DE19649152C1 - Vorrichtung zur Ansteuerung eines Abgasventiles bei Turbomotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteue­ rung eines Abgasventiles bei Turbomotoren, wobei das Abgasventil in Offenstellung eine Kurzschlußleitung unter Umgehung einer Abgasturbine zu einem nachge­ schalteten Katalysator freigibt.

Es ist allgemein bekannt bei Abgasturboladern durch eine Kurzschlußleitung, auch Wastegate-Kanal genannt, die Abgasturbine zu umgehen, um den Abgasstrom oder wenigstens einen Teil davon an der Turbine vorbeiströ­ men zu lassen. Der Durchfluß durch die Kurzschlußlei­ tung wird durch ein Abgasventil in Abhängigkeit vom Druck in einer Druckdose geregelt. Hauptzweck der Kurzschlußleitung ist es bei einem hohen Druck einen Bypass zur Abgasturbine zu schaffen, um Schäden zu vermeiden.

Aus der DE 39 35 093 C2 ist eine Einrichtung zur Steuerung der Abgasrückführmenge an einer Brennkraft­ maschine bekannt, wobei eine Abgasrückführleitung von einer Abgasleitung zu einer Einlaßleitung abzweigt.

Das Abgasrückführventil besitzt hierzu einen pneumati­ schen Steuerantrieb, wobei die Verstellung in Abhän­ gigkeit von der Druckbeaufschlagung des Ventiles er­ folgt. Bei der vorbekannten Einrichtung sollen Stör­ einflüsse in der Ansaug- und der Abgasleitung ausge­ schlossen werden. Hierzu erfolgt eine entsprechende Regelung in unterschiedliche bzw. zueinander entgegen­ gerichtete Stellrichtungen.

In der DE-AS 25 49 959 ist eine weitere Einrichtung zur zweistufigen Rückführung von Auspuffgasen einer Brennkraftmaschine im Teillastbetrieb beschrieben. Dabei sind das Auspuffsystem und das Einlaßsystem der Brennkraftmaschine über eine von einem Regelventil beherrschte Leitung miteinander verbunden. Das Regel­ ventil besitzt eine federbelastete erste und eine zweite Membran, die unterschiedlich große Wirkflächen aufweisen und ein Gehäuse in drei Kammern unterteilen. Die erste von der ersten Membran begrenzte Kammer ist mit der Ansaugleitung knapp stromauf der geschlossenen Drosselklappe und damit knapp stromab der teilweise geöffneten Drosselklappe verbunden. Die zweite, von den beiden Membranen begrenzte Kammer ist stromab des ersten Anschlusses an die Ansaugleitung angeschlossen. Die von der zweiten Membran begrenzte dritte Kammer steht mit der Atmosphäre in ständiger Verbindung, wo­ bei die beiden Membranen über eine Stange mit dem Ven­ tilverschlußglied des Regelventils verbunden sind. Die Wirkfläche der ersten Membran ist kleiner als diejeni­ ge der zweiten Membran. Der Anschluß der zweiten Kam­ mer an die Ansaugleitung ist ebenfalls knapp stromauf der geschlossenen und knapp stromab der teilweise ge­ öffneten Drosselklappe angeordnet.

Nachteilig dabei ist jedoch, daß mit der beschriebenen Vorrichtung eine Ansteuerung des Regelventiles nur bei Vorliegen eines Unterdruckes bzw. eines Vakuums in der zweiten Kammer technisch durchführbar ist.

Durch das eingangs erwähnte Abgasventil soll anders als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Venti­ len keine Steuerung einer Abgasrückführmenge vorgenom­ men werden, sondern durch dieses Ventil soll eine Um­ gehung der Abgasturbine erreicht werden.

Neben der Umgehung der Abgasturbine bei einem zu hohen Druck wäre jedoch auch die Umgehung der Abgasturbine im Kaltstartbetrieb von Vorteil, um den Katalysator möglichst schnell auf Betriebstemperatur zu bringen. Bei einer Umgehung der Abgasturbine kann das Abgas den Katalysator mit höherer Temperatur erreichen. Zu die­ sem Zeitpunkt liegt jedoch kein Überdruck im Ansaugsy­ stem vor, sondern in der Regel Unterdruck, so daß das bekannte Abgasventil zur Öffnung der Kurzschlußleitung nicht geeignet ist. Zur Lösung dieses Problems könnte eine weitere Kurzschlußleitung vorgesehen werden, die durch ein gesondertes Ventil bei Kaltstartbetrieb ge­ öffnet wird. Dies würde jedoch einen entsprechend ho­ hen Aufwand bedeuten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaf­ fen, bei der eine einzige Kurzschlußleitung zur Umge­ hung einer Abgasturbine sowohl bei Überdruck als auch bei Unterdruck geöffnet werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in An­ spruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß wird nun mit der mit einer zweiten Membrane versehenen Druckdose eine gemeinsame Stell­ funktion erreicht und zwar in die gleiche Stellrich­ tung sowohl bei Auftreten von Überdruck als auch von Unterdruck. Dabei ist nur eine Druckzuleitung und auch nur eine Druckkammer vorgesehen, wobei unabhängig da­ von, ob in der Druckkammer Unterdruck oder Überdruck herrscht, zum Öffnen des Abgasventiles stets eine Stellbewegung in die gleiche Richtung vorgenommen wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen erge­ ben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfol­ gend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 Gesamtdarstellung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung nebst Luft- und Abgasführung der Brennkraftmaschine und

Fig. 2 die erfindungsgemäße Druckdose im Schnitt.

Die nachfolgend in ihrem Aufbau erläuterte Vorrichtung wird in eine in der Fig. 1 dargestellte Einrichtung zur Steuerung von Frischluft zu einem Motor 1 zur Ab­ gasabführung und Abgasrückleitung eingebaut, wobei die Gesamtvorrichtung grundsätzlich von bekannter Bauart ist, weshalb nachfolgend nur auf die für die Erfindung wesentlichen Teile näher eingegangen wird.

Die wesentlichen Teile zum Betrieb des Motores 1 be­ züglich Frischluftzufuhr und Abgasableitung beinhalten eine Frischluftleitung 2, in der sich ein Verdichter 3 und ein Ladeluftkühler 4 befinden. Die Frischluft wird einem Saugrohr 5 über den Verdichter 3 zugeführt, so­ fern nicht eine Umgehung gesteuert über eine Steuer­ leitung 7 und einem 2/2-Wegeventil 25 mit einem Schub­ umluft-Ventil 6 vorgesehen ist. Von dem Saugrohr 5 gelangt Frischluft über eine Motorzuleitung 8 zu dem Motor 1. Von dem Motor 1 bzw. den Kolbenräumen des Motores führt eine Abgasleitung 9 zu einer Abgasturbi­ ne 10, der ein in einem Abgasrohr 11 angeordneter Ka­ talysator 12 nachgeschaltet ist. Durch eine Kurz­ schlußleitung 13 läßt sich die Turbine 10, die im Ab­ gassystem zwischen der Abgasleitung 9 und dem Abgas­ rohr 11 angeordnet ist, umgehen. Ein Abgasventil 14 öffnet oder schließt die Kurzschlußleitung 13. Durch eine Vorrichtung 15 in Form einer Druckdose wird das Abgasventil 14 angesteuert. Die Druckdose 15 weist eine Druckkammer 16 auf, die mit einer Ladedruckrege­ lungsleitung 17 verbunden ist, welche über ein 3/3-Wege­ ventil 18 und eine Zweigleitung 19 mit der Frisch­ luftleitung 2 verbunden ist. Von der Ladedruckrege­ lungsleitung 17 zweigt eine Unterdruckansteuerungslei­ tung 17a ab. In der Unterdruckansteuerungsleitung 17a befinden sich ein 2/2-Wegeventil 20 und ein Rück­ schlagventil 21. Die Unterdruckansteuerungsleitung 17a mündet wieder in das Saugrohr 5. Das 2/2-Wegeventil 20 wird über eine Steuerleitung 22 von einer Motorelek­ tronik 23 gesteuert. Ebenso wird über eine Steuerlei­ tung 24 das 3/3-Wegeventil 18 in der Ladedruckrege­ lungsleitung 17 angesteuert. Zusätzlich befindet sich ein 2/2-Wegeventil 25 in der Steuerleitung 7. Das 2/2-Wegeventil 25 wird ebenfalls von der Motorelektronik 23 angesteuert.

Die Druckkammer 16 ist umfangsseitig durch das Gehäuse der Druckdose 15 und an beiden Stirnseiten durch eine Unterdruckmembrane 26 und eine Überdruckmembrane 27 abgeschlossen. Eine Stellstange 28 stellt die Verbin­ dung zu dem Abgasventil 14 her.

Der genaue Aufbau der Druckdose 15 ist aus der Fig. 2 deutlicher ersichtlich. Die Umfangswand der Druckdose 15 besitzt eine Kegelstumpfform, wobei die Unterdruck­ membrane 26 als Abschluß der Druckkammer 16 im Bereich des größeren Durchmessers und die Überdruckmembrane 27 als Abschluß der Druckkammer 16 im Bereich des kleine­ ren Durchmessers angeordnet ist. Durch die damit un­ terschiedlich großen Membrane wird ein druckdichter Abschluß der Druckkammer 16 erreicht. Die Druckdose 15 weist auf der Seite mit dem größeren Durchmesser einen Deckel 29 mit einem Anschlag 30 zur Wegbegrenzung der größeren Unterdruckmembrane 26 und einer Öffnung 31 auf. Die Öffnung 31 kann ins Freie führen oder mit einer Steuerdruckleitung 32 verbunden sein. Zwischen dem Deckel 29 und der Unterdruckmembrane 26 wird auf diese Weise ein Ausgleichsraum 33 geschaffen.

Auf der von der Druckkammer 16 abgewandten Seite der kleineren Überdruckmembrane 27 befindet sich zu ihrer Abstützung ein Membranfederteller 34, an dem sich gleichzeitig auch auf dessen Rückseite eine Feder für Federdruckvorspannung abstützt. Die Feder 35 stützt sich auf der von dem Membranfederteller 34 abgewandten Seite an einem Gehäuseteil ab, das bei dem Ausfüh­ rungsbeispiel durch eine Einstellmutter 36 gebildet ist. Die Einstellmutter 36 ist über eine Gewindever­ bindung mit dem Gehäuse der Druckdose 15 verbunden. Durch die Gewindeverbindung läßt sich die Federvor­ spannung der Feder 35 ein- oder nachstellen.

Der Membranfederteller 34 und die Überdruckmembrane 27 stützen sich an einem Anschlag 37 in der Gehäusewand im Bereich ihres äußeren Umfanges ab. Gleichzeitig ist die Unterdruckmembrane 27 an dieser Stelle am Umfang eingespannt.

Mit der Unterdruckmembrane 26 ist eine Schubstange 38 fest verbunden, welche sich durch die Druckkammer 16 erstreckt und bis zur Überdruckmembrane 27 reicht. Die Schubstange 38 ist in einer Schubstangenführungshülse 39 axial verschieblich geführt. Die Schubstangenfüh­ rungshülse 39 wiederum ist fest mit der Überdruckmem­ brane 27 verbunden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung funktioniert nun auf folgende Weise:
Bei Druckbeaufschlagung der Druckkammer 16 aus der Ladedruckregelungsleitung 17 mit einem Mindestüber­ druck wird die Überdruckmembrane 27 mit der daran be­ festigten Schubstangenführungshülse 39 gegen die Rück­ stellkraft der Feder 35 in Stellrichtung, d. h. in Pfeilrichtung 40 ausgelenkt, womit das Abgasventil 14 öffnet und damit die Kurzschlußleitung 13 zur Umgehung der Abgasturbine 10 freigibt. Die Schubstangenfüh­ rungshülse 39 wird dabei aus ihrer Anschlagposition zur Schubstange 38 herausgehoben. Die Unterdruckmem­ brane 26, mit der an ihr befestigten Schubstange 38, liegt mit einer Versteifung 42 an dem Anschlag 30 an und wird somit nicht ausgelenkt. Dies bedeutet sie ist bei Überdruck in der Druckkammer 16 nicht wirksam.

Die Relation zwischen einer Überdruckbeaufschlagung der Druckkammer 16 und dem Stellweg der Stellstange 28 bzw. der Stellkraft läßt sich durch eine entsprechende Abstimmung der Flächengröße der Überdruckmembrane 27 und der Federkraft verändern. Hierzu kann auch die Einstellmutter 36 entsprechend in ihrer Lage verstellt werden.

Wird in die Druckkammer 16 Unterdruck eingegeben, z. B. im Kaltstartbetrieb, in welchem das 2/2-Wegeventil 20 den Durchgang durch die Unterdruckansteuerungsleitung 17a freigibt und das 3/3-Wegeventil 18 beidseitig ge­ schlossen ist, so wirkt auf die unterschiedlich großen Membranflächen der Unterdruckmembrane 26 und der Über­ druckmembrane 27 von außen ein gleich großer Umge­ bungsdruck ein. Hierzu ist nämlich nicht nur der Aus­ gleichsraum 33 über die Öffnung 31, sondern auch ein Federraum 41 durch einen entsprechenden Spalt in der Einstellmutter 36 mit der Umgebung verbunden. Beide Membrane wölben sich nach innen. Die Schubstange 38 und die Schubstangenführungshülse 39 werden damit auf Anschlag gepreßt. In Folge der größeren Membranfläche der Unterdruckmembrane 26 wird jedoch eine resultie­ rende Stellkraft in Pfeilrichtung 40 gegen die Kraft der Feder 35 erreicht. Übersteigt die Stellkraft nach Erreichen einer Mindestdruckdifferenz zwischen Umge­ bungsdruck und dem Unterdruck in der Druckkammer 16 die Federkraft, so wird die Feder 35 zusammengedrückt und die Stellstange 28 in Stellrichtung 40 verschoben. Damit liegt die gleiche Stellrichtung vor wie bei ei­ nem Auftreten von Überdruck. Dies bedeutet, daß auch bei einem Auftreten von Unterdruck das Abgasventil 14 öffnet und somit zur schnelleren Aufheizung des Kata­ lysators 12 im Anfahrbetrieb eine Umgehung der Ab­ gasturbine 10 herstellt.

Anstelle einer vollständigen Umgehung der Abgasturbine 10 durch eine Abgasströmung über die Kurzschlußleitung 13 können selbstverständlich auch Teilströmungen vor­ gesehen sein.

Bei einer Druckregelung der Druckdose 15 mit Überdruck taktet das Ventil 18 zwischen Durchgang und Umgebung, während das Ventil 20 geschlossen ist.

Der Membranfederteller 34 hat eine Doppelfunktion, nämlich zum einen dient er als Abstütz- bzw. Auflage­ fläche für die Überdruckmembrane 27 und zum anderen als Anlagefläche für die Feder 35. Ist der Ausgleichs­ raum 33 über die Öffnung 31 nicht mit der Umgebung verbunden, sondern mit einer Steuerdruckleitung 32, so kann das Abgasventil 14 auch auf andere Weise geregelt werden bzw. lassen sich damit andere Druckverhältnisse zum Öffnen des Abgasventiles 14 einstellen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Ansteuerung eines Abgasventiles (14) bei Turbomotoren, wobei das Abgasventil (14) in Offenstellung eine Kurzschlußleitung (13) un­ ter Umgehung einer Abgasturbine (10) zu einem nachgeschalteten Katalysator (12) freigibt, wo­ bei:

• 1.1 eine mit einer Druckkammer (16) und wenig­ stens einer Membrane (27) gebildete Druckdo­ se (15) vorgesehen ist, die einen Druckan­ schluß (17) aufweist,
• 1.2 die Membrane (27) auf eine Stellstange (28) für das Abgasventil (14) wirkt und eine die Membrane (27) vorspannende Feder (35) vorge­ sehen ist,
• 1.3 in der Druckdose (15) eine zweite Membrane (26) angeordnet ist,
• 1.4 die Druckkammer (16) auf gegenüberliegenden Seiten jeweils durch eine Membrane (26, 27) und umfangsseitig durch das Gehäuse der Druckdose (15) abgeschlossen ist,
• 1.5 die beiden Membrane (26, 27) unterschiedliche Durchmesser aufweisen und die größere Mem­ brane (26) direkt oder über Zwischenglieder mit einer Schubstange (38) und die kleinere Membrane (27) direkt oder über Zwischenglie­ der mit der Stellstange (28) verbunden ist,
• 1.6 bei Unterdruck in der Druckkammer (16) die größere Membrane (26) über die Schubstange (38) auf die kleinere Membrane (27) gedrückt ist,
• 1.7 bei Überdruck in der Druckkammer (16) die kleinere Membrane (27) auf die Stellstange (28) gedrückt ist, und
• 1.8 die kleinere Membrane (27) zwischen der grö­ ßeren Membrane (26) und dem Abgasventil (14) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinere Membrane (27) auf der zu der größe­ ren Membrane (26) gerichteten Seite mit einer Schubstangenführungshülse (39) versehen ist, in der die Schubstange (38) geführt ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellstange (28) mit einem Membranfederteller (34) versehen ist, an dem die kleinere Membrane (27) anliegt, wobei zwischen dem Membranfedertel­ ler (34) und einem von dem Membranfederteller (34) abgewandten Gehauseteil (36) der Druckdose (15) die Feder (35) gespannt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil durch eine Einstellmutter (36) zur Federdruckvoreinstellung gebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Membranfederteller (34) an einem Gehäusean­ schlag (37) anliegt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdose (15) auf der von der Druckkammer (16) abgewandten Seite der größeren Membrane (26) einen Druckausgleichsraum (33) aufweist, der mit einer Auslaßöffnung (31) versehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Druckausgleichsraum (33) ein Anschlag (30) für die größere Membrane (26) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (31) mit dem Umgebungsdruck beaufschlagt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (31) mit einer Steuerdrucklei­ tung (32) verbunden ist.