DE112013005560T5

DE112013005560T5 - Verfahren und Struktur zum Verringern von Verlusten in 90-Grad-Wastegates für Turbolader

Info

Publication number: DE112013005560T5
Application number: DE112013005560.0T
Authority: DE
Inventors: David G. Grabowska
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2015-08-20
Also published as: US20150345375A1; US10626788B2; KR20150097567A; WO2014099328A1; CN104838108B; CN104838108A

Abstract

Ein Turbolader (10) hat eine verbesserte Wastegate-Ventilbaugruppe (45), wobei ein Port-Steuerventilkörper (44) Stromausbildungen aufweist, die dazu dienen, den Abgasstrom in nicht optimale Richtungen quer zu einer optimalen Stromrichtung in die Richtung der Wastegate-Passage (26) zu verringern. Diese Stromausbildungen dienen zum Optimieren oder Maximieren des Abgasstroms in die optimale oder Hauptströmungsrichtung, wenn der Abgasstrom durch den Abbiegewinkel (47) von einer Einlassrichtung (29) zu der optimalen Stromrichtung abbiegt.

Description

QUERVERWEIS AUF EINE VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht Priorität und alle Vorteile der vorläufigen U. S.-Anmeldung Nr. 61/739 229, eingereicht am 19. Dezember 2012 mit dem Titel „Methods And Structure For Reducing Losses In 90 Degree Waste Gates For Turbochargers”.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Turbolader mit einem verbesserten Wastegate-Ventil und insbesondere ein verbessertes Turbinen-Wastegate-Design, das den Strom von Abgasen in eine Hauptströmungsrichtung erleichtert, um den Strom durch das Turbolader-Wastegate zu verbessern.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Turbolader werden auf einer Maschine bereitgestellt, um Luft zu der Maschinenansaugung mit einer höheren Dichte als der zu liefern, die bei einer Konfiguration mit normaler Ansaugung möglich wäre. Das erlaubt es, mehr Kraftstoff zu verbrennen und daher die Leistung der Maschine zu boosten, ohne das Maschinengewicht signifikant zu erhöhen.
Im Allgemeinen verwenden Turbolader den Abgasstrom von dem Maschinenabgaskrümmer, der in das Turbinengehäuse an dem Turbineneinlass eintritt, um dadurch ein Turbinenlaufrad, das sich in dem Turbinengehäuse befindet, anzutreiben. Das Turbinenlaufrad ist an einem Ende einer Welle befestigt, wobei die Welle ein Verdichterlaufrad antreibt, das an dem anderen Ende der Welle montiert ist. Das Turbinenlaufrad stellt daher Drehleistung zum Antreiben des Verdichterrads und dadurch Antreiben des Verdichters des Turboladers bereit. Diese komprimierte Luft wird dann zu der Maschinenansaugung wie oben angegeben bereitgestellt.
Bei der Konzeption der Turbinenstufe erfolgt die Auswahl der Bauteile der Turbinenstufe in Bezug auf einen bevorzugten Leistungspunkt. Bei einem einfachen ungesteuerten Turboladersystem mit feststehender Düse wird ein ungesteuerter Turbolader so konzipiert, dass die optimale Leistung bei hohen Maschinendrehzahlen erreicht wird. Bei anderen Drehzahlen stellt der Turbolader der Maschine jedoch ein Boosten oder Luftvolumen, die niedriger als optimal sind, bereit.
Gesteuerte Turbolader stellen verbesserte Leistung dadurch bereit, dass der optimale Turbinenbetriebspunkt bereits bei niedrigen oder mittleren Maschinendrehzahlen erreicht wird. Im Allgemeinen wird bei einem gesteuerten System, wenn die Strömungsrate der Abgase zunimmt und der Aufladedruck zu hoch wird, ein Teil der Abgase in die Umgebung durch ein Wastegate abgelassen, so dass die Turbine umgangen wird.
Typischerweise strömt das Abgas durch ein Spiralgehäuse, das innerhalb des Turbinengehäuses oder Mantels definiert ist. Ferner ist auch eine Wastegate-Passage bereitgestellt, die von dem Spiralgehäuse durch eine Zwischenwand getrennt ist. Um den Wastegate-Strom bereitzustellen, ist in der Wand ein Wastegate-Port vorgesehen, der von einem Wastegate-Ventil gesteuert wird.
Das Wastegate-Ventil kann während des Betriebs des Turboladers selektiv geöffnet und geschlossen werden. Bei einer solchen Anordnung verläuft der Abgasstrom durch die Wastegate-Passage im Allgemeinen wenigstens in dem Bereich der Wastegate-Passage parallel zu der Strömungsrichtung in dem Spiralgehäuse. Typischerweise erstrecken sich der Turbineneinlassstrom und der Wastegate-Strom umfänglich in die Richtung des Spiralgehäuses. Der Wastegate-Port öffnet sich jedoch senkrecht oder im Wesentlichen an einem rechten Winkel zu diesen Strömungsrichtungen, und daher tritt der Wastegate-Strom in die Wastegate-Passage in eine seitliche oder axiale Richtung ein und biegt dann sofort in einem rechten Winkel ab, um umfänglich durch die Wastegate-Passage zu strömen. Diese Konfiguration kann daher gewöhnlich als ein 90-Grad-Wastegate bezeichnet werden, obwohl der tatsächliche Abbiegewinkel von einem 90-Grad-Winkel in einem bestimmten Ausmaß variieren kann, so dass der Abbiegewinkel zwischen der Einlassrichtung und der Wastegate-Strömungsrichtung ein stumpfer Winkel über 90 Grad oder ein spitzer Winkel unter 90 Grad sein kann.
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Wastegate-Ventil für einen Turbolader, das effizienteren Strom der Abgase durch den Wastegate-Port und die Wastegate-Passage bereitstellt. Insbesondere, was das Wastegate-Ventil betrifft, weist dieses Ventil typischerweise einen scheibenähnlichen Ventilkörper auf, der schwenkend auf dem Turbinengehäuse getragen wird, um den Wastegate-Port zu öffnen und zu schließen. Der Ventilkörper wird von einem Stellantrieb bewegt und kann in den Wastegate-Port zu einer ersten Position hinein schwenken, die den Wastegate-Port schließt, und aus dem Wastegate-Port zu einer zweiten Position heraus schwenken, die den Wastegate-Port öffnet. Ein gesteuerter Abgasanteil kann daher durch die Wastegate-Passage strömen, die wiederum zu einem Turbinenauslass strömt, indem die Turbine umgangen wird.
In der offenen Position hat der Ventilkörper eine Ventilfläche, die zu dem Wastegate-Port zeigt und an einem Winkel in Bezug auf eine Ebene, die den Wastegate-Port überspannt, geneigt ist. Die Ventilfläche ist vorzugsweise derart ausgerichtet, dass die Ventilfläche zu der Wastegate-Passage abgewinkelt ist, was dazu dient, den Wastegate-Strom umzulenken, wenn er durch den Port durchgeht und in die Wastegate-Passage abbiegt.
Die Richtung zu der Wastegate-Passage ist die Hauptrichtung, zu der der gesamte Wastegate-Strom gelenkt werden muss. Bei bekannten Ventilkörpern eines Wastegate-Ventils kann jedoch Abgas über die Seiten des Ventilkörpers in nicht optimale Strömungsrichtungen quer zu der Wastegate-Passagenrichtung überfließen, was daher turbulenten Fluidstrom in diesem Bereich schafft und erfordert, dass dieser turbulente Fluidstrom weiter von den Seiten der Wastegate-Passage umgelenkt wird, um den Abgasstrom in die Wastegate-Passage zu lenken. Das verringert die Effizienz des Stroms durch den Wastegate-Port und kann zu erhöhtem Gegendruck und Effizienzverlusten führen.
Der Ventilkörper des erfindungsgemäßen Wastegate-Ventils weist jedoch Stromausbildungen auf, die dazu dienen, den Abgasstrom in nicht optimale Richtungen zu verringern. Diese Stromausbildungen dienen zum Optimieren oder Maximieren des Abgasstroms in die optimale oder Hauptströmungsrichtung, wenn der Abgasstrom durch den Abbiegewinkel abbiegt.
Bei einer ersten Ausführungsform ist die Stromausbildung durch eine tellerförmige Ventilfläche definiert, die von einer konkaven Form, die auf der Ventilfläche vorgesehen ist, gebildet wird. Diese konkave Form kann eine tatsächliche konkave Form sein, bei der sich die Ventilfläche um den gesamten Umfang der Ventilfläche nach innen biegt. Die konkave Form kann auch eine geänderte konkave Form sein, bei der sich die Ventilfläche von der Vorderkante und der Hinterkante der Ventilfläche zu deren Mitte neigt, während die Seiten möglicherweise weniger oder keine Konkavität haben könnten. Der Begriff konkav gilt auch für eine flache schräge Oberfläche, die keine Krümmung von dem Umfang zu der Mitte der Ventilfläche hat.
Bei einer zweiten Ausführungsform kann die Ventilfläche mit niedrigen Rippen oder Kanten versehen sein, die sich parallel zu der Strömungsrichtung erstrecken und dazu dienen, den Strom in die Hauptrichtung zu lenken.
Bei einer dritten Ausführungsform kann die Stromausbildung ein Damm sein, der sich von der Ventilfläche entlang eines Abschnitts des Flächenumkreises erhebt. Der Damm könnte die Hinterkante oder bevorzugter die Vorderkante der Ventilfläche sein.
Wie hier ausführlicher beschrieben, dienen diese Stromausbildungen zum Optimieren des Stroms in die Hauptrichtung und Verringern nicht optimalen Stroms in Nebenrichtungen quer zu der Hauptrichtung.
Andere Aufgaben und Zwecke der Erfindung und Variationen davon ergeben sich bei der Lektüre der folgenden Spezifikationen und bei der Prüfung der begleitenden Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine bildhafte abgerissene Ansicht eines repräsentativen Turboladers.
2 ist eine Draufsicht eines Wastegate-Ventils.
3 ist eine Seitenansicht des Wastegate-Ventils.
4 ist eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines verbesserten Wastegate-Ventils.
5 ist eine Ansicht von unten einer zweiten Ausführungsform des Wastegate-Ventils.
6 ist eine Seitenansicht davon.
7 ist eine Ansicht von unten einer dritten Ausführungsform des Wastegate-Ventils.
8 ist eine Seitenansicht davon.
9 ist eine bildhafte Ansicht einer vierten Ausführungsform des Wastegate-Ventils.
10 ist eine Grafik, die einen Vergleich des Massestroms zwischen einem unveränderten Wastegate und dem erfinderischen Wastegate-Ventil der 9 zeigt.
In der folgenden Beschreibung wird aus praktischen Gründen und nur zur Bezugnahme eine bestimmte Terminologie verwendet, die nicht einschränkend ist. Die Wörter „aufwärts”, „abwärts”, „nach rechts” und „nach links” verweisen auf Richtungen in den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. Die Wörter „einwärts” und „auswärts” betreffen Richtungen jeweils zu der geometrischen Mitte der Anordnung und ihrer bezeichneten Teile und davon weg. Diese Terminologie weist Wörter auf, die spezifisch erwähnt sind, Ableitungen davon und Wörter mit ähnlicher Bedeutung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Abrissansicht der 1, ist ein Turbolader 10 gezeigt, der eine Turbine 11 aufweist, die ein Turbinengehäuse oder einen Mantel 12 definiert, der ein Spiralgehäuse 14 hat, das sich darin umfänglich erstreckt. Der Turbolader 10 weist ferner einen Verdichter 15 auf, der kombiniert mit der Turbine 11 auf herkömmliche Art bereitgestellt ist. Der Verdichter 15 weist ein Verdichtergehäuse 16 und ein Verdichterspiralgehäuse 17 auf.
Der Turbolader 10 hat eine grundlegende Kombination der Turbine 11 und des Verdichters 15, die jeweils ein Turbinenlaufrad 18 und ein Verdichterlaufrad 19 aufweisen, die durch eine Welle 21 drehbar verbunden sind. Die Welle 21 wird von einem Lagersystem 22 getragen.
Wie in den 1 und 3 sichtbar, wird die Turbine 11 mit Abgas durch den Turbineneinlass 23 versorgt. Der Turbineneinlass 23 definiert eine Strömungsrichtung 24, die sich umfänglich in das Turbinenspiralgehäuse 14 erstreckt. Das Spiralgehäuse 14 hat ferner eine Zwischenwand 25, die in 3 gezeigt ist, die das Spiralgehäuse 14 von einer Wastegate-Passage 26 trennt, die sich ebenfalls umfänglich erstreckt und in den Turbinenauslass 27 auslässt.
Um einen Anteil des Abgasstroms von dem Turbineneinlass 23 während des Betriebs des Turboladers 10 umzulenken, weist die Wand 25 einen Wastegate-Port 28 auf, der eine Strömungsrichtung 29 definiert, die zu der Richtung des Einlassstroms 24 quer ist. Diese Strömungsrichtung 29 ist auch zu der Hauptströmungsrichtung 30, die sich durch die Wastegate-Passage 26 erstreckt, quer.
Der Abgasstrom strömt von dem Einlass 23 sowohl zu dem Spiralgehäuse 14 als auch zu der Wastegate-Passage 26, wobei die Strömungsrichtungen 24 und 30 im Allgemeinen zueinander mindestens im Bereich des Wastegate-Ports 28 parallel sind. Der Wastegate-Port 28 öffnet sich in die Richtung 29, die zu diesen Strömungsrichtungen 24 und 30 senkrecht oder im Wesentlichen in einem rechten Winkel liegt. Der Wastegate-Strom tritt daher in die Wastegate-Passage 26 in eine seitliche oder axiale Richtung 29 ein und biegt dann sofort in einem rechten Winkel derart ab, dass er umfänglich in die Hauptströmungsrichtung 30 durch die Wastegate-Passage 26 strömt. Das kann daher gewöhnlich als ein 90-Grad-Wastegate bezeichnet werden, obwohl der tatsächliche Abbiegewinkel von einem 90-Grad-Winkel in einem bestimmten Ausmaß variieren kann, so dass der Abbiegewinkel zwischen der Einlassrichtung und der Wastegate-Strömungsrichtung ein stumpfer Winkel über 90 Grad oder ein spitzer Winkel unter 90 Grad sein kann.
Um einen gesteuerten Wastegate-Strom bereitzustellen, wird der Wastegate-Port 28 von einer Wastegate-Ventilbaugruppe 31 gesteuert, die ein Wastegate-Ventil 32 aufweist, das innerhalb des Ports 28 sitzt und selektiv während des Betriebs des Turboladers 10 geöffnet und geschlossen werden kann.
Wie man in 1 sieht, ist das Wastegate-Ventil 32 in einer geschlossenen Position gezeigt, in der Abgas in das Spiralgehäuse 14 durch den Turbineneinlass 23 gelenkt wird und dieser Strom auf das Spiralgehäuse 14 aufgrund des geschlossenen Zustands des Wastegate-Ventils 32 beschränkt wird. Das Ventil 32 ist auch zu dem offenen Zustand der 3 schwenkbar, wobei Abgas nun in die Wastegate-Passage 26 strömen kann. Das Wastegate-Ventil 32 wird von einer Stellantriebbaugruppe 33 (1) betrieben, die eine Stellantriebstange 33 aufweist, die das Wastegate-Ventil 32 derart schwenkt, dass der Wastegate-Port 28 selektiv geöffnet und geschlossen und dadurch ein Strom eines Anteils des Abgases in die Wastegate-Passage 26 gesteuert wird. Ein gesteuerter Abgasanteil kann daher durch die Wastegate-Passage 26 zu dem Turbinenauslass 27 strömen und dadurch die Turbine 12 umgehen.
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Wastegate-Ventil 32, das effizienteren Strom der Abgase durch den Wastegate-Port 28 und die Wastegate-Passage 26 bereitstellt. Insbesondere, was das Wastegate-Ventil 32 betrifft, das in den 2 und 3 gezeigt ist, weist dieses Ventil typischerweise einen scheibenförmigen Ventilkörper 34 auf, der auf einem Ventilarm 36 getragen wird, der wiederum schwenkend auf dem Turbinengehäuse 14 durch eine Schwenkstange 37 getragen wird, um den Wastegate-Port 28 zu öffnen und zu schließen.
Die Schwenkstange 37 wird von der Stellantriebbaugruppe 33 derart betrieben, dass der Ventilkörper 34 in den Wastegate-Port 28 hinein zu einer geschlossenen ersten Position (1) geschwenkt wird, die den Wastegate-Port 28 schließt, und aus dem Wastegate-Port 28 heraus zu einer offenen zweiten Position (2 und 3), die den Wastegate-Port 28 öffnet, geschwenkt wird.
Der Ventilkörper 34 hat eine Ventilfläche 38, die zu dem Wastegate-Port 28 zeigt, wobei ein äußerer Umkreis 39 gegen die Wand 25 sitzt und den Port 28, wenn er geschlossen ist, abdeckt. In der offenen Position zeigt die Ventilfläche 38 zu dem Wastegate-Port 28 und ist an einem Winkel A in Bezug auf eine Ebene 40, die den Wastegate-Port 28 überspannt, geneigt. Die Ventilfläche 38 ist vorzugsweise derart ausgerichtet, dass die Ventilfläche 38 zu der Wastegate-Passage 26 abgewinkelt ist, was dazu dient, den Wastegate-Strom umzulenken, wenn er durch den Port 28 in die Richtung 29 durchgeht und in die Wastegate-Passage 26 in die Richtung 30 abbiegt.
Die Richtung 30, die sich in die Wastegate-Passage 26 erstreckt, ist die Hauptrichtung, zu der der gesamte Wastegate-Strom gelenkt werden muss. Bei bekannten Ventilkörpern eines Wastegate-Ventils 32, wie schematisch in den 2 und 3 gezeigt, kann jedoch Abgas über die Seiten des Ventilkörpers 34 in nicht optimale Strömungsrichtungen 41 quer zu der optimalen Richtung 30 überfließen, was daher turbulenten Fluidstrom in diesem allgemeinen Bereich 42 schafft und erfordert, dass dieser turbulente Strom weiter von den Seiten der Wastegate-Passage 26 umgelenkt wird, um den Abgasstrom in die Wastegate-Passage 26 umzulenken. Das verringert die Effizienz des Stroms durch den Wastegate-Port 28 und kann zu erhöhtem Gegendruck führen.
Wie in Bezug auf 4 und in den restlichen Figuren beschrieben, weist ein Ventilkörper 44 eines erfinderischen Wastegate-Ventils 45 jedoch Stromausbildungen auf, die dazu dienen, den Abgasstrom in nicht optimale Richtungen 41 zu verringern. Diese Stromausbildungen dienen zum Optimieren oder Maximieren des Abgasstroms in die optimale oder Hauptströmungsrichtung 30, wenn der Abgasstrom durch den Abbiegewinkel 47 von der Einlassrichtung 29 abbiegt. Das Wastegate-Ventil 45 und der Ventilkörper 44 sind auch in 1 identifiziert, da die allgemeine Lage und das Aussehen ähnlich dem des Wastegate-Ventils 32 und Ventilkörpers 34 sind und gleich betrieben werden.
Eine erste Ausführungsform des Ventilkörpers 44 ist auch mit dem Bezugszeichen 50 in 4 bezeichnet. Dieser Ventilkörper 50 weist eine tellerförmige Ventilfläche 51 auf, die eine erste Konfiguration für eine Stromausbildung 52 definiert. Bei dieser Ausführungsform ist die Stromausbildung 52 durch eine konkave Form definiert, die der Ventilfläche 51 verliehen wird, wobei ein Umkreis 53 mit einer erhöhten Kante 55 bereitgestellt ist. Diese konkave Form kann eine tatsächliche konkave Form sein, bei der die erhöhte Kante 55 ringförmig ist, oder eine geschlossene Schleife, und die Ventilfläche 51 sich um den gesamten Umkreis 53 zu einem tellerförmigen Mittenabschnitt 56 einwärts krümmt. Die konkave Form kann auch eine geänderte konkave Form sein, bei der sich die Ventilfläche von dem Vorderkanten- und dem Hinterkantenabschnitt 55A und 55B der Ventilfläche 51 zu ihrem Mittenabschnitt 56 neigt, während die Seiten möglicherweise weniger oder keine Konkavität haben könnten. Der Begriff konkav gilt auch für eine flache schräge Oberfläche, die keine Krümmung von dem Umfang zu der Mitte der Ventilfläche hat.
Wenn der Ventilkörper 50 in der gezeigten offenen Position geneigt ist, ist die Ventilfläche 51 fast horizontal an der Vorderkante 55A ausgerichtet, was den Fluidstrom in diese Richtung erleichtert, und ist nahe der Hinterkante 55B vertikaler, was den Fluidstrom in diese Richtung behindert. Der Fluidstrom tendiert daher dazu, zu der optimalen Stromrichtung 30 zu strömen.
Bei einer zweiten Ausführungsform des Ventilkörpers 44, wie in den 5 und 6 sichtbar, ist der Ventilkörper 44 auch mit dem Bezugszeichen 60 bezeichnet. Dieser Ventilkörper 60 weist eine Ventilfläche 61 auf, die mit niedrigen Rippen oder Kanten 62 versehen ist, die sich parallel zu der Stromrichtung 30 erstrecken und dazu dienen, optimalen Strom in die Hauptrichtung 30 zu lenken. Ein Umkreis 63 des Ventilkörpers 60 definiert eine ringförmige, flache Dichtoberfläche 64, die ausgelegt ist, um den Port 28 zu umgeben und gegen einen ringförmigen Rand 65, der diesen Port 28 definiert, anzuschlagen. Die Kanten 62 stehen abwärts unterhalb der Dichtoberfläche 64 vor und können in die Stromrichtung, wie in 6 sichtbar, geneigt sein. Die Vorderkanten 66 der Kanten 62 können kürzer sein als die Hinterkanten 67, was den Strom zu Richtung 30 weiter begünstigt.
Die Kanten 62 können Zwischenkanten 62A umfassen, die in die Längsrichtung länger und in die Breitenrichtung im Vergleich zu den Endkanten 62B dünner ausgebildet sein können. Diese Kanten 62 definieren Strömungskanäle 69, die sich im Allgemeinen in die Richtung 30 erstrecken. Die Bodenoberflächen dieser Kanäle 69 sind geneigt oder schräg, wenn der Ventilkörper 60 in der offenen Position ist, um zu der Wastegate-Passage 26 zu zeigen, wodurch der Fluidstrom umgelenkt oder abgebogen wird und den Abgasstrom in die Richtung 30 begünstigt.
Die Kanten 62 können konzipiert sein, um den Fluidstrom zu optimieren. Die Anzahl der Kanten 62 und Kanäle 69 kann daher variiert werden, ebenso wie ihre relativen Höhen und Tiefen, sowie ihre Breiten. Die Breiten können jeweils gleich sein oder voneinander variieren.
Bei einer dritten Ausführungsform, die in den 7 und 8 gezeigt ist, ist der Ventilkörper 44 auch mit dem Bezugszeichen 70 bezeichnet. Dieser Ventilkörper 70 weist eine Ventilfläche 71 auf, wobei die Stromausbildung ein Damm 72 sein kann, der sich von der Ventilfläche 71 entlang eines Abschnitts eines Flächenumkreises 73 erhebt.
Genauer genommen definiert der Umkreis 73 des Ventilkörpers 70 eine ringförmige, flache Dichtoberfläche 74, die ausgelegt ist, um den Port 28 zu umgeben und gegen einen ringförmigen Rand 65, der diesen Port 28 definiert, wie in 6 gezeigt, anzuschlagen. Der Stromsteuerdamm 72 (7 und 8) steht abwärts unter der Dichtoberfläche 74 vor und ist radial einwärts des Umkreises 73 derart beabstandet, dass er die Dichtoberfläche 74 definiert. Der Damm 72 hat von unten gesehen eine Bogenform und dient zum Verhindern des Stroms von einer Hinterkante 75 und Fördern des Stroms zu einer Vorderkante 76. Als Alternative könnte der Damm 72 der 7 und 8 auf der Vorderkante 76 bereitgestellt werden. Obwohl der Damm 72 kontinuierlich und ununterbrochen ist, könnte der Damm 72 auch Schlitze aufweisen, um zu helfen, den Gasstrom zu lenken und zu regulieren.
Unter Bezugnahme auf 9 ist eine bevorzugte vierte Ausführungsform veranschaulicht. Der Ventilkörper 44 ist auch mit dem Bezugszeichen 80 bezeichnet. Dieser Ventilkörper 80 weist eine Ventilfläche 81 auf, wobei die Stromausbildung ein halbkreisförmiger oder bogenförmiger Damm 82 sein kann, der sich von der Ventilfläche 81 entlang eines Abschnitts eines Flächenumkreises 83 erhebt.
Der Umkreis 83 definiert eine kreisförmige, flache Dichtoberfläche 84. Der Stromsteuerdamm 82 steht abwärts unter der Dichtoberfläche 84 vor und ist radial einwärts des Umkreises 83 beabstandet, um eine ringförmige Dichtoberfläche 85 wie die Dichtoberfläche 74 zu bilden. Der Damm 82 hat eine Bogenform, die sich in etwa 180 Grad um den Umfang des Umkreises 83 erstreckt und dazu dient, den Fluidstrom zu lenken, der den Strom tatsächlich in Richtung 30 über eine Vorderkante 86 verbessert.
Genauer genommen hat der Damm 82 eine im Allgemeinen flache, bogenförmige Oberkante 87, die eine Länge hat, die sich über 180 Grad erstreckt und eine gleichmäßige oder konstante Höhe entlang der Länge des Damms 82 definiert. Die entgegengesetzten Enden der Oberkante 87 enden an abgeschrägten Kanten 88, die sich über eine kurze Entfernung erstrecken und zu der Oberfläche 84 hinunter verjüngen. Obwohl der Damm 82 kontinuierlich und ununterbrochen ist, könnte der Damm 82 auch Schlitze aufweisen, um zu helfen, den Gasstrom zu lenken und zu regulieren. Der Damm 82 kann zum Beispiel gekerbt sein, zum Beispiel mit einer V-Kerbe, wobei der Damm 82 ähnlich einem V-Kerben-Wehr oder einem Kombinationswehr ist. Die obere Dammkante 87 kann daher eine veränderliche Länge entlang der Länge des Damms 82 haben, wobei die Höhe aufgrund der Ausbildung der Schlitze oder Kerben oder aufgrund bogenförmigerer Konturen, die in der Kante 87 ausgebildet sind, variieren kann. Derart können die Strömungsrate und die Stromrichtung des Abgases durch den Damm 82 reguliert und gesteuert werden.
Die oben stehenden Stromausbildungen, wie zum Beispiel der Damm 82, dienen zum Lenken oder Regulieren des Gasstroms in die bevorzugte Stromrichtung 30. Zur Unterstützung ist 10 eine Grafik, die die Leistung unterschiedlicher Wastegate-Formen zeigt. Die Kurven, die als „flach” bezeichnet sind, sind für ein herkömmliches Wastegate-Design, das nicht erfindungsgemäß geändert wurde. Der erfinderische Wastegate-Ventilkörper 80 der 9 ist auf der Grafik der 10 durch durchgehende Linien angegeben, die ein Frontwanddesign (FW) identifizieren, oder, mit anderen Worten, ein Design, bei dem sich der Damm 82 auf der Frontseite gegenüber der Schwenkseite des Ventilkörpers 80, definiert durch die Welle 37, befindet.
10 vergleicht den Massestrom mit dem variablen Ventilwinkel, der von der Ventilfläche 81 definiert wird, der variiert, während der Ventilkörper 80 und seine Ventilfläche 81 auf- und zuschwenken. Der Massestrom und der Ventilwinkel sind ferner in Bezug auf unterschiedliche Expansionsverhältnisse (ER) für den Turbolader verglichen. Wie man sieht, folgt der Massestrom einer lineareren Erhöhung, während der Ventilwinkel im Vergleich zu der flachen grafischen Linie abnimmt, die eine stärker gebogene Schräge zeigt. Das FW-Design des Ventilkörpers 80 erlaubt es dem Ventil-Designer, den Massestrom an Ventilwinkeln bis etwa 20 Grad präziser zu steuern, da der Massestrom in Bezug auf den Ventilwinkel relativ linear zunimmt. Nachdem die Ventilfläche 81 den 20-Grad-Ventilwinkel erreicht hat, weicht die Massestromregulierung von der gröberen linearen Steuerung ab. Es wird angenommen, dass diese Ventilleistung auf die verbesserte Strömungssteuerung der Abgase in die Hauptrichtung 30 zurückzuführen ist, wobei die Strömung in die Nebenrichtungen verringert wird. Das Design der 9 und 10 stellt daher eine weitere Verbesserung im Vergleich zu dem Design der 7 und 8 dar.
Wie man bei der oben stehenden Offenbarung erkennt, dienen die unterschiedlichen Konfigurationen dieser Stromausbildungen der Optimierung des Stroms in die Hauptrichtung 30 und verringern einen nicht optimalen Strom in die Nebenrichtungen 41 quer zu der Hauptrichtung 30.
Obwohl besondere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ausführlich zu veranschaulichenden Zwecken offenbart wurden, versteht man, dass Variationen oder Änderungen des offengelegten Geräts, darunter unterschiedliche Anordnungen von Teilen, innerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung liegen.

Claims

Wastegate-Ventilbaugruppe (31) für einen Turbolader (10), die eine Wastegate-Passage (26) hat, die sich in eine erste Stromrichtung (30) erstreckt, und einen Wastegate-Port (28), der sich in die Wastegate-Passage (26) hinein erstreckt, um einen Abgasstromanteil zu der Wastegate-Passage (26) umzulenken, wobei der Wastegate-Port (28) eine zweite Stromrichtung (29) definiert, die zu der ersten Stromrichtung (30) quer ist, wobei die Wastegate-Ventilbaugruppe (31) Folgendes umfasst: einen Ventilkörper (44), der in einem Wastegate-Port (28) sitzen kann und selektiv geöffnet und geschlossen werden kann, wobei der Ventilkörper (44) eine Ventilfläche (51), (61), (71), (81) hat, die zu dem Wastegate-Port (28) zeigt, und, wenn der Ventilkörper (44) in der offenen Position ist, die Ventilfläche (51), (61), (71), (81) an einem Winkel derart geneigt ist, dass der Ventilkörper (44) zu der Wastegate-Passage (26) abgewinkelt ist, wobei der Ventilkörper (44) zum Umlenken von Wastegate-Abgasstrom dient, der durch den Wastegate-Port (28) in die zweite Richtung (29) durchgeht, durch Abbiegen des Wastegate-Abgasstroms durch einen Abbiegewinkel (47) in die Wastegate-Passage (26), die sich in die zweite Richtung (30) erstreckt, wobei der Ventilkörper (44) Stromausbildungen aufweist, die dazu dienen, den Abgasstrom von dem Ventilkörper (44) in nicht optimale Richtungen (41) quer zu der zweiten Stromrichtung (30) zu verringern, wobei die Stromausbildungen geformt sind, um den Abgasstrom zu begünstigen, optimal aus dem Ventilkörper (44) in die zweite Stromrichtung (30) auszutreten, wenn der Abgasstrom durch den Abbiegewinkel (47) von der zweiten Stromrichtung (29) zu der ersten Stromrichtung (30) abbiegt.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei der Abbiegewinkel (47) zwischen der ersten und der zweiten Stromrichtung in etwa 90 Grad beträgt.
Turbolader nach Anspruch 2, wobei der Ventilkörper (44) von einer geschlossenen Position zu dem geneigten Winkel in die offene Position schwenkbar ist.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei der Ventilkörper (44) eine tellerförmige Ventilfläche (51) aufweist, die durch eine konkave Form, die der Ventilfläche (51) verliehen ist, definiert ist.
Turbolader nach Anspruch 4, wobei der Ventilkörper (44) einen Umkreis (53) mit einer erhöhten Kante (55) hat und sich zu einem Mittenabschnitt (56) einwärts biegt, wobei die Ventilfläche (51) den Fluidstrom zu der zweiten Stromrichtung (30) erleichtert.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei der Ventilkörper (44) eine Ventilfläche (61) hat, die mit Kanten (62) versehen ist, die sich parallel zu der Stromrichtung (30) erstrecken und abwärts unter eine Dichtoberfläche (64) vorstehen.
Turbolader nach Anspruch 6, wobei die Kanten (62) Strömungskanäle (69) definieren, die sich im Allgemeinen in die erste Stromrichtung (30) erstrecken.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei der Ventilkörper (44) eine Ventilfläche (71) aufweist, wobei die Stromausbildungen einen Damm (72) umfassen, der sich von der Ventilfläche (71) entlang eines Abschnitts eines Flächenumkreises (73) erhebt.
Turbolader nach Anspruch 8, wobei der Damm (72) eine Bogenform hat und auf einer Hinterkante (75) oder einer Vorderkante (76) angeordnet ist und dazu dient, Strom von einer Hinterkante (75) zu verhindern und Strom zu einer Vorderkante (76) zu begünstigen.
Turbolader (10), der Folgendes umfasst: eine Turbine (11), die ein Spiralgehäuse (14) hat, und einen Turbineneinlass (23), der mit einem Abgasstrom versorgt wird, wobei die Turbine (11) eine Zwischenwand (25) hat, die eine Wastegate-Passage (26) definiert, die sich in eine erste Stromrichtung (30) erstreckt, und einen Wastegate-Port (28), der sich in die Wastegate-Passage (26) erstreckt, um einen Abgasstromanteil von dem Turbineneinlass (23) zu der Wastegate-Passage (26) umzulenken, wobei der Wastegate-Port (28) eine zweite Stromrichtung (29) für umgelenktes Abgas definiert, die quer zu der ersten Stromrichtung (30 ist), wobei die Turbine ferner eine Wastegate-Ventilbaugruppe (31) aufweist, um einen gesteuerten Abgasstrom durch den Wastegate-Port (28) bereitzustellen, wobei die Wastegate-Ventilbaugruppe (31) einen Ventilkörper (44) aufweist, der in dem Wastegate-Port (28) sitzt und selektiv geöffnet und geschlossen werden kann, wobei der Ventilkörper (44) eine Ventilfläche (51), (61), (71), (81) hat, die zu dem Wastegate-Port (28) zeigt, und, wenn der Ventilkörper (44) in der offenen Position ist, die Ventilfläche (51), (61), (71), (81) an einem Winkel derart geneigt ist, dass die Ventilfläche (51), (61), (71), (81) zu der Wastegate-Passage (26) abgewinkelt ist, was dazu dient, den Wastegate-Abgasstrom, der durch den Wastegate-Port (28) durchgeht, in die zweite Richtung (29) umzulenken, indem der Wastegate-Abgasstrom durch einen Abbiegewinkel (47) in die Wastegate-Passage (26), die sich in die zweite Richtung (30) erstreckt, abbiegt, wobei die Ventilfläche (51), (61), (71), (81) des Ventilkörpers (44) Stromausbildungen aufweist, die dazu dienen, den Abgasstrom von der Ventilfläche (51), (61), (71), (81) in nicht optimale Richtungen (41) quer zu der zweiten Stromrichtung (30) zu verringern, wobei die Stromausbildungen geformt sind, um den Abgasstrom derart zu optimieren, dass er die Ventilfläche (51), (61), (71), (81) in die erste Stromrichtung (30) verlässt, wenn der Abgasstrom in dem Abbiegewinkel (47) von der zweiten Stromrichtung (29) zu der ersten Stromrichtung (30) abbiegt.
Turbolader nach Anspruch 10, wobei der Ventilkörper (44) eine tellerförmige Ventilfläche (51) aufweist, die durch eine konkave Form, die der Ventilfläche (51) verliehen ist, definiert ist.
Turbolader nach Anspruch 10, wobei der Ventilkörper (44) eine Ventilfläche (61) hat, die mit Kanten (62) versehen ist, die sich parallel zu der Stromrichtung (30) erstrecken und abwärts unter einer Dichtoberfläche (64) vorstehen.
Turbolader nach Anspruch 10, wobei der Ventilkörper (44) eine Ventilfläche (71) aufweist, wobei die Stromausbildungen einen Damm (72) umfassen, der sich von der Ventilfläche (71) entlang eines Abschnitts eines Flächenumkreises (73) erhebt.
Turbolader nach Anspruch 13, wobei der Damm (72) eine Bogenform hat und auf einer Hinterkante (75) oder einer Vorderkante (76) angeordnet ist und dazu dient, Strom von einer Hinterkante (75) zu verhindern und Strom zu einer Vorderkante (76) zu begünstigen.