WO2017001144A1 - Abgasturbolader mit einer wastegate-einrichtung - Google Patents

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WO2017001144A1
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wastegate
flap
exhaust gas
gas turbocharger
top surface
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PCT/EP2016/062546
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French (fr)
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Christoph Sparrer
Georg Mehne
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Continental Automotive Gmbh
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16K1/16—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
    • 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
    • F16K1/20—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
    • F16K1/2014—Shaping of the valve member
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D17/105—Final actuators by passing part of the fluid
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention is in the field of mechanical engineering and is particularly applicable in automotive engineering. Specifically, the invention relates to an exhaust gas turbocharger. Many modern combustion engines have an exhaust gas turbocharger to increase the utilization of the fuel and to increase performance and for a resource and environmentally friendly operation. Such a turbocharger has in
  • Exhaust gas driven turbine and a compressor which is arranged in the sucked gas stream and which compresses the sucked, the internal combustion engine supplied air.
  • the exhaust gas turbine and the compressor are connected to each other by means of a shaft, so that the turbine drives the compressor wheel.
  • Exhaust side of the engine in the turbine provided a wastegate opening, which provides a bypass channel for the exhaust gas flow and by means of a
  • Wastegate flap controlled lockable As a result, depending on the operating conditions, the exhaust gas flow can be wholly or partly supplied to the turbine of the turbocharger.
  • the control of the wastegate flap is usually done by mechanical means of a control rod, the one of
  • Actuator is driven.
  • the control rod drives by means of a lever to a wastegate spindle or wastegate shaft to which the wastegate flap is mounted within the turbocharger.
  • the present invention is accordingly the object
  • the invention accordingly relates to an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine having a turbine and a compressor wheel connected thereto by means of a shaft and a wastegate device comprising a wastegate actuator, a wastegate drive shaft rotatable about an axis of rotation and one attached thereto the wastegate flap and the closable wastegate opening are designed such that the distance of the center of gravity of the Wastegate- covering deck surface of the wastegate Flap of the axis of rotation is smaller than the radius of a circular area with the same area.
  • the contact pressure of the wastegate flap on the wastegate opening or on the sealing edge of the opening depends on how far in the middle of the sealing edge of the wastegate Flap, which forms the boundary edge of the top surface, is removed from the axis of rotation. This size can be described by the position of the centroid with respect to the axis of rotation. For example, the center of gravity of the top surface of the wastegate flap can be moved closer to the axis of rotation by pulling the top surface parallel to the axis of rotation and compressed transversely to the axis of rotation, assuming a constant size of the top surface. Therefore, the contact pressure of the wastegate flap on the wastegate opening at
  • Wastegate opening are designed such that the
  • Deck surface has at least one straight edge, the
  • Such an edge may, for example, form the side edge of the top surface facing the axis of rotation or the side facing away from the axis of rotation.
  • the top surface has at least two straight edges, wherein the two In particular, edges are parallel to each other or enclose between them an angle which is less than 10 degrees.
  • the top surface may be irregular but bounded by straight lines, or irregularly shaped and bounded by irregular lines. It may for example have an edge on the side facing the axis of rotation, which is parallel to the axis of rotation substantially, and a parallel edge on the side remote from the axis of rotation of the top surface. Assigns the top surface to yours
  • the top surface may for example be triangular, rectangular, trapezoidal, elliptical or diamond-shaped. In the case of an elliptical or diamond-shaped shape, it should be stretched parallel to the axis of rotation and compressed perpendicular to it.
  • the top surface may, for example, with respect to an axis on the
  • Rotation axis is perpendicular, be designed mirror-symmetrical.
  • the corresponding sealing surface at the wastegate opening should then each have a corresponding shape.
  • the sealing surface of the flap surrounding the top surface is flat and parallel to the plane of the sealing surface. As a result, a secure and reliable sealing of the cover flap under the influence of the contact pressure against a gas pressure is possible.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the sealing surface of the flap surrounding the top surface is inclined relative to the top surface.
  • Deck surface is inclined, by means of acting on closing the flap shear forces centering of the wastegate flap on the wastegate opening, thus a better
  • Exhaust gas turbocharger can be achieved.
  • all areas of the sealing surface around the top surface either all towards the inside of the top surface or all outwards away from the top surface have the same inclination.
  • the invention can also be designed such that the sealing surface surrounding the top surface of the flap is conical or dome-shaped.
  • Deck surface allows a particularly efficient sealing and centering of the wastegate flap in the wastegate opening.
  • Deck surface has an attachment that extends into the wastegate opening when closing.
  • the provision of such an essay facilitates the flow guidance when opening the flap and the design of a free channel at
  • the thickness of the attachment increases from the region of the wastegate flap which is closest to the axis of rotation with increasing distance to the axis of rotation.
  • Wastegate flap of the essay especially at the beginning of the opening movement or the end of the closing movement, does not interfere with the edge of the wastegate opening.
  • FIG. 1 is a schematic representation of
  • FIG. 2 is a perspective view of a
  • FIG. 3 shows a view of the control rod of the exhaust gas turbocharger in the upper region of the illustration, while in the lower region is a section along the line A-A in the upper part,
  • Fig. 4 is a partially sectioned illustration of
  • Fig. 6 is a further schematic representation of
  • FIG. 8 a schematic representation of a wastegate
  • Fig. 13 is a view of a triangular wastegate flap with an increase on the inside
  • Fig. 14 shows three views of a circular plate-shaped
  • Fig. 17 is a cross section taken along the line B-B in FIG.
  • Figure 1 schematically illustrates the elements of a
  • Combined internal combustion engine 1 which has an intake passage la and an exhaust passage lb. Through the intake passage la ambient air is sucked for the combustion, while through the exhaust passage lb the heated combustion products during the combustion process, mainly in gaseous form, are ejected.
  • a turbine 2 is arranged, which is driven by the exhaust gases emitted. This is connected by means of a shaft 3 with a compressor 4.
  • the compressor wheel 4 is driven in such a way that it additionally compresses the air sucked in through the intake duct la, so that for the
  • Combustion process compressed air is available, which can be mixed per cylinder stroke more fuel, so that the torque of the engine can be increased.
  • a throttle valve lc In the intake passage la, a throttle valve lc to
  • Compressor provided. Also worth mentioning is the potential arrangement of a catalyst in the exhaust gas passage lb behind the turbine 2.
  • wastegate 10 with a wastegate opening possible, whereby a bypass channel is opened, which allows passing parts of the exhaust gases to the turbine 2.
  • Figure 2 shows a perspective view of the
  • Turbine housing 15 in which the wastegate device 10 is arranged. This is actuated via an electric wastegate actuator 5, which is attached to a holder on the compressor housing 14. Between the turbine housing 15 and the compressor housing 14 is a body group, in which the common shaft of the exhaust turbine and the compressor is housed. In the foreground, the exhaust gas turbine 2 can be seen.
  • the control rod of the actuator 5 is denoted by 5a. It has as elements, as shown in Figure 3, a plunger 18 which is movable in its longitudinal direction, and a hinge 16 and a continuation 17, which is coupled to the lever 19 of the wastegate drive shaft 7.
  • the hinge 16 is necessary to compensate for the circular movement of the lever 7, since the plunger 18 is only axially movable.
  • Actuator 5 can thus the shaft 7 as the drive shaft of
  • Wastegate flap rotatory driven In the upper half of Figure 3, the section line AA is indicated, along which in the lower part of Figure 3 is shown a cross section. The cross section shows a part of the turbine housing 15 with the wastegate flap 8 and the
  • Wastegate drive shaft 7 Also in the lower part of the figure, the plunger 18 and the joint 16 and the continuation 17 of the control rod 5a can be seen.
  • FIG. 4 shows the force relationships of the forces acting on the wastegate flap 8. At first acts in
  • Seal seat to be as large as possible, it is advisable to maximize the force transmitted to the flap by the drive shaft.
  • Drive shaft 7 is as short as possible. For this purpose, it makes sense to approach the top surface of the wastegate flap 8 as close as possible to the rotation axis 6. This creates a large torque on the flap, whereby a large contact pressure on the seal seat can be generated. It should be noted, however, that in some cases to compensate for tolerances, the flap 8 should have a minimum distance in the form of the tolerance length a from the axis of rotation 6. If the lever arm L is too short to ignore the tolerance, the wastegate flap would abut the seat at the wastegate opening before the closed flap position is reached. Tolerance, however, can be modern
  • Wastegate flap 8 overall has a larger diameter than the top surface, which is shown in dashed lines in a circle and designated 9.
  • the top surface covers the wastegate opening within the sealing surface.
  • FIG. 7 shows an illustration according to the invention
  • Wastegate flap 20a shown the center of gravity IIa is moved closer to the circular axis of the top surface with the same surface area closer to the axis of rotation 6. This is through a triangular
  • FIG. 8 shows a rectangular wastegate flap 20b, in which an edge 21b of the top surface is arranged parallel to the axis of rotation 6.
  • the rectangle 20b and the corresponding top surface are stretched in the direction parallel to the axis of rotation 6 and compressed perpendicular thereto.
  • Figure 9 shows a wastegate flap 20c in a flattened circular shape, wherein an edge 21c of the top surface, again shown in dashed lines, on the axis of rotation 6 facing side is parallel to this.
  • the top surface of this wastegate flap 20c is comparable in surface area to a circular wastegate flap with a circular top surface having a smaller diameter.
  • the wastegate flap 20c and thus also the top surface can be moved closer to the rotation axis 6 with the same size, so that with the same torque of the shaft 7 a higher contact force of the flap 20c against the seat of the wastegate Opening is achieved.
  • the flattened shape of the wastegate flap 20c shown is opposite to a corresponding one Circular shape in the direction parallel to the axis of rotation 6 stretched and compressed transversely to it.
  • FIG. 10 shows four further possible designs of
  • 20e (elliptical, with the long axis of the ellipse aligned parallel to the axis of rotation 6), 20e (trapezoidal, with the longer side of the trapezoid facing the axis of rotation), 20f (diamond-shaped, with the long axis of the rhomb parallel to the axis of rotation
  • wastegate flaps is aligned) and 20g (irregularly shaped with a shape that is stretched in relation to a circular area in the direction of the axis of rotation 6).
  • Further geometric shapes of wastegate flaps with corresponding cover surfaces are conceivable within the scope of the invention.
  • FIG 11 shows in three different perspective
  • Wastegate flap plate extends out.
  • the top 24 dives when closing the wastegate opening 10a in this one.
  • the attachment 24 is constructed in a cone shape to the
  • attachments 24a, 24c can also be seen in FIGS. 12 and 13.
  • FIG. 12 shows a wastegate flap 20c in a three-part perspective view, which is partially circular but in the form of a wastegate
  • FIG. 13 shows in a perspective view a triangular wastegate flap 20a with an attachment 24a, which builds up from the edge near the axis of rotation of the triangular wastegate flap towards the pointed end 26 in the manner of a wedge.
  • Opening characteristic of the wastegate valve that is, the free flow cross-section relative to the opening angle of the wastegate flap on.
  • FIG. 14 shows, in a three-fold perspective view, a round wastegate flap 8 and a corresponding one
  • the wastegate flap has, as is well visible in the middle view, in the area of
  • Valve seat ie in the area of the sealing surface of
  • the wastegate flapper plate is automatically centered on the wastegate opening and the seal between the wastegate flap and the edge of the wastegate opening
  • Figure 15 shows in a three-fold perspective view of a similar wastegate flap as Figure 14, but with the contour 26 of the sealing surface of the wastegate flap dome-shaped, that is spherically curved, is constructed.
  • Wastegate flap 8 shown together with the load lever 23 and the shaft 7.
  • a section is also indicated by B-B, which is shown in FIG. There is in cross section the wastegate flap 8 with a conical
  • the edge 28 of the wastegate opening is formed complementary to the conical shape of the wastegate flap 8, so that a well-sealing valve seat is formed. Also, this complementary shaping of the edge of the wastegate opening and the wastegate flap is not limited to circular wastegate flaps or a conical shape, but can be provided for all presented flap shapes. As a result, with the flap forms shown and explained above, an increased contact pressure of the wastegate flaps, so that a better sealing behavior of the wastegate valve and thus a better efficiency of the

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor (1) mit einer Turbine (2) und einem mit dieser mittels einer Welle verbundenen Verdichterrad (4) sowie mit einer Wastegate-Einrichtung (8), die einen Wastegate-Aktuator(5), eine um eine Rotationsachse (6) drehbare Wastegate-Antriebswelle (7) sowie eine an dieser befestigte und um die Rotationsachse schwenkbare Klappe (20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f,20g) mit einer Deckfläche (9) zum potenziellen Freigeben und Verschließen einer Wastegate- Öffnung (10a) aufweist, wobei die Wastegate-Klappe und die durch diese verschließbare Wastegate-Öffnung (10a) derart gestaltet sind, dass der Abstand des Flächenschwerpunkts (11, 1a) der die Wastegate-Öffnung abdeckenden Deckfläche (9) der Wastegate-Klappe von der Rotationsachse (6) kleiner ist als der Radius einer bei gleichem Flächeninhalt kreisförmigen Fläche.

Description

Beschreibung
Abgasturbolader mit einer Wastegate-Einrichtung
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und ist mit besonderem Vorteil in der Automobiltechnik anwendbar. Konkret bezieht sich die Erfindung auf einen Abgasturbolader. Viele moderne Verbrennungsmaschinen verfügen zur Erhöhung der Ausnutzung des Kraftstoffs sowie zur Leistungserhöhung und für einen ressourcen- und umweltschonenden Betrieb über einen Abgasturbolader. Ein derartiger Turbolader weist im
Abgasstrom des Verbrennungsmotors eine durch diesen
Abgasstrom antreibbare Turbine sowie einen Verdichter auf, der im angesaugten Gasstrom angeordnet ist und der die angesaugte, dem Verbrennungsmotor zugeführte Luft verdichtet. Die Abgasturbine und der Verdichter sind mittels einer Welle miteinander verbunden, so dass die Turbine das Verdichterrad antreibt.
Zur verbesserten Steuerung des Abgasstroms ist auf der
Abgasseite des Verbrennungsmotors im Bereich der Turbine eine Wastegate-Öffnung vorgesehen, die einen Bypasskanal für den Abgasstrom zur Verfügung stellt und die mittels einer
Wastegate-Klappe gesteuert verschließbar ist. Hierdurch kann je nach den Betriebsbedingungen der Abgasstrom ganz oder teilweise der Turbine des Turboladers zugeführt werden. Die Steuerung der Wastegate-Klappe geschieht üblicherweise auf mechanischem Wege mittels einer Regelstange, die von einem
Aktuator antreibbar ist. Üblicherweise treibt die Regelstange mittels eines Hebels eine Wastegate-Spindel oder Wastegate- Welle an, an der innerhalb der Turboladereinrichtung die Wastegate-Klappe befestigt ist.
Eine wichtige Anforderung an das Wastegate-System ist, dass die Wastegate-Klappe gegen den Abgasdruck sicher geschlossen werden und geschlossen gehalten werden kann. Die Sicherstellung dieser Anforderung hängt im Wesentlichen von der Kräftebilanz ab, die auf die Wastegate-Klappe wirkt. Auf diese wirkt einerseits der Abgasdruck sowie andererseits der durch das Drehmoment der Welle bereitgestellte Anpressdruck. Für ein sicheres und festes Schließen der Klappe ist es notwendig, dass die durch die Welle wirkende Kraft auf die Klappe größer ist als die Abgaskraft. Zur Vergrößerung der Anpresskraft kann entweder der Antriebshebel der Wastegate- Welle außerhalb des Turbinengehäuses besonders groß und/oder der Abstand der Wastegate-Klappe von der Rotationsachse möglichst gering gewählt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe
zugrunde, einen Abgasturbolader der eingangs genannten Art derart zu gestalten, dass der Anpressdruck auf die Wastegate- Klappe möglichst groß wird.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung gemäß
Patentanspruch 1 gelöst.
Die Erfindung bezieht sich demgemäß auf einen Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor mit einer Turbine und einem mit dieser mittels einer Welle verbundenen Verdichterrad sowie mit einer Wastegate-Einrichtung, die einen Wastegate- Aktuator, eine um eine Rotationsachse drehbare Wastegate- Antriebswelle sowie eine an dieser befestigte und um die Rotationsachse schwenkbare Klappe mit einer Deckfläche zum potenziellen Freigeben und Verschließen einer Wastegate- Öffnung aufweist, wobei die Wastegate-Klappe und die durch diese verschließbare Wastegate-Öffnung derart gestaltet sind, dass der Abstand des Flächenschwerpunkts der die Wastegate- Öffnung abdeckenden Deckfläche der Wastegate-Klappe von der Rotationsachse kleiner ist als der Radius einer bei gleichem Flächeninhalt kreisförmigen Fläche.
Der Anpressdruck der Wastegate-Klappe auf die Wastegate- Öffnung bzw. auf den dichtenden Rand der Öffnung hängt davon ab, wie weit im Mittel der dichtende Rand der Wastegate- Klappe, der die Begrenzungskante der Deckfläche bildet, von der Rotationsachse entfernt ist. Diese Größe lässt sich durch die Lage des Flächenschwerpunkts bezüglich der Rotationsachse beschreiben. Beispielsweise lässt sich der Flächenschwerpunkt der Deckfläche der Wastegate-Klappe näher zur Rotationsachse verschieben, indem die Deckfläche parallel zur Rotationsachse in die Länge gezogen und quer zur Rotationsachse gestaucht wird, wenn von einer gleichbleibenden Größe der Deckfläche ausgegangen wird. Deshalb lässt sich der Anpressdruck der Wastegate-Klappe auf die Wastegate-Öffnung bei
gleichbleibender Größe der Öffnung bzw. der Deckfläche durch die erwähnte Formung der Deckfläche vergrößern.
Besonders vorteilhaft kann dabei vorgesehen sein, dass die Wastegate-Klappe und die durch diese verschließbare
Wastegate-Öffnung derart gestaltet sind, dass der
Mindestabstand der Deckfläche von der Rotationsachse
möglichst gering ist. Vorteilhaft wird, wie bei einer kreisförmigen Gestaltung der Deckfläche der Wastegate-Klappe, diese von der Rotationsachse so weit beabstandet, dass der Mindestabstand der Deckfläche von der Rotationsachse einer Toleranzgröße entspricht, so dass auch bei voller Ausschöpfung der Toleranz die gesamte Deckfläche auf einer Seite der Rotationsachse liegt und bei einem Aufschwenken der Wastegate-Klappe die Wastegate-Öffnung vollständig geöffnet werden kann.
Die Erfindung kann zudem vorteilhaft vorsehen, dass die
Deckfläche wenigstens eine gerade Kante aufweist, die
insbesondere parallel zur Rotationsachse ist oder mit dieser einen Winkel einschließt, der kleiner als 10 Grad ist. Eine derartige Kante kann beispielsweise die der Rotationsachse zugewandte Seitenkante der Deckfläche bilden oder die der Rotationsachse abgewandte Seite.
Es kann vorteilhaft auch vorgesehen sein, dass die Deckfläche wenigstens zwei gerade Kanten aufweist, wobei die beiden Kanten insbesondere parallel zueinander sind oder zwischen sich einen Winkel einschließen, der kleiner als 10 Grad ist.
Die Deckfläche kann unregelmäßig, jedoch durch gerade Linien begrenzt, oder unregelmäßig geformt und durch unregelmäßige Linien begrenzt sein. Sie kann beispielsweise eine Kante auf der der Rotationsachse zugewandten Seite aufweisen, die im Wesentlichen zur Rotationsachse parallel ist, sowie eine parallele Kante auf der der Rotationsachse abgewandten Seite der Deckfläche. Weist die Deckfläche auf ihrer der
Rotationsachse zugewandten Seite eine gerade und zur
Rotationsachse parallele Kante auf, so sollte diese Kante planmäßig von der Rotationsachse wenigstens um den
Toleranzabstand beabstandet sein.
Die Deckfläche kann beispielsweise dreieckig, rechteckig, trapezförmig, elliptisch oder rautenförmig gestaltet sein. Bei einer elliptisch oder rautenförmig gestalteten Form sollte diese parallel zur Rotationsachse gestreckt und senkrecht zu dieser gestaucht sein. Die Deckfläche kann beispielsweise bezüglich einer Achse, die auf der
Rotationsachse senkrecht steht, spiegelsymmetrisch gestaltet sein. Die entsprechende Dichtfläche an der Wastegate-Öffnung sollte dann jeweils eine entsprechende Formgebung aufweisen.
Es kann weiter vorteilhaft vorgesehen sein, dass die die Deckfläche umgebende Dichtungsfläche der Klappe eben und parallel zur Ebene der Dichtfläche ist. Hierdurch ist eine sichere und zuverlässige Abdichtung der Deckklappe unter dem Einfluss der Anpresskraft auch gegen einen Gasdruck möglich.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die die Deckfläche umgebende Dichtfläche der Klappe gegenüber der Deckfläche geneigt ist. Wenn die Dichtfläche an der Deckfläche gegenüber der
Deckfläche geneigt ist, kann mittels der beim Schließen der Klappe wirkenden Querkräfte eine Zentrierung der Wastegate- Klappe auf der Wastegate-Öffnung, somit eine bessere
Abdichtung und damit ein besserer Wirkungsgrad des
Abgasturboladers erreicht werden. Dabei können sämtliche Bereiche der Dichtfläche um die Deckfläche herum entweder alle zum Inneren der Deckfläche hin oder alle nach außen von der Deckfläche weg die gleiche Neigung aufweisen.
Vorteilhaft kann die Erfindung auch derart gestaltet werden, dass die die Deckfläche umgebende Dichtfläche der Klappe konisch oder kalottenförmig ausgebildet ist. Eine konische oder kalottenförmige Gestaltung der Dichtfläche um die
Deckfläche herum erlaubt eine besonders effiziente Abdichtung und Zentrierung der Wastegate-Klappe in der Wastegate- Öffnung .
Es kann zudem vorteilhaft vorgesehen sein, dass die
Deckfläche einen Aufsatz aufweist, der beim Schließen in die Wastegate-Öffnung hineinreicht. Das Vorsehen eines derartigen Aufsatzes erleichtert die Strömungsführung beim Öffnen der Klappe sowie die Gestaltung eines freien Kanals bei
geöffneter Wastegate-Klappe.
Dabei kann zudem vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Dicke des Aufsatzes von dem Bereich der Wastegate-Klappe aus, der der Rotationsachse am nächsten ist, mit zunehmendem Abstand zur Rotationsachse zunimmt. Mit einer derartigen Gestaltung des Aufsatzes auf die Wastegate-Klappe wird sichergestellt, dass auch in dem der Rotationsachse nahen Bereich der
Wastegate-Klappe der Aufsatz, insbesondere zu Beginn der Öffnungsbewegung oder zum Ende der Schließbewegung, am Rand der Wastegate-Öffnung nicht stört.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen in Figuren einer Zeichnung dargestellt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung der
Funktionselemente eines Abgasturboladers, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines
Abgasturboladers, teilweise geschnitten,
Fig. 3 eine Ansicht der Regelstange des Abgasturboladers im oberen Bereich der Darstellung, während im unteren Bereich ein Schnitt gemäß der Linie A-A im oberen Teil darstellt ist,
Fig. 4 eine teilweise geschnittene Darstellung der
Wastegate-Klappe mit ihrer Antriebswelle,
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Wastegate-
Klappe mit ihrer Antriebswelle,
Fig. 6 eine weitere schematische Darstellung der
Wastegate-Klappe,
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Wastegate-
Klappe in Dreiecksform, Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Wastegate-
Klappe in Rechteckform,
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Wastegate-
Klappe in einer abgeflachten Teilkreisform,
Fig. 10 die Darstellung von vier weiteren geometrischen
Formen von Wastegate-Klappen,
Fig. 11 drei Ansichten einer runden Wastegate-Klappe in verschiedenen Perspektiven,
Fig. 12 drei Ansichten einer weiteren Wastegate-Klappe in verschiedenen Perspektiven, Fig. 13 die Ansicht einer dreieckigen Wastegate-Klappe mit einer Erhöhung auf der Innenseite, Fig. 14 drei Ansichten einer kreistellerförmigen
Wastegate-Klappe mit einer konischen Dichtfläche,
Fig. 15 drei Ansichten einer teilkreisförmigen,
abgeflachten Wastegate-Klappe mit einer
kalottenförmigen Dichtfläche,
Fig. 16 eine Ansicht einer teilkreisförmigen,
abgeflachten Wastegate-Klappe mit ihrer
Antriebswelle sowie
Fig. 17 einen Querschnitt entlang der Linie B-B in Figur
16.
Figur 1 stellt schematisch die Elemente eines
Abgasturboladers dar. Dieser ist baulich mit einem
Verbrennungsmotor 1 verbunden, der einen Ansaugkanal la sowie einen Abgaskanal lb aufweist. Durch den Ansaugkanal la wird Umgebungsluft für die Verbrennung angesaugt, während durch den Abgaskanal lb die während des Verbrennungsprozesses aufgeheizten Verbrennungsprodukte, hauptsächlich in Gasform, ausgestoßen werden.
Im Abgaskanal lb ist eine Turbine 2 angeordnet, die durch die ausgestoßenen Abgase angetrieben wird. Diese ist mittels einer Welle 3 mit einem Verdichterrad 4 verbunden. Im Betrieb der Turboladereinrichtung wird das Verdichterrad 4 derart angetrieben, dass es die durch den Ansaugkanal la angesaugte Luft zusätzlich verdichtet, so dass für den
Verbrennungsprozess verdichtete Ansaugluft zur Verfügung steht, der pro Zylinderhub mehr Kraftstoff zugemischt werden kann, so dass das Drehmoment des Motors erhöht werden kann. In dem Ansaugkanal la sind eine Drosselklappe lc zur
Steuerung der Ansaugluft, ein (nicht dargestellter)
Luftfilter vor dem Verdichterrad sowie ein Luftmengenmesser vor dem Verdichterrad und ein Ladeluftkühler hinter dem
Verdichterrad vorgesehen. Erwähnenswert ist weiterhin die potenzielle Anordnung eines Katalysators im Abgaskanal lb hinter der Turbine 2.
Im aufgeladenen Betrieb ist die Drosselklappe lc vollständig geöffnet.
Es ist eine Regelung der Aufladung durch Ablassen eines Teils des Abgasmassenstroms auf der Turbinenseite durch das
sogenannte Wastegate 10 mit einer Wastegate-Öffnung möglich, wodurch ein Bypasskanal geöffnet wird, der es erlaubt, Teile der Abgase an der Turbine 2 vorbeizuleiten.
Figur 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht das
Turbinengehäuse 15, in dem die Wastegate-Einrichtung 10 angeordnet ist. Diese wird über einen elektrischen Wastegate- Aktuator 5 betätigt, der an einem Halter am Verdichtergehäuse 14 angebracht ist. Zwischen dem Turbinengehäuse 15 und dem Verdichtergehäuse 14 befindet sich eine Rumpfgruppe, in der die gemeinsame Welle der Abgasturbine und des Verdichterrads untergebracht ist. Im Vordergrund ist die Abgasturbine 2 zu erkennen .
Die Regelstange des Aktuators 5 ist mit 5a bezeichnet. Sie weist als Elemente, wie in Figur 3 ersichtlich, einen Stößel 18 auf, der in seiner Längsrichtung beweglich ist, sowie ein Gelenk 16 und eine Fortsetzung 17, die an den Hebel 19 der Wastegate-Antriebswelle 7 angekoppelt ist. Das Gelenk 16 ist zum Ausgleich der Kreisbewegung des Hebels 7 notwendig, da der Stößel 18 lediglich axial beweglich ist. Über den
Aktuator 5 kann somit die Welle 7 als Antriebswelle der
Wastegate-Klappe rotatorisch angetrieben werden. In der oberen Hälfte der Figur 3 ist die Schnittlinie A-A angedeutet, entlang deren im unteren Teil der Figur 3 ein Querschnitt gezeigt ist. Der Querschnitt zeigt einen Teil des Turbinengehäuses 15 mit der Wastegate-Klappe 8 und der
Wastegate-Antriebswelle 7. Auch in dem unteren Figurenteil sind der Stößel 18 sowie das Gelenk 16 und die Fortsetzung 17 der Regelstange 5a zu erkennen.
In Figur 4 sind die Kräfteverhältnisse der auf die Wastegate- Klappe 8 wirkenden Kräfte dargestellt. Zunächst wirkt in
Richtung des Pfeils 20 die Betätigungskraft 20, die durch die Regelstange 5a und die Antriebswelle 7 auf die Klappe 8 übertragen wird. Als Gegenkräfte wirken die Kraft 21, die durch den Gasdruck in der Wastegate-Einrichtung erzeugt wird, sowie die Kraft 22, die die Presskraft auf den Dichtungssitz der Wastegate-Öffnung bildet. Soll die Kraft auf den
Dichtungssitz möglichst groß werden, so bietet es sich an, die auf die Klappe durch die Antriebswelle übertragene Kraft zu maximieren.
Hierzu ist es, wie in der Figur 5 einfach ersichtlich ist, besonders vorteilhaft, wenn der Lastarm L zwischen dem
Flächenschwerpunkt 11 und der Rotationsachse 6 der
Antriebswelle 7 möglichst kurz ist. Zu diesem Zweck ist es sinnvoll, die Deckfläche der Wastegate-Klappe 8 möglichst dicht an die Rotationsachse 6 heranzurücken. Hierdurch entsteht ein großes Drehmoment auf die Klappe, wodurch eine große Anpresskraft auf den Dichtungssitz erzeugt werden kann. Dabei ist jedoch zu beachten, dass in einigen Fällen zum Ausgleich von Toleranzen die Klappe 8 einen Mindestabstand in Form der Toleranzlänge a von der Rotationsachse 6 aufweisen sollte. Wird bei Nichtbeachten der Toleranz der Hebelarm L zu kurz, so würde die Wastegate-Klappe am Sitz an der Wastegate- Öffnung anstoßen, bevor die geschlossene Klappenstellung erreicht wird. Die Toleranz kann jedoch bei modernen
Fertigungsmethoden praktisch bis auf null reduziert werden. In Figur 6 ist noch detaillierter ausgeführt, dass die
Wastegate-Klappe 8 insgesamt einen größeren Durchmesser aufweist als die Deckfläche, die gestrichelt kreisförmig dargestellt und mit 9 bezeichnet ist. Die Deckfläche deckt innerhalb der Dichtfläche die Wastegate-Öffnung ab.
In Figur 7 ist eine erfindungsgemäße Darstellung einer
Wastegate-Klappe 20a dargestellt, deren Flächenschwerpunkt IIa gegenüber einer kreisförmigen Gestaltung der Deckfläche bei gleichem Flächeninhalt näher an die Rotationsachse 6 herangerückt ist. Dies ist durch eine dreieckförmige
Gestaltung geschehen, wobei das Dreieck so gestaltet ist, dass eine gerade Kante 21a parallel zur Rotationsachse 6 verläuft. Gemäß den Regeln der Geometrie ist der
Flächenschwerpunkt von der Rotationsachse 6 aus gesehen bezüglich der Kante 21a auf einem Drittel der Höhe des
Dreiecks angeordnet.
Figur 8 zeigt eine rechteckige Wastegate-Klappe 20b, bei der eine Kante 21b der Deckfläche parallel zu der Rotationsachse 6 angeordnet ist. Das Rechteck 20b sowie die entsprechende Deckfläche sind in Richtung parallel zur Rotationsachse 6 gestreckt und senkrecht dazu gestaucht. Figur 9 zeigt eine Wastegate-Klappe 20c in einer abgeflachten Kreisform, wobei eine Kante 21c der Deckfläche, auch hier wieder gestrichelt dargestellt, auf der der Rotationsachse 6 zugewandten Seite zu dieser parallel ist. Die Deckfläche dieser Wastegate-Klappe 20c ist bezüglich des Flächeninhalts mit einer kreisförmigen Wastegate-Klappe mit kreisförmiger Deckfläche vergleichbar, die einen kleineren Durchmesser aufweist. Durch die Abflachung im Bereich der Kante 21c können die Wastegate-Klappe 20c und damit auch die Deckfläche bei gleicher Größe näher an die Rotationsachse 6 herangerückt werden, so dass bei gleichem Drehmoment der Welle 7 eine höhere Anpresskraft der Klappe 20c an den Sitz der Wastegate- Öffnung erreicht wird. Die gezeigte abgeflachte Gestalt der Wastegate-Klappe 20c ist gegenüber einer entsprechenden Kreisform in Richtung parallel zur Rotationsachse 6 gestreckt und quer dazu gestaucht.
Figur 10 zeigt vier weitere mögliche Gestaltungen von
Wastegate-Klappen 20d (ellipsenförmig, wobei die lange Achse der Ellipse parallel zur Rotationsachse 6 ausgerichtet ist) , 20e (trapezförmig, wobei die längere Seite des Trapezes der Rotationsachse zugewandt ist) , 20f (rautenförmig, wobei die lange Achse der Raute parallel zur Rotationsachse
ausgerichtet ist) sowie 20g (unregelmäßig geformt mit einer Gestalt, die gegenüber einer Kreisfläche in Richtung der Rotationsachse 6 gestreckt ist) . Weitere geometrische Formen von Wastegate-Klappen mit entsprechenden Deckflächen sind im Rahmen der Erfindung denkbar.
Figur 11 zeigt in drei verschiedenen perspektivischen
Ansichten eine Antriebswelle 7 für eine Wastegate-Klappe 8, die eine kreisrunde Deckfläche 9 aufweist. Die kreisrunde Formgebung entspricht nicht der erfindungsgemäß vorgesehenen Form, jedoch kann an diesem Beispiel einfach das Vorsehen eines Aufsatzes auf die Wastegate-Klappe demonstriert werden. Der Aufsatz 24 ist am einfachsten in der mittleren
Darstellung zu erkennen, da er sich über den flachen
kreisringförmigen äußeren Teil der Dichtfläche 22 des
Wastegate-Klappentellers hinaus erstreckt. Der Aufsatz 24 taucht beim Verschließen der Wastegate-Öffnung 10a in diese ein. Der Aufsatz 24 ist konusförmig aufgebaut, um die
Öffnungscharakteristik des Wastegate-Ventils zu gestalten, da durch diese Formgebung bei teilweise geöffneter
Klappenstellung ein verringerter Querschnitt zur Verfügung steht. Somit wird in der ersten Phase der Öffnung im
Verhältnis zum zurückgelegten Schwenkwinkel der Wastegate- Klappe zunächst nur ein kleiner Strömungsquerschnitt frei, und später wird dieser Anfangsverzug bis zur völligen
Freigabe der Wastegate-Öffnung im Verlauf des sich
vergrößernden Öffnungswinkels aufgeholt. Eine entsprechende Gestaltung von Aufsätzen 24a, 24c ist auch den Figuren 12 und 13 zu entnehmen.
Figur 12 zeigt in dreifacher perspektivischer Ansicht eine Wastegate-Klappe 20c, die zum Teil kreisrund, jedoch im
Bereich der Nähe der Rotationsachse 6 durch die Kante 21c abgeplattet ist. In der mittleren Darstellung der Figur 12 ist der konisch zulaufende Aufsatz 24c zu erkennen, der sich über die Dichtfläche 22 erhebt. In Figur 12 sind zudem die Antriebswelle 7 und der Lasthebel 23 dargestellt.
Figur 13 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine dreieckige Wastegate-Klappe 20a mit einem Aufsatz 24a, der sich von der rotationsachsennahen Kante 25 der dreieckigen Wastegate-Klappe hin zu dem spitzen Ende 26 nach Art eines Keils aufbaut. Durch diese Gestalt verbessert sich die
Öffnungscharakteristik des Wastegate-Ventils , das heißt des freien Strömungsquerschnitts relativ zum Öffnungswinkel der Wastegate-Klappe, weiter. Ein solches schräges Ansteigen des Aufsatzes über die Breite der Wastegate-Klappe kann
selbstverständlich auch bei anderen Geometrien sinnvoll sein.
Figur 14 zeigt in dreifacher perspektivischer Ansicht eine runde Wastegate-Klappe 8 sowie eine entsprechende
Antriebswelle 7. Die Wastegate-Klappe weist, wie in der mittleren Ansicht gut ersichtlich ist, im Bereich des
Ventilsitzes, also in dem Bereich der Dichtfläche der
Ventilklappe, der mit dem Rand der Wastegate-Öffnung
zusammenwirkt, einen konischen Verlauf auf. Dies führt dazu, dass der Wastegate-Klappenteller auf der Wastegate-Öffnung selbsttätig zentriert wird und dass die Dichtung zwischen der Wastegate-Klappe und dem Rand der Wastegate-Öffnung
verbessert wird. Figur 15 zeigt in dreifacher perspektivischer Ansicht eine ähnliche Wastegate-Klappe wie Figur 14, wobei jedoch die Kontur 26 der Dichtfläche der Wastegate-Klappe kalottenförmig, das heißt kugelförmig gekrümmt, aufgebaut ist .
In Figur 16 ist nochmals eine abgeplattet kreisförmige
Wastegate-Klappe 8 zusammen mit dem Lasthebel 23 und der Welle 7 gezeigt. In Figur 16 ist zudem mit B-B ein Schnitt angedeutet, der in Figur 17 dargestellt ist. Dort ist im Querschnitt die Wastegate-Klappe 8 mit einer konischen
Dichtfläche 27 gezeigt, die an einer entsprechend konisch ausgenommenen Wand 15a des Turbinengehäuses 15 anliegt, in der die Wastegate-Öffnung 10a vorgesehen ist. Der Rand 28 der Wastegate-Öffnung ist zu der konischen Form der Wastegate- Klappe 8 komplementär ausgebildet, so dass ein gut dichtender Ventilsitz entsteht. Auch diese komplementäre Formung des Randes der Wastegate-Öffnung und der Wastegate-Klappe ist nicht auf kreisrunde Wastegate-Klappen bzw. eine konische Ausformung beschränkt, sondern kann für alle vorgestellten Klappenformen vorgesehen werden. Mit den oben gezeigten und erläuterten Klappenformen lässt sich im Ergebnis ein erhöhter Anpressdruck der Wastegate- Klappen, damit ein besseres Dichtungsverhalten des Wastegate- Ventils und damit ein besserer Wirkungsgrad des
Abgasturboladers und der Verbrennungsmaschine erreichen.

Claims

Patentansprüche
1. Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor (1) mit einer Turbine (2) und einem mit dieser mittels einer Welle (7) verbundenen Verdichterrad (4) sowie mit einer Wastegate- Einrichtung (8), die einen Wastegate-Aktuator (5), eine um eine Rotationsachse (6) drehbare Wastegate-Antriebswelle (7) sowie eine an dieser befestigte und um die Rotationsachse (6) schwenkbare Klappe (20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f, 20g) mit einer Deckfläche (9) zum potenziellen Freigeben und
Verschließen einer Wastegate-Öffnung (10a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wastegate-Klappe (20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f, 20g) und die durch diese verschließbare
Wastegate-Öffnung (10a) derart gestaltet sind, dass der
Abstand des Flächenschwerpunkts (11, IIa) der die Wastegate- Öffnung abdeckenden Deckfläche (9) der Wastegate-Klappe von der Rotationsachse (6) kleiner ist als der Radius einer bei gleichem Flächeninhalt kreisförmigen Fläche.
2. Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor (1) mit einer Turbine (2) und einem mit dieser mittels einer Welle (7) verbundenen Verdichterrad (4) sowie mit einer Wastegate- Einrichtung (8), die einen Wastegate-Aktuator (5), eine um eine Rotationsachse (6) drehbare Wastegate-Antriebswelle (7) sowie eine an dieser befestigte und um die Rotationsachse schwenkbare Klappe (20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f, 20g) mit einer Deckfläche (9) zum potenziellen Freigeben und
Verschließen einer Wastegate-Öffnung (10a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckfläche der Wastegate-Klappe und die durch diese verschließbare Wastegate-Öffnung im Vergleich mit einer bei gleichem Flächeninhalt kreisförmigen Gestaltung in Richtung parallel zur Rotationsachse (6) gestreckt und senkrecht zur Rotationsachse (6) gestaucht ist.
3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der Mindestabstand der Deckfläche (9) von der Rotationsachse (6) eine Toleranzlänge beträgt.
4. Abgasturbolader nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Deckfläche (9) wenigstens eine gerade Kante (21a, 21b, 21c) aufweist, die insbesondere parallel zur Rotationsachse (6) ist oder mit dieser einen Winkel einschließt, der kleiner als 10 Grad ist.
5. Abgasturbolader nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckfläche (9) wenigstens zwei gerade Kanten aufweist, wobei die beiden Kanten insbesondere parallel zueinander sind oder zwischen sich einen Winkel einschließen, der kleiner als 10 Grad ist.
6. Abgasturbolader nach Anspruch 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, dass eine gerade Kante (21a, 21b, 21c) der Deckfläche (9) an einem der Rotationsachse (6) zugewandten Ende der Deckfläche liegt.
7. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckfläche (9) dreieckig, rechteckig, trapezförmig, elliptisch oder rautenförmig geformt ist.
8. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckfläche (9) einen Aufsatz (24, 24a, 24c) aufweist, der beim Schließen in die Wastegate- Öffnung (10a) hineinreicht und der insbesondere eine Form aufweist, die der abzudeckenden Öffnung (10a) des Wastegates entspricht .
9. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die die Deckfläche (9) umgebende Dichtfläche der Klappe (20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f, 20g) eben und parallel zur Ebene der Deckfläche (9) ist.
10. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die die Deckfläche umgebende Dichtfläche (12, 26) der Klappe (20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f, 20g) gegenüber der Deckfläche (9, 9', 9'', 9'"') geneigt ist .
11. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die die Deckfläche (9, 9', 9'', 9'"') umgebende Dichtfläche (22, 26) der Klappe (20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f, 20g) konisch oder kalottenförmig
ausgebildet ist.
12. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckfläche (9, 9', 9'', 9'"') einen Aufsatz (24, 24a, 24c) aufweist, der beim
Schließen in die Wastegate-Öffnung (10a) hineinreicht.
13. Abgasturbolader nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Aufsatzes (24, 24a, 24c) von dem Bereich der Wastegate-Klappe (9, 9', 9'', 9'"') aus, der der
Rotationsachse (6) am nächsten ist, mit zunehmendem Abstand zur Rotationsachse zunimmt.
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