DE102006028800B4

DE102006028800B4 - Abgasturbolader mit einem Bypass

Info

Publication number: DE102006028800B4
Application number: DE102006028800.9A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Wimmer; Volker Raab
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-06-23
Filing date: 2006-06-23
Publication date: 2022-07-14
Anticipated expiration: 2026-06-24
Also published as: DE102006028800A1

Abstract

Abgasturbolader (1) mit einem Bypass (2), insbesondere für eine zweistufige Abgasturboladeranordnung, wobei der Bypass (2) von einem Verschlussteller (4) einer in einem Maschinengehäuse (1') des Abgasturboladers (1) verschwenkbar angeordneten Bypass-Klappe (3) verschließbar ist, wobei der Verschlussteller (4) auf der dem Bypass (2) zugewandten Seite (4') konkav ausgeformt ist,dadurch gekennzeichnet, dass die konkav ausgeformte Seite (4') einen Radius (R) zwischen 20 mm und 1000 mm aufweist undder Verschlussteller (4) eine ungleichmäßige Materialwandstärke aufweist, wobeidie Materialwandstärke zwischen 0, 5 mm und 5 mm beträgt und die Materialwandstärke zum Rand des Verschlusstellers (4) hin kleiner ist als im Mittenbereich.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einem Bypass mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Aus der Offenlegungsschrift DE 102 30 934 A1 ist eine zweistufige, schaltbare Abgasturboladeranordnung bekannt. Die zweistufige, schaltbare Abgasturboladeranordnung für eine Brennkraftmaschine umfasst einen motornahen Hochdrucklader mit einer mit einem Abgassammler der Brennkraftmaschine abgasführend verbundenen Hochdruckturbine, mit der eine Niederdruckturbine eines Niederdruckladers in Reihe angeordnet ist. Jeder Turbine ist jeweils ein mit einer Klappe steuerbarer Bypass, ein Niederdruck-Bypass und ein Hochdruck-Bypass zugeordnet. Ein Hochdruckverdichter des Hochdruckladers umfasst einen steuerbaren Ladeluft-Bypass und ist gasführend über eine Ladeluftleitung mit einem Niederdruckverdichter verbunden. Die Steuerung sämtlicher Bypässe erfolgt mittels eines elektronischen Steuergerätes. Bei aktiviertem Bypass ist zur Umgehung der Hochdruckturbine der wesentliche Abgasstrom der Niederdruckturbine und ein kleinerer Abgasanteil der Brennkraftmaschine weiterhin der Hochdruckturbine zugeführt. Dies kann beispielsweise aus schmierungstechnischen Überlegungen einerseits und um das Ansprechverhalten der Abgasturboladeranordnung andererseits günstig zu gestalten, vorgesehen werden. Das Verschließen und Öffnen der Bypässe erfolgt über verschwenkbar in dem Maschinengehäuse des Abgasturboladers angeordnete Klappen. Die Klappen bestehen im Wesentlichen aus einem an einem Schwenkarm angeordneten Verschlussteller. Der Verschlussteller ist eine im Wesentlichen eben ausgeführte Verschlussplatte, mit relativ großer Dicke.
Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad des Abgasturboladers und somit auch der Brennkraftmaschine zu erzielen, wäre es wünschenswert, bei gleichem Bauraum einen größeren Strömungs-Eintrittsquerschnitt des Bypasses zu erzielen.
Aus der DE 18 17 013 A ist ein Ventil zur Steuerung der Strömung eines elastischen Antriebsfluids in einer Turbinenanlage bekannt. Das Ventil umfasst ein Gehäuse, das einen Einlass sowie einen Auslass hat, der durch ein in dem Gehäuse mittels einer Welle schwenkbar gelagertes Verschlussteil verschließbar ist. Das Verschlussteil und die Welle bilden eine starre bauliche Einheit und das Ventilgehäuse ist längs einer durch die Längsachse der Welle verlaufenden Ebene in einer das Einsetzen der Welle zusammen mit dem Verschlussteil ermöglichenden Weise geteilt.
Die JP 2005-226 591 A offenbart einen Lader mit einem Ladedruckregelventil. Dabei ist ein Durchgangsloch für das Ladedruckregelventil in einem Gehäuse des Laders vorgesehen, um einen stromaufwärtigen Fluiddurchgang und einen stromabwärtigen Fluiddurchgang einer Turbine gegenseitig zu verbinden. Ein Ventilelement dient zum Öffnen und Schließen des Durchgangslochs für das Ladedruckregelventil.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Abgasturbolader bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verschlusstellers wird in vorteilhafter Weise eine wesentlich harmonischere Strömungsführung des Gasstromes erzielt. Der engste freie Strömungsquerschnitt kann um ca. 2 - 15 % gegenüber einem ebenen Verschlussteller vergrößert werden. Dadurch reduziert sich der Strömungswiderstand und es kann die Leistung des Abgasturboladers und somit auch der Brennkraftmaschine gesteigert werden. Insbesondere die Dichtfunktion ist aufgrund eines minimierten thermischen Verzugs im Randbereich durch die Materialverstärkung sehr gut.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 ist besonders einfach zu fertigen und weist eine besonders gute Dichtheit auf.
Der Strömungsquerschnitt des Bypasses wird nochmals verbessert mit einer Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4.
Die strömungsoptimierte Form des Verschlusstellers kann gemäß Patentanspruch 5 in vorteilhafter Weise sowohl turbinenseitig als auch verdichterseitig oder turbinenseitig und verdichterseitig eingesetzt werden. Prinzipiell lässt sich die Bypass-Klappe mit dem Verschlussteller bei allen strömungstechnischen Anwendungen einsetzen, bei denen minimale Strömungsverluste notwendig sind, bei einer gleichzeitig benötigten harmonischen Strömungsführung.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in drei Figuren näher erläutert.

1 zeigt einen Schnitt durch einen Abgasturbolader mit einer geöffneten Bypass-Klappe.
2 zeigt den gleichen Schnitt wie 1 mit der geschlossenen Bypass-Klappe.
3 zeigt nochmals eine Ausschnittsvergrößerung von der geöffneten Bypass-Klappe aus 1 .

1 zeigt einen Schnitt durch einen Abgasturbolader 1, wobei der Schnitt durch einen Turbinenraum 7 mit einem zugehörigen Turbineneinlauf 6 gelegt ist. Die Schnittflächen sind schraffiert dargestellt. Eine normalerweise im Turbinenraum 7 angeordnete Turbine des Abgasturboladers 1 ist nicht dargestellt. Der Turbinenraum 7 sowie der Turbineneinlauf 6 werden von einem Maschinengehäuse 1' des Abgasturboladers 1 , sowie einem Abgaskrümmer 1''' gebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Abgaskrümmer 1 ‚‘‘ ein abgasführender Bestandteil des Abgasturboladers 1 . Weiter weist der Abgasturbolader 1 einen ebenfalls von dem Abgaskrümmer 1 ‚‘‘ gebildeten Bypass 2 auf, der in den Turbineneinlauf 6 und in den Turbinenraum 7 mündet. Der Bypass 2 ist von einer schwenkbar in dem Maschinengehäuse 1' angeordneten Bypass-Klappe 3 verschließbar. Die Bypass-Klappe 3 besteht im Wesentlichen aus einem Verschlussteller 4, der an einem im Maschinengehäuse 1' schwenkbeweglich gelagerten Schwenkarm 5 angeordnet ist.
Der Verschlussteller 4 ist auf der dem Bypass 2 zugewandten Seite konkav ausgeführt.
Weiter weist die konkav ausgeformte Seite 4' einen Radius von 80 mm auf, wobei ein bevorzugter Radiusbereich zwischen 20 mm und 1000 mm liegt. Die konkav ausgeformte Seite 4' kann auch elliptisch oder unregelmäßig konkav ausgeformt sein.
Bevorzugt wird der Verschlussteller 4 über einen im Maschinengehäuse 1' schwenkbeweglich angeordneten Schwenkarm 5 betätigt, jedoch kann der Verschlussteller 4 direkt scharniermäßig an das Maschinengehäuse 1' angeordnet sein.
Weiter ist der Verschlussteller 4 im vorliegend mit einer runden Außenkontur ausgeführt, wodurch eine einfache Fertigung und besonders gute Dichtheit erzielt wird. Auch ovale oder unregelmäßige Außenkonturen sind für den Verschlussteller 4 möglich.
Zudem weist der Verschlussteller 4 eine ungleichmäßige Materialwandstärke auf, die bevorzugt zwischen 0,5 und 5 mm liegt. Beispielsweise wird hierbei aus dem Verschlussteller 4 zur Mitte hin Material abgetragen, wodurch wiederum die konkave Form erzielt wird. Diese Variante hat darüber hinaus den Vorteil, dass sie im Randbereich besonders stabil ist und somit eine gute Dichtwirkung erzielt. Auch ist es möglich diese Variante durch Pressen, Schmieden oder Gießen zu fertigen. In einer weiteren Variante ist die Materialstärke des Verschlusstellers zum Randbereich hin dünner ausgeformt, wodurch eine besonders steife Anbindung des Verschlusstellers 4 an den Schwenkarm 5 möglich ist. Die ;Weichheit'', bzw. einfache Deformierbarkeit des dünnen Randbereiches unterstützt hierbei die Dichtwirkung des Verschlusstellers 4 .
Um die Strömungsverhältnisse aus dem Bypass 2 in den Turbineneinlauf 6 sowie in den Turbinenraum 7 noch weiter zu verbessern, weist das Maschinengehäuse 1' eine Ausnehmung 1" auf, in die die Bypass-Klappe 3 im geöffneten Zustand weitgehend versenkbar ist.
In den 2 und 3 gelten für gleiche Bauteile wie in 1 die gleichen Bezugsziffern.
2 zeigt den gleichen Schnitt durch den Abgasturbolader 1 wie 1 , jedoch mit einer geschlossenen Bypass-Klappe 3 .
3 zeigt den gleichen Schnitt durch den Abgasturbolader 1 wie 1 , jedoch als Ausschnittsvergrößerung von der geöffneten Bypass-Klappe 3 .
Die Ausgestaltung des Abgasturboladers kann sowohl in einstufigen als auch mehrstufigen oder parallelen Aufladegruppen Verwendung finden.
Durch die kugelkalottenförmige Gestaltung des Verschlusstellers 4 wird eine wesentlich harmonischere Strömungsführung des Gasstromes erzielt. Der engste freie Strömungsquerschnitt kann somit um ca. 2-15% gegenüber einer ebenen Verschlussklappe, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, vergrößert werden. Dadurch reduziert sich der Strömungswiderstand bzw. es kann die Leistung des Abgasturboladers 1 und somit der Brennkraftmaschine gesteigert werden.
Durch die Kalottenform kann bei reduzierter Verschlusstellerwandstärke das effektive Widerstandsmoment der Bypass-Klappe 3 erhöht werden. Durch die dadurch geringere thermische Masse der Bypass-Klappe 3 kommt es bei Temperaturbeanspruchungen zu einer schnelleren, gleichmäßigen Durchwärmung, was sich in geringeren thermischen Verzügen und damit einer besseren Dichtfunktion niederschlägt.
Durch die beschriebene Ausgestaltung des Verschlusstellers 4 werden kurz zusammen gefasst folgende Vorteile erzielt:

• Der reduzierte Druckverlust durch die strömungsgünstigere Gestaltung der Bypass-Klappe 3 führt zu einer Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine.
• Die Erhöhung des Strömungsquerschnittes um ca. 2-15% reduziert ebenfalls die Druckverluste, was ebenfalls zu einer Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine führt.
• Aufgrund der geringeren thermischen Masse wird ein verbessertes Ansprechverhalten des Abgasturboladers erzielt.
• Aufgrund der höheren Steifigkeit der Bypass-Klappe durch die konkave Form bei gleichzeitig geringerer Wandstärke, wird eine Erhöhung der Dichtheit des Verschlusstellers 4 erzielt.

Bezugszeichenliste

1: Abgasturbolader
1': Maschinengehäuse
1": Ausnehmung
1''': Abgaskrümmer
2: Bypass
3: Bypass-Klappe
4: Verschlussteller
4': Konkav ausgeformte Seite
5: Schwenkarm
6: Turbineneinlauf
7: Turbinenraum

Claims

Abgasturbolader (1) mit einem Bypass (2), insbesondere für eine zweistufige Abgasturboladeranordnung, wobei der Bypass (2) von einem Verschlussteller (4) einer in einem Maschinengehäuse (1') des Abgasturboladers (1) verschwenkbar angeordneten Bypass-Klappe (3) verschließbar ist, wobei der Verschlussteller (4) auf der dem Bypass (2) zugewandten Seite (4') konkav ausgeformt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die konkav ausgeformte Seite (4') einen Radius (R) zwischen 20 mm und 1000 mm aufweist und der Verschlussteller (4) eine ungleichmäßige Materialwandstärke aufweist, wobei die Materialwandstärke zwischen 0, 5 mm und 5 mm beträgt und die Materialwandstärke zum Rand des Verschlusstellers (4) hin kleiner ist als im Mittenbereich.
Abgasturbolader nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussteller (4) über einen am Maschinengehäuse (1') verschwenkbar angeordneten Schwenkarm (5) verschwenkbar ist.
Abgasturbolader nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussteller (4) eine runde Außenform aufweist.
Abgasturbolader nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinengehäuse (1') eine Ausnehmung (1") aufweist in die der Verschlussteller (4) bei geöffnetem Bypass (2) weitgehend versenkbar ist.
Abgasturbolader nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, wobei der Abgasturbolader eine Turbine und einen Verdichter aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine und/oder der Verdichter einen Bypass (2) aufweist und die Bypass-Klappe (3) turbinenseitig und/oder verdichterseitig angeordnet ist.