DE112009002230T5

DE112009002230T5 - Wastegate mit variabler Strömung

Info

Publication number: DE112009002230T5
Application number: DE112009002230T
Authority: DE
Inventors: David G. Grabowska
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2008-10-01
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2011-09-29
Anticipated expiration: 2029-09-26
Also published as: KR101590539B1; KR20110060934A; WO2010039596A2; US20110173974A1; JP2012504727A; JP5759896B2; CN102165166A; US8499557B2; DE112009002230B4; CN102165166B; DE202009018979U1; WO2010039596A3

Abstract

Wastegate für einen Turbolader, wobei das Ventil mit einem Horn versehen ist, um eine progressivere, optimal fast lineare Turbolader-Ladedruck-zu-Ventilöffnung-Kurve liefern, als dies mit dem typischen flachen Wastegate-Ventil möglich ist. Die Hinzufügung eines dreidimensionalen Horns in den Strömungspfad ist eine wesentlich kostengünstigere Lösung, um eine lineare Strömung zu erhalten, als ein Ansatz, der eine sehr endliche, exakte Steuerung der Ventilstellung beinhaltet.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf die Gestaltung eines Wastegate-Strömungspfads derart, dass er für einen progressiveren Hub des Ventils eine progressivere (beständige, im optimalen Fall fast lineare) Strömungskurve durch die aus den ortsfesten und dynamischen Ventilbauteilen bestehende Öffnung erzeugt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Turbolader sind eine Art Aufladersystem. Sie liefern Druckluft an die Motoransaugung, wodurch mehr Kraftstoff verbrannt werden kann, was die Antriebsleistung des Motors ohne eine signifikante Erhöhung des Motorgewichts steigert. Dies kann die Verwendung eines kleineren Turbomotors ermöglichen, der einen physikalisch größeren Saugmotor ersetzt, wodurch die Masse und der aerodynamische Frontbereich des Fahrzeugs reduziert werden.
Turbolader verwenden den Abgasstrom vom Abgaskrümmer des Motors, um ein in einem Turbinengehäuse angeordnetes Turbinenrad anzutreiben. Das Turbinenrad ist fest mit einem Ende einer Welle verbunden. Ein Verdichterrad ist an das andere Ende der Welle montiert und wird von der Klemmkraft von der Verdichtermutter in Stellung gehalten. Die primäre Funktion des Turbinenrads ist es einfach, die Drehleistung für den Antrieb des Verdichters zu liefern. Bei AGR-Motorsystemen ist es eine Funktion der Turbinenstufe, den Gegendruck im Abgassystem zu steuern, um den Antrieb der AGR-Strömung vom Abgassystem in das Motoreinlasssystem zu ermöglichen.
Die von der Turbinenstufe entwickelte Leistung ist eine Funktion des Expansionsverhältnisses quer durch die Turbinenstufe. Das heißt, das Expansionsverhältnis vom Turbineneingang zum Turbinen-Exducer.
Die Verdichterstufe besteht aus einem Rad und seinem Gehäuse. Gefilterte Luft wird durch das Drehen des Verdichterrads (21) axial in den Einlass der Verdichterabdeckung (20) eingezogen. Die von der Turbinenstufe an die Welle gelieferte Leistung treibt das Verdichterrad an, um eine Kombination von statischem Druck mit einiger kinetischer Restenergie und Wärme zu erzeugen.
Bei einem Turbomotorsystem gibt es eine grundlegende Fehlanpassung zwischen der Motorausgangsleistung und der Turboladerausgangsleistung. Da ein Verbrennungsmotor (IC) eine Verdrängervorrichtung ist, ist die Durchflussmenge in etwa proportional zur Motordrehzahl N_e. Ein Turbolader ist eine rotordynamische Vorrichtung, deren Eigenschaften analog zu einer einfachen Drosselklappe sind, und daher ist die Durchflussmenge in großem Maße von seiner Drehzahl N_t unabhängig. Das Expansionsverhältnis quer durch den Turbolader nimmt im Quadrat zur Durchflussmenge zu. Daher ist der Turbolader in Wirklichkeit nur in einem Arbeitspunkt ideal mit dem Motor abgestimmt.
Aus der Sicht der Abstimmung, wenn die Motoranwendung zum Beispiel ein straßengebundener Lastwagen ist, ist der optimale Punkt für die Abstimmung höchstwahrscheinlich am Nennpunkt des Motors. Die Bestimmung, dass der optimale Punkt für die Abstimmung sich am Nennpunkt befindet, erzeugt eine weniger günstige Abstimmung zum Beispiel am Betriebspunkt bei niedriger Motordrehzahl. Das heißt, dass der Motor eher mehr Feinstaub im niedrigen Drehzahlbereich des Motors erzeugt als vom Motorhersteller (zur Erfüllung der Emissionsvorschriften) gewünscht, und der Fahrer hat nicht das Gefühl, dass der Motor reagiert. Wenn andererseits der Turbolader auf den niedrigen Drehzahlpunkt des Motors abgestimmt ist, ist die N_e Motorleistung besser, die Turbolader-Motor-Kombination hat eine verbesserte Übergangsleistung und die Feinstaubemissionen sind reduziert. Bei der N_e überlädt der Turbolader aber den Motor. Um die Frage der N_e Überladung zu lösen, wird ein Wastegate verwendet, um die Turbinenleistung an den Verdichter zu reduzieren und so den Ladedruck an diesem Motorbetriebspunkt zu reduzieren.
2 zeigt ein typisches Kennfeld für eine Verdichterstufe. Die Y-Achse (25) ist das Druckverhältnis, die X-Achse (26) ist der Massendurchsatz in kg/sec. Die linke Grenzlinie ist die Verdichterpumplinie (21). Dies ist eine durch Test erzeugte Linie. Bei jeder Drehzahllinie wird der Verdichterpumppunkt erfasst, notiert, dann für das ganze Kennfeld interpoliert. Am Verdichterpumppunkt bewirkt ein Schwingungsverhalten der Strömung eine Strömungsblockierung. Im Verdichterpumpzustand löst sich die Strömung von der Ansaugfläche der Schaufel, was zu einer Instabilität in der Strömung führt, die schwingt, wenn die Strömung an der Schaufel haftet und sich von ihr löst. Der Verdichterpumpzustand bewegt sich mit Einbaubedingungen und muss daher für jeden Satz von Einbauparametern getestet werden. Im Verdichterpumpzustand reagiert der Turbo stark und muss aus diesem Arbeitsbereich herausgehalten werden.
Die rechte Grenzlinie ist die Drossellinie (24). Diese Linie wird durch die Auswahl eines Mindestwirkungsgradwerts (oft 65%) an jeder Drehzahllinie in der Zone erzeugt, wo es einen steilen Abfall des Wirkungsgrads gibt, der durch das Erreichen der Schallgeschwindigkeit durch die Luftströmung verursacht wird. Im Drosselregime läuft der Turbo rund, aber das Druckverhältnis und der Wirkungsgrad sinken, und die Temperatur steigt. Die fast waagrechten Linien (23) sind Linien gleicher Turbolader-Drehzahl.
Die Linie 27 ist die Beispielslinie des Motorbetriebs. Für einen gegebenen Satz von Zuständen zeigt diese Linie, wo das Kennfeld den Luftanforderungen des Motorbetriebsregimes entspricht. 2 stellt ein Turboladerkennfeld dar, auf dem die Motorbetriebslinie eingezeichnet ist. Dies würde für den Fall eines festgelegten Turboladers gelten. Unter festgelegt ist zu verstehen, dass der Turbolader Anpassungsgrenzen hat, die nur durch die Wahl von Rädern und Gehäusen bestimmt werden; es gibt keine Steuervorrichtungen. 3 zeigt das gleiche Basiskennfeld, aber der Turbolader ist mit einem Wastegate ausgestattet, das die Aufladung im Beispielsfall auf ein Druckverhältnis von 3.43 begrenzt. In diesem Fall folgt die Motorbetriebslinie (28), 3, der Motorbetriebslinie (27) der 2, bis das Wastegate sich öffnet, dann krümmt sich die Motorbetriebslinie am Punkt der Wastegate-Öffnung zu einer waagrechteren Linie, die ein begrenztes Druckverhältnis darstellt.
Die Gestaltung der Turbinenstufe ist ein Kompromiss zwischen der für den Antrieb des Verdichters erforderlichen Leistung, der aerodynamischen Gestaltung der Stufe, der Trägheit der drehenden Einheit, von der die Turbine ein großer Teil ist; dem Turbolader-Betriebszyklus, der die konstruktiven und materiellen Aspekte der Gestaltung beeinflusst; und dem Nahfeld sowohl stromaufwärts vor als auch stromabwärts hinter dem Turbinenrad bezüglich der Schaufelanregung.
Die Erfordernisse der Motoraufladung sind die hauptsächliche Treibkraft bei der Auswahl der Verdichterstufe. Die Auswahl und die Gestaltung des Verdichters sind ein Kompromiss zwischen der Erfordernis des Aufladungsdrucks des Motors; der vom Motor geforderten Durchflussmenge; dem von der Anwendung geforderten Wirkungsgrad; der vom Motor und von der Anwendung geforderten Kennfeldbreite; der Höhe und dem Arbeitszyklus, dem der Motor unterworfen werden soll; den Zylinderdruckgrenzen des Motors; usw.
Es gibt viele Besonderheiten außerhalb des Turboladers, die dazu führen, dass dem Turbolader Grenzen auferlegt sind. Einschränkungen des Motors, wie Zylinderdruckbegrenzungen, können bedeuten, dass der Aufladungspegel an jedem Punkt des Betriebsregimes des Motors unter einem maximal zulässigen Druck gehalten werden muss. Höhengrenzen können das Bedürfnis erzeugen, aus strukturellen Gründen die Turbolader-Drehzahlen zu kontrollieren. Marketingkräfte können zu einem Bedürfnis für eine veränderbare Aufladungspegelkontrolle führen.
Es gibt Motorbegrenzungsfaktoren innerhalb der Ereignisse der Verbrennung, sowohl innerhalb als auch außerhalb des Brennraums. Einige dieser Faktoren sind: das Ansaugen der Luftladung; die Verdichtung der Luftladung; der Expansionshub und Auspuffhub des Motors; das Verdichtungsverhältnis; das Einspritzen von Kraftstoff; die Form, Zeitsteuerung und Beschaffenheit der Einspritzfahne; das Zünden von Kraftstoff; und die Merkmale der Zündung, sei es, das sie durch Verdichtung oder durch Funken ausgelöst wird; die Lokalisierung und Gestaltung der Dichtringe; die Gestaltung des Kolbenbodens und des Zylinderkopfs; vertieft, überhöht, flach, halbkugelförmig, Wirbel erzeugend, ohne Wirbel, geschichtet, homogen; das Luft-Kraftstoff-Verhältnis; usw. Die Zylinderdruckgrenzen werden üblicherweise von Merkmalen in der Motorgestaltung gesteuert, wie Auspuffdichtungsverfahren und Materialien, Ventil und Ventilsitzmaterialien, Kolbengestaltung, Kolbenringgestaltung, Zylindertemperatur, Zylinderkopfkühlung und strukturelle Beschränkungen, Wärme, Übertragungsraten und Klopfen bei Ottomotoren. Wie oben erwähnt, sind die Zylinderdruckgrenzen eine vorwiegende Treibkraft für die Benötigung von Wastegates.
Die Trägheit der drehenden Anordnung ist vorwiegend die Trägheit des Turbinenrads. Das Trägheitsmoment ist die Summe der getrennten Trägheiten, gesehen als unterschiedliche Schnitte durch das Bauelement.
Das Trägheitsmoment I = Σ M·R² Wobei M die Masse des betreffenden Querschnitts ist und
R der Radius des Querschnitts ist.
Der Grund, weshalb dies für den Betrieb eines Turboladers wichtig ist, ist, dass die Hinzufügung eines Wastegates zur Turbinenstufe die Abstimmung auf den niedrigen Drehzahlbereich erlaubt, mit einem kleineren Turbinenrad und -gehäuse, und somit führt die Hinzufügung eines Wastegates zur Option einer Trägheitsreduzierung. Da eine Reduzierung der Trägheit der drehenden Anordnung typischerweise zu einer Reduzierung von Feinstaub (PM) führt, sind Wastegates sind bei straßengebundenen Fahrzeugen üblich geworden. Das Problem ist, dass die meisten Wastegates in ihrem Betrieb irgendwie binär sind, was nicht gut zu dem linearen Verhältnis zwischen der Motorausgangsleistung und der Motordrehzahl passt.
Wie oben erläutert, gibt es viele Gründe, um Wastegates einzubauen:

1. Um den maximalen Zylinderdruck zu begrenzen, kann das Wastegate eine einfache Vorrichtung sein, die einfach den Ladedruck und somit die an den Brennraum gelieferte Luftdurchflussmenge begrenzt.
2. Um die maximale Zylindertemperatur zu begrenzen, kann das Wastegate als eine einfache Vorrichtung verwendet werden, um die Ansaugung der Luftdurchflussmenge und somit das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und die Verbrennungstemperatur zu reduzieren.
3. Um es dem Marketing zu erlauben, die Leistungseinstellung von Motoren zu ändern. Durch einfaches Ändern des Sitzdrucks der Antriebsfeder zum Zeitpunkt des Zusammenbaus des Turboladers kann der Punkt, an dem das Wastegate sich zu öffnen beginnt, relativ einfach verändert werden, mit einer minimalen Veränderung der Anzahl von Bauelementen.
4. Zum Feineinstellen der Leistungseinstellungen des Motors. Wenn ein Motor zusammengebaut wird, gibt es einen Bereich von Variablen in allen Bauelementen des Motors aufgrund der Anhäufung von Toleranzen, die die vom Motor erzeugte Leistung verändern. Da Dieselmotoren mit fraktionierten Nennleistungen, d. h. 112 kW, 130 kW, 142 kW, 149 kW, verkauft werden, ist die Verwendung der unbegrenzten Veränderung von Einstellpunkten, die mit einem Wastegate erhältlich ist, ein leistungsstarkes Feineinstellwerkzeug. Zum Beispiel, wenn ein Motor zum ersten Mal in Serie geht, erzeugen die Toleranzen aller Produktionsbauelemente, die sich von den Prototyp-Bauelementen unterscheiden, oft einen Motor mit unterschiedlicher Leistung, und Drehmoment. Anstatt Bauelemente austauschen zu müssen; um die Zieleinstellungen durchzuführen, kann die Einstellung des Wastegates einfach schnell verändert werden, wodurch die Herstellung eines zertifizierten Motors nicht verzögert wird. Das Problem bei dieser ”einfachen Lösung” ist es, dass, da die einfache Flachventil- und Sitzgestaltung die Strömung nicht gut mit dem Ventilöffnungswinkel moduliert, der Betrieb des Wastegates grob sein kann.

Wastegates gibt es in zwei Basiskonfigurationen; ein Tellerventil und ein Schwenkventil. 4 veranschaulicht ein typisches Schwenkventil-Wastegate, bei dem das Ventil (31) so an einem Ventilarm (33) befestigt ist, dass das Ventil sich frei bewegen kann, damit es auf einem in das Gehäuse (30) eingearbeiteten Sitz (32) dicht aufliegt. Das Gehäuse ist typischerweise ein Turbinengehäuse aus Gusseisen oder Stahl oder ein Abgaskrümmer, durch den Abgas (35) stromaufwärts vor dem Turbinenrad strömt. In das Gehäuse eingearbeitet ist ein Drehzapfen (34), um den der Ventilarm (33) drehen kann. Wenn das Schließen des Wastegates befohlen wird, wird der Ventilarm (33) von einem mechanisch mit dem Ventilarm (33) verbundenen Stellantrieb in die geschlossene Stellung angetrieben, so dass das Ventil (31) auf seinem Sitz (32) dicht aufliegt und kein Abgas aus dem Gehäuse (30) entweichen kann.
Wenn das Öffnen des Wastegates befohlen wird, bewegt sich der Stellantrieb derart, dass der Ventilarm (33) sich in die Stellung (33A) dreht, was es sowohl ermöglicht, dass Abgas (35) durch die Ventilöffnung in einer Richtung (35B) aus dem Gehäuse (30) heraus strömt, als auch, dass das verbleibende Abgas (35A) noch frei im Gehäuse (30) zirkulieren kann. So ist die Strömung (35) durch das Gehäuse bei geschlossenem Wastegate-Ventil größer als die Strömung (35A) durch das Gehäuse bei offenem Wastegate-Ventil. Dies reduziert die Energie, die für den Antrieb des Turbinenrads zur Verfügung steht.
5 veranschaulicht ein typisches Tellerventil-Wastegate, bei dem das Ventil (41) in einem Gehäuse (48) von einer Büchse (47) so geführt wird, dass das Ventil sich so frei lotrecht zu seinem Sitz bewegen kann, dass es auf einem in das Gehäuse (40) eingearbeiteten Sitz (42) dicht aufliegt. Das Gehäuse ist typischerweise ein Turbinengehäuse aus Gusseisen oder Stahl oder ein Abgaskrümmer, durch den Abgas (45) stromaufwärts vor dem Turbinenrad strömt. Das Wastegate-Gehäuse (48) sitzt typischerweise auf einer pneumatischen Membran, die das Ventil (41) abhängig von der Wahl des Motors entweder durch Druck oder durch Vakuum antreiben kann. Wenn das Schließen des Wastegates befohlen wird, wird das Ventil (41) durch den Stellantrieb in die geschlossene Stellung angetrieben, der mechanisch mit dem Ventil (41) verbunden ist, so dass das Ventil (41) dicht auf seinem Sitz (42) aufliegt und kein Abgas aus dem Gehäuse (40) entweichen kann.
Wenn das Öffnen des Wastegates befohlen wird, bewegt sich der Stellantrieb derart, dass das Ventil (41) von seinem Sitz (42) in die Stellung (41A) angehoben wird, was es sowohl ermöglicht, dass Abgas (45) durch die Hubmantelfläche in einer Richtung (45B) aus dem Gehäuse (48) heraus durch im Gehäuse ausgeschnittene Öffnungen (47) strömt, um es dem Gas (46) zu ermöglichen, in die Atmosphäre zu entweichen, als auch, dass das verbleibende Abgas (45A) frei ist, noch im Gehäuse (40) zu zirkulieren. Dadurch ist die Strömung (45) durch das Gehäuse bei geschlossenem Wastegate-Ventil größer als die Strömung (45A) durch das Gehäuse bei offenem Wastegate-Ventil. Dies reduziert die verfügbare Energie für den Antrieb des Turbinenrads. Da das entweichende Abgas nur durch die zylindrische Öffnung zwischen dem Ventilkopf und dem Ventilsitz strömen kann, ist die Strömungsänderung für eine gegebene Ventilverschiebung nicht sehr linear.
In 11 ist ein typisches Turbinengehäuse (2) mit einer typischen Schwenkventil-Wastegate-Anordnung (31, 33A) versehen. In diesem Fall ist das Wastegate auf der Seite des Spiralgehäuses weg vom Turbinenrad (1) montiert. Es könnte sich in einer beliebigen Stellung auf dem Turbinengehäuse oder Abgaskrümmer befinden. Die zwei üblichsten Stellungen sind wie gezeigt, oder in einer Stellung lotrecht zu der gezeigten. Die Wahl wird üblicherweise getroffen, um den Stellantrieb in einer weniger feindlichen Umgebung einzusetzen, oder aus einfachen Verpackungsgründen. Die Erfindung ist von der Stellungswahl oder der Art des Wastegates unabhängig. In jedem Fall tritt die Abgasströmung (3) vom Motor in die Leitung oder die Spirale des Turbinengehäuses ein und strömt durch die Leitung oder die Spirale des Turbinengehäuses. Wenn das Wastegate-Ventil (31) in der offenen Stellung (33A) ist, teilt die Strömung (3) sich in einem bestimmten Verhältnis in eine Strömung (35B) und eine Strömung (35A). Die Strömung (35A) in der Spirale bewegt sich zum Turbinenrad (1), wo sie aus dem Turbinengehäuse (2) durch den Exducer (4) zum Ablaufrohr des Fahrzeugs und in die Atmosphäre austritt. Die Bypass-Strömung (35B) bewegt sich durch die Ventilöffnung und vereint sich mit der Strömung durch die Turbine (35A), nachdem die Strömung (35A) durch die Turbine (1) gegangen ist, wodurch sie die die Turbine (1) umgeht.
Durch Einbau von Smart Controls und Rückmeldung über die Ventilstellung kann diese grobe Bewegung auf eine feinere Modulierung zugeschnitten werden. Dies führt aber zu deutlich höheren Kosten des Motors, da die Elektronik in einer feindlichen Abgasumgebung bei zwischen 860°C und 1050°C und bei Vibrationen funktionieren muss, die beide feindliche Umgebungen für Elektronik sind. Daher gibt es einen Bedarf für eine einfache, feinmodulierte Abgaskontrolle.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung erzeugt eine progressivere (beständige, optimal fast lineare) Turbolader-Ladedruck-zu-Ventilöffnung-Kurve als sie mit dem typischen Wastegate-Ventil möglich ist. Die Hinzufügung einer dreidimensionalen Form im Strömungspfad von der Leitung durch das Ventil hindurch ist eine weit kostengünstigere Lösung, eine lineare Strömung zu erhalten, als eine sehr endliche, exakte elektrische Steuerung der Ventilstellung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile bezeichnen, und in denen:
1 den Querschnitt für einen typischen Turbolader darstellt;
2 ein typisches Verdichter-Kennfeld ist, über das eine typische Motorbetriebslinie gelegt ist.
3 ein typisches Verdichter-Kennfeld mit einer typischen Motorbetriebslinie ist, verändert durch das Einsetzen eines Wastegqates, das darüber gelegt ist;
4 ein Querschnitt des Strömungspfads in einem Turbinengehäuse oder Krümmer mit einem Wastegate vom Typ Schwenkventil darauf montiert ist. Im oberen Bild ist das Ventil geschlossen, im unteren Bild ist das Ventil offen;
5 ein Querschnitt des Strömungspfads in einem Turbinengehäuse oder Krümmer mit einem Wastegate vom Typ Tellerventil darauf montiert ist. Im oberen Bild ist das Ventil geschlossen, im unteren Bild ist das Ventil offen;
6 ein Querschnitt ist, der die Details um das typische Schwenkventil herum vergrößert;
7 ein Querschnitt ist, der die erfindungsgemäßen Details eines Horns vergrößert zeigt, das an der typischen Schwenkventilkonfiguration befestigt ist;
8 ein Paar von Ausführungsformen der Erfindung darstellt. Das Bild 8A stellt einen zusätzlichen inneren Strömungspfad dar, das Bild 8B stellt einen zusätzlichen äußeren Strömungspfad dar;
9 ein Paar von Ausführungsformen der Erfindung darstellt. In diesen Ansichten stellt das Bild 9A ein asymmetrisches, gekrümmtes parabolisches Horn dar. Das Bild 9B stellt ein symmetrisches parabolisches Horn dar;
10 drei weitere Ausführungsformen der Erfindung darstellt. 10A ist eine parabolische Einsteckform; 10B ist ein Zylinder mit einem konischen Ende, und 10C ist nur ein konisches Horn.
11 die Stellung eines typischen Wastegates darstellt, das auf ein typisches Turbinengehäuse montiert ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung behandelt eine neue Veränderung bei Wastegates sowohl vom Schwenkventiltyp als auch vom Tellerventiltyp. Da das Schwenkventil die üblichere Form eines Wastegates ist, weil es in der mengenmäßigen Produktion kostengünstiger ist, ist es diese Form, auf die sich in dieser Anmeldung bezogen wird. Der Durchschnittsfachmann kann problemlos die bezüglich des Schwenkventils veranschaulichten Prinzipien auf das Tellerventil-Wastegate oder eine beliebige andere Art von Wastegate anwenden.
Durch Einbau eines dreidimensionalen Horns auf der Fläche des Ventils kann das Öffnen des Ventils, sowohl bei hohen also auch bei niedrigen Öffnungsgraden, die Abgasströmung präziser modulieren.
6 stellt die Konfiguration eines typischen Schwenkventil-Wastegates dar. Der Ventilkopf (31) hat typischerweise eine flache Seite 36 mit einem Wirkdurchmesser (36A) zur Dichtfläche (32) hin, da dies die kostengünstigste Herstellungslösung ist. Wenn das Ventil offen ist (siehe 4 33A), strömt das Abgas aus der Leitung in einer Richtung (35) zur Ventilfläche (36) durch die Öffnung (37). Die Basisgeometrie des Wastegate-Ventils und seines Drehzapfens bedeutet, dass der Ventilkopf (31) ein wenig auf der Fläche (32) gleitet, ehe die Bewegung des Ventilarms (33) um seinen Drehzapfen (34) die Ventilfläche von dem Sitz abhebt. Der Hauptgrund für einen Flachsitz ist, dass beim Giessen der Wastegate-Einrichtungen in einem Turbinengehäuse ein Zuschlag für die Kernverschiebung vorhanden sein muss. Das Wastegate verwendet Einrichtungen auf mindestens zwei verschiedenen Kernen, so dass die Einrichtungen eine relative Bewegung von 1/16'' bis 1/8'' bei normaler Gusspraxis haben können. Um diese Bewegung zu umgehen, ist ein flachseitiges Ventil mit ausreichender Überlappung eine kostengünstige Lösung.
7 stellt die Erfindung in ihrer einfachsten Form dar. Die Ventiloberseite (31), die das Ventil am Ventilarm (33) befestigt, ist wie vorher. Der untere Teil des Ventils (90) wurde verändert, um die Form eines Horns anzunehmen. Das Ventil öffnet sich in der gleichen Weise wie vorher (6), aber jetzt strömt die Luftströmung von der Leitung in der Richtung (35) um das Horn (90) herum, so dass die entweichende Luft in der ringförmigen Öffnung zwischen der Außenfläche des Horns (90) und der Innenseite der Öffnung (37) strömt.
Das Horn umfasst eine Basis, die die gleiche Abmessung hat wie die Öffnung. Die Öffnung kann quadratisch, oval, elliptisch oder rund oder von jeder anderen Form sein. Der Durchmesser der Basis des Horns wird als der kleinste Querschnitt durch die geographische Mitte gemessen, also die Breite (w) im Fall einer rechteckigen Basis oder ein Durchmesser (d) im Fall einer kreisförmigen Basis. Die Höhe (e) des Horns wird in der Richtung gemessen, in der das Ventil sich in der Schließrichtung bewegt. Die Höhe ist nicht besonders eingeschränkt, aber sie ist vorzugsweise mindestens die halbe Breite, am meisten bevorzugt gleich der oder größer als die Breite.
Die in 8–10 veranschaulichten Hornformen zeigen, dass es nicht notwendig ist, dass das Horn eine einfache, z. B. pyramidische oder konische Form annimmt. Alternative Flächen und Konfigurationen können verwendet werden, um eine kontrollierbarere Ladedruckkurve für ein einfach betätigtes Wastegate zu erzeugen.
In der Ausführungsform der 8A sind mehrere Abgasöffnungen (92), die mit einem oder mehreren Einlassöffnungslöchern (91) verbunden sind, im Horn (90) hergestellt, um die Durchflussmenge durch das Ventilsystem zu erhöhen. Die Abgasöffnungen können sich in einer oder mehreren Ebenen befinden, so dass, wenn das Ventilhorn aus der Öffnung herausgehoben wird, mehr der Abgasöffnungen freigelegt werden.
In der Ausführungsform der 8B sind die inneren Öffnungen durch Einkerbungen (95) ersetzt, die in der Außenwand des Horns (90) hergestellt sind. Die Einkerbungen können aus Gründen der Kostenreduzierung im Horn gegossen sein. Die Einkerbungen können die volle Länge oder eine Teillänge haben. Die Einkerbungen können in der Anzahl, der Form und der Tiefe variieren.
In der Ausführungsform der 9 wird eine innenliegende parabolische Form verwendet, um das Horn zu formen. In einer Form (101) folgt die parabolische Form der Mittellinie des Horns, in einer anderen Form dieser Ausführungsform folgt die parabolische Form einer Mittellinie lotrecht zu der früheren Ventilfläche (36).
In den in 10 gezeigten Ausführungsformen kann das Horn die Form einer außenliegenden parabolischen Bauform (111) oder eines konischen oder spitzen Endes eines Zylinders (112) oder eines Konus (113) annehmen.
Das Horn kann massiv oder hohl sein. Der Stellantrieb kann jeder beliebige üblicherweise verwendete elektrische oder pneumatische oder mechanische Stellantrieb sein. Das Betriebsverfahren liegt im Rahmen des fachmännischen Wissens. Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik durch die Hinzufügung des Horns, das die Verengung der Öffnung allmählicher aufhebt (den Durchströmungsquerschnitt reduziert) als ein übliches Flachventil.
Obwohl ein Wastegate hier in allen Einzelheiten bezüglich einer Ausführungsform beschrieben wurde, die für die Kraftfahrzeug- oder Lastwagenindustrie geeignet ist, ist es klar, dass das Wastegate und das Verfahren zu seiner Herstellung zur Verwendung in vielen anderen Anwendungen geeignet sind, wie Dampfmotoren und Brennstoffzellantrieb-Fahrzeuge. Obwohl diese Erfindung in ihrer bevorzugten Form mit einer gewissen Ausführlichkeit bezüglich eines Wastegate-Ventils beschrieben wurde, ist es klar, dass die vorliegende Offenbarung der bevorzugten Form nur als Beispiel dient, und dass auf viele Änderungen in den Details von Strukturen und der Zusammensetzung der Kombination zurückgegriffen werden kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Wastegate für ein turbogeladenes Verbrennungsmotorsystem, das enthält ein Wastegate-Gehäuse, das einen Durchgang aufweist, der einen Pfad für die Strömung von Abgasen von einem Eingangsende des Durchgangs bis zu einem Ausgangsende des Durchgangs definiert, und ein Ventil (31), das in den Durchgang montiert ist, für eine Bewegung zwischen einer geschlossenen Stellung, in der das Ventil in einer Öffnung (32) sitzt und die Strömung von Abgasen durch den Durchgang blockiert, und einer offenen Stellung, die die Strömung von Abgasen durch den Durchgang erlaubt, und einen Stellantrieb, der die Bewegung des Ventils steuert, wobei das Ventil (31) ein Horn (90) enthält, das sich in Richtung des Schließens des Ventils erstreckt, wobei das Horn einen Basisdurchmesser und eine von der Basis aus gemessene Höhe hat, wobei die Höhe des Horns (90) gemessen in Richtung des Schließens des Ventils gleich der oder größer als die Hälfte des Durchmessers der Basis ist, und wobei die Bewegung des Horns von der geschlossenen in die offene Stellung progressiv die Verengung der Öffnung aufhebt.
Wastegate nach Anspruch 1, wobei das Horn (90) von der Basis nach außen spitz zuläuft.
Wastegate nach Anspruch 1, wobei die Höhe des Horns (90) gemessen in Richtung des Schließens des Ventils gleich dem oder größer als der Durchmesser der Basis ist.
Wastegate nach Anspruch 1, wobei das Horn (90) mindestens eine Durchgangsbohrung enthält.
Wastegate nach Anspruch 1, wobei das Horn (90) Rillen oder Rippen über mindestens einen Teil der Fläche des Horns aufweist, die in Bewegungsrichtung des Horns ausgerichtet ist.
Wastegate nach Anspruch 1, wobei der Strömungsquerschnittsbereich gemessen an der Öffnung progressiv zunimmt, während das Ventil sich progressiv von der geschlossenen in die offene Stellung bewegt.
Wastegate nach Anspruch 1, wobei das Horn die Verengung der Öffnung progressiv aufhebt, wenn das Ventil von der geschlossenen in die offene Stellung bewegt wird.
Wastegate nach Anspruch 1, wobei das Eingangsende des Wastegate-Gehäuses mit einer Abgasströmung stromaufwärts vor einem Turbolader in Verbindung steht, und das Ausgangsende des Gehäuses mit einer Abgasströmung stromabwärts hinter dem Turbolader in Verbindung steht.
Wastegate für ein turbogeladenes Verbrennungsmotorsystem, das enthält ein Wastegate-Gehäuse mit einem Durchgang, der einen Pfad für die Strömung von Abgasen von einem Eingangsende des Durchgangs bis zu einem Ausgangsende des Durchgangs definiert, und eine Schwingklappe, die schwenkbar am Durchgang befestigt ist, für eine Bewegung zwischen einer geschlossenen Stellung, die die Strömung von Abgasen durch den Durchgang blockiert, und einer offenen Stellung, die die Strömung der Abgase durch den Durchgang erlaubt, und einen Stellantrieb, der mit dem Wastegate-Gehäuse verbunden ist, um die Bewegung der Schwingklappe zu steuern, wobei die Schwingklappe ein Horn enthält, das sich von der Schwingklappe allgemein in Richtung des Schließens des Ventils erstreckt, wobei das Horn einen Basisdurchmesser und eine von der Basis aus gemessene Höhe hat, wobei die Höhe des Horns lotrecht zur Basis gleich der oder größer als die Hälfte des Durchmessers der Basis ist, und wobei die Bewegung des Horns von der geschlossenen in die offene Stellung progressiv die Verengung der Öffnung aufhebt.
Wastegate-Abgassteuerungssystem für einen Verbrennungsmotor, wobei der Verbrennungsmotor eine Ansaugleitung und einen Abgaskrümmer enthält und weiter aufweist: • eine Abgasleitung, die mit dem Abgaskrümmer verbunden ist und sich an einem Verzweigungspunkt in einen ersten und einen zweiten Zweig gabelt; • wobei der erste Zweig der Leitung mit einem Turbolader verbunden ist; • wobei der zweite Zweig der Leitung mit Atmosphäre verbunden ist, optional über einen Abgasfilter; • ein Wastegate, das in der Abgasleitung am Verzweigungspunkt angeordnet ist; und • Einrichtungen zum Steuern des Wastegates, um variable Anteile des Abgases zwischen dem ersten und dem zweiten Zweig der Leitung zu lenken, wobei das Wastegate ein Ventil (31), das zwischen einer offenen und einer geschlossenen Stellung beweglich ist, und eine durch einen Sitz (32) definierte Öffnung aufweist, die geeignet ist, um das Ventil aufzunehmen, wenn es in der geschlossenen Stellung ist, wobei das Ventil ein Horn (90) enthält, das sich in die Öffnung erstreckt, wenn das Ventil in der geschlossenen Stellung ist.
System nach Anspruch 10, wobei das Horn einen Basisdurchmesser und eine von der Basis aus gemessene Höhe hat, und wobei das Horn sich von der Basis aus nach außen zuspitzt.
System nach Anspruch 10, wobei das Horn einen Basisdurchmesser und eine von der Basis aus gemessene Höhe hat, und wobei die Höhe des Horns lotrecht zur Öffnung gleich dem oder größer als der Durchmesser der Basis ist.
System nach Anspruch 10, wobei das Horn einen Basisdurchmesser und eine von der Basis aus gemessene Höhe hat, und wobei die Höhe des Horns lotrecht zur Basis gleich der oder größer als die Hälfte des Durchmessers der Basis ist.
System nach Anspruch 10, wobei der Strömungsquerschnittsbereich gemessen an der Öffnung progressiv zunimmt, wenn das Ventil sich progressiv von der geschlossenen in die offene Stellung bewegt.
System nach Anspruch 10, wobei das Horn die Verengung der Öffnung progressiv aufhebt, wenn das Ventil von der geschlossenen in die offene Stellung bewegt wird.
Gerät zur Steuerung des Turboladedrucks eines Turboladers, der mit einem Verbrennungsmotor verbunden ist und einen Luftauslass, der mit einem Abgaskrümmer des Motors verbunden ist, einen Abgaseinlass und einen Abgasauslass aufweist, wobei das Gerät aufweist: • einen Abgas-Bypasskanal, der den Abgaseinlass mit dem Abgasauslass verbindet; • ein Strömungssteuerelement, das innerhalb des Abgas-Bypasskanals angeordnet ist, wobei das Strömungssteuerelement betätigbar ist, um dadurch die Abgasströmung durch den Abgas-Bypasskanal zu steuern; • eine Luftdruck-Steuervorrichtung, die eine Luftansaugöffnung in Strömungsverbindung mit dem Ansaugkrümmer und eine Luftauslassöffnung hat, wobei die Luftdruck-Steuervorrichtung mehrere Luftströmungspfade zwischen der Luftansaugöffnung und der Luftauslassöffnung definiert, wobei mindestens einer der mehreren Luftströmungspfade eine kontinuierliche Luftströmung durch ihn hindurch zur Luftauslassöffnung liefert, und mindestens ein anderer der mehreren Luftströmungspfade Einrichtungen zur Steuerung der Luftströmung durch ihn hindurch zur Luftauslassöffnung enthält; und • einen Strömungssteuerungsstellantrieb, der eine Lufteinlassöffnung in Verbindung mit der Luftauslassöffnung der Luftdruck-Steuervorrichtung und Einrichtungen aufweist, um das Strömungssteuerelement entsprechend dem Luftdruck zu betätigen, der an die Strömungssteuerungsstellantrieb-Einlassöffnung von der Luftdruck-Steuervorrichtung geliefert wird.