Steuerung variieren.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug in einer beispielhaften Ausgestaltung;
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2 ein erfindungsgemäßes Ventil in einer beispielhaften Ausgestaltung in einer Offenstellung; und
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3 das Ventil in einer Schließstellung.
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In der 1 ist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 10 in einer beispielhaften Ausgestaltung schematisch dargestellt. Das Kraftfahrzeug 10 weist einen Strömungskanal und ein den Strömungskanal zu verschließen und freizugeben vermögendes Ventil 16 auf. Der Strömungskanal ist insbesondere ein Bypass 15 in einem Abgasstrang 13 eines im Betrieb Abgase erzeugenden Motors 11 des Kraftfahrzeugs 10.
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Der Bypass 15 ist dabei insbesondere in der Weise angeordnet, Abgase an einer Abgasturbine 14 vorbei zu leiten. So weist der Bypass 15 eine Öffnung 18 auf, die stromaufwärts der Abgasturbine 14 angeordnet ist und einen Auslass stromabwärts der Abgasturbine 14.
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Die Abgasturbine 14 kann Bestandteil eines Abgasturboladers sein und mit einem in einem Zuluftstrang 12 des Motors 11 angeordneten Verdichter 26 verbunden sein, um den Verdichter 26 anzutreiben.
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Um zumindest einen Teil des Abgases an der Abgasturbine 14 vorbei zu leiten, gibt das Ventil 16 die Öffnung 18 frei. Soll der gesamte Abgasstrom die Abgasturbine 14 passieren, hält das Ventil 16 die Öffnung 18 geschlossen. Das Ventil 16 ist damit ausgebildet, die Funktion eines in der Technik als Wastegate bekannten Ventils zu erfüllen.
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In den 2 und 3 ist das erfindungsgemäße Ventil 16 in einer beispielhaften Ausgestaltung dargestellt. Das Ventil 16 ist in der 2 in einer Offenstellung 24 gezeigt und in der 3 in einer Schließstellung 25.
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Das Ventil 16 ist ausgebildet, die Öffnung 18 in der Offenstellung 24 freizugeben und die Öffnung 18 in der Schließstellung 25 zu verschließen. In der Offenstellung 24 kann ein Fluidstrom 21, insbesondere ein Abgasstrom, die Öffnung 18 passieren. In der Schließstellung 25 kann der Fluidstrom 21 die Öffnung 18 nicht passieren.
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Das Ventil 16 umfasst ein Verschlusselement 20 und einen Aktuator 17, der ausgebildet ist, das Verschlusselement 20 zu verfahren. Der Aktuator 17 ist erfindungsgemäß ein Elektromotor. In der Schließstellung 25 ist die Öffnung 18 mit dem Verschlusselement 20 bedeckt. In der Offenstellung 24 befindet sich das Verschlusselement 20 in einer anderen Position als in der Schließstellung 25 und die Öffnung 18 ist freigegeben. Insbesondere ist das Verschlusselement 20 schwenkbar angeordnet, sodass das Verschlusselement 20 durch Schwenken von einer Stellung 24, 25 in die andere Stellung 25, 24 gebracht werden kann.
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Das Ventil 16 ist in der Weise ausgebildet, dass an dem Verschlusselement 20 in der Schließstellung 25 eine Schließkraft 23 anliegt. Die Schließkraft 23 ist der Richtung des Fluidstroms 21 entgegengerichtet und die Schließkraft 23 ist höher als eine durch den Fluidstrom 21 auf das Verschlusselement 20 wirkende Kraft. Die Schließkraft 23 ist eine Haltekraft. Das Ventil 16 ist ausgebildet, die Öffnung 18 mit dem Verschlusselement 20 gegen den Fluidstrom 21 zu verschließen.
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Erfindungsgemäß ist das Ventil 16 in der Weise ausgebildet, dass die Schließkraft 23 in Abhängigkeit der herrschenden Temperatur variieren kann. Dazu umfasst das Ventil 16 wenigstens ein Bauteil, welches geeignet ist, mit seinem physikalischen Temperaturverhalten die Schließkraft 23 zu beeinflussen. So ist die Schließkraft 23 bei einer niedrigen Temperatur gleich oder geringer als bei einer höheren Temperatur. Das Ventil 16 ist damit ausgebildet, die Einstellung der Schließkraft 23 passiv, also ohne steuernde oder Regelnde Einflüsse von außen, vorzunehmen. Die Schließkraft 23 verändert sich mit der herrschenden Temperatur selbstständig, aufgrund der Materialeigenschaften des Bauteils.
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Das Bauteil ist in der Weise angeordnet, dass die Schließkraft 23 von einem Temperaturkoeffizienten des Bauteils abhängt. Der Temperaturkoeffizient ist einer für einen elektrischen Widerstand des Bauteils oder auch einer für ein Volumen des Bauteils sein, also auch ein Wärmeausdehnungskoeffizient.
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Das Bauteil ist Bestandteil des Aktuators 17. Es kann auch Bestandteil des Verschlusselements 20 und/oder einer den Aktuator 17 und das Verschlusselement 20 verbindenden Mimik 19 sein.
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So kann ist Bauteil ein elektrischer Leiter sein. In der Ausgestaltung als elektrischer Leiter, weist das Bauteil einen negativen Temperaturkoeffizienten für den elektrischen Widerstand auf, sodass sich der elektrische Widerstand mit steigender Temperatur verringert beziehungsweise mit sinkender Temperatur vergrößert. Das Bauteil als elektrischer Leiter kann insbesondere in dem Elektromotor angeordnet sein, wobei damit auch eine Zuleitung zum Elektromotor eingeschlossen sein soll.
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Zusätzlich kann das Bauteil ein Kraftübertragungselement 27, 29, 31 in der Mimik 19 sein. Das Kraftübertragungselement 27, 29, 31 überträgt eine vom Aktuator 17 erzeugte Kraft beziehungsweise ein vom Aktuator 17 erzeugtes Moment in Richtung des Verschlussteils 20.
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In den 2 und 3 umfasst das Ventil 16 beispielhaft eine Mimik 19, die ein erstes Kraftübertragungselement 27, ein mit dem ersten Kraftübertragungselement 27 über ein erstes Gelenk 28 verbundenes zweites Kraftübertragungselement 29 und ein mit dem zweiten Kraftübertragungselement 29 über ein zweites Gelenk 30 verbundenes drittes Kraftübertragungselement 31 aufweist. Die Mimik 19 ist ausgebildet, eine Bewegung des Aktuators 17 auf das Verschlusselement 20 zu übertragen. Der dargestellte Aktuator 17 ist ein Elektromotor, der ausgebildet ist Momente in eine Schließrichtung 22 und in eine Öffnungsrichtung 32 zu erzeugen. Befindet sich das Ventil 16 in der Offenstellung 24 ist es durch Erzeugen eines in Schließrichtung 22 wirkenden Moments in die Schließstellung 25 bringbar. In der Schließstellung 25 wirkt das Moment zumindest im Betrieb des Motors 11 weiter auf das Verschlusselement 20, sodass die Schließkraft 23 am Verschlusselement 20 anliegt. Befindet sich das Ventil 16 in der Schließstellung 25 ist es durch Erzeugen eines in Öffnungsrichtung 32 wirkenden Moments in die Offenstellung 24 bringbar. Dabei ist der Aktuator 17 ortsfest zum Kraftfahrzeug 10 angeordnet. Das erste Kraftübertragungselement 27 ist starr mit dem Aktuator verbunden und mit dem Drehen des Aktuators 17 schwenkbar. Das erste Gelenk 28 und das zweite Gelenk 30 sind nicht ortsfest zum Kraftfahrzeug 10 angeordnet. Durch eine Schwenkbewegung des ersten Kraftübertragungselements 27 wird das zweite Kraftübertragungselement 29 verschoben und geschwenkt. Das dritte Kraftübertragungselement 31 ist starr mit dem Verschlusselement 20 verbunden. Das Verschlusselement 20 ist schwenkbar an einem zum Kraftfahrzeug 10 ortsfesten Punkt gelagert. Durch eine Schwenkbewegung des dritten Kraftübertragungselements 31 vollzieht auch das Verschlusselement 20 eine Schwenkbewegung.
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In der in den 2 und 3 gezeigten Ausführung kann das erste Kraftübertragungselement 27 und/oder das dritte Kraftübertragungselement 31 das die Schließkraft 23 beeinflussende Bauteil sein. Die Beeinflussung kann durch eine Veränderung der Form des Bauteils, insbesondere durch eine Ausdehnung oder ein Biegen, ausgelöst werden. Das Biegen kann dabei aus einer Materialkombination des Bauteils resultieren, bei der das Bauteil aus mehreren Materialien gefertigt ist, wobei die Materialien unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
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Ist die Ausdehnung des ersten Kraftübertragungselements 27 zwischen dem Aktuator 17 und dem ersten Gelenk 28 erhöht, so ist die Schließkraft 23 aufgrund der verminderten Hebelwirkung verringert. Ist die Ausdehnung verringert, so ist die Schließkraft 23 aufgrund der erhöhten Hebelwirkung verstärkt. Das erste Kraftübertragungselement 27 weist hierbei insbesondere einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, damit die Schließkraft 23 bei einer ersten Temperatur geringer ist als bei einer zweiten Temperatur, die höher als die erste Temperatur ist.
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Ist die Ausdehnung des dritten Kraftübertragungselements 31 zwischen dem zweiten Gelenk 30 und dem Verschlusselement 20 erhöht, so ist die Schließkraft 23 aufgrund der erhöhten Hebelwirkung verstärkt. Ist die Ausdehnung verringert, so ist die Schließkraft 23 aufgrund der verringerten Hebelwirkung vermindert. Das dritte Kraftübertragungselement 31 weist hierbei insbesondere einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, damit die Schließkraft 23 bei einer ersten Temperatur geringer ist als bei einer zweiten Temperatur, die höher als die erste Temperatur ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftfahrzeug
- 11
- Motor
- 12
- Zuluftstrang
- 13
- Abgasstrang
- 14
- Abgasturbine
- 15
- Bypass
- 16
- Ventil
- 17
- Aktuator
- 18
- Öffnung
- 19
- Mimik
- 20
- Verschlusselement
- 21
- Fluidstrom
- 22
- Schließrichtung
- 23
- Schließkraft
- 24
- Offenstellung
- 25
- Schließstellung
- 26
- Verdichter
- 27
- Erstes Kraftübertragungselement
- 28
- Erstes Gelenk
- 29
- Zweites Kraftübertragungselement
- 30
- Zweites Gelenk
- 31
- Drittes Kraftübertragungselement
- 32
- Öffnungsrichtung
