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Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Regelvorrichtungen für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers sind bekannt. So weisen Abgasturbolader, insbesondere einflutig ausgeführte Abgasturbolader, einen Umgehungskanal mit einem Schließelement auf, wobei der Umgehungskanal zur Umleitung eines Abgasstromes am Turbinenrad vorbei vorgesehen ist. Mit Hilfe des Schließelementes ist der Umgehungskanal bei Bedarf, bzw. je nach Anforderung einer Motorsteuerung eines mit dem Abgasturbolader verbundenen Verbrennungsmotors teilweise oder vollständig zu öffnen oder zu schließen.
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Aus der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2014 100 401 U1 und der Patentschrift
US 3,423,926 A geht eine Regelvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers hervor, wobei der Abgasturbolader eine erste Flut und eine zweite Flut aufweist. Die Regelvorrichtung ist zur durchströmbaren Verbindung der beiden Fluten vorgesehen. Hierzu ist eine Durchströmöffnung in einer die beiden Fluten trennenden Flutentrennwand vorgesehen, die mit einem Schließelement der Regelvorrichtung geöffnet oder gesperrt werden kann. Mit Hilfe einer derartigen Regelvorrichtung ist es möglich in bestimmten Betriebspunkten des Abgasturboladers, insbesondere bei Betriebspunkten aufweisend große Strömungsmengen, das Turbinenrad durch Schließen oder Verbinden der Fluten strömungsgünstig zu beaufschlagen, so dass ein effizienterer Betrieb des Abgasturboladers ermöglicht ist.
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Die Patentschrift
DE 197 27 141 C1 offenbart ebenfalls eine Regelvorrichtung für einen zweiflutigen Abgasführungsabschnitt, wobei ein Schließelement der Regelvorrichtung zum Abblasen eines durch die beiden Fluten strömenden Fluids in einen Umgehungskanal zur Umströmung eines im Abgasführungsabschnitt drehbar aufgenommenen Turbinenrades vorgesehen ist.
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Für einen effektiven Betrieb des Abgasturboladers ist es vorrangig Verluste aufgrund von Leckage zu vermeiden und die im Abgasstrom enthaltene Energie möglichst vollständig zu nutzen. Sofern das durch die Fluten strömende Fluid das Turbinenrad in Form einer so genannten Stoßaufladung beaufschlagen soll, sind die beiden Fluten möglichst strömungstechnisch vollständig zu trennen. Wird eine so genannte Stauaufladung im Betrieb des Abgasturboladers gewünscht, insbesondere bei hohen Lasten und/oder Drehzahlen einer mit dem Abgasturbolader thermodynamisch verbundenen Verbrennungskraftmaschine, ist eine Strömungsverbindung der beiden Fluten zu bevorzugen. Verluste können bei der Stoßaufladung durch eine gesicherte Abdichtung einer zwischen den beiden Fluten ausgebildeten Durchströmöffnung vermieden werden. Ebenso gilt es eine weitere Öffnung im Abgasführungsabschnitt, welche der Aufnahme insbesondere des Schließelementes während eines Überströmens des Fluids von der ersten Flut in die zweite Flut und vice versa dient, gesichert abzudichten.
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Das Bestreben einen möglichst verlustfreien Abgasführungsabschnitt bereitzustellen liegt somit bei einem nur einflutig als auch bei einem mehrflutig, zumindest zweiflutig, ausgebildeten Abgasführungsabschnitt vor.
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Somit ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Regelvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit Hilfe einer Regelvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Regelvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers umfasst ein Schließelement zur vollständigen oder zumindest teilweisen Sperrung oder Freigabe einer Durchströmöffnung eines durchströmbaren Kanals des Abgasführungsabschnitts. Die Regelvorrichtung umfasst weiter einen Aktuator zur Bewegung des Schließelementes. Das Schließelement ist in Form eines Tellerventils ausgebildet. Es ist zumindest in eine erste Position zur Freigabe der Durchströmöffnung und in eine zweite Position zur Sperrung der Durchströmöffnung bringbar. Zumindest in einer der Positionen ist es in einer Wandung des Abgasführungsabschnitts anordenbar.
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Erfindungsgemäß weist das Schließelement einen, die Durchströmöffnung schließenden oder freigebenden Schließkörper auf, welcher an seiner der Durchströmöffnung zugewandt ausgebildeten Unterfläche eine ringförmige Abschnittsfläche aufweist, die zu einem in der Wandung ausgebildeten Elementsitz korrespondierend ausgestaltet ist, und wobei seine von der Unterfläche abgewandt ausgebildete Oberfläche zur Herbeiführung einer zu einem anderen Elementsitz zumindest teilweise korrespondierenden Oberfläche und/oder zur strömungsoptimierten Umströmung profiliert ausgebildet ist.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung ist darin zu sehen, dass die Regelvorrichtung sowohl für einen Abgasturbolader mit einem Umgehungskanal eines Turbinenrades des Abgasturboladers, üblicherweise als so genannter Waste-Gate-Lader bezeichnet, als auch für einen zweiflutigen Abgasturbolader einsetzbar ist. Somit kann die Regelvorrichtung kostengünstig hergestellt werden, so dass sich die Kosten des Abgasturboladers reduzieren.
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Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass der entsprechend ausgebildete Schließkörper sowohl an seiner Unterfläche als auch an seiner Oberfläche entweder mit den gemäß der entsprechenden Positionen kontaktierenden Wänden zu diesen korrespondierend ausgebildet ist, so dass zur Vermeidung einer Leckage, eine Flächendichtung zwischen dem Schließkörper und den Wänden herbeiführbar ist. Oder es ist nur eine der beiden Flächen, seine Unterfläche oder seine Oberfläche korrespondierend zur entsprechenden Wandung ausgebildet und die andere Fläche, die Oberfläche oder Unterfläche ist zur strömungsoptimierten Umströmung entsprechend profiliert ausgestaltet. Der Vorteil ist in beiden Fällen eine Vermeidung der Leckage zur Steigerung eines Wirkungsgrades des die erfindungsgemäße Regelvorrichtung aufweisenden Abgasturboladers, wodurch eine mit dem Abgasturbolader thermodynamisch verbundene Verbrennungskraftmaschine verbrauchsreduzierter und demgemäß emissionsreduzierter betrieben werden kann.
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Zudem führt die Abdichtung zwischen der Ringfläche auf der von der Unterfläche des Schließkörpers abgewandten Seite mit der korrespondierenden Fläche in der Wandung der Flut zu einer Vermeidung von unerwünschten ungereinigtem Abgasverlusten in die Atmosphäre in Form eines so genannten Blow-by, im Zusammenspiel mit der am Schaft des Schließelementes angeordneten Dichtung.
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Das heißt mit anderen Worten, dass das Tellerventil in seinen beiden Positionen einen dichtenden Bereich mit den entsprechenden Wänden ausbildbar ausgestaltet ist.
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Im erstgenannten Fall ist der Abgasführungsabschnitt in Form eines zweiflutigen Abgasführungsabschnitts ausgebildet, wobei die Durchströmöffnung in einer die beiden Fluten trennenden Flutentrennwand angeordnet ist. Im zweitgenannten Fall dient das Schließelement einer teilweisen oder vollständigen Öffnung oder Schließung eines die Durchströmöffnung aufweisenden Umgehungskanals. In diesem Fall kann zur bevorzugten Abdichtung das entsprechend ausgebildete Schließelement insbesondere zum Schließen des Umgehungskanals entgegen des Abgasstromes eingesetzt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung sind die Elementsitze, und die Abschnittsfläche sowie die Oberfläche eine kegel- oder kegelstumpfförmige Kontur aufweisend ausgebildet. Der Vorteil der kegelförmigen oder kegelstumpfförmigen Sitze und Flächen ist in einer verbesserten Abdichtfunktion im Vergleich mit üblichen flachen, d.h. nicht geneigt ausgebildeten Konturen der Sitze bzw. Flächen oder anderen denkbaren Schließelementausführungen, bspw. Kugelventile, Walzenventile, Flachschieber, rotierende Schieber, zu sehen.
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Eine Zentrierung des Schließkörpers auf die Sitze durch die kegelförmige bzw. kegelstumpfförmige Gestaltung erhöht die Dauerhaftigkeit der Dichtfunktion, insbesondere unter Betriebsbedingungen im Volllastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine bei sehr hohen Temperaturen des Fluids.
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Die Positionierung des Ventiltellers bei beiden Schaltstellungen (bei Flutentrennung innerhalb der Öffnung in der Turbinengehäusetrennwand, in die der erste Ventilsitz integriert ist, bzw. bei Flutenverbindung innerhalb des Ventilgehäuses) vermeidet weitgehend eine Störung der Strömung in beiden Fluten.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung ist ein den Schließkörper tragender Schaft des Schließelementes kühlbar. Die bevorzugte Anordnung des Schließkörpers in beiden Positionen, in der Schließposition in der Flutentrennwand sowie in der Freigabe des Durchströmquerschnitts im Abgasführungsabschnitt, bzw. einer im Abgasführungsabschnitt ausgebildeten Wandung, welche weitestgehend Störungen der Fluidströmung in den Fluten vermeidet, führt zu einer Erwärmung des Schaftes, da dieser in der Fluidströmung während des Schließens der Durchströmöffnung angeordnet ist. Daher ist ein Kühlen des Schaftes mit Hilfe eines Kühlelementes vorteilhaft, damit ein Verzug des Schließelementes verhindert wird. Dies könnte zu einer Depositionierung und/oder zu einer Aufhebung der aufgrund der Sitze und korrespondierenden Flächen herbeigeführten Dichtungswirkungen zwischen denselben führen.
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Zur verbesserten Kühlung ist der Schaft dabei vorteilhaft vom Kühlelement umfasst, und das Kühlelement kann in Form von Kühlrippen oder eines Wassermantels ausgebildet sein. Eine bekannte Natriumkühlung des Schaftes ist nicht geeignet, da die Kühlung mit Hilfe von Natrium eine hohe Frequenz des zu bewegenden Bauteils erfordert, die hier nicht gegeben ist. Das bedeutet, dass das Natrium seine Kühlwirkung nicht entfalten könnte. Daher sind die beiden genannten Kühlelemente bevorzugt einzusetzen. Ebenso könnte es sich bei dem Kühlmittel auch um Kraftstoff oder Schmieröl handeln. Besonders vorteilhaft lässt sich ein Kühlelement, welches innenliegende Kanäle zur Kühlung aufweist, mit einem Laserverfahren, dem so genannten Laser Beam Melting, herstellen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung ist ein Koppelelement zur Verbindung des Schließelementes mit einem Aktuatorstößel des Aktuators vorgesehen. Somit können wirksam Desachsierungen des Schließelementes vermieden werden.
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Besonders vorteilhaft ist der Aktuator die Bewegung des Schließelementes koaxial zu dessen Längsachse initiierend ausgebildet, da eine Wirkkraft in eine einzige Richtung, die Richtung der Längsachse anliegt. Dies entspricht einer Entlastung des Schaftes und/oder des Aktuators von Seitenkräften, wodurch eine Verschleißreduktion herbeigeführt ist. Ebenso können damit Desachsierungen und Verklemmungen des Schließelementes vermieden werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung ist die Durchströmöffnung mit Hilfe einer auf das Schließelement wirkenden Federkraft geschlossen. Darunter ist ebenso eine durch die Federkraft herbeigeführte Unterstützung des Schließens zu verstehen. Somit kann insbesondere bei einem Ausfallen einer Aktivierungsenergie oder einem Versagen des Aktuators eine gesicherte Trennung der Fluten herbeigeführt werden, die einen bevorzugten Betrieb des Abgasturboladers insbesondere im mittleren Last- und Drehzahlbereich der Verbrennungskraftmaschine erlaubt. Kostengünstig ist die Federkraft mit Hilfe eines im Aktuator aufgenommenen Spannelementes ausbildbar. Ebenso könnte das Spannelement auch außerhalb eines Aktuatorgehäuses angeordnet sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung weist zur Führung des Schließelementes das Gehäuse ein in das Aktuatorgehäuse hineinragendes Halteelement auf. Dies ist insbesondere bei einem Schließelement, dessen Schaft direkt an einen Aktuatorschlitten des Aktuators angebunden ist, vorteilhaft vorzusehen, da eine entsprechende Wechselbelastung des Schließelementes im Betrieb des Abgasturboladers vorliegt und eine gesicherte Führung des Schaftes zur Vermeidung eines Bruches des Schaftes führt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Schließelement oder zumindest sein Schließkörper aus einem keramischen Material ausgebildet. Die Regelvorrichtung und insbesondere das Schließelement sind im Betrieb Temperaturschwankungen ausgesetzt, welche einen hohen Temperaturgradienten aufweisen, wobei sehr hohe absolute Temperaturen im Bereich von ca. 1000°C üblicherweise auftreten. Keramisches Material ist ein besonders temperaturbeständiges Material, so dass Bauteile, gefertigt aus diesem Material, hochtemperaturfest sind und geringe bzw. je nach Temperatur auch keine Deformationen aufweisen. Somit ist die erfindungsgemäße Regelvorrichtung, welche aus keramischem Material hergestellt ist, besonders betriebssicher. Des Weiteren weist das Sperrglied eine geringere Wärmeleitung auf, im Vergleich zu einem Sperrglied aus einem metallischen Werkstoff.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das Schließelement in Form eines zweiteiligen Schließelementes ausgebildet, ein erstes Elementteil und ein zweites Elementteil aufweisend, wobei das erste Elementteil das zweite Elementteil zumindest teilweise umfassend ausgebildet ist. Der Vorteil des zweiteiligen Schließelementes ist darin zu sehen, dass sowohl die Durchströmöffnung in der Flutentrennwand als auch die Durchströmöffnung des Umgehungskanals zu öffnen und zu schließen ist. Insbesondere, sofern das erste Elementteil und das zweite Elementteil unabhängig voneinander bewegbar sind, ist ein vergrößerter Regelungsspielraum geschaffen. Auch könnte insbesondere bei einer Zylinderabschaltung eine der Fluten geschlossen sein und dennoch die Umgehung des Turbinenrades geregelt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung weisen das erste Elementteil ein erstes Schließkörperteil mit einem ersten Schaftteil und das zweite Elementteil ein zweites Schließkörperteil mit einem zweiten Schaftteil auf, wobei das zweite Schaftteil zumindest teilweise im ersten Schaftteil bewegbar aufgenommen ist. Somit ist das zweiteilige Schließelement bauraumoptimiert ausgebildet. Des Weiteren entfällt kostenreduzierend eine zusätzliche Lagerung und/oder Führung des zweiten Schaftteils, welches im ersten Schaftteil gelagert und/oder geführt angeordnet ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist zur Gewichtsreduzierung der Regelvorrichtung und somit des gesamten Abgasturboladers das erste Schließkörperteil das zweite Schließkörperteil umfassend ausgebildet.
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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. Gleichen oder funktionsgleichen Elementen sind identische Bezugszeichen zugeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist es möglich, dass die Elemente nicht in allen Figuren mit ihrem Bezugszeichen versehen sind, ohne jedoch ihre Zuordnung zu verlieren. Dabei zeigen:
- 1 in einem Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader mit einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel in einer ersten Position,
- 2 in einem Längsschnitt den Abgasturbolader mit der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung gem. 1 in einer zweiten Position,
- 3 in einem Längsschnitt die erfindungsgemäße Regelvorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
- 4 in einem Längsschnitt die erfindungsgemäße Regelvorrichtung in einem dritten Ausführungsbeispiel.
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Ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader 1 ist gemäß 1 ausgebildet und weist eine erfindungsgemäße Regelvorrichtung 2 auf. Der Abgasturbolader 1 ist zur Anbindung an eine nicht näher dargestellte Brennkraftmaschine, welche als Dieselmotor oder als Ottomotor ausgeführt ist, ausgebildet. Im Betrieb saugt die Brennkraftmaschine über einen nicht näher dargestellten Frischluftstrang Verbrennungsluft an, die nach einer unter Zufuhr von Kraftstoff erfolgten Verbrennung in der Brennkraftmaschine als Abgas über einen nicht näher dargestellten Abgastrakt abgeführt wird.
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Der Abgasturbolader 1 ist mit seinem durchströmbaren Abgasführungsabschnitt 3 mit dem Abgastrakt und mit einem nicht näher dargestellten durchströmbaren Luftführungsabschnitt mit dem Frischluftstrang durchströmbar verbunden. Zwischen dem Luftführungsabschnitt und dem Abgasführungsabschnitt ist ein nicht näher dargestellter Lagerabschnitt zur rotatorischen Aufnahme eines nicht näher dargestellten Laufzeugs des Abgasturboladers positioniert.
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Das Laufzeug umfasst ein Verdichterrad zum Ansaugen und Verdichten von Verbrennungsluft, ein Turbinenrad zur Expansion von Abgas und eine das Verdichterrad mit dem Turbinenrad drehfest verbindende Welle. Das Verdichterrad ist im Luftführungsabschnitt, das Turbinenrad ist im Abgasführungsabschnitt und die Welle ist im Lagerabschnitt drehbar gelagert.
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Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird das Turbinenrad als Folge einer Beaufschlagung durch das Abgas der Brennkraftmaschine in eine Rotationsbewegung versetzt, wobei mit Hilfe der Welle das Verdichterrad ebenfalls in Rotation versetzt wird, so dass es Frischluft bzw. Verbrennungsluft ansaugt und verdichtet.
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Zur Verbesserung des Betriebsverhaltens des Abgasturboladers 1, insbesondere bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine, ist der Abgasführungsabschnitt 3 zweiflutig ausgebildet, und weist eine erste Flut 4 und eine zweite Flut 5 auf. Die erste Flut 4 ist von der zweiten Flut 5 durch eine gehäusefeste Flutentrennwand 6 im Abgasführungsabschnitt 3 abgetrennt ausgeführt. Die Fluten 4, 5 sind in Form eines durchströmbaren Kanals ausgeführt.
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In einer Variante weist der Abgasführungsabschnitt 3 zusätzlich eine variable Turbinengeometrie zur weiteren Verbesserung des Betriebsverhaltens des Abgasturboladers 1 auf.
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Stromauf des Turbinenrades ist eine Durchströmöffnung 7 in der Flutentrennwand 6 ausgebildet, welche mit Hilfe eines Schließelementes 8 der Regelvorrichtung 2 geöffnet oder geschlossen werden kann. Somit ist ein Aufstauen von Abgas vor dem Turbinenrad und/oder eine Anströmung des Turbinenrades steuerbar. Das heißt mit anderen Worten, dass es steuerbar ist, das Abgas entweder in den beiden Fluten getrennt auf das Turbinenrad zu führen, wie es einer Stoßaufladung entspricht, oder das Abgas in Form einer Stauaufladung aus das Turbinenrad zu führen, wie es bei der Öffnung der Durchströmöffnung realisiert wird.
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Die Regelvorrichtung 2 umfasst neben dem Schließelement 8 ein das Schließelement 8 aufnehmendes Gehäuse 9 sowie einen Aktuator 10. Das Schließelement 8 ist in Form eines Tellerventils ausgebildet, wobei ein Schließkörper 11 des Schließelementes 8, welches an einem Schaft 12 des Schließelementes 8 befestigt ist, kegelförmig ausgestaltet ist. Im Gehäuse 9 ist das Schließelement 8 insbesondere axial entlang seiner Längsachse 13 bewegbar gelagert. Das Gehäuse 9 dient im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch der Befestigung des Aktuators 10. Ebenso könnte das Gehäuse 9 das Schließelement 8 auch nur teilweise umfassend ausgeführt sein.
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In 1 ist die Regelvorrichtung 2 in einer ersten Position dargestellt, wobei der Abgasturbolader 1 einen ersten Betriebsmodus, ein so genanntes Umblasen aufweist. In dem ersten Betriebsmodus wird das Turbinenrad von Abgas aus beiden Fluten 4, 5 beaufschlagt, wobei stromauf des Turbinenrades ein Teil des Abgases von der ersten Flut 4 in die zweite Flut 5 und vice versa umgeleitet wird. In diesem ersten Betriebsmodus liegt eine so genannte Stauaufladung vor. Das heißt mit anderen Worten, dass ein Druckausgleich über die Durchströmöffnung 7 stattfinden kann und sich in den beiden Fluten 4, 5 ein mehr oder weniger gleicher Druck vor dem Turbinenrad einstellt.
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Ein zweiter Betriebsmodus des Abgasturboladers 1 entspricht einer so genannten Stoßaufladung, wobei die Durchströmöffnung 7 mit Hilfe des Schließelementes 8 geschlossen ist. Im zweiten Betriebsmodus wird das Turbinenrad mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt, gemäß den an den dem Turbinenrad gegenüberliegenden Flutenenden anliegenden Druckwellenenden. Im zweiten Betriebsmodus ist das Schließelement 8 in einer zweiten Position im Abgasführungsabschnitt 3 angeordnet, s. 2.
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Der Abgasführungsabschnitt 3 weist zur strömungsdichten Aufnahme des Schließelementes 8 einen ersten Elementsitz 14 und einen zweiten Elementsitz 15 auf. Der erste Elementsitz 14 ist der Durchströmöffnung 7 zugeordnet und ist an der dem Aktuator 10 zugewandt ausgebildeten Öffnungsseite 16 der Durchströmöffnung 7 ausgebildet. Der erste Elementsitz 14 ist somit ein Teil einer die zweite Flut 5 begrenzenden ersten Wandung 17. Der ersten Wandung 17 gegenüberliegend ist eine zweite Wandung 18 ausgebildet, welche die zweite Flut 5 in radialer Richtung begrenzt. Die zweite Wandung 18 entspricht einer aktuatornahen Wandung, wohingegen die erste Wandung einer aktuatorfernen Wandung entspricht.
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In die zweite Wandung 18 hineinragend ist das das Schließelement 8 aufnehmende Gehäuse 9 ausgebildet. Das bedeutet mit anderen Worten, dass das Gehäuse 9 zur Herbeiführung einer axial geschlossenen zweiten Flut 5 als Teil der zweiten Wandung 18 anzusehen ist.
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Der zweite Elementsitz 15 ist dem ersten Elementsitz 14 gegenüberliegend im Gehäuse 9 ausgebildet. Der erste Elementsitz 14, welcher ringförmig ausgebildet ist, ist komplementär zu einer dem ersten Elementsitz 14 zugewandt ausgebildeten ringförmigen Abschnittsfläche 19 einer dem ersten Elementsitz 14 zugewandt ausgebildeten Unterfläche 20 des Schließkörpers 11 ausgestaltet. Das heißt mit anderen Worten, dass der erste Elementsitz 14 mit der Abschnittsfläche 19 korrespondierend ausgebildet ist, damit in der zweiten Position des Schließelementes 8 ein Überströmen von Abgas von der ersten Flut 4 in die zweite Flut 5 und vice versa unterbunden ist. Die Elementsitze 14, 15 und die Abschnittsfläche 19 sowie die Oberfläche 21 weisen eine kegel- bzw. kegelstumpfförmige Kontur auf. Somit kann bei Kontakt der Elementsitze 14, 15 mit den ihnen gegenüberliegenden Flächen 19, 21 eine flächige Dichtung ausgebildet werden. Ebenso könnte auch eine linienförmige Dichtung ausgeführt sein, sofern sich die Elementsitze 14, 15 punktuell mit den ihnen gegenüberliegenden Flächen 19, 21 berühren.
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In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zweite Elementsitz 15 in der aktuatornahen Wandung 18 ausgebildet, wobei das Gehäuse 9 den Schließkörper 11 nicht an deren Abschnittsfläche 19 umfassend ausgebildet ist.
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Der zweite Elementsitz 15 ist komplementär zu einer von der Unterseite 20 abgewandt ausgebildeten Oberseite 21 des Schließkörpers 11 ausgebildet. Damit ist ein Ausströmen von Abgas aus dem Abgasführungsabschnitt 3 vermeidbar. Das heißt mit anderen Worten, dass der zweite Elementsitz 15 korrespondierend zur Oberseite 21 ausgestaltet ist.
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Das Gehäuse 9 ist zur Führung des Schließelementes 8 ausgebildet, wobei der Schaft 12 des Schließelementes 8 von einem Kühlelement 22 in Form eines Kühlrippen 23 aufweisenden Hohlzylinders 24 axial bewegbar aufgenommen ist, wobei ein Umfangsabschnitt 49 des Kühlelementes 22 funktional einen Abschnitt des Gehäuses 9 bildet, da der Schaft 12 im Hohlzylinder 24 aufgenommen ist. Der zweite Elementsitz 15 ist in diesem Ausführungsbeispiel am Kühlelement 22 ausgebildet, welches als ein Teil des Gehäuses 9, da das Schließelement 8 umfassend, ausgeführt ist.
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Zur Herbeiführung eines insbesondere temperaturabhängigen und lagetoleranzabhängigen Spielausgleiches weist der Schaft 12 ein ihn mit einem Aktuatorstößel 25 verbindendes Koppelelement 26 auf. Der Aktuator 10 ist in Form eines üblichen federbelasteten Regelelementes ausgebildet. Ebenso könnte der Aktuator 10 auch, wie er im zweiten Ausführungsbeispiel gem. 3 illustriert ist, als doppelt wirkender Zylinder mit einer Kraftwirkung in beide Richtungen der Längsachse 13 ausgeführt sein.
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Das Koppelelement 26 ist ein sphärisch ausgebildetes, vom Schließelement 8 abgewandt angeordnetes, erstes Ende 27 des Schaftes 12 komplementär aufnehmend ausgebildet, wobei zur Vermeidung einer übermäßigen Neigung des Schaftes 12 ein zylinderförmiger Schaftfortsatz 28 ausgebildet ist. Dem ersten Ende 27 im Koppelelement 26 gegenüberliegend aufgenommen ist ein ebenfalls sphärisch ausgebildetes zweites Ende 29 des Aktuatorstößels, wobei dem Schaftfortsatz 28 gegenüberliegend ein zylindrischer Stößelfortsatz 30 ausgebildet ist. Zwischen den beiden Fortsätzen 28, 30 ist ein Klemmelement 31 zur festen Verbindung eines ersten Koppelelementteils 32 und eines zweiten Koppelementteils 33 angeordnet. Das Koppelelement 26 ist zur vereinfachten Aufnahme der beiden Enden 27, 29 zweiteilig ausgebildet.
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Der Schaft 12 ist koaxial mit dem Aktuatorstößel 25 angeordnet.
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Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung 2 ist in einem zweiten Ausführungsbeispiel gem. 3 aufgebaut. Das Kühlelement 22 ist in Form eines den Schaft 12 umfassenden Kühlwassermantels ausgebildet, welcher einen Eintritt 34 zum Einlassen von Kühlwasser und einen Austritt 35 zum Ablauf des Kühlwassers aufweist. Bevorzugt ist der Eintritt 34 dem Abgasführungsabschnitt 3 ferner ausgebildet als der Austritt 35, damit aufgrund des im Betrieb des Abgasturboladers 1 heißen Abgasführungsabschnitts 3 ein Wärmeeintrag in das Kühlelement 22 durch Konvektion vermieden wird.
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Das Schließelement 8 ist an seinem ersten Ende 27 in einem Aktuatorgehäuse 36 des hier als doppelseitig wirkenden Aktuators 10 ausgebildeten Aktuators, an einem bewegbaren Aktuatorschlitten 37 aufgenommen und ebenda geführt. Der Aktuatorschlitten 37 weist ein erstes Dichtelement 40, bevorzugt in Form einer Kolbendichtung, zur Abdichtung eines ein Spannelement 41 aufnehmenden und druckbeaufschlagten Aktuatorraumes 42 gegenüber einem zwischen dem Aktuatorschlitten 37 und dem Gehäuse 9 ausgebildeten Bewegungsraum 43 auf, als auch zur Abdichtung des Bewegungsraumes 43 bei dessen Druckbeaufschlagung zur Herbeiführung einer zweiten Position des Schließkörpers 11, bei der er gegen den zweiten Elementsitz 15 gepresst wird. In der zweiten Position wird der Schließkörper 11 mit Hilfe des Spannelementes 41 gegen den ersten Elementsitz 14 gedrückt.
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Kostengünstig weist der Schaft 12 an seinem ersten Ende 27 mit einem am Aktuatorschlitten 37 ausgebildeten Halteelement 38 eine Pressverbindung auf. Ebenso möglich sind geschraubte Verbindungen, oder die Verwendung von Sicherungselementen, wie bspw. Sprengringe oder Sicherungsringe , resp. -scheiben zur Verbindung des Aktuatorschlittens 37 mit dem Schaft 12.
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Zur gesicherten Führung des Schließelementes 8 weist das Gehäuse 9 ein in den Aktuatorschlitten 37 hineinragend ausgebildetes Führungselement 39 auf, welches in diesem zweiten Ausführungsbeispiel hohlzylinderförmig ausgeführt ist. Zwischen dem Aktuatorschlitten 37 und dem Führungselement 39 ist ein zweites Dichtelement 44 ausgebildet zur weiteren Abdichtung des Bewegungsraumes 43.
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Zur Herbeiführung eines Druckausgleichs in einem zwischen dem Aktuatorschlitten 37 und dem Schließelement 8, insbesondere dem Schaft 12 ausgebildeten Aufnahmeraum 45 ist ein Ausgleichskanal 46 im Führungselement 39 ausgebildet, welcher an seinem vom Aufnahmeraum 45 abgewandt ausgebildeten Kanalende 47 mit der Umgebung 48 verbunden ist. Damit kein Abgas aus den Fluten 4, 5 in den Aufnahmeraum 45, und damit über den Ausgleichskanal 46 in die Umgebung 48 eindringen kann, ist ein drittes Dichtelement 50 an einem dem Aufnahmeraum 45 zugewandt ausgebildeten Führungselementende 51 vorgesehen.
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In einer weiteren nicht näher dargestellten Variante ist das Schließelement 8 aus einem keramischen Werkstoff ausgebildet. Bevorzugt ist das Gehäuse 9 ebenfalls aus einem keramischen Werkstoff hergestellt.
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Die Regelvorrichtung 2 ist grundsätzlich an unterschiedlichen Stellen integrierbar. So könnte die Regelvorrichtung 2 ebenso zwei Spiralen des Abgasturboladers 1 verbindend bzw. trennend ausgebildet sein. Oder die Regelvorrichtung 2 ist stromauf des Abgasturboladers 1 Abgasführungsleitungen des Abgastraktes durchströmbar verbindend bzw. trennend ausgeführt.
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Vorteilhafterweise ist die Regelvorrichtung 2 jedoch wie in den Ausführungsbeispielen gezeigt, in den Abgasführungsabschnitt 3 integriert, so dass stromauf des Turbinenrades Abgas aus der ersten Flut 4 in die zweite Flut 5 und vice versa umgeleitet bzw. umgeblasen werden kann. Positive Strömungseffekte, welche aufgrund der Umblasung auftreten, können aufgrund der kurzen Strömungswege ausgehend von der Regelvorrichtung 2 zum Turbinenrad genutzt werden.
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Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung 2 ist in einem nicht näher dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel für ein Abblasen am Turbinenrad vorbei vorgesehen, wobei ein Abblasekanal, welcher stromauf des Turbinenrades von den Fluten abzweigend und stromab des Turbinenrades in einen Auslasskanal des Abgasturboladers 1 einmündend ausgebildet ist. Das Schließelement 8 dient in diesem Fall einem Schließen und Öffnen des Abblasekanals.
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In 4 ist die erfindungsgemäße Regelvorrichtung 2 in einem dritten Ausführungsbeispiel illustriert. Die Regelvorrichtung 2 ist zusätzlich zum Öffnen und Schließen der Durchströmöffnung 7 zum Öffnen und Schließen einer weiteren Durchströmöffnung 52 ausgebildet. Die weitere Durchströmöffnung 52 ist einem Umgehungskanal 53 zugeordnet, welcher einer Führung von Abgas am Turbinenrad vorbei dient.
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Die weitere Durchströmöffnung 52 ist mit Hilfe des Schließelementes 8 zu Öffnen und zu Schließen, wobei das Schließelement 8 in Form eines zweiteiligen Schließelementes ausgebildet ist und ein erstes Elementteil 54 sowie ein zweites Elementteil 55 umfassend ausgeführt ist. Das erste Elementteil 54 ist unabhängig vom zweiten Elementteil 55 zu bewegen und dient dem Öffnen bzw. Schließen der Durchströmöffnung 7. Das zweite Elementteil 55, welches unabhängig vom ersten Elementteil 54 bewegbar ist, ist zum Öffnen und Schließen der weiteren Durchströmöffnung 52 vorgesehen. Das erste Elementteil 54 und das zweite Elementteil 55 sind koaxial angeordnet.
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Das erste Elementteil 54 weist ein erstes Schließkörperteil 56 auf, welches fest mit einem ersten Schaftteil 57 des Schaftes 12 verbunden ist. Das zweite Elementteil 55 umfasst ein zweites Schließkörperteil 58, welches mit einem zweiten Schaftteil 59 des Schaftes 12 fest verbunden ausgeführt ist. Das zweite Schaftteil 59 ist im ersten Schaftteil 57 axial bewegbar aufgenommen.
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Der Aktuator 10 ist in Form eines ebenfalls zweiteiligen Aktuators, umfassend einen ersten Aktuatorabschnitt 60 und einen zweiten Aktuatorabschnitt 61, ausgeführt, damit das erste Elementteil 54 unabhängig vom zweiten Elementteil 55 bewegbar ist.
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Das Aktuatorgehäuse 36 umfasst einen ersten Gehäuseabschnitt 62 und einen zweiten Gehäuseabschnitt 63, wobei der erste Gehäuseabschnitt 62 dem ersten Aktuatorabschnitt 60 und der zweite Gehäuseabschnitt 63 dem zweiten Aktuatorabschnitt 61 zugeordnet ist. Die beiden Aktuatorabschnitte 60, 61 sind funktionsidentisch aufgebaut. Sie weisen jeweils einen Aktuatorschlitten 37 sowie ein den Aktuatorschlitten 37 gemäß dem im jeweiligen Bewegungsraum 43 anliegendem Druck bewegbares Spannelement 41 auf. Die beiden Aktuatorschlitten 37 sind entgegengesetzt zueinander bewegbar angeordnet.
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Die weitere Durchströmöffnung 52 ist in einer weiteren Wandung 64 des Abgasführungsabschnittes 3 ausgebildet, welche der Flutentrennwand 6 vom Aktuator 10 abgewandt gegenüberliegend ausgeführt ist. Die weitere Wandung 64 weist einen weiteren Elementsitz 65 des Abgasführungsabschnittes 3 auf, welcher zumindest teilweise komplementär zu einer ringförmigen Abschnittsfläche 19 der Unterfläche 20 des zweiten Schließkörperteils 58 ausgestaltet ist.
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Das zweite Schließkörperteil 58 weist eine von seiner Unterfläche 20 abgewandt ausgebildete Oberfläche 21 auf, welche zur strömungsoptimierten Umströmung profiliert ausgestaltet ist. Das heißt mit anderen Worten, dass es in seiner Freigabeposition der weiteren Durchströmöffnung 52 in der zweiten Flut 5 positioniert werden kann, wobei es die dort ausgebildete Strömung nur gering stört, so dass keine oder mäßig auftretende Strömungsabrisse in Erscheinung treten.
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Ein zwischen der zweiten Flut 5 und der weiteren Durchströmöffnung 52 ausgebildeter Führungsraum 66, in dem das zweite Elementteil 55 bewegbar vorliegt, weist eine zumindest teilweise konische Raumkontur 67 auf. Diese dient dazu, je nach axialer Stellung des Schließkörpers 58 im Führungsraum 66, unterschiedliche Querschnitte zum Abströmen in die Durchströmöffnung 52 freizugeben und damit ein differenziertes Regeln, oder mit anderen Worten feinfühliges Regeln zu erlauben. Zudem dient sie einer klemmfreien Bewegung des zweiten Elementteils 55 dient. Die im Abgasführungsabschnitt auftretenden schwankenden Abgastemperaturen führen zu Veränderungen einer Abgasführungsabschnittsgeometrie sowie der im Abgasführungsabschnitt 3 aufgenommenen Bauteile, so dass bei einer zylinderförmigen Kontur 67 durchaus ein Verklemmen des zweiten Schließkörperteils 56 im Führungsraum 66 auftreten könnte.
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Das erste Schließelementteil 54 könnte ebenso schalenartig zur Aufnahme des zweiten Schließelementteils 55 ausgebildet sein, derart das zweite Schließelementteil 55 zumindest teilweise vom ersten Schließelementteil 54 umfasst ist.
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Der Schaft 12 und der Aktuatorstößel 25 sind koaxial angeordnet oder können einteilig ausgeführt sein. Der Aktuator 10 kann als einfach- oder doppeltwirkender pneumatischer Zylinder ausgebildet sein. Eine Ausführung als elektrischer oder elektromagnetischer Aktuator 10 ist ebenfalls denkbar. Die erforderliche Dichtkraft zur Anpressung des Schließkörpers 11, 56, 58 an den Elementsitz 14, 15, 65 wird durch das bevorzugt im Aktuator 10 aufgenommene Spannelement 41, bevorzugt in Form einer Spiralfeder, aufgebracht oder unterstützt. Je nach Anordnung dieses Spannelementes 41 kann sie die Öffnung oder Schließung der entsprechenden Durchströmöffnung 7, 52 bewirken oder unterstützen.
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In den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen funktioniert der beispielhafte Aktuator 10 mit Hilfe eines Überdruckes pÜ. Ebenso könnte er auch mit einem Unterdruck beaufschlagt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202014100401 U1 [0003]
- US 3423926 A [0003]
- DE 19727141 C1 [0004]
