DE102017201348A1

DE102017201348A1 - Ventileinrichtung, insbesondere für einen Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102017201348A1
Application number: DE102017201348.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Bürkle; Steffen Kurz; Johannes Ritzinger; Philipp Schäfer; Thomas Striedelmeyer
Original assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2017-01-27
Filing date: 2017-01-27
Publication date: 2018-08-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung (1), insbesondere für einen Abgasturbolader (100). Die Ventileinrichtung (1) umfasst ein Gehäuse (2), welches einen als Fluidpfad zum Durchströmen mit einem Fluid (F) ausbildeten Gehäuseinnenraum (3) begrenzt. Im ist ein Gehäuseinnenraum (3) Ventilkörper (4) angeordnet, der verstellbar ist zwischen einer Schließstellung, in welcher er eine vom Gehäuse (2) begrenzte Ventilöffnung (5) fluiddicht verschließt, und einer Offenstellung, in welcher er diese Ventilöffnung (5) zum Durchströmen mit dem Fluid (F) freigibt. Ferner ist im Gehäuseinnenraum (3) ein Aktuator (6) angeordnet, der mit dem Ventilkörper (4) zum Verstellen zwischen der Schließstellung und der Offenstellung in Wirkverbindung steht.

Description

In mehrstufigen Abgasturboladersystemen werden zur Umgehung der Verdichterstufe mit Hilfe eines Bypass-Kanals unterschiedliche Arten von Ventileinrichtungen eingesetzt, um den Gasstrom durch den Bypasskanal zu steuern. Üblich sind sogenannte Klappensysteme, bei denen ähnlich einem Wastegate-Ventil eine Ventilklappe mithilfe eines externen Aktuators verstellt wird, der über eine Kinematik mit der Ventilklappe verbunden ist. Als nachteilig bei solchen als „aktive Ventile“ bezeichneten Ventileinrichtungen erweist sich, dass diese relativ komplex und somit störanfällig aufgebaut sind und viel Bauraum benötigen.
Üblich sind daher auch sogenannte passive, selbstregelnde Ventilsysteme. Bei diesen passiven Ventilsystemen wird ein Ventilkörper von dem durch den BypassKanal strömenden Gas zum Verschließen einer Ventilöffnung der Ventileinrichtung in einen Ventilsitz gedrückt. Ändern sich die Druckverhältnisse am Ventilsitz, so kann der Ventilkörper etwa aufgrund eines sich am Ventilsitz bildenden Staudrucks wieder vom Ventilsitz weg bewegt und die Ventilöffnung auf diese Weise geöffnet werden. Als nachteilig an solchen passiven Ventileinrichtungen erweist sich, dass die Möglichkeit der Steuerung des Ventilkörpers von außen gar nicht oder nur in begrenztem Maße möglich ist.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für eine Ventileinrichtung zur Verwendung in einem Abgasturbolader zu schaffen, bei welcher die vorangehend angesprochenen, in aktiven und passiven Ventileinrichtungen auftretenden Nachteile weitgehend oder sogar vollständig beseitigt sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, eine Ventileinrichtung zum wahlweisen Öffnen oder Schließen eines von einem Gas durchströmbaren Fluidpfades in einem Abgasturbolader in der Art eines aktiv steuerbaren Rückschlag- oder Kugelventils auszubilden. Erfindungsgemäß ist dabei ein Aktuator zum Betätigen des Ventilkörpers ebenso wie der Ventilkörper selbst vollständig im Fluidpfad angeordnet. Auf diese Weise kann einerseits der für die Ventileinrichtung benötigte Bauraum sehr gering gehalten werden, andererseits ist aber auch eine hochpräzise Steuerung des Ventils sichergestellt. Der Aktuator zum Verstellen des Ventilkörpers der Ventileinrichtung zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung kann dabei insbesondere pneumatisch, hydraulisch oder elektromagnetisch ausgebildet sein. In den hier vorgestellten, erfindungsgemäßen Ventileinrichtungen sind also die Vorteile eines herkömmlichen, passiven Ventils, insbesondere in der Art eines Kugelventils bzw. Rückstellventils - nämlich der geringe Bedarf an Bauraum - mit den Vorteilen eines aktiven Ventils mit einer Ventilklappe einschließlich einem externen Stellglied - nämlich die aktive Steuerung des Ventilkörpers - vereint. Die vorgestellte Ventileinrichtung eignet sich daher besonders zur Verwendung als Bypass-Ventil in einem Abgasturbolader. Insbesondere kann die hier vorgestellte Ventileinrichtung in einem mehrstufigen Abgasturbolader mit einer Hochdruckstufe und einer Niederdruckstufe eingesetzt werden, um den Hochdruckverdichter bzw. nachfolgenden Verdichterstufen zu umgehen.
Eine erfindungsgemäße Ventileinrichtung, insbesondere für einen Abgasturbolader, umfasst ein Gehäuse, welches einen als Fluidpfad zum Durchströmen mit einem Fluid ausgebildeten Gehäuseinnenraum begrenzt. Im Gehäuseinnenraum, also im Fluidpfad, ist ein Ventilkörper angeordnet, der verstellbar ist zwischen einer Schließstellung, in welcher er eine vom Gehäuse begrenzte Ventilöffnung fluiddicht verschließt, und einer Offenstellung, in welcher er diese Ventilöffnung zum Durchströmen mit dem Fluid freigibt. Im Gehäuseinnenraum ist ferner ein Aktuator angeordnet, der mit dem Ventilkörper zum Verstellen zwischen der Schließstellung und der Offenstellung in Wirkverbindung steht. Hierzu kann der Ventilkörper mit dem Aktuator mechanisch gekoppelt sein. Besonders zweckmäßig ist der Aktuator von außerhalb des Gehäuses steuerbar ausgebildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Aktuator ein im Gehäuseinnenraum angeordnetes Aktuatorgehäuse, in welchem ein mit dem Ventilkörper gekoppeltes Aktuatorelement teilweise aufgenommen ist. Das Aktuatorelement steht zur mechanischen Kopplung mit dem Ventilkörper, der außerhalb des Aktuatorgehäuses im Gehäuseinnenraum angeordnet ist, aus dem Aktuatorgehäuse heraus vor. Auf diese Weise kann die Kinematik zur Kopplung des Aktuators mit dem Ventilkörper besonders einfach und somit kostengünstig realisiert werden
Bevorzugt ist das Aktuatorelement, besonders bevorzugt linear, verstellbar zwischen einer ersten und einer zweiten Position. In der ersten Position befindet sich der mit dem Aktuatorelement gekoppelte Ventilkörper in der Schließstellung. In der zweiten Position befindet sich der mit dem Aktuatorelement gekoppelte Ventilkörper in der Offenstellung. In einer alternativen Variante ist auch eine umgekehrte Zuordnung der beiden Positionen des Aktuatorelements zu Schließstellung und Offenstellung des Ventilkörpers denkbar.
Besonders zweckmäßig ragt das Aktuatorelement in der ersten Position weiter aus dem Aktuatorgehäuse heraus als in der zweiten Position, oder umgekehrt. Eine solche Kopplung von Aktuator und Ventilkörper miteinander ermöglicht eine präzise Verstellung des Ventilkörpers zwischen der Offenstellung und der Schließstellung einschließlich einer Vielzahl von Zwischenstellungen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich das Gehäuse entlang einer Längsrichtung, entlang welcher sowohl das Aktuatorelement als auch der Ventilkörper gemeinsam verstellbar sind. Diese Variante erfordert besonders wenig Bauraum.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Aktuatorelement als Aktuatorstab ausgebildet. Der Aktuatorstab ragt bei dieser Weiterbildung durch einen Durchbruch, welcher in einer dem Ventilkörper zugewandten Aktuatorgehäusewand vorhanden ist, aus dem Aktuatorgehäuse heraus, und ist auf diese Weise mit einem vom Aktuatorgehäuse abgewandten Längsende mit dem außerhalb des Aktuatorgehäuses angeordneten Ventilkörper verbunden. Auch bei dieser Variante ist der Bedarf an Bauraum, insbesondere für den Aktuator mit dem Aktuatorelement, gering.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist auf einer dem Aktuatorgehäuse zugewandten Seite des Ventilkörpers eine Aufnahme ausgebildet, in welcher das Aktuatorelement, vorzugsweise der Aktuatorstab, mit dem vom Aktuatorgehäuse abgewandten Längsende aufgenommen ist. Mittels dieser Maßnahme kann der Aktuator dauerhaft mechanisch stabil mit dem Ventilkörper verbunden werden.
Besonders bevorzugt ist der Ventilkörper, vorzugsweise entlang der Längsrichtung, im Abstand zum Aktuatorgehäuse angeordnet und mittels des Aktuatorelements mit dem Aktuatorgehäuse verbunden. Auf diese Weise kann bei geeigneter Dimensionierung des Gehäuses sichergestellt werden, dass zwischen dem Aktuatorgehäuse und dem Gehäuse der Ventileinrichtung genügend Volumen für das durch den Gehäuseinnenraum strömende Fluid zur Verfügung steht.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist im Aktuatorgehäuse eine Vorspanneinrichtung, vorzugsweise ein federelastisches Element, angeordnet, welche das Aktuatorelement zur ersten oder zweiten Position hin vorspannt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass im Falle einer Funktionsstörung oder eines Totalausfalls des Aktuators und somit auch des Ventilkörpers eine definierte Position eingenommen wird. Mittels der Vorspanneinrichtung in der Ventileinrichtung kann eine „Fail-Safe“-Option realisiert werden.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Aktuator als elektromagnetischer Aktuator ausgebildet, welcher zumindest ein von außen elektrisch bestrombares Spulenelement sowie zumindest einen magnetischen Körper umfasst. Der zumindest eine magnetische Körper ist bei dieser Ausführungsform zum Verstellen des Aktuatorelements magnetisch mit dem elektrisch bestrombaren Spulenelement gekoppelt. Das Spulenelement und der magnetische Körper sind relativ zueinander verstellbar. Hierzu ist das elektrische Spulenelement ortsfest mit dem Aktuatorelement und der zumindest eine magnetische Körper ortsfest mit dem Aktuatorgehäuse verbunden, oder umgekehrt. Die Realisierung des Aktuator als elektromagnetischer Aktuator erlaubt eine präzise Verstellung des Aktuatorelements in die erste oder zweite Position sowie in eine Vielzahl von Zwischenpositionen zwischen der ersten und der zweiten Position. Gleiches gilt somit für den mit dem Aktuatorelement gekoppelten Ventilkörper beim Verstellen zwischen der Schließstellung und der Offenstellung.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist im Gehäuseinnenraum eine elektrische Durchführung angeordnet, über welche die elektrischen Spulenelemente elektrisch in eine äußere Umgebung des Gehäuses durchgeführt sind. Hierzu verbindet besagte elektrische Durchführung das Aktuatorgehäuse durch den Gehäuseinnenraum hindurch mit dem Gehäuse der Ventileinrichtung. Mittels einer solchen Durchführung kann der Aufwand bei der elektrischen Verdrahtung des elektromagnetischen Aktuator gering gehalten werden. Gleichzeitig kann die Durchführung auch dazu verwendet werden, den Aktuator stabil am (äußeren) Gehäuse der Ventileinrichtung zu fixieren. Die elektrische Durchführung kann einen mechanisch starren Grundkörper umfassen, durch welchen elektrische Leitungspfade elektrisch isoliert zueinander geführt sind.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Aktuator als pneumatisch oder hydraulisch betätigbarer Aktuator ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform ist in dem vom Aktuatorgehäuse begrenzten Aktuatorgehäuseinnenraum ein von außen mit einem Gas oder einer Flüssigkeit druckbeaufschlagbarer (erster) Teilraum variablen Volumens ausgebildet. Auch die Realisierung als pneumatisch oder hydraulisch betätigbarer Aktuator ermöglicht ebenso wie die Realisierung als elektromagnetische Aktuator eine präzise Verstellung des Aktuatorelements und somit auch des Ventilkörpers. Voranstehende Erläuterungen zum elektromagnetischen Aktuator gelten somit hinsichtlich der Genauigkeit, mit welcher das Aktuatorelement und der Ventilkörper verstellt werden können, mutatis mutandis auch für den pneumatisch oder hydraulisch betätigbaren Aktuator.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der (erste) Teilraum variablen Volumens von einer im Aktuatorgehäuseinnenraum verstellbar angeordneten Innenwandung begrenzt, an welcher das Aktuatorelement angebracht ist.
Vorzugsweise umfasst die Innenwandung eine Membran aus einem flexiblen Material oder ist eine solche Membran. In beiden Varianten ist die Membran mit einem äußeren Rand am Aktuatorgehäuse befestigt. Eine solche Membran aus einem flexiblen Material ermöglicht auf einfache Weise eine Realisierung des ersten Teilraums derart, dass dessen Volumen bei Befüllung mit einem druckbeaufschlagten Gas bzw. einer druckbeaufschlagten Flüssigkeit variiert werden kann.
Mit einer solchen Variation des Volumens geht auch eine Bewegung der Membran, also der Innenwand einher, an welcher das Aktuatorelement angebracht ist. Somit kann durch Einleiten oder Ausleiten des druckbeaufschlagten Gases bzw. der druckbeaufschlagten Flüssigkeit in den ersten Teilraum bzw. aus dem ersten Teilraum eine Bewegung der Membran und somit auch des Aktuatorelements zwischen seiner ersten und seiner zweiten Position bewirkt werden. Auch kann die Membran durch Ansteuerung mittels Unterdruck bewegt werden.
Bei einer vorteilhaften weiteren Weiterbildung ist das Aktuatorelement, vorzugsweise der Aktuatorstab, zur Befestigung am Aktuatorgehäuse starr mit einem Fixierkörper verbunden. Bei dieser Weiterbildung ist der Fixierkörper im Abstand zum Aktuatorgehäuse an der Membran aus dem flexiblen Material befestigt. Ein solcher Fixierkörper stellt, der Funktionsweise eines Adapters entsprechend, sicher, dass das starre Aktuatorelement bzw. der als starrer Körper ausgebildete Aktuatorstab stabil an der flexiblen Membran angebracht werden können. Insbesondere kann eine Beschädigung der Membran im Zuge der Bewegung des Aktuatorelements bzw. Aktuatorstabs, insbesondere eine Rissbildung in der Membran, auf diese Weise verhindert werden.
Besonders bevorzugt stützt sich die Vorspanneinrichtung am Fixierkörper ab. Auf diese Weise kann eine Beschädigung der Membran durch die Vorspanneinrichtung, wenn diese als Aktuatorelement bzw. den Aktuatorstab in die erste oder zweite Position vorspannt, vermieden werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung unterteilt die Membran den Aktuatorgehäuseinnenraum in den von außen mit einem druckbeaufschlagten Gas bzw. mit einer druckbeaufschlagten Flüssigkeit befüllbaren ersten Teilraum variablen Volumens, und in einen zweiten Teilraum, der ebenfalls ein variables Volumen besitzt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist im Gehäuseinnenraum eine pneumatische oder hydraulische Durchführung angeordnet, über welche der (erste) Teilraum zum Befüllen mit einem druckbeaufschlagbaren Gas fluidisch mit der äußeren Umgebung des Gehäuses kommuniziert. Hierzu verbindet besagte pneumatische bzw. hydraulische Durchführung das Aktuatorgehäuse durch den Gehäuseinnenraum hindurch mit dem Gehäuse der Ventileinrichtung. Mittels einer solchen pneumatischen bzw. hydraulischen Durchführung kann auf einfache Weise von außen das druckbeaufschlagte Gas bzw. die druckbeaufschlagte Flüssigkeit in den ersten Teilraum des Aktuatorgehäuseinnenraums eingeleitet werden. Gleichzeitig kann die Durchführung auch dazu verwendet werden, das Aktuatorgehäuse stabil am (äußeren) Gehäuse der Ventileinrichtung zu fixieren. Die pneumatische bzw. hydraulische Durchführung kann insbesondere als von dem druckbeaufschlagten Gas bzw. als von der druckbeaufschlagten Flüssigkeit durchströmbarer Rohrkörper ausgebildet sein.
Zweckmäßig kann die Vorspanneinrichtung im ersten Teilraum angeordnet sein und sich an der Innenwandung, insbesondere an der Membran, abstützen.
Besonders bevorzugt ist das Aktuatorgehäuse im Abstand zum Gehäuse der Ventileinrichtung im Gehäuseinnenraum angeordnet. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Aktuator vollständig von dem durch den Gehäuseinnenraum strömenden Fluide umströmt werden kann. Ein unerwünschter Druckabfall des Fluid am Aktuator bzw. am Aktuatorgehäuse kann auf diese Weise weitgehend oder sogar vollständig vermieden werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist der Ventilkörper in einem Längsschnitt entlang der Längsrichtung die Geometrie eines Kegelschnittsegments auf. Bei dieser Weiterbildung ist die Sehne des Kegelschnittsegments dem Aktuatorgehäuse zugewandt. Der Bogen des Kegelschnittsegments ist der zu verschließenden Ventilöffnung, vorzugsweise dem Ventilsitz, zugewandt. Der Bogen des Kegelschnittsegments kann einen runden, insbesondere eine kreisrunden, einen elliptischen, eine parabolischen oder eine hyperbolischen Konturverlauf aufweisen.
Diese Geometrie erweist sich als vorteilhaft, wenn sich der Ventilkörper in der Offenstellung befindet, da der Bogen des Ventilkörpers in der Art eines Ablenkelements wirkt, sodass sich ein vorteilhafter Strömungsverlauf in dem auf den Ventilkörper treffenden Fluid ergibt. Insbesondere kann die unerwünschte Ausbildung von Strömungswirbeln weitgehend oder sogar vollständig unterbunden werden.
Die Erfindung betrifft ferner einen Abgasturbolader mit einer vorangehend vorgestellten Ventileinrichtung. Der erfindungsgemäße Abgasturbolader umfasst einen Verdichter zum Durchströmen mit Frischluft und mit einer Turbine zum Durchströmen mit Abgas. Ferner umfasst der Abgasturbolader einen Verdichter-Bypasskanal, über welchen Frischluft an einem Verdichterrad des Verdichters vorbeigeleitet wird und in welchem eine vorangehend vorgestellte Ventileinrichtung angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich zum Verdichter-Bypasskanal kann der Abgasturbolader einen Turbinen-Bypasskanal umfassen, über welchen Abgas an einem Turbinenrad der Turbine vorbeigeleitet wird und in welchem eine vorangehend vorgestellte Ventileinrichtung angeordnet ist. Die vorangehend erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung übertragen sich daher auch auf den erfindungsgemäßen Abgasturbolader.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Figurenliste

1 ein erstes Beispiel einer erfindungsgemäßen Ventileinrichtung mit einem pneumatischen/hydraulischen Aktuator,
2 ein zweites Beispiel einer erfindungsgemäßen Ventileinrichtung mit einem elektromagnetischen Aktuator,
3 zeigt die Verwendung der Ventileinrichtung der 1 oder 2 in einem zweistufigen Abgasturbolader mit einer Hochdruck-Turboladerstufe und mit einer Niederdruck-Turboladerstufe.

1 zeigt ein erstes Beispiel einer erfindungsgemäßen Ventileinrichtung 1 für einen Abgasturbolader. Die Ventileinrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 2, welches einen als Fluidpfad zum Durchströmen mit einem Fluid F ausbildeten Gehäuseinnenraum 3 begrenzt. Im Gehäuseinnenraum 3 ist ein Ventilkörper 4 angeordnet. Der Ventilkörper 4 ist zwischen einer Schließstellung, in welcher er eine vom Gehäuse 2 begrenzte Ventilöffnung 5 fluiddicht verschließt, und einer Offenstellung, in welcher er diese Ventilöffnung 5 zum Durchströmen mit dem Fluid F freigibt, verstellbar. Die 1 zeigt den Ventilkörper in seiner Schließstellung.
Die Ventilöffnung 5 kann von einem Ventilsitz 16 eingefasst sein, welcher von einem Gehäusewandabschnitt 17 des Gehäuses 2, der sich entlang einer Umfangsrichtung U des Gehäuses 2 erstreckt, gebildet sein. Bevorzugt verjüngt sich zur Ausbildung des Ventilsitzes 16 das Gehäuse 2 im Bereich der Ventilöffnung 5. Im Gehäuseinnenraum 3 ist ferner ein Aktuator 6 angeordnet, der mit dem Ventilkörper 4 zum Verstellen zwischen der Schließstellung und der Offenstellung in Wirkverbindung steht. Der Aktuator 6 kann von außerhalb des Gehäuses 2 gesteuert werden. Der Ventilkörper 4 kann in einem Längsschnitt entlang der Längsrichtung L wie in 1 gezeigt die Geometrie eines Kegelschnittsegments 13 besitzen, dessen Sehne 14 dem Aktuatorgehäuse 7 zugewandt ist. Der Bogen 15 des Kegelschnittsegments 13 ist der mittels des Ventilkörpers 4 verschließbaren Ventilöffnung 5 bzw. dem Ventilsitz 16 zugewandt.
In seiner Offenstellung ist der Ventilkörper 4 im Abstand zur Ventilöffnung 5 bzw. zum Ventilsitz 16 angeordnet. In der Schließstellung liegt ein Kontaktabschnitt 18 des Ventilkörpers 4 am Ventilsitz 16 an. In der Offenstellung ist der Ventilkörper einschließlich des Kontaktabschnitts 18 im Abstand zum Ventilsitz 16 und somit auch zur Ventilöffnung 5 angeordnet.
Der Aktuator 6 umfasst ein im Gehäuseinnenraum 3 angeordnetes Aktuatorgehäuse 7, in welchem ein mit dem Ventilkörper 4 gekoppeltes Aktuatorelement 8 teilweise aufgenommen ist. Zur Kopplung mit dem Ventilkörper 4, der außerhalb des Aktuatorgehäuses 7 im Gehäuseinnenraum 3 angeordnet ist, steht das Aktuatorelement 8 aus dem Aktuatorgehäuse 7 heraus vor. Das Aktuatorgehäuse 7 ist im Abstand zum Gehäuse 2 der Ventileinrichtung 1 im Gehäuseinnenraum 3 angeordnet. Auf diese Weise kann der Aktuator 6 mit dem Aktuatorgehäuse 7 vollständig von dem durch den Gehäuseinnenraum 3 geführten Fluid F umströmt werden. Das Aktuatorgehäuse 7 kann mittels geeigneter Halteelemente (in den Figuren nicht gezeigt), die beispielsweise in der Art von Haltestreben ausgebildet sein können, mechanisch stabil am Gehäuse 2 der Ventileinrichtung 1 gehalten sein.
Das Aktuatorelement 8 ist zwischen einer ersten Position, in welcher sich der mit dem Aktuatorelement 8 gekoppelte Ventilkörper 4 in der Schließstellung befindet, und einer zweiten Position verstellbar, in welcher sich der mit dem Aktuatorelement 8 gekoppelte Ventilkörper 4 in der Offenstellung befindet. Die 1 zeigt das Aktuatorelement 8 in der ersten Position, die 2 in der zweiten Position.
Das Gehäuse 2 der Ventileinrichtung 1 erstreckt sich entlang einer Längsrichtung L, entlang welcher das Aktuatorelement 8 und der mit dem Aktuatorelement 8 gekoppelte Ventilkörper 4 entlang der Längsrichtung L linear verstellbar sind. Der Ventilkörper 4 ist entlang der Längsrichtung L im Abstand zum Aktuatorgehäuse 7 angeordnet und mittels des Aktuatorelements 8 mit dem Aktuatorgehäuse 7 verbunden.
In der ersten Position, in welcher der Ventilkörper 4 sich in der Schließstellung befindet, ragt das Aktuatorelement 8 weiter aus dem Aktuatorgehäuse 7 heraus als in der zweiten Position, in welcher sich der Ventilkörper 4 in der Offenstellung befindet. In einer (nicht gezeigten) Variante des Beispiels kann die Zuordnung der beiden Positionen des Aktuatorelements 8 zur Offenstellung bzw. Schließstellung des Ventilkörpers 4 vertauscht sein.
Das Aktuatorelement 8 ist im Beispielszenario der Figuren als Aktuatorstab 9 ausgebildet, der durch einen Durchbruch 11, welcher in einer dem Ventilkörper 4 zugewandten Aktuatorgehäusewand 10 vorhanden ist, aus dem Aktuatorgehäuse 7 herausragt. Das aus dem Aktuatorgehäuse 7 herausragende und vom Aktuatorgehäuse 7 abgewandte Längsende 12a des Aktuatorelements 8 ist mechanisch starr mit dem Ventilkörper 4 verbunden. Zur Befestigung des Aktuatorelements 8 bzw. des Aktuatorstabs 9 am Ventilkörper 4 ist auf einer dem Aktuatorgehäuse 7 zugewandten Seite 19 des Ventilkörpers 4, welche die Sehne 14 des Kegelschnittsegments 13 ausbildet, eine Aufnahme 20 vorgesehen. In dieser Aufnahme 20 ist das als Aktuatorstab 9 ausgebildete Aktuatorelement 8 mit dem Längsende 12a aufgenommen.
Im Aktuatorgehäuse 7 kann eine Vorspanneinrichtung 31 in Form eines federelastischen Elements angeordnet sein, welche das Aktuatorelement 8 zur ersten oder zweiten Position hin vorspannt. Mittels der Vorspanneinrichtung 31 kann sichergestellt werden, dass der Ventilkörper 4 im Falle einer Funktionsstörung des Aktuator 6 eine wohldefinierte Stellung, vorzugsweise entweder die Schließstellung oder die Offenstellung, einnimmt. Das federelastische Element kann wie in 1 gezeigt eine Spiralfeder sein.
Der Aktuator 6 kann wie im Beispiel der 1 illustriert als pneumatisch betätigbarer Aktuator ausgebildet sein. Hierzu ist in dem vom Aktuatorgehäuse 7 begrenzten Aktuatorgehäuseinnenraum 21 ein von außen mit einem druckbeaufschlagten Gas befüllbarer erster Teilraum 22a variablen Volumens ausgebildet. Für die Befüllung von außen, also von außerhalb des Gehäuses 2, ist im Gehäuseinnenraum 3 zwischen dem Aktuatorgehäuse 7 und dem Gehäuse 2 der Ventileinrichtung 1 eine pneumatische Durchführung 23 angeordnet, über welche der erste Teilraum 22a fluidisch mit der äußeren Umgebung 25 des Gehäuses 2 kommuniziert. Die Durchführung 23 kann als Rohrkörper ausgebildet sein, über welchen das druckbeaufschlagte Gas von außen in den ersten Teilraum 22a eingeleitet werden kann.
Der erste Teilraum 22a variablen Volumens wird entsprechend 1 teilweise von einer im Aktuatorgehäuseinnenraum 21 verstellbar angeordneten Innenwandung 24 begrenzt, an welcher das Aktuatorelement 8 angebracht ist. Besagte verstellbare Innenwandung 24 unterteilt den Aktuatorgehäuseinnenraum 21 in den von außen mit einem Gas druckbeaufschlagbaren ersten Teilraum 22a variablen Volumens und in einen zweiten Teilraum 22b variablen Volumens. Die beiden Teilräume 22a, 22b sind mittels der Innenwarnung 24 fluidisch voneinander getrennt und ergänzen sich im Beispielszenario der 1 zum Aktuatorgehäuseinnenraum 21.
Zum Variieren des Volumens der beiden Teilräume 22a, 22b ist die Innenwandung 24 als Membran 26 aus einem flexiblen Material realisiert. Die Membran 26 kann mit einem äußeren Rand 27 am Aktuatorgehäuse 7 befestigt sein. Durch die Befüllung des ersten Teilraums 22a mit einem druckbeaufschlagten Gas, welches im variablen Volumen des ersten Teilraum 22a expandiert, wird die flexible Membran 26 zur Ventilöffnung 5 bzw. zum Ventilsitz 16 hin bewegt, wodurch das Volumen des ersten Teilraums 22a zunimmt. Gleichzeitig nimmt das Volumen des zweiten Teilraums 22b, welcher entlang der Längsrichtung L zwischen dem Ventilkörper 4 und dem ersten Teilraum 22a angeordnet ist, ab. Gemäß 1 ist das als Aktuatorstab 9 ausgebildete Aktuatorelement 8 zur Befestigung am Aktuatorgehäuse 7 starr mit einem Fixierkörper 28 verbunden. Der Fixierkörper 28 ist im Abstand zum Aktuatorgehäuse 7 angeordnet und an der Membran 26 aus dem flexiblen Material befestigt. Diese Befestigung kann beispielsweise mittels einer Klebverbindung realisiert sein. Da der Fixierkörper 28 im Gegensatz zur Membran 26 aus dem flexiblen Material als starrer Körper realisiert ist, kann der Aktuatorstab 9 bzw. das Aktuatorelement 8 stabil an diesem befestigt werden.
Wird der erste Teilraum 22a nicht mit einem Gas, sondern mit einer druckbeaufschlagten Flüssigkeit befüllt, so kann der vorangehend erläuterte Aktuator als hydraulisch betätigbarer Aktuator eingesetzt werden. In diesem Fall ist die Durchführung 23 eine hydraulische Durchführung.
Der Fixierkörper 28 kann wie in 1 dargestellt topfartig ausgebildet sein. Zur Befestigung des Aktuatorstabs 9 am Fixierkörper 28 kann in letzterem eine Durchgangsöffnung 29 vorgesehen sein, in welcher der Aktuatorstab 8 mit einem dem Aktuatorgehäuse 7 zugewandten Längsende 12b aufgenommen ist. Die Durchgangsöffnung 29 kann in einem Topfboden 30 des topfartig ausgebildeten Fixierkörpers 28 vorgesehen sein.
Entsprechend 1 kann sich auch die Vorspanneinrichtung 31, die im ersten Teilraum 22a des Aktuatorgehäuseinnenraums 21 angeordnet ist, am Fixierkörper 28 und somit auch an der als Membran 26 ausgebildeten Innenwarnung 24 abstützen.
Die 2 zeigt eine Variante der Ventileinrichtung der 1, bei welcher der Aktuator 6 als elektromagnetischer Aktuator ausgebildet ist. Die 2 zeigt den Ventilkörper 4 im Gegensatz zur Darstellung der 1 in der Offenstellung. Der Aktuator 6 umfasst zum Erzeugen eines magnetischen Feldes ein von außen elektrisch bestrombares Spulenelement 32 sowie einen zum Verstellen des Aktuatorelements 8 magnetisch mit dem elektrischen Spulenelement 32 gekoppelten magnetischen Körper 33. Im Beispielszenario ist das elektrische Spulenelement 32 ortsfest mit dem Aktuatorgehäuse 7 verbunden, und der magnetische Körper 33 ist ortsfest mit dem Aktuatorelement 8 verbunden.
In analoger Weise zum Beispiel der 1 ist im Beispiel der 2 im Gehäuseinnenraum 3 eine elektrische Durchführung 34 angeordnet, über welche das elektrische Spulenelement 32 elektrisch mit der äußeren Umgebung 25 des Gehäuses 2 verbunden und auf diese Weise elektrisch mit einer elektrischen Stromquelle (nicht gezeigt) verbunden werden kann.
Die 3 zeigt in schematischer Darstellung die Verwendung der Ventileinrichtung 1 in einem mit einer Brennkraftmaschine 120 zusammenwirkenden, zweistufigen Abgasturbolader 100, umfassend eine Hochdruck-Turboladerstufe 101 und eine Niederdruck-Turboladerstufe 102. Wie die 3 erkennen lässt, besitzt die Hochdruck-Turboladerstufe 101 einen Verdichter 103 mit einem Verdichterrad 104, welches in einer Frischluftzuführung 105 zum Zuführen von Frischluft in die Brennkraftmaschine 120 angeordnet ist. Außerdem besitzt die Hochdruck-Turboladerstufe 101 auch eine Turbine 106 mit einem Turbinenrad 107, welches in einer Abgasabführung 108 zum Abführen von Abgas aus der Brennkraftmaschine 120 angeordnet ist. Die Hochdruck-Turboladerstufe 101 umfasst sowohl einen Verdichter-Bypasskanal 109, über welchen Frischluft am Verdichterrad 104 vorbeigeleitet werden kann. Außerdem besitzt die Hochdruck-Turboladerstufe 101 einen Turbinen-Bypasskanal 110, über welchen Abgas am Turbinenrad 107 vorbeigeleitet werden kann. Sowohl im Verdichter-Bypasskanal 109 als auch im Turbinen-Bypasskanal 110 kann eine vorangehend erläuterte, erfindungsgemäße Ventileinrichtung 1 angeordnet werden, um die Menge an Frischluft, die am Verdichterrad 104 vorbeigeleitet werden soll, bzw. um die Menge an Abgas, die am Turbinenrad 107 vorbeigeleitet werden soll, präzise einstellen zu können. In einer vereinfachten Variante des Beispiels kann auch auf eine der beiden Ventileinrichtungen 1 verzichtet sein. In einer weiteren Variante kann auch die Niederdruck-Turboladerstufe 102, also deren Verdichter und/oder deren Turbine in analoger Weise zur Hochdruck-Turboladerstufe 101 mit einer erfindungsgemäßen Ventileinrichtung 1 ausgestattet sein.

Claims

Ventileinrichtung (1), insbesondere für einen Abgasturbolader (100), - mit einem Gehäuse (2), welches einen als Fluidpfad zum Durchströmen mit einem Fluid (F) ausbildeten Gehäuseinnenraum (3) begrenzt, - mit einem im Gehäuseinnenraum (3) angeordneten Ventilkörper (4), der verstellbar ist zwischen einer Schließstellung, in welcher er eine vom Gehäuse (2) begrenzte Ventilöffnung (5) fluiddicht verschließt, und einer Offenstellung, in welcher er diese Ventilöffnung (5) zum Durchströmen mit dem Fluid (F) freigibt, - mit einem im Gehäuseinnenraum (3) angeordneten Aktuator (6), der mit dem Ventilkörper (4) zum Verstellen zwischen der Schließstellung und der Offenstellung in Wirkverbindung steht.
Ventileinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (6) von außerhalb des Gehäuses (2) steuerbar ausgebildet ist.
Ventileinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (6) ein im Gehäuseinnenraum (3) angeordnetes Aktuatorgehäuse (7) umfasst, in welchem ein mit dem Ventilkörper (4) gekoppeltes Aktuatorelement (8) teilweise aufgenommen ist, welches zur Kopplung mit dem Ventilkörper (4) , der außerhalb des Aktuatorgehäuses (7) im Gehäuseinnenraum (3) angeordnet ist, nach außen aus dem Aktuatorgehäuse (7) heraus vorsteht.
Ventileinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuatorelement (8), vorzugsweise linear, verstellbar ist zwischen einer ersten Position, in welcher sich der mit dem Aktuatorelement (8) gekoppelte Ventilkörper (4) in der Schließstellung befindet, und einer zweiten Position, in welcher sich der mit dem Aktuatorelement (8) gekoppelte Ventilkörper (4) in der Offenstellung befindet.
Ventileinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuatorelement (8) in der ersten Position weiter aus dem Aktuatorgehäuse (7) herausragt als in der zweiten Position, oder umgekehrt.
Ventileinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass - das einen Fluidpfad ausbildende Gehäuse (2) sich entlang einer Längsrichtung (L) erstreckt, - das Aktuatorelement (8) und der Ventilkörper (4) entlang der Längsrichtung (L) verstellbar sind.
Ventileinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuatorelement (8) als Aktuatorstab (9) ausgebildet ist, der durch einen Durchbruch (11), welcher in einer dem Ventilkörper zugewandten Aktuatorgehäusewand (10) vorhanden ist, aus dem Aktuatorgehäuse (7) herausragt und mit einem vom Aktuatorgehäuse (7) abgewandten Längsende (12a) mit dem Ventilkörper (4) verbunden ist.
Ventileinrichtung nach einem Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer dem Aktuatorgehäuse (7) zugewandten Seite (19) des Ventilkörpers (4) eine Aufnahme (20) ausgebildet ist, in welcher das Aktuatorelement (8), vorzugsweise der Aktuatorstab (9), mit dem vom Aktuatorgehäuse (7) abgewandten Längsende (12a) aufgenommen ist.
Ventileinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (4), insbesondere entlang der Längsrichtung (L), im Abstand zum Aktuatorgehäuse (7) angeordnet und mittels des Aktuatorelements (8) mit dem Aktuatorgehäuse (7) verbunden ist.
Ventileinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Aktuatorgehäuse (7) eine Vorspanneinrichtung (31), vorzugsweise ein federelastisches Element, angeordnet ist, welche das Aktuatorelement (8) zur ersten oder zweiten Position hin vorspannt.
Ventileinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (8) als elektromagnetischer Aktuator ausgebildet ist, welcher zumindest ein von außen elektrisch bestrombares Spulenelement (32) sowie zumindest einen zum Verstellen des Aktuatorelements (8) magnetisch mit dem Spulenelement (32) gekoppelten magnetischen Körper (33) umfasst.
Ventileinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuseinnenraum (3) eine elektrische Durchführung (34) angeordnet ist, über welche das Spulenelement (32) elektrisch in eine äußere Umgebung (25) des Gehäuses (2) durchgeführt ist.
Ventileinrichtung einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (8) als pneumatisch oder hydraulisch betätigbarer Aktuator ausgebildet ist, wobei im vom Aktuatorgehäuse (7) begrenzten Aktuatorgehäuseinnenraum (21) ein von außen mit einem druckbeaufschlagten Gas befüllbarer (erster) Teilraum (22a) variablen Volumens ausgebildet ist.
Ventileinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der (erste) Teilraum (22a) variablen Volumens von einer im Aktuatorgehäuse (7) verstellbar angeordneten Innenwandung (24) begrenzt, an welcher das Aktuatorelement (8) angebracht ist.
Ventileinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwandung (24) eine Membran (26) aus einem flexiblen Material umfasst oder ist, welche mit einem äußeren Rand (27) am Aktuatorgehäuse (7) befestigt ist.
Ventileinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuatorelement (8), vorzugsweise der Aktuatorstab (9), zur Befestigung am Aktuatorgehäuse (7) starr mit einem Fixierkörper (28) verbunden ist, der Fixierkörper (28) im Abstand zum Aktuatorgehäuse (7) an der Membran (26) aus dem flexiblen Material befestigt ist.
Ventileinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Aktuatorelement (8) am Fixierkörper (28) abstützt.
Ventileinrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (26) den Aktuatorgehäuseinnenraum (21) in dem von außen mit einem druckbeaufschlagten Gas befüllbaren ersten Teilraum (22a) variablen Volumens und in einen fluidisch vom ersten Teilraum (22a) getrennten zweiten Teilraum (22b) variablen Volumens unterteilt.
Ventileinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuseinnenraum (3) eine pneumatische oder hydraulische Durchführung (23) angeordnet ist, über welche der von außen mit einem druckbeaufschlagten Gas befüllbare (erste) Teilraum (22a) fluidisch mit der äußeren Umgebung (25) des Gehäuses (2) kommuniziert.
Ventileinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wenn rückbezogen auf einen der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung (31) im ersten Teilraum (22a) angeordnet ist und sich an der Innenwandung (24), insbesondere an der Membran (26), abstützt.
Ventileinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuatorgehäuse (7) im Abstand zum Gehäuse (2) der Ventileinrichtung (1) im Gehäuseinnenraum (3) angeordnet ist.
Ventileinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (4) in einem Längsschnitt entlang der Längsrichtung (L) die Geometrie eines Kegelschnittsegments (13) aufweist, dessen Sehne (14) dem Aktuatorgehäuse (7) zugewandt ist und dessen Bogen (15) der zu verschließenden Ventilöffnung (5), insbesondere dem Ventilsitz (16), zugewandt ist.
Abgasturbolader (100) für eine Brennkraftmaschine (120) eines Kraftfahrzeugs, - mit einem Verdichter (103) zum Durchströmen mit Frischluft und mit einer Turbine (106) zum Durchströmen mit Abgas, - wobei der Abgasturbolader (100) einen Verdichter-Bypasskanal (109) umfasst, über welchen Frischluft an einem Verdichterrad (104) des Verdichters (103) vorbeigeleitet wird und in welchem eine Ventileinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist, und/oder wobei der Abgasturbolader (100) einen Turbinen-Bypasskanal (110) umfasst, über welchen Abgas an einem Turbinenrad (107) der Turbine (106) vorbeigeleitet wird und in welchem eine Ventileinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist.