EP0791734A2 - Abgasklappenanordnung für eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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EP0791734A2
EP0791734A2 EP97102833A EP97102833A EP0791734A2 EP 0791734 A2 EP0791734 A2 EP 0791734A2 EP 97102833 A EP97102833 A EP 97102833A EP 97102833 A EP97102833 A EP 97102833A EP 0791734 A2 EP0791734 A2 EP 0791734A2
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EP
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diffuser
longitudinal axis
exhaust
exhaust gas
exhaust flap
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EP0791734B1 (de
EP0791734A3 (de
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Hermann Dipl.-Ing. Baumann
Peter Stroph
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Rolls Royce Solutions GmbH
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MTU Friedrichshafen GmbH
MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D9/00—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits
    • F02D9/08—Throttle valves specially adapted therefor; Arrangements of such valves in conduits
    • F02D9/10—Throttle valves specially adapted therefor; Arrangements of such valves in conduits having pivotally-mounted flaps
    • F02D9/1035—Details of the valve housing
    • F02D9/104—Shaping of the flow path in the vicinity of the flap, e.g. having inserts in the housing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D9/00—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits
    • F02D9/04—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits concerning exhaust conduits

Definitions

  • the invention relates to an exhaust valve arrangement for an exhaust pipe of an internal combustion engine with the features of the preamble of claim 1.
  • Exhaust flaps are used for tight shut-off in exhaust pipes, for example to control exhaust gas turbochargers that can be switched off. Exhaust flaps for installation in exhaust pipes are known from DE 42 29 299 C1.
  • the object of the invention is to provide an exhaust valve arrangement for an exhaust pipe of an internal combustion engine, which avoids the disadvantages of the prior art with a reduced installation space.
  • an exhaust gas flap arrangement for an exhaust pipe of an internal combustion engine is provided with a turbine of an exhaust gas turbocharger, an outlet of the turbine and a diffuser which connects on the one hand to the outlet of the turbine and on the other hand to the exhaust pipe.
  • the diffuser is concentric with a longitudinal axis and an exhaust flap is pivotally arranged on a shaft perpendicular to this longitudinal axis.
  • Wall segments are provided on an inner wall of the diffuser, which extend in the form of a band along the circumference of the exhaust flap and are oriented essentially parallel to the longitudinal axis of the diffuser. The wall segments form contact surfaces for the elliptical exhaust flap lying on a circular cylinder.
  • the longitudinal axis of the circular cylinder runs parallel to the longitudinal axis of the diffuser with an offset.
  • the diameter of the circular cylinder corresponds to the diameter of the circular surface that results from projecting the exhaust flap in the direction of the longitudinal axis.
  • the offset or the eccentricity is to be chosen so that the longitudinal axis of the circular cylinder runs approximately through the geometric center of the exhaust flap arranged in the diffuser, so that the band-shaped wall segments lie approximately in the contour of the diffuser.
  • An advantage of the invention lies in the fact that a conventionally shaped exhaust flap can be used within the conical part of the diffuser for tightly closing off in exhaust gas lines. This leads directly to a reduction in the overall length, since a cylindrical section adjoining a diffuser, as provided in the prior art, is not required.
  • the eccentricity e is, according to the invention, a function of the opening angle of the diffuser and / or the inclination angle of the exhaust flap and increases when either the opening angle of the diffuser and / or the inclination
  • the wall segments have a constant width. The smaller the width of the wall segments, the less the disturbance of the exhaust gas flow.
  • the wall segments connected to one another in a band are machined with a circular milling, a milling tool being moved parallel to the longitudinal axis of the diffuser while it follows the contour of the inner wall of the diffuser.
  • FIG. 1 A diffuser 1 with an ideally conical contour connects with a cylindrical connecting flange 2 to a turbine (not shown) of an exhaust gas turbocharger.
  • a cylindrical section 4 with an exhaust flap 5 connects to the widened end 3 of the diffuser 1.
  • the exhaust flap 5 is pivotally mounted on a shaft 6 held in the housing of the cylindrical section 4 by means of a flange 7.
  • the minimum length of the cylindrical section 4 is determined by the inclined position of the exhaust flap 5.
  • One end 8 of the cylindrical section 4 can be fastened with a connecting flange 9.
  • a section through the cylindrical section 4 along the center plane of the exhaust flap 5 in the inclined position shown results in an ellipse.
  • Fig. 2 Corresponding features are provided with the reference numerals from Fig. 1.
  • the diffuser 10 according to the invention connects with the cylindrical connecting flange 2 to a turbine (not shown) of an exhaust gas turbocharger.
  • a compensator connects to the widened end 3 of the diffuser 10, the inside width of which corresponds to the inside width at the end 8 of the cylindrical section 4 according to FIG. 1, via the connecting flange 9.
  • the exhaust flap 5 is pivotally mounted within the conical part of the diffuser 10 on the shaft 6 held in the housing of the diffuser 10 with the flange 7.
  • the axis 11 of the shaft 6 lies, as shown, in the axis of symmetry of the exhaust flap 5, i.
  • the axis 11 meets the longitudinal axis of a circular cylinder, which lies with an eccentricity e to the longitudinal axis 12 of the diffuser 1.
  • the axis 11 of the shaft 6 is thus eccentric to the longitudinal axis 12 of the diffuser.
  • the axis 11 of the shaft 6 does not necessarily have to lie in the axis of symmetry of the exhaust flap.
  • the axis 11 can also be arranged outside the axis of symmetry of the exhaust gas flap in order to achieve an independent closing by the exhaust gas flow.
  • the inner wall 13 of the diffuser 10 is formed with a coherent band that runs along the inner circumference of the diffuser 10 as a section 14. This band is already adapted to the exhaust flap 5 during casting, so that there are 10 wall segments 15 on the inner wall 13 of the diffuser, which extend in a band along the circumference of the exhaust flap 5 and essentially parallel to the longitudinal axis 12 of the diffuser 10 are aligned.
  • the wall segments 15 lie on the circular cylinder mentioned, the longitudinal axis of which runs at a distance e parallel to the longitudinal axis 12 of the diffuser 10.
  • the diameter of the circular cylinder corresponds to the diameter of a circular surface that is created by projecting the exhaust flap in the direction of the longitudinal axis 12.
  • the eccentricity e should preferably be chosen such that the longitudinal axis of the circular cylinder runs through the geometric center of the exhaust flap 5.
  • the deviation of the contour of the diffuser 10 from the ideally conical diffuser 1 can be minimized by the selection of the eccentricity e.
  • the wall segments 15 connected to one another in the form of a band are preferably machined with a circular milling, a milling tool (not shown), while following the contour of the inner wall 13 of the diffuser 10, being simultaneously moved parallel to the longitudinal axis of the diffuser 10 along the continuous band.
  • the minimum length of the diffuser 10 depends on the inclination of the exhaust flap 5 and the inside width of the diffuser 10.
  • the eccentricity e of the longitudinal axis 12 of the diffuser 10 with respect to the longitudinal axis of the circular cylinder is a function of the inclination of the exhaust flap 5 and the opening angle of the diffuser 10. Die
  • the width of the wall segments must be kept as small as possible in order to minimize the disturbance of the exhaust gas flow.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasklappenanordnung für eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine mit einer Turbine eines Abgasturboladers, einem Auslaß der Turbine und einem Diffusor (10), der einerseits an den Auslaß der Turbine und andererseits an die Abgasleitung anschließt, wobei der Diffusor (10) konzentrisch ist zu einer Längsachse (12) und eine Abgasklappe (5) auf einer zur Längsachse (12) senkrechten Welle (6) schwenkbar angeordnet ist. Eine Innenwand (13) des Diffusors (10) ist mit Wandsegmenten (15) versehen, die sich bandförmig entlang des Umfangs der Abgasklappe (5) erstrecken und im wesentlichen parallel zur Längsachse (12) des Diffusors (10) ausgerichtet sind. Die Wandsegmente (15) liegen auf einem Kreiszylinder, dessen Längsachse gegenüber der Längsachse (12) des Diffusors (10) exentrisch liegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Abgasklappenanordnung für eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Abgasklappen werden zur dichtschließenden Absperrung in Abgasleitungen eingesetzt, um beispielsweise abschaltbare Abgasturbolader zu steuern. Abgasklappen für den Einbau in Abgasleitungen sind aus der DE 42 29 299 C1 bekannt.
  • Unmittelbar am Auslaß einer Turbine eines Abgästurboladers ist die Austrittsgeschwindigkeit der Abgase relativ hoch. Zur Reduktion auf ca. 1/3 dieser Austrittsgeschwindigkeit der Abgase ist es bekannt, der Turbine einen Diffusor nachzuschalten. Herkömmliche elliptische Abgasklappen zur dichtschließenden Absperrung können aber nicht in Diffusoren eingebaut werden, sondern erst in zylindrische Abschnitte, die stromabwärts an den Diffusor anzuschließen sind. Daraus ergibt sich ein langer Bauraum zwischen dem Auslaß der Turbine des Abgasturboladers und einem Kompensator, über den in aller Regel der Diffusor mit dem zylindrischen Abschnitt an eine Abgasleitung anschließt. Der lange Bauraum des Diffusors mit dem zylindrischen Abschnitt führt zu hohem Gewicht bei langen Hebelarmen, woraus sich wiederum hohe Biegemomente an einem Anschlußflansch des Diffusors an den Auslaß der Turbine des Abgasturboladers ergeben. Die große Masse der Anordnung aus Diffusor und zylindrischem Abschnitt und der große Abstand des Schwerpunkts dieser Masse von dem Anschlußflansch führt zu niedrigen Eigenfrequenzen, die das Auftreten von Resonanzen begünstigen. Bei engen Platzverhältnissen kann der lange Bauraum nicht untergebracht werden. Es ergeben sich hohe Herstellungskosten beim Gießen des Diffusors und des zylindrischen Abschnitts.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abgasklappenanordnung für eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die mit reduziertem Bauraum die Nachteile des Stands der Technik vermeidet.
  • Die Lösung erfolgt mit einer Abgasklappenanordnung für eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
  • Gemäß der Erfindung ist eine Abgasklappenanordnung für eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine mit einer Turbine eines Abgasturboladers, einem Auslaß der Turbine und einem Diffusor versehen, der einerseits an den Auslaß der Turbine und andererseits an die Abgasleitung anschließt. Der Diffusor ist konzentrisch zu einer Längsachse und eine Abgasklappe ist auf einer zu dieser Längsachse senkrechten Welle schwenkbar angeordnet. An einer Innenwand des Diffusors sind Wandsegmente vorgesehen, die sich bandförmig entlang des Umfangs der Abgasklappe erstrecken und im wesentlichen parallel zur Längsachse des Diffusors ausgerichtet sind. Die Wandsegmente bilden auf einem Kreiszylinder liegende Anlageflächen für die elliptische Abgasklappe. Die Längsachse des Kreiszylinders verläuft mit einem Versatz parallel zur Längsachse des Diffusors. Der Durchmesser des Kreiszylinders entspricht dem Durchmesser der Kreisfläche, die sich durch Projektion der Abgasklappe in Richtung der Längsachse ergibt. Der Versatz bzw. die Exzentrität ist so zu wählen, daß die Längsachse des Kreiszylinders annähernd durch den geometrischen Mittelpunkt der im Diffusor angeordneten Abgasklappe verläuft, so daß die bandförmigen Wandsegmente annähernd im Konturverlauf des Diffusors liegen. Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß eine herkömmlich geformte Abgasklappe innerhalb des konischen Teils des Diffusors zur dichtschließenden Absperrung in Abgasleitungen eingesetzt werden kann. Dies führt unmittelbar zu einer Reduktion der Baulänge, da ein zylindrischer, an einen Diffusor anschließender Abschnitt, wie im Stand der Technik vorgesehen, nicht erforderlich ist. Die Exzentrizität e ist gemäß der Erfindung eine Funktion des Öffnungswinkels des Diffusors und/oder des Schrägstellungswinkels der Abgasklappe und wird größer, wenn entweder der Öffnungswinkel des Diffusors und/oder der Schrägstellungswinkel der Abgasklappe größer wird.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Abgasklappenanordnung der Erfindung weisen die Wandsegmente konstante Breite auf. Je kleiner dabei die Breite der Wandsegmente ist, um so geringer ist die Störung der Abgasströmung.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Abgasklappenanordnung werden die bandförmig miteinander verbundenen Wandsegmente mit einer Zirkularfräsung bearbeitet, wobei ein Fräswerkzeug, während es der Kontur der Innenwand des Diffusors folgt, gleichzeitig parallel zur Längsachse des Diffusors bewegt wird.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Seitenansicht eines Diffusors mit einer Abgasklappe in einem anschließenden zylindrischen Abschnitt gemäß dem Stand der Technik, und
    Fig. 2
    eine Seitenansicht eines Diffusors mit einer Abgasklappe gemäß der Erfindung.
  • Fig. 1: Ein Diffusor 1 mit ideal konischer Kontur schließt mit einem zylindrischen Anschlußflansch 2 an eine Turbine (nicht dargestellt) eines Abgasturboladers an. An das aufgeweitete Ende 3 des Diffusors 1 schließt ein zylindrischer Abschnitt 4 mit einer Abgasklappe 5 an. Die Abgasklappe 5 ist schwenkbar auf einer im Gehäuse des zylindrischen Abschnitts 4 mittels einem Flansch 7 gehaltenen Welle 6 gelagert. Die Mindestlänge des zylindrischen Abschnitts 4 ist bestimmt durch die Schrägstellung der Abgasklappe 5. Ein Ende 8 des zylindrischen Abschnitts 4 ist mit einem Anschlußflansch 9 befestigbar. Ein Schnitt durch den zylindrischen Abschnitt 4 entlang der Mittenebene der Abgasklappe 5 in der dargestellten Schrägstellung ergibt eine Ellipse.
  • Fig. 2: Entsprechende Merkmale sind mit den Bezugszeichen aus Fig. 1 versehen. Der erfindungsgemäße Diffusor 10 schließt mit dem zylindrischen Anschlußflansch 2 an eine Turbine (nicht dargestellt) eines Abgasturboladers an. An das aufgeweitete Ende 3 des Diffusors 10, dessen lichte Weite der lichten Weite am Ende 8 des zylindrischen Abschnitts 4 gemäß Fig. 1 entspricht, schließt über den Anschlußflansch 9 ein Kompensator an. Die Abgasklappe 5 ist innerhalb des konischen Teils des Diffusors 10 schwenkbar auf der im Gehäuse des Diffusors 10 mit dem Flansch 7 gehaltenen Welle 6 gelagert. Die Achse 11 der Welle 6 liegt, wie dargestellt, in der Symmetrieachse der Abgasklappe 5, d. h., die Achse 11 trifft die Längsachse eines Kreiszylinders, die mit einer Exentrität e zur Längsachse 12 des Diffusors 1 liegt. Die Achse 11 der Welle 6 liegt somit exzentrisch zur Längsachse 12 des Diffusors. Die Achse 11 der Welle 6 muß jedoch nicht zwangsläufig in der Symmetrieachse der Abgasklappe liegen. Die Achse 11 kann auch außerhalb der Symmetrieachse der Abgasklappe angeordnet sein, um ein selbständiges Schließen durch den Abgasstrom zu erzielen.
  • Die Innenwand 13 des Diffusors 10, ist mit einem zusammenhängenden Band ausgebildet, das entlang des Innenumfangs des Diffusors 10 als Abschnitt 14 verläuft. Dieses Band wird bereits beim Gießen an die Abgasklappe 5 angepaßt, so daß sich an der Innenwand 13 des Diffusors 10 Wandsegmente 15 ergeben, die sich bandförmig entlang des Umfangs der Abgasklappe 5 erstrecken und im wesentlichen parallel zur Längsachse 12 des Diffusors 10 ausgerichtet sind. Die Wandsegmente 15 liegen auf dem erwähnten Kreiszylinder, dessen Längsachse in einem Abstand e parallel zur Längsachse 12 des Diffusors 10 verläuft. Der Durchmesser des Kreiszylinders entspricht dem Durchmesser einer Kreisfläche, die durch Projektion der Abgasklappe in Richtung der Längsachse 12 entsteht. Die Exzentrizität e ist vorzugsweise derart zu wählen, daß die Längsachse des Kreiszylinders durch den geometrischen Mittelpunkt der Abgasklappe 5 verläuft. Die Abweichung der Kontur des Diffusors 10 gegenüber dem ideal konischen Diffusor 1 kann durch die Auswahl der Exzentrizität e minimiert werden. Die bandförmig miteinander verbundenen Wandsegmente 15 werden vorzugsweise mit einer Zirkularfräsung bearbeitet, wobei ein Fräswerkzeug (nicht dargestellt), während es der Kontur der Innenwand 13 des Diffusors 10 folgt, gleichzeitig parallel zur Längsachse des Diffusors 10 entlang dem zusammenhängenden Band bewegt wird.
  • Die Mindestlänge des Diffusors 10 ist abhängig von der Schrägstellung der Abgasklappe 5 und der lichten Weite des Diffusors 10. Die Exzentrizität e der Längsachse 12 des Diffusors 10 zur Längsachse des Kreiszylinders ist eine Funktion der Schrägstellung der Abgasklappe 5 und des Öffnungswinkels des Diffusors 10. Die Breite der Wandsegmente ist so klein wie möglich zu halten, um die Störung der Abgasströmung zu minimieren.

Claims (6)

  1. Abgasklappenanordnung für eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine mit einem im Verlauf der Abgasleitung angeordneten Diffusor (10), der konzentrisch zu einer Längsachse (12) liegt, und mit einer elliptischen Abgasklappe (5), die auf einer zur Längsachse (12) senkrechten Welle (6) schwenkbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß
    eine Innenwand (13) des Diffusors (10) mit auf einem Kreiszylinder liegenden Wandsegmenten (15) versehen ist, die sich bandförmig entlang des Umfangs der Abgasklappe (5) erstrecken und im wesentlichen parallel zur Längsachse (12) des Diffusors ausgerichtet sind.
  2. Abgasklappenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (6) exzentrisch zur Längsachse (12) des Diffusors (10) angeordnet ist.
  3. Abgasklappenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (6) exzentrisch zur Längsachse des Kreiszylinders angeordnet sind, den die Wandsegmente (15) aufspannen.
  4. Abbgasklappenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (6) in einer Symmetrieachse der Abgasklappe (5) verläuft.
  5. Abgasklappenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bearbeiteten Wandsegmente (15) konstante Breite aufweisen.
  6. Abgasklappenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Wandsegmente (15) durch Zirkularfräsung bearbeitet sind.
EP97102833A 1996-02-26 1997-02-21 Abgasklappenanordnung für eine Abgasleitung einer Brennkraftmaschine Expired - Lifetime EP0791734B1 (de)

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EP0791734B1 EP0791734B1 (de) 2001-06-06

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EP0791734B1 (de) 2001-06-06
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DE19607219A1 (de) 1997-08-28

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