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Die
Erfindung betrifft einen Turbolader mit einem Wastegateventil in
einem Abgasstrom und einem Schubumluftventil in einem Frischluftstrom,
wobei das Wastegateventil ein Stellgerät aufweist.
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Ein
Turbolader dient der Leistungssteigerung von Verbrennungskraftmaschinen
durch Erhöhung des Gemischdurchsatzes pro Arbeitstakt,
was durch einen Verdichter im Frischluftstrom erreicht wird. Der Antrieb
des Verdichters erfolgt durch die Energie des Abgasstroms, sodass
keine Motorleistung für den Antrieb des Verdichters aufgewendet
werden muss. Ein Turbolader besteht aus einer Abgasturbine im Abgasstrom,
die über eine Welle mit einem Verdichter im Frischluftstrom
verbunden ist. Die Turbine wird durch den Abgasstrom des Motors
in Rotation versetzt und treibt so den Verdichter an. Der Verdichter erhöht
den Druck im Frischluftstrom des Motors so, dass während
des Ansaugtaktes der Verbrennungskraftmaschine eine größere
Menge Luft in den Zylinder gelangt als bei einer Verbrennungskraftmaschine ohne
Turbolader. Damit steht mehr Sauerstoff für die Verbrennung
einer entsprechend größeren Kraftstoffmenge zur
Verfügung. Dies führt zu einer Steigerung des
Motormitteldrucks und des Drehmoments, was die Leistungsabgabe erhöht.
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Prinzipbedingt
dreht sich die Welle des Turboladers durch die antreibenden Abgasmengen
mit steigender Motordrehzahl immer schneller. Je schneller sich
die Turbine dreht, desto mehr Frischluft fördert der Verdichter,
was durch die wachsende Abgasmenge wiederum die Turbine noch mehr
antreibt. Letztlich steigt auch die Reibung in den Lagersitzen an
und die Verdichterdrehzahl erreicht ein Drehzahlplateau. Auch kann
der Verdichter seine Fördergrenze erreichen oder die mechanischen
und thermischen Grenzen des Motors werden überschritten.
Um die Abgabeleistung in praktikablen Grenzen zu halten, also die
Aufladung des Motors zu begrenzen, bedarf es einer Regelung. Die
einfachste Regulierung wird durch Abblasen überschüssiger
komprimierter Luft im Frischluftstrom durch ein Überdruckventil
realisiert. Eine mit weniger Nachteilen behaftete Variante der Regelung
ist das Wastegateventil im Abgasstrom. Bei einem eingestellten Druck
im Frischluftstrom wird das Wastegateventil durch ein Stellgerät
geöffnet, sodass Abgas an der Turbine vorbei direkt in
den Auspuff geleitet wird. Ein weiteres Ansteigen der Turbinendrehzahl
wird so unterbunden.
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Die
variable Turbinengeometrie eines Turboladers dient dazu, die Leistungsabgabe
und das Ansprechverhalten an unterschiedliche Betriebsbedingungen
der Verbrennungskraftmaschine, zum Beispiel an Lastwechsel, besser
anpassen zu können. Um das zu erreichen, befinden sich
verstellbare, nicht rotierende Leitschaufeln im Turbineneintritt
oder im Turbinengehäuse. Die Anstellwinkel der Leitschaufeln
werden dabei so geregelt, dass bei geringem Abgasdurchsatz, aber
hohem Leistungsbedarf das Abgas durch reduzierte Strömungsquerschnitte beschleunigt
und auf die Turbinenschaufeln geleitet wird, was die Drehzahl der
Turbine und somit die Leistung des Verdichters erhöht.
Umgekehrt kann bei hohem Abgasdurchsatz und geringerem Leistungsbedarf
durch große Querschnitte die Strömungsgeschwindigkeit
verringert werden, was die Leistung des Verdichters vermindert.
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Wird
die Frischluftabnahme von der Verbrennungsmaschine unterbrochen,
entsteht zwischen dem Verdichter und der Verbrennungsmaschine eine Drucksäule,
die den Verdichter stark abbremst. Bei dauerhaft hohem Ladedruck
kann der Turbolader daran Schaden nehmen. Um dieses uneffektive
Abbremsen des Verdichters zu verhindern, wird der unter hohem Druck
stehende Frischluftstrom von dem Schubumluftventil abgelassen. So
kann sich der Lader frei weiterdrehen, ein erneuter Druckaufbau
wird verkürzt und ein schnelleres Beschleunigen des Turboladers
zugunsten eines besseren Ansprechverhaltens, beispielsweise nach
einem Schaltvorgang, erzielt. Beim offenen System wird die überschüssige Frischluft
nach außen abgeleitet. Bei einem geschlossenen System wird
die überschüssige Luft zurück in den
Ansaugkanal abgeleitet.
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Für
das Wastegateventil und das Schubumluftventil werden üblicherweise
Membranventile und/oder Kolbenventile eingesetzt. Die Stellgeräte der
Ventile sind häufig druckgesteuert, aber auch elektrisch
gesteuerte Stellgeräte sind bekannt. Bei einem elektrisch
gesteuerten Stellgerät kann das Ventil unabhängig
vom Druck beliebig geöffnet oder geschlossen werden. Bisher
werden das Wastegateventil von einem pneumatischen Stellgerät
und das Schubumluftventil von einem elektrischen Stellgerät angetrieben.
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Durch
die Druckschrift
US 4,893,474 ist
es bekannt, dass in einem Turbolader mittels eines Verbindungsglieds
zwischen den verstellbaren Leitschaufeln im Turbineneintritt oder
im Turbinengehäuse eines Turboladers mit variabler Turbinengeometrie
und dem Wastegateventil ein pneumatisches Stellgerät beide
Einrichtungen bedienen kann.
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Die
Druckschrift
US 6,543,228
B2 zeigt, dass zwei Ventile im Abgasstrom zur Regelung
der der Turbine und einem Katalysator zugeführten Menge des
Abgasstroms von einem Stellgerät, insbesondere mittels
eines Verbindungsglieds zwischen den Ventilen, bedienbar sind.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen
Turbolader der eingangs genannten Art derart auszuführen,
dass die Anzahl der Bauteile und somit die Produktionskosten sowie
die Anzahl möglicher Fehlerquellen verringert werden und
der Aufbau des Turboladers vereinfacht wird.
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Diese
Aufgabe wird gelöst mit einem Turbolader gemäß den
Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen
besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist
also ein Turbolader vorgesehen, bei dem das Schubumluftventil und
das Wastegateventil mittels eines einzigen gemeinsamen Stellgeräts
bedienbar sind. Hierdurch ist es möglich, dass die Anzahl
der Bauteile und somit die Produktionskosten sowie die Anzahl möglicher
Fehlerquellen verringert werden. Durch die Bedienung des Schubumluftventils
mit dem Stellgerät des Wastegateventils wird der Aufbau
des Turboladers vereinfacht. Eine Kopplung der beiden Ventile ist
möglich, da in dem Betriebszustand, in dem das Wastegateventil
vollständig öffnet, immer auch das Schubumluftventil
geöffnet wird. Dabei ist es günstig, dass der
Turbolader für die Bedienung des Wastegateventils und des Schubumluftventils
ein einziges gemeinsames Stellgerät aufweist. Durch die
Nutzung des gemeinsamen Stellgeräts kann auf ein zusätzliches
Stellgerät für das Schubumluftventil verzichtet
werden. Der Turbolader weist ein mechanisches, elektromechanisches und/oder
pneumatisches Stellgerät auf.
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Vorteilhaft
ist es, dass das Wastegateventil und das Schubumluftventil mittels
eines Verbindungsgliedes mechanisch koppelbar sind. Hierdurch ist
es möglich, dass das Schubumluftventil nur bei bestimmten
Betriebszuständen des Wastegateventils geöffnet
wird. Günstig ist auch eine Ausführungsform, bei
der der Öffnungsgrad des Wastegateventils mittels des Stellgeräts
einstellbar ist, wobei das Stellgerät einen Überweg
aufweist. Das Stellgerät kann also bei vollständig
geöffnetem Wastegateventil einen weiteren Weg, den Überweg,
zurücklegen, welcher für die Bedienung des Schubumluftventils
nutzbar ist. Dabei ist es günstig, dass das Schubumluftventil
mittels des Überwegs des Stellgeräts zum Öffnen
bedienbar ist.
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Das
Stellgerät ermöglicht es, dass das Schubumluftventil
bei geschlossenem Wastegateventil geschlossen, bei einem Wastegateventil
in Regellage geschlossen und bei vollständig geöffnetem
Wastegateventil geschlossen, teilweise geöffnet oder vollständig
geöffnet ist. Hierdurch ist es möglich, den Ladedruck
des Frischluftstroms durch gleichzeitiges Öffnen des Wastegateventils
und des Schubumluftventils zu verringern. Für das Schubumluftventil
wird kein eigenes Stellgerät benötigt und somit
die Anzahl der Bauteile, die Produktionskosten und die Anzahl möglicher
Fehlerquellen des Turboladers verringert. Mittels der Kopplung des insbesondere
elektrischen Stellgerätes des Wastegateventils mit dem
Schubumluftventil im Überweg des Stellgeräts ist
es möglich, das Erreichen der Pumpgrenze des Turboladers bei
geschlossener Drosselklappe der Verbrennungsmaschine automatisch
zu verhindern. So kann auf überraschend einfache Weise
der Aufbau des Turboladers vereinfacht und gleichzeitig der Turbolader besser
vor Schäden geschützt werden.
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Die
Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu.
Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in
der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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Diese
zeigt in
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1 eine
schematische Darstellung eines Turboladers für eine Verbrennungsmaschine;
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2 eine
schematische Darstellung des Turboladers in einem Lastzustand;
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3 eine
schematische Darstellung des Turboladers in einem Regelzustand;
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4 eine
schematische Darstellung des Turboladers in einem Lastzustand bei
geschlossener Drosselklappe;
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5 ein Verbindungsglied zwischen einem Wastegateventil
und einem Schubumluftventil.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Turboladers 1 für
eine hier nicht dargestellte Verbrennungsmaschine. Dabei wird ein
Frischluftstrom 5 vom Luftfilter kommend (dargestellt durch Pfeil 12)
von einem Verdichter 20 des Turboladers 1 komprimiert
und druckbeaufschlagt zu der Verbrennungsmaschine geleitet (angedeutet
mittels Pfeil 11). Der Abgasstrom 3 von der Verbrennungsmaschine, dargestellt
durch Pfeil 10, treibt eine Turbine 21 des Turboladers 1 an
und wird dann zu einem Katalysator geleitet (angedeutet durch Pfeil 13).
Der Turbolader 1 weist darüber hinaus noch ein
Wastegateventil 2 und ein Schubumluftventil 4 auf.
Mittels des Wastegateventils 2 kann die Leistung des Turboladers 1 beeinflusst
werden. Die 1 zeigt ein geschlossenes Wastegateventil 2.
In dieser Funktionsstellung wird der gesamte Abgasstrom 3 durch
die Turbine 21 des Turboladers 1 geführt.
Diese Funktionsstellung wird gewählt, wenn die maximale
Leistung des Turboladers 1 gefordert wird. Im Regelbetrieb
ist das Wastegateventil 2 zu einem Teil geöffnet,
sodass nur ein Teil des Abgasstroms 3 zum Antrieb der Turbine 21 genutzt
wird. Der andere Teil des Abgasstroms 3 wird an der Turbine 21 vorbeigeleitet.
Die Leistung der Turbine 21 und somit des Turboladers 1 ist
abhängig von der Menge des zur Turbine 21 geleiteten
Abgasstroms 3. Der Verdichter 20 ist mit der Turbine 21 über
eine Welle 22 verbunden. Wird, beispielsweise durch Schließen
einer Drosselklappe 8 der Verbrennungsmaschine, die Frischluftabnahme
unterbrochen, entsteht zwischen dem Verdichter 20 und der Verbrennungsmaschine
eine Drucksäule, die den Verdichter 20 stark abbremst.
Bei dauerhaft hohem Ladedruck kann der Turbolader 1 daran
Schaden nehmen. Um dieses uneffektive Abbremsen des Verdichters 20 zu
verhindern, wird der in dem Bereich zwischen Verdichter 20 und
der Verbrennungsmaschine unter hohem Druck stehende Frischluftstrom 5 von
dem Schubumluftventil 4 in den Bereich zwischen Luftfilter
und Verdichter 20 abgelassen. So kann sich der Turbolader 1 frei
weiterdrehen, ein erneuter Druckaufbau wird verkürzt und
ein schnelleres Beschleunigen des Turboladers 1 zugunsten
eines besseren Ansprechverhaltens, beispielsweise nach einem Schaltvorgang,
erzielt.
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Die 2 bis 4 zeigen
eine schematische Darstellung des Turboladers 1 in verschiedenen Arbeitszuständen.
Das gezeigte Wastegateventil 2 wird von einem Stellgerät 6 betätigt,
wobei die Linie 14 die Position des geschlossenen Wastegateventils 2 und
die Linie 15 die Position des geöffneten Wastegateventils 2 andeutet.
In einer Arbeitsachse mit dem Wastegateventil 2 ist das
Schubumluftventil 4 angeordnet. Die Line 16 deutet
die Position des geschlossenen Schubumluftventils 4 an,
während die Linie 17 die Position des geöffneten
Schubumluftventils 4 andeutet. 2 zeigt den
Turbolader 1 in einem Lastzustand, wobei das Wastegateventil 2 und
das Schubumluftventil 4 geschlossen sind. Der Pfeil 19 deutet die
Bewegungsrichtung des Wastegateventils 2 beim Schließen
an. 3 zeigt den Turbolader 1 in einem Regelzustand.
Das Wastegateventil 2 wird von dem Stellgerät 6 in
einer teilweise geöffneten Position gehalten. 4 zeigt
den Turbolader 1 in einem Lastzustand bei geschlossener
Drosselklappe 8. Durch die in 1 dargestellte
geschlossene Drosselklappe 8 ist die Frischluftabnahme
unterbrochen und es entsteht zwischen dem in 1 dargestellten
Verdichter 20 und der Verbrennungsmaschine eine Drucksäule, die
den Verdichter 20 stark abbremst. Da bei geschlossener
Drosselklappe 8 vom Turbolader 1 keine Leistung
mehr benötigt wird, öffnet das Stellgerät 6 das
Wastegateventil 2 mit einer Bewegung in Richtung des Pfeils 18.
Die Bewegung des Stellgeräts 6 wird auch bei vollständiger Öffnung
des Wastegateventils 2 nicht unterbrochen, sodass der so
entstehende Überweg 9 des Stellgeräts 6 das
Schubumluftventil 4 öffnet. Durch das geöffnete
Schubumluftventil 4 wird der unter hohem Druck stehende
Frischluftstrom 5 an dem Verdichter 20 vorbeigeleitet.
Somit erfolgt kein uneffektives Abbremsen des Verdichters 20 und
der Turbolader 1 kann sich frei weiterdrehen.
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5 zeigt eine Ausführungsform
des Turboladers 1 mit einem Verbindungsglied 7 zwischen einem
Wastegateventil 2 und einem Schubumluftventil 4 in
den in den 2 bis 4 beschriebenen Arbeitszuständen
Lastzustand A, Regelzustand B und Lastzustand bei geschlossener
Drosselklappe C. Die auf das Wastegateventil 2 wirkende
Bewegung des Stellgeräts 6 wirkt mittels des Verbindungsgliedes 7 auch
auf das Schubumluftventil 4.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4893474 [0007]
- - US 6543228 B2 [0008]