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Die Erfindung betrifft ein Ventilelement, insbesondere ein Wastegate, für eine Turbine eines Abgasturboladers gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Derartige Ventilelemente, insbesondere in Form von Wastegates, für Turbinen von Abgasturboladern sind aus dem allgemeinen Stand der Technik und insbesondere aus dem Serienfahrzeugbau bereits hinlänglich bekannt. Ein solches Ventilelement weist einen Ventilkörper auf, mittels welchem eine Menge eines einen Umgehungskanal der Turbine durchströmenden Abgases einstellbar ist. Hierdurch ist beispielsweise ein von dem Abgasturbolader bereitzustellender Ladedruck einstellbar. Im fertig hergestellten Zustand weist die Turbine ein Turbinengehäuse mit einem Aufnahmeraum auf, in welchem ein Turbinenrad um eine Drehachse relativ zum Turbinengehäuse drehbar aufgenommen ist. Der Abgasturbolader ist dabei beispielsweise Bestandteil einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, wobei die Turbine, insbesondere das Turbinenrad, von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist. Hierzu wird das Abgas mittels des Turbinengehäuses zu dem Aufnahmeraum und somit zu dem Turbinenrad geführt, so dass das Abgas das Turbinenrad anströmen und dadurch antreiben kann.
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Üblicherweise weist die Turbine wenigstens einen Umgehungskanal auf, über welchen das Turbinenrad von zumindest einem Teil des Abgases zu umgehen ist. Das Umgehen des Turbinenrads wird auch als Abblasen oder Abblasung bezeichnet, da das den Umgehungskanal durchströmende Abgas das Turbinenrad umgeht und somit nicht anströmt und nicht antreibt.
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Das Ventilelement wird üblicherweise auch als Wastegate oder Wastegate-Ventil bezeichnet und ist relativ zu dem zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung bewegbar. In der Schließstellung ist der Umgehungskanal mittels des Ventilelements beispielsweise fluidisch versperrt, so dass kein Abgas den Umgehungskanal durchströmen kann. In der Offenstellung gibt das Ventilelement den Umgehungskanal frei, so dass zumindest ein Teil des Abgases den Umgehungskanal durchströmen und somit das Turbinenrad umgehen kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ventilelement der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass das Gewicht des Ventilelements besonders gering gehalten werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Ventilelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Ventilelement, insbesondere Wastegate, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiter zu entwickeln, dass das Gewicht des Ventilelements besonders gering gehalten kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Ventilkörper als Hohlprofil ausgebildet ist. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Ventilkörper eines herkömmlichen Ventilelements üblicherweise massiv, das heißt als massiver Körper beziehungsweise Wastegate-Körper und dabei insbesondere in Form eines Tellers ausgebildet ist. Dies führt zu einem hohen Gewicht des Ventilkörpers und somit des Ventilelements insgesamt, so dass beispielsweise hohe Beschleunigungen und insbesondere Kräfte auf das Ventilelement wirken, insbesondere dann, wenn das Ventilelement beziehungsweise der Ventilkörper bewegt wird. Insbesondere führt das hohe Gewicht zu durch Schwingungen und Abgaspulsationen verursachten Belastungen, welche auch auf eine Kinematik zum Bewegen des Ventilkörpers übertragen werden. Ferner weist ein herkömmlicher Ventilkörper eine große Materialanhäufung auf, aufgrund derer es zu durch thermomechanische Belastungen bewirkte Rissen kommen kann.
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Diese Probleme können nun mittels des erfindungsgemäßen Ventilelements vermieden werden, da der Ventilkörper als Hohlprofil ausgebildet ist und demzufolge wenigstens einen Hohlquerschnitt aufweist. Beispielsweise ist der Hohlquerschnitt ein offener Hohlquerschnitt, um den Ventilkörper besonders einfach herzustellen. Da das Hohlprofil im Gegensatz zu einem massiven Körper mit einem geringen Materialaufwand herstellbar ist, kann der Ventilkörper ferner besonders kostengünstig hergestellt werden. Ferner ist es möglich, eine zumindest nahezu gleichmäßige Materialwandstärke zu realisieren, so dass auch die Materialrissanfälligkeit und somit die Gefahr, dass es zu rissen des Ventilkörpers kommt, besonders gering gehalten werden können.
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Zur Erfindung gehört auch eine Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens wie beispielsweise eines Personenkraftwagens, mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Ventilelement. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ventilelements sind als vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Turbine anzusehen und umgekehrt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Perspektivansicht eines Ventilelements gemäß einer ersten Ausführungsform für eine Turbine eines Abgasturboladers, mit einem Ventilkörper, mittels welchem eine Menge eines einen Umgehungskanal der Turbine durchströmenden Abgases einstellbar ist, wobei der Ventilkörper als Hohlprofil ausgebildet ist; und
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2 eine schematische Perspektivansicht des Ventilelements gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht ein Ventilelement gemäß einer ersten Ausführungsform für eine Turbine eines Abgasturboladers. Im fertig hergestellten Zustand der Turbine weist diese ein Turbinengehäuse mit einem Aufnahmeraum auf, in welchem ein Turbinenrad der Turbine angeordnet ist. Das Turbinenrad ist dabei um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse drehbar. Der Abgasturbolader ist Bestandteil einer Verbrennungskraftmaschine, mittels welcher ein Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen, antreibbar ist. Das Turbinengehäuse ist dabei von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar, wobei das Abgas mittels des Turbinengehäuses zu dem Aufnahmeraum und somit zu dem Turbinenrad geführt wird. Das Turbinenrad ist dabei von dem Abgas antreibbar, da das in den Aufnahmeraum einströmende Abgas das Turbinenrad antreiben kann.
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Der Abgasturbolader umfasst beispielsweise ferner einen Verdichter, welcher in einem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Über den Ansaugtrakt saugt die Verbrennungskraftmaschine insbesondere in ihrem gefeuerten Betrieb Luft an, wobei diese Luft mittels des Verdichters verdichtet wird. Der Verdichter umfasst dabei ein Verdichtergehäuse sowie ein Verdichterrad, welches in dem Verdichtergehäuse angeordnet und um eine Drehachse relativ zu dem Verdichtergehäuse drehbar ist. Die Drehachse des Verdichterrads fällt dabei mit der Drehachse des Turbinenrads zusammen, wobei das Verdichterrad und das Turbinenrad Bestandteil eines Rotors des Abgasturboladers sind. Der Rotor umfasst ferner eine Welle, mit welcher sowohl das Verdichterrad als auch das Turbinenrad drehfest verbunden sind. Dadurch ist das Verdichterrad über die Welle von dem Turbinenrad antreibbar, so dass im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden kann. Die verdichtete Luft wird wenigsten einen Brennraum, insbesondere in Form eines Zylinders, der Verbrennungskraftmaschine zugeführt, so dass ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann.
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Die Turbine weist ferner wenigstens einen Umgehungskanal auf, welcher beispielsweise zumindest teilweise in dem Turbinengehäuse verläuft beziehungsweise durch das Turbinengehäuse gebildet ist. Über den Umgehungskanal ist das Turbinenrad von zumindest einem Teil des Abgases zu umgehen. Mittels des Umgehungskanals kann beispielsweise zumindest ein Teil des Abgases an einer stromauf des Turbinenrads angeordneten Stelle abgezweigt werden, wobei das abgezweigte Abgas den Umgehungskanal durchströmt. Das den Umgehungskanal durchströmende Abgas umgeht das Turbinenrad, so dass das abgezweigte und den Umgehungskanal durchströmende Abgas das Turbinenrad nicht anströmt und somit nicht antreibt. Dieses Umgehen des Turbinenrads wird auch als Bypassieren oder Abblasen beziehungsweise Abblasung bezeichnet, so dass der Umgehungskanal auch als Bypass oder Bypasskanal bezeichnet wird.
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Das Ventilelement umfasst dabei einen Ventilkörper 10, mittels welchem eine Menge des den Umgehungskanal durchströmenden Abgases einstellbar ist. Der Ventilkörper 10 ist relativ zu dem Turbinengehäuse bewegbar, beispielsweise um eine Schwenkachse verschwenkbar. Beispielsweise ist der Ventilkörper 10 zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung relativ zu dem Turbinengehäuse bewegbar. In der Schließstellung ist zumindest ein Teilbereich des Umgehungskanals mittels des Ventilkörpers 10 fluidisch versperrt, so dass kein Abgas durch diesen versperrten Teilbereich strömen kann. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Umgehungskanal in der Schließstellung des Ventilkörpers 10 vollständig mittels des Ventilkörpers 10 versperrt ist, so dass kein Abgas den Umgehungskanal durchströmen kann.
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In der Offenstellung gibt der Ventilkörper 10 zumindest den Teilbereich beziehungsweise den Umgehungskanal frei, so dass zumindest ein Teil des Abgases in den Umgehungskanal einströmen und den Umgehungskanal durchströmen kann.
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Mittels des Verdichters wird die Luft auf einen so genannten Ladedruck verdichtet, weicher von der Leistung der Turbine abhängt. Die Leistung der Turbine hängt wiederum von dem durch das Abgas bewirkte Antreiben des Turbinenrads ab. Mittels des Ventilkörpers 10 beziehungsweise des Wastegates (Ventilelement) kann durch Freigeben und Versperren des Umgehungskanals die Leistung der Turbine eingestellt werden, so dass mittels des Ventilkörpers 10 in der Folge der Ladedruck des Abgasturboladers einstellbar, insbesondere regelbar, ist.
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Um nun das Gewicht des Ventilkörpers 10 und insbesondere des Ventilelements insgesamt besonders gering zu halten, ist der Ventilkörper 10 als Hohlprofil ausgebildet. Beispielsweise ist der Ventilkörper 10 einstückig ausgebildet. Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Ventilkörper 10 als Gussbauteil ausgebildet ist.
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Aus 1 ist erkennbar, dass der Ventilkörper 10 in Folge seiner Ausgestaltung als Hohlprofil einen Hohlquerschnitt in Form eines offenen Hohlquerschnitts 12 aufweist. Dadurch kann der Ventilkörper 10 auf besonders einfache Weise, insbesondere durch Gießen, hergestellt werden. Darüber hinaus kann eine geringe Wandstärke des Ventilkörpers 10 realisiert werden, so dass die Materialrissanfälligkeit des Ventilkörpers 10 besonders gering gehalten werden kann. Zudem kann der Ventilkörper 10 mit einem nur geringen Materialbedarf hergestellt werden, so dass sich eine kostengünstige Herstellung des Ventilkörpers 10 realisieren lässt.
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Ferner ist aus 1 erkennbar, dass der Ventilkörper 10 zumindest im Wesentlichen wannenförmig oder schalenförmig ausgebildet ist, wobei vorliegend der Hohlquerschnitt 12 durch eine Wandung 14 des Ventilkörpers 10 begrenzt ist. Vorliegend weist das Ventilelement ein als Bolzenteil 16 ausgebildetes Teil auf, welches mit dem Hohlprofil verbunden ist. Mit anderen Worten ist das Teil zumindest im Wesentlichen stiftförmig oder stabförmig beziehungsweise als Stabelement ausgebildet, so dass das Teil den Bolzenteil 16 bildet. Beispielsweise ist das Bolzenteil 16 einstückig mit dem Hohlprofil ausgebildet und dabei zumindest teilweise in dem offenen Hohlquerschnitt 12 angeordnet. Ferner ist aus 1 erkennbar, dass das Bolzenteil 16 von der seitlichen, den Hohlquerschnitt 12 zumindest teilweise begrenzenden Wandung 14 beabstandet ist.
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Über das Bolzenteil 16 ist der Ventilkörper 10 beispielsweise mit einer Kinematik koppelbar beziehungsweise – im fertig hergestellten Zustand der Turbine – gekoppelt, so dass der Ventilkörper 10 über das Bolzenteil 16 mittels der Kinematik zwischen der Schließstellung und der Offenstellung bewegbar, insbesondere verschwenkbar, ist.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Ventilelements. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich insbesondere dadurch von der ersten Ausführungsform, dass der Ventilkörper 10 beziehungsweise das Hohlprofil Versteifungsrippen 18 aufweist, wobei vorliegend genau drei Versteifungsrippen 18 vorgesehen sind. Die Versteifungsrippen 18 sind in Umfangsrichtung des Ventilkörpers 10 voneinander beabstandet angeordnet und vorzugsweise gleichmäßig verteilt. Die Versteifungsrippen 18 erstrecken sich jeweils von der seitlichen Wandung 14 zu dem Bolzenteil 16 und sind mit der Wandung 14 und dem Bolzenteil 16 verbunden, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass die Versteifungsrippen 18 einstückig mit dem Bolzenteil 16 ausgebildet sind. Durch die Versteifungsrippen 18 ist der offene Hohlquerschnitt 12 in drei Kammern 20 unterteilt, welche durch die Versteifungsrippen 18 voneinander getrennt sind. Hierdurch lässt sich eine besonders gute Steifigkeit des Ventilelements realisieren bei gleichzeitiger Realisierung eines nur geringen Gewichts des Ventilelements.
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Gemäß der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform weist das Hohlprofil zumindest im Wesentlichen die Form einer halben Hohlkugel, das heißt einer Hohlhalbkugel auf. Alternativ dazu sind jedoch jedwede andere Formen denkbar.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Turbine, insbesondere das Turbinenrad, wenigstens zwei von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Fluten aufweist, mittels welchen das Abgas in den Aufnahmeraum und somit zu dem Turbinenrad zu führen ist. Dabei weist die Turbine dabei beispielsweise wenigstens eine Überströmöffnung auf, über welche die Fluten fluidisch miteinander verbindbar sind. Um die Teileanzahl, das Gewicht und die Kosten der Turbine besonders gering zu halten, ist mittels des Ventilelements, insbesondere mittels des Ventilkörpers 10, sowohl die Menge des Umgehungskanal durchströmenden Abgases als auch eine zweite Menge des die Überströmöffnung durchströmenden Abgases einstellbar.
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Der Ventilkörper 10 wird somit nicht nur dazu genutzt, die Menge des den Umgehungskanal durchströmende Abgases einzustellen, sondern der Ventilkörper 10 wird auch dazu genutzt, die die Überströmöffnung durchströmende Menge des Abgases einzustellen. Somit wird der Ventilkörper 10 zum bedarfsgerechten Trennen und Verbinden der Fluten genutzt.
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In der Schließstellung des Ventilkörpers 10 ist der Umgehungskanal beispielsweise fluidisch mittels des Ventilkörpers 10 versperrt. In der Offenstellung gibt der Ventilkörper 10 den Umgehungskanal und die Überströmöffnung beispielsweise jeweils zumindest bereichsweise frei. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Ventilkörper 10 in der Schließstellung den Umgehungskanal verschließt und die Überströmöffnung zumindest teilweise freigibt. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das Ventilelement in der Schließstellung den Umgehungskanal fluidisch versperrt, das heißt verschließt, einen ersten Teilbereich der Überströmöffnung freigibt und einen sich an den ersten Teilbereich anschließenden, zweiten Teilbereich der Überströmöffnung fluidisch versperrt. Dies bedeutet, dass in der Schließstellung des Ventilkörpers 10 der Umgehungskanal fluidisch versperrt ist. Ferner ist der zweite Teilbereich fluidisch versperrt, so dass der zweite Teilbereich der Überströmöffnung nicht von Abgas durchströmt werden kann. Der erste Teilbereich ist in der Schließstellung jedoch freigegeben, so dass die Fluten auch in der Schließstellung des Ventilkörpers 10 über den ersten Teilbereich fluidisch miteinander verbunden sind.
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In der Offenstellung umgibt das Ventilelement den Umgehungskanal und den zweiten Teilbereich frei, so dass die Fluten in der Offenstellung des Ventilkörpers 10 nicht nur über den ersten Teilbereich, sondern auch über den zweiten Teilbereich fluidisch miteinander verbunden sind. Somit sind die Fluten in der Offenstellung gegenüber der Schließstellung stärker fluidisch miteinander verbunden.
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Insbesondere bei einer solchen Doppelfunktion des Ventilkörpers 10 ist üblicherweise eine massive Ausgestaltung vorgesehen, was zu einem hohen Gewicht führt. Da der Ventilkörper 10 nun jedoch als Hohlprofil ausgebildet ist, kann sein Gewicht gering gehalten werden. Dadurch können auch Belastungen, welche durch Schwingungen und Abgaspulsationen verursacht werden und auf den Ventilkörper 10 und über diesen auf die Kinematik wirken, besonders gering gehalten werden. Zudem können übermäßige Materialanhäufungen vermieden werden, so dass die Gefahr von durch thermomechanische Belastungen bewirkten Rissen besonders gering gehalten werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ventilkörper
- 12
- Hohlquerschnitt
- 14
- Wandung
- 16
- Bolzenteil
- 18
- Versteifungsrippe
- 20
- Kammer
