EP2954182A1 - Ventileinheit für ein wastegatesystem und abgasturbolader - Google Patents

Ventileinheit für ein wastegatesystem und abgasturbolader

Info

Publication number
EP2954182A1
EP2954182A1 EP14701934.3A EP14701934A EP2954182A1 EP 2954182 A1 EP2954182 A1 EP 2954182A1 EP 14701934 A EP14701934 A EP 14701934A EP 2954182 A1 EP2954182 A1 EP 2954182A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
exhaust gas
valve unit
valve
bearing shell
turbine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14701934.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Arndt
Marko Künstner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of EP2954182A1 publication Critical patent/EP2954182A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/18—Control of the pumps by bypassing exhaust from the inlet to the outlet of turbine or to the atmosphere
    • F02B37/183—Arrangements of bypass valves or actuators therefor
    • F02B37/186—Arrangements of actuators or linkage for bypass valves
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a valve unit for a wastegate system and such
  • Wastegate system comprehensive exhaust gas turbocharger
  • Exhaust gas turbochargers serve to increase the efficiency and efficiency of
  • Exhaust gas turbochargers include a turbine with a turbine runner, which by a
  • Exhaust gas flow which is ejected from an internal combustion engine, flows and thereby driven in rotation.
  • the rotational movement transmits the turbine wheel by means of a shaft to a compressor wheel.
  • the rotation of the compressor wheel ensures the pressure increase of the fresh gas supplied to the internal combustion engine.
  • the compressor output thus depends directly on the enthalpy of the exhaust gas flow, although the actual desired compressor output does not always correlate with the current exhaust gas flow.
  • Wastegate This is a controllable or controllable bypass, over which a part of the exhaust gas can be guided past the turbine.
  • a valve element is used regularly, which more or less releases the bypass cross-section as a function of its position.
  • the actuation of the valve body takes place by means of an actuator.
  • this is usually arranged away from the turbine and integrated, for example, in the compressor part of the exhaust gas turbocharger to keep its thermal load low.
  • the actuation of the valve element by the actuator then takes place by means of an actuating element.
  • the actuating element may comprise a bearing section, which is rotatably mounted in a bearing shell integrated in the housing of the exhaust gas turbocharger and which extends with one end into the bypass of the wastegate system.
  • an actuating portion may be fixed, which extends in the radial direction of the bearing portion and at the end of the
  • Valve element is attached. By a rotation of the bearing portion of the actuating element thus the valve element is moved.
  • the rotational movement can be effected by means of an actuator portion of the actuating element, which is located on the other, outside the Housing of the exhaust gas turbocharger located end of the bearing portion is fixed and can also extend in the radial direction thereto.
  • a translatory movement of the actuator section by the actuator is thus translated into a rotational movement of the bearing section and this then again in a translational movement of the valve element.
  • Valve element is transmitted. To this freedom of play in the field of storage of
  • Spring loading causes the desired backlash of storage in the axial direction, but at the same time allows to allow different, thermally induced elongations of the bearing shell and actuator.
  • EP 1 644 625 B1 Such an exhaust gas turbocharger with wastegate system is known from EP 1 644 625 B1.
  • the spring element is arranged on the outside of the housing side of the bearing shell, while in the contact point on the inner side of the bearing shell, two sealing discs are provided, which are pressed against each other as a result of the spring load.
  • the particularly good sealing is specified in EP 1 644 625 B1, whereby leakage of exhaust gas from the housing of the exhaust gas turbocharger via the bearing of the actuating element can be avoided.
  • Wastegate system are also devoted to JP 05248253 A and JP 08334030 A. There is provided, the different, thermally induced elongation of the bearing shell and
  • Temperature level in the region of the turbine of the exhaust gas turbocharger depends, but is subject to load-dependent significant fluctuations even when the engine is operating warm.
  • the invention was based on the object, an improved or alternative valve unit for a wastegate system of an exhaust gas turbocharger specify.
  • a valve unit should be specified, which despite a backlash over a wide operating temperature range allows a leak in the storage of the actuator.
  • valve unit for a wastegate according to independent claim 1.
  • An exhaust gas turbocharger comprising such a valve unit is the subject matter of independent patent claim 6.
  • the invention is based on the finding that a backlash of storage of the
  • Actuating element in the bearing shell of the housing in combination with a compensation of different, thermally induced elongations of actuator and bearing shell can best be achieved by an axial spring action, as is generally known from EP 1 644 625 B1.
  • Another, the invention is based knowledge that such axial spring loading inevitably leads to a substantial tightness of storage by a support or a stop must be formed between the actuator and the bearing shell, which / counteracts the spring loading. This is especially true when the spring loading, as in the
  • EP 1 644 625 B1 is produced by a disc spring.
  • additional sealing disks such as are provided in the area of the support in EP 1 644 625 B1, are not required for achieving a good seal (they can rather have a positive influence on the wear behavior.)
  • a basic idea of the invention is also that a leak In the field of storage of the actuating element is not only unproblematic, but may also have advantages.
  • the basic idea of the invention is therefore to modify a bearing of the actuating element of a generic valve unit in such a way that, in spite of the axial
  • a generic valve unit for a wastegate system the (at least) one
  • Valve element (at least) an actuating element for the valve element and (at least) a bearing shell in which the actuating element is rotatably mounted, wherein the actuating element by means of (at least) a spring element in the axial direction (ie in the direction of the axis of rotation) acts against the bearing shell is, is therefore
  • a passage for exhaust gas is provided in the region (at least) one (by the spring action) against each other acted contact surface pairing (at least) . It can preferably be provided that the passage is formed by the fact that at least one of the contact surfaces (at least) one from an outer edge of the
  • Contact surface inwards i. more or less, substantially radially extending recess, e.g. in the form of a groove or recess.
  • the course of the depression can be rectilinear or curved.
  • a leak-inducing intermediate element such as, for example, a washer with recesses (grooves) or a toothed disk.
  • the spring element is designed in the form of a plate spring.
  • Embodiment may be: Relatively large spring forces at relatively small
  • a wave washer may be a preferred alternative to a cup spring.
  • the characteristic shape of a plate spring with a conical or conical annular shell be disadvantageous because it has a comparatively good sealing effect by a closed on both sides annular contact with the components on which it is supported.
  • the disc spring (at least) has a passage for exhaust gas, in particular in the form of a recess extending from an inner edge to an outer edge of the disc spring, e.g. in the form of a bead can be provided.
  • the plate spring can also have, for example, (at least) one passage opening in its annular shell.
  • valve unit according to the invention may further be provided that bilaterally. at the inner and the outer end of the
  • An exhaust gas turbocharger comprises (at least) one (single- or multi-part) housing, (at least) a turbine rotatably mounted within a turbine chamber of the housing, (at least) an inlet for supplying exhaust gas into the turbine chamber and an outlet for removing the exhaust gas from the exhaust gas Turbine space and a wastegate for the exhaust gas to bypass the turbine chamber, wherein the amount of exhaust gas passed through the wastegate system is controllable by means of a valve unit according to the invention.
  • the bearing shell of the valve unit is preferably integrated into the housing (i.e., fixed in or integral with the housing).
  • FIG. 1 shows an embodiment of an exhaust gas turbocharger according to the invention in a partially sectioned, perspective view
  • FIG. 2 shows the valve unit of the exhaust-gas turbocharger according to FIG. 1 in a front view
  • FIG. 3 shows a part of the valve unit according to FIG. 2 in a perspective illustration
  • Fig. 4 a plate spring of the valve unit of FIG. 2;
  • FIG. 5 shows a first embodiment of a bearing shell for possible use in one
  • FIG. 6 shows a second embodiment of a bearing shell for possible use in one
  • the embodiment of the exhaust gas turbocharger according to the invention shown in FIG. 1 comprises a turbine 10 and a compressor 12.
  • the turbine 10 comprises a
  • Turbine housing 16 which forms a turbine inlet channel 18, a turbine outlet channel 20 and a turbine chamber 22, which merge into each other in a fluid-conducting manner.
  • Turbine space 22 is a turbine wheel 24 rotatably mounted. Exhaust discharged from an internal combustion engine (not shown) may flow into the turbine chamber 22 via the turbine inlet passage 18 where it rotatively drives the turbine runner 24. After the flow around the turbine runner 24, the exhaust gas flows via the turbine outlet passage 20.
  • the rotation of the turbine runner 24 is transmitted via a (non-visible) shaft to a (non-visible) compressor impeller, which is rotatably mounted in a compressor chamber of the compressor 12.
  • a compressor impeller By rotating the compressor impeller, fresh gas supplied to the compressor via a (not visible) compressor inlet passage can be compressed.
  • the compressed fresh gas can then be discharged via a compressor outlet channel 26 and fed to the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the exhaust gas turbocharger has a so-called wastegate system. Through the wastegate system, a defined portion of the exhaust gas supplied to the exhaust gas turbocharger can be guided past the turbine runner 24.
  • the wastegate system comprises a valve unit with a valve element 28 which, depending on the position of the valve unit, more or less closes a bypass channel of the wastegate system. Furthermore, the wastegate system comprises a multi-part actuating element. This comprises a bearing shaft 30, at one end of which one end of a valve arm 32 is secured against rotation. The other end of the valve arm 32 is connected to the valve element 28. At the other end of the bearing shaft 30, one end of an actuating arm 34 is rotatably attached. The bearing shaft 30 is rotatably supported within a tubular bearing shell 36. The bearing shell 36 itself is arranged in a bearing bore of the turbine housing 16.
  • the wastegate system further comprises an adjusting device 38.
  • This comprises an actuator, for example, pneumatically or electrically actuated, which translates an actuator piston 40 as a function of a control signal, which is supplied for example by a motor control.
  • This actuator piston 40 is rotatably connected at its free end to the other end of the actuating arm 34. A translational movement of the actuator piston 40 leads to a pivoting movement of the actuating arm 34, wherein the
  • Bearing shaft 30 serves as a rotation axis of this pivoting movement.
  • the rotation of the bearing shaft 30 leads to a corresponding pivoting of the valve arm 32 and thus to a more or less wide lifting of the valve element 28 from its valve seat.
  • the width of the thus released annular gap between the valve element 28 and the valve seat defines the amount of exhaust gas carried over the bypass passage.
  • the bearing of the actuating element in the bearing shell 36 should be as free of play as possible.
  • the backlash should also be achieved over the wide range of temperatures which the exhaust-gas turbocharger can have, in particular on the turbine side during operation.
  • the actuating element by means of two disc springs 42 axially (relative to the longitudinal axis of the bearing shaft 30) is braced against the bearing shell 36.
  • the plate springs 42 are arranged under prestress between the end faces of the bearing shell 36 and the valve arm 32 or the actuating arm 34.
  • the plate springs 42 can compensate for different thermal elongations of the bearing shell 36 on the one hand and (in particular) the bearing shaft 30 on the other hand.
  • the valve unit has a defined leak.
  • the two disc springs 42 are each provided with two radially extending beads 44. Exhaust gas, which flows out of the bypass passage into the turbine outlet passage 18 when the valve element 28 is open via the beads 44 of the plate bushes 36 clamped between the bearing shell 36 and the actuation element, can firstly pass into the annular gap which extends between the valve seat
  • Bearing shell 36 and the bearing shaft 30 is formed, flow and flow from there via the beads 44 from the exhaust gas turbocharger.
  • the inside of the bearing shell 36 and / or the outside of the bearing shaft 30 at least one recess which extends along the annular gap formed between the bearing shell 36 and bearing shaft 30 and extends axially from the inner to the outer end.
  • This at least one depression can be straight or curved, e.g. run helically along the inside or the outside. In this way, a controlled predetermined leakage of the valve unit of the wastegate is additionally supported.
  • Embodiment according to FIG. 5 four radially extending recesses 14 are provided per contact surface and, in the embodiment according to FIG. 6, a spiral-shaped or curved depression 14 is provided.
  • a spiral-shaped or curved depression 14 is provided.

Abstract

Eine Ventileinheit für ein Wastegatesystem eine Abgasturboladers umfasst ein Ventilelement (28), ein Betätigungselement für das Ventilelement (28) und eine Lagerschale (36), in der das Betätigungselement drehbeweglich gelagert ist, wobei das Betätigungselement mittels eines Federelements in axialer Richtung gegen die Lagerschale (36) beaufschlagt ist. Im Bereich einer gegeneinander beaufschlagten Kontaktflächenpaarung von Lagerschale (36) und Betätigungselement ist ein Durchtritt für Abgas vorgesehen.

Description

Beschreibung
Ventileinheit für ein Wastegatesystem und Abgasturbolader
Die Erfindung betrifft eine Ventileinheit für ein Wastegatesystem und einen ein solches
Wastegatesystem umfassenden Abgasturbolader.
Abgasturbolader dienen der Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung von
Verbrennungsmotoren, indem den Brennräumen der Verbrennungsmotoren ein verdichtetes Brennstoff-Luft-Gemisch zugeführt wird. Dadurch kann die Füllung der Brennräume verbessert und eine größere Menge Brennstoff je Arbeitstakt verbrannt werden.
Abgasturbolader umfassen eine Turbine mit einem Turbinenlaufrad, das von einem
Abgasstrom, der von einem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, angeströmt und dadurch drehend angetrieben wird. Die Drehbewegung überträgt das Turbinenlaufrad mittels einer Welle auf ein Verdichterlaufrad. Die Drehung des Verdichterlaufrads sorgt für die Druckerhöhung des dem Verbrennungsmotor zugeführten Frischgases. Die Verdichterleistung hängt somit prinzipiell direkt von der Enthalpie des Abgasstroms ab, wobei jedoch nicht immer die tatsächliche gewünschte Verdichterleistung mit dem gerade anliegenden Abgasstrom korreliert.
Es ist daher bekannt, die Verdichterleistung durch die Integration von Steuerungsmitteln dem jeweiligen Bedarf anzupassen. Weit verbreitet ist die Integration eines sogenannten
Wastegates. Hierbei handelt es sich um einen steuerbaren oder regelbaren Bypass, über den ein Teil des Abgases an der Turbine vorbeigeführt werden kann. Zur Steuerung oder Regelung des über das Wastegate geführten Abgasstroms kommt regelmäßig ein Ventilelement zum Einsatz, der in Abhängigkeit seiner Stellung den Bypassquerschnitt mehr oder weniger freigibt. Die Betätigung des Ventilkörpers erfolgt mittels eines Aktors. Dieser ist jedoch zumeist abseits der Turbine angeordnet und beispielsweise in den Verdichterteil des Abgasturboladers integriert, um dessen thermische Belastung gering zu halten. Die Betätigung des Ventilelements durch den Aktor erfolgt dann mittels eines Betätigungselements. Das Betätigungselement kann dazu einen Lagerungsabschnitt umfassen, der in einer in das Gehäuse des Abgasturboladers integrierten Lagerschale drehbeweglich gelagert ist und sich mit einem Ende in den Bypass des Wastegatesystems erstreckt. An diesem Ende kann ein Betätigungsabschnitt befestigt sein, der sich in radialer Richtung von dem Lagerabschnitt erstreckt und an dessen Ende das
Ventilelement befestigt ist. Durch eine Drehung des Lagerabschnitts des Betätigungselements wird somit das Ventilelement bewegt. Die Drehbewegung kann mittels eines Aktorabschnitts des Betätigungselements bewirkt werden, das sich an dem anderen, sich außerhalb des Gehäuses des Abgasturboladers befindlichen Ende des Lagerabschnitts befestigt ist und sich ebenfalls in radialer Richtung dazu erstrecken kann. Eine translatorische Bewegung des Aktorabschnitts durch den Aktor wird somit in eine Drehbewegung des Lagerabschnitts und diese dann wieder in eine translatorische Bewegung des Ventilelements übersetzt.
Für eine präzise Steuerung beziehungsweise Regelung des über das Wastegate geführten Abgasstroms ist erforderlich, dass die Aktorbewegung weitgehend spielfrei auf das
Ventilelement übertragen wird. Um diese Spielfreiheit im Bereich der Lagerung des
Betätigungselements in der Lagerschale des Gehäuses zu erreichen, ist bekannt, den
Lagerabschnitt auf einer Seite der Lagerschale durch ein Federelement in axialer Richtung zu beaufschlagen, wozu eine Paarung aus einer Kontaktfläche der Lagerschale und einer Kontaktfläche des Betätigungselements gegeneinander gedrückt werden. Diese
Federbeaufschlagung bewirkt die gewünschte Spielfreiheit der Lagerung in axialer Richtung, ermöglicht aber gleichzeitig, unterschiedliche, thermisch bedingte Längungen von Lagerschale und Betätigungselement zuzulassen.
Ein solcher Abgasturbolader mit Wastegatesystem ist aus der EP 1 644 625 B1 bekannt. Dort ist das Federelement auf der außerhalb des Gehäuses liegenden Seite der Lagerschale angeordnet, während in der Kontaktstelle auf der innenliegenden Seite der Lagerschale zwei Dichtungsscheiben vorgesehen sind, die infolge der Federbelastung gegeneinander gedrückt werden. Als zusätzlichen Vorteil dieser Ausgestaltung wird in der EP 1 644 625 B1 die besonders gute Abdichtung angegeben, wodurch ein Austritt von Abgas aus dem Gehäuse des Abgasturboladers über die Lagerung des Betätigungselements vermieden werden kann.
Einer solchen Verbesserung der Abdichtung in einem vergleichbar ausgebildeten
Wastegatesystem widmen sich auch die JP 05248253 A und die JP 08334030 A. Dort ist vorgesehen, die unterschiedliche, thermisch bedingte Längung von Lagerschale und
Betätigungselement auszunutzen, um bei betriebswarmem Abgasturbolader einen
ausreichenden Anpressdruck der zwei Dichtungsscheiben zu bewirken. Eine axiale
Federbelastung der Lagerung des Betätigungselements in dem Gehäuse des Abgasturboladers ist dort nicht vorgesehen. Nachteilig an diesem bekannten System ist aber, dass der
Anpressdruck in den Dichtungen und damit die Dichtwirkung sowie der Reibungswiderstand und der Verschleiß der Lagerung des Betätigungselements direkt von dem jeweiligen
Temperaturniveau im Bereich der Turbine des Abgasturboladers abhängt, das jedoch auch bei betriebswarmer Brennkraftmaschine lastabhängig erheblichen Schwankungen unterliegt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte oder alternative Ventileinheit für ein Wastegatesystem eines Abgasturboladers anzugeben. Insbesondere sollte eine solche Ventileinheit angegeben werden, die trotz einer Spielfreiheit über einen weiten Einsatztemperaturbereich ein Undichtigkeit im Bereich der Lagerung des Betätigungselements zulässt.
Diese Aufgabe wird durch eine Ventileinheit für ein Wastegate gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Ein eine solche Ventileinheit umfassender Abgasturbolader ist Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 6.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Spielfreiheit der Lagerung des
Betätigungselements in der Lagerschale des Gehäuses in Kombination mit einer Kompensation unterschiedlicher, thermisch bedingter Längungen von Betätigungselement und Lagerschale am besten durch eine axiale Federbeaufschlagung erreicht werden kann, wie dies grundsätzlich aus EP 1 644 625 B1 bekannt ist. Eine weitere, der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis ist, dass eine solche axiale Federbeaufschlagung zwangsläufig zu einer weitgehenden Dichtigkeit der Lagerung führt, indem zwischen dem Betätigungselement und der Lagerschale eine Abstützung bzw. ein Anschlag ausgebildet sein muss, die/der der Federbeaufschlagung entgegenwirkt. Dies gilt insbesondere, wenn die Federbeaufschlagung, wie in der
EP 1 644 625 B1 vorgesehen, durch eine Scheibenfeder erzeugt wird. In vielen Fällen sind zusätzliche Dichtscheiben, wie sie in der EP 1 644 625 B1 im Bereich des Abstützung vorgesehen sind, für die Erzielung einer guten Abdichtung nicht erforderlich (Diese können vielmehr das Verschleißverhalten positiv beeinflussen. Ein Grundgedanke der Erfindung ist zudem, dass eine Undichtigkeit im Bereich der Lagerung des Betätigungselements nicht nur unproblematisch ist, sondern auch Vorteile aufweisen kann.
Grundgedanke der Erfindung ist daher, eine Lagerung des Betätigungselements einer gattungsgemäßen Ventileinheit dahingehend abzuändern, dass trotz der axialen
Federbeaufschlagung, deren Beibehaltung für eine gute Spielfreiheit und die Kompensation unterschiedlicher, thermisch bedingter Längungen sinnvoll ist, eine gewisse insbesondere vorbestimmte Undichtigkeit in dem Wastegatesystem erzielt werden soll.
Eine gattungsgemäße Ventileinheit für ein Wastegatesystem , die (mindestens) ein
Ventilelement, (mindestens) ein Betätigungselement für das Ventilelement und (mindestens) eine Lagerschale, in der das Betätigungselement drehbeweglich gelagert ist, umfasst, wobei das Betätigungselement mittels (mindestens) eines Federelements in axialer Richtung (d.h. in Richtung der Drehachse) gegen die Lagerschale beaufschlagt ist, ist demnach
erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich (mindestens) einer (durch die Federbeaufschlagung) gegeneinander beaufschlagten Kontaktflächenpaarung (mindestens) ein Durchtritt für Abgas vorgesehen ist. Dabei kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Durchtritt dadurch ausgebildet ist, dass zumindest eine der Kontaktflächen (mindestens) eine sich von einem Außenrand der
Kontaktfläche nach innen, d.h. mehr oder weniger, im Wesentlichen radial erstreckende Vertiefung, z.B. in Form einer Nut oder Ausnehmung, aufweist. Der Verlauf der Vertiefung kann dabei geradlinig oder gebogen sein. Alternativ kann auch ein die Undichtigkeit bewirkendes Zwischenelement, wie beispielsweise eine Unterlegscheibe mit Vertiefungen (Nuten) oder eine Zahnscheibe zum Einsatz kommen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventileinheit kann vorgesehen sein, dass das Federelement in Form einer Tellerfeder ausgebildet ist. Vorteile dieser
Ausführungsform können sein: Relativ große Federkräfte bei vergleichsweise kleinem
Einbauraum für das Federelement; ein wählbare und ggf. auch anpassbare Federkennlinie (linear, degressiv oder sogar progressiv); eine vergleichsweise hohe Lebensdauer auch bei dynamischen Belastungen, was dem Einsatz in einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs entgegenkommt. Eine Wellfederscheibe kann eine bevorzugte Alternative zu einer Tellerfeder darstellen.
Im Hinblick auf die erfindungsgemäß angestrebte Undichtigkeit der Lagerung des
Betätigungselements der Ventileinrichtung kann die charakteristische Form einer Tellerfeder mit kegeliger oder konischer Ringschale nachteilig sein, da diese durch eine beidseitig geschlossen ringförmige Anlage an den Bauteilen, an denen sich diese abstützt, eine vergleichsweise gute Dichtwirkung aufweist. Um eine Undichtigkeit des Wastegates zu erreichen, die eine
entsprechende Undichtigkeit der Lagerung des Betätigungselements beidseitig der Lagerschale voraussetzen kann, kann daher vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass auch die Tellerfeder (mindestens) einen Durchtritt für Abgas aufweist, der insbesondere in Form einer sich von einem Innenrand bis zu einem Außenrand der Tellerfeder erstreckenden Vertiefung, z.B. in Form einer Sicke, vorgesehen sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Tellerfeder aber beispielsweise auch (mindestens) eine Durchgangsöffnung in ihrer Ringschale aufweisen. Weiterhin kann auch vorgesehen sein, dass eine Vertiefung in einer oder beiden
Kontaktflächen, an denen die Tellerfeder abgestützt ist, einen Durchtritt für das Abgas ausbildet.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ventileinheit kann weiterhin vorgesehen sein, dass beidseitig d.h. am inneren und am äußeren Ende der
Lagerschale jeweils ein Federelement, vorzugsweise zwischen der Lagerschale und dem Betätigungselement, abgestützt ist. Dadurch kann auf einfache Weise ein relativ großer Ausgleichsweg für unterschiedliche, thermisch bedingte Längungen geschaffen werden. Auch kann auf diese Weise vergleichsweise einfach die gewünschte Undichtigkeit beidseitig der Lagerschale erreicht werden, ohne dass hierzu z.B. Vertiefungen bzw. Nuten in die
Kontaktflächen eingebracht werden müssten. Vielmehr können entsprechende Undichtigkeiten gewährleistende Federelemente, wie die bereits genannten Tellerfedern mit Vertiefung oder Durchgangsöffnung oder aber auch z.B. herkömmliche Schraubenfedern genutzt werden.
Ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader umfasst (zumindest) ein (ein- oder mehrteiliges) Gehäuse, (mindestens) eine innerhalb eines Turbinenraums des Gehäuses drehend gelagerte Turbine, (mindestens) einen Einlass zur Zufuhr von Abgas in den Turbinenraum und einen Auslass zur Abfuhr des Abgases aus dem Turbinenraum sowie ein Wastegate für das Abgas zur Umgehung des Turbinenraums, wobei die Menge des über das Wastegatesystem geführten Abgases mittels einer erfindungsgemäßen Ventileinheit regelbar ist. Dabei ist die Lagerschale der Ventileinheit vorzugsweise in das Gehäuse integriert (d.h. in dem Gehäuse befestigt oder integral in diesem ausgebildet).
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 : eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers in einer teilweise geschnittenen, perspektivischen Darstellung;
Fig. 2: die Ventileinheit des Abgasturboladers gemäß Fig. 1 in einer Vorderansicht;
Fig. 3: einen Teil der Ventileinheit gemäß Fig. 2 in einer perspektivischen Darstellung;
Fig. 4: eine Tellerfeder der Ventileinheit gemäß Fig. 2;
Fig. 5: eine erste Ausführungsform einer Lagerschale zur möglichen Verwendung in einer
Ventileinheit gemäß den Fig. 2 und 3; und
Fig. 6: eine zweite Ausführungsform einer Lagerschale zur möglichen Verwendung in einer
Ventileinheit gemäß den Fig. 2 und 3.
Die in der Fig. 1 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasturboladers umfasst eine Turbine 10 sowie einen Verdichter 12. Die Turbine 10 umfasst ein
Turbinengehäuse 16, das einen Turbineneinlasskanal 18, einen Turbinenauslasskanal 20 sowie einen Turbinenraum 22 ausbildet, die fluidleitend ineinander übergehen. Innerhalb des
Turbinenraums 22 ist ein Turbinenlaufrad 24 drehbar gelagert. Abgas, das aus einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, kann über den Turbineneinlasskanal 18 in den Turbinenraum 22 strömen, wo es das Turbinenlaufrad 24 drehend antreibt. Nach der Umströmung des Turbinenlaufrads 24 strömt das Abgas über den Turbinenauslasskanal 20 ab.
Die Drehung des Turbinenlaufrads 24 wird über eine (nicht sichtbare) Welle auf ein (nicht sichtbares) Verdichterlaufrad übertragen, das in einem Verdichterraum des Verdichters 12 drehbar gelagert ist. Durch die Drehung des Verdichterlaufrads kann Frischgas, das über einen (nicht sichtbaren) Verdichtereinlasskanal dem Verdichter zugeführt wird, verdichtet werden. Das verdichtete Frischgas kann dann über einen Verdichterauslasskanal 26 abgeführt und dem Brennraum des Verbrennungsmotors zugeführt werden.
Zur Leistungsregelung weist der Abgasturbolader ein sogenanntes Wastegatesystem auf. Durch das Wastegatesystem kann ein definierter Anteil des dem Abgasturbolader zugeführten Abgases an dem Turbinenlaufrad 24 vorbeigeführt werden.
Das Wastegatesystem umfasst eine Ventileinheit mit einem Ventilelement 28, das - je nach Stellung der Ventileinheit - einen Bypasskanal des Wastegatesystem mehr oder weniger verschließt. Weiterhin umfasst das Wastegatesystem ein mehrteiliges Betätigungselement. Dieses umfasst eine Lagerwelle 30, an deren einem Ende ein Ende eines Ventilarms 32 drehfest befestigt ist. Das anderen Ende des Ventilarms 32 ist mit dem Ventilelement 28 verbunden. An dem anderem Ende der Lagerwelle 30 ist ein Ende eines Betätigungsarms 34 drehfest befestigt. Die Lagerwelle 30 ist drehbar innerhalb einer rohrförmigen Lagerschale 36 gelagert. Die Lagerschale 36 selbst ist in einer Lagerbohrung des Turbinengehäuse 16 angeordnet.
Das Wastegatesystem umfasst weiterhin eine Stellvorrichtung 38. Diese umfasst einen beispielsweise pneumatisch oder elektrisch betätigten Aktor, der in Abhängigkeit von einem Stellsignal, das beispielsweise von einer Motorsteuerung zugeleitet wird, einen Aktorkolben 40 translatorisch bewegt. Dieser Aktorkolben 40 ist mit seinem freien Ende drehbar mit dem anderen Ende des Betätigungsarms 34 verbunden. Eine translatorische Bewegung des Aktorkolbens 40 führt zu einer Schwenkbewegung des Betätigungsarms 34, wobei die
Lagerwelle 30 als Drehachse dieser Schwenkbewegung dient. Die Drehung der Lagerwelle 30 führt zu einem entsprechenden Verschwenken des Ventilarms 32 und damit zu einem mehr oder weniger weiten Abheben des Ventilelements 28 von seinem Ventilsitz. Die Breite des so freigegebenen Ringspalts zwischen dem Ventilelement 28 und dem Ventilsitz definiert die Menge des über den Bypasskanal geführten Abgases. Um den Verschleiß sowie das Betriebsgeräusch des Ventilsystems gering zu halten, sollte die Lagerung des Betätigungselements in der Lagerschale 36 möglichst spielfrei sein. Dabei soll die Spielfreiheit auch über den großen Bereich der Temperaturen, die der Abgasturbolader insbesondere auf der Turbinenseite im Betrieb aufweisen kann, erreicht werden. Hierzu ist vorgesehen, dass das Betätigungselement mittels zwei Tellerfedern 42 axial (bezogen auf die Längsachse der Lagerwelle 30) gegen die Lagerschale 36 verspannt wird. Dabei sind die Tellerfedern 42 unter Vorspannung zwischen den Stirnseiten der Lagerschale 36 und dem Ventilarm 32 beziehungsweise dem Betätigungsarm 34 angeordnet. Die Tellerfedern 42 können unterschiedliche thermische Längungen der Lagerschale 36 einerseits und (insbesondere) der Lagerwelle 30 andererseits kompensieren.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Ventileinheit eine definierte Undichtigkeit aufweist. Hierzu sind die beiden Tellerfedern 42 jeweils mit zwei radial verlaufenden Sicken 44 versehen. Über die Sicken 44 der zwischen der Lagerschale 36 und dem Betätigungselement verspannten Tellerfedern 42 kann Abgas, das bei geöffnetem Ventilelement 28 aus dem Bypasskanal in den Turbinenauslasskanal 18 strömt, zunächst in den ringförmigen Spalt, der zwischen der
Lagerschale 36 und der Lagerwelle 30 ausgebildet ist, strömen und von dort über die Sicken 44 aus dem Abgasturbolader abströmen.
In einer Weiterentwicklung kann die Innenseite der Lagerschale 36 und/oder die Außenseite der Lagerwelle 30 wenigstens eine Vertiefung, welche sich entlang des zwischen Lagerschale 36 und Lagerwelle 30 gebildeten ringförmigen Spalts verläuft und sich axial vom inneren zum äußeren Ende erstreckt. Diese wenigstens eine Vertiefung kann gradlinig oder gekrümmt, z.B. helixförmig entlang der Innenseite bzw. der Außenseite verlaufen. Auf diese Weise wird eine kontrolliert vorbestimmte Undichtigkeit der Ventileinheit des Wastegates zusätzlich unterstützt.
Zusätzlich oder alternativ zu der mittels der Sicken 44 eingebrachten Undichtigkeit kann auch vorgesehen sein, diejenigen Kontaktflächen der Lagerschale 36, des Betätigungsarms 34 und/oder des Ventilarms 32, an denen die Tellerfedern 42 anliegen, mit von innen nach außen verlaufenden Vertiefungen 14 (z.B. Nuten) zu versehen, wie dies in den Fig. 5 und 6 in zwei Ausführungsformen für die Kontaktflächen der Lagerschale 36 dargestellt ist. Bei der
Ausführungsform gemäß der Fig. 5 sind je Kontaktfläche vier radial verlaufende Vertiefungen 14 und bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 6 eine spiralförmig bzw. gekrümmt verlaufende Vertiefung 14 vorgesehen. Selbstverständlich sind aber auch andere Vertiefungsverläufe und beliebige Anzahlen der Vertiefungen möglich. Bezugszeichenliste Turbine
Verdichter
Vertiefung
Turbinengehäuse
Turbineneinlasskanal
Turbinenauslasskanal
Turbinenraum
Turbinenlaufrad
Verdichterauslasskanal
Ventilelement
Lagerwelle
Ventilarm
Betätigungsarm
Lagerschale
Stellvorrichtung
Aktorkolben
Tellerfeder
Sicke

Claims

Patentansprüche
Ventileinheit für ein Wastegatesystem , mit einem Ventilelement (28), einem
Betätigungselement für das Ventilelement (28) und einer Lagerschale (36), in der das Betätigungselement drehbeweglich gelagert ist, wobei das Betätigungselement mittels eines Federelements in axialer Richtung gegen die Lagerschale (36) beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich einer gegeneinander beaufschlagten
Kontaktflächenpaarung ein Durchtritt für Abgas vorgesehen ist.
Ventileinheit gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Kontaktflächen eine sich von einem Außenrand nach innen erstreckende Vertiefung (14) aufweist.
Ventileinheit gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
Federelement in Form einer Tellerfeder (42) ausgebildet ist.
Ventileinheit gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tellerfeder (42) eine sich von einem Innenrand bis zu einem Außenrand erstreckende Vertiefung aufweist.
Ventileinheit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig der Lagerschale (36) jeweils ein Federelement zwischen der Lagerschale (36) und dem Betätigungselement abgestützt ist.
Abgasturbolader mit einem Gehäuse sowie einem innerhalb eines Turbinenraums (22) des Gehäuses drehend gelagerten Turbinenlaufrads (24), einem Einlass zur Zufuhr von Abgas in den Turbinenraum (22) und einem Auslass zur Abfuhr des Abgases aus dem Turbinenraum (22) sowie einem Wastegatesystem für das Abgas zur Umgehung des Turbinenraums (22), wobei die Menge des über das Wastegatesystem geführten Abgases mittels einer Ventileinheit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche steuerbar ist.
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