WO2020001806A1 - Regelvorrichtung für einen abgasführungsabschnitt eines abgasturboladers - Google Patents

Regelvorrichtung für einen abgasführungsabschnitt eines abgasturboladers Download PDF

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WO2020001806A1
WO2020001806A1 PCT/EP2019/000176 EP2019000176W WO2020001806A1 WO 2020001806 A1 WO2020001806 A1 WO 2020001806A1 EP 2019000176 W EP2019000176 W EP 2019000176W WO 2020001806 A1 WO2020001806 A1 WO 2020001806A1
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flow
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exhaust gas
closing element
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Hermann Burmester
Manfred GUTHÖRLE
Daniel Senz
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Ihi Charging Systems International Gmbh
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    • F16K43/00—Auxiliary closure means in valves, which in case of repair, e.g. rewashering, of the valve, can take over the function of the normal closure means; Devices for temporary replacement of parts of valves for the same purpose
    • F16K43/008—Auxiliary closure means in valves, which in case of repair, e.g. rewashering, of the valve, can take over the function of the normal closure means; Devices for temporary replacement of parts of valves for the same purpose the main valve having a back-seat position, e.g. to service the spindle sealing
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a control device for an exhaust gas guide section of an exhaust gas turbocharger of the type specified in the preamble of claim 1.
  • Exhaust gas turbochargers in particular, have a single-flow design
  • Exhaust gas turbocharger a bypass channel with a closing element, wherein the bypass channel is provided for diverting an exhaust gas flow past the turbine wheel.
  • the bypass channel is connected to the exhaust gas turbocharger as required or depending on the requirements of an engine control system
  • Exhaust gas turbocharger emerges, wherein the exhaust gas turbocharger has a first flood and a second flood.
  • the control device is provided for the flow connection of the two floods.
  • a throughflow opening is provided in a flood dividing wall separating the two floods, which can be opened or blocked with a closing element of the control device.
  • the patent DE 197 27 141 C1 likewise discloses a control device for a double-flow exhaust gas guide section, wherein a closing element of the control device is provided for blowing off a fluid flowing through the two floods into a bypass channel for the flow around a turbine wheel rotatably received in the exhaust gas guide section.
  • a closing element of the control device is provided for blowing off a fluid flowing through the two floods into a bypass channel for the flow around a turbine wheel rotatably received in the exhaust gas guide section.
  • a flow connection of the two floods is preferable. Losses during surge charging can be avoided by securely sealing a flow opening formed between the two floods. It is also important to securely seal another opening in the exhaust gas routing section, which is used to securely seal the receptacle, in particular the closing element, when the fluid flows from the first flood into the second flood and vice versa.
  • the aim is to provide an exhaust gas guide section which is as loss-free as possible in the case of an exhaust gas guide section which is only single-flow and also has a multi-flow, at least double-flow.
  • the control device further comprises an actuator for moving the closing element.
  • the closing element is designed in the form of a poppet valve. It can be brought into at least a first position to release the throughflow opening and into a second position to block the throughflow opening. It can be arranged in a wall of the exhaust gas routing section at least in one of the positions.
  • the closing element has a closing body which closes or releases the throughflow opening, which on its lower surface which faces the throughflow opening has an annular section surface which is designed to correspond to an element seat formed in the wall, and its surface facing away from the lower surface for the purpose of bringing it about a surface that at least partially corresponds to another element seat and / or is profiled for flow-optimized flow.
  • Control device both for an exhaust gas turbocharger with a bypass channel of a turbine wheel of the exhaust gas turbocharger, usually referred to as a so-called waste gate charger, and also for a double-flow exhaust gas turbocharger.
  • the control device can be manufactured inexpensively, so that the cost of
  • the appropriately designed closing body is designed both on its lower surface and on its surface to correspond either to the walls contacting the corresponding positions, so that to avoid leakage, a surface seal between the closing body and the walls can be brought about.
  • the surface or lower surface is designed with a corresponding profile for the flow-optimized flow.
  • the seal between the ring surface on the side facing away from the lower surface of the closing body and the corresponding surface in the wall of the flood leads to the avoidance of undesired unpurified exhaust gas losses into the atmosphere in the form of a so-called blow-by, in interaction with that on the shaft of the closing element arranged seal.
  • the poppet valve is one in its two positions sealing area is configured with the corresponding walls.
  • the exhaust gas routing section is in the form of a double flow
  • Exhaust gas guide section formed, wherein the flow opening is arranged in a flood dividing wall separating the two floods.
  • the closing element serves to partially or completely open or close a bypass channel having the throughflow opening.
  • the appropriately designed closing element can be used in particular to close the bypass channel against the exhaust gas flow.
  • the element seats, and the section surface and the surface are conical or
  • tapered or frustoconical seats and surfaces having a frustoconical contour.
  • the advantage of the tapered or frustoconical seats and surfaces is an improved sealing function compared to conventional flat, i.e. non-inclined contours of the seats or surfaces or other conceivable closing element designs, for example ball valves, roller valves, flat slide valves, rotating slide valves.
  • frustoconical design increases the durability of the sealing function, especially under operating conditions in full load operation of the internal combustion engine at very high temperatures of the fluid.
  • valve plate in both switching positions (in the case of flood separation within the opening in the turbine housing partition into which the first valve seat is integrated, or in the case of a flood connection within the valve housing) largely avoids a disturbance in the flow in both floods.
  • a shaft of the closing element which carries the closing body, can be cooled.
  • Exhaust gas guide section or a wall formed in the exhaust gas guide section, which largely prevents disturbances of the fluid flow in the floods, leads to heating of the shaft, since the latter is in the fluid flow during closing the flow opening is arranged. It is therefore advantageous to cool the shaft with the aid of a cooling element in order to prevent the closing element from being distorted. This could lead to a deposition and / or to an abolition of the sealing effects between them caused by the seats and corresponding surfaces.
  • the shaft is advantageously surrounded by the cooling element, and the cooling element can be designed in the form of cooling fins or a water jacket.
  • a known sodium cooling of the shaft is not suitable since the cooling with the aid of sodium requires a high frequency of the component to be moved, which is not the case here. This means that the sodium could not have a cooling effect. Therefore, the two cooling elements mentioned should preferably be used.
  • the coolant could also be fuel or lubricating oil.
  • a cooling element which has internal channels for cooling can be produced particularly advantageously using a laser method, the so-called laser beam melting.
  • Coupling element for connecting the closing element to an actuator plunger of the actuator is provided. This effectively prevents misalignment of the closing element.
  • the actuator is particularly advantageously designed to initiate the movement of the closing element coaxially with its longitudinal axis, since an active force is applied in a single direction, the direction of the longitudinal axis. This corresponds to a relief of the shaft and / or the actuator from lateral forces, which leads to a reduction in wear. Likewise, roofing and jamming of the closing element can be avoided.
  • Flow opening closed by means of a spring force acting on the closing element This is also to be understood to mean a support for the closing which is brought about by the spring force.
  • a reliable separation of the floods can be brought about, which means that the exhaust gas turbocharger is preferred to operate, particularly in the medium load and speed range of the internal combustion engine allowed.
  • the spring force can be formed inexpensively with the aid of a tensioning element accommodated in the actuator.
  • the clamping element could also be arranged outside an actuator housing.
  • the housing points into the actuator housing in order to guide the closing element
  • the closing element or at least its closing body is made of a ceramic material.
  • the control device and in particular the closing element are exposed to temperature fluctuations during operation which have a high temperature gradient, with very high absolute
  • Ceramic material is a particularly temperature-resistant material, so that components made from this material are resistant to high temperatures and show little or no deformation depending on the temperature.
  • the control device according to the invention which is made of ceramic material, is particularly reliable.
  • the locking member has a lower heat conduction, compared to a locking member made of a metallic material.
  • the closing element is designed in the form of a two-part closing element, having a first element part and a second element part, the first element part being at least partially encompassing the second element part.
  • the first element part has a first closing body part with a first shaft part and the second element part has a second closing body part with a second shaft part, the second shaft part being at least partially movably received in the first shaft part.
  • the two-part locking element is thus designed to be space-optimized. Furthermore, there is no need for additional storage and / or guidance of the second shaft part, which is mounted and / or guided in the first shaft part, in a cost-reducing manner.
  • the first closing body part is the second to reduce the weight of the control device and thus of the entire exhaust gas turbocharger
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of an exhaust gas turbocharger according to the invention with a control device according to the invention in a first embodiment in a first position
  • Fig. 3 in a longitudinal section, the control device according to the invention in a second embodiment, and Fig. 4 in a longitudinal section, the control device according to the invention in a third embodiment.
  • An exhaust gas turbocharger 1 according to the invention is designed according to FIG. 1 and has a control device 2 according to the invention.
  • the exhaust gas turbocharger 1 is designed for connection to an internal combustion engine, not shown, which is designed as a diesel engine or as a gasoline engine.
  • the internal combustion engine draws in combustion air via a fresh air line, not shown, which is discharged as exhaust gas via an exhaust tract, not shown, after combustion has taken place in the internal combustion engine with the supply of fuel.
  • the exhaust gas turbocharger 1 is flowable with its exhaust duct section 3 with the exhaust tract and with a flow through it, not shown
  • Air guide section connected to flow through the fresh air line. Between the air guide section and the exhaust gas guide section, a bearing section (not shown in more detail) is positioned for the rotary reception of a running gear (not shown in more detail) of the exhaust gas turbocharger.
  • the running gear includes a compressor wheel for the suction and compression of
  • Combustion air Combustion air, a turbine wheel for the expansion of exhaust gas and a shaft connecting the compressor wheel to the turbine wheel in a rotationally fixed manner.
  • the compressor wheel is in the
  • Air guide section, the turbine wheel is in the exhaust gas guide section and the shaft is rotatably supported in the bearing section.
  • the turbine wheel is set into a rotational movement as a result of exposure to the exhaust gas of the internal combustion engine, the compressor wheel also being set in rotation with the aid of the shaft, so that it sucks in and compresses fresh air or combustion air.
  • the exhaust gas guide section 3 is designed with two passages and has a first pass 4 and a second pass 5.
  • the first flood 4 is from the second flood 5 through a housing-fixed flood partition 6 in
  • Exhaust gas routing section 3 executed separately.
  • the floods 4, 5 are designed in the form of a flow-through channel.
  • the exhaust gas routing section 3 additionally has a variable one
  • a throughflow opening 7 is formed in the flood partition 6, which can be opened or closed with the aid of a closing element 8 of the control device 2. Accumulation of exhaust gas in front of the turbine wheel and / or flow against the turbine wheel can thus be controlled. In other words, it is controllable to separate the exhaust gas either in the two flows
  • control device 2 comprises a housing 9 receiving the closing element 8 and an actuator 10.
  • the closing element 8 is designed in the form of a poppet valve, a closing body 11 of the closing element 8, which is fastened to a shaft 12 of the closing element 8, in a conical shape
  • the closing element 8 is mounted so as to be movable in particular axially along its longitudinal axis 13.
  • the housing 9 is used here
  • Embodiment also the attachment of the actuator 10. Likewise, the
  • housing 9, the closing element 8 can also be designed to be only partially comprehensive.
  • Fig. 1 the control device 2 is shown in a first position
  • Exhaust gas turbocharger 1 has a first operating mode, a so-called blow-by.
  • the turbine wheel In the first operating mode, the turbine wheel is acted upon by exhaust gas from both floods 4, 5, a portion of the exhaust gas being diverted from the first flood 4 into the second flood 5 and vice versa upstream of the turbine wheel.
  • this first operating mode there is a so-called accumulation charge. In other words, that means a
  • Pressure equalization can take place through the flow opening 7 and a more or less equal pressure in front of the turbine wheel is established in the two floods 4, 5.
  • a second operating mode of the exhaust gas turbocharger 1 corresponds to a so-called
  • the turbine wheel In the second operating mode, the turbine wheel is different Pressurized, according to the pressure wave ends at the opposite ends of the turbine wheel. In the second operating mode it is
  • the exhaust gas guide section 3 has for the flow-tight reception of the
  • Closing element 8 a first element seat 14 and a second element seat 15.
  • the first element seat 14 is assigned to the throughflow opening 7 and is formed on the opening side 16 of the throughflow opening 7 which is designed to face the actuator 10.
  • the first element seat 14 is thus part of the second flood 5
  • first wall 17 delimiting first wall 17.
  • second wall 18 is formed, which delimits the second flood 5 in the radial direction.
  • the second wall 18 corresponds to a wall near the actuator, whereas the first wall corresponds to a wall away from the actuator.
  • the housing 9 Protruding into the second wall 18 is the housing 9 receiving the closing element 8.
  • the second element seat 15 is formed opposite the first element seat 14 in the housing 9.
  • the first element seat 14, which is ring-shaped, is
  • first element seat 14 is designed to correspond to the section surface 19, so that in the second position of the closing element 8 an overflow of exhaust gas from the first flood 4 into the second flood 5 and vice versa is prevented.
  • the element seats 14, 15 and the section surface 19 and the surface 21 have a conical or
  • Touch element seats 14, 15 selectively with the surfaces 19, 21 opposite them.
  • the second element seat 15 is formed in the wall 18 near the actuator, the housing 9 not having the closing body 11 comprehensively formed on its section surface 19.
  • the second element seat 15 is complementary to an upper side 21 of the closing body 11 which is remote from the lower side 20. An outflow of exhaust gas from the exhaust gas guide section 3 can thus be avoided. In other words, this means that the second element seat 15 is designed to correspond to the upper side 21.
  • the housing 9 is designed for guiding the closing element 8, the shaft 12 of the closing element 8 being axially movably received by a cooling element 22 in the form of a hollow cylinder 24 having cooling ribs 23, wherein a
  • Circumferential section 49 of the cooling element 22 functionally forms a section of the housing 9, since the shaft 12 is received in the hollow cylinder 24.
  • the second element seat 15 is formed on the cooling element 22, which is designed as part of the housing 9, since the closing element 8 comprises it.
  • the shaft 12 has it with a
  • the actuator 10 is designed in the form of a conventional spring-loaded control element. Likewise, the actuator 10 could also, as he would like in the second embodiment. 3 is illustrated as a double-acting cylinder with a force effect in both directions of the longitudinal axis 13.
  • the coupling element 26 is a spherically formed first end 27 of the shaft 12 which is arranged so as to face away from the closing element 8, with a cylindrical shaft extension 28 being formed to avoid an excessive inclination of the shaft 12.
  • a second end 29 of the actuator tappet which is likewise spherical, is accommodated opposite, a cylindrical tappet extension 30 being formed opposite the shaft extension 28. Between the two extensions 28, 30 is a
  • Clamping element 31 for the fixed connection of a first coupling element part 32 and one second coupling element part 33 arranged.
  • the coupling element 26 is formed in two parts for simplified accommodation of the two ends 27, 29.
  • the shaft 12 is arranged coaxially with the actuator tappet 25.
  • the control device 2 is preferred in a second exemplary embodiment.
  • Fig. 3 constructed.
  • the cooling element 22 is designed in the form of a cooling water jacket comprising the shaft 12, which has an inlet 34 for the inlet of cooling water and an outlet 35 for the outlet of the cooling water.
  • the inlet 34 to the exhaust gas guide section 3 is preferably also designed as the outlet 35, so that, due to the exhaust gas guide section 3 being hot during operation of the exhaust gas turbocharger 1, heat input into the cooling element 22 by convection is avoided.
  • the closing element 8 is received at its first end 27 in an actuator housing 36 of the actuator, which is designed here as a double-acting actuator 10, on a movable actuator slide 37 and is guided there.
  • Actuator slide 37 has a first sealing element 40, preferably in the form of a
  • Piston seal for sealing an actuator chamber 42 which receives a clamping element 41 and is pressurized with respect to one between the
  • Actuator slide 37 and the housing 9 formed movement space 43, as well as for sealing the movement space 43 when it is pressurized
  • the shaft 12 inexpensively has at its first end 27 a
  • Actuator slide 37 formed retaining element 38 a press connection. Screwed connections or the use of are also possible
  • Securing elements such as snap rings or circlips, respectively. disks for connecting the actuator slide 37 to the shaft 12.
  • the housing 9 has a guide element 39 which projects into the actuator slide 37 and which, in this second exemplary embodiment, has a hollow cylindrical shape. Between the Actuator slide 37 and the guide element 39, a second sealing element 44 is formed for further sealing of the movement space 43.
  • a compensating channel 46 is formed in the guide element 39, which is connected to the surroundings 48 at its channel end 47 which faces away from the receiving space 45.
  • a third is so that no exhaust gas from the floods 4, 5 can penetrate into the receiving space 45 and thus into the environment 48 via the equalization channel 46
  • Sealing element 50 formed on a facing the receiving space 45
  • the closing element 8 is formed from a ceramic material.
  • the housing 9 is preferably also made of a ceramic material.
  • the control device 2 can in principle be integrated at different points.
  • the control device 2 could also be designed to connect or separate two spirals of the exhaust gas turbocharger 1. Or the control device 2 is upstream of the
  • Exhaust gas turbocharger 1 Exhaust gas conduction lines of the exhaust tract designed to flow through and connect or disconnect.
  • control device 2 is integrated into the exhaust gas routing section 3, as shown in the exemplary embodiments, so that exhaust gas is diverted from the first flood 4 into the second flood 5 and vice versa upstream of the turbine wheel or vice versa.
  • Control device 2 can be used for the turbine wheel.
  • the control device 2 according to the invention is provided in a further exemplary embodiment, not shown in more detail, for blowing off the turbine wheel, a blow-off channel which branches upstream of the turbine wheel from the floods and downstream of the turbine wheel opening into an outlet channel of the exhaust gas turbocharger 1.
  • the closing element 8 serves to close and open the blow-off channel. 4
  • the control device 2 according to the invention is in a third
  • control device 2 is in addition to opening and closing the flow opening 7 for opening and closing another
  • the further flow opening 52 is one
  • the further throughflow opening 52 can be opened and closed with the aid of the closing element 8, the closing element 8 being designed in the form of a two-part closing element and comprising a first element part 54 and a second element part 55.
  • the first element part 54 can be moved independently of the second element part 55 and serves to open or close the throughflow opening 7.
  • the second element part 55 which can be moved independently of the first element part 54, is provided for opening and closing the further throughflow opening 52.
  • Element part 54 and the second element part 55 are arranged coaxially.
  • the first element part 54 has a first closing body part 56, which is firmly connected to a first shaft part 57 of the shaft 12.
  • the second element part 55 comprises a second closing body part 58, which is designed to be firmly connected to a second shaft part 59 of the shaft 12.
  • the second shaft part 59 is received in the first shaft part 57 so as to be axially movable.
  • the actuator 10 is in the form of a likewise two-part actuator, comprising a first actuator section 60 and a second actuator section 61, so that the first element part 54 can be moved independently of the second element part 55.
  • the actuator housing 36 comprises a first housing section 62 and a second housing section 63, the first housing section 62 being assigned to the first actuator section 60 and the second housing section 63 being assigned to the second actuator section 61.
  • the two actuator sections 60, 61 are functionally identical. They each have an actuator slide 37 and a tensioning element 41 which can be moved according to the pressure present in the respective movement space 43.
  • the two actuator slides 37 are arranged so as to be movable opposite one another.
  • the further flow opening 52 is formed in a further wall 64 of the exhaust gas guide section 3, which is opposite the flood partition 6 from the actuator 10.
  • the further wall 64 has a further element seat 65 of the exhaust gas guide section 3, which is at least partially complementary to an annular section surface 19 of the lower surface 20 of the second closing body part 58.
  • the second closing body part 58 has a surface 21 which faces away from its lower surface 20 and which is profiled for flow-optimized flow. In other words, in its release position of the further flow opening 52, it can be positioned in the second flood 5, whereby it only slightly disturbs the flow formed there, so that no or moderately occurring flow interruptions occur.
  • a guide space 66 formed between the second flood 5 and the further throughflow opening 52, in which the second element part 55 is movable, has an at least partially conical space contour 67. Depending on the axial position of the closing body 58 in the guide space 66, this serves to release different cross sections for the outflow into the throughflow opening 52 and thus to allow a differentiated regulation, or in other words sensitive regulation. In addition, it serves for a jam-free movement of the second element part 55.
  • Exhaust gas routing section occurring fluctuating exhaust gas temperatures lead to changes in an exhaust gas routing section geometry and in the
  • Exhaust gas guide section 3 received components, so that jamming of the second closing body part 56 in the guide space 66 could occur with a cylindrical contour 67.
  • the first closing element part 54 could also be designed like a shell for receiving the second closing element part 55, such that the second closing element part 55 is at least partially encompassed by the first closing element part 54.
  • the shaft 12 and the actuator plunger 25 are arranged coaxially or can be made in one piece.
  • the actuator 10 can be designed as a single-acting or double-acting pneumatic cylinder.
  • An embodiment as an electrical or electromagnetic actuator 10 is also conceivable.
  • the sealing force required to press the Closing body 11, 56, 58 on the element seat 14, 15, 65 is applied or supported by the tensioning element 41, preferably accommodated in the actuator 10, preferably in the form of a spiral spring. Depending on the arrangement of this tensioning element 41, it can bring about or support the opening or closing of the corresponding flow opening 7, 52.
  • the exemplary actuator 10 functions with the aid of an overpressure pÜ. He could also be subjected to an oppression.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers, wobei der durchströmbare Abgasführungsabschnitt (3) zumindest einen durchströmbaren Kanal (4; 5; 53) aufweist, welcher eine Durchströmöffnung (7; 52) aufweist, die mit Hilfe eines Schließelementes (8) der Regelvorrichtung (2) vollständig oder zumindest teilweise gesperrt oder freigegeben werden kann, und wobei die Regelvorrichtung (2) einen Aktuator (10) zur Bewegung des Schließelementes (8) umfasst, und wobei das Schließelement (8) in Form eines Tellerventils ausgebildet ist, wobei das Schließelement (8) zumindest in eine erste Position zur Freigabe der Durchströmöffnung (7; 52) und in eine zweite Position zur Sperrung der Durchströmöffnung (7; 52) bringbar ist, und wobei es zumindest in einer der Positionen in einer Wandung des Abgasführungsabschnitts (3) anordenbar ist. Erfindungsgemäß weist das Schließelement (8) einen, die Durchströmöffnung (7; 52) schließenden oder freigebenden Schließkörper (11) auf, welcher an seiner der Durchströmöffnung (7; 52) zugewandt ausgebildeten Unterfläche (20) eine ringförmige Abschnittsfläche (19) aufweist, welche zu einem in der Wandung ausgebildeten Elementsitz (14; 15; 65) korrespondierend ausgestaltet ist, und wobei seine von der Unterfläche (20) abgewandt ausgebildete Oberfläche (21) zur Herbeiführung einer zu einem anderen Elementsitz (15; 14) zumindest teilweise korrespondierenden Oberfläche (21) und/oder zur strömungsoptimierten Umströmung profiliert ausgebildet ist.

Description

Regelvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers
Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Regelvorrichtungen für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers sind bekannt. So weisen Abgasturbolader, insbesondere einflutig ausgeführte
Abgasturbolader, einen Umgehungskanal mit einem Schließelement auf, wobei der Umgehungskanal zur Umleitung eines Abgasstromes am Turbinenrad vorbei vorgesehen ist. Mit Hilfe des Schließelementes ist der Umgehungskanal bei Bedarf, bzw. je nach Anforderung einer Motorsteuerung eines mit dem Abgasturbolader verbundenen
Verbrennungsmotors teilweise oder vollständig zu öffnen oder zu schließen.
Aus der Gebrauchsmusterschrift DE 20 2014 100 401 U1 und der Patentschrift US 3,423,926 A geht eine Regelvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines
Abgasturboladers hervor, wobei der Abgasturbolader eine erste Flut und eine zweite Flut aufweist. Die Regelvorrichtung ist zur durchströmbaren Verbindung der beiden Fluten vorgesehen. Hierzu ist eine Durchströmöffnung in einer die beiden Fluten trennenden Flutentrennwand vorgesehen, die mit einem Schließelement der Regelvorrichtung geöffnet oder gesperrt werden kann. Mit Hilfe einer derartigen Regelvorrichtung ist es möglich in bestimmten Betriebspunkten des Abgasturboladers, insbesondere bei Betriebspunkten aufweisend große Strömungsmengen, das Turbinenrad durch Schließen oder Verbinden der Fluten strömungsgünstig zu beaufschlagen, so dass ein effizienterer Betrieb des Abgasturboladers ermöglicht ist.
Die Patentschrift DE 197 27 141 C1 offenbart ebenfalls eine Regelvorrichtung für einen zweiflutigen Abgasführungsabschnitt, wobei ein Schließelement der Regelvorrichtung zum Abblasen eines durch die beiden Fluten strömenden Fluids in einen Umgehungskanal zur Umströmung eines im Abgasführungsabschnitt drehbar aufgenommenen Turbinenrades vorgesehen ist. Für einen effektiven Betrieb des Abgasturboladers ist es vorrangig Verluste aufgrund von Leckage zu vermeiden und die im Abgasstrom enthaltene Energie möglichst vollständig zu nutzen. Sofern das durch die Fluten strömende Fluid das Turbinenrad in Form einer so genannten Stoßaufladung beaufschlagen soll, sind die beiden Fluten möglichst strömungstechnisch vollständig zu trennen. Wird eine so genannte Stauaufladung im Betrieb des Abgasturboladers gewünscht, insbesondere bei hohen Lasten und/oder Drehzahlen einer mit dem Abgasturbolader thermodynamisch verbundenen
Verbrennungskraftmaschine, ist eine Strömungsverbindung der beiden Fluten zu bevorzugen. Verluste können bei der Stoßaufladung durch eine gesicherte Abdichtung einer zwischen den beiden Fluten ausgebildeten Durchströmöffnung vermieden werden. Ebenso gilt es eine weitere Öffnung im Abgasführungsabschnitt, welche der Aufnahme insbesondere des Schließelementes während eines Überströmens des Fluids von der ersten Flut in die zweite Flut und vice versa dient, gesichert abzudichten.
Das Bestreben einen möglichst verlustfreien Abgasführungsabschnitt bereitzustellen liegt somit bei einem nur einflutig als auch bei einem mehrflutig, zumindest zweiflutig, ausgebildeten Abgasführungsabschnitt vor.
Somit ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Regelvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mit Hilfe einer Regelvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße Regelvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers umfasst ein Schließelement zur vollständigen oder zumindest teilweisen Sperrung oder Freigabe einer Durchströmöffnung eines durchströmbaren Kanals des Abgasführungsabschnitts. Die Regelvorrichtung umfasst weiter einen Aktuator zur Bewegung des Schließelementes. Das Schließelement ist in Form eines Tellerventils ausgebildet. Es ist zumindest in eine erste Position zur Freigabe der Durchströmöffnung und in eine zweite Position zur Sperrung der Durchströmöffnung bringbar. Zumindest in einer der Positionen ist es in einer Wandung des Abgasführungsabschnitts anordenbar. Erfindungsgemäß weist das Schließelement einen, die Durchströmöffnung schließenden oder freigebenden Schließkörper auf, welcher an seiner der Durchströmöffnung zugewandt ausgebildeten Unterfläche eine ringförmige Abschnittsfläche aufweist, die zu einem in der Wandung ausgebildeten Elementsitz korrespondierend ausgestaltet ist, und wobei seine von der Unterfläche abgewandt ausgebildete Oberfläche zur Herbeiführung einer zu einem anderen Elementsitz zumindest teilweise korrespondierenden Oberfläche und/oder zur strömungsoptimierten Umströmung profiliert ausgebildet ist.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung ist darin zu sehen, dass die
Regelvorrichtung sowohl für einen Abgasturbolader mit einem Umgehungskanal eines Turbinenrades des Abgasturboladers, üblicherweise als so genannter Waste-Gate-Lader bezeichnet, als auch für einen zweiflutigen Abgasturbolader ersetzbar ist. Somit kann die Regelvorrichtung kostengünstig hergestellt werden, so dass sich die Kosten des
Abgasturboladers reduzieren.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass der entsprechend ausgebildete Schließkörper sowohl an seiner Unterfläche als auch an seiner Oberfläche entweder mit den gemäß der entsprechenden Positionen kontaktierenden Wänden zu diesen korrespondierend ausgebildet ist, so dass zur Vermeidung einer Leckage, eine Flächendichtung zwischen dem Schließkörper und den Wänden herbeiführbar ist. Oder es ist nur eine der beiden Flächen, seine Unterfläche oder seine Oberfläche korrespondierend zur entsprechenden Wandung ausgebildet und die andere Fläche, die Oberfläche oder Unterfläche ist zur strömungsoptimierten Umströmung entsprechend profiliert ausgestaltet. Der Vorteil ist in beiden Fällen eine Vermeidung der Leckage zur Steigerung eines Wirkungsgrades des die erfindungsgemäße Regelvorrichtung aufweisenden Abgasturboladers, wodurch eine mit dem Abgasturbolader thermodynamisch verbundene Verbrennungskraftmaschine verbrauchsreduzierter und demgemäß emissionsreduzierter betrieben werden kann.
Zudem führt die Abdichtung zwischen der Ringfläche auf der von der Unterfläche des Schließkörpers abgewandten Seite mit der korrespondierenden Fläche in der Wandung der Flut zu einer Vermeidung von unerwünschten ungereinigtem Abgasverlusten in die Atmosphäre in Form eines so genannten Blow-by, im Zusammenspiel mit der am Schaft des Schließelementes angeordneten Dichtung.
Das heißt mit anderen Worten, dass das Tellerventil in seinen beiden Positionen einen dichtenden Bereich mit den entsprechenden Wänden ausbildbar ausgestaltet ist.
Im erstgenannten Fall ist der Abgasführungsabschnitt in Form eines zweiflutigen
Abgasführungsabschnitts ausgebildet, wobei die Durchströmöffnung in einer die beiden Fluten trennenden Flutentrennwand angeordnet ist. Im zweitgenannten Fall dient das Schließelement einer teilweisen oder vollständigen Öffnung oder Schließung eines die Durchströmöffnung aufweisenden Umgehungskanals. In diesem Fall kann zur
bevorzugten Abdichtung das entsprechend ausgebildete Schließelement insbesondere zum Schließen des Umgehungskanals entgegen des Abgasstromes eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung sind die Elementsitze, und die Abschnittsfläche sowie die Oberfläche eine kegel- oder
kegelstumpfförmige Kontur aufweisend ausgebildet. Der Vorteil der kegelförmigen oder kegelstumpfförmigen Sitze und Flächen ist in einer verbesserten Abdichtfunktion im Vergleich mit üblichen flachen, d.h. nicht geneigt ausgebildeten Konturen der Sitze bzw. Flächen oder anderen denkbaren Schließelementausführungen, bspw. Kugelventile, Walzenventile, Flachschieber, rotierende Schieber, zu sehen.
Eine Zentrierung des Schließkörpers auf die Sitze durch die kegelförmige bzw.
kegelstumpfförmige Gestaltung erhöht die Dauerhaftigkeit der Dichtfunktion, insbesondere unter Betriebsbedingungen im Volllastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine bei sehr hohen Temperaturen des Fluids.
Die Positionierung des Ventiltellers bei beiden Schaltstellungen (bei Flutentrennung innerhalb der Öffnung in der Turbinengehäusetrennwand, in die der erste Ventilsitz integriert ist, bzw. bei Flutenverbindung innerhalb des Ventilgehäuses) vermeidet weitgehend eine Störung der Strömung in beiden Fluten.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung ist ein den Schließkörper tragender Schaft des Schließelementes kühlbar. Die bevorzugte
Anordnung des Schließkörpers in beiden Positionen, in der Schließposition in der Flutentrennwand sowie in der Freigabe des Durchströmquerschnitts im
Abgasführungsabschnitt, bzw. einer im Abgasführungsabschnitt ausgebildeten Wandung, welche weitestgehend Störungen der Fluidströmung in den Fluten vermeidet, führt zu einer Erwärmung des Schaftes, da dieser in der Fluidströmung während des Schließens der Durchströmöffnung angeordnet ist. Daher ist ein Kühlen des Schaftes mit Hilfe eines Kühlelementes vorteilhaft, damit ein Verzug des Schließelementes verhindert wird. Dies könnte zu einer Depositionierung und/oder zu einer Aufhebung der aufgrund der Sitze und korrespondierenden Flächen herbeigeführten Dichtungswirkungen zwischen denselben führen.
Zur verbesserten Kühlung ist der Schaft dabei vorteilhaft vom Kühlelement umfasst, und das Kühlelement kann in Form von Kühlrippen oder eines Wassermantels ausgebildet sein. Eine bekannte Natriumkühlung des Schaftes ist nicht geeignet, da die Kühlung mit Hilfe von Natrium eine hohe Frequenz des zu bewegenden Bauteils erfordert, die hier nicht gegeben ist. Das bedeutet, dass das Natrium seine Kühlwirkung nicht entfalten könnte. Daher sind die beiden genannten Kühlelemente bevorzugt einzusetzen. Ebenso könnte es sich bei dem Kühlmittel auch um Kraftstoff oder Schmieröl handeln. Besonders vorteilhaft lässt sich ein Kühlelement, welches innenliegende Kanäle zur Kühlung aufweist, mit einem Laserverfahren, dem so genannten Laser Beam Melting, herstellen.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung ist ein
Koppelelement zur Verbindung des Schließelementes mit einem Aktuatorstößel des Aktuators vorgesehen. Somit können wirksam Desachsierungen des Schließelementes vermieden werden.
Besonders vorteilhaft ist der Aktuator die Bewegung des Schließelementes koaxial zu dessen Längsachse initiierend ausgebildet, da eine Wirkkraft in eine einzige Richtung, die Richtung der Längsachse anliegt. Dies entspricht einer Entlastung des Schaftes und/oder des Aktuators von Seitenkräften, wodurch eine Verschleißreduktion herbeigeführt ist. Ebenso können damit Desachsierungen und Verklemmungen des Schließelementes vermieden werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung ist die
Durchströmöffnung mit Hilfe einer auf das Schließelement wirkenden Federkraft geschlossen. Darunter ist ebenso eine durch die Federkraft herbeigeführte Unterstützung des Schließens zu verstehen. Somit kann insbesondere bei einem Ausfallen einer Aktivierungsenergie oder einem Versagen des Aktuators eine gesicherte Trennung der Fluten herbeigeführt werden, die einen bevorzugten Betrieb des Abgasturboladers insbesondere im mittleren Last- und Drehzahlbereich der Verbrennungskraftmaschine erlaubt. Kostengünstig ist die Federkraft mit Hilfe eines im Aktuator aufgenommenen Spannelementes ausbildbar. Ebenso könnte das Spannelement auch außerhalb eines Aktuatorgehäuses angeordnet sein.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung weist zur Führung des Schließelementes das Gehäuse ein in das Aktuatorgehäuse
hineinragendes Halteelement auf. Dies ist insbesondere bei einem Schließelement, dessen Schaft direkt an einen Aktuatorschlitten des Aktuators angebunden ist, vorteilhaft vorzusehen, da eine entsprechende Wechselbelastung des Schließelementes im Betrieb des Abgasturboladers vorliegt und eine gesicherte Führung des Schaftes zur Vermeidung eines Bruches des Schaftes führt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Schließelement oder zumindest sein Schließkörper aus einem keramischen Material ausgebildet. Die Regelvorrichtung und insbesondere das Schließelement sind im Betrieb Temperaturschwankungen ausgesetzt, welche einen hohen Temperaturgradienten aufweisen, wobei sehr hohe absolute
Temperaturen im Bereich von ca. 1000°C üblicherweise auftreten. Keramisches Material ist ein besonders temperaturbeständiges Material, so dass Bauteile, gefertigt aus diesem Material, hochtemperaturfest sind und geringe bzw. je nach Temperatur auch keine Deformationen aufweisen. Somit ist die erfindungsgemäße Regelvorrichtung, welche aus keramischem Material hergestellt ist, besonders betriebssicher. Des Weiteren weist das Sperrglied eine geringere Wärmeleitung auf, im Vergleich zu einem Sperrglied aus einem metallischen Werkstoff.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Schließelement in Form eines zweiteiligen Schließelementes ausgebildet, ein erstes Elementteil und ein zweites Elementteil aufweisend, wobei das erste Elementteil das zweite Elementteil zumindest teilweise umfassend ausgebildet ist. Der Vorteil des zweiteiligen Schließelementes ist darin zu sehen, dass sowohl die Durchströmöffnung in der Flutentrennwand als auch die
Durchströmöffnung des Umgehungskanals zu öffnen und zu schließen ist. Insbesondere, sofern das erste Elementteil und das zweite Elementteil unabhängig voneinander bewegbar sind, ist ein vergrößerter Regelungsspielraum geschaffen. Auch könnte insbesondere bei einer Zylinderabschaltung eine der Fluten geschlossen sein und dennoch die Umgehung des Turbinenrades geregelt werden. In einer weiteren Ausgestaltung weisen das erste Elementteil ein erstes Schließkörperteil mit einem ersten Schaftteil und das zweite Elementteil ein zweites Schließkörperteil mit einem zweiten Schaftteil auf, wobei das zweite Schaftteil zumindest teilweise im ersten Schaftteil bewegbar aufgenommen ist. Somit ist das zweiteilige Schließelement bauraumoptimiert ausgebildet. Des Weiteren entfällt kostenreduzierend eine zusätzliche Lagerung und/oder Führung des zweiten Schaftteils, welches im ersten Schaftteil gelagert und/oder geführt angeordnet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist zur Gewichtsreduzierung der Regelvorrichtung und somit des gesamten Abgasturboladers das erste Schließkörperteil das zweite
Schließkörperteil umfassend ausgebildet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Gleichen oder funktionsgleichen Elementen sind identische Bezugszeichen zugeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist es möglich, dass die Elemente nicht in allen Figuren mit ihrem Bezugszeichen versehen sind, ohne jedoch ihre Zuordnung zu verlieren. Dabei zeigen:
Fig. 1 in einem Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader mit einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel in einer ersten Position,
Fig. 2 in einem Längsschnitt den Abgasturbolader mit der erfindungsgemäßen
Regelvorrichtung gern. Fig. 1 in einer zweiten Position,
Fig. 3 in einem Längsschnitt die erfindungsgemäße Regelvorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel, und Fig. 4 in einem Längsschnitt die erfindungsgemäße Regelvorrichtung in einem dritten Ausführungsbeispiel.
Ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader 1 ist gemäß Fig. 1 ausgebildet und weist eine erfindungsgemäße Regelvorrichtung 2 auf. Der Abgasturbolader 1 ist zur Anbindung an eine nicht näher dargestellte Brennkraftmaschine, welche als Dieselmotor oder als Ottomotor ausgeführt ist, ausgebildet. Im Betrieb saugt die Brennkraftmaschine über einen nicht näher dargestellten Frischluftstrang Verbrennungsluft an, die nach einer unter Zufuhr von Kraftstoff erfolgten Verbrennung in der Brennkraftmaschine als Abgas über einen nicht näher dargestellten Abgastrakt abgeführt wird.
Der Abgasturbolader 1 ist mit seinem durchströmbaren Abgasführungsabschnitt 3 mit dem Abgastrakt und mit einem nicht näher dargestellten durchströmbaren
Luftführungsabschnitt mit dem Frischluftstrang durchströmbar verbunden. Zwischen dem Luftführungsabschnitt und dem Abgasführungsabschnitt ist ein nicht näher dargestellter Lagerabschnitt zur rotatorischen Aufnahme eines nicht näher dargestellten Laufzeugs des Abgasturboladers positioniert.
Das Laufzeug umfasst ein Verdichterrad zum Ansaugen und Verdichten von
Verbrennungsluft, ein Turbinenrad zur Expansion von Abgas und eine das Verdichterrad mit dem Turbinenrad drehfest verbindende Welle. Das Verdichterrad ist im
Luftführungsabschnitt, das Turbinenrad ist im Abgasführungsabschnitt und die Welle ist im Lagerabschnitt drehbar gelagert.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird das Turbinenrad als Folge einer Beaufschlagung durch das Abgas der Brennkraftmaschine in eine Rotationsbewegung versetzt, wobei mit Hilfe der Welle das Verdichterrad ebenfalls in Rotation versetzt wird, so dass es Frischluft bzw. Verbrennungsluft ansaugt und verdichtet.
Zur Verbesserung des Betriebsverhaltens des Abgasturboladers 1, insbesondere bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine, ist der Abgasführungsabschnitt 3 zweiflutig ausgebildet, und weist eine erste Flut 4 und eine zweite Flut 5 auf. Die erste Flut 4 ist von der zweiten Flut 5 durch eine gehäusefeste Flutentrennwand 6 im
Abgasführungsabschnitt 3 abgetrennt ausgeführt. Die Fluten 4, 5 sind in Form eines durchströmbaren Kanals ausgeführt. In einer Variante weist der Abgasführungsabschnitt 3 zusätzlich eine variable
Turbinengeometrie zur weiteren Verbesserung des Betriebsverhaltens des
Abgasturboladers 1 auf.
Stromauf des Turbinenrades ist eine Durchströmöffnung 7 in der Flutentrennwand 6 ausgebildet, welche mit Hilfe eines Schließelementes 8 der Regelvorrichtung 2 geöffnet oder geschlossen werden kann. Somit ist ein Aufstauen von Abgas vor dem Turbinenrad und/oder eine Anströmung des Turbinenrades steuerbar. Das heißt mit anderen Worten, dass es steuerbar ist, das Abgas entweder in den beiden Fluten getrennt auf das
Turbinenrad zu führen, wie es einer Stoßaufladung entspricht, oder das Abgas in Form einer Stauaufladung aus das Turbinenrad zu führen, wie es bei der Öffnung der
Durchströmöffnung realisiert wird.
Die Regelvorrichtung 2 umfasst neben dem Schließelement 8 ein das Schließelement 8 aufnehmendes Gehäuse 9 sowie einen Aktuator 10. Das Schließelement 8 ist in Form eines Tellerventils ausgebildet, wobei ein Schließkörper 11 des Schließelementes 8, welches an einem Schaft 12 des Schließelementes 8 befestigt ist, kegelförmig
ausgestaltet ist. Im Gehäuse 9 ist das Schließelement 8 insbesondere axial entlang seiner Längsachse 13 bewegbar gelagert. Das Gehäuse 9 dient im vorliegenden
Ausführungsbeispiel auch der Befestigung des Aktuators 10. Ebenso könnte das
Gehäuse 9 das Schließelement 8 auch nur teilweise umfassend ausgeführt sein.
In Fig. 1 ist die Regelvorrichtung 2 in einer ersten Position dargestellt, wobei der
Abgasturbolader 1 einen ersten Betriebsmodus, ein so genanntes Umblasen aufweist. In dem ersten Betriebsmodus wird das Turbinenrad von Abgas aus beiden Fluten 4, 5 beaufschlagt, wobei stromauf des Turbinenrades ein Teil des Abgases von der ersten Flut 4 in die zweite Flut 5 und vice versa umgeleitet wird. In diesem ersten Betriebsmodus liegt eine so genannte Stauaufladung vor. Das heißt mit anderen Worten, dass ein
Druckausgleich über die Durchströmöffnung 7 stattfinden kann und sich in den beiden Fluten 4, 5 ein mehr oder weniger gleicher Druck vor dem Turbinenrad einstellt.
Ein zweiter Betriebsmodus des Abgasturboladers 1 entspricht einer so genannten
Stoßaufladung, wobei die Durchströmöffnung 7 mit Hilfe des Schließelementes 8 geschlossen ist. Im zweiten Betriebsmodus wird das Turbinenrad mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt, gemäß den an den dem Turbinenrad gegenüberliegenden Flutenenden anliegenden Druckwellenenden. Im zweiten Betriebsmodus ist das
Schließelement 8 in einer zweiten Position im Abgasführungsabschnitt 3 angeordnet, s. Fig. 2.
Der Abgasführungsabschnitt 3 weist zur strömungsdichten Aufnahme des
Schließelementes 8 einen ersten Elementsitz 14 und einen zweiten Elementsitz 15 auf. Der erste Elementsitz 14 ist der Durchströmöffnung 7 zugeordnet und ist an der dem Aktuator 10 zugewandt ausgebildeten Öffnungsseite 16 der Durchströmöffnung 7 ausgebildet. Der erste Elementsitz 14 ist somit ein Teil einer die zweite Flut 5
begrenzenden ersten Wandung 17. Der ersten Wandung 17 gegenüberliegend ist eine zweite Wandung 18 ausgebildet, welche die zweite Flut 5 in radialer Richtung begrenzt. Die zweite Wandung 18 entspricht einer aktuatornahen Wandung, wohingegen die erste Wandung einer aktuatorfernen Wandung entspricht.
In die zweite Wandung 18 hineinragend ist das das Schließelement 8 aufnehmende Gehäuse 9 ausgebildet. Das bedeutet mit anderen Worten, dass das Gehäuse 9 zur Herbeiführung einer axial geschlossenen zweiten Flut 5 als Teil der zweiten Wandung 18 anzusehen ist.
Der zweite Elementsitz 15 ist dem ersten Elementsitz 14 gegenüberliegend im Gehäuse 9 ausgebildet. Der erste Elementsitz 14, welcher ringförmig ausgebildet ist, ist
komplementär zu einer dem ersten Elementsitz 14 zugewandt ausgebildeten ringförmigen Abschnittsfläche 19 einer dem ersten Elementsitz 14 zugewandt ausgebildeten
Unterfläche 20 des Schließkörpers 11 ausgestaltet. Das heißt mit anderen Worten, dass der erste Elementsitz 14 mit der Abschnittsfläche 19 korrespondierend ausgebildet ist, damit in der zweiten Position des Schließelementes 8 ein Überströmen von Abgas von der ersten Flut 4 in die zweite Flut 5 und vice versa unterbunden ist. Die Elementsitze 14, 15 und die Abschnittsfläche 19 sowie die Oberfläche 21 weisen eine kegel- bzw.
kegelstumpfförmige Kontur auf. Somit kann bei Kontakt der Elementsitze 14, 15 mit den ihnen gegenüberliegenden Flächen 19, 21 eine flächige Dichtung ausgebildet werden. Ebenso könnte auch eine linienförmige Dichtung ausgeführt sein, sofern sich die
Elementsitze 14, 15 punktuell mit den ihnen gegenüberliegenden Flächen 19, 21 berühren. In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zweite Elementsitz 15 in der aktuatornahen Wandung 18 ausgebildet, wobei das Gehäuse 9 den Schließkörper 1 1 nicht an deren Abschnittsfläche 19 umfassend ausgebildet ist.
Der zweite Elementsitz 15 ist komplementär zu einer von der Unterseite 20 abgewandt ausgebildeten Oberseite 21 des Schließkörpers 11 ausgebildet. Damit ist ein Ausströmen von Abgas aus dem Abgasführungsabschnitt 3 vermeidbar. Das heißt mit anderen Worten, dass der zweite Elementsitz 15 korrespondierend zur Oberseite 21 ausgestaltet ist.
Das Gehäuse 9 ist zur Führung des Schließelementes 8 ausgebildet, wobei der Schaft 12 des Schließelementes 8 von einem Kühlelement 22 in Form eines Kühlrippen 23 aufweisenden Hohlzylinders 24 axial bewegbar aufgenommen ist, wobei ein
Umfangsabschnitt 49 des Kühlelementes 22 funktional einen Abschnitt des Gehäuses 9 bildet, da der Schaft 12 im Hohlzylinder 24 aufgenommen ist. Der zweite Elementsitz 15 ist in diesem Ausführungsbeispiel am Kühlelement 22 ausgebildet, welches als ein Teil des Gehäuses 9, da das Schließelement 8 umfassend, ausgeführt ist.
Zur Herbeiführung eines insbesondere temperaturabhängigen und
lagetoleranzabhängigen Spielausgleiches weist der Schaft 12 ein ihn mit einem
Aktuatorstößel 25 verbindendes Koppelelement 26 auf. Der Aktuator 10 ist in Form eines üblichen federbelasteten Regelelementes ausgebildet. Ebenso könnte der Aktuator 10 auch, wie er im zweiten Ausführungsbeispiel gern. Fig. 3 illustriert ist, als doppelt wirkender Zylinder mit einer Kraftwirkung in beide Richtungen der Längsachse 13 ausgeführt sein.
Das Koppelelement 26 ist ein sphärisch ausgebildetes, vom Schließelement 8 abgewandt angeordnetes, erstes Ende 27 des Schaftes 12 komplementär aufnehmend ausgebildet, wobei zur Vermeidung einer übermäßigen Neigung des Schaftes 12 ein zylinderförmiger Schaftfortsatz 28 ausgebildet ist. Dem ersten Ende 27 im Koppelelement 26
gegenüberliegend aufgenommen ist ein ebenfalls sphärisch ausgebildetes zweites Ende 29 des Aktuatorstößels, wobei dem Schaftfortsatz 28 gegenüberliegend ein zylindrischer Stößelfortsatz 30 ausgebildet ist. Zwischen den beiden Fortsätzen 28, 30 ist ein
Klemmelement 31 zur festen Verbindung eines ersten Koppelelementteils 32 und eines zweiten Koppelementteils 33 angeordnet. Das Koppelelement 26 ist zur vereinfachten Aufnahme der beiden Enden 27, 29 zweiteilig ausgebildet.
Der Schaft 12 ist koaxial mit dem Aktuatorstößel 25 angeordnet.
Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung 2 ist in einem zweiten Ausführungsbeispiel gern. Fig. 3 aufgebaut. Das Kühlelement 22 ist in Form eines den Schaft 12 umfassenden Kühlwassermantels ausgebildet, welcher einen Eintritt 34 zum Einlassen von Kühlwasser und einen Austritt 35 zum Ablauf des Kühlwassers aufweist. Bevorzugt ist der Eintritt 34 dem Abgasführungsabschnitt 3 ferner ausgebildet als der Austritt 35, damit aufgrund des im Betrieb des Abgasturboladers 1 heißen Abgasführungsabschnitts 3 ein Wärmeeintrag in das Kühlelement 22 durch Konvektion vermieden wird.
Das Schließelement 8 ist an seinem ersten Ende 27 in einem Aktuatorgehäuse 36 des hier als doppelseitig wirkenden Aktuators 10 ausgebildeten Aktuators, an einem bewegbaren Aktuatorschlitten 37 aufgenommen und ebenda geführt. Der
Aktuatorschlitten 37 weist ein erstes Dichtelement 40, bevorzugt in Form einer
Kolbendichtung, zur Abdichtung eines ein Spannelement 41 aufnehmenden und druckbeaufschlagten Aktuatorraumes 42 gegenüber einem zwischen dem
Aktuatorschlitten 37 und dem Gehäuse 9 ausgebildeten Bewegungsraum 43 auf, als auch zur Abdichtung des Bewegungsraumes 43 bei dessen Druckbeaufschlagung zur
Herbeiführung einer zweiten Position des Schließkörpers 11 , bei der er gegen den zweiten Elementsitz 15 gepresst wird. In der zweiten Position wird der Schließkörper 11 mit Hilfe des Spannelementes 41 gegen den ersten Elementsitz 14 gedrückt.
Kostengünstig weist der Schaft 12 an seinem ersten Ende 27 mit einem am
Aktuatorschlitten 37 ausgebildeten Halteelement 38 eine Pressverbindung auf. Ebenso möglich sind geschraubte Verbindungen, oder die Verwendung von
Sicherungselementen, wie bspw. Sprengringe oder Sicherungsringe , resp. -scheiben zur Verbindung des Aktuatorschlittens 37 mit dem Schaft 12.
Zur gesicherten Führung des Schließelementes 8 weist das Gehäuse 9 ein in den Aktuatorschlitten 37 hineinragend ausgebildetes Führungselement 39 auf, welches in diesem zweiten Ausführungsbeispiel hohlzylinderförmig ausgeführt ist. Zwischen dem Aktuatorschlitten 37 und dem Führungselement 39 ist ein zweites Dichtelement 44 ausgebildet zur weiteren Abdichtung des Bewegungsraumes 43.
Zur Herbeiführung eines Druckausgleichs in einem zwischen dem Aktuatorschlitten 37 und dem Schließelement 8, insbesondere dem Schaft 12 ausgebildeten Aufnahmeraum 45 ist ein Ausgleichskanal 46 im Führungselement 39 ausgebildet, welcher an seinem vom Aufnahmeraum 45 abgewandt ausgebildeten Kanalende 47 mit der Umgebung 48 verbunden ist. Damit kein Abgas aus den Fluten 4, 5 in den Aufnahmeraum 45, und damit über den Ausgleichskanal 46 in die Umgebung 48 eindringen kann, ist ein drittes
Dichtelement 50 an einem dem Aufnahmeraum 45 zugewandt ausgebildeten
Führungselementende 51 vorgesehen.
In einer weiteren nicht näher dargestellten Variante ist das Schließelement 8 aus einem keramischen Werkstoff ausgebildet. Bevorzugt ist das Gehäuse 9 ebenfalls aus einem keramischen Werkstoff hergestellt.
Die Regelvorrichtung 2 ist grundsätzlich an unterschiedlichen Stellen integrierbar. So könnte die Regelvorrichtung 2 ebenso zwei Spiralen des Abgasturboladers 1 verbindend bzw. trennend ausgebildet sein. Oder die Regelvorrichtung 2 ist stromauf des
Abgasturboladers 1 Abgasführungsleitungen des Abgastraktes durchströmbar verbindend bzw. trennend ausgeführt.
Vorteilhafterweise ist die Regelvorrichtung 2 jedoch wie in den Ausführungsbeispielen gezeigt, in den Abgasführungsabschnitt 3 integriert, so dass stromauf des Turbinenrades Abgas aus der ersten Flut 4 in die zweite Flut 5 und vice versa umgeleitet bzw.
umgeblasen werden kann. Positive Strömungseffekte, welche aufgrund der Umblasung auftreten, können aufgrund der kurzen Strömungswege ausgehend von der
Regelvorrichtung 2 zum Turbinenrad genutzt werden.
Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung 2 ist in einem nicht näher dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel für ein Abblasen am Turbinenrad vorbei vorgesehen, wobei ein Abblasekanal, welcher stromauf des Turbinenrades von den Fluten abzweigend und stromab des Turbinenrades in einen Auslasskanal des Abgasturboladers 1 einmündend ausgebildet ist. Das Schließelement 8 dient in diesem Fall einem Schließen und Öffnen des Abblasekanals. In Fig. 4 ist die erfindungsgemäße Regelvorrichtung 2 in einem dritten
Ausführungsbeispiel illustriert. Die Regelvorrichtung 2 ist zusätzlich zum Öffnen und Schließen der Durchströmöffnung 7 zum Öffnen und Schließen einer weiteren
Durchströmöffnung 52 ausgebildet. Die weitere Durchströmöffnung 52 ist einem
Umgehungskanal 53 zugeordnet, welcher einer Führung von Abgas am Turbinenrad vorbei dient.
Die weitere Durchströmöffnung 52 ist mit Hilfe des Schließelementes 8 zu Öffnen und zu Schließen, wobei das Schließelement 8 in Form eines zweiteiligen Schließelementes ausgebildet ist und ein erstes Elementteil 54 sowie ein zweites Elementteil 55 umfassend ausgeführt ist. Das erste Elementteil 54 ist unabhängig vom zweiten Elementteil 55 zu bewegen und dient dem Öffnen bzw. Schließen der Durchströmöffnung 7. Das zweite Elementteil 55, welches unabhängig vom ersten Elementteil 54 bewegbar ist, ist zum Öffnen und Schließen der weiteren Durchströmöffnung 52 vorgesehen. Das erste
Elementteil 54 und das zweite Elementteil 55 sind koaxial angeordnet.
Das erste Elementteil 54 weist ein erstes Schließkörperteil 56 auf, welches fest mit einem ersten Schaftteil 57 des Schaftes 12 verbunden ist. Das zweite Elementteil 55 umfasst ein zweites Schließkörperteil 58, welches mit einem zweiten Schaftteil 59 des Schaftes 12 fest verbunden ausgeführt ist. Das zweite Schaftteil 59 ist im ersten Schaftteil 57 axial bewegbar aufgenommen.
Der Aktuator 10 ist in Form eines ebenfalls zweiteiligen Aktuators, umfassend einen ersten Aktuatorabschnitt 60 und einen zweiten Aktuatorabschnitt 61, ausgeführt, damit das erste Elementteil 54 unabhängig vom zweiten Elementteil 55 bewegbar ist.
Das Aktuatorgehäuse 36 umfasst einen ersten Gehäuseabschnitt 62 und einen zweiten Gehäuseabschnitt 63, wobei der erste Gehäuseabschnitt 62 dem ersten Aktuatorabschnitt 60 und der zweite Gehäuseabschnitt 63 dem zweiten Aktuatorabschnitt 61 zugeordnet ist. Die beiden Aktuatorabschnitte 60, 61 sind funktionsidentisch aufgebaut. Sie weisen jeweils einen Aktuatorschlitten 37 sowie ein den Aktuatorschlitten 37 gemäß dem im jeweiligen Bewegungsraum 43 anliegendem Druck bewegbares Spannelement 41 auf.
Die beiden Aktuatorschlitten 37 sind entgegengesetzt zueinander bewegbar angeordnet. Die weitere Durchströmöffnung 52 ist in einer weiteren Wandung 64 des Abgasführungsabschnittes 3 ausgebildet, welche der Flutentrennwand 6 vom Aktuator 10 abgewandt gegenüberliegend ausgeführt ist. Die weitere Wandung 64 weist einen weiteren Elementsitz 65 des Abgasführungsabschnittes 3 auf, welcher zumindest teilweise komplementär zu einer ringförmigen Abschnittsfläche 19 der Unterfläche 20 des zweiten Schließkörperteils 58 ausgestaltet ist.
Das zweite Schließkörperteil 58 weist eine von seiner Unterfläche 20 abgewandt ausgebildete Oberfläche 21 auf, welche zur strömungsoptimierten Umströmung profiliert ausgestaltet ist. Das heißt mit anderen Worten, dass es in seiner Freigabeposition der weiteren Durchströmöffnung 52 in der zweiten Flut 5 positioniert werden kann, wobei es die dort ausgebildete Strömung nur gering stört, so dass keine oder mäßig auftretende Strömungsabrisse in Erscheinung treten.
Ein zwischen der zweiten Flut 5 und der weiteren Durchströmöffnung 52 ausgebildeter Führungsraum 66, in dem das zweite Elementteil 55 bewegbar vorliegt, weist eine zumindest teilweise konische Raumkontur 67 auf. Diese dient dazu, je nach axialer Stellung des Schließkörpers 58 im Führungsraum 66, unterschiedliche Querschnitte zum Abströmen in die Durchströmöffnung 52 freizugeben und damit ein differenziertes Regeln, oder mit anderen Worten feinfühliges Regeln zu erlauben. Zudem dient sie einer klemmfreien Bewegung des zweiten Elementteils 55 dient. Die im
Abgasführungsabschnitt auftretenden schwankenden Abgastemperaturen führen zu Veränderungen einer Abgasführungsabschnittsgeometrie sowie der im
Abgasführungsabschnitt 3 aufgenommenen Bauteile, so dass bei einer zylinderförmigen Kontur 67 durchaus ein Verklemmen des zweiten Schließkörperteils 56 im Führungsraum 66 auftreten könnte.
Das erste Schließelementteil 54 könnte ebenso schalenartig zur Aufnahme des zweiten Schließelementteils 55 ausgebildet sein, derart das zweite Schließelementteil 55 zumindest teilweise vom ersten Schließelementteil 54 umfasst ist.
Der Schaft 12 und der Aktuatorstößel 25 sind koaxial angeordnet oder können einteilig ausgeführt sein. Der Aktuator 10 kann als einfach- oder doppeltwirkender pneumatischer Zylinder ausgebildet sein. Eine Ausführung als elektrischer oder elektromagnetischer Aktuator 10 ist ebenfalls denkbar. Die erforderliche Dichtkraft zur Anpressung des Schließkörpers 11 , 56, 58 an den Elementsitz 14, 15, 65 wird durch das bevorzugt im Aktuator 10 aufgenommene Spannelement 41 , bevorzugt in Form einer Spiralfeder, aufgebracht oder unterstützt. Je nach Anordnung dieses Spannelementes 41 kann sie die Öffnung oder Schließung der entsprechenden Durchströmöffnung 7, 52 bewirken oder unterstützen.
In den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen funktioniert der beispielhafte Aktuator 10 mit Hilfe eines Überdruckes pÜ. Ebenso könnte er auch mit einem Unterdrück beaufschlagt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Regelvorrichtung für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers, wobei der durchströmbare Abgasführungsabschnitt (3) zumindest einen durchströmbaren Kanal (4; 5; 53) aufweist, welcher eine Durchströmöffnung (7; 52) aufweist, die mit Hilfe eines Schließelementes (8) der Regelvorrichtung (2) vollständig oder zumindest teilweise gesperrt oder freigegeben werden kann, und wobei die Regelvorrichtung (2) einen Aktuator (10) zur Bewegung des Schließelementes (8) umfasst, und wobei das Schließelement (8) in Form eines Tellerventils ausgebildet ist, wobei das
Schließelement (8) zumindest in eine erste Position zur Freigabe der
Durchströmöffnung (7; 52) und in eine zweite Position zur Sperrung der
Durchströmöffnung (7; 52) bringbar ist, und wobei es zumindest in einer der
Positionen in einer Wandung des Abgasführungsabschnitts (3) anordenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
das Schließelement (8) einen, die Durchströmöffnung (7; 52) schließenden oder freigebenden Schließkörper (11 ) aufweist, welcher an seiner der Durchströmöffnung (7; 52) zugewandt ausgebildeten Unterfläche (20) eine ringförmige Abschnittsfläche (19) aufweist, welche zu einem in der Wandung ausgebildeten Elementsitz (14; 15; 65) korrespondierend ausgestaltet ist, und wobei seine von der Unterfläche (20) abgewandt ausgebildete Oberfläche (21 ) zur Herbeiführung einer zu einem anderen Elementsitz (15; 14) zumindest teilweise korrespondierenden Oberfläche (21 ) und/oder zur strömungsoptimierten Umströmung profiliert ausgebildet ist, wobei die Elementsitze (14, 15) und die Abschnittsfläche (19) sowie die Oberfläche (21 ) eine kegel- oder kegelstumpfförmige Kontur aufweisend ausgebildet ist.
2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der durchströmbare Abgasführungsabschnitt (3) den Kanal (4; 5) in Form einer erste durchströmbaren Flut (4) und/oder einer zweiten durchströmbaren Flut (5) aufweist, welche mit Hilfe einer Flutentrennwand (6) getrennt voneinander von Fluid
durchströmbar sind, und wobei das Schließelement (8) die in der Flutentrennwand (6) ausgebildete Durchströmöffnung (7) vollständig oder zumindest teilweise gesperrt oder freigegeben kann, und wobei das Schließelement (8) in seiner ersten Position zur Freigabe der Durchströmöffnung (7) in einer der Flutentrennwand (6)
gegenüberliegend ausgebildeten Wandung (18) anordenbar ist, und in einer zweiten Position zur Sperrung der Durchströmöffnung in der Flutentrennwand (6) anordenbar ist.
3. Regelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der durchströmbare Abgasführungsabschnitt (3) den Kanal (53) in Form eines
Umgehungskanals (53) zur Umgehung eines Turbinenrades des Abgasturboladers (1 ) aufweist.
4. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Schaft (12) des Schließelementes (8) kühlbar ist.
5. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Kühlung des Schließelementes (8) ein Kühlelement (22), insbesondere den Schaft (12) umfassend ausgebildet ist.
6. Regelvorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kühlelement (22) in Form von Kühlrippen (23) oder in Form eines Wassermantels ausgebildet ist.
7. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Koppelelement (26) zur Verbindung des Schließelementes (8) mit einem
Aktuatorstößel (25) des Aktuators (10) vorgesehen ist.
8. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Aktuator (10) die Bewegung des Schließelementes (8) koaxial zu dessen
Längsachse (13) initiierend ausgebildet ist.
9. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Durchströmöffnung (7) mit Hilfe einer auf das Schließelement (8) wirkenden Federkraft geschlossen ist.
10. Regelvorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Federkraft mit Hilfe eines im Aktuator (10) aufgenommenen Spannelementes (41 ) ausbildbar ist.
11. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Führung des Schließelementes (8) das Gehäuse (9) ein in das Aktuatorgehäuse (36) hineinragendes Halteelement (38) aufweist.
12. Regelvorrichtung nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Halteelement (38) einen Ausgleichskanal (46) aufweist.
13. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schließelement (8) in Form eines zweiteiligen Schließelementes ausgebildet ist, ein erstes Elementteil (54) und ein zweites Elementteil (55) aufweisend, wobei das erste Elementteil (54) das zweite Elementteil (55) zumindest teilweise umfassend ausgebildet ist.
14. Regelvorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Elementteil (54) und das zweite Elementteil (55) unabhängig voneinander bewegbar sind.
15. Regelvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Elementteil (54) ein erstes Schließkörperteil (56) mit einem ersten Schaftteil (57) und das zweite Elementteil (55) ein zweites Schließkörperteil (58) mit einem zweiten Schaftteil (59) aufweist, wobei das zweite Schaftteil (59) zumindest teilweise im ersten Schaftteil (57) bewegbar aufgenommen ist.
16. Regelvorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Schließkörperteil (56) das zweite Schließkörperteil (58) umfassend ausgebildet ist.
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