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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein kompaktes Durchflussregelventil, das in sehr ungünstigen Umgebungen eine lange Betriebslebensdauer gewährleisten kann. Das Ventil ist ein koaxiales Mono- oder Doppelschieberventil, das zwei verschiedene Funktionen nacheinander steuern kann, wobei mindestens eine der Funktionen progressiv gesteuert wird.
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Beschreibung der verwandten Technik
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Ventile werden zum Steuern des Stroms von Gasen verwendet. Eine besonders ungünstige Umgebung für Ventile ist der Turbolader. Obgleich in der Vergangenheit verschiedenste Ventile mit unterschiedlichen Erfolgsgraden entwickelt und verwendet worden sind, werden mit steigenden Erfordernissen von Motoren höhere Anforderungen an die Ventile gestellt.
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Zur Verbesserung der Kraftstoffökonomie ist es zum Beispiel wünschenswert, die aerodynamische Stirnfläche des Fahrzeugs so klein und stromlinienförmig wie möglich zu halten. Die Kompaktheit des Motorraums reduziert die Freiheit bei der Positionierung und Ausrichtung von Hilfseinrichtungen, wie zum Beispiel Turboladeraktuatoren. Zur optimierten Raumausnutzung sollte das Ventil klein, leicht und in beliebiger Ausrichtung frei montierbar sein, und es wäre besonders vorteilhaft, wenn das Ventil mehr als eine Funktion steuern würde.
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Turbolader werden von Abgasen angetrieben. Die Außenseite des Turbinengehäuses ist Luft auf Umgebungstemperatur ausgesetzt, während die Spiralenflächen Abgase berühren, die in Abhängigkeit von der im Motor verwendeten Verbrennungsart von 740°C bis 1050°C reichen. In Abgasen betriebene Ventile sind hohen Temperaturen und korrosiven Säuren sowie Rußteilchen ausgesetzt, die sich an Innenflächen des Turboladers ansammeln können. Jedes Ventil muss in der Lage sein, eine dichte Abdichtung und eine steuerbare Öffnung ohne Korrosion oder Blockieren aufgrund von Ruß- oder Ölansammlung zu bieten. Es wäre von Vorteil, ein Ventil zu konstruieren, das weniger anfällig für Blockieren ist.
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Der Gegendruck in dem Turbinensystem kann im Bereich von bis zu 500 kPa liegen. Es wäre von Vorteil, die Ausführung eines Ventils, wie zum Beispiel eines Wastegate, so zu verbessern, dass es mit minimaler Betätigungskraft mit hoher Genauigkeit gesteuert werden kann, ohne durch hohe Systemdrücke beeinträchtigt zu werden.
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In einem Turbolader mit Wastegate ist die Turbinenspirale durch einen Bypass-Kanal stromabwärts des Exducers mit dem Turbinenauslass fluidisch verbunden. Strömung durch den Bypass-Kanal wird durch ein als Wastegate bekanntes Ventil gesteuert. Zum Betrieb des Wastegate muss eine Betätigungs- oder Steuerkraft von außerhalb des Turbinengehäuses, durch das Turbinengehäuse, zu dem Wastegate innerhalb des Turbinengehäuses übertragen werden. Zum Beispiel kann sich eine Wastegate-Schwenkwelle durch das Turbinengehäuse erstrecken. Außerhalb des Turbinengehäuses ist der Aktuator über ein Gestänge mit einem Wastegate-Arm verbunden, und der Wastegate-Arm ist mit der Wastegate-Schwenkwelle verbunden. Innerhalb des Turbinengehäuses ist die Schwenkwelle mit dem Wastegate verbunden. Betätigungskraft vom Aktuator wird in eine Drehung der Schwenkwelle umgewandelt, wodurch das Wastegate innerhalb des Turbinengehäuses schwenkt. Die Wastegate-Schwenkwelle dreht sich in einer zylindrischen Buchse oder berührt direkt das Turbinengehäuse. Da das Abgas unter Druck steht und da zwischen der Welle und der Bohrung der Buchse ein ringförmiger Spalt besteht, in dem die Welle positioniert ist, ist ein Entweichen von heißem toxischem Abgas und Ruß aus dem mit Druck beaufschlagten Turbinengehäuse durch diesen Zwischenraum möglich. Dies ist eine Quelle für Kohlenwasserstoffemissionen, die reduziert werden sollte. Eine Gas- und Rußleckage von innerhalb eines Turboladers an die einen Turbolader umgebende reine Umgebungsluft wird von Motorherstellern nicht gestattet. Eine bessere Eindämmung der Turboladerabgase ist wünschenswert.
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Ferner ist bei einem herkömmlichen Wastegate der Druck, bei dem das Wastegate beginnt, sich zu öffnen (der "Abhebedruck") für seinen Betrieb kritisch. Das Wastegate muss sehr vorsichtig eingestellt werden, wenn der pneumatische Aktuator und die Wastegate-Anordnung an den Turbolader montiert werden. Der genaue Aktuatordosendruck, bei dem die Membran beginnt, sich zu bewegen, ist von der Vorspannung der verwendeten Feder abhängig. Schwankungen bei den Herstellungstoleranzen von Federn bedeuten, dass Schwankungen bei der Federrate von einer Feder zur nächsten wahrscheinlich sind und es erforderlich ist, jeden Turbolader einzeln zu kalibrieren, um den Abhebedruck zu bestimmen. Es wird ein Ventil, wie zum Beispiel ein Wastegate, gewünscht, das genau steuerbar ist und keine dieser Herstellungsschwankungen aufweist.
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Es sind Versuche unternommen worden, einen einzigen Aktuator für zwei Funktionen zu verwenden. Das
US-Patent 4,893,474 lehrt einen abgasgetriebenen Turbolader, der mit einem einzigen pneumatischen Aktuator versehen ist, welcher sowohl eine Schwenkschaufel, die den Strömungsquerschnitt oder das Aspektverhältnis des Abgaseinlassdurchgangs zur Turbine variiert, als auch ein Wastegate-Ventil steuert. Ein Gestängemechanismus, der eine vorgespannte Feder und einen Kniehebel enthält, betätigt Hebel, die das Wastegate-Ventil und die Schwenkschaufel steuern. Diese Ausführung ist jedoch ziemlich komplex und könnte daher leicht versagen, ist nicht kompakt und erfordert mehrere Ventile zur Steuerung der mehreren Funktionen.
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Das
US-Patent 8196403 (Caterpillar) lehrt einen Turbolader mit einem Ausgleichsventil, einem Wastegate und einem Aktuator, der sowohl dem Ausgleichsventil als auch dem Wastegate-Ventil gemein ist. Mit der Turbine kann eine Ventilanordnung zur Regelung eines Abgasdrucks im AGR-Kreislauf verbunden sein. Die Ventilanordnung kann unter anderem ein Ausgleichsventil, ein Wastegate-Ventil und einen gemeinsamen Aktuator enthalten. Das Ausgleichsventil kann dazu konfiguriert sein, selektiv zu gestatten, dass Abgas von der ersten Spirale zur zweiten Spirale strömt. Das Wastegate-Ventil kann dazu konfiguriert sein, selektiv zu gestatten, dass Abgas von der zweiten Spirale ein Turbinenrad einer Turbine umgeht. Der gemeinsame Aktuator kann dazu gesteuert werden, sowohl das Ausgleichsventil als auch das Wastegate-Ventil zwischen Strömungspassier- und Strömungsblockierpositionen zu bewegen. Die Ventilanordnung kann mit der Turbine integral sein und von einem an einem Turbinengehäuse der Turbine angebrachten Ventilgehäuse zumindest teilweise umschlossen sein. Das System setzt jedoch mehrere Klappenventile ein, die eine beträchtliche Aktuatorkraft zum Schließen erfordern. Die Drehwellen können zugesetzt werden und blockieren.
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Es besteht ein Erfordernis, nicht nur mehrere Funktionen mit einem einzigen Aktuator steuern zu können, sondern auch mehrere Funktionen mit einem einzigen Ventil oder einer einzigen Ventilanordnung (im folgenden Ventil) zu betreiben. Ferner besteht ein Erfordernis an einem Ventil, das mit minimaler Betätigungskraft betrieben werden kann. Schließlich besteht ein Erfordernis an einem Ventil, das nicht in Endpositionen schlägt.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung wird eine erste Ausführungsform in Form eines koaxialen Doppelfolgeschieberventils bereitgestellt.
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Vereinfacht ausgedrückt, es gleiten zwei becherförmige Kolben koaxial in einem zylindrischen Raum. In der Seite des Zylinders ist eine Wastegate-Öffnung vorgesehen. Ein Vorsprung erstreckt sich von dem oberen Ende des Zylinders in den Becher des inneren Kolbens. Der Vorsprung enthält eine Öffnung, die mit einer ersten Spirale in Verbindung steht. Eine zweite Öffnung in der Zylinderwand steht mit einer zweiten Spirale in Verbindung. Wenn beide Kolben ausgefahren sind, bedeckt der innere Becher die erste Spiralenöffnung in dem Vorsprung und die zweite Spiralenöffnung in der Zylinderwand, wodurch verhindert wird, dass die Spiralen miteinander in Verbindung treten, und der äußere Kolben bedeckt die Wastegate-Öffnung. Wenn der innere Kolben teilweise eingezogen ist, sind die Öffnungen zu der ersten und der zweiten Spirale freigelegt, und es kommt zu einem "Crosstalk" der Spiralen. Wenn der innere Kolben dann weiter eingezogen wird, zieht er den äußeren Kolben ein, wodurch die Wastegate-Öffnung freigelegt wird und somit eine Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Spirale und dem Wastegate gestattet wird.
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Genauer ausgedrückt, bei der ersten Ausführungsform ist die Ventilanordnung in einem Ventilgehäuse untergebracht, das vorzugsweise in einem Turboladerturbinengehäuse enthalten ist, aber eine getrennte Zusatzeinheit sein kann. Das Ventilgehäuse definiert mindestens einen zylindrischen Raum mit einer Längsachse und mit mindestens einer ersten Öffnung, die mit einem ersten Gasdurchgang (zum Beispiel einer ersten Spirale) in Verbindung steht, einer zweiten Öffnung, die mit einem zweiten Gasdurchgang (zum Beispiel einer zweiten Spirale) in Verbindung steht, und einer dritten Öffnung, die mit einem dritten Gasdurchgang (zum Beispiel einem Wastegate) in Verbindung steht. Ein innerer Kolben oder eine innere Hülse ist in dem zylindrischen Raum zwischen einer vollständig geschlossenen und einer vollständig geöffneten Position verschiebbar. Der innere Kolben ist über einen Kolbenschaft mit einem Verschiebungsmittel, wie zum Beispiel einem pneumatischen oder hydraulischen Aktuator oder Schrittmotor, verbunden. Das Verschiebungsmittel ist dazu vorgesehen, eine selektive lineare Verschiebung des inneren Kolbens zwischen der vollständig geschlossenen (ausgefahrenen) und der vollständig geöffneten (einezogenen) Position zu bewirken.
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Ein äußerer Kolben ist koaxial mit dem inneren Kolben vorgesehen. Dazu ist der äußere Kolben mit einer Bohrung versehen, die durch die Längsmittelachse verläuft. Der Kolbenschaft des inneren Kolbens erstreckt sich durch die Bohrung in dem äußeren Kolben. Der äußere Kolben ist zwischen einer vollständig geschlossenen Position und einer vollständig geöffneten Position verschiebbar. Der Hub oder Weg des äußeren Kolbens ist kürzer als der des inneren Kolbens. Es sind Federmittel zum Drücken des äußeren Kolbens zu seiner vollständig geschlossenen Position vorgesehen.
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Wenn sich beide Kolben in der vollständig geschlossenen Position befinden, sind die erste und die zweite Öffnung durch den inneren Kolben geschlossen, und die dritte Öffnung ist durch den äußeren Kolben geschlossen.
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Wenn der innere Kolben beginnt, aus der vollständig geschlossenen (vollständig ausgefahrenen) Position in Richtung der vollständig geöffneten (eingezogenen) Position eingezogen zu werden:
- – bewegt sich anfangs der innere Kolben unabhängig von dem äußeren Kolben und legt nach und nach die erste und die zweite Öffnung frei,
- – nach dem Freilegen der ersten und der zweiten Öffnung stößt der innere Kolben gegen den äußeren Kolben und beginnt, den äußeren Kolben gegen die Kraft des Federmittels mitzuführen, und
- – schließlich bewirkt das Einziehen des inneren Kolbens das Einziehen des äußeren Kolbens in die vollständig geöffnete Position des äußeren Kolbens, woraufhin die dritte Öffnung vollständig freigelegt wird, wodurch eine Verbindung zwischen der ersten, der zweiten und der dritten Öffnung gestattet wird.
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In dem Fall, dass das koaxiale Doppelfolgeschieberventil in einem Turboladerturbinengehäuse vorgesehen ist, kann die erste Öffnung mit einer ersten Spirale in Verbindung stehen, kann die zweite Öffnung mit einer zweiten Spirale in Verbindung stehen und kann die dritte Öffnung mit einem Wastegate-Durchgang in Verbindung stehen Die beiden Spiralen des Turbinengehäuses können entweder der Zwillings- oder Doppelspiralenart sein.
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Zwei getrennte Abgasströme können in den Turbineneinlass strömen und getrennt gehalten werden, so dass die Turbinenradleistung durch Nutzung von Impulsen erhöht wird. Hier würde das Freilegen der ersten und der zweiten Öffnung durch den inneren Kolben Crosstalk oder Ausgleich von Strömung zwischen den Zylindern nach Bedarf gestatten.
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Als Alternative dazu kann ein einziger (vermischter) Abgasstrom von dem Motor in den Turbineneinlass strömen und zu einer einzigen Spirale geleitet werden, falls der Abgasmassenstrom gering ist, wodurch die Turbine wie eine kleine Turbine wirkt. Mit Zunahme des Abgasmassenstroms aufgrund beispielsweise einer Beschleunigung des Motors kann der innere Kolben zum Freilegen der ersten und der zweiten Öffnung bewegt werden, so dass Abgasstrom die erste Spirale verlassen und zwischen den beiden Spiralen geteilt werden kann, wodurch das Turbinengehäuse wie ein großes Turbinengehäuse wirkt. Falls der Abgasmassenstrom noch weiter in den Bereich zunimmt, in dem Gefahr eines zu starken Antriebs der Turbine besteht, kann der innere Kolben zu der vollständig geöffneten Position bewegt werden, wobei er den äußeren Kolben mitführt und die zweite Position zu der geöffneten Position bewegt, wodurch die Wastegate-Öffnung wie erforderlich allmählich freigelegt wird.
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Obgleich die koaxiale Doppelfolgeschieberventilausführung ästhetisch ansprechend ist, wurde sie nur nach umfassender Bewertung von Faktoren wie zum Beispiel Druck, extremen Temperaturen und Temperaturgradienten und Teilchenablagerung des Ventils, den Öffnungen, den Spiralen, dem Bypass unter Berücksichtigung ihrer Form, Ausrichtung und Richtung, erreicht. Es waren viel Arbeit, eine komplexe Strömungsmodellierung und Strukturanalyse erforderlich, um einen Turbolader mit Wänden von fast konstanter Dicke zu konstruieren, trotz der Tatsache, dass ein Ventilkörper mit einer sehr komplexen einteiligen Geometrie vorliegt, die dort hineinpasst, und trotz des Erfordernisses einer ungestörten Strömung in den Spiralen. Details, die für die Durchschnittsperson trivial erscheinen, ergaben sich aus umfassender Arbeit, umfassenden Tests und umfassender Überprüfung, was letztendlich zu der Ausführung der ersten Ausführungsform führte.
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Die Schieberventile gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheiden sich hinsichtlich eines wichtigen Aspekts von einem typischen Wastegate-Klappenventil. In der Regel umfasst ein Wastegate einen sich von einem Abgasdurchgang zu einem Wastegate-Sitz erstreckenden Wastegate-Durchgang und einen sich von einem drehbaren Wastegate-Arm erstreckenden Wastegate-Kegel, der ein Profil zum Berühren des Wastegate-Sitzes zum Bedecken des Wastegate-Durchgangs aufweist. Es kann eine beträchtliche Kraft erforderlich sein, um den Wastegate-Kegel dazu zu drängen, aufzusetzen und gegen den Druck des Abgases im Abgasdurchgang in dieser geschlossenen Position zu bleiben. Bei der vorliegenden Erfindung würde mit den Öffnungen, die Abgasdruck senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Schieberventile (das heißt an Seitenwänden des Ventilzylinders) einleiten, der Abgasdruck senkrecht zur Bewegungsrichtung des Schieberventils wirken und somit nur wenig oder keinen Einfluss auf die Bewegung des Schieberventils sowohl in Öffnungsrichtung als auch in Schließrichtung haben. Demgemäß kann der Ventilaktuator dazu ausgeführt sein, einen kleineren, weniger leistungsstarken Aktuatormotor zu verwenden, und die Ansprechzeit des Ventils kann schneller sein. Da Abgasdruck in keiner Bewegungsrichtung auf das Ventil wirkt, wird schließlich die Wahrscheinlichkeit, dass das Ventil in eine Endposition schlägt, reduziert.
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Gemäß der Erfindung wird eine zweite Ausführungsform in Form eines einzigen becherförmigen Kolbenschieberventils bereitgestellt.
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Einfach ausgedrückt, ein Zylinderventilgehäuse kann in einer Trennwand zwischen zwei Spiralen positioniert sein. Wenn sich ein einziger becherförmiger Kolben in der vollständig ausgefahrenen Position befindet, ist eine Verbindung zwischen den Spiralen blockiert. Ein Vorsprung erstreckt sich von dem Ende des Zylinders in den Becher des Kolbens. Zwei getrennte Wastegate-Kanäle sind in dem Vorsprung vorgesehen. Eine erste und eine zweite Öffnung sind in der Zylinderwand vorgesehen, die mit der ersten bzw. zweiten Spirale in Verbindung stehen. Wenn sich der becherförmige Kolben in der vollständig ausgefahrenen Position befindet, sind alle Öffnungen blockiert. Wenn der becherförmige Kolben um einige mm eingezogen wird, sind die unabhängigen Wastegate-Öffnungen teilweise geöffnet und gestatten, dass Abgas aus den Spiralen zu den Wastegates entweicht, ohne dass jedoch irgendeine Verbindung zwischen den Spiralen besteht. Es ist eine Lippe vorgesehen, um eine Gasverbindung zwischen den Spiralen zu blockieren. Mit weiterem Zurückziehen des Kolbens legt der Kolben die Lippe frei, und Gas strömt nicht nur in das Wastegate, sondern es kann auch zu Crosstalk zwischen den Spiralen kommen.
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Genauer ausgedrückt wird bei dieser zweiten Ausführungsform ein einziges Schieberventil verwendet. Wie bei der ersten Ausführungsform ist bei dieser zweiten Ausführungsform das zylindrische Ventilgehäuse mit Öffnungen versehen, die mit einer ersten Spirale, einer zweiten Spirale und mit einer oder mehreren Wastegate-Öffnungen in Verbindung stehen können. In Abhängigkeit von der Stelle der Öffnungen wird es möglich, wenn das Ventil aus der geöffneten Position eingezogen wird, (a) überschüssiges Gas durch die erste und die zweite Wastegate-Öffnung unabhängig aus der ersten und der zweiten Spirale abzulassen und danach einen Crosstalk zwischen den Spiralen zu gestatten oder (b) zunächst die Spiralen miteinander zu verbinden und anschließend überschüssiges Gas durch das Wastegate abzulassen oder (d) alle drei Öffnungen gleichzeitig nach und nach freizugeben. Das einzige Ventil kann pneumatisch oder elektrisch betrieben werden und kann gegebenenfalls eine Feder zum Vorspannen des Ventils in die geschlossene Position enthalten.
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Das Problem bei Doppelspiralen-Wastegates nach dem Stand der Technik besteht darin, dass sie lediglich Abgas ablassen. Die Spiralen sind über das Wastegate verbunden, da das Abgas aber eine Massenträgheit besitzt und zum Ausgang der Wastegate-Leitung gerichtet ist, wird es nicht zwischen den Spiralen strömen, was zu möglichen Druckdifferenzen führt. Es ist nunmehr überraschenderweise entdeckt worden, dass es von Vorteil ist, Spiralen miteinander zu verbinden, selbst wenn Abgas bereits abgelassen wird. Das heißt, im Gegensatz zur herkömmlichen Meinung, gibt es Vorzüge in einem System, das zunächst Ablassen von überschüssigem Gas und dann Miteinanderverbinden von Spiralen bereitstellt.
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Das definierende Merkmal der Erfindung ist die Ausführung des Ventils oder der Ventile als becherförmiges Schieberventil anstatt als ein Drehventil oder ein Klappenventil. Da Abgasdruck senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ventils auf das Ventil wirkt, kann Betätigungsdruck niedrig gehalten werden, Ventilschlagen in Endpositionen vermieden werden, und es kann auf eine Voreinstellung von Ventilen verzichtet werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen ähnliche Teile bezeichnen, beispielhaft und nicht einschränkend dargestellt. In den Zeichnungen zeigt:
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1A einen Abgaskrümmer und eine Turboladerturbine von der einem nicht gezeigten Lagergehäuse zugekehrten Seite mit einem koaxialen Doppelfolgeschieberventil am Turbineneinlass;
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1B entspricht 1A, außer dass der pneumatische Aktuator durch einen elektrischen Aktuator ersetzt worden ist;
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2 die Turboladerturbine von 1A von der Seite des Turbinenauslasses;
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3 einen Schnitt durch das Turbinengehäuse, der die erste und die zweite Öffnung zeigt, die mit der ersten der zweiten Spirale in Verbindung stehen, wobei die dritte Öffnung eine Wastegate-Öffnung ist, und der den zylindrischen Raum zeigt, der das Ventil aufnimmt;
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4 einen Schnitt entlang der Längsachse der Anordnung des inneren und des äußeren Kolbens des Ventils in der vollständig geschlossenen Position;
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5 den inneren Kolben in der teilweise geöffneten Position, in der die erste und die zweite Spirale in Verbindung stehen;
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6 das Ventil im Querschnitt mit beiden Kolben in der vollständig geöffneten Position und der Wastegate-Öffnung in Verbindung mit der ersten und der zweiten Spirale;
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7 eine erste Ansicht eines Monofolgeschieberventils gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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8 entspricht dem Schieberventil von 7, um 90º gedreht;
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9 stellt die Funktion der Lippe in dem einzigen Schieber dar;
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10 einen Schnitt durch ein Turboladerturbinengehäuse für ein Monoschieberventil, wobei das Schieberventil weggelassen ist;
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11 ist ein Aufriss einer Schrägansicht eines Schnitts des Turbinengehäuses von 10 mit dem Monoschieberventil in Position, wobei das sich in Position befindende Schieberventil Crosstalk zwischen Spiralen gestattet;
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12A, B die Position des Ventils in einer Trennwand eines Doppel- oder Zwillingsspiralenturbinengehäuses, wobei das Ventil eingezogen zum Freilegen der Leitung gezeigt wird;
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13 ist eine Nahansicht einer Seite des Turbinengehäuses für ein Monoschieberventil mit entferntem Ventil, wobei eine der beiden Wastegate-Öffnungen gezeigt wird und die Spiralen-Crosstalk-Öffnungen gezeigt werden; und
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14 ist eine Draufsicht des Turboladerturbinengehäuses, wobei das Schieberventil nur soweit eingezogen ist, dass die Wastegate-Öffnungen teilweise offen sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1A stellt die allgemeine Anordnung eines Abgaskrümmers 1 dar, durch den Abgas von einem Motor (nicht gezeigt) zu einem Einlass eines Zwillingsspiralen- oder Doppelspiralen-Turboladerturbinengehäuses 2 strömt. Gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ist ein koaxiales Doppelfolgeschieberventilgehäuse 3 am Turbineneinlass im Turbinengehäuse integriert. Ein einziger pneumatischer Aktuator 4a steuert die Bewegung von zwei koaxialen Kolben des koaxialen Doppelfolgeschieberventils. 1B ist identisch mit 1A, außer dass der pneumatische Aktuator 4a durch den elektrischen Aktuator 4b ersetzt worden ist. In 1B kann insbesondere die Feder 15 weggelassen werden. Das Turboladerlagergehäuse und der Turboladerverdichter wären an der rechten Seite des Turbinengehäuses 2 befestigt.
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2 zeigt die Turboladerturbine von 1 von der Seite des Turbinenauslasses. Der Wastegate-Kanal 5 ist stromabwärts des Turboladerturbinenradraums zu sehen. Obgleich in den 1 und 2 ein einziger pneumatischer Aktuator der Dosenart gezeigt wird, können natürlich mehr als ein Aktuator verwendet werden. Insbesondere werden anstelle von Dosen elektrische Aktuatoren verwendet. Solche elektrischen Aktuatoren sind wohlbekannt und müssen hierin nicht ausführlich beschrieben werden. Der (die) Aktuator(en) kann/können durch ein elektrisches Ventil gesteuert werden, um zu gewährleisten, dass der Zentralprozessor des Motors p1 oder p2 übersteuern kann.
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3 zeigt einen Schnitt durch das Ventilgehäuse und das Turbinengehäuse, wobei die Ventilkolben weggelassen sind und die erste und die zweite Öffnung 10, 11 in Verbindung mit der ersten und der zweiten Spirale 6, 7 gezeigt werden. Die Wastegate-Kanalöffnung 9 wird auch gezeigt. Alle drei Öffnungen stehen mit dem zylindrischen Raum des Ventils in Verbindung.
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Wie in 3 gezeigt, ist es nicht erforderlich, dass alle Öffnungen an den Seitenwänden des Ventilzylinders des Ventilgehäuses 3 radial nach außen des Schieberventils verlaufend vorgesehen sind. Falls der Kopf des inneren Kolbens in einer "Becherform" mit einem ausgesparten Kolbenkopf anstatt einem massiven Kolbenkopf ausgebildet ist, kann stattdessen das Ende des Ventilzylinders gegenüber dem Aktuator mit einem zylindrischen Vorsprung 3a versehen sein, der einen Durchmesser aufweist, welcher dem Durchmesser der Aussparung in dem Ventilkopf des inneren Kolbens entspricht, und der einen Durchgang darin aufweist, der zum Beispiel die erste Öffnung 10 mit der ersten Spirale 6 verbindet. In diesem Fall kann die Richtung des zu dem Ventil geleiteten Abgasdrucks radial nach außen anstatt radial nach innen verlaufen, wie im Falle der zweiten und dritten Öffnung, aber da der Druck immer noch senkrecht zur Schieberichtung der Ventile verläuft, besteht immer noch wenig oder keine Störung zwischen dem Abgasdruck und dem Öffnen oder Schließen der Ventile.
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4 zeigt im Schnitt die Anordnung des inneren und äußeren Kolbens 12, 13 des Ventils in der vollständig geschlossenen Position in dem Ventilgehäuse, das mindestens einen zylindrischen Raum 8 mit einer Längsachse definiert, und der mindestens eine erste Öffnung 10, eine zweite Öffnung 11 und eine dritte Öffnung 9 aufweist. Ein innerer Kolben 12 ist in dem zylindrischen Raum zwischen einer vollständig geschlossenen und einer vollständig geöffneten Position verschiebbar, wobei hierin die vollständig geschlossene Position gezeigt wird und der innere Kolben die erste und die zweite Öffnung 10 und 11 bedeckt, die bei dieser dargestellten Ausführungsform mit der ersten und der zweiten Spirale in Verbindung stehen. In dieser geschlossenen Position des inneren Kolbens sind die erste Spirale 6 und die zweite Spirale 7 gegeneinander isoliert, und Impulsenergie von den Zylindern wird auf das Turbinenrad (Zwillingsspiralenturbinengehäuse) übertragen oder sämtlicher Abgasstrom wird zu der ersten Spirale geleitet und nicht mit der zweiten Spirale geteilt (Doppelspiralenturbinengehäuse). Sowohl die erste als auch die zweite Öffnung können an den Seitenwänden des zylindrischen Ventilkörpers vorgesehen sein, oder, wie in 4 gezeigt, kann die zweite Öffnung 11 an der Zylinderseitenwand 3 vorgesehen sein, und die erste Öffnung 10 kann in einem sich von dem Ende des Zylinders gegenüber dem Aktuator erstreckenden Vorsprung vorgesehen sein, der zur Aufnahme in einer entsprechenden Aussparung im becherförmigen Kopf des inneren Kolbens 12 dimensioniert ist. Bei dieser Ausführungsform dichtet die Innenwand des becherförmigen Kolbenkopfs die erste Öffnung 10 des Vorsprungs 3a ab, und die Außenwand des Bechers dichtet die zweite Öffnung 11 ab, wenn sich der innere Kolben in der geschlossenen Position befindet.
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Der innere Kolben 12 weist einen Kolbenschaft 14 auf. Ein Verschiebungsmittel, wie zum Beispiel ein pneumatischer Aktuator 4a oder ein hydraulischer Aktuator oder ein Schrittmotor 4b, ist dem Kolbenschaft 14 wirkzugeordnet, um eine selektive lineare Verschiebung des inneren Kolbens zwischen der vollständig geschlossenen und der vollständig geöffneten Position zu bewirken. Der äußere Kolben 13 weist einen Kolbenschaft 22 auf und ist koaxial mit dem inneren Kolben vorgesehen. Der äußere Kolben weist eine Mittelachse auf und weist eine Bohrung entlang der Mittelachse auf, die durch den Kolbenkopf und -schaft verläuft. Der äußere Kolben 13 ist zwischen einer vollständig geschlossenen (ausgefahrenen) Position und einer vollständig geöffneten (eingezogenen) Position verschiebbar, wobei hierin die vollständig geschlossene Position gezeigt wird. Ein optionales Federmittel 15 ist dazu vorgesehen, den äußeren Kolben zu der vollständig geschlossenen Position, wie in 4 gezeigt, zu drücken. Falls der Aktuator elektrisch anstatt pneumatisch ist, kann insbesondere auf das Federmittel verzichtet werden, und beide Ventilbewegungen können durch den elektrischen Aktuator gesteuert werden. Obgleich die Feder eine einfache und kostengünstige Art und Weise der Steuerung von zwei Ventilen (eines aktiv, das andere passiv) durch einen einzigen Aktuator darstellt, können als eine weitere Alternative natürlich auch zwei Aktuatoren vorgesehen werden, wobei der erste Aktuator den inneren Kolben steuert und der zweite Aktuator den äußeren Kolben unabhängig von dem inneren Kolben steuert.
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In der in 4 gezeigten vollständig geschlossenen Position sind die erste und die zweite Öffnung 10, 11 durch den inneren Kolben 12 geschlossen, und die dritte Öffnung 9 ist durch den äußeren Kolben 13 geschlossen.
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5 zeigt den inneren Kolben 12 in der teilweise geöffneten (teilweise eingezogenen) Position, in der die erste und die zweite Spirale 6, 7 über eine erste und eine zweite Öffnung 10, 11 und einen zylindrischen Raum 8 in Verbindung stehen. Zu diesem Zeitpunkt hat sich der äußere Kolben noch nicht bewegt und blockiert weiter den Wastegate-Kanal 9.
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Wenn sich der innere Kolben 12 weiter zu der vollständig geöffneten Position bewegt, berührt er den äußeren Kolben und beginnt, den äußeren Kolben gegen die Federkraft des Federmittels 15 mitzunehmen, so dass der Wastegate-Kanal 9 nach und nach oder vollständig freigelegt wird. 6 zeigt das koaxiale Doppelschieberventil im Querschnitt mit beiden Kolben in der vollständig geöffneten Position und der Wastegate-Öffnung in Verbindung mit der ersten und der zweiten Spirale, wobei Abgasstrom mit Pfeilen gezeigt wird.
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Wie anhand des Obigen zu sehen, ermöglicht die vorliegende Erfindung nicht nur die progressive Steuerung von zwei Funktionen (Querverbindung von Spiralen zur Reduzierung von Impulsen und Ausgleich von Leistung, Öffnung des Wastegate) mit einem einzigen Aktuator, sondern die Erfindung ermöglicht auch die Steuerung beider Funktionen mit einem einzigen kompakten koaxialen Doppelschieberventil. Somit wird das erfindungsgemäße Ventil auf besonders vorteilhafte Weise leicht in kompakten Motorräumen untergebracht.
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Der innere und äußere Kolben können verschiedene Ausführungen aufweisen, zum Beispiel könnten sie eine herkömmliche Verbrennungsmotorkolbenausführung aufweisen oder sogar massive Kolbenköpfe haben. Durch Bereitstellung der Kolben in der gezeigten hohlen oder "becherförmigen" Ausführung kann der höchste Grad an Abdichtungswirkung bei minimalem Raum und Gewicht erfolgen. Bei weniger Gewicht ist die Trägheit der Ventile reduziert, wodurch die Ansprechzeit schneller ist.
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Ferner wird durch Konstruieren des Ventils als ein axial verschiebbares Ventil anstatt eines herkömmlicheren Drehventils das Problem von Ruß- und Öl-Ansammlung und Ansammlung von korrosiven Teilchen reduziert. Es wird angenommen, dass die axiale Bewegung der Kolben und insbesondere des inneren Kolbenschafts in der Bohrung des äußeren Kolbens auf selbstreinigende Weise wirkt, um Teile poliert und nicht-klebend zu halten.
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Obgleich ein einziger Aktuator zwei Kolben steuert, ist ferner das Ausmaß der zum Steuern von Abgasstrom erforderlichen Axialbewegung gering und kann genau gesteuert werden.
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Gemäß der Erfindung wird eine zweite Ausführungsform in Form eines Monoschieberventils bereitgestellt.
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Bei dieser zweiten Ausführungsform wird nur ein Schieberventil verwendet, das vorzugsweise in einer die Doppel- oder Zwillingsspiralen trennenden Trennwand integriert ist. Wie bei der ersten Ausführungsform ist bei dieser zweiten Ausführungsform, wie in 7 gezeigt, das zylindrische Ventilgehäuse 103 mit einer Öffnung 110, die mit der ersten Spirale 106 in Verbindung stehen kann, einer Öffnung 111, die mit der zweiten Spirale 107 in Verbindung stehen kann, und mit Zwillings-Wastegate-Öffnungen 109a und 109b versehen. Das Ventilgehäuse kann mit einer Wastegate-Öffnung oder Zwillings-Wastegate-Öffnung 109a, 109b versehen sein. In Abhängigkeit von der Stelle der Öffnungen wird es möglich, in einem Zwillingsspiralenturbinengehäuse anfangs Impulsstrom zu dem Turbinenrad (das heißt keinen Crosstalk zwischen Spiralen) aufrechtzuerhalten, wenn der Motor zu beschleunigen beginnt und der Ventilkolben 112 aus der geöffneten Position eingezogen wird, während überschüssiges Gas durch das Wastegate abgelassen wird (siehe Spalt "x" in 9), wobei überschüssiger Strom aus der Spirale 106 zu dem Wastegate 109a strömt und überschüssiger Strom aus der Spirale 107 zu dem Wastegate 109b strömt, ohne die Impulsenergie zu stören oder zu beenden. Dies ist aufgrund des Vorhandenseins der Lippe 105 möglich, die während des anfänglichen Einziehens des Kolbens 112 eine Verbindung zwischen den beiden Spiralen blockiert, aber eine Verbindung zwischen den Spiralen 106, 107 und ihren jeweiligen Wastegates 109a, 109b (Spalt "x") nicht blockiert. Dies ist eine Verbesserung gegenüber der herkömmlichen Doppel- oder Zwillingsspiralenausführung, bei der Abgas mit seiner zum Auslass der Wastegate-Leitung gerichteten Massenträgheit nicht zwischen den Spiralen strömen wird, was zu möglichen Druckdifferenzen führt.
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Mit weiterer Zunahme der Motordrehzahl wird anschließend der Kolben weiter eingezogen (Öffnung von Spalt "x" plus "y" in 9), die Spiralen werden miteinander verbunden, wodurch entweder Impulsenergie verloren wird, um die Turbinenleistung zu reduzieren (Zwillingsspiralen) oder Abgasstrom von auf eine Spirale begrenzt zu nunmehr in zwei Spiralen strömend (Doppelspirale) geändert wird, aber dies ist das gewünschte Ergebnis in dieser Phase. Wenn der Motor hart angetrieben wird und übermäßiges Abgas erzeugt, kann es schließlich möglich sein, das Wastegate weiter zu öffnen (Spalt "z" in 9), um das überschüssige Abgas abzuführen und einen zu starken Antrieb des Turboladers zu verhindern. Das einzige Ventil kann pneumatisch oder elektrisch betrieben werden und kann gegebenenfalls eine Feder 115 zur Vorspannung des Ventils in die geschlossene Position enthalten.
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Das Problem bei Doppelspiralen-Wastegates nach dem Stand der Technik besteht darin, dass sie lediglich Abgas ablassen. Die Spiralen sind über das Wastegate verbunden, da das Abgas aber eine Massenträgheit besitzt und zum Ausgang der Wastegate-Leitung gerichtet ist, wird es nicht zwischen den Spiralen strömen, was zu möglichen Druckdifferenzen führt. Es ist nunmehr überraschenderweise entdeckt worden, dass es von Vorteil ist, Spiralen miteinander zu verbinden, selbst wenn Abgas bereits abgelassen wird. Im Gegensatz zur herkömmlichen Meinung gibt es Vorzüge selbst in dem Fall, dass zunächst überschüssiges Gas abgelassen wird und dann Spiralen miteinander verbunden werden.
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7 zeigt, wie die Spiralen 106, 107 mit den Wastegate-Öffnungen 109a, 109b in Verbindung treten können, die keine Lippe aufweisen, während eine Lippe in dem Bereich der Verbindung Spirale-Spirale vorgesehen ist. 8 entspricht 7 und ist um 90° gedreht und zeigt die Verbindung Spirale-107-Spirale.
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Wo erwünscht, könnte die Ventilanordnung natürlich dahingehend ausgeführt sein, die Turbinenleistung zunächst durch Miteinanderverbinden der Spiralen und anschließend, wenn der Abgasstrom zunimmt, Öffnen des Wastegate zu reduzieren.
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10 ist ein Schnitt senkrecht zu der Achse des Ventils und zeigt ein Twin-Scroll-Turbinengehäuse mit den Spiralen 106, 107, wobei das zylindrische Ventilgehäuse in einer die Spiralen trennenden Trennwand integriert ist, mit dem Wastegate 109a, 109b und mit einer Leitung 120 zur Verbindung zwischen den Spiralen.
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11 ist ein Schnitt parallel zu der Achse des Ventils, der das Wastegate 109a und die Leitung 120 zur Verbindung zwischen den Spiralen zeigt.
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Die 12A und 12B sind CAD-artige Zeichnungen, die die Position des Ventils in einer Trennwand eines Doppel- oder Zwillingsspiralenturbinengehäuses zeigen, wobei das Ventil zum Freilegen der Leitung 120 eingezogen gezeigt wird.
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13 ist ein Querschnitt ähnlich 10; während aber 10 einen Schnitt durch die Wastegate-Leitungen 109a, 109b zeigt, stellt 13 keinen Schnitt durch die Wastegate-Leitungen dar und zeigt die vollständige dreidimensionale Struktur, die von dem Ende des zylindrischen Raums des Ventilgehäuses 103 in den zylindrischen Raum vorragt, wobei der becherförmige Kolben entfernt ist.
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14 ist eine CAD-artige Zeichnung, die in Richtung der Abgasströmung in die Spiralen 106, 107 blickt und das Ventil 112 leicht eingezogen zeigt, wodurch die Lippe 103 freigelegt ist
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Bei einer Variante der oben dargestellten Ausführungsformen ist es anstelle der Ausbildung des Kolbens als ein perfekter Zylinder natürlich möglich, Öffnungen oder Durchgänge in dem Kolben selbst zusätzlich zu den Zylinderwänden auszubilden. Es kann zum Beispiel ein allgemein zylindrisches Ventilgehäuse in der Turbinentrennwand integriert oder in einer die beiden Sätze von Verteilern eines Turboladersystems mit Zwillingsspiralen trennenden Wand ausgebildet werden, wobei das Ventilgehäuse eine einer ersten Spirale zugekehrte Öffnung und eine der zweiten Spirale zugekehrte Öffnung aufweist. In einer ersten Position des Kolbens befinden sich keine Öffnungen oder Aussparungen im Kolben, um beide Öffnungen sind blockiert. Mit Vorrücken des Schiebekolbens präsentiert er zunächst einen Durchgang durch oder über den Kolben, wodurch eine Verbindung der ersten und der zweiten Spirale gestattet wird. Mit weiterem Vorrücken des Kolbens werden eine oder beide Öffnungen in Verbindung mit einem Wastegate-Durchgang gestellt. Natürlich könnte der Kolben so ausgeführt sein, dass das Wastegate mit den Spiralen verbunden wird, bevor die Spiralen miteinander verbunden werden.
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Es ist von großer Bedeutung, dass das Ventil so ausgeführt ist, dass Abgasdruck radial und nicht in Axialrichtung des Kolbens auf den inneren und äußeren Kolben wirkt. Die radialen Kräfte können um den Umfang des Kolbens verteilt und somit aufgehoben werden. Es ist von Bedeutung, dass der Gasdruck radial wirkt, da die beiden Kolben des erfindungsgemäßen Ventils in Axialrichtung betätigt werden. Infolgedessen muss der Aktuator nicht dem Abgasdruck entgegenwirken, wie dies bei einem herkömmlichen Klappenventil mit Drehbetätigung der Fall ist.
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Ein Vorteil der Verwendung eines einzigen Aktuators und einer einzigen Ventilanordnung ist die Reduzierung von Teilchenemissionen. Hoher Druck innerhalb der Turbinenstufe kann zu dem Entweichen von Abgas durch irgendwelche Durchlässe oder Spalte an die Atmosphäre führen. Das Passieren des Abgases durch diese Durchlässe wird in der Regel von Rußrückständen auf der Austrittsseite des Gasausströmwegs begleitet. Durch den Motorverbrennungsprozess erzeugte Ablagerungen dieses Rußes sind in kosmetischer Hinsicht unerwünscht. Dadurch werden Abgasleckagen ein besonders sensibles Problem in Fahrzeugen wie zum Beispiel Krankenwagen und Bussen. Hinsichtlich Emissionen wird der aus der Turbinenstufe entweichende Ruß durch die Motor-/Fahrzeugnachbehandlungssysteme nicht erfasst und behandelt. Da das vorliegende Ventil nur einen einzigen Eintrittspunkt in den Turbolader hat, werden Emissionen leichter gesteuert.
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Das erfindungsgemäße Ventilsystem kann an verschiedene Turboladerausführungen hinsichtlich Funktionen angepasst werden. Die Längsachse des koaxialen Doppelschieberventils kann parallel zu der Drehachse der sich drehenden Turboladeranordnung verlaufen, kann senkrecht dazu verlaufen oder kann irgendeine andere Ausrichtung aufweisen. Der zylindrische Raum des koaxialen Doppelschieberventils kann in das Turbinengehäuse gegossen sein oder kann als eine getrennte Komponente hergestellt und am Einlass mit dem Turbinengehäuse verschraubt sein.
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Wie am besten in 4 zu sehen, können die Komponenten des erfindungsgemäßen Ventils, das heißt die Kolben, leicht zusammengefügt und in den zylindrischen Raum des Ventils eingefügt und mit einer festen Tülle 17 bedeckt werden.
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Damit sich die beiden Kolben bezüglich einander bewegen können, ist es erforderlich, Druckabgabelüftungsöffnungen 20, 21 vorzusehen, so dass die Bewegung nicht durch Druck oder Dampfblasenbildung behindert wird.
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Die endgültige Ausführung der Kolben, des Ventilgehäuses, die Position der Öffnungen und die Position des Ventilgehäuses werden von der Art des Turboladers und insbesondere der Art und Weise der zu erreichenden Steuerung des Abgasstroms abhängig sein, was auf einen bestimmten Motor oder zum Erreichen einer Soll-Leistung zugeschnitten sein würde. Das Turbinengehäuse mit zwei Spiralen kann ein Zwillingsleitungs- oder Zwillingsspiralenturbinengehäuse mit praktisch identischen Spiralnuten sein, die bei Pulsladung verwendet werden, oder ein Doppelleitungs- oder Doppelspiralenturbinengehäuse entweder mit axial oder radial benachbart angeordneten Spiralkanälen unterschiedlicher Länge und/oder unterschiedlichen Volumens, wie bei Druckladung verwendet. Das Gehäuse weist möglicherweise kein Wastegate auf.
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Im Grunde ist ein Teil der physischen Ausführung des Turbinengehäuses eine Spirale oder ein Paar Spiralen, dessen/deren Funktion darin besteht, die Einlassbedingungen zu dem Turbinenrad so zu steuern, dass die Einlassstrombedingungen die effizienteste Umsetzung von Leistung aus der Energie in dem Abgas in die durch das Turbinenrad erzeugte Leistung ist, kombiniert mit dem besten Ansprechverhalten. Theoretisch wird der zuströmende Abgasstrom vom Motor von der Spirale einem auf der Turbinenradachse zentrierten Wirbel auf gleichförmige Weise zugeführt. Dazu befindet sich die Querschnittsfläche der Spirale idealerweise auf einem Maximum senkrecht zur Strömungsrichtung wobei sie allmählich und kontinuierlich abnimmt, bis sie null wird. Die innere Grenze der Spirale kann ein perfekter Kreis sein, der als Grundkreis definiert ist, oder in bestimmten Fällen, wie zum Beispiel bei einer Zwillingsspirale, eine Spirale mit minimalem Durchmesser von nicht weniger als 106% des Turbinenraddurchmessers.
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Wenn dies auf Turbolader, insbesondere Kraftfahrzeugturbolader mit sich ständig ändernden Lasten (im Vergleich zu beispielsweise einem Generator, der mit einer konstanten Drehzahl betrieben wird), angewendet wird, ist es wichtig, einen großen Motordrehzahl- und -drehmomentbereich abzudecken. Um diesen mit nur einem Turbolader abzudecken, gibt es Turbolader mit variabler Geometrie, die das Ausgangsdrehmoment des Laders anpassen können. Bei Benzinmotoren ist dies sehr teuer, da das Material sehr hohen Temperaturen (1000°C statt 900°C bei Dieselanwendungen) widerstehen muss.
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Deshalb wird nach Wegen zum Ausweiten des Betriebsbereichs der Turbinenregelung gesucht. Eine kostengünstige und effiziente Weise ist das Miteinanderverbinden von Spiralen unter bestimmten Arbeitsbedingungen, wenn das Turbinendrehmoment reduziert werden muss, und Ablassen von Abgas aus einer oder beiden Spiralen stromabwärts der Turbine, um das Turbinenrad zu umgehen, wenn das Drehmoment weiter reduziert werden muss. Die Mono- und Doppelschieberventile der vorliegenden Erfindung sind besonders effektiv, effizient und beständig, wenn sie zur Bereitstellung solch eines gesteuerten Miteinanderverbindens verwendet werden. Die Steuerung des Miteinanderverbindens kann auf verschiedenste Systeme frei angewandt werden.
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Die meisten Dieselturbinengehäuse sind der geteilten Art mit einer radialen Trennwand, die die beiden Spiralen trennt, um die Impulsenergie zum Turbinenrad aufrechtzuerhalten. Die Trennwandlänge ist in der Regel derart, dass sich die innere Grenze ungefähr am Grundkreis befindet. Je näher sich die Spitze der Trennwand am Grundkreis befindet, desto größer ist die Bewahrung der Impulsenergie, aber desto größer auch die Neigung zu Rissbildung des Gusses in der Trennwand. Die Gründe für diese Rissbildung sind vielfältig, sind aber hauptsächlich die Schlacke, die während des Gießvorgangs durch das Modell gedrückt wird, was bedeutet, dass die Integrität des Materials nahe der Spitze der Trennwand nicht optimal ist, und der zweite ist die Tatsache, dass die Temperaturverteilung um die Spiralen herum zu einem "Abwickeln" des Gusses führt. Den das "Abwickeln" des Turbinengehäuses erzeugenden thermischen Kräften wird durch die vertikale Trennwand entgegengewirkt, was zu einer Rissbildung in der Wand führt. Während ein Riss nur zu einer geringen physischen Beschädigung führt, ist der nächste Schritt bei der Rissbildung, dass sich Teile der gusseisernen Trennwand von dem Gussteil trennen und durch den Turbolader oder den Motor aufgenommen werden, was zu einer irreparablen Beschädigung führen kann.
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Bei so genannten Zündfolgenabgaskrümmern von Verbrennungsmotoren, wie zum Beispiel bei Fremdzündungsmotoren, wird in jedem Fall das Abgas von jenen Zylindern, die in der Zündfolge nicht direkt aufeinanderfolgen, vereint. Zum Beispiel werden bei einem Vierzylindermotor Zylinder 1 und Zylinder 4 und auch Zylinder 2 und Zylinder 3 bei einer Zylinderzündfolge von 1-3-4-2 vereint. Dies gestattet erstens insbesondere bei Vierzylindermotoren eine Reduzierung der gegenseitigen Beeinflussung der Zylinder während des Ladungsaustausches infolge eines geringeren Restgasgehalts, was zu einer erhöhten Frischgasladung führt, und zweitens ist es mittels Leitungstrennung möglich, die Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen, wodurch das Turbinenrad eines Turboladers, der mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt ist, mit einem größeren Anteil kinetischer Energie beaufschlagt wird, weshalb die Turbinenleistung beträchtlich erhöht ist.
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Einige Turbinenräder sind insbesondere dazu ausgeführt, diese Impulsenergie zu nutzen und sie in Drehgeschwindigkeit umzuwandeln. Somit ist die Umwandlung von Druck und Geschwindigkeit von dem Abgas für ein Impulsstromturbinenrad in einem Zwillingsspiralenturbinengehäuse größer als die Umwandlung von Druck und Geschwindigkeit von einem stationären Abgasstrom in die Turbinenradgeschwindigkeit. Diese Impulsenergie ist in Nutzfahrzeugdieselmotoren, die bei ca. 2200 U/min mit einem Spitzendrehmoment bei 1200 bis 1400 U/min betrieben werden, vorherrschender als in Benzinmotoren, die bei einer viel höheren Drehzahl von oftmals bis zu 6000 U/min mit einem Spitzendrehmoment bei 4000 U/min betrieben werden, so dass der Impuls nicht so wohldefiniert ist.
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Bei "Pulsladung" werden Abgasrohre mit schmalem Durchmesser verwendet, um die Impulse von dem Frischabgas von den Zylindern, unterstützt durch den Schub des Kolbens, zuzuführen, um die Schaufeln des Turbinenrads wirklich mit einem Impuls zu beaufschlagen. Bei dieser Art von Turboladung ist es erforderlich, eine Spirale vorzusehen, die einen relativ schlanken Durchmesser aufweist, und die Turbine muss neben den Auslassventilen positioniert sein. Dieses System kann für eine Doppelspirale (Umfangsteilung) und Twin-Scroll (parallele Spiralen) funktionieren. Das System wird als Zwillingsspiralen bezeichnet, da zwei Spiralen immer in Betrieb sind, wobei eine Spirale gepulste Ladungen für das Turbinenrad von der Hälfte der Zylinder bereitstellt, wobei die andere Spirale gepulste Ladungen von den verbleibenden Zylindern bereitstellt.
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Durch Verbinden der Spiralen einer Zwillingsspirale verschwindet die Wirkung von Pulsladung, selbst wenn nur eine leichte Verbindung besteht, das heißt, die Verbindung der Spiralen beseitigt die Wirkung der Pulsladung, so dass sich der Lader in einem Arbeitsmodus befindet, der als Druckladung beschrieben werden kann.
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Zum Vergrößern des Abgasdurchsatzbereichs gibt es auch "Druckladung" oder geteilte Spirale, wobei bei geringen Motordrehzahlen eine Spirale blockiert werden kann, um das Volumen oder den Druck von Abgasstrom aufwärts der Turbine aufzubauen, so dass in der einen offenen Spirale konzentrierter Druck dazu verwendet werden kann, das Turbinenrad effektiver anzutreiben. Natürlich ist es in diesem Fall relativ egal, wie weit der Turbolader von den Auslassventilen entfernt ist. Bei niedrigen Motordrehzahlen wird sämtliches Abgas durch die eine Spirale herausgedrückt, da nur eine der Spiralen offen ist, wodurch bewirkt wird, dass die Turboladerturbine wie ein kleiner Verdrängungsturbolader wirkt. Mit zunehmender Motordrehzahl öffnet sich allmählich die zweite Spirale. Infolgedessen wird der Turbinenwirkungsgrad bei niedriger Motordrehzahl verbessert, und der Durchsatzbereich der Turbine wird vergrößert.
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Das Wastegate ist in seiner einfachsten Form ein Ventil, das ein Tellerventil oder ein Schwenkventil ähnlich dem Ventil sein kann. In der Regel werden diese Ventile durch einen "nicht intelligenten" Aktuator betätigt, der Ladedruck oder Unterdruck zum Aktivieren einer mit dem Ventil verbundenen Membran erfasst und ohne spezielle Kommunikation mit dem Motorsteuergerät arbeitet. Die Funktion des Wastegate-Ventils auf diese Weise besteht darin, die Spitze der Volllastaufladungskurve abzuschneiden, wobei somit der Ladedruckpegel für den Motor begrenzt wird. Hierdurch wird praktisch der effektive Strom zur Turbine verringert, wenn dies erwünscht ist (beispielsweise um einen zu starken Antrieb der Turbine zu verhindern), während der gesamte Bereich des Turbinengehäusestroms zum Turbinenrad ermöglicht wird, wenn ein voller Strom erwünscht ist. Die Wastegate-Konfiguration hat keine Auswirkung auf die Eigenschaften der Aufladungskurve, bis sich das Ventil öffnet. Ausgereiftere Wastegate-Ventile können den Barometerdruck messen oder eine elektronische Übersteuerung oder Steuerung aufweisen, sie haben jedoch auch keine Auswirkung auf die Aufladungskurve bis zur Betätigung zum Öffnen oder Schließen des Ventils.
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Der Grund dafür, dass dies für den Betrieb eines Turboladers wichtig ist, besteht darin, dass das Hinzufügen eines Wastegate zur Turbinenstufe das Anpassen an den Niedergeschwindigkeitsbereich mit einem kleineren Turbinenrad und -gehäuse ermöglicht. Demgemäß bringt das Hinzufügen eines Wastegate die Option einer Verringerung der Trägheit mit sich. Da eine Verringerung der Trägheit der sich drehenden Anordnung typischerweise zu einer Reduzierung von Partikeln (PM) führt, sind Wastegates in straßengebundenen Fahrzeugen üblich geworden. Das Problem besteht darin, dass die meisten Wastegates in ihrem Betrieb in gewisser Hinsicht binär sind, was nicht gut zur linearen Beziehung zwischen der Motorausgangsleistung und der Motorgeschwindigkeit passt.
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Die Ausführung und der Betrieb von Doppelspiralenturbinengehäusen und Zwillingsspiralenturbinengehäusen sind wohlbekannt und bilden keinen Teil der Erfindung. Es wird auf
US 2011/0302911 "Twin Scroll Turbocharger with EGR Takeoffs" (und insbesondere
1);
US-Patent 8,196,403 "Turbocharger Having Balance Valve, Wastegate, and Common Actuator";
EP 2 059 663 "Method and Device for Operating an Internal Combustion Engine";
US-Patent 4,893,474 "Turbocharger with Dual Function Actuator";
US 2014/0271138 "Wastegate Valve and Turbocharger Having Same";
US-Patent 6,715,288 "Controllable Exhaust Gas Turbocharger with a Double-Fluted Turbine Housing";
US 2010/0059026 "Method and Device for Operating an Internal Combustion Engine" und
US-Patent 7,481,056 Bezug genommen, deren Offenbarungen durch Bezugnahme hierin mit eingeschlossen sind.
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Soviel war in der Technik bekannt, aber die Ventilausführungslösungen zum Miteinanderverbinden von Spiralen und Ablassen von Abgas waren bisher nicht elegant gelöst worden. Mit dem vorliegenden koaxialen Doppelfolgeschieberventil kann zum ersten Mal gesagt werden, dass das Problem elegant gelöst ist. Dies wird aus der folgenden Erläuterung der Erfindung, die das Ventil in einem Turbinengehäuse mit Doppelspiralen und einem Wastegate-Kanal verwendet, ersichtlich.
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Nach der erfolgten Beschreibung der Erfindung folgen nun die Ansprüche.
