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Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbolader für ein Kraftfahrzeug mit einem Bypass- oder Wastegatebetätigungssystem mit einem pneumatisch angetriebenen Bypass- oder Wastegateaktuator.
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Turbolader für Verbrennungsmaschinen mit einem Wastegatesystem sind in der Technik allgemein bekannt. Das Wastegatesystem umfasst ein Wastegate, das über eine Wastegatemechanik zumindest geöffnet und geschlossen werden kann. Ein Stellantrieb für einen Wastegateaktuator des Wastegatesystems kann einen Elektromotor umfassen oder einen pneumatischen Antrieb. Während bei Stellantrieben mit Elektromotor oder Vakuumpumpe eine Lebensdauer der Wastegatemechanik durch Abnutzung nicht wesentlich beeinflusst wird, kann die Lebensdauer eines pneumatischen Stellantriebs mit einem Kolben oder einer Membran aufgrund von durch schnell aufeinander folgende Stellvorgänge in dem pneumatischen Medium auftretender Oszillation merklich herabgesetzt werden.
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Eine Aufgabe kann darin bestehen, einen Turbolader für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, mit einem Wastegatebetätigungssystem das weniger anfällig für Abnutzung oder Beschädigung durch Verschleiß ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Ausführung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, charakterisiert und spezifiziert die Ausführung zusätzlich.
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In der Ansprüchen und der Beschreibung wird im Folgenden durchgängig der Ausdruck „Wastegate” für einen bekannten Bypass, ein bekanntes Abblasventil, respektive ein Laderegelventil eines aufgeladenen Verbrennungsmotors verwendet. Dies erleichtert die Lesbarkeit ohne dabei den Fachmann im Zweifel darüber zu lassen, was gemeint ist.
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Ein Aspekt einer Ausführung betrifft einen Turbolader eines Kraftfahrzeugs mit einem Wastegatesystem mit einem bevorzugt externen Wastegatemechanismus zum Betätigen einer Wastegateklappe und einem Wastegateaktuator zum Verstellen des Wastegatemechanismus. Der Mechanismus umfasst weiterhin ein elektrisches Schaltventil insbesondere ein elektrisches Taktventil und eine Verbindungsleitung für ein Medium, die den Wastegateaktuator mit dem Schaltventil verbindet.
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Die Verbindungsleitung für das Medium und/oder der Einlassstutzen weist wenigstens eine Dämpfervorrichtung auf, die eine Oszillation eines Mediums in der Verbindungsleitung und/oder in dem Wastegateaktuator dämpft.
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Die Dämpfervorrichtung ist die innerhalb der Leitung oder eines Einlassstutzen des Wastegateaktuator angeordnet, wobei die Dämpfervorrichtung eine Querschnittsverengung gegenüber dem Leitungsquerschnitt der Leitung ausbildet, wodurch eine Oszillation eines Fluids in dem Wastegatebetätigungssystem gedämpft ist.
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Bei dem Wastegateaktuator kann es sich um einen Stellantrieb für das Wastegate handeln. Der Wastegateaktuator kann einen Stellzylinder und eine im Stellzylinder elastisch verformbare Membran oder linear beweglichen Kolben umfassen, wobei die elastisch verformbare Membran fest mit einer Innenwand des Zylinders verbunden sein kann.
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Der Stellantrieb respektive die Membran ist über die Verbindungsleitung mit einem Auslass des Schaltventils verbunden, das den Zufluss eines Mediums zu der Membran des Stellzylinders regelt. Das heißt, das Schaltventil kann den Wastegateaktuator mit einer Quelle für das Medium verbinden oder von der Mediumquelle trennen. Im verbundenen Zustand wirkt das Medium auf die elastische Membran, sodass die Membran innerhalb des Stellzylinders linear bewegt werden kann respektive die Membran in Richtung einer Längsachse des Stellzylinders elastisch verformt werden kann.
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Der Wastegateaktuator kann weiterhin ein Federelement aufweisen, das die Membran in eine Position drückt, in der die Wastegateklappe geschlossen oder geöffnet ist.
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Die Membran ist mit einem Gestänge verbunden, das wiederum mit der Wastegateklappe verbunden ist. Bei dem Gestänge kann es sich um eine starre Verbindungsstange handeln, sodass eine Bewegung der Membran des Wastegateaktuators unmittelbar in eine Bewegung der Wastegateklappe umgesetzt wird.
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Der Wastegatemechanismus kann aber auch so ausgebildet sein, dass die Bewegung der Membran des Wastegateaktuators in eine größere oder kleinere Bewegung der Wastegateklappe umgesetzt, das heißt, übersetzt oder untersetzt wird.
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Bei dem elektrischen Schaltventil handelt es sich um ein Taktventil, das mit einem PWM-Signal (pulse width modulated) arbeitet. Ein typischer Wert für die Frequenz eines solchen Signals ist zum Beispiel 32 Hz. Es können aber auch Schaltventile mit unterschiedlichen Schaltfrequenzen benutzt werden. Das elektrische Schaltventil ist mit einer Leitung verbunden, die dem Kompressor Luft zum Beispiel aus der Umgebung zuführt, und mit einer Leitung, die die im Kompressor komprimierte Luft zu einem weiteren Aggregat führt. Das elektrische Schaltventil kann in Abhängigkeit der beiden unterschiedlichen Drücke in den Leitungen eine Luftzufuhr zu dem Wastegateaktuator öffnen oder schließen.
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Das Arbeitsprinzip des Ventils führt dazu, dass die Frequenz des elektrischen Signals auch als eine Oszillationsfrequenz einer gefangenen Luftsäule auf den pneumatischen Wastegateaktuator des Wastegatemechanismus wirken kann. Daraus folgt, dass die Wastegatemechanik des Wastegates an seinen Verbindungs- und Befestigungspunkten mit einer Frequenz oszilliert, die im Wesentlichen der Frequenz des elektrischen Signals entspricht. Diese Schwingungen führen dazu, dass an dem Wastegatemechanismus ein erhöhter Verschleiß auftritt, was zu einem höheren Inspektionsaufwand und Beschädigungen von zumindest Teilen des Wastegatemechanismus führen kann.
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Wird dieser Verschleiß an dem Wastegatemechanismus verhindert, so kann eine Minderung der Motorleistung, eine Erhöhung des Verbrauchs an Verbrennungsstoff, sowie ein Anstieg von CO2 in einem Abgasstrom des Kraftfahrzeugs verhindert werden.
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Diese extensive Beanspruchung von Teilen des Wastegatemechanismus soll durch den Einsatz der oben genannten Dämpfungsvorrichtung verringert oder verhindert werden.
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Bei der Dämpfungsvorrichtung kann es sich um eine Blende handeln, die im Bereich der Verbindung der Verbindungsleitung mit dem Einlassstutzen gebildet ist.
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Der Einlassstutzen kann mit einem Schlauch, insbesondere einem flexiblen Schlauch, mit dem Taktventil verbunden sein. Dabei kann eine Ende des Schlauchs über den Einlassstutzen geschoben oder in den Einlassstutzen eingeschoben werden, sodass der Schlauch dicht an einer Außenseite oder einer Innenseite des Einlassstutzens anliegt. Wenn der Schlauch in den Einlassstutzen eingesteckt werden soll, kann der Schlauch an einem Ende einen Einsteckabschnitt aufweisen, der relativ verbiegungssteif ist und einen kleineren Innendurchmesser aufweist, als der übrige Schlauch. Die Verbindung des Schlauchs mit dem Einlassstutzen kann mit bekannten Mitteln gesichert werden, um ein Lösen der Verbindung über die Zeit durch zum Beispiel Motorvibrationen zu verhindern.
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Am Übergang des Schlauchs in den Einlassstutzen kommt es zu einer Verengung eines Durchflussquerschnitts für die vom Taktventil zum Aktuator anstehende Luftsäule. Der Grad der Verengung wird entweder durch die Dicke der Umfangswand des Einlassstutzens bestimmt, wenn der Schlauch auf den Auslassstutzen aufgeschoben wird, oder durch die Schlauchmaße, wenn der Schlauch mit dem Einsteckabschnitt in den Einlassstutzen eingesteckt wird. Am Beginn der Verengung kann die zwischen dem Taktventil und einer Luftkammer des Wastegateaktuators anstehende Luftsäule in zwei Luftsäulen unterschiedlichen Querschnitts aufgeteilt werden, wodurch bereits eine minimale Dämpfung der oszillierenden Luft bewirkt wird. Ein Maß der Querschnittsverengung kann auf die Frequenz der Oszillation abgestellt werden, sodass durch die Blende eine maximale Dämpfung erreicht wird.
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Bei der Blende kann es sich um eine vollumfängliche oder nur partielle Verringerung eines Innendurchmessers des Einsteckabschnitts des Schlauchs oder des Einlassstutzens des Wastegateaktuators handeln.
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Auch ein Einlassstutzen mit einer Verformung, zum Beispiel einer mechanischen Einkerbung die zu einer Querschnittsveränderung des Einlassstutzen-Innendurchmessers führt, kann die Blende bilden.
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Schließlich kann die Blende auch durch ein separates Bauteil gebildet sein, das in die Leitung und/oder in den Einlassstutzen eingeführt und dort befestigt wird und die Durchflussquerschnittsfläche der Leitung oder des Einlassstutzens verändert
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Durch den dauerhaften formbedingten Ausgleich des Über- und Unterdrucks in der Verbindungsleitung kann die Oszillation des Mediums in der Leitung und dem Einlassstutzen gedämpft werden. Dies führt zu einer Dämpfung der Oszillation von zumindest Teilen des Wastegatemechanismus. Das wiederum reduziert den Verschleiß an Verbindungsteilen des Wastegatemechanismus und/oder deren Lagern oder Halterungen, wodurch die Gefahr eines Schadens an dem Wastegatemechanismus reduziert und ein Lebenszyklus des Wastegatemechanismus erhöht werden kann.
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Die vorgeschlagene Dämpfungsvorrichtung kann kostengünstig verwirklicht und nachträglich ohne großen Aufwand in das Wastegatesystem eines bereits verbauten Turboladers eingebracht werden. Vorteilhaft ist dabei, dass kein zusätzlicher Platzbedarf am Einbauort der Dämpfungsvorrichtung besteht und die Dämpfungsvorrichtung nicht mit einer Motorsteuerung oder einer anderen Regelung verbunden werden muss.
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Der Wastegatemechanismus kann mit dem Wastegateaktuator und einem Wastegatebetätigungselement verbunden sein, sodass der Wastegateaktuator über den Wastegatemechanismus einen Öffnungsgrad der Wastegateklappe einstellen kann. Der Wastegatemechanismus umfasst die Verbindungsstange, die den Kolben des Wastegateaktuators mit der Stellvorrichtung der Wastegateklappe verbindet. Die Verbindungsstange kann aus einem Teil bestehen oder aus zwei Teilen respektive Teilverbindungsstangen, die ineinander teleskopiert oder geschraubt werden können. Dadurch kann eine Länge der Verbindungsstange eingestellt werden, um zum Beispiel Fertigungs- und/oder Einbautoleranzen des Wastegatesystems bei der Endmontage ausgleichen zu können. In der eingestellten Länge können die beiden Teilverbindungsteilstangen zum Beispiel mechanisch durch eine Feststellschraube oder mit einem entsprechenden Adhäsionsmittel fest verbunden werden, sodass die eingestellte Länge der Verbindungsstange durch Vibrationen und andere Erschütterungen im Fahrbetrieb nicht verändert werden kann.
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Ein weitere Aspekt betrifft ein externes Wastegatebetätigungssystem für einen Turbolader eines Verbrennungsmotors insbesondere eines Kraftfahrzeugs, der dem auf den vorgehenden Seiten ausführlich beschrieben Wastegatebetätigungssystem für den Turbolader im Wesentlichen entspricht, insbesondere eine einen Wastegateaktuator und ein elektrisches Stellventil verbindende Leitung mit wenigstens einer Blende umfasst.
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Für die gesamte Beschreibung und die Ansprüche gilt, dass der Ausdruck „ein” als unbestimmter Artikel benutzt wird und die Anzahl von Teilen nicht auf ein einziges beschränkt. Sollte „ein” die Bedeutung von „nur ein” haben, so ist dies für den Fachmann aus dem Kontext zu verstehen oder wird durch die Verwendung geeigneter Ausdrücke wie zum Beispiel „ein einziger” eineindeutig offenbart.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1: Turbolader Wastegatesystem Prinzipskizze,
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2: Detailansicht des Wastegateaktuators mit der Dämpfungsvorrichtung, und
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3: Explosionszeichnung eines Wastegatemechanismus.
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In den Figuren sind gleiche oder funktional gleichwirkende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In der 1 ist eine Prinzipskizze eines Wastegatesystems 1 gezeigt, mit einem Wastegateaktuator 2, einem Kompressor 3, einer Turbine 4, einem elektrischen Taktventil 5 und einem Wastegate 6 mit einer Wastegateklappe 7 und einem Wastegatemechanismus 8.
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Der Kompressor 3 und die Turbine 4 sind über eine Achse 9 drehfest miteinander verbunden. Dem Kompressor 3 wird über eine Leitung L1 Luft, zum Beispiel Luft aus der Umgebung, zugeführt. Die Leitung L1 weist eine Abzweigung L11 auf, die einen Teilstrom der dem Kompressor 3 zugeführten Luft dem elektrischen Taktventil 5 zuführt.
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Die vom Kompressor 3 komprimierte Luft wird über eine Leitung L2 einem nicht gezeigten Mischer zugeführt, in dem die komprimierte Luft mit einem zerstäubten Kraftstoff gemischt und das Gemisch in die Brennräume der Zylinder des Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Die Leitung L2 weist eine Abzweigung L22 auf, über die ein Teilstrom der im Kompressor 3 komprimierten Luft dem elektrischen Taktventil 5 zugeführt wird. Das Verbrennungsgas wird nach der Zündung im Verbrennungsraum durch die Leitung L3 der Turbine 4 zugeführt und von dort über die Leitung L4 an eine weiteres Aggregat oder den Auspuff und den Katalysator abgegeben.
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Die Leitung L3 weist eine Öffnung auf, die von der Wastegateklappe 7 geöffnet und verschlossen werden kann. Bei geöffneter Wastegateklappe 7 verbindet das Wastegate 6 die Leitung 3 direkt mit der Leitung 4, sodass ein Teilstrom der Verbrennungsluft unter Umgehung der Turbine 4 direkt in die Leitung 4 gelangen kann. Dadurch wird ein Luftmassenstrom zur Turbine 4 vermindert, was zu einer verminderten Antriebsenergie für die Turbine 4 führt, wodurch eine Drehgeschwindigkeit der Turbine 4 und des Kompressors 3 abgebremst wird. Die Wastegateklappe 7 ist über den Wastegatemechanismus 8 mit dem Wastegateaktuator 2 verbunden. Der Wastegateaktuator 2 bildet somit den Stellantrieb für die Wastegateklappe 7 und wird von dem elektrischen Taktventil 5 gesteuert. Bei dem Wastegateaktuator 2 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um einen pneumatischen Aktuator, der von einem Zylinder 2a und einem im Zylinder linear beweglichen Membran 2b gebildet wird. Die Membran ist durch ein Federelement 2c in eine Position vorgespannt, in der der mit der Membran 2b verbundener Wastegatemechanismus 8 die Wastegateklappe 7 geschlossen hält.
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Das elektrische Taktventil 5 kann abhängig vom Verhältnis des Drucks der vom Kompressor 3 angesaugten Luft zu dem Druck der im Kompressor 3 komprimierten Luft eine Leitung L5 zu dem Wastegateaktuator 2 öffnen oder schließen. Bei geöffneter Leitung L5 wird die Membran 2b in dem Zylinder 2a linear gegen eine Federkraft des Federelements 2a bewegt und dadurch über den Wastegatemechanismus 8 die Wastegateklappe 7 geöffnet. Bei geschlossener Leitung L5 wird die Membran 2b durch das Federelement 2c zurück in seine Ausgangsstellung gedrückt und dadurch die Wastegateklappe 7 von dem Wastegatemechanismus 8 geschlossen.
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Die Leitung L5 bildet gemeinsam mit dem Einlassstutzen 2d einen Dämpfer 10 in Form einer Blende 10. An der Blende 10, das heißt, an dem Übergang der Leitung L5 in den Einlassstutzen 2d, verengt sich ein Durchflussquerschnitt für in der Leitung L5 zum Einlassstutzen 2d fließende Luft, respektive erweitert sich der Durchflussquerschnitt für aus dem Wastegateaktuator 2 zurück in die Leitung L5 fliesende Luft.
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Diese plötzliche Durchflussquerschnittsänderung bewirkt eine Dämpfung einer Oszillation der zwischen dem Taktventil 5 und der Membran 2b gefangenen Luft.
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In der 2 ist im Detail der Anschluss der Leitung L5 an den Wastegateaktuator 2 gezeigt, mit der durch die Verbindung gebildete Blende 10. Die Blende 10 kann auch ein separates Element sein, das in die Leitung L5 und/oder den Einlassstutzen 2d des Wastegateaktuators 2 eingesetzt wird.
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Eine ungedämpfte Übertragung der durch das elektrische Schaltventil 5 induzierten Schwingungen auf dem Wastegatemechanismus 8 führt zu einem erhöhten Verschleiß von Teilen des Wastegatemechanismus 8 und erhöht damit die Anfälligkeit des Wastegatesystems 1 für Störungen oder Ausfall. Durch die Dämpfung wird die Anfälligkeit des Wastegatesystems 1 für Störungen merklich reduziert und Wartungsintervalle für den Wastegatemechanismus 8 können verlängert werden. Dies führt insgesamt zu einer Reduzierung der Kosten und einer Verbesserung der Zuverlässigkeit des Verbrennungsmotors.
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In der 3 ist ein beispielhafter Wastegatemechanismus 8 in einer Explosionszeichnung gezeigt. Der Wastegatemechanismus 8 umfasst eine Kolbenstange 8a, die mit der Membran 2b des Wastegateaktuators 2 fest verbunden ist. Die Kolbenstange 8a kann aus zwei ineinander teleskopierbaren Teilkolbenstangen 8a1 und 8a2 bestehen, sodass die Länge der Kolbenstange 8a an die konkreten Einbaubedingungen angepasst werden kann.
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Die Kolbenstange 8a weist an ihrem der Membran 2b abgewandten Ende eine Öffnung auf, in die eine Pin 8b eines Verbindungselements 8c eingesteckt werden kann. Der Pin 8b und die Öffnung am Ende der Kolbenstange 8a bilden ein Drehgelenk, in dem das Verbindungselement 8c relativ zu der Kolbenstange 8a horizontal verschwenkt werden kann. Das Verbindungselement 8c weist weiterhin eine Buchse 8d auf, die drehfest mit dem Verbindungselement verbunden ist und die eine Aufnahme und ein Lager für einen Halter 7a der Wastegateklappe 7 bildet. Der Halter 7a wird in der Buchse 8d verdrehsicher gehalten und ist mit der Wastegateklappe 7 fest verbunden, sodass die Wastegateklappe 7 jede Bewegung des Halters 7a mitmacht. Die Buchse 8d ist zum Beispiel in einer Wand der nicht gezeigten Leitung L3 so gehalten, dass sie in der Wand um eine Hochachse H verdreht aber linear weder in Richtung der Hochachse H noch quer dazu bewegt werden kann.
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Das heißt, dass wenn die Kolbenstange 8a durch die Membran 2b linear bewegt wird, das mit der Kolbenstange 8a drehbar verbundene Verbindungselement 8c ebenfalls linear verschoben und gleichzeitig um den Pin 8b verschwenkt wird. Zusammen mit dem Verbindungselement 8c wird auch die drehfest mit dem Verbindungselement 8c verbundene Buchse 8d in der Wand der Leitung L3 verschwenkt und dadurch die mit der Buchse 8d drehfest verbundene Wastegateklappe 7 geöffnet oder verschlossen.
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Gleichwohl in der vorangegangenen Beschreibung einige mögliche Ausführungen der Erfindung offenbart wurden, versteht es sich, dass zahlreiche weitere Varianten von Ausführungen durch Kombinationsmöglichkeiten aller genannten und ferner aller dem Fachmann naheliegenden technischen Merkmale und Ausführungsformen existieren. Es versteht sich ferner, dass die Ausführungsbeispiele lediglich als Beispiele zu verstehen sind, die den Schutzbereich, die Anwendbarkeit und die Konfiguration in keiner Weise beschränken. Vielmehr möchte die vorangegangene Beschreibung dem Fachmann einen geeigneten Weg aufzeigen, um zumindest eine beispielhafte Ausführungsform zu realisieren. Es versteht sich, dass bei einer beispielhaften Ausführungsform zahlreiche Änderungen bezüglich Funktion und Anordnung der Elemente vorgenommen werden können, ohne den in den Ansprüchen offenbarten Schutzbereich und dessen Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wastegatesystem
- 2
- Wastegateaktuator
- 2a
- Zylinder
- 2b
- Membran
- 2c
- Federelement
- 2d
- Einlassstutzen
- 2e
- Luftkammer
- 3
- Kompressor
- 4
- Turbine
- 5
- elektrisches Taktventil, Schaltventil
- 6
- Wastegate
- 7
- Wastegateklappe
- 7a
- Halter
- 8
- Wastegatemechanismus
- 8a
- Kolbenstange
- 8a1
- Teilkolbenstange
- 8a2
- Teilkolbenstange
- 8b
- Pin
- 8c
- Verbindungselement
- 8d
- Buchse
- 9
- Achse
- 10
- Blende
- L1
- Leitung
- L11
- Abzweigung
- L2
- Leitung
- L22
- Abzweigung
- L3
- Leitung
- L4
- Leitung
- L5
- Leitung, Verbindungsleitung
- H
- Hochachse
