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Die Erfindung betrifft Wastegate-Drehschieber, ein Turbinengehäuse und einen Abgasturbolader nach Anspruch 1, 10 bzw. 12.
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Im Stand der Technik sind Abgasturbolader bekannt, bei denen die Turbine regelbar ist, indem ein Teil des ankommenden Abgases an der Turbine vorbeigeleitet wird. Dazu werden als Stellorgane nach dem Stand der Technik einstellbare Klappen eingesetzt, mit denen ein Wastegate-Bypass in einstellbarem Ausmaß verschließbar ist. Ein Nachteil einer solchen Klappe ist, dass sie strömungstechnisch ungünstig ist, was insbesondere dazu führt, dass die Strömung die Klappe zu Schwingungen anregt, welche sich auch auf deren Stellorgane übertragen. Dadurch ergibt sich ein Verschleiß an Stellorganen und Lagerstellen der Klappe. Die Schwingungen treten insbesondere bei einer halb geöffneten Klappenstellung auf. Außerdem sind hochwarmfeste Werkstoffe, für eine Dichtwirkung aufeinander abgestimmte Oberflächen und komplexe Geometrien erforderlich, welche hohe Bauteilkosten verursachen. Häufig umfassen die Klappe und ihre Lagerung viele Teile, welche bei der Herstellung miteinander verbunden werden müssen. Aktuatoren und Koppelelemente müssen hohe Kräfte übertragen und gegen Schwingungs-Reibverschleiß ausgelegt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiges und vereinfachtes Stellelement zur Verteilung von Abgas auf eine Turbine und/oder einen Wastegate-Bypass zu schaffen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Der erfindungsgemäße Wastegate-Drehschieber ist einfach aufgebaut und kostengünstig. Er hat nur wenige Einzelteile und nur wenige bewegte Teile. Das Bauvolumen ist gering. Der Wastegate-Drehschieber kann so ausgelegt werden, dass er ein gleichmäßiges Einstellverhalten aufweist. Insbesondere hat er ein proportionales Einstellverhalten. Dazu kann die Form der Aussparungen geeignet gestaltet sein. Der Verlauf der Relativbewegung zwischen Innenhülse und Außenhülse in Bezug auf eine Ansteuerungsgröße für einen Aktuator, der beispielsweise über die geometrische Wirkung einer Betätigungsstange nichtproportional sein kann, kann zum Erreichen eines proportionalen Ansprechverhaltens durch die Form der Aussparungen kompensiert sein. Die Durchleitung von Abgas durch den Wastegate-Drehschieber ist strömungsgünstig. Es sind im Vergleich zum Stand der Technik geringere Verstellkräfte erforderlich, da aus dem Abgasstrom resultierende Staukräfte nicht in Richtung der Relativbewegung wirken. Die Gasableitung ist exakt, stoß- und geräuscharm. Die Lebensdauer ist sehr hoch und dementsprechend ist der Verschleiß gering. Die Aussparungen liegen vorzugsweise in einer Umfangsfläche der Innenhülse bzw. der Außenhülse. Vorzugsweise ist der Wastegate-Drehschieber als Einheit in Form einer Kartusche ausgeführt.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung.
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Bei einer Ausführungsform ist in der Innenhülse sowie in der Außenhülse jeweils eine Aussparung vorgesehen, welche zur Einstellung des Volumenstroms durch das Wastegate in einstellbarem Ausmaß miteinander in Fluchtung bringbar sind. Außerdem ist in der Innenhülse sowie in der Außenhülse jeweils eine weitere Aussparung vorgesehen, welche zur Einstellung des Volumenstroms zu der Turbine in einstellbarem Ausmaß miteinander in Fluchtung bringbar sind. Eine Relativbewegung der Innenhülse zu der Außenhülse bewirkt eine gleichzeitige Einstellung der Fluchtung der einander jeweils zugeordneten Aussparungen. Mit einer Verstellung der Relativposition der Innenhülse zu der Außenhülse kann beispielsweise bewirkt werden, dass der Abgasstrom zu der Turbine größer wird, während der Abgasstrom durch das Wastegate geringer wird bzw. umgekehrt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform existiert eine Relativposition der Innenhülse zu der Außenhülse, in der keine der Aussparungen mit einer anderen fluchtet. Auf diese Weise kann eine Unterbrechung des Abgasstroms zu dem Abgasturbolader bewirkt werden. Dies entspricht der Funktion einer Motorbremse.
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Bei einer weiteren Ausführungsform sind der Wastegate-Drehschieber und die Abgaszuführung zu diesem so ausgelegt, dass Abgas axial in den Wastegate-Drehschieber einströmen kann. Das Innere des Wastegate-Drehschiebers kann daher eine Fortsetzung eines Abgaszuführungskanals bilden. Auf diese Weise kann der Wastegate-Drehschieber strömungsgünstig ausgeführt werden. Im Vergleich zum Stand der Technik muss das Abgas nur in geringerem Ausmaß umgelenkt werden, selbst wenn das Abgas aus dem Inneren der Innenhülse durch radiale Aussparungen in einen Bypasskanal oder in einen Kanal zur Turbine geleitet wird.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Innenhülse in der Außenhülse in einer Gleitlagerung gelagert. Eine Gleitlagerung hat den Vorteil, dass sie auf einfache Weise dicht ausgeführt werden kann. Insbesondere haben der Außendurchmesser der Innenhülse und der Innendruchmesser der Außenhülse zueinander eine Spielpassung, insbesondere eine enge Spielpassung, sodass sich zwischen ihnen ein kleiner Spalt und eine gute Dichtungswirkung ergibt. Es ist denkbar, die Dichtungswirkung durch eine Dichtung zu verbessern.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Gleitlagerung durch mindestens eine Gewindeverbindung realisiert oder weist zusätzlich eine Gewindeverbindung auf. Durch die Gewindeverbindung kann eine axiale Fixierung der Innenhülse zu der Außenhülse erreicht werden, wobei die Drehbarkeit erhalten bleibt. Die Innenhülse trägt ein Außengewinde und die Außenhülse ein Innengewinde. Das Innengewinde und das Außengewinde bilden die Gewindeverbindung. Zur Montage der Innenhülse in der Außenhülse kann die Innenhülse in die Außenhülse eingeschraubt werden. Die axiale Relativposition der Innenhülse zu der Außenhülse kann über die Einschraubtiefe eingestellt werden. Bevorzugt bewirkt die Gewindeverbindung, dass zwischen der Innenhülse und der Außenhülse wenigstens näherungsweise kein Abgas aus dem Wastegate-Drehschieber austritt.
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Zusätzlich zu einer Drehbewegung kann zur Einstellung der Relativposition der Innenhülse zu der Außenhülse eine axiale Bewegung der Innenhülse in der Außenhülse vorgesehen sein. Diese kann durch eine Gewindeverbindung der Innenhülse mit der Außenhülse bewirkt werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Innenhülse eine Verdreheinrichtung zum Einstellen der Volumenströme durch den Bypasskanal und zur Turbine. Diese kann beispielsweise als Hebel, als Kupplung oder Kupplungsteil oder in Form eines Rohrs oder einer Stange ausgebildet sein. Die Verdreheinrichtung ist verdrehfest mit der Innenhülse verbunden oder verbindbar.
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Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Einstelleinrichtung zum Einstellen des Wastegate-Drehschiebers einen elektrischen oder einen pneumatischen Aktuator.
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Bei einer weiteren Ausführungsform sind an der Erfüllung der Funktion der Einstellung des Volumenstroms durch den Bypasskanal ausschließlich die Innenhülse und die Außenhülse beteiligt. Vorzugsweise weist der Wastegate-Drehschieber für diese Funktion keine weiteren Elemente auf, wobei eine mit der Innenhülse zu einem Einzelteil verbundene Stelleinrichtung nicht als weiteres Element gelten soll.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Turbinengehäuse vorgeschlagen, welches eine Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Wastegate-Drehschiebers umfasst. Die Außenhülse kann mit einem Außengewinde versehen sein. Dann kann sie in ein solches Turbinengehäuse eingeschraubt werden. Dies ermöglicht es, einen Wastegate-Drehschieber, beispielsweise, wenn er verschlissen ist, zerstörungsfrei aus dem Turbinengehäuse herauszuschrauben und ihn auf einfache Weise auszutauschen. Es ist denkbar, ein solches Turbinengehäuse als aufbereitetes Gebrauchtteil bereitzustellen, welches mit einem Austausch-Wastegate-Drehschieber versehen ist. Ein Turbinengehäuse ist auf diese Weise wiederverwendbar.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Abgasturbolader vorgeschlagen, der mit einem Wastegate-Drehschieber nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ausgestattet ist. Weiter ist denkbar, einen Abgasturbolader mit einem solchen Turbinengehäuse bereitzustellen. Ein Bypasskanal kann in dem Turbinengehäuse verlaufen. Insbesondere ist der Wastegate-Drehschieber im Turbinengehäuse an einem Ende des Bypasskanals angeordnet, was das Turbinengehäuse zu einem integrierten Bauteil macht, welches kostengünstig herstellbar ist.
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft anhand der Figuren beschrieben, in denen
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1 einen Querschnitt einer Abgasturboladereinrichtung zeigt,
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2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wastegate-Drehschiebers mit aufgeschnittenem Turbinengehäuse zeigt,
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3 einen Querschnitt durch den Wastegate-Drehschieber mit einer Innenhülse in einer ersten Relativstellung zu einer Außenhülse zeigt und
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4 einen Querschnitt durch den Wastegate-Drehschieber mit der Innenhülse in einer zweiten Relativstellung zu der Außenhülse zeigt.
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1 zeigt einen Abgasturbolader 1, der eine Turbine 10 mit einem Turbinengehäuse 14 und einem Turbinenrad 13 und einen Verdichter 20 mit einem Verdichtergehäuse 22 und einem Verdichterrad 21 umfasst. Das Turbinenrad 13 und das Verdichterrad 21 laufen um dieselbe Achse 30 um, wobei das Verdichterrad 21 mittels einer Mutter 31 befestigt ist. Eine gemeinsame Welle 32 ist in zwei Lagern 40 gelagert.
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2 zeigt in einer geschnittenen perspektivischen Ansicht einen Teil des Turbinengehäuses 14 mit einem darin eingesetzten Wastegate-Drehschieber 9. Der Wastegate-Drehschieber 9 umfasst eine im Wesentlichen zylinderförmige Außenhülse 2 und eine im Wesentlichen zylinderförmige Innenhülse 3. Die Innenhülse 3 ist in die Außenhülse 2 eingesetzt und hat zu dieser ein geringes Spiel. Die Innenhülse 3 ragt aus der Außenhülse 2 hervor. An dem herausragenden Ende der Innenhülse 3 ist an dieser eine hebelförmige Verdreheinrichtung (Stellhebel) 4 angeordnet, die vorzugsweise angeschweißt ist, wobei die Verdreheinrichtung 4 von der Innenhülse 3 aus radial verläuft. Die Verdreheinrichtung 4 bildet einen Teil der Innenhülse 3 und ist an dieser verdrehfest befestigt. Die Innenhülse 3 weist eine Aussparung 6 auf. Die Außenhülse 2 weist eine Aussparung 5 auf, welche in bestimmten Stellungen der Innenhülse 3 zu der Außenhülse mit der Aussparung 6 der Innenhülse 3 zur Fluchtung gebracht werden kann. In der 2 ist eine Stellung gezeigt, in der die Aussparungen 5 und 6 weitgehend miteinander fluchten. Abgas von einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor kann in den Wastegate-Drehschieber 9 durch eine axiale Öffnung 8 in die Innenhülse 3 einströmen. Das Abgas durchströmt die Innenhülse 3 in deren Inneren und tritt an den sich überlappenden Aussparungen 5 und 6 wieder aus dem Wastegate-Drehschieber 9 aus. Das Ausmaß der Überlappung der Aussparungen 5 und 6 bestimmt den Strömungswiderstand, mit dem der Wastegate-Drehschieber 9 den Abgasstrom drosselt. Der Abgasstrom kann bei Überlappung der Aussparungen 5 und 6 in einen Bypasskanal 11 einströmen. Dieser Bypasskanal 11 umgeht das Turbinenrad 13, sodass darin strömendes Abgas zu einer nicht dargestellten Abgasanlage weitergeleitet werden kann, ohne die Turbine anzutreiben. Der Wastegate-Drehschieber 9 ist in das Turbinengehäuse 14 eingesetzt, indem ein Außengewinde 7 der Außenhülse 2 in ein Innengewinde 12 in dem Turbinengehäuse 14 eingeschraubt ist. Die Innenhülse 3 ist mittels einer Gewindeverbindung 16 in die Außenhülse 2 eingeschraubt. Die Gewindeverbindung 16 ist an der Innenhülse 3 als Außengewinde und in der Außenhülse 2 als Innengewinde ausgebildet.
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3 zeigt einen Querschnitt durch eine zweite Ausführugneform des Wastegate-Drehschiebers 9, der quer zu einer Axialrichtung des Wastegate-Drehschiebers 9 verläuft. Der Wastegate-Drehschieber 9 ist in das Turbinengehäuse 14 eingesetzt. Das Turbinengehäuse 14 weist einen Bypasskanal 11 und einen Kanal 15 für einen Abgasstrom zur Turbine auf. Die beiden Kanäle 11 und 15 verlaufen im Wesentlichen radial von dem Wastegate-Drehschieber 9 weg. Relativ zu der Außenhülse 2 ist die Innenhülse 3 in eine Stellung gebracht, in der eine erste Aussparung 6a der Innenhülse 3 mit einer ersten Aussparung 5a der Außenhülse 2 fluchtet. Die Aussparung 5a der Außenhülse 2 fluchtet mit einem Eintritt in den Bypasskanal 11. Auf diese Weise kann Abgas, das durch das Innere der Innenhülse 3 strömt, aus dem Wastegate-Drehschieber 9 radial in den Bypasskanal 11 austreten. Weiter weist die Innenhülse 3 eine zweite Aussparung 6b auf. Die Außenhülse 2 weist ebenfalls eine zweite Aussparung 5b auf, welche mit einem Eintritt in den Kanal 15 für den Turbinen-Abgasstrom fluchtet. Die zweite Aussparung 6b überlappt in der gezeigten Relativstellung der Außenhülse 3 und Innenhülse 2 jedoch nicht mit der zweiten Aussparung 5b, so dass in den Kanal 15 kein Abgas aus dem Wastegate-Drehschieber 9 eintreten kann. In der gezeigten Stellung der Innenhülse 3 ist der Abgasturbolader somit ohne Antrieb.
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4 zeigt denselben Wastegate-Drehschieber 9 wie in 3 in demselben Querschnitt, jedoch mit dem Unterschied, dass die Innenhülse in einer anderen Relativstellung zu der Außenhülse 2 steht. Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugsziffern wie in 3 bezeichnet und werden nicht noch einmal gesondert beschrieben. Es sei auf 3 verwiesen. In 4 überlappt die erste Aussparung 6a der Innenhülse 3 nicht mit der ersten Aussparung 5a der Außenhülse 2. Daher kann aus dem Wastegate-Drehschieber 9 kein Abgas in den Bypasskanal 11 eintreten. Abweichend von 3 fluchtet jedoch die zweite Aussparung 6b der Innenhülse 3 mit der zweiten Aussparung 5b der Außenhülse 2. Daher kann Abgas, das durch das Innere des Wastegate-Drehschiebers 9 strömt, in den Kanal 15 zur Turbine eintreten. Da der Zugang zu dem Bypasskanal 11 geschlossen ist, tritt das gesamte Abgas in den Kanal 15 ein und treibt die Turbine an.
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Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung der Erfindung wird zu deren Ergänzung explizit auf die zeichnerische Offenbarung der Erfindung in den 1 bis 4 verwiesen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgasturbolader
- 2
- Außenhülse
- 3
- Innenhülse
- 4
- Verdreheinrichtung
- 5, 5a, 5b
- Aussparung in der Außenhülse
- 6, 6a, 6b
- Aussparung in der Innenhülse
- 7
- Außengewinde der Außenhülse
- 8
- Axiale Öffnung der Innenhülse
- 9
- Wastegate-Drehschieber
- 10
- Turbine
- 11
- Bypasskanal
- 12
- Innengewinde im Turbinengehäuse
- 13
- Turbinenrad
- 14
- Turbinengehäuse
- 15
- Kanal für den Turbinen-Abgasstrom
- 16
- Gewindeverbindung zwischen Außenhülse 3 und Innenhülse 2
- 17
- Gleitlagerung
- 20
- Verdichter
- 21
- Verdichterrad
- 22
- Verdichtergehäuse
- 30
- Gemeinsame Achse
- 31
- Mutter
- 32
- Gemeinsame Welle
- 40
- Lager
