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Die Erfindung betrifft ein Drosselventil, das im Luftpfad einem Verdichterrad eines Abgasturboladers vorgeschaltet werden kann, sowie einen zugehörigen Abgasturbolader.
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Bei der Entwicklung verbrauchsärmerer Verbrennungsmotoren arbeitet man gegenwärtig an Motoren mit im Vergleich zu früher kleinerem Hubraum. Diese Motoren besitzen im unteren Drehzahlbereich oft ein nur mäßiges Drehmoment, so dass man derartige Motoren gerne mit einem Abgasturbolader kombiniert, um gerade im unteren Drehzahlbereich ein zufriedenstellendes Drehmoment bei gutem Ansprechverhalten zu haben.
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Die
DE 10 2007 006 936 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einem Turbolader, bei der direkt vor dem Verdichterrad eine Drosseleinrichtung vorgesehen ist. Die Drosseleinrichtung kann in Form einer Irisblende ausgebildet sein. Im Zusammenspiel mit einer weiteren Drosseleinrichtung sollen im Stationärbetrieb Drosselverluste verringert und ein schnelleres Ansprechverhalten gewährleistet werden. Die
DE 2006 029 370 A1 beschreibt eine aufgeladene Verbrennungskraftmaschine. Dem Verdichterteil der Aufladeeinrichtung ist eingangsseitig eine Drosseleinrichtung vorgeschaltet, die als Irisblende ausgebildet sein kann. Durch das Androsseln des Verdichterteils solle vor dem Verdichterteil ein lokaler Unterdruck erzeugt werden, mit dem sich der Volumenstrom an Frischluft erhöhe und der Wirkungsgrad ebenfalls erhöhe. Dies bewirke eine höhere Drehzahl und ein besseres Ansprechverhalten. Die gattungsbildende
DE 10 2013 006 912 A1 zeigt einen Abgasturbolader, der stromabwärts des Turbinenrads einen Trimsteller vorsieht, der auch mit einer Lamellenblende kombiniert werden kann. Weiterhin sind die Druckschriften,
DE 10 2014 223 044 A1 ,
DE 10 2017 216 324 A1 und
WO 2018/200 611 A1 aus dem Stand der Technik bekannt.
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Eine Aufgabe einer Ausführungsform der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Drosselventils, das einem Verdichterrad eines Abgasturboladers vorgeschaltet werden kann und das einen weiteren Effizienzgewinn des Abgasturboladers bzw. der zugeordneten Brennkraftmaschine gewährleistet.
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Diese und weitere Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Anspruche erzielt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche. Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung werden die genannten Aufgaben durch ein Drosselventil gelöst, mit dem ein gerichteter Luftstrom erzeugbar ist, mit dem ein Verdichterrad eines Abgasturboladers beaufschlagt werden kann. Das Drosselventil besitzt ein Basisteil, das eine Öffnung aufweist, zum Beispiel ein ringförmiges Basisteil, sowie einen Irisblendenmechanismus mit einer Luftaustrittsöffnung, deren Öffnungsgrad stufenlos veränderbar ist. Der Irisblendenmechanismus umfasst ein Lamellenpaket aus mehreren Lamellen. Das Lamellenpaket, oder genauer die Innenwände der Lamellen des Lamellenpakets, stellt einen Kanal, bspw. einen weitgehend zylindrischen Kanal, für einen Durchtritt des von der Öffnung her zuströmbaren Luftstroms bereit.
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Die Lamellen können in Kanalrichtung gesehen länglich sein, wobei bei der einfachsten Geometrie des Drosselventils die Kanalrichtung bzw. -achse senkrecht zur Fläche der Öffnung zu liegen kommt. Letzteres muss aber nicht sein, insbesondere wenn der Bauraum unter der Motorhaube im Einlassbereich des Drosselventils eine Krümmung erfordert.
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Die Lamellen besitzen an ihrem der Öffnung abgewandten Ende einen nach außen bzw. zur Kanalaußenseite hin abragenden Flansch.
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Das genannte Drosselventil ist mehr als nur ein den Volumenstrom begrenzendes Element. Durch die Wahl eines sich auch axial bzw. in Kanalrichtung erstreckenden Lamellenpakets, das einen (Strömungs-) Kanal bildent, formt es den Luftstrom und erzeugt einen in Richtung der Kanalachse gerichteten Luftstrom, was eine weitestgehend zweidimensionale Irisblende so nicht leisten würde. Darüber hinaus lässt sich das Lamellenpaket strömungsoptimiert in Bezug auf das Verdichterrad des Abgasturboladers ausrichten und dieses damit optimal anströmen, was einen Effizienzgewinn bzw. einen besseren Wirkungsgrad des Abgasturboladers bewirkt.
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Im praktischen Einsatz strömt somit im Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors Luft zur Öffnung des Basisteils, gelangt in den vom Lamellenpaket gebildeten Kanal, wird dort zu einem gerichteten Luftstrom geformt und beaufschlagt das Verdichterrad des Abgasturboladers.
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Im Einsatz wird ein Teil der durch das Drosselventil strömenden Luft aus dem Lamellenpaket nach außen entweichen, da benachbarte Lamellen zwar in Umfangsrichtung gesehen überlappen, dabei aber natürlich wegen der erforderlichen Beweglichkeit der Lamellen nicht gegeneinander luftdicht abgedichtet sind. Um einen Sekundärluftstrom außerhalb des Lamellenpakets zu verhindern, haben die Lamellen an ihrem der Öffnung abgewandten Ende, bzw. in montierter Position an dem Verdichterrad zugewandten Ende, einen nach außen abragenden Flansch. Diese verhindern weitgehend, dass außerhalb des Lamellenpakets parallel zur Kanalachse Luft strömt, da durch die Flansche Totvolumen definiert werden. Dies wiederum bewirkt, dass es nicht zu der gerichteten Luftströmung aus dem Kanal des Lamellenpakets noch zusätzlich eine weitgehend ungerichtete Luftströmung außerhalb des Lamellenpakets gibt, so dass insgesamt die Flansche eine stärker gerichtete Luftströmung sicherstellen.
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Bei einer Ausführungsform ist das Lamellenpaket in einem Zylinder aufgenommen.
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In einer Variante ist der Zylinder integraler Bestandteil des Basisteils und zum Beispiel einstückig oder verschraubt mit diesem. Das Drosselventil kann bei der Montage der Brennkraftmaschine als vormontierte Einheit angeliefert werden und sein Zylinder direkt mit dem Verdichterradgehäuse verbunden werden. Es bietet sich an, wenn Zylinder und Verdichterradgehäuse zueinander korrespondierende Flansche haben, die unter Verwendung eines Dichtrings miteinander verschraubt werden. Diese Variante vermeidet es, ein bestehendes Verdichterradgehäuse baulich anzupassen und das Auflassen eines neuen Werkzeugs hierfür.
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In einer zweiten Variante ist der Zylinder integraler Bestandteil des Verdichterradgehäuses bzw. des Gehäuses des Abgasturboladers und zum Beispiel einstückig oder verschraubt mit diesem. In diesem Fall kann das Drosselventil bei der Montage der Brennkraftmaschine als vormontierte Einheit ohne Zylinder angeliefert, sein Lamellenpaket in den Zylinder des Verdichterradgehäuses eingeschoben und dann das Basisteil mit dem Zylinder verbunden werden. Auch hier können Zylinder und Basisteil unter Ausbildung einer gedichteten Flanschverbindung miteinander verschraubt werden.
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Bei einer Ausführungsform des Drosselventils sind die Lamellen in Kanalrichtung mindestens 5 mm und insbesondere mindestens 10 mm lang. Wegen des begrenzten Bauraums wird zwar eine möglichst geringe Länge angestrebt, es muss aber einerseits die Herstellbarkeit der Lamellen und deren Zusammenbau bewerkstelligt werden und maßgeblich auch eine hinreichend gerichtete Luftströmung durch den Kanal gewährleistet werden, um hinreichende Effizienzgewinne zu realisieren.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Drosselventils nimmt die Länge einer Lamelle, die erneut in Richtung der Kanalachse gemessen werde, in Kanalumfangsrichtung entlang ihres Flansches ab. Mit anderen Worten ist das eine umfangsseitige Ende des Flansches weiter weg vom Basisteil als das andere umfangsseitige Flanschende bzw. verläuft der Flansch auf einem Spiralbahnabschnitt. Dadurch lassen sich die Flansche in Umfangsrichtung gesehen übereinander schieben bzw. überlappend anordnen und bilden gleichzeitig ein Hindernis für eine Sekundärluftströmung außerhalb des Kanals. Ist konkret das Lamellenpaket im oben genannten Zylinder angeordnet, so verhindern die Flansche eine Sekundärluftströmung im Zwischenbereich zwischen der Zylinderinnenwand und der Außenwand des Lamellenpakets.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Lamellen mindestens eine, in Richtung der Kanalachse verlaufende Rippe besitzen. Diese Rippe dient einerseits der Versteifung der Lamelle und begünstigt zusätzlich die Ausbildung eines gerichteten Luftstroms.
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Weiterhin kann beim Drosselventil vorgesehen sein, dass das Lamellenpaket genau vier Lamellen besitzt. Es wird stets eine geradzahlige Anzahl von Lamellen benötigt, die im Übrigen und ganz allgemein kanalinnenseitig eine sichelartige Kontur haben können. Mit vier Lamellen fällt der Verstellmechanismus für die Lamellen konstruktiv einfacher aus, weil die Lamellen mit ihrem der Öffnung zugewandten Ende nur in zwei Ebenen angeordnet sein müssen.
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Bei einer weiteren Ausführunsgform ist in die Öffnung des Basisteils ein Verstellring aufgenommen, dessen Öffnung mit dem Kanal des Lamellenpakets fluchtet, wobei der Verstellring über einen vom Basisteil nach außen abragenden Verstellhebel relativ zum Basisteil verdrehbar ist. Der Verstellring ist Teil des Irisblendenmechanismus, der über den Verstellhebel von außen aktuierbar ist.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor. Der Abgasturbolader hat ein Verdichterrad zum Verdichten einströmender Luft, wobei das Verdichterrad in einem Verdichtergehäuse aufgenommen ist, das eine Einlassöffnung besitzt, an dem ein Drosselventil nach einem der vorstehend erläuterten Ausführungsformen montiert ist. Diese Befestigung kann bspw. so erfolgen, dass das Drosselventil einen Zylinder mit dem darin befindlichen Lamellenpaket besitzt und der Zylinder über eine Flanschverbindung im Einlassbereich mit dem Verdichtergehäuse verschraubt ist. Wie vorstehend ausgeführt führt diese Bauform zu einem effizienteren Abgasturbolader.
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Eine Ausführungsform des Abgasturboladers sieht abweichend hierzu vor, dass die Einlassöffnung von einem Zylinder gebildet ist, der integraler Bestandteil des Verdichtergehäuses ist. In diesem Fall besitzt das Drosselventil keinen eigenen Zylinder und wird das Lamellenpaket in den Zylinder des Verdichtergehäuses aufgenommen.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beigefügten Figuren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden, wobei die Figuren nicht maßstäblich sind und lediglich exemplarisch zu verstehen sind. Es zeigen:
- 1 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader;
- 2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drosselventils;
- 3 eine Lamelle des Drosselventils,
- 4 zwei benachbarte Lamellen des Drosselventils,
- 5 einen axialen Schnitte durch das Drosselventil gem. 2.
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1 zeigt eine Brennkraftmaschine 5 in Gestalt eines Vierzylinder-Ottomotors. Die zur Bereitstellung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Zylindern erforderliche Frischluft strömt vom Lufteinlass 10 kommend in den Luftfilter 15 und von dort über den Verdichter 20 eines Abgasturboladers 25 und den Einlasskrümmer 30 in die Zylinder 35. Die Abgase strömen in den Auslasskrümmer 40, treiben die Turbine 45 an (bspw. eine VGT-Turbine) und gelangen über den Abgaskatalysator 50 und weitere (nicht gezeigte) Abgasnachbehandlungskomponenten ins Freie.
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Dem Verdichter 45 vorgeschaltet ist ein Drosselventil 55, das hier lediglich schematisch und in den nachfolgenden 2 bis 5 im Detail gezeigt ist und mit dem die Luftmenge, die das Verdichterrad 60 antreibt, stufenlos einstellbar ist.
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2 zeigt eine Ausführungsform eines Drosselventils 55. Es besitzt ein ringförmiges Basisteil 65, dessen Inneres eine Öffnung 140 definiert, durch das im eingebauten Zustand Luft in Pfeilrichtung (x-Richtung) einströmen kann. Das Basisteil 65 hat einen Anlageflansch 70, der auf einen korrespondierenden Flansch des hier nicht gezeigten Verdichtergehäuses zur Anlage kommt, um mit diesem über Schrauben 75 verschraubt zu werden. Stromaufwärts des Basisteils 65 befindet sich der Luftkanal 80 für zuströmende Frischluft und ein Einlassstutzen 85 zum Einleiten von Blow-By-Gasen, die beide integrale Bestandteile des Basisteils 65 sind. Stromabwärts des Basisteils 65 besitzt das Drosselventil 55 einen Irisblendenmechanismus 95, in das Luft von der Öffnung 140 her kommend einströmt und aus dem die Luft über die Luftaustrittsöffnung 97 ausströmt.
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Zum Irisblendenmechanismus 95 gehört ein Verstellring 96, der starr mit einem in einem Schlitz 100 des Basisteils 65 aufgenommenen Verstellhebel 105 verbunden ist und der relativ zum raumfest montierten Basisteil 65 verdrehbar ist. Eine Koppelstange kann hierzu den Verstellhebel 105 mit einem Aktuator, bspw. einen elektrischen oder hydraulischen Aktuator, mechanisch koppeln.
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In 2 zu erkennen ist weiterhin ein Lamellenpaket 110 aus insgesamt vier Lamellen 115, die mit ihren Innenwandungen einen Kanal 120 für Frischluft definieren, das einem Verdichterrad 60 eines Abgasturboladers 25 zuströmen kann.
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Jede Lamelle 115 besitzt, vgl. auch 2, einen Irisblendenabschnitt 125, einen Axialabschnitt 130 und einen Flansch 135, wobei sich letzterer im montierten Zustand an dem der kreisrunden Öffnung 140 des ringförmigen Basisteils 65 abgewandten Ende befindet. Der Irisblendenabschnitt 125 ist sichelförmig und hat zwei endseitige Pins 145 und 150. Pin 145 kann sich in einem ersten Führungsschlitz 155 entlang eines Kreissegments bewegen und definiert eine Drehachse für den Irisblendenabschnitt 125. Mit diesem Führungsschlitz 155 kann vermeiden werden, dass das Drosselventil 55 nicht blind am Turbolader 25 montiert werden muss, er ist aber für die Funktion der Drossel als solche ohne Bedeutung. Pin 150 ist in einem zweiten, radialen Führungsschlitz 160 beweglich angeordnet und mit dem Basisteil 65 verbunden. Entlang einer Kreislinie sind alternierend in dem kreissegmentförmigen Führungsschlitz und in einem radialen Führungsschlitz angeordnete Pins 145 bzw. 150 angeordnet.
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Weiterhin liegt der aus Blechmaterial gebildete und mit Versteifungsrippen 155 ausgestattete Axialabschnitt 130 nicht an seinem der Öffnung 140 zugewandten Ende überall bündig am Irislamellenabschnitt 125 an. Der Axialabschnitt 130 hat vielmehr einen in Umfangsrichtung verlaufenden und unmittelbar an den Irisblendenabschnitt 125 angrenzenden Freischnitt 161, in der bei einer Querschnittsverengungen des Kanals 120 der Irisblendenabschnitt 125` einer benachbarten Lamelle 115` einfahren kann. Hierbei bewegen sich die jeweiligen Pins 145 in ihren Führungsschlitzen 155 und 160, womit sich insgesamt die Lamellen übereinanderschieben lassen. Damit lässt sich eine stufenlose Querschnittsverengung des Kanals 120 zwischen 100% Querschnittsfläche (maximal offener Kanal) bis 50% erreichen.
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5 zeigt die Einbauposition des Drosselventils 55, das durch eine Einlassöffnung 162 hindurch in einem einstückig mit dem Verdichtergehäuse 165 ausgebildeten Zylinder 170 mit Innendurchmesser D eingelassen ist. Dabei verfügt dessen Verstellring 96 umlaufende Dichtungen 172, vorliegend O-Ringe, mit dem das Drosselventil 55 gegenüber dem Verstellring 96 luftdicht abgedichtet. ist. Auch wenn der Kanal 120, der durch die teilweise überlappenden Lamellen 115 und 115` gebildet wird, nur grob als zylindrisch angesehen werden kann, kann man ihm einen Kanaldurchmesser DK < D zuordnen, der in der in 5 gezeigten Stellung DK minimal ist, so dass das äußerste Ende des nach außen abragenden Flansches 135 noch innerhalb des Inneren des Zylinders 170 verbleibt. Bei zunehmender Querschnittsfläche des Kanals 120 bzw. Öffnen des Drosselventils 55 wächst DK an und bewegt sich der radial äußere Teil des Flansches 135 allmählich in die dafür vorgesehene Nut 175 des Verdichtergehäuses 165 hinein.
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Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass es zwischen der Außenwand des Lamellenpakets 110 und der Innenwand des Zylinders 170 einen Zwischenraum 180 gibt, bzgl. hierzu 5. Da die Axialabschnitte 130 der Lamellen 115 bei einer Querschnittsveränderung zwar partiell übereinandergeschoben aber nicht gegeneinander abgedichtet sind, bedeutet dies, dass beim Durchströmen des Kanals 120 ein Teil der Luft das Lamellenpaket 110 verlassen und im Zwischenraum 180 einen Sekundärluftpfad ausbilden könnte. Die Flansche 135 stoppen jedoch diese Sekundärluftströmung effektiv und bewirken, dass der Zwischenraum 180 für die Luftströmung ein Totvolumen wird und somit keine weitgehend ungerichtete Sekundärluftströmung auf das Verdichterrad 60 strömt. Mit anderen Worten wird durch die Flansche 135 der Sekundärluftpfad weitgehend geschlossen. Damit gelangt weitestgehend nur eine gerichtete, durch den Kanal 120 strömende Luft auf das Verdichterrad 60, die bei abnehmendem Strömungsquerschnitt bzw. Querschnittsdurchmesser DK einen immer zentraleren Bereich des Verdichterrads 60 um die x-Achse beaufschlagt. Damit lässt sich bei einem an die Fördermenge angepassten Öffnungsquerschnitt die Effizienz des Abgasturboladers steigern.
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Es sei darauf hingewiesen, dass in der Bauform gem. 5 der Zylinder 170 einstückig mit dem Verdichtergehäuse 165 ist, und dieses wiederum einstückig mit dem Abgasturboladergehäuse ist. Dies ermöglicht es, das axiale Ende des Lamellenpakets 110 möglichst dicht beim Verdichterrad 60 zu platzieren oder Letzteres wie in 5 zu sehen zumindest teilweise in den Kanal 120 hineinragen zu lassen. Damit wird gewährleistet, dass möglichst (axial) gerichtete Luft auf das Verdichterrad 60 strömt und die Luftströmung nach Verlassen des Lamellenpakets ihren gerichteten Charakter verliert. Denkbar wäre jedoch auch, dass der Zylinder 170 integraler Bestandteil des Drosselventils 55 und/oder des Basisteils 65 ist und über einen Flansch mit dem Verdichtergehäuse verbunden wird.
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Bezugszeichenliste
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- 5
- Brennkraftmaschine
- 10
- Lufteinlass
- 15
- Luftfilter
- 20
- Verdichter
- 25
- Abgasturbolader
- 30
- Einlasskrümmer
- 35
- Zylinder
- 40
- Auslasskrümmer
- 45
- Turbine
- 50
- Abgaskatalysator
- 55
- Drosselventil
- 60
- Verdichterrad
- 65
- Basisteil bzw. Gehäuse
- 70
- Anlageflansch
- 75
- Schraube
- 80
- Luftkanal (Lufteinlass)
- 85
- Einlassstutzen
- 95
- Irisblendenmechanismus
- 96
- Verstellring
- 97
- Luftaustrittsöffnung
- 100
- Schlitz
- 105
- Verstellhebel
- 110
- Lamellenpaket
- 115
- Lamelle
- 115`
- Lamelle
- 120
- Kanal
- 125
- Irisblendenabschnitt
- 125`
- Irisblendenabschnitt
- 130
- Axialabschnitt
- 135
- Flansch
- 140
- Öffnung
- 145
- Pin
- 150
- Pin
- 155
- Versteifungsrippe
- 160
- Führungsschlitz
- 161
- Freischnitt
- 162
- Einlassöffnung
- 165
- Verdichtergehäuse
- 170
- Zylinder
- 175
- Nut
- 180
- Zwischenraum
