WO2018234096A1 - Wastegate-ventil-aktuator-system eines abgassystems und abgassystem - Google Patents

Wastegate-ventil-aktuator-system eines abgassystems und abgassystem Download PDF

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Abstract

Wastegate-Ventil-Aktuator-System (1) eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine, mit einem Wastegate-Ventil (2), welches eine um eine Schwenkachse (5) schwenkbare Ventilklappe (4) umfasst, mit einem Aktuator (6) zur Ansteuerung der Ventilklappe (4) des Wastegate-Ventils (2), welcher eine Antriebsachse (8) umfasst, mit einem Koppelelement (9) zur Übertragung einer Bewegung des Aktuators (6) in eine Bewegung der Ventilklappe (4) des Wastegate-Ventils (2), wobei die Antriebsachse (8) des Aktuators (6) koaxial zur Schwenkachse (5) der Ventillappe (4) des Wastegate-Ventils (2) verläuft, wobei das Koppelelement (9) als Drehachse ausgebildet ist, die koaxial zur Schwenkachse (5) der Ventillappe (4) und zur Antriebsachse (8) des Aktuators (6) verläuft, und wobei dem Koppelelement (9) ein Federbalgelement (10) zugeordnet ist.

Description

Wastegate-Ventil-Aktuator-System eines Abgassystems und Abgassystem
Die Erfindung betrifft ein Wastegate-Ventil-Aktuator-System eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine und ein Abgassystem.
Aus der Praxis sind Abgassysteme von Brennkraftmaschine bekannt, die über mindestens einen Abgasturbolader verfügen. Ein Abgasturbolader verfügt über ei- ne Turbine, über die Abgas zur Entspannung und zur Gewinnung von Energie geführt werden kann, wobei die in der Turbine eines Abgasturboladers gewonnene Energie dazu genutzt wird, um einen Verdichter des Abgasturboladers anzutreiben und der Brennkraftmaschine zuzuführende Ladeluft zu verdichten. Aus der Praxis ist es weiterhin bereits bekannt, der Turbine eines Abgasturboladers eines Abgas- Systems ein Wastgate-Ventil zuzuordnen, wobei abhängig von der Öffnungsstellung des Wastgate-Ventils unter Umgehung der Turbine Abgas am Abgasturbolader vorbeigeführt werden kann. Derartige Wastgate-Ventile werden auch als By- pass-Ventile bezeichnet, die insbesondere der Steuerung bzw. Regelung eines Ladedrucks sowie der Steuerung und/oder Regelung einer Temperatur im Abgas- System dienen.
Zur Verstellung bzw. Ansteuerung eines Wastgate-Ventils dient ein Aktuator. Dabei ist es aus der Praxis bereits bekannt, dass der Aktuator über ein Koppelelement mit dem Wastgate-Ventil gekoppelt ist, um die Bewegung Aktuators in eine Bewegung einer Ventilklappe des Wastgate-Ventils zu übertragen bzw. umzusetzen. Dabei ist es aus der Praxis bekannt, das Koppelelement als Koppelstange auszuführen, die einerseits gelenkig an einer Antriebsachse des Aktuators und andererseits gelenkig an einer Schwenkachse der Ventilklappe des Wastgate- Ventils unter Ausbildung einer Hebelkinematik angreift. In einem Abgassystem eines Schiffs sind abgasführende Baugruppen des Abgassystems typischerweise in einem nach außen gegenüber der Umgebung hitzeisolierten Raum, einer sogenannten Hotbox, positioniert, um so zu vermeiden, dass Kraftstoff mit abgasführenden Baugruppen in Kontakt kommt und sich so entzün- den kann. So ist das Wastgate-Ventil innerhalb eines solchen hitzeisolierten Raums positioniert, wohingegen der Aktuator zur Ansteuerung des Wastgate- Ventils typischerweise außerhalb dieses hitzeisolierten Raums angeordnet ist. Dabei muss dann das Koppelelement zur Kopplung des Aktuators mit dem Wastgate-Ventil in den hitzeisolierten Raum hinein bzw. aus demselben herausgeführt werden. Bei einem eine Hebelkinematik bildenden Koppelelement ist dies problematisch. Weiterhin besteht bei einem Koppelelement, welches eine Hebelkinematik ausbildet, die Gefahr, dass insbesondere dasjenige Ende des Koppelelements, welches hebelkinematisch an der Schwenkachse des Wastgate-Ventils angreift, infolge der temperaturbedingten Verformungen blockiert. Dies kann ein Versagen des Wastgate-Ventils verursachen.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Wastegate-Ventil-Aktuator-System eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine und ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine mit einem solchen Wastegate-Ventil-Aktuator-System zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Wastegate-Ventil-Aktuator-System nach Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß verläuft die Antriebsachse des Aktuators koaxial zur Schwenkachse der Ventilklappe des Wastegate-Ventils. Das Koppelelement ist als Drehachse ausgebildet ist, die koaxial zur Schwenkachse der Ventillappe des Wastegate-Ventils und koaxial zur Antriebsachse des Aktuators verläuft, wobei dem Koppelelement ein Federbalgelement zugeordnet ist. Das erfindungsgemäße Wastgate-Ventil-Aktuator-System vermeidet die aus der Praxis bekannten Nachteile. Dadurch, dass die Schwenkachse der Ventilklappe des Wastgate-Ventils, die Antriebsachse des Aktuators sowie das als Drehachse ausgebildete Koppelelement allesamt koaxial zueinander verlaufen, kann das Koppelelement ausschließlich durch eine Drehbewegung die Bewegung des Aktuators in eine Bewegung des Wastgate-Ventils, nämlich der Ventilklappe desselben, umsetzen. Das dem Koppelelement zugeordnete Federbalgelement kann thermisch bedingte Verformungen im Bereich des Koppelelements zuverlässig ausgleichen, sodass keine Gefahr besteht, dass das Koppelelement blockiert und damit das Wastgate-Ventil ausfällt.
Bei Schiffanwendungen muss zur Überführung des Koppelelements zwischen einem hitzeisolierten Raum, in welchem das Wastgate-Ventil positioniert ist, und dem Aktuator, der außerhalb dieses hitzeisolierten Raums angeordnet ist, das Koppelelement lediglich durch eine Öffnung in einer Wandung des hitzeisolierten Raums geführt werden.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Federbalgelement derart in das Koppelelement integriert, dass das Federbalgelement zwischen ein erstes Ende der Drehachse, mit welchem dasselbe an die Antriebachse des Aktuators angebunden ist, und ein zweites Ende der Drehachse, mit welchem dasselbe an die Schwenkachse der Ventillappe angebunden ist, gekoppelt ist, wobei vorzugsweise ein Abstand des Federbalgelements vom ersten Ende der Drehachse geringer als vom zweiten Ende der Drehachse ist. Alternativ ist das Feder- balgelement derart dem Koppelelement zugeordnet, dass das Federbalgelement zwischen ein Ende der Drehachse und die Antriebachse des Aktuators gekoppelt ist. Das Federbalgelement ist demnach bei beiden Varianten näher beim Aktuator als beim Wastgate-Ventil positioniert. Bei Schiffanwendungen ist das Federbalgelement außerhalb des hitzeisolierten Raums angeordnet. Es kann so gewähr- leistet werden, dass das Federbalgelement geringen thermischen Belastungen ausgesetzt ist. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Federbalgelement ein torsionssteifes Metall-Federbalgelement. Ein torsionssteifes Metallfederbalgele- ment ist zur sicheren Übertragung der Bewegung des Aktuators in eine Bewegung der Ventil klappe des Wastgate-Ventils besonders bevorzugt.
Das Abgassystem ist in Anspruch 9 definiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 : eine perspektivische Ansicht eines Wastegate-Ventil-Aktuator-Systems;
und Fig. 2: eine Draufsicht auf das Wastegate-Ventil-Aktuator-System der Fig. 1 .
Die Erfindung betrifft ein Wastgate-Ventil-Aktuator-System eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine sowie ein Abgassystem mit einem solchen Wastgate- Ventil-Aktuator-System.
Der grundsätzliche Aufbau eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine ist dem hier angesprochenen Fachmann geläufig und bedarf daher an sich keiner näheren Erläuterung. An dieser Stelle sei der Vollständigkeit halber jedoch darauf hingewiesen, dass ein Abgassystem einer Brenn kraftmasch ine mindestens einen Ab- gasturbolader mit jeweils einer Turbine und jeweils einem Verdichter umfasst.
Über die Turbine eines Abgasturboladers kann Abgas der Brennkraftmaschine geführt werden, um das Abgas in der Turbine zu entspannen und hierbei Energie zu gewinnen. Die in der Turbine eines Abgasturboladers gewonnene Energie wird im Verdichter des jeweiligen Abgasturboladers genutzt, um die der Brennkraftmaschine zuzuführende Ladeluft zu verdichten. Ferner kann ein Abgassystem einer Brennkraftmaschine mindestens eine Abgasnachbehandlungsbaugruppe, wie zum Beispiel ei- nen Katalysator und/oder einen Partikelfilter umfassen, die typischerweise stromabwärts eines Abgasturboladers positioniert sind.
Ferner ist es bereits bekannt, einem Abgasturbolader, nämlich der Turbine desselben, ein Wastgate-Ventil zuzuordnen, wobei das Wastgate-Ventil auch als By- pass-Ventil bezeichnet wird. Abhängig von der Öffnungsstellung des Wastgate- Ventils kann Abgas an der Turbine eines Abgasturboladers vorbei, also unter Umgehung der Turbine, geführt werden, insbesondere mit dem Ziel der Ladedruckregelung und/oder Abgastemperaturregelung stromabwärts des Wastgate-Ventils.
Ein solches Wastgate-Ventil wird von einem Aktuator angesteuert, wobei zwischen das Wastgate-Ventil, nämlich eine zu verstellende Ventilklappe desselben, und den Aktuator ein Koppelelement geschaltet ist, um die Bewegung des Aktuators in eine Bewegung der Ventilklappe des Wastgate-Ventils umzusetzen.
Die Anordnung aus Wastgate-Ventil, Aktuator und Koppelelement wird als Wast- gate-Ventil-Aktuator-System bezeichnet.
Die Fig. 1 und 2 zeigen unterschiedliche Ansichten eines erfindungsgemäßen Wastgate-Ventil-Aktuator-Systems 1 . Dieses Wastgate-Ventil-Aktuator-System 1 umfasst ein Wastgate-Ventil 2, wobei das Wastgate-Ventil 2 ein Ventilgehäuse 3 und eine im Ventilgehäuse 3 aufgenommene Ventilklappe 4 aufweist. Die Ventilklappe 4 des Wastgate-Ventils 2 ist um eine Schwenkachse 5 schwenkbar, um so die Öffnungsstellung bzw. Schließstellung des Wastgate-Ventils 2 zu bestimmen bzw. einzustellen. Das Wastgate-Ventil-Aktuator-System 1 verfügt weiterhin über einen Aktuator 6, der vorzugsweise als Elektromotor, insbesondere als Schrittmotor, ausgeführt ist. Der Aktuator 6 ist über ein Kabel 7 an ein Steuerungssystem (nicht gezeigt) koppelbar, um den Aktuator 6 entsprechend anzusteuern. Gesteuert bzw. geregelt durch das Steuerungssystem ist der Aktuator 6 antreibbar, wodurch eine Bewegung einer Antriebsachse 8 des Aktuators 6 verursacht wird.
Der als Motor ausgebildete Aktuator 6 ist mit der Ventilklappe 4 des Wastgate- Ventils 2 über ein Koppelelement 9 gekoppelt, um die Bewegung des Aktuators, nämlich die Drehung der Antriebsachse 8 des Aktuators 6, in eine Bewegung, nämlich Drehung bzw. Schwenkung, der Ventilklappe 4 des Wastgate-Ventils 2 zu übertragen bzw. umzusetzen.
Beim erfindungsgemäßen Wastgate-Ventil-Aktuator-System 1 verläuft die An- triebsachse 8 des Aktuators 6 koaxial zur Schwenkachse 5 der Ventilklappe 4 des Wastgate-Ventils 2. Das Koppelelement 9 ist als Drehachse ausgebildet, die koaxial zur Schwenkachse 5 der Ventilklappe 4 sowie koaxial zur Antriebsachse 8 des Aktuators 6 verläuft. Zur Umsetzung der Bewegung der Drehachse 8 des Aktuators 6 in eine Schwenkbewegung der Ventilklappe 4 des Wastgate-Ventils 2 muss demnach das als Drehachse ausgebildete Koppelelement 9 lediglich eine Drehbewegung ausführen. Auf eine Hebelkinematik zur Kopplung des Aktuators 6 mit dem Wastgate-Ventil 2 kann verzichtet werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn, wie auf Schiffen üblich, das Wastgate-Ventil 2 innerhalb eines hitzeisolierten Raums und der Aktuator 6 außerhalb des hitzeisolierten Raums positio- niert ist und das Koppelelement 9 durch eine Öffnung in einer Wandung des hitzeisolierten Raums geführt werden muss. In diesem Fall kann dann das als Drehachse ausgebildete Koppelelement 9 einfach durch eine entsprechende Ausnehmung in der Wandung des hitzeisolierten Raums geführt werden und gegenüber dieser Ausnehmung abgedichtet werden. Bei dem erfindungsgemäßen Wastgate-Ventil-Aktuator-System 1 ist dem als Drehachse ausgebildeten Koppelelement 9 ein Federbalgelement 10 zugeordnet. Vorzugsweise handelt es sich bei diesem Federbalgelement 10 um ein torsionssteifes Metallfederbalgelement. Über ein derartiges Federbalgelement 10 kann ei- nerseits die Drehbewegung der Antriebsachse 8 des Aktuators 6 sicher in eine Schwenkbewegung der Ventilklappe 4 des Wastgate-Ventils 2 umgesetzt werden, andererseits können thermisch bedingte Verformungen im Bereich des Koppelelements 9 einfach und zuverlässig ausgeglichen bzw. kompensiert werden.
Das Federbalgelement 10 ist dem als Drehachse ausgebildeten Koppelelement 9 vorzugsweise derart zugeordnet, dass das Federbalgelement 10 zwischen das Koppelelement 9 und die Antriebsachse 8 des Aktuators 6 geschaltet ist, nämlich derart, dass das Federbalgelement 10 einerseits an die Antriebsachse 8 des Aktuators 6 und andererseits an ein erstes Ende des als Drehachse ausgebildeten Koppelelements 9 angebunden ist, wobei ein zweites Ende des als Drehachse ausgebildeten Koppelelements 9 an die Schwenkachse 5 der Ventilklappe 4 des Wastgate-Ventils 2 angebunden ist. Die Anbindung des Federbalgelements 10 an das erste Ende des Koppelelements 9 erfolgt im gezeigten Ausführungsbeispiel über eine Flanschverbindung, nämlich über eine Verbindung eines Flanschs 1 1 , der am ersten Ende des Koppelelements 9 ausgebildet ist, sowie einen Flansch 12, der am angrenzenden Abschnitt des Federbalgelements 10 ausgebildet ist, wobei diese beiden Flansche 1 1 , 12 gemäß Fig. 1 und 2 über Schrauben 13 miteinander verbunden sind. Eine derartige Flanschverbindung ist optional. Die Verbindung des Federbalgelements 10 mit dem Koppelelement 9 kann auch auf an- dere Art und Weise erfolgen, z.B. durch Verschweißen.
Es ist auch möglich, das Federbalgelement 10 in das als Drehachse ausgebildete Koppelelement 9 zu integrieren, nämlich derart, dass das Federbalgelement 10 zwischen ein erstes Ende des Koppelelements 9, mit welchem dasselbe an die Antriebsachse 8 des Aktuators 6 angebunden ist, und ein zweites Ende der Drehachse 9, mit welchem dasselbe an die Schwenkachse 5 der Ventilklappe 4 des Wastgate-Ventils 2 angebunden ist, gekoppelt ist. In diesem Fall ist ein Abstand des Federbalgelements 10 vom ersten Ende der Drehachse vorzugsweise geringer ist als vom zweiten Ende der Drehachse. Mit dieser Ausgestaltung sowie der in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausgestaltung wird ge- währleistet, dass das Federbalgelement 10 näher beim Aktuator 6 positioniert ist als beim Wastgate-Ventil 2, sodass in dem Fall, in welchem bei Schiffsanwendungen das Wastgate-Ventil 2 innerhalb des hitzeisolierten Raums und der Aktuator 6 außerhalb desselben angeordnet ist, auch das Federbalgelement 10 außerhalb des hitzeisolierten Raums positioniert ist und demnach geringen thermischen Be- lastungen ausgesetzt ist.
Obwohl nicht bevorzugt, ist es auch möglich, das Federbalgelement 10 derart der Drehachse bzw. dem Koppelelement 9 zuzuordnen, dass das Federbalgelement 10 zwischen ein Ende der Drehachse und die Schwenkachse 5 der Ventilklappe 4 des Wastgate-Ventils 2 gekoppelt ist.
Erfindungsgemäß wird demnach ein Wastgate-Ventil-Aktuator-System 1 vorgeschlagen, welches ein Wastgate-Ventil 2 mit einer um eine Schwenkachse 5 schwenkbaren Ventilklappe 4, einen vorzugsweise als Schrittmotor ausgebildeten Aktuator 6 mit einer Antriebsachse 8 und ein als Drehachse ausgebildetes Koppelelement 9 zur Übertragung der Bewegung des Aktuators 6 in eine Schwenkbewegung der Ventilklappe 4 des Wastgate-Ventils 2 umfasst, wobei die Schwenkachse 5 des Wastgate-Ventils 2, die Antriebsachse 8 des Aktuators 6 sowie das als Drehachse ausgebildete Koppelelement 9 allesamt koaxial zueinander verlau- fen, und wobei dem Koppelelement 9 ein Federbalgelement 10 zugeordnet ist, vorzugsweise ein torsionssteifes Metallfederbalgelement 10, über welches einerseits die Drehbewegung des Aktuators 6 sicher in eine Schwenkbewegung der Ventilklappe 4 übertragen werden kann, und über welches temperaturbedingte Verformungen im Bereich des Koppelelements 9 kompensiert werden können. Das erfindungsgemäße Wastgate-Ventil-Aktuator-System 1 ist einfach und ausfallsicher. Bezugszeichenliste
1 Wastegate-Ventil-Aktuator-System
2 Wastegate-Ventil
3 Ventilgehäuse
4 Ventilklappe
5 Schwenkachse
6 Aktuator
7 Kabel
8 Antriebsachse
9 Koppelelement
10 Federbalgelement
1 1 Flansch
12 Flansch
13 Schraube

Claims

Ansprüche
Wastegate-Ventil-Aktuator-System (1 ) eines Abgassystems einer Brenn- kraftmaschine, mit
einem Wastegate-Ventil (2), welches eine um eine Schwenkachse (5) schwenkbare Ventilklappe (4) umfasst,
einem Aktuator (6) zur Ansteuerung der Ventilklappe (4) des Wastega- te-Ventils (2), welcher eine Antriebsachse (8) umfasst,
einem Koppelelement (9) zur Übertragung einer Bewegung des Aktuators (6) in eine Bewegung der Ventilklappe (4) des Wastegate-Ventils (2), dadurch gekennzeichnet, dass
die Antriebsachse (8) des Aktuators (6) koaxial zur Schwenkachse (5) der Ventillappe (4) des Wastegate-Ventils (2) verläuft,
das Koppelelement (9) als Drehachse ausgebildet ist, die koaxial zur Schwenkachse (5) der Ventillappe (4) und zur Antriebsachse (8) des Aktuators (6) verläuft, wobei dem Koppelelement (9) ein Federbalgelement (10) zugeordnet ist.
Wastegate-Ventil-Aktuator-System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Federbalgelement (10) derart dem Koppelelement (9) zugeordnet ist, dass das Federbalgelement (10) zwischen ein Ende der Drehachse und die Antriebachse (8) des Aktuators (6) gekoppelt ist.
Wastegate-Ventil-Aktuator-System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Federbalgelement (10) derart in Koppelelement (9) integriert ist, dass das Federbalgelement (10) zwischen ein erstes Ende der Drehachse, mit welchem dasselbe an die Antriebachse (8) des Aktuators (6) angebunden ist, und ein zweites Ende der Drehachse, mit welchem dasselbe an die Schwenkachse (5) der Ventillappe (4) angebunden ist, gekoppelt ist. Wastegate-Ventil-Aktuator-System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand des Federbalgelements (10) vom ersten Ende der Drehachse geringer ist als vom zweiten Ende der Drehachse.
5. Wastegate-Ventil-Aktuator-System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Federbalgelement (10) derart dem Koppelelement (9) zugeordnet ist, dass das Federbalgelement (10) zwischen ein Ende der Drehachse und die Schwenkachse (5) der Ventillappe (4) gekoppelt ist.
Wastegate-Ventil-Aktuator-System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Federbalgelement (10) ein torsionssteifes Metall-Federbalgelement ist.
Wastegate-Ventil-Aktuator-System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (6) eine Elektromotor ist.
Wastegate-Ventil-Aktuator-System nach einem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor ein Schrittmotor ist.
Abgassystem einer Brennkraftmaschine, mit einem eine Turbine und einen Verdichter aufweisenden Abgasturbolader, und mit einem Wastegate-Ventil- Aktuator-System (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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