WO2016156310A1 - Wastegateventilsystem, abgasturbolader, brennkraftmaschine und kraftfahrzeug - Google Patents

Wastegateventilsystem, abgasturbolader, brennkraftmaschine und kraftfahrzeug Download PDF

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WO2016156310A1 PCT/EP2016/056790 EP2016056790W WO2016156310A1 WO 2016156310 A1 WO2016156310 A1 WO 2016156310A1 EP 2016056790 W EP2016056790 W EP 2016056790W WO 2016156310 A1 WO2016156310 A1 WO 2016156310A1
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exhaust gas
shaft
lever
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Matthias TOMECKI
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Volkswagen AG
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    • F16K1/18—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces with pivoted closure-members with pivoted discs or flaps
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    • F16K1/2007—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces with pivoted closure-members with pivoted discs or flaps with axis of rotation arranged externally of valve member specially adapted operating means therefor
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • Wastegateventilsystem exhaust gas turbocharger, internal combustion engine and motor vehicle
  • the invention relates to a wastegate valve system, an exhaust gas turbocharger with such a wastegate valve system, an internal combustion engine with such an exhaust gas turbocharger and a motor vehicle with such an internal combustion engine.
  • Exhaust gas turbochargers are used to increase the performance of internal combustion engines by fresh gas, the combustion chambers of an internal combustion engine of the internal combustion engine is supplied and is to be burned therein with fuel is compressed. As a result, the mass of the fresh gas which can be introduced into the individual combustion chambers for a combustion process and thereby also the amount of fuel to be reacted with this fresh gas during the combustion can be increased.
  • a compressor which is driven in rotation by a turbine of the exhaust gas turbocharger.
  • the turbine itself is flowed through by the exhaust gas which arises during the combustion of the fuel fresh-gas mixture in the combustion chambers and is driven in rotation.
  • waste gates For boost pressure control and to avoid overloading exhaust gas turbochargers during operation of the internal combustion engine under full load and at high speeds, are integrated into these so-called waste gates.
  • These are controllable bypasses by means of which the respective turbine wheels can be bypassed for the exhaust gas flows.
  • the size of the exhaust gas flows conducted via the bypasses can be regulated in order to limit the amount of admission of the turbine wheels to the exhaust gas streams.
  • Wastegate valves are actuated, outside of the exhaust gas flowed through the interiors of the exhaust gas turbocharger and also usually located in the region of the compressor.
  • An actuation of the wastegate valves then takes place by means of transmission means, which generally comprise a rotatably mounted in a housing opening shaft and two, at opposite ends of the shaft rotatably mounted on this lever, said one lever, spaced from the shaft, carries the valve body of the wastegate valve while the other lever, too spaced from the shaft, is connected to an actuating rod of an actuator.
  • a movement of the actuating rod of the actuator is thus translated into a rotational movement of the shaft, which in turn leads to a movement of the valve body in a part-circular path.
  • exhaust gas turbochargers are operated within a fairly wide temperature range and usually the shaft on the one hand and a bearing shell for the shaft forming housing of the exhaust gas turbocharger on the other hand usually made of different materials, the bearing of the shaft is dimensioned within this bearing shell regularly with a relatively large game to ensure rotation within the entire temperature range.
  • linear contact which is opposite to a line-shaped (or areal) contacting with a locally significantly increased wear.
  • valve body of a wastegate valve is fixed between two bearing points on the valve shaft such that the forces exerted by the actuator on the valve shaft on the one hand and the valve body due to the exhaust pressure
  • the forces exerted on the valve shaft are oppositely directed in the bearing points, which is intended to reduce the friction in the bearing points. It is provided to press the valve body by the exercise of a tensile force by means of the adjusting device on the associated valve seat. The forces which are exerted on the one hand by the adjusting device on the corresponding lever and on the other hand by the valve seat as a reaction force on the valve body, are aligned approximately opposite.
  • a wastegate valve system in which the forces which are exerted on the one hand by an adjusting device for pressing a valve body on a valve seat on a first end of a first lever and on the other hand as a reaction force As a result of this pressing of a valve seat on the valve body and exerted by this on a first end of a second lever, are aligned at an angle of 90 °.
  • the respective second ends of the levers are interconnected in the region of a pivot bearing.
  • a wastegate valve system in which the forces exerted on the one hand by an actuator for pressing a valve body on a valve seat on a first end of a first lever and on the other hand as reaction force due to this An ensues from a valve seat on the valve body and exerted by this on a first end of a second lever, approximately the same, ie pointing in the same direction and parallel to each other, are aligned.
  • the respective second ends of the levers are connected to each other via a pivot pin.
  • the present invention seeks to provide a low-wear and at the same time easily trained storage for the shaft of a wastegate valve system.
  • the invention is based on the finding that the increased wear caused skew the valve shaft in a arranged between the two levers bearing shell is due to the fact that the forces on the one hand from the operating rod to the associated lever and from this into the corresponding end of the shaft are introduced to press the valve body on the associated valve seat, and on the other hand arise as reaction forces from this pressing of the valve body and act on the other end of the valve shaft, are generally aligned opposite, whereby the shaft with a torque about a radial axis (perpendicular to the longitudinal axis axis) is loaded, which leads to the skewing of the shaft within the bearing shell.
  • reaction forces in the case of the regularly occurring design of wastegates with the outlet side of the bypass and in the flow direction of the bypass Exhaust gas flow opening wastegate valve still resulting from the pressure of the exhaust gas on the valve body forces.
  • the space available for the integration of the wastegate valve system in an exhaust gas turbocharger may under certain circumstances prevent such an alignment of these forces, which is as rectilinear as possible.
  • the advantage according to the invention always arises when the forces considered here, which are introduced into the shaft at two spaced apart locations, are not aligned exactly opposite one another. Particularly pronounced is the advantage of the invention, if these forces have at least equal components and thus - with the same basic orientation - an angle smaller than 90 ° is formed between their reference lines.
  • Valve shaft attacks wherein the valve shaft (preferably exclusively) is rotatably mounted in a region between the first end portion and the second end portion, according to the invention characterized in that the force exerted by the adjusting device on the second lever for pressing the valve body on the valve seat on the one hand and the by this pressing of the valve seat on the valve body exerted reaction force on the other hand at an angle less than 180 °, preferably less than 90 ° and further advantageous less than 45 ° are aligned.
  • the most advantageous storage of the valve shaft is obtained when these forces are as possible rectified, ie pointing in the same direction and aligned parallel, are.
  • angle is understood to be the smallest angle included in the lines of action of the forces, provided that these lines of effect do not intersect, this applies to the projection of the lines of action into the corresponding plane.
  • Such a wastegate valve system according to the invention can be implemented in a constructively advantageous manner if it is provided that a pressure force is to be exerted on the second lever by the adjusting device for pressing the valve body onto the valve seat. This can be advantageous in particular with regard to the installation space to be provided for the wastegate valve system
  • a structurally simple and thus cost-effective storage for the valve shaft can be achieved in that it is rotatably mounted between the first end portion and the second end portion in a bearing opening of the housing. It can also be provided that the bearing opening of the housing is formed by a bearing sleeve, which may be formed with respect to a base housing made of a different material that may be selected in particular with regard to the storage function. In this case, the bearing sleeve can be detachably or non-detachably integrated into the basic housing.
  • An exhaust gas turbocharger comprises at least one turbine, a compressor which can be driven by the turbine and, furthermore, a bypass as required
  • Turbine impeller of the turbine provided by-pass, wherein the bypass is controllable by means of a wastegate valve system according to the invention with respect to the leading to the bypass subset of the available exhaust gas flow.
  • the housing of the wastegate valve system according to the invention can preferably be integrated in a housing of the exhaust gas turbocharger.
  • Such an exhaust gas turbocharger also characterizes an internal combustion engine according to the invention. This further comprises at least one internal combustion engine, the one or more
  • Forms combustion chambers, as well as a fresh gas line, via the fresh or the combustion chambers can be supplied fresh gas, and an exhaust system, via the exhaust gas from the or Combustion chambers can be discharged, wherein the compressor of the exhaust gas turbocharger in the fresh gas line and the turbine of the exhaust gas turbocharger are integrated into the exhaust system.
  • the invention also relates to a motor vehicle, in particular a wheel-based motor vehicle (preferably a car or truck), with an internal combustion engine according to the invention.
  • the internal combustion engine can be provided in particular for (direct or indirect) provision of the traction drive power for the motor vehicle.
  • Components are thus to be understood that they are present at least once and may be present more than once.
  • FIG. 1 shows schematically an internal combustion engine according to the invention
  • Fig. 2 an exhaust gas turbocharger according to the invention, as it is for example in a
  • FIG. 3 shows a detail of a horizontal section through the exhaust-gas turbocharger according to FIG. 2;
  • Fig. 4 schematically the resulting from the inventive design of a
  • Fig. 5 in comparison, the corresponding storage of a valve shaft of a
  • Fig. 6 an inventive motor vehicle.
  • the internal combustion engine shown schematically in FIG. 1 comprises a
  • Internal combustion engine 10 This is designed for example as four-cylinder, operated according to the diesel or petrol principle reciprocating internal combustion engine.
  • the internal combustion engine 10 is supplied via a fresh gas train fresh gas, which is used in combustion chambers, which are bounded by the cylinders 12 in conjunction with the piston guided therein and down and a cylinder head (not shown) for the combustion of directly injected fuel.
  • the resulting during combustion exhaust gas is removed via an exhaust line.
  • a turbine 14 of an exhaust gas turbocharger is integrated.
  • a turbine runner (not shown) of the turbine 14 is rotatably driven by the exhaust gas flow, this rotation via a shaft 16 to a compressor wheel (not shown) of one of the
  • Fresh gas train integrated compressor 18 of the exhaust gas turbocharger is transmitted.
  • the rotation of the compressor impeller causes a compression of the fresh gas and thus an increase in the mass of convertible into the combustion chambers fresh gas.
  • the filling of the combustion chambers and thus the achievable performance of the internal combustion engine 10 improves.
  • a charge air cooler 20 is provided, which cools the compressed fresh gas.
  • the exhaust gas turbocharger also has a wastegate 22. This includes a the
  • Turbine wheel bypass bypass 24 and a wastegate valve system 26 according to the invention with a valve body 28, by means of which the downstream outlet opening of the bypass 24 is more or less closed (see Fig. 3), and a
  • Such an inventive wastegate valve system 26 is shown in more detail in FIGS. 2 and 3 in the composite of an exhaust gas turbocharger according to the invention, as can be used in an internal combustion engine according to FIG. 1.
  • the exhaust-gas turbocharger shown in FIGS. 2 and 3 comprises a multi-part housing 30 within which a compressor impeller (not visible), a turbine impeller (not visible) and a shaft rotatably connected to the turbine impeller (not visible) are rotatably mounted.
  • An inlet flange 32 of a turbine housing part 34 of the housing 30 forms an inlet and an outlet flange 36 an outlet for an exhaust gas stream, which flows through the turbine wheel during the flow through the turbine housing part 34 and thereby drives it in rotation. This rotation is transmitted by means of the shaft to the compressor impeller, which leads to a compression of a fresh gas flow, the one
  • Compressor housing part 38 starting from one of an inlet port 40 of the Compressor housing part 38 formed inlet flows through to an outlet formed by an outlet 42 of the compressor housing part 38 outlet.
  • a bypass 24 integrated into the turbine housing part 34 connects the inlet to the outlet of the turbine, bypassing the turbine runner.
  • the outlet opening of the bypass 24 can be closed by means of a flap-shaped valve body 28 (compare FIG. 3).
  • Valve body 28 is connected via a first lever 44 with a first end portion 46 a
  • Valve shaft 48 is connected, wherein the first lever 44 and the valve shaft 48 are integrally formed.
  • a second lever 52 is rotatably connected. This second lever 52 serves to articulate an actuating rod 54 of an adjusting device 56 through which the valve body 28 is pressed either to close the bypass 24 to a valve seat 66 surrounding the outlet opening of the bypass 24 or more or less lifted from this valve seat 66 to defined Flowing subsets of the exhaust gas flow from the inlet into the outlet of the turbine, bypassing the turbine runner.
  • valve shaft 48 is rotatably mounted within a bearing opening of the turbine housing part 34.
  • This bearing opening is formed by a tubular bearing sleeve 58, which in turn is mounted in a receiving opening of a base housing of the turbine housing part 34 (see Fig. 3).
  • the bearing sleeve 58 serves as a bearing shell, within which the valve shaft 48 is rotatably mounted.
  • a compressive force 60 (see Fig. 2) on the second lever 52 by means of the adjusting device 56 and the actuating rod 54 is required.
  • the force with which the valve body 28 is pressed onto the valve seat 66 causes an oppositely directed reaction force which acts on the valve body 28 from the valve seat 66.
  • a pressure force whose level results from the pressure, is added to the reaction force when the valve body 28 rests on the valve seat 66 of the exhaust gas in the region of the inlet as well as the area of the valve body 28 covering the outlet opening.
  • the corresponding total force 62 is also shown in FIG. 2.
  • valve shaft 48 It is shown between the outside of the valve shaft 48 and the inside of the bearing sleeve 58, a relatively large game, as in many cases for the Storage of wastegate valve systems must be provided in order to achieve a rotatability of the valve shaft 48 in the bearing sleeve 58 over the wide temperature range within which exhaust gas turbochargers are operated.
  • FIG. 4 shows that substantially rectified forces 60, 62 (of FIG.
  • Actuator 56 exerted pressure force on the one hand and on the valve body 28 acting total force on the other hand) a linear (extending in the longitudinal direction of the valve shaft 48) or large-area contact of the valve shaft 48 with a portion of the
  • Bearing sleeve 58 can be realized, while in conventional exhaust gas turbochargers, in which the forces are aligned approximately opposite, a skewing of the valve shaft 48 within the bearing bush 58 and thereby a double-point or double-small contact setting (see Fig. 5), the associated with a locally significantly increased wear.
  • FIG. 6 also shows a motor vehicle according to the invention with an internal combustion engine 64, which is provided for providing the traction drive power, for which purpose mechanical power generated by the internal combustion engine 10 is indirectly transmitted (with the interposition of a transmission) to driven wheels of the motor vehicle.
  • the mechanical power of the internal combustion engine 10 can also be used to drive a generator, whereby electrical energy is generated, which is used directly or indirectly (with the interposition of a battery) for driving an electric motor, wherein the electric motor in turn the driven wheels of the motor vehicle can drive.
  • the internal combustion engine 64 of the motor vehicle can be designed, for example, according to FIG. 1.

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Abstract

Ein Wastegateventilsystem für einen Abgasturbolader umfasst ein einen Ventilsitz ausbildendes Gehäuse (30), einen Ventilkörper (28) und eine Betätigungsvorrichtung, durch die der Ventilkörper (28) bedarfsweise auf den Ventilsitz drückbar oder von diesem abhebbar ist, wobei der Ventilkörper (28) über einen ersten Hebel (44) an einem ersten Endabschnitt einer Ventilwelle (48) und eine Stellvorrichtung (56) der Betätigungsvorrichtung über einen zweiten Hebel (52) an einem zweiten Endabschnitt der Ventilwelle (48) angreift, wobei die Ventilwelle (48) in einem Bereich zwischen dem ersten Endabschnitt (46) und dem zweiten Endabschnitt (50) drehbar gelagert ist. Ein solches Wastegateventil (26) ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die von der Stellvorrichtung (56) auf den zweiten Hebel (52) zum Andrücken des Ventilkörpers (28) auf den Ventilsitz ausgeübte Kraft einerseits und die durch dieses Andrücken von dem Ventilsitz auf den Ventilkörper (28) ausgeübte Reaktionskraft andererseits in einem Winkel kleiner 90° zueinander ausgerichtet sind.

Description

Beschreibung
Wastegateventilsystem, Abgasturbolader, Brennkraftmaschine und Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Wastegateventilsystem, einen Abgasturbolader mit einem solchen Wastegateventilsystem, eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Abgasturbolader und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine.
Abgasturbolader dienen der Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen, indem Frischgas, das Brennräumen eines Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine zugeführt und darin mit Kraftstoff verbrannt werden soll, verdichtet wird. Dadurch kann die Masse des für einen Verbrennungsvorgang in die einzelnen Brennräume einbringbaren Frischgases und dadurch auch die Menge des mit diesem Frischgas bei der Verbrennung umzusetzenden Kraftstoffs erhöht werden. Zur Verdichtung des Frischgases dient ein Verdichter, der von einer Turbine des Abgasturboladers rotierend angetrieben wird. Die Turbine selbst wird hierzu von dem Abgas, das bei der Verbrennung des Kraftstoff-Frischgas-Gemisches in den Brennräumen entsteht, durchströmt und dabei rotierend angetrieben.
Zur Ladedruckregelung und um eine Überbelastung von Abgasturboladern bei einem Betrieb der Brennkraftmaschinen unter Volllast und mit hohen Drehzahlen zu vermeiden, werden in diese sogenannte Wastegates integriert. Hierbei handelt es sich um regelbare Bypässe, mittels denen die jeweiligen Turbinenlaufräder für die Abgasströmungen umgehbar sind. Mittels gesteuert zu öffnender Wastegateventile kann die Größe der über die Bypässe geführten Abgasströme geregelt werden, um die Höhe der Beaufschlagung der Turbinenlaufräder mit den Abgasströmen zu begrenzen.
Wegen der teilweise sehr hohen Abgastemperaturen sind die Aktoren, mittels denen
Wastegateventile betätigbar sind, außerhalb der von dem Abgas durchströmten Innenräume des Abgasturboladers und zudem zumeist im Bereich des Verdichters angeordnet. Eine Betätigung der Wastegateventile erfolgt dann mittels Übertragungsmitteln, die in der Regel eine in einer Gehäuseöffnung drehbar gelagerte Welle und zwei, an gegenüberliegenden Enden der Welle drehfest an dieser befestigte Hebel umfassen, wobei der eine Hebel, beabstandet von der Welle, den Ventilkörper des Wastegateventils trägt, während der andere Hebel, ebenfalls beabstandet von der Welle, mit einer Betätigungsstange eines Aktors verbunden ist. Eine Bewegung der Betätigungsstange des Aktors wird so in eine Drehbewegung der Welle übersetzt, die wiederum zu einer Bewegung des Ventilkörpers auf einer teilkreisförmigen Bahn führt.
Da Abgasturbolader innerhalb eines recht großen Temperaturbereichs betrieben werden und in der Regel die Welle einerseits und das eine Lagerschale für die Welle ausbildende Gehäuse des Abgasturboladers andererseits zumeist aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind, ist die Lagerung der Welle innerhalb dieser Lagerschale regelmäßig mit einem relativ großen Spiel dimensioniert, um eine Drehbarkeit innerhalb des gesamten Temperaturbereichs zu gewährleisten. Dies führt bei bekannten Abgasturboladern zu einem Schiefstellen der Welle innerhalb der von dem Gehäuse ausgebildeten oder in das Gehäuse integrierten Lagerschale, wodurch sich die Welle und die Lagerschale an zwei Stellen punktuell (bzw. unter
Berücksichtigung der Elastizität der Bauteile: linienförmig) kontaktieren, was gegenüber einer linienförmigen (bzw. flächigen) Kontaktierung mit einem lokal deutlich erhöhten Verschleiß einhergeht.
Zur Überwindung dieser Problematik ist in der DE 10 2009 048 125 A1 vorgesehen, dass der Ventilkörper eines Wastegateventils derart zwischen zwei Lagerstellen an der Ventilwelle fixiert ist, dass die von der Stellvorrichtung auf die Ventilwelle ausgeübten Kräfte einerseits und die von dem Ventilkörper infolge des Abgasdrucks auf die Ventilwelle ausgeübten Kräfte andererseits in den Lagerstellen entgegengesetzt ausgerichtet sind, wodurch die Reibung in den Lagerstellen reduziert werden soll. Dabei ist vorgesehen, den Ventilkörper durch die Ausübung einer Zugkraft mittels der Stellvorrichtung auf den dazugehörigen Ventilsitz zu drücken. Die Kräfte, die einerseits von der Stellvorrichtung auf den entsprechenden Hebel und andererseits von dem Ventilsitz als Reaktionskraft auf den Ventilkörper ausgeübt werden, sind dabei in etwa entgegengesetzt ausgerichtet.
Die aus der DE 10 2009 048 125 A1 bekannte Lagerung für die Welle eines Wastegate-Ventils ist relativ aufwändig und damit teuer sowie teilweise nur schwierig beziehungsweise unter Inanspruchnahme eines relativ großen Bauraums in das Gehäuse eines Abgasturbolader integrierbar.
In der DE 10 201 1 051 560 A1 ist ein Wastegateventilsystem gezeigt, bei dem die Kräfte, die einerseits von einer Stellvorrichtung zum Andrücken eines Ventilkörpers auf einen Ventilsitz auf ein erstes Ende eines ersten Hebels ausgeübt werden und die andererseits als Reaktionskraft infolge dieses Andrückens von einem Ventilsitz auf den Ventilkörper und von diesem auf ein erstes Ende eines zweiten Hebels ausgeübt werden, in einem Winkel von 90° ausgerichtet sind. Die jeweiligen zweiten Enden der Hebel sind im Bereich eines Drehlagers miteinander verbunden.
Und schließlich ist aus der DE 10 201 1 105 997 A1 ein Wastegateventilsystem bekannt, bei dem die Kräfte, die einerseits von einer Stellvorrichtung zum Andrücken eines Ventilkörpers auf einen Ventilsitz auf ein erstes Ende eines ersten Hebels ausgeübt werden und die andererseits als Reaktionskraft infolge dieses Andrückens von einem Ventilsitz auf den Ventilkörper und von diesem auf ein erstes Ende eines zweiten Hebels ausgeübt werden, in etwa gleich, d.h. in dieselbe Richtung zeigend und parallel zueinander, ausgerichtet sind. Die jeweiligen zweiten Enden der Hebel sind über einen Drehstift miteinander verbunden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine möglichst verschleißarme und gleichzeitig einfach ausgebildete Lagerung für die Welle eines Wastegateventilsystems anzugeben.
Diese Aufgabe wird mittels eines Wastegateventilsystems gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein ein solches Wastegateventilsystem aufweisender Abgasturbolader ist Gegenstand des Patentanspruchs 6 und eine einen solchen Abgasturbolader umfassende Brennkraftmaschine ist Gegenstand des Patentanspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wastegateventilsystems und damit des erfindungsgemäßen Abgasturboladers sowie der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das einen erhöhten Verschleiß bedingte Schiefstellen der Ventilwelle in einer zwischen den beiden Hebeln angeordneten Lagerschale darauf zurückzuführen ist, dass die Kräfte, die einerseits von der Betätigungsstange auf den dazugehörigen Hebel und von diesem in das entsprechende Ende der Welle eingeleitet werden, um den Ventilkörper auf den dazugehörigen Ventilsitz zu drücken, und die sich andererseits als Reaktionskräfte aus diesem Andrücken des Ventilkörpers ergeben und auf das andere Ende der Ventilwelle wirken, in der Regel entgegengesetzt ausgerichtet sind, wodurch die Welle mit einem Drehmoment um eine Radialachse (senkrecht zur Längsachse liegende Achse) belastet wird, die zu dem Schiefstellen der Welle innerhalb der Lagerschale führt. Dabei addieren sich zu diesen Reaktionskräften bei der regelmäßig anzutreffenden Ausgestaltung von Wastegates mit auf der Auslassseite des Bypasses angeordnetem und in Strömungsrichtung des Abgasstroms öffnendem Wastegateventil noch die sich aus dem Druck des Abgases auf den Ventilkörper ergebenden Kräfte.
Ein sich aus dieser Erkenntnis ergebender Grundgedanke der Erfindung ist, dass ein
Schiefstellen der Welle innerhalb der Lagerschale und damit ein lokal erhöhter Verschleiß dadurch vermieden oder zumindest weitgehend verringert werden kann, wenn diese Kräfte nicht mehr entgegengesetzt sondern möglichst gleichgerichtet, d.h. in dieselbe Richtung weisend und parallel ausgerichtet, sind.
Insbesondere der für die Integration des Wastegateventilsystems in einen Abgasturbolader zur Verfügung stehende Bauraum kann unter Umständen eine solche möglichst gleichgerichtete Ausrichtung dieser Kräfte verhindern. Der erfindungsgemäße Vorteil stellt sich jedoch bereits immer dann ein, wenn die hier betrachteten Kräfte, die in die Welle an zwei voneinander beabstandeten Stellen eingeleitet werden, nicht exakt entgegengesetzt ausgerichtet sind. Besonders ausgeprägt ist der erfindungsgemäße Vorteil, wenn diese Kräfte zumindest gleich gerichtete Komponenten aufweisen und somit - bei gleicher Grundausrichtung - zwischen ihren Bezugslinien ein Winkel kleiner 90° ausgebildet ist. Je kleiner dieser Winkel ist, desto geringer wird das durch die Kräfte auf die Ventilwelle ausgeübte Drehmoment, so dass sich in zunehmendem Maße eine linienförmige beziehungsweise (unter Berücksichtigung von Elastizitäten der beteiligten Bauteile) großflächige und sich über eine größtmögliche, idealerweise die gesamte Länge der Lagerung erstreckende Kontaktierung der Ventilwelle mit der Lagerschale anstelle der von gattungsgemäßen Wastegateventilsystemen bekannten doppelten punktuellen beziehungsweise doppelt kleinflächigen Kontaktierung einstellt.
Diesem Grundgedanken folgend ist ein gattungsgemäßes Wastegateventilsystem für einen Abgasturbolader, das zumindest ein einen Ventilsitz ausbildendes Gehäuse, einen Ventilkörper und eine Betätigungsvorrichtung, durch die der Ventilkörper bedarfsweise auf den Ventilsitz drückbar oder von diesem abhebbar ist, aufweist, wobei der Ventilkörper über einen ersten Hebel an einem ersten Endabschnitt einer Ventilwelle und eine Stellvorrichtung der
Betätigungsvorrichtung über einen zweiten Hebel an einem zweiten Endabschnitt der
Ventilwelle angreift, wobei die Ventilwelle (vorzugsweise ausschließlich) in einem Bereich zwischen dem ersten Endabschnitt und dem zweiten Endabschnitt drehbar gelagert ist, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die von der Stellvorrichtung auf den zweiten Hebel zum Andrücken des Ventilkörpers auf den Ventilsitz ausgeübte Kraft einerseits und die durch dieses Andrücken von dem Ventilsitz auf den Ventilkörper ausgeübte Reaktionskraft andererseits in einem Winkel kleiner 180°, vorzugsweise kleiner 90° und weiter vorteilhaft kleiner 45° ausgerichtet sind. Die vorteilhafteste Lagerung der Ventilwelle ergibt sich, wenn diese Kräfte möglichst gleichgerichtet, d.h. in dieselbe Richtung weisend und parallel verlaufend ausgerichtet, sind.
Dabei wird erfindungsgemäß als„Winkel" der kleinste von den Wirkungslinien der Kräfte eingeschlossene Winkel verstanden. Sofern sich diese Wirkungslinien nicht schneiden, gilt dies für die Projektion der Wirkungslinien in die entsprechende Ebene.
Konstruktiv vorteilhaft umsetzbar ist ein solches erfindungsgemäßes Wastegateventilsystem, wenn vorgesehen wird, dass von der Stellvorrichtung zum Andrücken des Ventilkörpers auf den Ventilsitz eine Druckkraft auf den zweiten Hebel auszuüben ist. Dies kann sich insbesondere hinsichtlich des für das Wastegateventilsystem vorzusehenden Bauraums vorteilhaft im
Vergleich zu einer Ausgestaltung, bei der zum Andrücken des Ventilkörpers auf den Ventilsitz eine Zugkraft durch die Stellvorrichtung auf den zweiten Hebel auszuüben ist, auswirken.
Eine konstruktiv einfache und somit kostengünstige Lagerung für die Ventilwelle kann dadurch erreicht werden, dass diese zwischen dem ersten Endabschnitt und dem zweiten Endabschnitt in einer Lageröffnung des Gehäuses drehbar gelagert ist. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Lageröffnung des Gehäuses von einer Lagerhülse ausgebildet ist, die gegenüber einem Grundgehäuse aus einem anderen Material ausgebildet sein kann, dass insbesondere hinsichtlich der Lagerungsfunktion ausgewählt sein kann. Dabei kann die Lagerhülse lösbar oder unlösbar in das Grundgehäuse integriert sein.
Ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader umfasst zumindest eine Turbine, einen von der Turbine antreibbaren Verdichter und weiterhin ein zur bedarfsweisen Umgehung eines
Turbinenlaufrads der Turbine vorgesehenen Bypass, wobei der Bypass mittels eines erfindungsgemäßen Wastegateventilsystems hinsichtlich der über den Bypass zu führenden Teilmenge des zur Verfügung stehenden Abgasstroms steuerbar ist. Das Gehäuse des erfindungsgemäßen Wastegateventilsystems kann dabei vorzugsweise in ein Gehäuse des Abgasturboladers integriert sein.
Ein solcher Abgasturbolader kennzeichnet zudem eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine. Diese umfasst weiterhin zumindest einen Verbrennungsmotor, der einen oder mehrere
Brennräume ausbildet, sowie einen Frischgasstrang, über den dem oder den Brennräumen Frischgas zuführbar ist, sowie einen Abgasstrang, über den Abgas aus dem oder den Brennräumen abführbar ist, wobei der Verdichter des Abgasturboladers in den Frischgasstrang und die Turbine des Abgasturboladers in den Abgasstrang integriert sind.
Die Erfindung betrifft zudem ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes Kraftfahrzeug (vorzugsweise PKW oder LKW), mit einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor. Dabei kann der Verbrennungsmotor insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
Die unbestimmten Artikel („ein",„eine",„einer" und„eines"), insbesondere in den
Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte
Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 : schematisch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine;
Fig. 2: einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader, wie er beispielsweise in einer
Brennkraftmaschine gemäß der Fig. 1 verwendet werden kann;
Fig. 3: einen Ausschnitt eines Horizontalschnitts durch den Abgasturbolader gemäß der Fig. 2;
Fig. 4: schematisch die sich aus der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines
Wastegateventilsystems ergebenden Vorteile für die Lagerung der Ventilwelle;
Fig. 5: im Vergleich dazu die entsprechende Lagerung einer Ventilwelle eines
gattungsgemäßen Wastegateventilsystems; und
Fig. 6: ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.
Die in der Fig. 1 schematisch dargestellte Brennkraftmaschine umfasst einen
Verbrennungsmotor 10. Dieser ist beispielsweise als vierzylindriger, nach dem Diesel- oder Otto-Prinzip betriebener Hubkolben-Verbrennungsmotor ausgebildet. Dem Verbrennungsmotor 10 wird über einen Frischgasstrang Frischgas zugeführt, das in Brennräumen, welche von den Zylindern 12 in Verbindung mit den darin auf und ab geführten Kolben und einem Zylinderkopf (nicht gezeigt) begrenzt sind, zur Verbrennung von direkt eingespritztem Kraftstoff genutzt wird. Das bei der Verbrennung entstandene Abgas wird über einen Abgasstrang abgeführt.
In den Abgasstrang ist eine Turbine 14 eines Abgasturbolader integriert. Ein Turbinenlaufrad (nicht gezeigt) der Turbine 14 wird durch den Abgasstrom rotierend angetrieben, wobei diese Rotation über eine Welle 16 auf ein Verdichterlaufrad (nicht gezeigt) eines in den
Frischgasstrang integrierten Verdichters 18 des Abgasturboladers übertragen wird. Die Rotation des Verdichterlaufrads bewirkt eine Verdichtung des Frischgases und somit eine Erhöhung der Masse des in den Brennräumen umsetzbaren Frischgases. Dadurch verbessert sich die Füllung der Brennräume und damit die erzielbare Leistung des Verbrennungsmotors 10.
Um zu verhindern, dass ein Teil der durch die Verdichtung realisierten Füllungsverbesserung durch die mit der Verdichtung einhergehende Temperaturerhöhung des Frischgases kompensiert wird, ist ein Ladeluftkühler 20 vorgesehen, der das verdichtete Frischgas kühlt.
Der Abgasturbolader weist weiterhin ein Wastegate 22 auf. Dieses umfasst einen das
Turbinenlaufrad umgehenden Bypass 24 sowie ein erfindungsgemäßes Wastegateventilsystem 26 mit einem Ventilkörper 28, mittels dessen die stromabwärts gelegene Auslassöffnung des Bypasses 24 mehr oder weniger verschließbar ist (vgl. Fig. 3), sowie eine
Betätigungsvorrichtung, die eine gesteuerte Bewegung des Ventilkörpers 28 ermöglicht.
Ein solches erfindungsgemäßes Wastegateventilsystem 26 ist detaillierter in den Fig. 2 und 3 im Verbund eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers, wie er bei einer Brennkraftmaschine gemäß der Fig. 1 zum Einsatz kommen kann, gezeigt.
Der in den Fig. 2 und 3 gezeigte Abgasturbolader umfasst ein mehrteiliges Gehäuse 30, innerhalb dessen ein Verdichterlaufrad (nicht sichtbar), ein Turbinenlaufrad (nicht sichtbar) und eine das Verdichterlaufrad drehfest mit dem Turbinenlaufrad verbindende Welle (nicht sichtbar) drehbar gelagert sind. Ein Einlassflansch 32 eines Turbinengehäuseteils 34 des Gehäuses 30 bildet einen Einlass und ein Auslassflansch 36 einen Auslass für einen Abgasstrom aus, der bei der Durchströmung des Turbinengehäuseteils 34 das Turbinenlaufrad durchströmt und dieses dabei rotierend antreibt. Diese Rotation wird mittels der Welle auf das Verdichterlaufrad übertragen, was zu einer Verdichtung eines Frischgasstroms führt, der ein
Verdichtergehäuseteil 38 ausgehend von einem von einem Einlassstutzen 40 des Verdichtergehäuseteils 38 ausgebildeten Einlass zu einem von einem Auslassstutzen 42 des Verdichtergehäuseteils 38 ausgebildeten Auslass durchströmt.
Ein in das Turbinengehäuseteil 34 integrierter Bypass 24 verbindet unter Umgehung des Turbinenlaufrads den Einlass mit dem Auslass der Turbine. Die Auslassöffnung des Bypasses 24 ist mittels eines klappenförmigen Ventilkörpers 28 verschließbar (vgl. Fig. 3). Der
Ventilkörper 28 ist über einen ersten Hebel 44 mit einem ersten Endabschnitt 46 einer
Ventilwelle 48 verbunden, wobei der erste Hebel 44 und die Ventilwelle 48 einstückig ausgebildet sind. An einem zweiten Endabschnitt 50 der Ventilwelle 48 ist ein zweiter Hebel 52 drehfest verbunden. Dieser zweite Hebel 52 dient der Anlenkung einer Betätigungsstange 54 einer Stellvorrichtung 56, durch die der Ventilkörper 28 entweder zum Verschließen des Bypasses 24 auf einen die Auslassöffnung des Bypasses 24 umgebenden Ventilsitz 66 gedrückt oder mehr oder weniger von diesem Ventilsitz 66 abgehoben werden kann, um definierte Teilmengen der Abgasströmung unter Umgehung des Turbinenlaufrads von dem Einlass in den Auslass der Turbine strömen zu lassen.
Im Bereich zwischen den beiden Endabschnitten 46, 50 ist die Ventilwelle 48 innerhalb einer Lageröffnung des Turbinengehäuseteils 34 drehbar gelagert. Diese Lageröffnung ist von einer rohrförmigen Lagerhülse 58 ausgebildet, die wiederum in einer Aufnahmeöffnung eines Grundgehäuses des Turbinengehäuseteils 34 gelagert ist (vgl. Fig. 3). Die Lagerhülse 58 dient als Lagerschale, innerhalb der die Ventilwelle 48 drehbar gelagert ist.
Durch die Ausübung von Zug- oder Druckkräften mittels der Stellvorrichtung 56 und der Betätigungsstange 54 auf die entsprechende Anlenkstelle des zweiten Hebels 52 wird eine Bewegung der Betätigungsstange 54 in eine Drehbewegung der Ventilwelle 48 übersetzt, die wiederum zu einer Bewegung des Ventilkörpers 28 auf einer teilkreisförmigen Bahn führt, wodurch der Ventilkörper 28 entweder in Richtung des Ventilsitzes 66 oder von diesem weg bewegt werden kann.
Zum Andrücken des Ventilkörpers 28 auf den Ventilsitz 66 ist die Ausübung einer Druckkraft 60 (vgl. Fig. 2) auf den zweiten Hebel 52 mittels der Stellvorrichtung 56 und der Betätigungsstange 54 erforderlich. Die Kraft, mit der der Ventilkörper 28 auf den Ventilsitz 66 gedrückt wird, bewirkt eine entgegengesetzt gerichtete Reaktionskraft, die von dem Ventilsitz 66 auf den Ventilkörper 28 wirkt. Infolge der Ausgestaltung des Wastegateventilsystems mit in Strömungsrichtung des Abgasstroms öffnendem Ventilkörper 28 addiert sich bei auf dem Ventilsitz 66 aufliegendem Ventilkörper 28 zu dieser Reaktionskraft noch eine Druckkraft, deren Höhe sich aus dem Druck des Abgases im Bereich des Einlasses sowie der die Auslassöffnung überdeckenden Fläche des Ventilkörpers 28 ergibt. Die entsprechende Gesamtkraft 62 ist ebenfalls in der Fig. 2 dargestellt. Bei teilweise oder ganz von dem Ventilsitz 66 abgehobenem Ventilkörper 28 ergibt sich die Kraft auf den Ventilkörper 28 aus dem Druck und der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in Kombination mit der beaufschlagten Fläche des Ventilkörpers 28. In der Fig. 2 ist auch zu erkennen, dass die von der Stellvorrichtung 56 auf den zweiten Hebel 52 ausgeübte Druckkraft 60 einerseits und die auf den Ventilkörper wirkende Gesamtkraft 62 andererseits die gleiche Grundrichtung weisen und der kleinste Winkel α zwischen den Projektionen der Wirkungslinien dieser Kräfte 60, 62 in die entsprechende Ebene (hier in etwa die Blattebene) relativ klein (in etwa 20°) ist. Daraus ergeben sich die in der Fig. 4 vereinfacht dargestellten Vorteile hinsichtlich der Lagerung der Ventilwelle 48 in der Lagerhülse 58. Dabei ist zwischen der Außenseite der Ventilwelle 48 und der Innenseite der Lagerhülse 58 ein relativ großes Spiel gezeigt, wie dies in vielen Fällen für die Lagerung von Wastegateventilsystemen vorgesehen werden muss, um über den großen Temperaturbereich, innerhalb dessen Abgasturbolader betrieben werden, eine Drehbarkeit der Ventilwelle 48 in der Lagerhülse 58 erreichen zu können.
Die Fig. 4 zeigt, dass durch im Wesentlichen gleichgerichtete Kräfte 60, 62 (von der
Stellvorrichtung 56 ausgeübte Druckkraft einerseits und auf den Ventilkörper 28 wirkende Gesamtkraft andererseits) ein linienförmiger (in Längsrichtung der Ventilwelle 48 verlaufend) beziehungsweise großflächiger Kontakt der Ventilwelle 48 mit einem Teilabschnitt der
Lagerhülse 58 realisiert werden kann, während sich bei konventionellen Abgasturboladern, bei denen die Kräfte in etwa entgegengesetzt ausgerichtet sind, ein Schiefstellen der Ventilwelle 48 innerhalb der Lagerbuchse 58 und dadurch ein doppelt punktförmiger beziehungsweise doppelt kleinflächiger Kontakt einstellt (vgl. Fig. 5), der mit einem lokal deutlich erhöhten Verschleiß einhergeht.
Die Fig. 6 zeigt noch ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine 64, die zur Bereitstellung der Fahrantriebsleistung vorgesehen ist, wobei hierzu mittelbar (unter Zwischenschaltung eines Getriebes) von dem Verbrennungsmotor 10 erzeugte mechanische Leistung auf angetriebene Räder des Kraftfahrzeugs übertragen wird. Alternativ (nicht dargestellt) kann die mechanische Leistung des Verbrennungsmotors 10 auch zum Antrieb eines Generators genutzt werden, wodurch elektrische Energie erzeugt wird, die unmittelbar oder mittelbar (unter Zwischenschaltung einer Batterie) zum Antrieb eines Elektromotors genutzt wird, wobei der Elektromotor wiederum die angetriebenen Räder des Kraftfahrzeugs antreiben kann. Die Brennkraftmaschine 64 des Kraftfahrzeugs kann beispielsweise entsprechend der Fig. 1 ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste
Verbrennungsmotor
Zylinder
Turbine
Welle
Verdichter
Ladeluftkühler
Wastegate
Bypass
Wastegateventilsystem
Ventilkörper
Gehäuse
Einlassstutzen des Turbinengehauseteils
Turbinengehäuseteil
Auslassstutzen des Turbinengehauseteils
Verdichtergehäuseteil
Einlassstutzen des Verdichtergehäuseteils Auslassstutzen des Verdichtergehäuseteils erster Hebel
erster Endabschnitt der Ventilwelle
Ventilwelle
zweiter Endabschnitt der Ventilwelle
zweiter Hebel
Betätigungsstange
Stellvorrichtung
Lagerhülse
Druckkraft
Gesamtkraft
Brennkraftmaschine
Ventilsitz

Claims

Patentansprüche
1. Wastegateventilsystem (26) für einen Abgasturbolader mit einem einen Ventilsitz (66) ausbildenden Gehäuse (30), einem Ventilkörper (28) und einer Betätigungsvorrichtung, durch die der Ventilkörper (28) bedarfsweise auf den Ventilsitz (66) drückbar oder von diesem abhebbar ist, wobei der Ventilkörper (28) über einen ersten Hebel (44) an einem ersten Endabschnitt (46) einer Ventilwelle (48) und eine Stellvorrichtung (56) der
Betätigungsvorrichtung über einen zweiten Hebel (52) an einem zweiten Endabschnitt (50) der Ventilwelle (48) angreift, wobei die Ventilwelle (48) in einem Bereich zwischen dem ersten Endabschnitt (46) und dem zweiten Endabschnitt (50) drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Stellvorrichtung (56) auf den zweiten Hebel (52) zum Andrücken des Ventilkörpers (28) auf den Ventilsitz ausgeübte Kraft einerseits und die durch dieses Andrücken von dem Ventilsitz (66) auf den Ventilkörper (28) ausgeübte Reaktionskraft andererseits in einem Winkel kleiner 90° zueinander ausgerichtet sind.
2. Wastegateventilsystem (26) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kräfte in einem Winkel kleiner 45° zueinander ausgerichtet sind.
3. Wastegateventilsystem (26) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kräfte gleichgerichtet sind.
4. Wastegateventilsystem (26) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Stellvorrichtung (56) zum Andrücken des Ventilkörpers (28) auf den Ventilsitz (66) eine Druckkraft auf den zweiten Hebel (52) auszuüben ist.
5. Wastegateventilsystem (26) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilwelle (48) zwischen dem ersten Endabschnitt (46) und dem zweiten Endabschnitt (50) in einer Lageröffnung des Gehäuses (30) drehbar gelagert ist
6. Abgasturbolader mit einem zur bedarfsweisen Umgehung eines Turbinenlaufrads vorgesehenen Bypass (24) und einem Wastegateventilsystem (26) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Mengensteuerung eines über den Bypass (24) geführten Abgasstroms.
7. Brennkraftmaschine (64) mit einem Abgasturbolader gemäß Anspruch 6.
8. Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine (64) gemäß Anspruch 7.
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