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Die Erfindung betrifft eine Regelungsvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Ferner betrifft die Erfindung einen Abgasführungsabschnitt für einen Abgasturbolader.
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Abgasführungsabschnitte für Abgasturbolader, welche eine Regelungsvorrichtung zur Regelung eines den Abgasführungsabschnitt durchströmenden Fluids, im Allgemeinen Abgas, aufweisen, sind bekannt. Die Regelungsvorrichtung dient einem Öffnen und Schließen einer Verbindungsöffnung zwischen einem ersten Spiralkanal des Abgasführungsabschnitts und einem zweiten Spiralkanal des Abgasführungsabschnitts. Ferner dient sie dem Öffnen und Schließen eines Umgehungskanals im durchströmbaren Abgasführungsabschnitt zur Umgehung eines im Abgasführungsabschnitt in einer Radkammer des Abgasführungsabschnitts drehbar angeordneten Turbinenrades des Abgasführungsabschnitts. Die Regelungsvorrichtung weist ein Schließelement auf, welches die Verbindungsöffnung sperren oder freigeben kann, ebenso wie es den Umgehungskanal sperren oder freigeben kann. Mit Hilfe einer derartigen Regelungsvorrichtung ist es möglich in bestimmten Betriebspunkten des Abgasturboladers, insbesondere in Betriebspunkten, welche große Strömungsmengen aufweisen, das Turbinenrad vollständig oder teilweise zu umgehen, so dass ein effizienter Betrieb des Abgasturboladers ermöglicht ist. Ebenso ist es erforderlich eine Verbindung der Spiralkanäle herbeizuführen ohne oder zumindest mit einer möglichst kleinen Reduzierung einer Druckbeaufschlagung des Turbinenrades. Der effiziente Betrieb des Abgasturboladers ist abhängig von einer wirksamen Abdichtung der Durchströmöffnung und/oder einer Durchtrittsöffnung des Umgehungskanals, über die Abgas in den Umgehungskanal geführt werden kann.
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So geht aus der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2018 101 705 U1 eine Regelungsvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers hervor, wobei ein Schließelement der Regelungsvorrichtung um eine Rotationsachse verdreht wird, damit zwei im Abgasführungsabschnitt ausgebildete Spiralkanäle durchströmbar verbunden werden. Das Schließelement ist bezogen auf seine Längsachse rotationssymmetrisch ausgebildet und weist einen runden Querschnitt auf.
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Die Offenlegungsschrift
EP 3 546 719 A2 offenbart eine Regelungsvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers, wobei das Schließelement einen in Form einer Scheibe ausgeführten Schließkörper aufweist, welcher an einer rechteckförmigen Abdeckplatte angeordnet ist. Das Schließelement mit seinem Schließkörper und seiner Abdeckplatte ist ebenfalls um eine Rotationsachse verdrehbar, wobei die Rotationsachse ebenfalls parallel zur Überströmung angeordnet ist.
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Problematisch ist bei beiden Regelungsvorrichtungen des Standes der Technik, dass bei einem Öffnen der Verbindungsöffnung, welche auch als Durchströmöffnung oder Überströmöffnung bezeichnet werden kann, die zwischen den beiden Spiralkanälen ausgebildet ist, das Schließelement bereits schon bei geringen Öffnungswinkeln soweit von seinem Elementsitz, welcher im Abgasführungsabschnitt ausgebildet ist, entfernt positioniert ist, dass ein Ausströmen aus den Spiralkanälen erfolgen kann. Insbesondere sofern der Elementsitz eine Umfassung einer Durchtrittsöffnung für einen Umgehungskanal des Abgasführungsabschnitts ist, bedeutet dies, dass bereits bei wenigen Öffnungsgraden der Öffnung der Überströmöffnung ein so genanntes Abblasen, eine Umströmung des Turbinenrades, stattfindet. Dies führt zu einer Wirkungsgradreduzierung des Abgasturboladers.
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Somit ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Regelungsvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers bereitzustellen. Die weitere Aufgabe ist es einen verbessert betriebssicheren Abgasführungsabschnitt für einen Abgasturbolader anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Regelungsvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Abgasführungsabschnitt für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers umfasst ein bewegbares Schließelement, wobei der Abgasführungsabschnitt einen ersten Spiralkanal und einen zweiten Spiralkanal zur Anströmung eines im Abgasführungsabschnitt drehbar aufgenommenen Turbinenrades aufweist, und wobei der erste Spiralkanal mit Hilfe einer Trennwand von dem zweiten Spiralkanal getrennt durchströmbar ausgebildet ist. Die Trennwand weist eine Durchströmöffnung auf, welche zur Herbeiführung einer Überströmung von Abgas des ersten Spiralkanals in den zweiten Spiralkanal und vice versa ausgestaltet ist. Der Abgasführungsabschnitt weist eine Aufnahmeöffnung zur bewegbaren Aufnahme des Schließelementes auf. Die Durchströmöffnung ist mit Hilfe des bewegbaren Schließelements zu öffnen oder zu schließen, wobei das Schließelement das Öffnen oder Schließen der Durchströmöffnung mit Hilfe einer Rotationsbewegung um eine Rotationsachse ausübend ausgebildet ist, wobei die Rotationsachse außerhalb des Schließelementes angeordnet ist. Das Schließelement weist einen zumindest die Durchtrittsöffnung schließenden Schließkörper auf. Erfindungsgemäß weist der Schließkörper einen rechteckförmigen ersten Querschnitt auf, wobei der erste Querschnitt in der Schließposition der Durchströmöffnung in einer Ebene quer zur Durchströmöffnung und in der Ebene der Aufnahmeöffnung angeordnet ist. Der Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit einer nahezu vollständigen Schließung der Aufnahmeöffnung zu realisieren, bis der Schließkörper die Durchströmöffnung vollständig freigebend positioniert ist. Dies kann mit einem runden Querschnitt des Schließkörpers oder einem in Form einer Scheibe ausgeführten Querschnitt des Schließkörpers nicht erzielt werden. An dieser Stelle sei erwähnt, dass eine vollständige Schließung, welche eine vollständige Abdichtung beinhaltet, bereits aus den Gründen eines erforderlichen Bewegungsspaltes des Schließelementes in der Aufnahmeöffnung nicht realisierbar ist, daher ist der Begriff der nahezu vollständigen Schließung eingeführt.
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Mit Hilfe der nahezu vollständigen Schließung kann gegenüber dem Stand der Technik eine wesentliche Steigerung eines Druckgefälles am Turbinenrad herbeigeführt werden, welches wiederum eine Steigerung eines Wirkungsgrades des Abgasturboladers mit sich bringen kann, da die Abgasströmung nicht oder nur in Größenordnungen einer Bewegungsspalt-Leckage, welche nicht zu unterbinden ist, dem Turbinenrad zugeführt werden kann, bis das Schließelement die Aufnahmeöffnung ebenfalls zumindest teilweise freigebend positioniert ist.
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Des Weiteren ist insbesondere der rechteckförmige Querschnitt in der Ebene quer zur Durchströmöffnung auszubilden. Diese Ebene entspricht der Ebene in welcher die Aufnahmeöffnung ausgebildet ist, welche eine komplementär zum ersten Querschnitt ausgebildete Rechteckform aufweist, und somit effektiv abgedichtet werden kann, da im Vergleich zu einem runden Querschnitt, welcher ein komplementär dazu ausgebildetes Schließelement bedarf, und bereits bei einer geringen Öffnung des Durchströmquerschnitts ein sichelartiger und weiter ein ringförmiger sich mit weiterer Öffnung des Durchströmkanals vergrößernd herbeigeführt ist, eine der Aufnahme dienenden Aufnahmeöffnung bis nahezu zu vollständigen Öffnung des Durchströmquerschnitts geschlossen gehalten werden kann.
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In einer Ausgestaltung ist das Schließelement bevorzugt topfartig, sich in Richtung der drei Dimensionen erstreckend ausgebildet, damit die Durchströmöffnung mit einem einzigen Element vollständig und gesichert geschlossen werden kann. Wäre das Schließelement bspw. in Form einer Scheibe ausgeführt, wäre eine Stabilität beim Öffnen und Schließen des Schließelementes nicht mehr gewährleistet, da hohe Strömungskräfte aufgrund hoher Abgasdrücke am Schließelement angreifen. Daher hat sich die topfartige Form als besonders stabil in Bezug auf Verformung durch die Strömungskräfte und -temperaturen erwiesen. An dieser Stelle sei erwähnt, dass eine topfartige Form nicht zwingend einen runden Querschnitt aufweisen muss, sondern ebenso bspw. einen rechteckigen Querschnitt besitzt. Ebenso ist eine Kombination unterschiedlicher Querschnittsformen denkbar.
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Das Schließelement der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung ist in Form eines Hohlkörpers ausgebildet, wodurch sich zum einen Materialkosten gering halten lassen und zum anderen die Regelungsvorrichtung gewichtsreduziert ausgeführt ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung besitzt das Schließelement den rechtecksförmigen Querschnitt und einen trapezförmigen Querschnitt. Der trapezförmige Querschnitt ist bevorzugt in einer Ebene quer zur Rotationsachse und somit in oder gegen die Richtung der Umströmung auszubilden, da somit eine große Fläche, welche als Schließfläche der Durchströmöffnung genutzt werden kann, und eine kleine Fläche, welche zur Vermeidung von Verwirbelungen möglichst gering ausgebildet werden kann, herbeizuführen sind.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung ist die Rotationsbewegung in Richtung der Überströmung oder entgegengesetzt zur Richtung der Überströmung ausgebildet. Der Vorteil ist in der Möglichkeit einer Anordnung in der Durchströmöffnung positionierbarer Flächen des Schließelementes zu sehen, die zu einer wesentlichen Reduktion der Klemmneigung beiträgt, da die relativ zueinander bewegten Flächen, die Flächen des Schließelementes und die diesen Flächen gegenüberliegend ausgebildeten Flächen des Abgasführungsabschnitts, insbesondere die Wandung der Durchströmöffnung, reduziert ausgebildet werden können.
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Unabhängig von der Rotationsbewegung ist bei den relevanten Schließelementen grundsätzlich zum Öffnen der Durchströmöffnung und ihres Durchströmquerschnitts das Schließelement aus der Durchströmöffnung zu verdrehen. Das bedeutet, dass eine Fläche des Schließelementes einen größten Radius bezogen auf die Rotationsachse besitzt, welcher zur vollständigen Öffnung der Durchströmöffnung vollständig und somit über eine längste Strecke aus der Durchströmöffnung gedreht werden muss. Damit nicht über diese längste Strecke die Fläche des Schließelementes einer Wandung des Abgasführungsabschnitts gegenüberliegt, ist die Rotationsbewegung in Richtung der Überströmung oder entgegengesetzt zu ihr ausgebildet. Somit kann eine Klemmneigung des Schließelementes in der Durchströmöffnung wesentlich reduziert werden. Das heißt mit anderen Worten, dass die die Durchströmöffnung schließende Fläche von der vollständigen Schließung bis zur vollständigen Freigabe der Durchströmöffnung über ihrem in der Durchströmöffnung positionierten Flächenabschnitt nur abschnittsweise einer Wandung der Spiralkanäle gegenüberliegend ausgeführt werden kann, da bspw. die Fläche dem im Spiralkanal vorliegenden Abgas gegenüberliegend angeordnet ist, wodurch die Gefahr eines Verklemmens gegeben ist.
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In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung ist das Schließelement an einer die Rotationsachse aufweisenden Welle einer Bewegungsvorrichtung der Regelungsvorrichtung angeordnet, wobei die Rotationsachse quer zur Überströmung angeordnet ist. Somit ist eine einfache und mechanisch stabile Bewegung des Schließelementes realisiert. Auch könnte ein selbstregelndes Schließelement ausgebildet sein, welches sich mit Hilfe anliegender Drücke in den Spiralkanälen selbsttätig öffnet oder schließt. Allerdings ist eine mit Hilfe der Bewegungsvorrichtung steuerbare Regelung des Schließelementes zu bevorzugen, da somit aktiv auf das Druckverhältnis am Turbinenrad Einfluss genommen werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung ist das Schließelement mit Hilfe eines Schwenkarms an der Welle befestigt, welcher um die Rotationsachse verschwenkbar ist. Aufgrund der möglichen Rotationsbewegung sind relativ geringe Aktivierungskräfte zur Bewegung des entsprechenden Schließelementes erforderl ich.
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Zur Dämpfung der Bewegung bei einem Schließen der Durchströmöffnung ist ein Federelement zwischen dem Schließelement und der Welle angeordnet. Somit kann das Schließelement vorgespannt in der Durchströmöffnung positioniert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist eine von der Rotationsachse abgewandt ausgebildete erste Schließelementfläche eine vollständige Schließung oder Öffnung der Durchströmöffnung erwirkend ausgebildet.
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Zur einfachen Realisierung des trapezförmigen Querschnitts ist die erste Schließelementfläche größer ausgebildet als eine von der ersten Schließelementfläche abgewandt ausgebildete zweite Schließelementfläche, welche der Rotationsachse zugewandt ausgebildet ist. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass, da die Rotationsbewegung mit oder in entgegengesetzter Richtung der Umströmung erfolgt, ein Unterboden, entlang dessen sich die Umströmung einstellt ausgehend vom geschlossen Zustand der Durchströmungsöffnung geneigt ausgebildet ist, und in Abhängigkeit der Strömungsrichtung die Strömung auf den Unterboden eine die Öffnung beschleunigende Kraft ausüben kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung weist die erste Schließelementfläche eine bezogen auf die Rotationsachse konvexe Krümmung auf. Der Vorteil ist die Möglichkeit der Ausbildung der ersten Schließelementfläche, deren Krümmung einen Radius der Fläche um die Rotationsachse beschreibt. So kann vorteilhaft bei der Öffnung der Durchströmöffnung die Durchtrittsöffnung geschlossen gehalten, bzw. einen fest eingestellten Spalt zwischen dem Schließelement und der Durchtrittsöffnung eingehalten werden.
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Zur Herbeiführung einer gesicherten Abdichtung der Durchtrittsöffnung weist das Schließelement einen Schließkörper und einen den Schließkörper umfassenden Kragen auf, wobei der Kragen von der Durchströmöffnung abgewandt am Schließkörper ausgebildet ist, und wobei der Kragen sich in horizontaler Richtung über den Schließkörper hinaus erstreckend ausgebildet ist, und somit an eine Gehäusewandung im geschlossenen Zustand der Durchströmöffnung anliegend, und damit dichtend, positioniert werden kann.
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Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasführungsabschnitt für einen Abgasturbolader, wobei der Abgasführungsabschnitt einen ersten Spiralkanal und einen zweiten Spiralkanal zur Anströmung eines im Abgasführungsabschnitts drehbar aufgenommenen Turbinenrades aufweist. Der erste Spiralkanal ist mit Hilfe einer Trennwand von dem zweiten Spiralkanal getrennt durchströmbar ausgebildet. Die Trennwand weist eine Durchströmöffnung auf, welche zur Herbeiführung einer Überströmung von Abgas des ersten Spiralkanals in den zweiten Spiralkanal und vice versa ausgestaltet ist, und wobei der Abgasführungsabschnitt eine Regelungsvorrichtung zum Öffnen oder Schließen der Durchströmöffnung aufweist, welche ein Schließelement umfasst, welches in einer im Abgasführungsabschnitt ausgebildeten Aufnahmeöffnung bewegbar aufgenommen ist, wobei die Regelungsvorrichtung erfindungsgemäß gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet ist. Der Vorteil ist in der Herbeiführung eines gesicherten und stabilen Betriebs des Abgasturboladers zu sehen, wobei mit Hilfe der Regelungsvorrichtung der Abgasturbolader in Anpassung an einen Betrieb einer ihn aufweisenden Verbrennungskraftmaschine wirkungsgradoptimiert betrieben werden kann.
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Sofern die Aufnahmeöffnung einer Durchtrittsöffnung eines Umgehungskanals entspricht, ist der Vorteil, dass erst durch die Freigabe der Aufnahmeöffnung und somit der Durchtrittsöffnung, ein Abblasen, welches eine Umgehung und somit eine Nichtbeaufschlagung des Turbinenrades mit Abgas bedeutet, möglich ist. Der Vorteil ist in der Möglichkeit zur Realisierung eines kompakten und kostengünstigen Abgasturboladers zu sehen, da anstelle von zwei oder mehreren Schließelementen ein einziges eingesetzt werden kann.
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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. Es zeigen:
- 1 in einem Längsschnitt einen Abgasführungsabschnitt für einen Abgasturbolader gemäß dem Stand der Technik mit einer Regelungsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik mit einem Schließelement in einer ersten Position,
- 2 in einer perspektivischen Ansicht einen Ausschnitt des Abgasführungsabschnitts mit der Regelungsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
- 3 in einer perspektivischen Ansicht eine erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung in einer Zwischenposition,
- 4 in einem Schnitt die Regelungsvorrichtung gem. 3 in der Zwischenposition, und
- 5 in einer weiteren perspektivischen Ansicht die erfindungsgemäße Rege l ungsvorrichtu ng.
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Ein gemäß 1 ausgebildeter durchströmbarer Abgasführungsabschnitt 1 eines Abgasturboladers 2 umfasst einen Eintrittskanal 3 zum Eintritt einer Fluidströmung in den Abgasführungsabschnitt 1, im Allgemeinen Abgas einer Verbrennungskraftmaschine 7, einen ersten Spiralkanal 4 und einen zweiten Spiralkanal 5 stromab des Eintrittskanals 3 zur Konditionierung der Strömung und einen nicht näher dargestellten Austrittskanal stromab der Spiralkanäle 4, 5, über welchen das Abgas aus dem Abgasführungsabschnitt 1 gezielt entweichen kann. Zwischen den Spiralkanälen 4, 5 und dem Austrittskanal ist eine nicht näher dargestellte Radkammer ausgebildet, in welcher ein nicht näher dargestelltes Turbinenrad drehbar aufgenommen ist. Der Abgasführungsabschnitt 1 ist mit einem Abgaskrümmer 6 der Verbrennungskraftmaschine 7 verbunden, so dass das Abgas der Verbrennungskraftmaschine 7 über den Eintrittskanal 3 in die Spiralkanäle 4, 5 eintreten kann um das Turbinenrad zu beaufschlagen.
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Zur Anpassung eines Betriebsverhaltens des Abgasturboladers 2 an die Fluidströmung der Verbrennungskraftmaschine 7, und somit an die Verbrennungskraftmaschine 7, ist im Abgasführungsabschnitt 1 eine Regelungsvorrichtung 8 zur Trennung oder zur Verbindung des ersten Spiralkanals 4 und des zweiten Spiralkanals 5 angeordnet. Zur Trennung oder zur Verbindung der beiden Spiralkanäle 4, 5 ist ein Schließelement 9 der Regelungsvorrichtung 8 in einer Durchströmöffnung 10, welche die beiden Spiralkanäle 4, 5 miteinander durchströmbar verbindend ausgebildet ist, angeordnet. Der Vorteil ist die Möglichkeit Abgas insbesondere in mittleren und hohen Last- und Drehzahlbereichen der mit dem Abgasturbolader 2 mechanisch und thermodynamisch verbundenen Verbrennungskraftmaschine 7 von einem Spiralkanal 4; 5 in den anderen und umgekehrt zu führen. Dadurch kann in eben diesen Betriebsbereichen eine quasi staudruckartige Beaufschlagung des Turbinenrades ausgebildet werden. Dies führt zu einer weiteren Steigerung des im Betrieb des Abgasturboladers 2 erzielbaren Wirkungsgrads.
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In einer ersten Position, der Schließposition des Schließelementes 9, wie sie in 1 dargestellt ist, sind die beiden Spiralkanäle 4, 5 vollständig voneinander getrennt durchströmbar, wobei die Durchströmöffnung 10 mit Hilfe des Schließelementes 9 vollständig geschlossen ist. Das Abgas der Verbrennungskraftmaschine 7 durchströmt die beiden Spiralkanäle 4, 5, wobei ein erster Teil des Abgases den ersten Spiralkanal 4 und ein zweiter Teil des Abgases den zweiten Spiralkanal 5 durchströmt.
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In einer zweiten Position des Schließelementes 9 ist die Durchströmöffnung 10 vollständig geöffnet, so dass Abgas aus dem ersten Spiralkanal 4 in den zweiten Spiralkanal 5 überströmen kann und vice versa. D. h., dass das Abgas von dem einen Spiralkanal 4; 5 in den anderen Spiralkanal 5; 4 über die Durchströmöffnung 10, welche einen ersten Strömungsquerschnitt 11 aufweist, strömen kann. Das Schließelement 9 ist zwischen der ersten Position und der zweiten Position in zahlreiche Zwischenpositionen zu positionieren, so dass der erste Strömungsquerschnitt 11 einem entsprechenden Bedarfsfall zur Erzielung eines gemäß der durchströmenden Abgasmenge bestmöglichen Wirkungsgrades des Abgasturboladers 2 anpassbar ist.
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In 2 ist die Regelungsvorrichtung 8 gemäß dem Stand der Technik in ihrer Schließposition abgebildet, wobei das Schließelement 9 in der Durchströmöffnung 10 diese vollständig schließend angeordnet ist. Dadurch ist ein Überströmen von Abgas aus dem ersten Spiralkanal 4 in den zweiten Spiralkanal 5 und vice versa unterbunden.
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Die Regelungsvorrichtung 8 besitzt eine Bewegungsvorrichtung 12, mit deren Hilfe des Schließelement 9 bewegt wird. Das Schließelement 9 ist an einem Schwenkarm 13 angeordnet, wobei der Schwenkarm 13 zwischen dem Schließelement 9 und einer um eine Rotationsachse 14 verdrehbaren Welle 15 positioniert ist. Mit Hilfe des Schwenkarms 13 wird eine Rotationsbewegung der Welle auf des Schließelement 9 übertragen.
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Bei einer Öffnung der Durchströmöffnung 10 strömt Abgas ausgehend von dem ersten Spiralkanal 4 in den zweiten Spiralkanal 5 und vice versa. Die grundsätzliche Strömungsrichtung 16 ist mit Hilfe eines Pfeils abgebildet. Gemäß dem Stand der Technik ist die Rotationsachse 14, über die die Bewegung des Schließelementes 9 initiiert wird, parallel zur Überströmung und somit parallel zur Strömungsrichtung 16 angeordnet. Eine von der Welle 15 und somit ebenfalls vom Schwenkarm 13 abgewandt ausgebildete erste Schließelementfläche 17 des Schließelementes 9 ist in dieser ersten Position einer die Spiralkanäle 4, 5 begrenzenden Wandung 18 des Abgasführungsabschnitts 1 der Durchströmöffnung 10 gegenüberliegend angeordnet. Das heißt, dass zum vollständigen Verschließen der Durchströmöffnung 10 das Schließelement 9 eine in Richtung einer Längsachse 19 des Schließelementes 9 vollständige Überdeckung mit der Wandung 18 ausgebildet sein muss. Oder mit anderen Worten gesagt, die erste Schließelementfläche 17 ist in der ersten Position zumindest in der Durchströmöffnung 10 vollständig von der sich im Bereich der Durchströmöffnung 10 ausgebildeten Wandung 18 bedeckt.
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Zum Öffnen der Durchströmöffnung 10 wird in diesem Ausführungsbeispiel die Welle 15 im Uhrzeigersinn verdreht, so dass das Schließelement 9 aus der Durchströmöffnung 10 herausgedreht wird, wobei ein Unterboden 20 des Schließelementes 9, welcher an die erste Schließelementfläche 17 angrenzend, vom Schwenkarm 13 abgewandt angeordnet ist, in Richtung der Wandung 18 gedreht und während einer Positionsänderung des Schließelementes 9 mindestens teilweise dieser gegenüber liegt. Das bedeutet, dass zur Vermeidung eines Verklemmens ein relativ großer Spielraum zwischen der ersten Schließelementfläche 17 und der Wandung 18 ausgebildet sein muss.
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Eine erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung 8 ist gemäß den 3 bis 5 aufgebaut. In den 3 und 4 ist die Regelungsvorrichtung 8 in einer Zwischenposition zwischen der ersten Position, d. h. der Schließposition und der zweiten Position, d. h. der vollständigen Öffnungsposition abgebildet, wobei es in 5 in der zweiten Position illustriert ist.
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Die Rotationsbewegung des Schließelementes 9 ist in Richtung der Überströmung oder entgegengesetzt zur Richtung der Überströmung ausgebildet, somit ist die Rotationsbewegung in Richtung der Strömungsrichtung 16 oder dieser entgegengesetzt ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass die Rotationsbewegung ihren Rotationssinn in Richtung der Strömungsrichtung 16 oder entgegengesetzt zu dieser besitzt. Somit ist das Schließelement 9 mit der Überströmung (ähnlich einem wasserbetriebenen Schaufelrad) oder entgegengesetzt zur Überströmung verdrehbar. Sofern ein Überströmen ausgehend von dem zweiten Spiralkanal 5 in den ersten Spiralkanal 4 erfolgt, stellt sich eine Bewegung des Schließelementes 9 mit der Überströmung ein, sofern das Überströmen ausgehend vom ersten Spiralkanal 4 in den zweiten Spiralkanal 5 ausgebildet ist, ist die Öffnungsbewegung entgegengesetzt zur Überströmung.
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Die Welle 15, welche die Rotationsachse 14 aufweist, ist quer zur Strömungsrichtung, oder mit anderen Worten quer zur Überströmung, insbesondere orthogonal zu dieser ausgebildet. Unter Nutzung eines orthogonalen Achsensystems, aufweisend die drei senkrecht zueinander angeordneten Achsen x, y, z, wobei die x-Achse und die y-Achse in einer horizontalen Ebene und die z-Achse in einer vertikalen Ebene hierzu angeordnet sind, verläuft die Überströmung in Richtung der x-Achse und die Welle 15 erstreckt sich in ihrer Längsrichtung in Richtung der y-Achse. Das Schließelement 9 ist um die Rotationsachse 14, welche sich in Richtung der y-Achse erstreckt, verdrehbar, so dass es eine Positionsänderung in Richtung der z-Achse besitzt, oder mit anderen Worten nach oben in Richtung der z-Achse um die y-Achse verdrehbar ist.
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Das Schließelement 9 ist in Form eines Hohlkörpers ausgebildet, wobei es insbesondere topfartig ausgeführt ist. Es besitzt einen rechteckförmigen ersten Querschnitt 21, welcher sich in Richtung der x- Achse und der y-Achse erstreckt, einen trapezförmigen zweiten Querschnitt 22, welcher sich in Richtung der x-Achse und der z-Achse erstreckt und eine rechteckförmigen dritten Querschnitt 23, welcher sich in Richtung der y-Achse und der z-Achse erstreckt.
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Die von der Rotationsachse 14 abgewandt ausgebildete erste Schließelementfläche 17 ist bezogen auf die Rotationsachse 14 konvex ausgeführt. Sie ist größer ausgebildet als eine der Welle 15 zugewandt ausgebildete zweite Schließelementfläche 24, wodurch der trapezförmig ausgebildete zweite Querschnitt 22 ausgebildet werden kann. Zwischen der ersten Schließelementfläche 17 und der zweiten Schließelementfläche 24 sind in Richtung der x-Achse eine dritte Schließelementfläche 30 und eine vierte Schließelementfläche 31 ausgebildet, wobei der Unterboden 20 den Spiralkanälen 4, 5 zugewandt zwischen den Schließelementflächen 17, 24, 30, 31 angeordnet ist.
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An dieser Stelle sei erwähnt, dass der dritte Querschnitt 23 nicht zwingend rechteckförmig ausgebildet sein muss, sondern dies für eine kostengünstige Herstellung vorteilhaft ist. Ebenso könnte er auch oval, insbesondere teiloval ausgeführt sein, an eine Kanalquerschnitt der Spiralkanäle 4, 5 komplementär angepasst. Damit wäre die Klemmneigung weiter reduziert. Aufgrund der Rotationsbewegung mit oder entgegengesetzt der Umströmung können zahlreiche unterschiedliche dritte Querschnitte 23 ausgebildet werden, welche jedoch immer zu Herbeiführung einer Abdichtung der Spiralkanäle 4,5 gegeneinander, komplementär zu dem Kanalquerschnitt ausgebildet sein muss.
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Wie insbesondere 4 entnommen werden kann, ist die Wandung 18, welche der ersten Schließelementfläche 17 gegenüberliegend ausgebildet ist, in ihrer sich in Richtung der z-Achse erstreckenden Ausdehnung auf eine Wandstärke 25 der Spiralkanäle 4, 5 begrenzt, so dass im Vergleich zur Wandung 18 gemäß dem Stand der Technik, welche bezogen auf die Drehbewegung den Spiralkanal 4; 5 vollständig schließend ausgeführt ist, wesentlich geringer ist, so dass auch eine Gefahr des Verklemmens des Schließelementes 9 in der Durchströmöffnung 10 eliminiert ist. Das heißt mit anderen Worten, dass die von der ersten Schließelementfläche 17, bei der Positionierung des Schließelementes 9, zu überstreichende Fläche der Wandung 18 auf ihr Minimum, nämlich die Wandstärke 25 der Spiralkanäle 4, 5 reduziert werden kann. Die von der Rotationsachse 14 abgewandt ausgebildete erste Schließelementfläche 17 ist eine vollständige Schließung oder Öffnung der Durchströmöffnung 10 herbeiführend ausgebildet.
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An dieser Stelle sei erwähnt, dass bei einer weiteren Verdrehung des Schließelementes 9 im vorliegenden Ausführungsbeispiel entgegen dem Uhrzeigersinn um die Rotationsachse 14 über die Wandung 18 hinaus, derart, dass der Unterboden 20 des Schließelementes 9 eine von den Spiralkanälen 4, 5 abgewandt Gehäusefläche 26 in Richtung der z-Achse überragt, ein Umgehungskanal 27 zur Umgehung des Turbinenrades freigegeben wird. Eine Aufnahmeöffnung 28, welche quasi parallel zur Umströmung und quer zur Durchströmöffnung 10 ausgebildet ist, und in welcher das Schließelement 9 bewegbar aufgenommen ist, entspricht einer Durchtrittsöffnung 29 des Umgehungskanals 27. Die Durchtrittsöffnung 29 weist einen zweiten Strömungsquerschnitt 35 auf, welcher in Abhängigkeit von der Position des Schließelementes 9 in der Durchströmöffnung 10 zumindest teilweise freigegeben oder geschlossen ist. Somit kann in Abhängigkeit von der Position des Schließelementes 9 ein Abblasen von Abgas in den Umgehungskanal 27 und/oder ein Umblasen von Abgas von einem Spiralkanal 4; 5 in den anderen Spiralkanal 5; 4 herbeigeführt werden.
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Das Schließelement 9 ist zur weiteren Reduzierung einer Verklemmung an seinen zwischen den Schließelementflächen 17, 24, 30, 31 und dem Unterboden 20 ausgebildeten Kanten 32 abgerundet ausgeführt. Das bedeutet, dass die Kanten 32 abgerundet, somit einen Radius aufweisend ausgebildet sind.
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Das Schließelement 9 umfasst einen Schließkörper 33 und einen den Schließkörper 33 über dessen Umfang umschließenden Kragen 34 auf, wobei der Kragen 34 von der Durchströmöffnung 10 abgewandt am Schließkörper 33 ausgebildet ist. Der Kragen 34 ist sich horizontal über den Schließkörper 33 hinaus erstreckend ausgeführt. Mit Hilfe des Kragens 34 kann eine weitere Abdichtung der Durchtrittsöffnung 29 zur Vermeidung eines Abblasens herbeigeführt werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit einer Abstützung des Schließelementes 9 an der Gehäusefläche 26.
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Der Schenkarm 13 ist drehfest mit dem Schließelement 9, insbesondere mit dem Schließkörper 33 an dessen Innenfläche 36 aufgenommen, verbunden. Der Schwenkarm 13 ist zumindest teilweise gekrümmt ausgebildet, wodurch eine Vergrößerung eines Hebelarms zur effizienten Kraftübertragung realisiert ist. In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Schließkörper 33 und der Welle 15 ein Federelement angeordnet, wobei das Federelement zwischen dem Schließkörper 33 und dem Schwenkarm 13 positioniert ist.
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Wie bevorzugt mit Hilfe der Abbildung in 5 des Schließelementes 9 in seiner zweiten Position erkennbar ist, ist auch in dieser Position der zweite Strömungsquerschnitt 35 noch nahezu vollständig geschlossen, wobei die Durchtrittsöffnung 29 komplementär zum ersten Querschnitt 21 des Schließkörpers 33, welcher am Kragen 34 seinen größten Außenumfang besitzt, ausgebildet ist. Das heißt, dass die erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung 8 insbesondere mit Hilfe ihres rechteckförmigen ersten Querschnitts 21, welcher komplementär zur Durchtrittsöffnung 29 ausgebildet ist, den zweiten Strömungsquerschnitt 35 bis zu einem Überschreiten des Unterboden 20 über die Gehäusefläche 26 abzüglich eines Bewegungsspaltes zwischen dem Schließkörper 33 und der Wandung 18 vollständig geschlossen halten kann.
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Das Schließelement 9 kann aus einem Gusshalbzeug mit Hilfe eines spanenden Verfahrens hergestellt werden. Das heißt, es wird in einem ersten Schritt ein Rohling in Form eines Quaders gegossen, wobei der Quader zur Reduzierung von Materialkosten und Arbeitsschritten bereits einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen kann. In einen zweiten Schritt mit Hilfe einer spanenden Bearbeitung eine Endkontur des Schließelementes 9 herzustellen. Zur Erzeugung der gekrümmten ersten Schließelementfläche 17 ist bevorzugt ein Konturwerkzeug in Form eines Fräsers einzusetzen, dessen Kontur der Krümmung angepasst ist. Da die erste Schließelementfläche 17 in ihrer in Richtung der y-Achse ausgebildeten Erstreckung nicht gekrümmt ist, kann der Fräser geradlinig auf einer Bahn bewegt werden. Die weiteren Flächen 24, 30, 31 und die Kanten 32 können mit einem einfachen Schaftfräser hergestellt werden.
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Der Abgasführungsabschnitt 1 kann in Form einer sogenannten Twin-Scroll-Turbine ausgebildet sein, welcher die Spiralkanäle 4, 5 mit einem Umschlingungswinkel von 360° aufweist, oder in Form einer so genannten Double-Scroll-Turbine oder auch als Segmentturbine bezeichnet, wobei die Spiralkanäle 4, 5 insgesamt einen Umschlingungswinkel von 360° aufweisen. Ebenso könnten jeweils auch mehr als zwei Spiralkanäle ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgasführungsabschnitt
- 2
- Abgasturbolader
- 3
- Eintrittskanal
- 4
- Erster Spiralkanal
- 5
- Zweiter Spiralkanal
- 6
- Abgaskrümmer
- 7
- Verbrennungskraftmaschine
- 8
- Regelvorrichtung
- 9
- Schließelement
- 10
- Durchströmöffnung
- 11
- Erster Strömungsquerschnitt
- 12
- Bewegungsvorrichtung
- 13
- Schwenkarm
- 14
- Rotationsachse
- 15
- Welle
- 16
- Strömungsrichtung
- 17
- Erste Schließelementfläche
- 18
- Wandung
- 19
- Längsachse
- 20
- Unterboden
- 21
- Erster Querschnitt
- 22
- Zweiter Querschnitt
- 23
- Dritter Querschnitt
- 24
- Zweite Schließelementfläche
- 25
- Wandstärke
- 26
- Gehäusefläche
- 27
- Umgehungskanal
- 28
- Aufnahmeöffnung
- 29
- Durchtrittsöffnung
- 30
- Dritte Schließelementfläche
- 31
- Vierte Schließelementfläche
- 32
- Kante
- 33
- Schließkörper
- 34
- Kragen
- 35
- Zweiter Strömungsquerschnitt
- 36
- Innenfläche
- x
- Achse
- y
- Achse
- z
- Achse
- R
- Radius
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202018101705 U1 [0003]
- EP 3546719 A2 [0004]
