Schubumluftventilvorrichtung für eine Brennkraftmaschine
B E S C H R E I B U N G
Die Erfindung betrifft eine Schubumluftventilvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem Turbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Schubumluftventilvorrichtung wird beispielsweise in der DE 100 20 041 C 2 beschrieben. Die Verbindung der Druckseite und der Ansaugseite einer Ladedruckpumpe eines Turboladers durch eine Bypassleitung wird für den Übergang von einer hohen Last in den Schubbetrieb der Brennkraftmaschine benötigt, um eine hohe Förderung der Ladedruckpumpe gegen eine geschlossene Drosselklappe und den daraus entstehenden Pumpeffekt sowie ein zu starkes plötzliches Absenken der Turbodrehzahl mit den Folgen thermodynamischer Probleme zu verhindern. Das in der DE 100 20 04 C 2 beschrieben Schubumluftventil weist Druckausgleichsbohrungen auf, die gewährleisten, dass sich trotz des Differenzdrucks zwischen Druck- und Ansaugseite der Ladedruckpumpe ein Druckgleichgewicht in Schließstellung am Ventilverschlusskörper einstellt. Dies hat den Vorteil, dass auch bei hohen Drucken im Turbolader durch den Druckausgleich nur eine schwache Schließfeder für das Schubumluftventil notwendig ist. Eine schwache Schließfeder benötigt zur Überwindung dann lediglich auch einen relativ schwachen Aktuator, wodurch Bauraum und Kosten reduziert werden können.
Derartige Druck ausgeglichene Schubumluftventile weisen jedoch aufgrund des geringen Kraftüberschusses den Nachteil auf, dass es zu einem Slip-stick-Effekt am Ventilverschlusskörper kommen kann, d. h, das der Öffnungspunkt aufgrund der verschiedenartigen Parameter (Anpressung der Dichtflächen) Temperaturen und Reib-
partner) nur bedingt reproduzierbar ist. Um ein sicheres Öffnen zu gewährleisten, wird dann doch wieder eine höhere Kraft der Antriebseinheit benötigt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schubumluftventilvorrichtung zu verschaffen, die sowohl Druck ausgeglichen ist, jedoch einen Slip-stick-Effekt vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, dass mindestens eine Druckausgleichsöffnung durch zumindest ein Schaltorgan verschließbar ist, kann die Druckausgleichsfunktion während des Öffnungsvorganges der Schubumluftventilvorrichtung außer Kraft gesetzt werden, so dass der hohe Druck auf der Druckseite die Öffnung des Ventils unterstützen kann. Dadurch, dass die bewegliche Ventileinheit eine als erstes Ankerelement ausgebildete Ventilstange mit einem sich daran anschließenden ersten Ventilverschlusskörper aufweist, wobei der erste Ventilverschlusskörper aus einem im wesentlichen zylinderförmigen Zentralelement, einem ersten Armelement, das über ein Dichtelement mit dem Gehäuse verbunden ist, und einem zweiten Armelement, das über ein zweites Dichtelement mit einem ersten Ventil korrespondiert, besteht, ist eine besonders kompakte Bauform der Schubumluftventilvorrichtung möglich. Aus diesem Grund ist es auch vorteilhaft, dass die bewegliche Ventileinheit durch ein erstes Federelement vorgespannt ist, das sich gegenüber dem Kernelement abstützt.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, dass das Schaltorgan als Ventilstößel ausgeführt ist, der mit einer Führungsbuchse im Kernelement und in der Ventilstange beweglich gelagert ist, wobei das am ersten Ventilverschlusskörper gelegene Ende einen zweiten Ventilverschlusskörper aufweist, der auf einen an der Führungsbuchse angeordneten zweiten Ventilsitz derart angreift, dass die Druckausgleichsöffnung verschließbar ist. Dabei kann der Ventilstößel ein zweites Ankerelement aufweisen, das mit dem Kernelement in Wirkverbindung steht. Hierbei ist es bauraummäßig be- sonders vorteilhaft, wenn das zweite Ankerelement auf der von der beweglichen Ventileinheit abgewandten Seite des Kernelementes angeordnet ist.
Um auf einfache Weise eine Steuerung der Schubumluftventilvorrichtung vornehmen • zu können, weist das zweite Ankerelement eine geringere Masse und einen kleine-
ren Abstand zum Kernelement als das erste Ankerelement auf, derart, dass das zweite Ankerelement schneller betätigt wird als das erste Ankerelement. Dabei kann das zweite Ankerelement einen Anschlag aufweisen, der im bestromten Zustand an einem Gehäuseteil der Spule anliegt. Auch kann der zweite Ventilverschlusskörper durch ein zweites Federelement, das sich gegenüber dem zweiten Ventilsitz abstützt, vorgespannt sein.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, dass das Zentralelement ein erstes nach innen gerichtetes Randelement aufweist und der zweite Ventilsitz ein zweites, nach außen gerichtetes Randelement aufweist, die im unbestromten Zustand fluidisch gegeneinander anliegen. Auf diese Weise kann während der Öffnungsbewegung der Schubumluftventilvorrichtung ein Druckausgleich zwischen der Bypasslei- tung und dem Innenbereich der Schubumluftventilvorrichtung stattfinden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Die Zeichnung zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaft genannten Turbo-Otto- Brennkraftmaschine,
Figur 2 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Schubumluftventilvorrichtung im unbestromten Zustand und
Figur 3 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Schubumluftventilvorrichtung im bestromten Zustand.
Figur 1 zeigt die schematische Darstellung einer Turbo-Otto-Brennkraftmaschine. Eine Schubumluftventilvorrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine 2 mit einem Turbolader 3 ist in einem Bypasskanal 4 zwischen der Druckseite 5 und der Ansaugseite 6 einer Ladedruckpumpe des Turboladers 3 angeordnet. Dabei wird über die Ansaug- seite 6 Umgebungsluft angesaugt und durch den Turbolader 3 verdichtet und nachfolgend der Brennkraftmaschine 2 zugeführt. Die Regelung der der Brennkraftmaschine zuzuführenden Ansaugluft findet durch eine nicht näher dargestellte Drosselklappe statt. Um bei einer schnell schließenden Drosselklappe, beispielsweise ausgelöst durch plötzliches Abbremsen, einen Pump-Effekt des weiter drehenden Turbo-
laders 3 gegen die geschlossene Drosselklappe zu verhindern, ist es bekannt, einen Bypasskanal 4 vorzusehen. Über diesen Bypasskanal 4 kann verdichtete Ansaugluft wieder in den Bereich der Ansaugseite 6 vor dem Turbolader 3 zurückgeführt werden. Um diese Luftrückführung zu steuern, ist in dem Bypasskanal 4 eine Schubum- luftventilvorrichtung 1 vorgesehen.
Figur 2 zeigt nun die erfindungsgemäße Schubumluftventilvorrichtung 1 im un- bestromten Zustand, d. h., die Schubumluftventilvorrichtung 1 verschließt die Druckseite 5 mit einem Druck P1 gegenüber der Ansaugseite 6 mit einem Druck P2. Die Schubumluftventilvorrichtung 1 ist dabei wie folgt aufgebaut. Ein Gehäuse 7, das mehrteilig ausgeführt sein kann, beinhaltet eine elektromagnetische Antriebseinheit 8 mit einer Spule 9, einem Joch 10 und einem Kernelement 11. Durch die elektromagnetische Antriebseinheit 8 kann eine im Gehäuse 7 bewegliche Ventileinheit 12 angetrieben werden, wobei im vorliegenden Fall eine Feder 13 vorgesehen ist, die die bewegliche Ventileinheit 12 im unbestromten Zustand in der Schließstellung hält. Über eine Druckausgleichsöffnung 14 wird ein Druckgleichgewicht zwischen dem in der Ventileinheit 12 herrschenden Druck und dem Druck der Druckseite 5 P1 gewährleistet. Durch eine geeignet Auswahl der Anlageflächen wird so auf bekannte Weise sicher gestellt, dass die auf die Anlageflächen wirkenden Kräfte sich gegen- seitig aufheben. Auf diese Weise kann die Federkraft der Feder 13 relativ gering gewählt werden. Des weiteren ist dargestellt, dass die bewegliche Ventileinheit 12 eine als erstes Ankerelement 16 ausgebildete Ventilstange mit einem daran anschließenden ersten Ventilverschlusskörper 17 aufweist. Dieser erste Ventilverschlusskörper 17 besteht im wesentlichen aus einem zylinderförmigen Zentralelement 18, einem ersten Armelement 19, das über ein erstes Dichtelement 20 mit dem Gehäuse 7 verbunden ist, derart, das der erste Ventilverschlusskörper 17 fluidisch an einer Wand des Gehäuses 7 anliegt. Des weiteren ist ein zweites Armelement 21 vorgesehen, das über ein zweites Dichtelement 22 mit einem ersten Ventilsitz 23 korrespondiert, derartig, dass im unbestromten Zustand die Druckseite 5 von der Ansaugseite 6 flui- disch getrennt ist.
Dabei greift auf das zylinderförmige Zentralelement 16 ein erstes Federelement 24, das sich gegenüber dem Kernelement 11 abstützt, derart an, dass die bewegliche Ventileinheit 12 in Schließstellung vorgespannt ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Schaltorgan 15 als Ventilstößel ausgeführt, der in einer Führungsbuchse 25 im Kernelement 11 und in der Ventilstange 16 beweglich gelagert ist. Dabei weist der Ventilstößel 15 einen am Ende des ersten Ventilverschlusskörpers 17 gelegenen zweiten Ventilverschlusskörper 26 auf, der auf einen an der Führungsbuchse 25 angeordneten zweiten Ventilsitz 27 derart angreift, dass die Druckausgleichsöffnung 14 verschließbar ist. Im dargestellten Zustand ist die Schubumluftventilvorrichtung 1 geschlossen und dementsprechend auch die Druckausgleichsöffnung 14 geöffnet.
Um mit einem einzigen Kernelement 13 sowohl die bewegliche Ventileinheit 12 als auch das Schaltorgan 15 in Bewegung zu setzen, besitzt das Schaltorgan 15 ein zweites Ankerelement 28, das auf der von der beweglichen Ventileinheit 12 abgewandten Seite des Kernelementes 11 angeordnet ist. Im vorliegenden Ausführungs- beispiel weist das zweite Ankerelement 28 zudem einen Anschlag 29 auf, der im bestromten Zustand am Gehäuseteil 30 der Spule 9 zum Anliegen kommt.
Damit der zweiten Ventilverschlusskörper 26 im unbestromten Zustand in Offenstellung verbleibt, ist er durch ein zweites Federelement 31 , das sich gegenüber dem zweiten Ventilsitz 27 abstützt, vorgespannt.
In Figur 2 ist nun die erfindungsgemäße Schubumluftventilvorrichtung 1 in geöffneter Stellung dargestellt. Um diese Offen-Stellung zu erreichen, wird ausgehend von der Ventilstellung in Figur 1 die Spule 9 bestromt, wodurch das zweite Ankerelement 28, aufgrund seiner geringeren Masse und dem kleineren Abstand zum Kernelement 11 gegenüber der beweglichen Ventileinheit 12, schneller an das Kernelement 11 herangezogen wird und so mit dem Ventilverschlusskörper 26 die Druckausgleichsöffnung 14 verschließt. Auf diese Weise kann der sich auf der Seite 5 aufbauende Druck P1 die Öffnungsbewegung der Schubumluftventilvorrichtung unterstützen. Zeitgleich wird auch die bewegliche Ventileinheit 12 vom Kernelement 11 angezogen. Um einen sich in der Schubluftventilvorrichtung durch das Zusammenschieben aufbauenden Gegendruck zu verhindern, weist das Zentralelement 18 ein erstes nach innen gerichtetes Randelement 32 auf und besitzt der zweite Ventilsitz 27 ein zweites nach außen gerichtetes Randelement 33, die im unbestromten Zustand flui-
disch gegeneinander anliegen, jedoch im bestromten Zustand den Druckausgleich zwischen dem Inneren der Schubumluftventilvorrichtung und dem Äußeren ermöglichen.
Nachdem die Drosselklappe wieder geöffnet hat, wird die Bestromung der Schubumluftventilvorrichtung unterbrochen und die Federelemente 26 und 31 bringen die Schubumluftventilvorrichtung wieder in den Ausgangszustand, wie dargestellt in Figur 1.
Es sollte deutlich sein, dass eine derartige Schubumluftvorrichtung grundsätzlich auch bei jedem anderen Motor eingesetzt werden kann und nicht auf die Anwendung bei Turbo-Otto-Motoren beschränkt ist.