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Die Erfindung betrifft ein Ventilelement für eine Turbine eines Abgasturboladers.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, Verbrennungskraftmaschinen für Kraftwagen mit Abgasturboladern auszustatten, um die jeweilige Verbrennungskraftmaschine mit verdichteter Luft zu versorgen. Hierzu umfasst der Abgasturbolader eine von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbare Turbine sowie einen von der Turbine antreibbaren Verdichter, mittels welchem Luft verdichtet werden kann. Die verdichtete Luft kann der Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden. Da der Verdichter von der Turbine antreibbar ist, kann im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden. Dadurch kann ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden.
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Die Turbine weist beispielsweise zwei von dem Abgas durchströmbare Fluten auf, mittels welchen das Abgas zu einem Turbinenrad der Turbine geführt wird. Ferner ist es bekannt, eine solche Turbine mit einer Ventileinrichtung auszustatten, welche auch als Wastegate bezeichnet wird. Mittels der Ventileinrichtung ist der Ladedruck des Abgasturboladers einstellbar. Hierfür umfasst die Ventileinrichtung üblicherweise ein Ventilelement mit einem Ventilkörper, welcher relativ zu einem Gehäuse der Turbine bewegbar ist. Ferner umfasst die Ventileinrichtung wenigstens einen Umgehungskanal, welcher von Abgas durchströmbar ist. Das den Umgehungskanal durchströmende Abgas umgeht das Turbinenrad und treibt das Turbinenrad somit nicht an. Dabei kann mittels des Ventilelements eine Menge des den Umgehungskanal durchströmenden Abgases eingestellt werden, wodurch der Ladedruck einstellbar ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ventilelement zu schaffen, mittels welchem sich ein besonders vorteilhafter Betrieb einer Turbine des Abgasturboladers realisieren lässt.
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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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Das erfindungsgemäße Ventilelement für eine wenigstens zwei von Abgas durchströmbare Fluten aufweisende Turbine eines Abgasturboladers weist einen Ventilkörper auf, welcher eine erste Dichtfläche aufweist. Die erste Dichtfläche liegt zum fluidischen Trennen der Fluten voneinander in einer Schließstellung des Ventilkörpers an einer korrespondierenden zweiten Dichtfläche der Turbine an. Mit anderen Worten, befindet sich der Ventilkörper im fertig hergestellten Zustand der Turbine in der Schließstellung, so liegt die erste Dichtfläche an der zweiten Dichtfläche an, sodass die von Abgas durchströmbaren Fluten mittels der Dichtflächen fluidisch voneinander getrennt sind.
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Wird der Ventilkörper beispielsweise derart aus der Schließstellung bewegt, dass die erste Dichtfläche nicht mehr an der zweiten Dichtfläche anliegt, so sind die Fluten fluidisch miteinander verbunden. In diesem Zustand kann beispielsweise eine Stauaufladung realisiert werden. Durch das fluidische Trennen der Fluten voneinander ist eine Stoßaufladung bewirkbar. Mittels des Ventilkörpers und somit des erfindungsgemäßen Ventilelements ist es somit möglich, bedarfsgerecht zwischen der Stoßaufladung und der Stauaufladung umzuschalten.
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Der Ventilkörper ist dabei als Hohlkörper ausgebildet und weist in einem sich an die erste Dichtfläche anschließenden Teilbereich eine Durchgangsöffnung auf, welche durch zwei sich in senkrecht zueinander verlaufenden Ebenen erstreckenden Wandungen des Ventilkörpers begrenzt ist. Im fertig hergestellten Zustand der Turbine ist das Ventilelement beispielsweise mit einer Kinematik gekoppelt, mittels welcher der Ventilkörper zwischen der Schließstellung und wenigstens einer weiteren, von der Schließstellung unterschiedlichen Stellung bewegbar ist. Da der Ventilkörper in dem Teilbereich die Durchgangsöffnung aufweist und infolge dessen als ein Hohlkörper ausgebildet werden kann beziehungsweise ausgebildet ist, kann das Gewicht des Ventilkörpers gering gehalten werden. In der Folge können Belastungen, die von dem Ventilkörper auf die genannte Kinematik wirken, besonders gering gehalten werden, sodass sich ein besonders geringer Verschleiß und eine hohe Funktionserfüllungssicherheit auch über eine hohe Lebensdauer der Turbine hinweg realisieren lassen.
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Darüber hinaus kann der Ventilkörper mit einer zumindest im Wesentlichen gleichmäßigen Materialwandstärke ausgestaltet werden, sodass die Materialrissanfälligkeit gering gehalten werden kann. In der Folge kann eine besonders hohe thermomechanische Festigkeit des Ventilkörpers realisiert werden, was dem vorteilhaften Betrieb der Turbine zugutekommt. Außerdem kann der Materialbedarf zum Herstellen des Ventilkörpers gering gehalten werden, sodass der Ventilkörper kostengünstig hergestellt werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels 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 Seitenansicht eines Ventilelements für eine Turbine eines Abgasturboladers, mit einem Ventilkörper, mittels welchem eine Menge eines einen Umgehungskanal der Turbine durchströmenden Abgases einstellbar sowie zwei Fluten der Turbine fluidisch voneinander zu trennen und fluidisch miteinander verbindbar sind;
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2 eine schematische Perspektivansicht des Ventilelements;
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3 eine weitere schematische Seitenansicht des Ventilelements; und
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4 eine weitere schematische Perspektivansicht des Ventilelements.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Ventilelement für eine Turbine eines Abgasturboladers. Die Turbine ist vorzugsweise als Radialturbine ausgebildet, wobei der Abgasturbolader Bestandteil einer Verbrennungskraftmaschine zum Antreiben eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, ist. Die Turbine ist dabei in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet, wobei der Abgastrakt von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar ist. Demzufolge ist auch die Turbine von dem Abgas durchströmbar und antreibbar. Der Abgasturbolader umfasst ferner einen Verdichter, welcher in einem von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Dabei ist die Luft mittels des Verdichters auf einen einstellbaren Ladedruck zu verdichten. Zum Verdichten der Luft ist der Verdichter von der Turbine antreibbar, sodass im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden kann.
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Die Turbine weist ein in 4 besonders schematisch und ausschnittsweise dargestelltes Gehäuse 12 auf, welches auch als Turbinengehäuse bezeichnet wird. In Zusammenschau mit 3 ist erkennbar, dass die Turbine, insbesondere das Turbinengehäuse, zwei von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Fluten 14 und 16 aufweist. Richtungspfeile 18 veranschaulichen dabei das die Fluten 14 und 16 durchströmende Abgas. Das Turbinengehäuse weist ferner einen in den Fig. nicht erkennbaren Aufnahmeraum auf, in dem ein Turbinenrad der Turbine drehbar aufgenommen ist. Mittels der Fluten 14 und 16 wird das Abgas zu dem beziehungsweise in den Aufnahmeraum und somit zu dem Turbinenrad geführt, sodass das Turbinenrad von dem Abgas angetrieben werden kann beziehungsweise angetrieben wird.
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Das Turbinenrad ist Bestandteil eines Rotors des Abgasturboladers, wobei der Rotor auch eine Welle und ein Verdichterrad umfasst. Dabei weist der Verdichter ein Verdichtergehäuse mit einem Aufnahmeraum auf, in dem das Verdichterrad drehbar aufgenommen ist. Das Verdichterrad ist dabei um eine Drehachse relativ zu dem Verdichtergehäuse drehbar, wobei das Turbinenrad um die gleiche Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse drehbar ist. Das Turbinenrad und das Verdichterrad sind mit der Welle drehfest verbunden, sodass das Verdichterrad über die Welle von dem Turbinenrad angetrieben werden kann.
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Das Ventilelement 10 weist einen besonders gut aus 2 erkennbaren Ventilkörper 20 auf, wobei das Ventilelement 10 und somit der Ventilkörper 20 zwischen wenigstens einer in 3 veranschaulichten Schließstellung und wenigstens einer in 4 veranschaulichten Offenstellung relativ zu dem Turbinengehäuse bewegbar sind. Dabei ist das Ventilelement 10 um eine aus 3 erkennbare Schwenkachse 22 relativ zu dem Gehäuse 12 verschwenkbar. Hierzu ist das Ventilelement 10 beispielsweise mit einer in den Fig. nicht dargestellten Kinematik gekoppelt, wobei diese Kinematik beispielsweise ein von einem Aktor bewegbares Hebelelement umfasst. Das Hebelelement ist mittels des Aktors um die Schwenkachse 22 verschwenkbar und mit dem Ventilelement 10 gekoppelt, sodass das Ventilelement 10 über das Hebelelement verschwenkbar ist. Insgesamt ist das Ventilelement 10, insbesondere der Ventilkörper 20, mittels der Kinematik zwischen der wenigstens einen Schließstellung und der wenigstens einen Offenstellung verschwenkbar.
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Aus 2 ist erkennbar, dass der Ventilkörper 20 eine erste Dichtfläche 24 aufweist, die zum fluidischen Trennen der Fluten 14 und 16 in der wenigstens einen Schließstellung des Ventilelements 10 und somit des Ventilkörpers 20 an einer korrespondierenden und besonders gut aus 4 erkennbaren, zweiten Dichtfläche 26 der Turbine und vorliegend des Turbinengehäuses anliegt. Mit anderen Worten, werden das Ventilelement 10 und somit der Ventilkörper 20 aus der wenigstens einen Offenstellung in die wenigstens eine Schließstellung bewegt, so werden dadurch die Dichtflächen 24 und 26 in Zusammenwirken bewegt, sodass die Dichtflächen 24 und 26 aneinander anliegen. Dadurch sind die Fluten 14 und 16 zumindest in einem die Dichtfläche 26 umfassenden Bereich 29 mittels des Ventilkörpers 20 fluidisch voneinander getrennt, wodurch beispielsweise eine Stoßaufladung beziehungsweise ein Stoßaufladebetrieb der Turbine und somit des Abgasturboladers insgesamt bewirkbar ist.
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In der wenigstens einen Offenstellung wirken die Dichtflächen 24 und 26 nicht mehr zusammen, da die Dichtflächen 24 und 26 nicht mehr aneinander anliegen. Dadurch sind die Fluten 14 und 16 zumindest in dem Bereich 29 fluidisch miteinander verbunden, sodass beispielsweise in dem Bereich 29 Abgas aus der Flut 14 in die Flut 16 überströmen kann beziehungsweise umgekehrt. Bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases in Richtung des Turbinenrads ist der Bereich 29 stromauf des Turbinenrads angeordnet, sodass die Fluten 14 und 16 mittels des Ventilkörpers 20 in dem stromauf des Turbinenrads angeordneten Bereich 29 bedarfsgerecht fluidisch miteinander verbunden und fluidisch voneinander getrennt werden können. Durch das fluidische Verbinden der Fluten 14 und 16 ist eine Stauaufladung beziehungsweise ein Stauaufladebetrieb der Turbine und somit des Abgasturboladers insgesamt darstellbar, sodass ein besonders vorteilhafter und bedarfsgerechter Betrieb der Turbine realisiert werden kann.
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Das Ventilelement 10, insbesondere der Ventilkörper 20, wird nicht nur zum fluidischen Trennen und fluidischen Verbinden der Fluten 14 und 16, sondern auch zum Einstellen einer einen Umgehungskanal der Turbine durchströmenden Menge des Abgases verwendet. Mit anderen Worten weist die Turbine, insbesondere das Turbinengehäuse, den genannten Umgehungskanal auf, welcher zumindest von einem Teil des Abgases durchströmt werden kann. Der Umgehungskanal dient der Umgehung des Turbinenrads. Dies bedeutet, dass das den Umgehungskanal durchströmende Abgas das Turbinenrad nicht anströmt und demzufolge nicht antreibt, sondern das den Umgehungskanal durchströmende Abgas wird an dem Turbinenrad vorbeigeleitet beziehungsweise um dieses geführt, ohne das Turbinenrad anzutreiben. Durch das Einstellen der den Umgehungskanal durchströmenden Menge des Abgases kann der zuvor genannte Ladedruck eingestellt werden. Der Umgehungskanal wird auch als Wastegate bezeichnet, wobei der Ventilkörper 20 beziehungsweise das Ventilelement 10 ein Wastegate-Ventil ist.
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Zum Einstellen der Menge des den Umgehungskanal durchströmenden Abgases weist der Ventilkörper 20 wenigstens eine dritte Dichtfläche 27 auf, welche – wie aus 3 erkennbar ist – in der Schließstellung mit wenigstens einer korrespondierenden, vierten Dichtfläche 28 der Turbine, insbesondere des Turbinengehäuses, zusammenwirkt, indem die dritte Dichtfläche 27 in der Schließstellung an der vierten Dichtfläche 28 anliegt. Hierdurch ist der Umgehungskanal mittels des Ventilelements 10, insbesondere des Ventilkörpers 20, fluidisch versperrt, sodass der Umgehungskanal nicht von Abgas durchströmt werden kann. Durch Bewegen des Ventilkörpers 20 aus der Schließstellung in die Offenstellung wird beispielsweise der Umgehungskanal freigegeben, sodass der Umgehungskanal von Abgas durchströmt werden kann. Aus 1 und 2 ist besonders gut erkennbar, dass das Ventilelement 10 einen vom Ventilkörper 20 abstehenden Zapfen 30 aufweist, über den das Ventilelement 10 beispielsweise mit der zuvor genannten Kinematik verbunden ist.
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Um nun einen besonders vorteilhaften Betrieb der Turbine zu realisieren, ist der Ventilkörper 20 als Hohlkörper ausgebildet. Ferner weist der Ventilkörper 20 in einem sich an die erste Dichtfläche 24 anschließenden Teilbereich 32 (1 und 2) eine Durchgangsöffnung 34 auf, welche durch zwei sich in senkrecht zueinander verlaufenden Ebenen erstreckenden Wandungen 36 und 38 begrenzt ist. Mit anderen Worten erstreckt sich die Wandung 36 in einer ersten, gedachten Ebene, wobei sich die Wandung 38 in einer zweiten, gedachten Ebene erstreckt. Die erste Ebene verläuft dabei senkrecht zur zweiten Ebene beziehungsweise umgekehrt, wobei vorliegend die erste gedachte Ebene senkrecht zur axialen Richtung des Zapfens 30 verläuft. Der Ventilkörper 20 kann somit mit einem nur geringen Materialaufwand hergestellt werden, sodass eine zumindest im Wesentlichen gleichmäßige Materialwandstärke sowie ein geringes Gewicht des Ventilkörpers 20 realisiert werden können. Ferner kann die Materialrissanfälligkeit des Ventilkörpers 20 gering gehalten werden, sodass eine besonders hohe thermomechanische Festigkeit realisiert werden kann.
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In der Folge können Belastungen, die insbesondere während des Betriebs der Turbine von dem Ventilkörper 20 auf die genannte Kinematik wirken, gering gehalten werden, sodass eine besonders hohe Funktionserfüllungssicherheit auch über eine hohe Lebensdauer der Turbine realisiert werden kann. Dies bedeutet, dass mittels des Ventilkörpers 20 die Menge des den Umgehungskanal durchströmenden Abgases präzise eingestellt werden kann und dass die Fluten 14 und 16 bedarfsgerecht getrennt und verbunden werden können, auch über eine hohe Lebensdauer der Turbine hinweg. Beispielsweise umfasst die Kinematik eine Welle, welche auch als Wastegate-Welle bezeichnet wird und um die Schwenkachse 22 verschwenkbar beziehungsweise drehbar ist.
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Der Ventilkörper 20 ist beispielsweise in dem Teilbereich 32 beschnitten, um dadurch die Durchgangsöffnung 34 und die Wandungen 36 und 38 entsprechend auszubilden. Besonders gut aus 1 und 2 ist erkennbar, dass der Ventilkörper 20 vorliegend als Kugelsegment und dabei als hohle Halbkugel ausgebildet ist. Der Ventilkörper 20 kann jedoch eine davon unterschiedliche Geometrie aufweisen und beispielsweise als Kugel, Zylinder, Kegel oder Kegelsegment ausgebildet sein oder eine davon unterschiedliche Form aufweisen. Ferner ist es denkbar, dass der Ventilkörper 20 eine Freiform aufweist.
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Besonders gut aus 3 ist erkennbar, dass die Wandungen 36 und 38 unterschiedliche Erstreckungen aufweisen. Die Wandung 38 ist weiter von der Schwenkachse 22 beabstandet als die Wandung 36, wobei die Wandung 38 kürzer als die Wandung 36 ist. Die Wandungen 36 und 38 stellen jeweilige Schenkel dar, wobei die Wandung 38 insbesondere aufgrund der entsprechenden geometrischen Bedingungen kürzer ausgeführt werden kann als die Wandung 36. Die zur Schwenkachse 22 nähere Wandung 36 führt bei gleicher Drehung des Ventilkörpers 20 kürzere Wege aus als die Wandung 38.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ventilelement
- 12
- Gehäuse
- 14
- Flut
- 16
- Flut
- 18
- Richtungspfeil
- 20
- Ventilkörper
- 22
- Schwenkachse
- 24
- erste Dichtfläche
- 26
- zweite Dichtfläche
- 27
- dritte Dichtfläche
- 28
- vierte Dichtfläche
- 29
- Bereich
- 30
- Zapfen
- 32
- Teilbereich
- 34
- Durchgangsöffnung
- 36
- Wandung
- 38
- Wandung
