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HINTERGRUND
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Turbolader sind an einem Motor vorgesehen, um dem Motoreinlass Luft mit einer größeren Dichte zuzuführen, als bei einer Saug-Konfiguration möglich wäre. Dies gestattet die Verbrennung von mehr Kraftstoff, wodurch die Leistung des Motors verstärkt wird, ohne dass das Gewicht des Motors stark erhöht wird.
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Im Allgemeinen verwenden Turbolader den Abgasstrom vom Motorauslasskrümmer, welcher an einem Turbinengehäuseeinlass in die Turbinenstufe eintritt, um dadurch ein Turbinenrad, das in dem Turbinengehäuse positioniert ist, anzutreiben. Das Turbinenrad ist an einem Ende einer Welle befestigt, die in einem Lagergehäuse drehbar gestützt wird. Die Welle treibt ein Verdichterlaufrad an, das am anderen Ende der Welle montiert ist. Somit liefert das Turbinenrad Drehenergie zum Antrieb des Verdichterlaufrads und dadurch Antrieb der Verdichterstufe des Turboladers. Luft wird in der Verdichterstufe komprimiert und dann für den Motoreinlass bereitgestellt, wie oben beschrieben.
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KURZDARSTELLUNG
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Gemäß einigen Aspekten ist ein zylindrisches drehbares Ventil dazu konfiguriert, Fluidstrom durch einen Fluidkanal zu steuern. Das Ventil enthält ein erstes Ende, ein zweites Ende, das dem ersten Ende gegenüberliegt, und eine Seitenfläche, die sich zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende erstreckt. Das Ventil enthält eine in der Seitenfläche ausgebildete erste Einlassöffnung, eine in der Seitenfläche ausgebildete erste Auslassöffnung und einen die erste Einlassöffnung mit der ersten Auslassöffnung verbindenden ersten Ventilkanal. Darüber hinaus enthält das Ventil eine in der Seitenfläche ausgebildete zweite Einlassöffnung, eine in der Seitenfläche ausgebildete zweite Auslassöffnung und einen die zweite Einlassöffnung mit der zweiten Auslassöffnung verbindenden zweiten Ventilkanal. Der zweite Ventilkanal ist von dem ersten Ventilkanal getrennt, die erste Einlassöffnung, die erste Auslassöffnung und die zweite Einlassöffnung sind jeweils zwischen dem ersten Ende und einem mittleren Teil des Ventils angeordnet, und die zweite Auslassöffnung ist zwischen dem mittleren Teil und dem zweiten Ende angeordnet.
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Das Ventil kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen: Die erste Einlassöffnung und die erste Auslassöffnung befinden sich auf einander gegenüberliegenden Seiten des Ventils. Die erste Einlassöffnung ist allgemein axial auf die zweite Einlassöffnung ausgerichtet und in Umfangsrichtung davon beabstandet. Die zweite Einlassöffnung ist in Umfangsrichtung von der zweiten Auslassöffnung beabstandet. Das Ventil enthält eine in der Seitenfläche ausgebildete dritte Einlassöffnung, eine in der Seitenfläche ausgebildete dritte Auslassöffnung und einen die dritte Einlassöffnung mit der dritten Auslassöffnung verbindenden dritten Kanal, wobei die dritte Einlassöffnung und die dritte Auslassöffnung zwischen dem ersten Ende und dem mittleren Teil des Ventils angeordnet sind. Die erste Einlassöffnung und/oder die zweite Einlassöffnung weist/weisen eine allgemein rechteckige Form auf.
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Gemäß einigen Aspekten enthält ein Turbolader einen Turbinenabschnitt, der ein Turbinengehäuse und ein im Turbinengehäuse angeordnetes Turbinenrad enthält, wobei das Turbinengehäuse einen Gaseinlass, eine zum Leiten von Gas von dem Einlass zum Turbinenrad konfigurierte Spirale und einen Gasauslass definiert. Weiterhin enthält der Turbolader ein drehbares Ventil, das so im Gaseinlass angeordnet ist, dass eine Drehachse des Ventils quer zu einer Gasstromrichtung durch den Einlass verläuft. Das Ventil enthält ein erstes Ende, ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende, eine sich zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende erstreckende Seitenfläche und eine durch das erste und das zweite Ende verlaufende Längsachse, die mit der Drehachse des Ventils zusammenfällt. Das Ventil enthält eine in der Seitenfläche ausgebildete erste Einlassöffnung, eine in der Seitenfläche ausgebildete erste Auslassöffnung und einen die erste Einlassöffnung mit der ersten Auslassöffnung verbindenden ersten Ventilkanal. Weiterhin enthält das Ventil eine in der Seitenfläche ausgebildete zweite Einlassöffnung, eine in der Seitenfläche ausgebildete zweite Auslassöffnung und einen die zweite Einlassöffnung mit der zweiten Auslassöffnung verbindenden zweiten Kanal. Der zweite Kanal ist von dem ersten Kanal getrennt, und die erste Einlassöffnung, die erste Auslassöffnung und die zweite Einlassöffnung sind jeweils so positioniert, dass sie für gewisse Drehausrichtungen des Ventils mit dem Gaseinlass in Verbindung treten, und die zweite Auslassöffnung ist so positioniert, dass sie in der Lage ist, für gewisse Drehausrichtungen des Ventils mit dem Gasauslass in Verbindung zu treten. Der Turbolader kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen: Das Ventil ist zur Bereitstellung von drei Betriebsmodi des Turboladers konfiguriert, einschließlich eines vollständig geöffneten Modus, der einer ersten Drehausrichtung des Ventils entspricht, in der sämtliches Abgas durch das Ventil zu dem Turbinenrad strömt, eines Modus mit Wastegate-Regelung, der einer zweiten Drehausrichtung des Ventils entspricht, in der ein Teil des Abgases um das Turbinenrad herum zum Abgasauslass umgeleitet wird, und eines Modus mit Gegendruck, der einer dritten Drehausrichtung des Ventils entspricht, in der der Abgaseinlass zumindest teilweise versperrt ist. Wenn sich das Ventil in der ersten Drehausrichtung befindet, ist die erste Einlassöffnung auf den Gaseinlass ausgerichtet und weist bezüglich einer Gasstromrichtung zu einer stromaufwärtigen Richtung, die erste Auslassöffnung ist auf den Gaseinlass ausgerichtet und weist bezüglich einer Gasstromrichtung zu einer stromabwärtigen Richtung, und die zweite Einlassöffnung ist versperrt. Wenn sich das Ventil in der zweiten Drehausrichtung befindet, ist die zweite Einlassöffnung auf den Gaseinlass ausgerichtet und weist bezüglich einer Gasstromrichtung zu einer stromaufwärtigen Richtung, die zweite Auslassöffnung ist auf den Gasauslass ausgerichtet, und die erste Einlassöffnung ist zumindest teilweise versperrt. Ferner enthält der Turbolader einen Aktuator, der mit dem ersten Ende des Ventils verbunden ist und dazu konfiguriert ist, eine Drehstellung des Ventils um die Längsachse zu steuern. Die erste Einlassöffnung und die erste Auslassöffnung befinden sich auf einander gegenüberliegenden Seiten des Ventils. Die erste Einlassöffnung ist allgemein axial auf die zweite Einlassöffnung ausgerichtet und in Umfangsrichtung davon beabstandet. Die zweite Einlassöffnung ist in Umfangsrichtung und axial von der zweiten Auslassöffnung beabstandet. Das Ventil umfasst eine in der Seitenfläche ausgebildete dritte Einlassöffnung, eine in der Seitenfläche ausgebildete dritte Auslassöffnung, einen die dritte Einlassöffnung mit der dritten Auslassöffnung verbindenden dritten Kanal, wobei die dritte Einlassöffnung und die dritte Auslassöffnung zwischen dem ersten Ende und dem mittleren Teil des Ventils angeordnet sind.
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Es gibt bestimmte Motorbetriebsbedingungen, unter denen es wünschenswert ist, einen Teil des Abgases von dem Turbinenrad weg zu leiten, um die Turbinendrehzahl zu regeln, wodurch wiederum die Drehzahl des Verdichters geregelt wird. Unter anderen Betriebsbedingungen ist es wünschenswert, einen Teil des Hochdruckabgasstroms vom Motor zu entnehmen, bevor er das Turbinenrad erreicht, und ihn zusammen mit Druckluft vom Verdichterabschnitt des Turboladers zum Motorlufteinlass umzuleiten. Beispielsweise kann Abgasrückführung (AGR) NOx-Emissionen des Motors reduzieren (zum Beispiel NO (Stickoxid) und NO2 (Stickstoffdioxid). Darüber hinaus ist es unter noch weiteren Betriebsbedingungen wünschenswert, Druck über die Motorzylinder zu erhöhen, um Motorbremsung einzuleiten. Um Turbineneinlassdrucksteuerung, AGR und/oder Motorbremsung zu erzielen, enthält ein Abgasturbolader ein Umleitventil, das im Abgaseinlass der Turbine angeordnet ist. Das Umleitventil ist dazu konfiguriert, mehrere Turboladerbetriebsmodi zu gestatten, wobei der Modus durch die Drehausrichtung des Ventils im Abgaseinlass bestimmt wird. Bei der dargestellten Ausführungsform stellt das Umleitventil drei Betriebsmodi bereit.
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Der erste Modus entspricht einer ersten Drehausrichtung des Umleitventils, in der der Abgaseinlass vollständig geöffnet ist, wodurch sämtliches aus dem Motor abgeführtes Abgas in den Abgaseinlass der Turboladerturbine und zum Turbinenrad geleitet wird.
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Der zweite Modus entspricht einer zweiten Drehausrichtung des Umleitventils, in der der Abgaseinlass zumindest teilweise geschlossen ist und mindestens ein Teil des aus dem Motor abgeführten Abgases das Turbinenrad umgeht und in den Abgasauslass der Turboladerturbine geleitet wird. In diesem Modus wird das Umleitventil als Turbolader-Wastegate-Ventil betrieben.
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Der dritte Modus entspricht einer dritten Drehausrichtung des Umleitventils, in der der Abgaseinlass zumindest teilweise geschlossen ist und wenig oder kein Abgas durch das Ventil geführt wird. In diesem Modus wird in der Auslassleitung Gegendruck erzeugt. Wenn das Umleitventil teilweise geschlossen ist, besteht eine ausreichende Erhöhung des Gegendrucks zum Antrieb der Motorabgasrückführung (AGR). Wenn das Umleitventil weiter geschlossen ist oder vollständig geschlossen ist, besteht ausreichender Gegendruck in den Motorzylindern zum Erreichen von Motorbremsung.
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Somit bestimmt die Drehausrichtung des Umleitventils im Abgaseinlass einen Betriebsmodus des Turboladers. Innerhalb jedes Modus können inkrementale Änderungen der Drehausrichtung des Umleitventils dazu verwendet werden, das Ausmaß von Abgasstrom zwischen einer vollständig geöffneten Stellung, einer vollständig geschlossenen Stellung und jeglichem Öffnungsausmaß zwischen der vollständig geöffneten und der vollständig geschlossenen Stellung genau zu steuern. Darüber hinaus kann bei einer gegebenen Drehausrichtung des Ventils durch Ändern der Größe und der Form der Umleitventilöffnungen die Durchflussrate durch die Öffnungen geändert werden, wodurch eine Optimierung von Abgasstromeigenschaften gestattet wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ausführungsformen werden in den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen ähnliche Teile bezeichnen, beispielhaft und nicht einschränkend dargestellt. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Motorsystems für einen Motor, der mit einem Turbolader verbunden ist;
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2 eine perspektivische Ansicht eines von einem Einlass des Turboladers getrennten Drehumleitventils:
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3 eine Querschnittsansicht des Drehumleitventils von 2;
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4 eine Querschnittsansicht des Turboladers, die das im Turbineneinlass angeordnete Drehumleitventil darstellt und das Drehumleitventil in einer vollständig geöffneten Stellung zeigt;
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5 eine Einlassendansicht des Turboladers, die das Drehumleitventil in einer vollständig geöffneten Stellung zeigt;
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6 eine Querschnittsansicht des Turboladers, die das im Turbineneinlass angeordnete Drehumleitventil darstellt und das Drehumleitventil in einer vollständig geschlossenen Wastgate-Regelungsstellung zeigt;
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7 eine Einlassendansicht des Turboladers, die das Drehumleitventil in einer vollständig geschlossenen Wastegate-Regelungsstellung zeigt;
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8 eine Einlassendansicht des Turboladers, die das Drehumleitventil in einer vollständig geschlossenen Stellung zeigt, die Motorbremsung entspricht;
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9 eine Einlassendansicht des Turboladers, die ein alternatives Drehumleitventil in einer vollständig geöffneten Stellung zeigt;
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10 eine Einlassendansicht des Turboladers, die das alternative Drehumleitventil von 9 in einer teilweise geöffneten Stellung zeigt;
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11 eine Einlassendansicht des Turboladers, die ein alternatives Drehumleitventil in einer Wastegate-Regelungsstellung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Auf 1 Bezug nehmend, enthält ein Motorsystem 10 für einen Verbrennungsmotor 12 mit Turbolader ein Drehumleitventil 100, das den Druck von Abgas im Abgaskanal 20 stromabwärts des Motors 12 einstellbar steuert, wodurch Abgasstrom und Druck im Kanal 20 genau gesteuert werden können. Der Motor 12 ist so angeordnet, dass ein oder mehrere der Motorzylinder 14 mit einem Abgaskrümmer 16 verbunden sind. Stromabwärts des Motors 12 leitet der Abgaskrümmer 16 das Abgas zum Auslasskanal 20, der einer Abgasturbine 32 eines Turboladers 30 Abgas mit hoher Temperatur und hohem Druck zuführt. Nach dem Expandieren in der Turbine 32 wird das Abgas mit reduziertem Druck über einen Abgasauslasskanal 36 zu einer oder mehreren Nachbehandlungsvorrichtungen 60, wie zum Beispiel Katalysatoren, Partikelfiltern und NOx-Fallen, geleitet, bevor es an die Atmosphäre abgegeben wird.
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Auf der Luftzufuhrseite des Motors 12 wird Ladeluft im Verdichterabschnitt 48 des Turboladers 30 erzeugt und den Motorzylindern 14 über eine Luftzufuhrleitung 46, die mit einem Lufteinlasskrümmer 18 des Motors 12 wird verbunden ist, zugeführt. Eine Ladeluftkühlvorrichtung 50 ist zum Kühlen der Ladeluft vor Zufuhr zu den Zylindern 14 in der Luftzufuhrleitung 46 angeordnet. Abgasrückführung wird über einen AGR-Kanal 52 erzielt, der den Auslasskanal 20 mit der Luftzufuhrleitung 46 verbindet. Ein AGR-Kühler 54 ist im AGR-Kanal 52 zum Kühlen des rückgeführten Teils des Abgases vor Zufuhr zu der Luftzufuhrleitung 46 vorgesehen. In dem System 10 ist das Umleitventil 100 in einem Abgaseinlass der Turbine 32 zum Steuern von Abgasstrom und Drücken in der Turbine und im Auslasskanal 20 angeordnet, wie unten ausführlich besprochen wird.
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Auf die 2 und 3 Bezug nehmend, ist das Umleitventil 100 zylindrisch und enthält ein erstes Ende 102 und ein dem ersten Ende 102 gegenüberliegendes zweites Ende 104. Das Umleitventil 100 enthält eine Längsachse 106, die mit einer Drehachse des Umleitventils 100 zusammenfällt und sowohl durch das erste Ende 102 als auch das zweite Ende 104 verläuft. Das erste und das zweite Ende 102, 104 definieren jeweils eine quer zur Längsachse 106 verlaufende Ebene. Das Umleitventil 100 enthält eine Seitenfläche 108, die sich zwischen dem ersten Ende 102 und dem zweiten Ende 104 erstreckt. Das Umleitventil wird in einem Einlass 34 der Abgasturbine 32 des Turboladers 30 so gestützt, dass die Längsachse 106 quer zur Abgasstromrichtung verläuft. Darüber hinaus ist das Umleitventil 100 so dimensioniert, dass für einige Drehausrichtungen des Umleitventils 100 der Abgaseinlass 34 vollständig versperrt wird und kein Abgas durch den Abgaseinlass 34 strömt.
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Das Umleitventil 100 enthält innere Kanäle 110, 120 dort hindurch, die für einige Drehausrichtungen des Umleitventils 100 Gasstrom durch das Umleitventil 100 gestatten. Bei der dargestellten Ausführungsform enthält das Umleitventil 100 einen ersten oder Hauptventilkanal 110 und einen zweiten oder Bypass-Ventilkanal 120, der von dem Hauptventilkanal 110 getrennt ist und damit nicht in Verbindung steht.
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Der Hauptventilkanal 110 erstreckt sich zwischen einer ersten Einlassöffnung 112 und einer ersten Auslassöffnung 114, die in der Seitenfläche 108 ausgebildet sind. Der Hauptventilkanal 110 folgt einem allgemein linearen Pfad und erstreckt sich in einer quer zur Längsachse 106 verlaufenden Richtung, wodurch sich die erste Einlassöffnung 112 und die erste Auslassöffnung 114 auf einander gegenüberliegenden Seiten des Umleitventils 100 befinden. Der Hauptventilkanal 110 weist eine allgemein rechteckige Form auf und ist axial zwischen dem zweiten Ventilende 104 und einem mittleren Teil 103 des Umleitventils 100 positioniert.
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Der Bypass-Ventilkanal 120 erstreckt sich zwischen einer zweiten Einlassöffnung 122 und einer zweiten Auslassöffnung 124, die in der Seitenfläche 108 ausgebildet sind. Der Bypass-Ventilkanal 120 folgt einem gewundenen Pfad durch das Umleitventil 100, wodurch die zweite Einlassöffnung 122 und die zweite Auslassöffnung 124 axial und in Umfangsrichtung beabstandet sind. Bei der dargestellten Ausführungsform weisen die zweite Einlassöffnung 122 und die zweite Auslassöffnung 124 einen Abstand von ca. 120 Grad entlang einem Umfang des Umleitventils 100 auf. Darüber hinaus ist die zweite Einlassöffnung 122 axial zwischen dem zweiten Ventilende 104 und dem mittleren Teil 103 positioniert. Das heißt, die zweite Einlassöffnung 122 ist allgemein axial auf die erste Einlassöffnung 112 ausgerichtet und in Umfangsrichtung davon beabstandet. Bei der dargestellten Ausführungsform weisen die zweite Einlassöffnung 122 und die erste Einlassöffnung 112 einen Abstand von ca. 90 Grad entlang einem Umfang des Umleitventils 100 auf.
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Die zweite Auslassöffnung 124 ist axial zwischen dem mittleren Teil 103 und dem ersten Ventilende 102 positioniert, wodurch die zweite Einlassöffnung 122 auf einer axial gegenüberliegenden Seite des mittleren Teils 103 bezüglich der zweiten Auslassöffnung 124 angeordnet ist. Da die zweite Einlassöffnung 122 und die zweite Auslassöffnung 124 in Umfangsrichtung beabstandet sind, ist der Bypass-Ventilkanal 120 indirekt. Insbesondere enthält der Bypass-Ventilkanal 120 einen ersten Teil 130, der einem in der Seitenfläche 108 ausgebildeten ausgesparten, planaren Steg 132 entspricht. Die zweite Einlassöffnung 122 ist in einer in Axialrichtung weisenden Schulter 134 ausgebildet, die zwischen dem Steg 132 und der kreisförmigen Seitenfläche 108 definiert ist. Der Bypass-Ventilkanal 120 enthält einen zweiten Teil 140, der mit dem ersten Teil 130 in Verbindung steht und sich axial in einem Inneren des Umleitventils 100 erstreckt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der zweite Teil 140 bezüglich der Längsachse 106 etwas abgewinkelt, wodurch sich der zweite Teil 140 am nächsten zur Längsachse 106 neben dem ersten Ende 102 befindet. Der Bypass-Ventilkanal 120 enthält einen dritten Teil 150, der den zweiten Teil 140 mit der zweiten Auslassöffnung 124 verbindet. Der dritte Teil 150 erstreckt sich in einer quer zur Längsachse 106 verlaufenden Richtung und weist eine Form auf, die der Form der zweiten Auslassöffnung 124 entspricht. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Form der zweiten Auslassöffnung 124 und des dritten Teils 150 allgemein kreisförmig.
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Die Größe der Querschnittsfläche des Hauptventilkanals 110 und des Bypass-Ventilkanals 120 wird durch die Anforderungen der speziellen Anwendung bestimmt. Bei der dargestellten Ausführungsform weist der Hauptventilkanal 110 eine große Querschnittsfläche bezüglich der des Bypass-Ventilkanals 120 auf. Somit ist in diesem Ausführungsbeispiel das Umleitventil 100 für Anwendungen geeignet, in denen die durch den Bypass-Ventilkanal 120 zu leitende Abgasmenge bezüglich der durch den Hauptventilkanal 110 zu leitenden Abgasmenge gering ist. Es versteht sich jedoch, dass die Kanalgrößen nicht auf die gezeigten Größen oder Proportionen beschränkt sind.
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Die Form des Hauptventilkanals 110 und des Bypass-Ventilkanals 120 wird auch durch die Anforderungen der speziellen Anwendung bestimmt. Bei der dargestellten Ausführungsform weist der Hauptventilkanal 110 eine allgemein rechteckige Form auf, während die Form des Bypass-Ventilkanals 120 entlang der Länge des Bypass-Ventilkanals 120 variiert. Die Form der Ventilkanäle 110, 120 und/oder die Form der ersten und der zweiten Einlassöffnung 112, 122 kann geändert werden und wird basierend auf den gewünschten Gasstromeigenschaften und der Optimierung der Eigenschaften ausgewählt. Mögliche Formen umfassen eine Kreisform, eine rechteckige Form, eine Tropfenform und eine dreieckige Form, sind aber nicht darauf beschränkt.
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Das Umleitventil 100 kann aus dem gleichen Material oder aus ähnlichen Materialien wie die zur Bildung des Turbinengehäuses verwendeten hergestellt sein, so dass mit Wärmeausdehnung im Gebrauch in Verbindung stehende Probleme vermieden werden können. Das zur Bildung des Umleitventils 100 verwendete Material ist jedoch nicht darauf beschränkt, und es versteht sich, dass das Umleitventil 100 aus irgendeinem bzw. irgendwelchen anderen Material(ien), das bzw. die zur Verwendung in einer Hochtemperatur-, Hochdruck- und kaustischen Umgebung des Motorauslasskanals 20 und Turbinenabgaseinlasses 34 geeignet ist bzw. sind, wie zum Beispiel keramische Materialien, gebildet sein kann. Des Weiteren kann das Material basierend auf den Anforderungen der speziellen Anwendung gegossen, geschmiedet, gesintert, beschichtet usw. sein.
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Die Seitenfläche 108 des Umleitventils enthält zwei um den Umfang verlaufende Nuten 162, 164, die eine rechteckige Form aufweisen und dazu dimensioniert sind, Kolbenringe 87, 88 (4 und 6) aufzunehmen, die eine Dichtung zwischen der Seitenfläche 108 und dem Teil des Turbinengehäuses, der dem Abgaseinlass 34 entspricht, bilden. Die Nuten 160, 162 sind axial eng beabstandet und sind zwischen dem ersten Ventilende 102 und der zweiten Auslassöffnung 124 angeordnet.
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Unter Bezugnahme auf die 4–6 ist das Umleitventil 100 im Abgaseinlass 34 der Turbine 32 bezüglich der Gasstromrichtung in der Turbine 32 an einer unmittelbar stromaufwärts der Turbinenspirale 38 liegenden Stelle angeordnet. Zur Aufnahme des Umleitventils 100 enthält das Turbinengehäuse 33 ein hohles, allgemein zylindrisches Ventilgehäuse 80, das sich mit dem Abgaseinlass 34 schneidet. Das Ventilgehäuse 80 unterstützt das Umleitventil 100 zur Drehung um seine Längsachse 106 derart, dass das Umleitventil 100 in dem Strömungsweg des den Abgaseinlass 34 durchströmenden Abgases angeordnet ist, und derart, dass die Ventillängsachse 106 allgemein parallel zu einer Drehachse der Turboladerdrehanordnung (nicht gezeigt) verläuft, die das Turbinenrad 37, das Verdichterlaufrad und die Verbindungswelle enthält.
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Das Ventilgehäuse 80 weist ein geschlossenes Ende 82 auf, und das Umleitventil 100 ist so in dem Ventilgehäuse 80 angeordnet, dass das zweite Ventilende 104 bei minimalem Zwischenraum zu dem geschlossenen Ende 82 weist. Des Weiteren ist das Ventilgehäuse 80 so dimensioniert, das eine zylindrische Innenfläche 84 des Ventilgehäuses 80 die Ventilseitenfläche 108 bei minimalem Zwischenraum umgibt.
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Das Ventilgehäuse 80 weist ein offenes Ende 86 auf, und das erste Ventilende 102 liegt in dem offenen Ende 86 des Ventilgehäuses. Durch diese Anordnung liegt das erste Ventilende 102 zur Atmosphäre frei. Wie zuvor besprochen, stellen an der Ventilseitenfläche 108 neben dem ersten Ende 102 vorgesehene Kolbenringe 87, 88 eine Dichtung bereit, so dass ein Entweichen von Abgas über das offene Ende 86 des Ventilgehäuses verhindert wird. Vorteilhafterweise kann durch Freilegen des ersten Ventilendes 102 das erste Ventilende 102 über eine Aktuatorstange 72 mit einem Aktuator 70 verbunden werden. Der Aktuator 70 wird dazu verwendet, die Drehausrichtung des Umleitventils 100 in dem Ventilgehäuse 80 und bezüglich des Turbinenabgaseinlasses 34 zu steuern.
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Das hierin beschriebene Umleitventil 100 ist dazu konfiguriert, mehrere Turboladerbetriebsmodi zu gestatten, wobei der Betriebsmodus durch die Drehausrichtung des Umleitventils 100 in dem Turbinenabgaseinlass 34, wie durch den Aktuator 70 gesteuert, bestimmt wird. Insbesondere ist das Umleitventil 100 dazu konfiguriert, die folgenden drei Betriebsmodi des Turboladers bereitzustellen: einen vollständig geöffneten Betrieb; einen Betrieb mit Wastegate-Regelung und einen Betrieb mit Gegendruck.
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Der erste oder vollständig geöffnete Betriebsmodus entspricht einer ersten Drehausrichtung des Umleitventils 100, in der der Abgaseinlass 34 vollständig geöffnet ist (4 und 5). In diesem Modus ist das Umleitventil 100 so ausgerichtet, dass die erste Einlassöffnung 112 so im Abgaseinlass 34 angeordnet ist, dass sie sich stromaufwärts (zum Beispiel zum Motor 12) weisend öffnet, die erste Auslassöffnung 114 ist so im Abgaseinlass 34 angeordnet, dass sie sich stromabwärts (zum Beispiel vom Motor 12 weg und zur Turbinenspirale 38) weisend öffnet, und der erste innere Kanal 110 definiert einen Teil des Abgaseinlasses 34, der mit benachbarten Teilen des Abgaseinlasses 34 allgemein durchgehend ist. Durch diese Konfiguration wird sämtliches aus dem Motor 12 abgeführtes Abgas gleichmäßig in den Abgaseinlass 34 der Turboladerturbine und zu dem Turbinenrad 37 gleitet. In dem vollständig geöffneten Betriebsmodus weisen die zweite Einlassöffnung 122 und die zweite Auslassöffnung 124 zu der Innenfläche 34 des Ventilgehäuses, wodurch kein Abgas durch den zweiten inneren Kanal 120 strömt.
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Der zweite Betriebsmodus oder Betriebsmodus mit Wastegate-Regelung entspricht einer zweiten Drehausrichtung des Umleitventils 100, in der der Abgaseinlass zumindest teilweise geschlossen ist und mindestens ein Teil des aus dem Motor 12 abgeführten Abgases in den Abgasauslass 36 der Turboladerturbine 32 geleitet wird und das Turbinenrad 37 umgeht. In diesem Modus ist das Umleitventil 100 so ausgerichtet, dass die zweite Einlassöffnung 122 so im Abgaseinlass 34 angeordnet ist, dass sie sich stromaufwärts (zum Beispiel zum Motor 12) weisend öffnet, und die zweite Auslassöffnung 124 ist auf eine Bypass-Öffnung 40 ausgerichtet. Die Bypass-Öffnung 40 ist in einem Teil der mit dem Ventilgehäuse 80 und dem Abgasauslass 36 gemeinen Turbinengehäusewand ausgebildet. Somit steht die zweite Auslassöffnung 124 über die Bypass-Öffnung 40 mit dem Abgasauslass 36 in Verbindung und leitet Abgas stromabwärts (zum Beispiel vom Motor 12 weg und zu den Nachbehandlungsvorrichtungen 60). Durch diese Konfiguration definiert der zweite innere Kanal 120 einen Turbinen-Bypass-Kanal (6 und 7), und das Umleitventil 100 wird als Turbolader-Wastegate-Ventil betrieben.
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In dem Betriebsmodus mit Wastegate-Regelung kann das Umleitventil 100 so ausgerichtet sein, dass die erste Einlassöffnung 112 und die erste Auslassöffnung 114 zu der Innenfläche 84 des Ventilgehäuses weisen, wodurch kein Gas durch den ersten inneren Kanal 110 strömt (6 und 7), oder es kann so ausgerichtet sein, dass nur ein Teil der ersten Einlass- und Auslassöffnung 112, 114 mit dem Abgaseinlass 34 in Verbindung stehen, wodurch ein gewisser Gasstrom zu dem Turbinenrad 37 gestattet wird (nicht gezeigt). Die Gasstrommenge zum Turbinenrad 37 wird durch Steuern der Drehausrichtung des Umleitventils 100 und somit auch Steuern des Freilageausmaßes der ersten Einlass- und Auslassöffnung 112, 114 zum Abgaseinlass 34 gesteuert.
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Der dritte Betriebsmodus oder Betriebsmodus mit Gegendruck entspricht einer dritten Drehausrichtung des Umleitventils100, in der der Abgaseinlass 34 zumindest teilweise geschlossen ist, und eine reduzierte Abgasmenge wird durch das Umleitventil 100 geführt. In diesem Modus ist das Umleitventil 100 so ausgerichtet, dass die erste Einlassöffnung 112 höchstens teilweise so im Abgaseinlass 34 angeordnet ist, dass sie sich stromaufwärts (zum Beispiel zum Motor 12) weisend öffnet, die erste Auslassöffnung 114 ist höchstens teilweise so im Abgaseinlass 34 angeordnet, dass sie sich stromabwärts (zum Beispiel vom Motor 12 weg und zur Turbinenspirale 38) weisend öffnet, und der erste innere Kanal 110 definiert einen Teil des Abgaseinlasses 34. In einem Betriebsmodus mit Gegendruck ist das Umleitventil 100 teilweise geschlossen. Infolgedessen besteht eine ausreichende Zunahme des Gegendrucks zum Erreichen einer Art von Motorabgasrückführung (AGR), bei der Gegendruck in den Auslasskanälen 20, 52 erzeugt wird und Abgasstrom über den Lufteinlasskrümmer 18 zu den Motorzylindern 14 geleitet wird.
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In einem anderen Betriebsmodus mit Gegendruck ist das Umleitventil 100 teilweise geschlossen oder vollständig geschlossen (8). In diesem Fall besteht in den Motorzylindern 14 ausreichender Gegendruck zum Erreichen einer anderen Art von AGR, die Abgasstrom direkt zum Motorauslasskrümmer 16 zurück leitet und Motorbremsung bereitstellt.
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In den Betriebsmodi mit Gegendruck weisen die zweite Einlassöffnung 122 und die zweite Auslassöffnung 124 zu der Innenfläche 84 des Ventilgehäuses, wodurch kein Abgas durch den zweiten inneren Kanal 120 strömt.
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Somit wird die Drehausrichtung des Umleitventils 100 im Abgaseinlass 34 zur Bestimmung eines Betriebsmodus des Turboladers 30 gesteuert. Innerhalb jedes Modus können inkrementale Änderungen der Drehausrichtung des Umleitventils 100 dazu verwendet werden, das Ausmaß von Abgasstrom zwischen vollständig geöffnet, vollständig geschlossen und jeglichem Öffnungsausmaß zwischen vollständig geöffnet und vollständig geschlossen genau zu steuern. Darüber hinaus kann bei einer gegebenen Drehausrichtung des Umleitventils 100 durch Ändern der Größe und der Form der Umleitventilöffnungen 112, 114, 122, 124, 132 die Durchflussrate durch die Öffnungen geändert werden, wodurch eine Optimierung von Abgasstromeigenschaften gestattet wird.
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Auf die 9–11 Bezug nehmend, ist ein alternatives Drehumleitventil 200 zur Verwendung in einer Turboladerturbine 32' mit einer Zwillingsspiralenausführung konfiguriert. Das in den 9–11 dargestellte Umleitventil 200 ähnelt im Wesentlichen dem oben beschriebenen Umleitventil 100, und gemeinsame Elemente werden mit gemeinsamen Bezugszahlen bezeichnet. Wie bei der vorherigen Ausführungsform wird die Gasstrommenge zum Turbinenrad 37 durch Steuern der Drehausrichtung des Umleitventils 200 gesteuert.
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Um jedoch der Zwillingsspiralenausführung Rechnung zu tragen und Stromsteuerung zu jeder Spirale individuell steuern zu können, ist der einzige, große Hauptkanal 110 des Umleitventils 100 durch zwei im Verhältnis kleinere Durchgangskanäle 210a und 210b ersetzt worden, die jeweils eine entsprechende Einlassöffnung 212a, 212b und Auslassöffnung 214a, 214b aufweisen. Der erste Durchgangskanal 210a ist von dem zweiten Durchgangskanal 210b getrennt und weist keine Verbindung damit auf. Bei bestimmten Drehausrichtungen des Umleitventils 200 steht der erste Durchgangskanal 210a mit einer ersten Spirale 38a in Verbindung, und der zweite Durchgangskanal 210b steht mit einer zweiten Spirale 38b in Verbindung.
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Bei vollständig geöffnetem Betrieb des Turboladers 30 ist das Umleitventil 200 in dem Ventilgehäuse 80 bezüglich des Abgaseinlasses 34 so drehausgerichtet, dass der erste Durchgangskanal 210a auf die erste Spirale 38a ausgerichtet ist, und der zweite Durchgangskanal 210b ist auf die zweite Spirale 38b ausgerichtet ist, wodurch der Abgaseinlass 34 vollständig geöffnet ist und voller Abgasstrom in beide Spiralen 38a, 38b besteht (9). In diesem Modus weisen die zweite Einlassöffnung 122 und die zweite Auslassöffnung 124 zu der Innenfläche 84 des Ventilgehäuses, wodurch kein Abgas durch den zweiten inneren Kanal 120 strömt.
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Bei Betrieb des Turboladers 30 mit Gegendruck ist das Umleitventil 200 in dem Ventilgehäuse 80 bezüglich des Abgaseinlasses 34 so drehausgerichtet, dass der erste Durchgangskanal 210a auf die erste Spirale 38a ausgerichtet ist, und der zweite Durchgangskanal 210 ist auf die zweite Spirale 38b ausgerichtet ist, wodurch reduzierter Abgasstrom in beide Spiralen 38a, 38b besteht (10). In diesem Modus weisen die zweite Einlassöffnung 122 und die zweite Auslassöffnung 124 zu der Innenfläche 84 des Ventilgehäuses, wodurch kein Abgas durch den Bypasskanal 120 strömt.
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Bei Betrieb des Turboladers 30 mit Wastegate-Regelung ist das Umleitventil 200 so drehausgerichtet, dass die zweite Spirale 38b vollständig geschlossen ist, und die erste Spirale 38a wird umgangen. In diesem Modus ist das Umleitventil 200 so ausgerichtet, dass die zweite Einlassöffnung 122 in dem Teil des Abgaseinlasses 34 angeordnet ist, der der ersten Spirale 38a entspricht, um sich stromaufwärts zu dem Motor 12 weisend zu öffnen, die zweite Auslassöffnung 124 ist auf die Bypass-Öffnung 40 des Abgasauslasses 36 ausgerichtet, um sich stromabwärts zu den Nachbehandlungsvorrichtungen 60 weisend zu öffnen, und der zweite innere Kanal 120 definiert einen Turbinen-Bypass-Kanal (11). In diesem Modus weisen die jeweiligen Einlassöffnungen 212a, 212b und Auslassöffnungen 214a, 214b der Durchgangskanäle 210a, 210b zu der Innenfläche 84 des Ventilgehäuses, wodurch kein Abgas durch die Durchgangskanäle 210a, 210b strömt. Durch diese Konfiguration wird das Umleitventil 200 als Turbolader-Wastegate-Ventil betrieben. Insbesondere ist die zweite Spirale 38b vollständig geschlossen, und der Bypasskanal 120 wird zum Umgehen der ersten Spirale 38a verwendet. In diesem Modus tritt kein Abgas in das Turbinenrad 37 ein, und es wird Gegendruck erzeugt, der entweder für AGR oder Motorbremsung verwendet werden kann.
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Obgleich das Umleitventil 200 hierin als ein einziges zylindrisches Element beschrieben wird, das Abgasstrom zu jeder einzelnen Spirale steuert, ist das Umleitventil 200 nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Bei einigen Ausführungsformen kann das Umleitventil 200 zum Beispiel als zwei oder mehr zylindrische Elemente ausgebildet sein, die koaxial sind, entlang der Längsachse 106 im Ventilgehäuse 80 hintereinander angeordnet sind und zur individuellen Steuerung konfiguriert sind. Infolgedessen kann der Abgasdruck innerhalb jeder Spirale unabhängig von der anderen Spirale selektiv erhöht oder verringert werden.
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Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Umleitventil 100, 200 über eine Gestängeanordnung, die eine Aktuatorstange 72 enthält, mit dem Aktuator 70 verbunden. Die Verbindung zwischen dem Umleitventil 100 und dem Aktuator 70 ist jedoch nicht auf diese Anordnung beschränkt. Bei anderen Ausführungsformen kann zum Beispiel ein Drehaktuator oder ein elektronischer Aktuator direkt mit dem Umleitventil 100 verbunden sein, wobei dann auf eine Gestängeanordnung verzichtet werden kann.
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Hierin beschriebene Aspekte können in anderen Formen und Kombinationen ausgestaltet werden, ohne von dem Wesen oder wesentlichen Merkmalen davon abzuweichen. Es versteht sich, dass Ausführungsformen nicht auf die hierin beschriebenen speziellen Details beschränkt sind, die rein beispielhaft angeführt werden, und dass verschiedene Modifikationen und Änderungen innerhalb des Schutzumfangs der folgenden Ansprüche möglich sind.
