DE102005028006B4

DE102005028006B4 - Schwenkventil für eine Ladedruckregelungseinrichtung einer abgasturbogeladenen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005028006B4
Application number: DE200510028006
Authority: DE
Inventors: Jan Jedro; Martin Riedel
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2012-02-09
Anticipated expiration: 2025-06-18
Also published as: DE102005028006A1

Abstract

Schwenkventil für eine Ladedruckregelungseinrichtung einer abgasturboaufgeladenen Brennkraftmaschine, mit einer Schwenkklappe, die bei Überschreitung eines vorgegebenen Ladedrucks von einer die Bypassöffnung verschließenden Grundposition in eine die Bypassöffnung mit einem definierten Öffnungsspalt freigebende Öffnungsposition verschwenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Bypassöffnung (8) zugewandte Schwenkklappenunterseite (9) so ausgebildet ist, dass in der Öffnungsposition (15) der Schwenkklappe (4) ein entlang des Bypassöffnungsumfangs gleicher Öffnungsspaltabstand (18) zwischen der Schwenkklappe (4) und der Bypassöffnung (8), insbesondere dem Bypassöffnungsrandbereich (16) ausgebildet ist, indem an der Schwenkklappenunterseite (9) ein dem Bypassöffnungsrandbereich (16) zugeordneter, wenigstens bereichsweise umlaufender sowie erhabener Kragen (12) angeordnet ist, der sich in einer Ebene quer zur Schwenkachsenrichtung gesehen von einem schwenkachsenfernen Kragenrandbereich (13) zu einem schwenkachsennahen Kragenrandbereich (14) hin unter einem Winkel (Kragenwinkel (α)) verjüngt, der in etwa dem Schwenkwinkel (β) der Schwenkklappe (4) in deren Öffnungsposition (15) entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schwenkventil für eine Ladedruckregelungseinrichtung einer abgasturboaufgeladenen Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Strömungsenergie der Abgase für eine sogenannte Abgasturboaufladung auszunutzen, ist allgemein bekannt. Dabei geben die Abgase der Brennkraftmaschine, bevor sie ins Freie strömen, ihre Strömungsenergie an eine Turbine ab. Diese Turbine treibt wiederum einen Verdichter an, der auf derselben Welle sitzt. Dieser Verdichter saugt die Frischluft an und leitet diese mit Überdruck in den Zylinder. Da sich die Welle des Abgasturboladers durch die antreibenden Abgasmengen mit steigender Motordrehzahl immer schneller dreht, bedarf es eines Regelventils, um einen kritischen Drehzahlbereich nicht zu überschreiten und somit die Aufladung der Brennkraftmaschine zu begrenzen. Dieses Regelventil, auch Wastegate, Bypassventil oder Ladedruckregler genannt, begrenzt den Ladedruck dadurch, dass die überschüssige Abgasmenge bzw. der überschüssige Abgasenthalpiestrom an der Turbine vorbei geführt und damit energetisch ungenutzt direkt in die Abgasanlage geführt wird.
Ladedruckregelventile sind in unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt, so z. B. in Verbindung mit federbeaufschlagten Ventilstößeln, die zur Freigabe bzw. zum Schließen einer Bypassöffnung in Längsrichtung des Ventilschaftes gesehen bewegt werden, um das Ventilteller von der Bypassöffnung abzuheben bzw. dort aufsitzen zu lassen. Beispielsweise sind derartige Ladedruckregelventile aus der DE 198 53 392 A1 , der DE 39 02 049 A1 , der US 3 906 729 A , der DE 30 09 453 C2 und der DE 35 09 018 A1 bekannt.
Neben diesen ventilstößelartig aufgebauten Ladedruckregelventilen gibt es auch sogenannte Schwenkventile bzw. Schwenkklappenventile als Ladedruckregelventile, die eine im randseitigen Öffnungsbereich einer Bypassöffnung schwenkbar angelenkte Schwenkklappe aufweisen, die bei einer Überschreitung eines vorgegebenen Ladedrucks von einer die Bypassöffnung verschließenden Grundposition in eine die Bypassöffnung mit einem definierten Öffnungsspalt freigebende Öffnungsposition verschwenkt werden können. Beispielsweise ist ein derartiges gattungsbildendes Schwenkventil aus der DE 28 24 401 C2 bekannt. Ein Problem bei derartigen durch eine Kippbewegung geöffneten Klappen ist jedoch, dass diese, wie dies in 7 lediglich äußerst schematisch und beispielhaft dargestellt ist, ungleichmäßig durchströmt werden, was strömungstechnisch gesehen, insbesondere im Hinblick auf eine Anströmung eines Abgas-Katalysators nachteilig ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schwenkventil für eine Ladedruckregelungseinrichtung einer abgasturboaufgeladenen Brennkraftmaschine dahingehend weiterzubilden, dass die zuvor genannten strömungstechnischen Nachteile im Betrieb des Abgasturboladers auf einfache und kostengünstige Weise verringert werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Gemäß Anspruch 1 ist eine der Bypassöffnung zugewandte Schwenkklappenunterseite einer Schwenkklappe und/oder ein der Schwenkklappe zugeordneter Bypassöffnungsrandbereich so gestaltet, dass in der Öffnungsposition der Schwenkklappe ein entlang des Bypassöffnungsumfangs konstanter Öffnungsspaltabstand zwischen der Schwenkklappe und der Bypassöffnung, insbesondere einem Bypassöffnungsrandbereich ausgebildet ist.
Mit einem derartigen erfindungsgemäßen Aufbau wird lediglich durch eine einfach durchzuführende konstruktive Umgestaltung an der Schwenkklappe selbst und/oder im Bereich der Bypassöffnung im Betriebszustand ein über den Umfang konstanter Öffnungsspalt ausgebildet, der von den Abgasen in strömungstechnisch vorteilhafter Weise gleichmäßig durchströmt wird. Dadurch, dass sich die Änderungen z. B. nur auf die Schwenkklappe selbst und nicht auf die Schwenkklappenmechanik als solches beziehen, sind diese Änderungen sehr einfach und insbesondere auch kostengünstig zu realisieren. Die kinematischen Abmessungen selbst bleiben dabei unverändert.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, an der Schwenkklappenunterseite einen öffnungsrandnahen, wenigstens bereichsweise umlaufenden sowie erhabenen Kragen bzw. Schulter vorzusehen, der bezüglich seiner Geometrie so gestaltet ist, dass dieser in der Öffnungsposition der Schwenkklappe den konstanten Öffnungsspaltabstand gewährleistet. Dieser Kragen kann insbesondere durch eine quer zur Schwenkachse gesehen rampen- bzw. keilförmige Erhebung ausgebildet sein, die in der Grundposition im wesentlichen formschlüssig in der Bypassöffnung aufgenommen ist. Diese an die Öffnungsgeometrie angepasste, im wesentlichen formschlüssige Aufnahme ist so zu verstehen, dass der Kragen bzw. die Erhebung und der Bypassöffnungsrandbereich so aufeinander abgestimmt sind, dass das Freikommen der Schwenkklappe nicht blockiert ist. Der Kragen bzw. die keilförmige Erhebung verjüngt sich dabei in einer Ebene quer zur Schwenkachsenrichtung gesehen von einem schwenkachsenfernen Kragenrandbereich bzw. Bypassöffnungs-Randbereich aus gesehen zu einem schwenkachsennahen Kragenrandbereich bzw. Bypassöffnungs-Randbereich hin. Besonders bevorzugt und einfach auszugestalten ist hier grundsätzlich eine geradlinige Verjüngung. Zugleich entspricht hier für einen konstanten und gleichbleibenden Öffnungsspalt entlang des Bypassöffnungsumfangs der Kragen- bzw. Keilwinkel und damit der „Schrägverlauf” des Kragens dem Öffnungs- bzw. Schwenkwinkel der Schwenkklappe in deren Öffnungsposition. Ersichtlich wird mit einer derartigen einfachen konstruktiven Lösung an der Schwenkklappe ein einfach herzustellender und damit kostengünstig zu realisierender Aufbau eines erfindungsgemäßen Schwenkventils möglich.
Weiter kann gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen sein, an der Schwenkklappenunterseite in einem mittleren Bereich der keilförmigen Erhebung wenigstens eine Ausnehmung als Impulsmulde zur Kompensation der in Schließrichtung wirkenden Strömungskraft auszubilden. Diese Ausnehmung ist so ausgebildet, dass ein randseitig wenigstens bereichsweise umlaufender stegartiger Kragen als Drosselkragen stehenbleibt für die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Bereitstellung eines über den Öffnungsumfang gleichen Öffnungsspaltabstandes bei geöffneter Schwenkklappe. Diese Ausnehmung weist bevorzugt die Form einer Kugelkappe auf, wodurch sich eine besonders vorteilhafte Impulswirkung einer Impulsmulde ausbilden lässt. Besonders gute Strömungsverhältnisse lassen sich dabei mit einer Ausführungsform erreichen, bei der der gedachte Kreismittelpunkt der Kugelkappe auf einer Senkrechten der im Querschnitt quer zur Schwenkachse gesehen auf einer geradlinigen Verbindungslinie der beiden gegenüberliegenden, jeweils äußersten Erhebungspunkte liegt.
Für eine gezielte Anströmung eines Katalysators können gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entlang des Kragen- bzw. Erhebungsumfangs Strömungsleitmittel vorgesehen sein. Diese Strömungsleitmittel können z. B. durch Nut- und/oder Stegbereiche gebildet sein, die sich ggf. im geschlossenen Zustand der Schwenkklappe formschlüssig in den entsprechend gestalteten Bypassöffnungsrandbereich einfügen können. Ferner können an der Schwenkklappenoberseite Mittel, insbesondere Stege, Anschläge oder dergleichen ausgebildet sein, die als Verdrehsicherung bzw. zur Ausrichtung der Schwenkklappe dienen, insbesondere auch um in Verbindung mit einer Dichtung in der Grundposition bzw. Geschlossenstellung der Schwenkklappe einen dichten Ventilsitz zu erzielen.
Die Schwenkklappe ist weiter bevorzugt mit einem Schwenkhebel verbunden, der im bypassöffnungsnahen Bereich an einer Außenwand der Abgasleitung schwenkbar angelenkt sein kann.
Besonders bevorzugt ist die Schwenkklappe Bestandteil einer elektronischen Ladedruckregelungseinrichtung, mit der das Öffnen und Schließen der Schwenkklappe in Abhängigkeit eines mittels einer Sensoreinrichtung erfassten Ladedrucks geregelt wird. Mit einer derartigen elektronischen Ladedruckregelungseinrichtung ist sichergestellt, dass die Schwenkklappe in ihrer Öffnungsposition einen stets gleichen Öffnungswinkel, von z. B. 4°, einnimmt und damit auch einen über den Umfang konstanten Öffnungsquerschnitt für eine gleichmäßige Durchströmung eines Öffnungsspaltes zwischen der Bypassöffnung bzw. deren Öffnungsrandbereich und der Schwenkklappe zur Verfügung stellt. Grundsätzlich wäre dies jedoch auch mit einer rein mechanischen Ladedruckregelungseinrichtung möglich, wobei hier jedoch insbesondere letzterer Aspekt mit gleichbleibendem Öffnungswinkel nur mit deutlichem Mehraufwand zu realisieren ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 bis 5 schematisch jeweils einen quer zu einer Schwenkachse einer erfindungsgemäßen Schwenkklappe verlaufenden Querschnitt durch eine Schwenkventilanordnung ausgehend von einer Grundposition (1) der Schwenkklappe bis zu einer Öffnungsposition (5) der Schwenkklappe jeweils in 1°-Öffnungsschritten,
6 eine schematische perspektivische Unteransicht einer erfindungsgemäßen Schwenkklappe, und
7 schematisch eine ungleichmäßige Durchströmsituation an einer Schwenkklappe nach dem Stand der Technik.
In der 1 ist schematisch und beispielhaft ein Querschnitt durch ein Schwenkventil 1 einer Ladedruckregelungseinrichtung einer abgasturboaufgeladenen Brennkraftmaschine gezeigt, die eine an einer Außenwand 2 einer Abgasleitung 3 schwenkbar angelenkte Schwenkklappe 4 aufweist.
Die Schwenkklappe 4 ist über einen Schwenkhebel 5, der an einer Schwenkklappenoberseite 6 angreift, um eine Schwenkachse 7 schwenkbar im Bereich einer Bypassöffnung 8 angelenkt.
In der einen Querschnitt quer zur Schwenkachse 7 zeigenden 1 ist die Schwenkklappe 4 in einer die Bypassöffnung 8 dicht verschließenden Grundposition 10 gezeigt (Öffnungswinkel der Schwenkklappe 0°), in der ein an der Schwenkklappenunterseite 9 ausgebildeter bypassöffnungsnah stegartig umlaufender Drosselkragen 12 im wesentlichen formschlüssig in der Bypassöffnung 8 aufgenommen ist.
In diesem quer zur Schwenkachse 7 verlaufenden Querschnitt ist gut ersichtlich, dass sich der durch eine keilförmige Erhebung ausgebildete Drosselkragen 12 in dieser Querschnittsebene gesehen von einem schwenkachsenfernen Kragenrandbereich 13 zu einem schwenkachsennahen Kragenrandbereich 14 verjüngt, wobei der schwenkachsennahe Kragenrandbereich 14 im schwenkachsennahen Bypassöffnungs-Randbereich in den ebenen Schwenkklappenunterseitenbereich übergeht. Der durch die geradlinige Verbindung dieser beiden Kragenbereiche 13, 14 gebildete Kragenwinkel α bzw. Schrägverlauf des Drosselkragens 12 entspricht hier dem Öffnungswinkel β der Schwenkklappe 4 in der in der 5 gezeigten Öffnungsposition 15 der Schwenkklappe 4. Damit ist sichergestellt, dass, wie dies die 2 bis 5 deutlich zeigen, zwischen der Schwenkklappe 4, insbesondere dem Drosselkragen 12 und der Bypassöffnung 8 bzw. dem Bypassöffnungsrandbereich 16, ein entlang des Bypassöffnungsumfangs gleicher Öffnungsspaltabstand 18 ausgebildet wird, mit dem eine gleichmäßige Durchströmung sichergestellt ist.
Wie dies den 1 bis 5 und insbesondere auch der 6 zu entnehmen ist, weist die keilförmige Erhebung hier unter Ausbildung eines im wesentlichen stegartig umlaufenden Drosselkragens 12 im mittleren Bereich eine in Form einer Kugelkappe ausgebildete Impulsmulde 17 auf, die zur Kompensation der in Schließrichtung wirkenden Strömungskraft dient.
Wie dies den 1 bis 6 weiter entnommen werden kann, können auf der Schwenkklappenoberseite 6 zu beiden Seiten des Schwenkhebels 5 Stege 19 zur Ausrichtung der bzw. als Verdrehsicherung für die Schenkklappe 4 angeordnet sein. In der Darstellung der 1 bis 5 ist lediglich einer der beiden Stege 19 gezeigt. Der andere Steg 19 liegt in Blickrichtung hinter diesem Steg 19.

Claims

Schwenkventil für eine Ladedruckregelungseinrichtung einer abgasturboaufgeladenen Brennkraftmaschine, mit einer Schwenkklappe, die bei Überschreitung eines vorgegebenen Ladedrucks von einer die Bypassöffnung verschließenden Grundposition in eine die Bypassöffnung mit einem definierten Öffnungsspalt freigebende Öffnungsposition verschwenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Bypassöffnung (8) zugewandte Schwenkklappenunterseite (9) so ausgebildet ist, dass in der Öffnungsposition (15) der Schwenkklappe (4) ein entlang des Bypassöffnungsumfangs gleicher Öffnungsspaltabstand (18) zwischen der Schwenkklappe (4) und der Bypassöffnung (8), insbesondere dem Bypassöffnungsrandbereich (16) ausgebildet ist, indem an der Schwenkklappenunterseite (9) ein dem Bypassöffnungsrandbereich (16) zugeordneter, wenigstens bereichsweise umlaufender sowie erhabener Kragen (12) angeordnet ist, der sich in einer Ebene quer zur Schwenkachsenrichtung gesehen von einem schwenkachsenfernen Kragenrandbereich (13) zu einem schwenkachsennahen Kragenrandbereich (14) hin unter einem Winkel (Kragenwinkel (α)) verjüngt, der in etwa dem Schwenkwinkel (β) der Schwenkklappe (4) in deren Öffnungsposition (15) entspricht.
Schwenkventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Schwenkklappenunterseite (9) zur Ausbildung des Kragens (12) eine in der Grundposition (10) im wesentlichen formschlüssig in der Bypassöffnung (8) aufgenommene keilförmige Erhebung ausgebildet ist, die sich in einer Ebene quer zur Schwenkachsenrichtung gesehen von einem den schwenkachsenfernen Kragenrandbereich (13) ausbildenden Keilrandbereich zu einem den schwenkachsennahen Kragenrandbereich (14) ausbildenden Keilrandbereich hin verjüngt.
Schwenkventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die keilförmige Erhebung unter Ausbildung eines stegförmig umlaufenden Kragens (12) als Drosselkragen in einem mittleren Bereich wenigstens eine Ausnehmung, insbesondere als Impulsmulde (17) wirkend, aufweist.
Schwenkventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (17) wenigstens im Querschnitt quer zur Schwenkachsenrichtung betrachtet die Form einer Kugelkappe aufweist.
Schwenkventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass entlang des Kragenumfangs wenigstens ein Strömungsleitmittel vorgesehen ist.
Schwenkventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitmittel durch Nut- und/oder Stegbereiche gebildet ist.
Schwenkventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkklappe (4) mit einem Schwenkhebel (5) verbunden ist, der im bypassöffnungsnahen Bereich schwenkbar angelenkt ist.
Schwenkventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkklappe (4) Bestandteil einer elektronischen Ladedruckregelungseinrichtung ist, mit der das Öffnen und Schließen der Schwenkklappe (4) in Abhängigkeit eines mittels einer Sensoreinrichtung erfassten Ladedrucks geregelt wird.