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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Erfindung beansprucht Priorität gemäß 35 USC 119 basierend auf der vorläufigen Patentanmeldung US Nr. 61/786,789, eingereicht am 15. März 2013. Der Gegenstand dieses Prioritätsbelegs ist bezugnehmend hierin enthalten.
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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft einen Turbolader für einen Verbrennungsmotor. Insbesondere betrifft diese Erfindung einen Turbolader mit einem rotierenden Wastegate-Ventil.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Ein Turbolader ist eine Form eines Aufladungssystems, das bei Verbrennungsmotoren verwendet wird. Turbolader liefern verdichtete Luft an einen Ansaugtrakt eines Motors und ermöglichen so die Verbrennung einer größeren Menge an Treibstoff, so dass die Leistung eines Motors ohne erhebliche Erhöhung des Motorgewichts verstärkt wird. Somit gestatten Turbolader die Verwendung kleinerer Motoren, die den gleichen Umfang an Leistung wie größere Motoren mit normaler Ansaugung bieten. Die Verwendung eines kleineren Motors in einem Fahrzeug führt zu der gewünschten Auswirkung, dass die Fahrzeugmasse verringert, die Leistung gesteigert und die Treibstoffausnutzung verbessert werden. Darüber hinaus gestattet die Verwendung von Turboladern eine vollständigere Verbrennung des an den Motor gelieferten Treibstoffes, was zum absolut wünschenswerten Ziel einer saubereren Umwelt beiträgt.
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In der Regel umfassen Turbolader ein Turbinengehäuse, das mit dem Abgaskrümmer des Motors verbunden ist, ein Verdichtergehäuse, das mit dem Ansaugkrümmer des Motors verbunden ist, und ein Mittellagergehäuse, das die Turbinen- und Verdichtergehäuse miteinander koppelt. Ein Turbinenrad im Turbinengehäuse wird rotierbar durch einen Zufluss an Abgas, das vom Abgaskrümmer bereit gestellt wird, angetrieben. Eine im Mittellagergehäuse rotierbar gestützte Spindel verbindet das Turbinenrad mit einem Verdichterrad im Verdichtergehäuse, so dass eine Rotation des Turbinenrads eine Rotation des Verdichterrads bewirkt. Die das Turbinenrad und das Verdichterrad verbindende Spindel definiert eine Rotationsachse. Wenn das Verdichterrad rotiert, erhöht es die Luftmassen-Strömungsgeschwindigkeit, Luftstromdichte und den Luftdruck, die den Zylindern des Motors über den Ansaugkrümmer des Motors zugeführt werden.
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Ist der Druck des Abgases hoch, kann ein höherer Abgasdruck vorliegen, als für die Bereitstellung des gewünschten Ladedrucks notwendig ist. Eine Lösung für dieses Problem liegt darin, Abgas vom Turbinenrad wegzuleiten, wenn der Abgasdruck hoch ist, so dass die Menge des die Turbine erreichenden Abgases die für Bereitstellung eines optimalen Ladedrucks notwendige Menge ist. Ein Wastegate-Ventil kann verwendet werden, um Abgase vom Turbinenrad wegzuleiten. Die Ableitung der Abgase steuert die Turbinendrehzahl, die wiederum die Rotationsgeschwindigkeit des Verdichters steuert. Durch das Steuern der Rotationsgeschwindigkeit des Verdichters kann das Wastegate den maximalen Ladedruck in Turboladersystemen regulieren.
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Einige herkömmliche Turbolader verwenden einen Steuermechanismus zum Steuern des Wastegate-Ventils. Beispielsweise bewirkt der Steuermechanismus, dass sich das Wastegate-Ventil öffnet, wenn Abgasdruck hoch ist, und sich schließt, wenn Abgasdruck fällt. Das Wastegate-Ventil kann basierend auf dem Druck des Ansaugkrümmers gesteuert werden. Verschiedene mechanische Vorrichtungen werden verwendet, um das Wastegate zu öffnen, wenn der Druck am Auslass des Turboladers hoch ist. Auch elektrische Steuerverfahren werden verwendet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Bei einigen Aspekten schließt ein Turbolader einen Verdichterabschnitt ein, der von einem Turboladerabschnitt angetrieben wird. Der Turboladerabschnitt schließt ein Turbinengehäuse ein, das ein Turbinenrad umgibt, und das Turbinengehäuse umgrenzt einen Abgaseinlass, einen Leitungskanal, der sich zwischen dem Einlass und dem Turbinenrad erstreckt, und eine Öffnung im Leitungskanal. Eine Stellglied-lose, mittels Abgasdruck betätigte Drosselklappe ist in der Öffnung angeordnet und rotiert zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung. Die Klappe schließt eine rotierbare Spindel mit einer Längsachse, eine Ventilplatte, die an der Spindel entlang einer vom Durchmesser der Ventilplatte abweichenden Sehne befestigt ist; und eine Feder ein, die an der rotierbaren Spindel in einer Weise angebracht ist, dass die Feder die Spindel zu einer Rotation über die Längsachse in einer ersten Richtung beeinflusst; wobei der Druck eines im Abgaskanal strömenden Gases gegen die Ventilplatte eine Rotationsbewegung der Ventilplatte und der rotierbaren Spindel entgegen der Federvorspannung bewirkt.
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Der Turbolader kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen: Der Turbolader schließt weiterhin eine Federspannung-Einstellvorrichtung ein, die am Leitungskanal angeordnet ist und mit der Feder verbunden ist. Die Federspannung-Einstellvorrichtung ist konfiguriert, um das Einstellen der Federspannung zu ermöglichen. Die Feder ist eine gewendelte Torsionsfeder. Die Federspannung-Einstellvorrichtung ist eine Federhülse, die einstellbar an einem Federgehäuse befestigt ist. Ein Ende der Feder ist mit der rotierbaren Spindel verbunden, und ein anderes Ende der Feder ist mit der Federhülse verbunden. Die Federspannungsvorrichtung ist am Leitungskanal befestigt, und die Federspannung wird durch Rotieren der Federspannungsvorrichtung bezogen auf den Leitungskanal eingestellt.
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Das hierin offengelegte, mittels Gasdruck betätigte drosselklappenartige Wastegate-Ventil weist eine außermittig montierte Drehspindel auf, die durch eine gewendelte Torsionsfeder in eine geschlossene Stellung beeinflusst wird, und bietet eine leicht einstellbare Steuerung des Abgasdrucks am Turbinenrad. Eine Verwendung des Wastegate-Ventils bietet eine einstellbare Steuerung des Ladedrucks, den der Turbolader an den Ansaugkrümmer liefert.
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Das hierin beschriebene, mittels Gasdruck betätigte drosselklappenartige Wastegate-Ventil wird durch den Turbinen-Eingangsdruck gesteuert und betätigt. Dadurch sind keine herkömmlichen Stellglieder und Verbindungsmechanismen notwendig, wodurch die Ventilstruktur vereinfacht wird und der Turbolader kompakter gestaltet werden kann.
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Bei manchen Aspekten kann das Stellglied-lose, mittels Gasdruck betätigte drosselklappenartige Ventil, das eine außermittig montierte Drehspindel und eine gewendelte Torsionsfeder zum Vorspannen des Ventils einschließt, im Turbolader-Auslass (z. B. auf der Verdichterseite) anstelle der Turbinenseite verwendet werden, um zusätzlichen Druck abzuleiten, wenn der Turbolader einen zu starken Ladedruck bereitstellt.
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Bei manchen Aspekten ist die Feder an der rotierbaren Spindel in einer Weise angebracht, dass die Feder die Spindel zu einer Rotation über die Längsachse in einer ersten Richtung beeinflusst; wobei Druck eines im Abgaskanal strömenden Gases gegen die Scheibe eine Rotationsbewegung der Scheibe und der rotierbaren Spindel entgegen der Federvorspannung bewirkt. Eine Federhülse verbindet die Feder mit dem Leitungskanal. Die Federhülse ermöglicht das Einstellen der Vorspannung der Feder (z. B. Ausrichtung), die die Ventilplatte in der geschlossenen Stellung hält, und wird verwendet, um den Punkt, an dem der Turbinen-Einlassdruck bewirkt, dass sich das Ventil öffnet und somit Abgas umgeleitet wird, zu regeln. Diese Anordnung weist die folgenden Vorteile auf:
Bezogen auf manche Turbolader, die herkömmliche Wastegate-Ventile einschließen, führt sie zu deutlich verringerter Produktkomplexität und verringerten Kosten;
Ein Stellgliedhalter, Schläuche und Verbindung zur Turbolader-Verdichterabdeckung, die in manchen herkömmlichen Wastegate-Ventilen verwendet werden, entfallen, was das Verpacken deutlich verbessert und das Risiko einer Beschädigung von Bauteilen verringert;
Das Entweichen von Abgas durch eine herkömmliche Wastegate-Muffe wird beseitigt, was Fahrzeugemissionen verbessert;
Die Stellglied-lose, mittels Abgasdruck betätigte Drosselklappe ist vollständig abgedichtet, was die Möglichkeit von Staub- oder Wassereintritt beseitigt;
Die Stellglied-lose, mittels Abgasdruck betätigte Drosselklappe schließt eine Ventilplatte ein, die bezogen auf die Ventilspindel außermittig ist, wodurch die notwendigen Betätigungskräfte und somit der Verschleiß verringert werden;
Die Verwendung eines drosselklappenartigen Wastegate-Ventils anstelle eines herkömmlichen Wastegate-Hubventils kann Probleme des Hängenbleibens von Ventilen behandeln und Schwankungen der Ventilschließkraft verringern;
Das Entfallen von Stellstangenabdichtungen, wie sie bei manchen herkömmlichen Wastegate-Ventilen vorkommen, verringert Ventilhysterese deutlich;
Die äußerst kompakte Anordnung der Stellglied-losen, mittels Abgasdruck betätigten Drosselklappe bedeutet, dass die Ausrichtung des Lagergehäuses oder der Verdichterabdeckung bezogen auf das Turbinengehäuse keine übermäßige Zunahme von Stellgliedmontage und/oder zugeordneten Halterungen bewirkt;
Da das Gehäuse (z. B. die Federhülse), das die Spiralfeder enthält, in beliebigem Ausmaß rotiert werden kann, um die Vorspannung zu regeln, ist keine übermäßige Zunahme im Sinne der Federvorspannung und Stellstangenlänge etc. notwendig; und
Das Entfallen einer Stellgliedmembran, die bei einem Stellglied mancher herkömmlicher Wastegate-Ventile benötigt wird, führt zu einer erhöhten Dauerhaftigkeit.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich, wenn Selbige unter Bezugnahme auf die nachstehende ausführliche Beschreibung und unter Berücksichtigung der begleitenden Figuren besser verständlich ist, wobei gilt:
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1 zeigt ein Turbinengehäuse eines Turboladers, der ein geschlossenes Wastegate-Ventil einschließt, das in einem Gaseintrittskanal ausgebildet ist.
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2 zeigt das Turbinengehäuse aus 1 mit dem Wastegate-Ventil in einer geöffneten Stellung.
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3 zeigt das Turbinengehäuse mit einer Federhülse, die die Spiralfeder des Wastegate-Ventils umschließt.
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4 zeigt eine teilweise Explosionszeichnung des aus dem Turbinengehäuse isolierten Wastegate-Ventils aus 1, das eine Ventilscheibe, eine Ventilspindel, eine Federhülse und eine gewendelte Torsionsfeder einschließt.
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5 ist eine zentralperspektivische Ansicht des aus dem Turbinengehäuse isolierten Wastegate-Ventils.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bezugnehmend auf die 1–4 schließt ein Abgasturbolader einen Verdichterabschnitt (nicht dargestellt) und einen Turbinenabschnitt ein. Der Turbinenabschnitt schließt ein Turbinengehäuse (1) und ein Turbinenrad (15), das im Turbinengehäuse (1) angeordnet ist, ein. Das Turbinengehäuse (1) schließt einen Abgaseinlass (2) ein, der Abgas an das Turbinenrad (15) leitet. Ein drosselklappenartiges Wastegate-Ventil (3) ist in einer Öffnung (5), die im Leitungskanalabschnitt (6) des Gaseinlasses (2) ausgebildet ist, bereitgestellt. Die Öffnung (5) ist eine Durchlassöffnung, die im Leitungskanalabschnitt (6) an einer dem Turbinenrad vorgelagerten Position ausgebildet ist, um das Austreten von Abgas zu ermöglichen, bevor es das Turbinenrad erreicht. Das Wastegate-Ventil (3) steuert den Ladedruck, der vom Turbolader bereitgestellt wird, indem es den Druck des Abgases am Turbinenrad steuert, wie untenstehend beschrieben.
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Das Wastegate-Ventil (3) schließt eine Ventilplatte (10) und eine Ventilspindel (11) ein, die sich in Längsrichtung entlang einer Achse (14) und innerhalb einer von der Ventilplatte (10) begrenzten Ebene erstreckt. Die Ventilplatte (10) ist an der Ventilspindel (11) beispielsweise mittels Schweißen angebracht. Die Ventilplatte (10) und Ventilspindel (11) sind rotierbar innerhalb des Leitungskanalabschnitts (6) montiert, so dass die Ventilplatte 10 innerhalb der Öffnung (5) liegt und zwischen einer geschlossenen Stellung (1) und einer geöffneten Stellung (2) bewegbar ist. In der geschlossenen Stellung wird die Ventilplatte (10) rotiert, so dass sie in der von der Öffnung (5) begrenzten Ebene liegt, wodurch die Öffnung (5) von der Ventilplatte (10) ausgefüllt wird und verhindert wird, dass Fluid (z. B. Abgas) durch die Öffnung strömt (5). In der geöffneten Stellung wird die Ventilplatte (10) so rotiert, dass sie bezogen auf die von der Öffnung (5) begrenzte Ebene in einem Winkel liegt, wodurch Fluid durch die Öffnung strömen kann und der Turbinendruck abgelassen wird. Die Ventilspindel (11) befindet sich nicht mittig auf der Ventilplatte (10). Insbesondere erstreckt sich die Spindel (11) nicht entlang eines Durchmessers der Ventilplatte (10), sondern erstreckt sich stattdessen entlang einer vom Durchmesser der Ventilplatte (10) abweichenden Sehne. Entsprechend ist eine Seite (10a) der Ventilplatte (10) größer als die andere Seite (10b).
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Das Wastegate-Ventil (3) schließt eine gewendelte Torsionsfeder (4) ein, die angrenzend zur Öffnung (5) innerhalb eines Federgehäuses (12) gestützt wird. Obwohl andere Federtypen verwendet werden könnten, wird die gewendelte Torsionstyp-Feder bevorzugt, da sie einfach zu installieren ist und keine komplexen Kopplungen benötigt, um wirksam zu sein. Ein Ende der Feder (4) ist an der Ventilspindel (11) angebracht, und ein gegenüberliegendes Ende der Feder (4) ist an einer Federhülse (7) angebracht. Die Feder (4) ist zwischen dem Federgehäuse (12) und der Federhülse (7) eingeklemmt, und die Federhülse (7) schützt die Feder (4) und ist konfiguriert, um eine Einstellung der Spannung der Feder (4) wie untenstehend erläutert zu ermöglichen. Die Feder (4) stellt eine Vorspannungskraft bereit, die die Ventilplatte (10) bezogen auf die Öffnung (5) in der geschlossenen Stellung (1) hält, bis der Abgasdruck hoch genug ist, um die Federkraft zu überwinden. Ist der Abgasdruck hoch genug, um die Federkraft zu überwinden, rotieren die Ventilplatte 10 und Ventilspindel 11 innerhalb des Leitungskanals (6), wodurch das Wastegate-Ventil (3) sich zu einer bezogen auf die Öffnung (5) geöffneten Stellung (2) bewegt. Öffnet sich das Wastegate-Ventil (3), umläuft das überschüssige Abgas das Turbinenrad und gelangt direkt ins Abgassystem. Dies beschränkt wirkungsvoll den Druck des Abgases im Turbolader auf einen vorgegebenen Wert.
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Da eine Seite (10a) der Ventilplatte (10) größer als die andere Seite (10b) ist, wirkt der Druck des Abgases nicht gleichermaßen auf die beiden Seiten der Ventilplatte (10) ein. Dies erzeugt ein Drehmoment, das bewirkt, dass sich das Wastegate-Ventil (3) öffnet. Dem vom Abgas erzeugten Drehmoment wird von der Feder (4) entgegengewirkt. Diese Anordnung hält das Wastegate-Ventil (3) geschlossen, bis der Abgasdruck hoch genug ist, um die Federkraft zu überwinden. Bei Abgasdrücken, die hoch genug sind, um die Federkraft der Feder (4) zu überwinden, öffnet sich das Ventil und ermöglicht dem Abgas, die Turbine zu umlaufen. Somit steuern die Federeigenschaften und die Einstellungen der Federspannung die Reaktion des Ventils (3) auf den Abgasdruck. Variiert der zum Drehen der Ventilspindel (11) gegen die Feder (4) notwendige Druck nicht wesentlich mit dem Grad der Ventilöffnung, funktioniert das Ventil als ein einfaches geöffnetes oder geschlossenes Ventil. Variiert der zum Drehen der Ventilspindel (11) gegen die gewendelte Torsionsfeder (4) notwendige Druck mit dem Grad der Ventilöffnung, stellt das Ventil (3) bei geringfügig erhöhten Abgasdrücken eine kleine Öffnung und bei ansteigenden Abgasdrücken eine größere Öffnung bereit.
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Die Federhülse (7) schließt längliche Schlitze (8) ein, die entlang einer Außenkante derselben ausgebildet sind. Die Federhülse (7) ist am Federgehäuse (12) unter Verwendung von Schrauben (9) befestigt, die sich durch die Schlitze (8) erstrecken. Nach einem leichten Lösen der Schrauben (9) kann die Federhülse (7) bezogen auf das Federgehäuse (12) über eine Rotationsachse (14) der Ventilspindel (11) gedreht (z. B. rotiert) werden. Da die Feder (4) mit der Federhülse (7) verbunden ist, führt ein Drehen der Federhülse (7) zu einer Einstellung der Federspannung (4). Wird die Spannung der Feder (4) erhöht, erhöht dies den Abgasdruck, der notwendig ist, um das Wastegate-Ventil zu öffnen. Die erhöht die Obergrenze des Ladedrucks, den der Turbolader bereitstellt. In ähnlicher Weise führt ein Drehen der Hülse zum Verringern der Spannung der Feder (4) dazu, dass der Abgasdruck gesenkt wird, der notwendig ist, um das Ventil zu öffnen. Dies verringert die Obergrenze des Ladedrucks, den der Turbolader bereitstellt. Sobald die Federspannung die gewünschte Kraft aufweist, werden die Schrauben (9) festgezogen. Somit ermöglicht die Federhülse (7) das Einstellen der Vorspannung der Feder (z. B. Ausrichtung), die die Ventilplatte (10) in der geschlossenen Stellung hält, und wird verwendet, um den Punkt, an dem der Turbinen-Einlassdruck bewirkt, dass sich das Ventil (3) öffnet und somit Abgas umgeleitet wird, zu regeln.
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Die Anzahl der Schlitze (8) in der Federhülse kann zwischen 1 und 4 variieren. Zwei Schlitze (8) sind günstig. Es ist zu bevorzugen, dass die Schlitze (8) symmetrisch in der Federhülse (7) platziert werden.
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Obwohl das Ventil (3) hierin als im Einlass (2) des Turbinenabschnitts angeordnet beschrieben wird, ist das Ventil (3) nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise kann das drosselklappenartige Ventil (3) im Diffusor auf der Verdichterseite des Turboladers installiert werden. Die bevorzugte Position befindet sich am Ende des Verdichterdiffusors. In dieser Position funktioniert es in der gleichen Weise, wie wenn es im Abgaseinlass des Turbinenabschnitts platziert wird. Insbesondere wirkt der Druck der verdichteten Luft nicht gleichermaßen auf die beiden Seiten der Ventilplatte (10). Dies erzeugt ein Drehmoment an der Spindel (11), das bewirkt, dass sich das Wastegate-Ventil öffnet. Dem vom Verdichteraustrittgas erzeugten Drehmoment wird von einer gewendelten Torsionsfeder (4) in der Federhülse (7) entgegengewirkt. Diese Anordnung hält das Ventil (3) geschlossen, bis der Verdichteraustrittsdruck hoch genug ist, um die Federkraft der Feder (4) zu überwinden. Bei Verdichteraustritt-Abgasdrücken, die hoch genug sind, um die Federkraft zu überwinden, öffnet sich das Ventil und ermöglicht dem aus dem Verdichter austretenden Abgas, die Turbine zu umlaufen. Somit öffnet sich das Ventil (3), um übermäßigen Druck abzulassen, wenn der Druck der verdichteten Luft einen bestimmten Wert überschreitet. Dies beschränkt den Ladedruck auf einen gewünschten Wert.
