DE102015203678B3

DE102015203678B3 - Bypassventil

Info

Publication number: DE102015203678B3
Application number: DE102015203678.2A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kindl; Andreas Kuske; Jörg Kemmerling; Vanco Smiljanovski; Franz Arnd Sommerhoff
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-03-02
Filing date: 2015-03-02
Publication date: 2016-06-16
Anticipated expiration: 2035-03-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bypassventil (2) mit einem Verschlussteil (4), das zwischen einer ersten Endlage (I) und einer zweiten Endlage (IV) verlagerbar ist, und mit einem ersten Ventilsitz (6) und einem zweiten Ventilsitz (8), wobei das Verschlussteil (4) in der ersten Endlage (I) mit dem ersten Ventilsitz (6) das Bypassventil (2) verschließend zusammenwirkt, wobei das Verschlussteil (4) in einer Position zwischen der ersten Endlage (I) und einer Zwischenposition (III) zwischen der ersten Endlage (I) und der zweiten Endlage (IV) einen ersten Ventildurchgang (10) des Bypassventils (2) freigibt, wobei das Verschlussteil (4) in einer Position zwischen der Zwischenposition (III) und der zweiten Endlage (IV) einen zweiten Ventildurchgang (12) freigibt, wobei das Verschlussteil (4) an seinem distalen Ende einen kugelförmigen Abschnitt (14) aufweist, der mit dem ersten Ventilsitz (6) das Bypassventil (2) verschließend zusammenwirkt, und wobei das Verschlussteil (4) einen zylinderförmigen Abschnitt (16) aufweist, der mit dem zweiten Ventilsitz (8) das Bypassventil (2) verschließend zusammenwirkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bypassventil mit einem Verschlussteil, das zwischen einer ersten Endlage und einer zweiten Endlage verlagerbar ist. Ferner betrifft die Erfindung eine turboaufgeladene Verbrennungskraftmaschine mit einem derartigen Bypassventil und ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Verbrennungskraftmaschine.
Bei turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen dreht sich prinzipbedingt die Welle des Abgasturboladers durch die antreibenden Abgasmengen mit steigender Motordrehzahl immer schneller. Je schneller sich die Turbine dreht, desto mehr Luft fördert der Verdichter, was durch die wachsende Abgasmenge wiederum die Turbine noch mehr antreibt. Hierdurch kann der Verdichter des Abgasturboladers seine Fördergrenze erreichen oder die mechanischen und thermischen Grenzen der Verbrennungskraftmaschine werden überschritten. Die im niedrigen Drehzahlbereich gewünschte Aufladung der Verbrennungskraftmaschine kann also in höheren Drehzahlbereichen problematisch werden. Um die Abgabeleistung in praktikablen Grenzen zu halten, also die Aufladung der Verbrennungskraftmaschine zu begrenzen, bedarf es einer Einrichtung, die im allgemeinen Sprachgebrauch „Ladedruckregelung“ genannt wird. Diese Ladedruckregelung kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Die einfachste Ladedruckregelung wird durch Abblasen überschüssiger komprimierter Luft auf der Verdichterseite durch ein Überdruckventil, auch genannt Pop-Off-Ventil genannt, realisiert.
Eine andere Form der Ladedruckregelung verwendet ein Bypassventil, auch Wastegate genannt, im Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine. Ab einem bestimmten Ladedruck wird das Bypassventil durch einen Geber auf der Verdichterseite des Abgasturboladers geöffnet und leitet dann Abgas an der Turbine des Abgasturboladers vorbei direkt in den Auspuff der Verbrennungskraftmaschine, was ein weiteres Ansteigen der Turbinendrehzahl unterbindet.
Derartige Bypassventile sind z. B. aus der US 2011/0005222 A1 , der DE 11 2009 002 230 T5 , der DE 10 2010 044 683 A1 und der US 2012/0312010 A1 bekannt.
Ein derartiges Bypassventil hat in geschlossenem Zustand eine geringe Leckage aufzuweisen und beim Übergang in den geöffneten Zustand eine lineare Zunahme der Durchflussfläche des Bypassventils bereitzustellen, um steuerbar bzw. regelbar zu sein. Jedoch weisen bekannte Bypasssventile im geschlossenen Zustand eine zu große Leckage und beim Übergang in den geöffneten Zustand eine nicht-lineare Zunahme der Durchflussfläche des Bypassventils auf.
Aus DE 1 123 634 A und DE 1 404 566 A sind Gasventile, insbesondere für Gas-Wasserheizer, beschrieben, in denen sich ein Schleppkolben an einen Ventilteller anschließt. Der Ventilteller weist eine Dichtung zum Zusammenwirken mit dem Ventilsitz des Gasventils auf. Am Schleppkolben ist eine weitere Dichtung angeordnet. Zwischen der Dichtung des Ventiltellers und der am Schleppkolben angeordneten Dichtung ist im Schleppkolben eine für den Durchlass einer Durchzündungsmenge von Gas notwendige Öffnung vorhanden, die bereits vor dem Öffnen des Hauptgasweges durch das Ventil die notwendige Durchzündungsmenge an Gas passieren lässt.
Aus DE 10 2008 012 467 B3 ist ein Abblasventil für einen Turbolader bekannt, das einen ersten Ventilkörper und einen zweiten Ventilkörper besitzt. Wenn der erste Ventilkörper geschlossen ist, kann der zweite Ventilkörper einen Fluiddurchlass in den Ventilinnenraum freigeben, so dass ein Fluiddruck auf die Rückseite des ersten Ventilkörpers wirkt, um eine Schließkraft auf den ersten Ventilkörper aufzubringen.
Es besteht daher Bedarf daran, ein verbessertes Bypassventil bereitzustellen, bei dem die Leckage des Bypassventils im geschlossen Zustand reduziert ist und das beim Übergang in den geöffneten Zustand eine lineare Zunahme der Durchflussfläche des Bypassventils bereitstellt.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Bypassventil mit einem Verschlussteil, das zwischen einer ersten Endlage und einer zweiten Endlage verlagerbar ist. Das Bypassventil weist ferner einen ersten Ventilsitz und einen zweiten Ventilsitz auf, wobei das Verschlussteil in der ersten Endlage mit dem ersten Ventilsitz das Bypassventil verschließend zusammenwirkt, und wobei das Verschlussteil in einer Position zwischen der ersten Endlage und einer Zwischenposition zwischen der ersten Endlage und der zweiten Endlage einen Ventildurchgang des Bypassventils freigibt. Das Verschlussteil gibt in einer Position zwischen der Zwischenposition und der zweiten Endlage einen zweiten Ventildurchgang frei. Mit der Freigabe des zweiten Ventildurchgangs ist das Bypassventil vollständig geöffnet. Das Verschlussteil weist an seinem distalen Ende einen kugelförmigen Abschnitt aufweist, der mit dem ersten Ventilsitz das Bypassventil verschließend zusammenwirkt. Ferner weist das Verschlussteil einen zylinderförmigen Abschnitt auf, der mit dem zweiten Ventilsitz das Bypassventil verschließend zusammenwirkt. Durch die beiden Ventilsitze wird die Leckage bei geschlossenem Ventil verbessert, da diese in Reihe angeordnet sind und sich daher ihre Verschlusswirkung addiert, wenn sie mit dem Verschlusskörper zusammenwirken. Ferner wird durch die zwei Ventilsitze eine zweistufige Öffnung des Bypassventils bereitgestellt, was zu einer Linearisierung der Zunahme der Durchflussfläche des Baypassventils führt. Der zylinderförmige Abschnitt kann mit dem Grundkörper des Bypassventils zusammenwirkend eine Führung für den Verschlusskörper bilden, die den Verschlusskörper bei der Verlagerung zwischen den beiden Endlagen führt. Des Weiteren erlaubt der zylinderförmige Abschnitt eine Verlagerung des Verschlusskörpers, z. B. zwischen der ersten Endlage und der Zwischenposition, ohne das der zweite Ventildurchgang geöffnet wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der erste Ventildurchgang einen sich durch das Verschlussteil erstreckenden Durchgang auf. Dies erlaubt einen besonders einfachen Aufbau des Bypassventils, bei dem durch Zusammenwirken des Verschlusskörpers mit einem Grundkörper des Bypassventils der erste Ventildurchgang verschlossen und geöffnet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Verschlussteil translatorisch entlang einer Achse verlagerbar. Somit erfolgt keine Dreh- oder Schwenkbewegung des Verschlussteils, wenn diese zwischen der ersten Endlage und der zweiten Endlage verlagert wird. Dadurch wird ein Bypassventil mit einem besonders einfachen Aufbau bereitgestellt, da nur eine Führung für eine translatorische Bewegung erforderlich ist.
Ferner gehören zur Erfindung eine turboaufgeladene Verbrennungskraftmaschine, insbesondere ein turboaufgeladener Otto- oder Dieselmotor, mit einem derartigen Bypassventil und ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein PKW, mit einer derartigen turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschine.
Es wird nun die Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines Bypassventils mit einem Verschlusskörper in einer ersten Endlage,
2 das Bypassventil der 1 mit dem Verschlusskörper in einer Übergangsposition,
3 das Bypassventil der 1 mit dem Verschlusskörper in einer Zwischenposition,
4 das Bypassventil der 1 mit dem Verschlusskörper in einer zweiten Endlage, und
5 ein Diagramm, den Zusammenhang zwischen Ventilöffnungsgrad in % und Durchflussflächenanteil in % verdeutlichend.
Es wird zunächst auf die 1 bis 4 Bezug genommen.
Dargestellt ist ein Bypassventil 2 zur Anordnung in einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine (nicht dargestellt). Bei der Verbrennungskraftmaschine handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um einen turboaufgeladenen Otto- oder Dieselmotor zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, wie z. B. eines PKWs.
Das Bypassventil 2 weist einen Verschlusskörper 4 auf, der translatorisch entlang der Achse A zwischen einer ersten Endlage I (siehe 1) und einer zweiten Endlage IV (siehe 4) verlagerbar ist. Je nach Position des Verschlusskörpers 4 zwischen der ersten Endlage I und der zweiten Endlage IV werden ein erster Ventildurchgang 10 (siehe 2 und 3) und/oder ein zweiter Ventildurchgang 12 (siehe 4) geöffnet oder geschlossen.
Der Verschlusskörper 4 weist an seinem distalen Ende einen kugelförmigen Abschnitt 14 und an seinem proximalen Ende eine Steuerstange 18 sowie zwischen dem kugelförmigen Abschnitt 14 und der Steuerstange 18 einen zylinderförmigen Abschnitt 16 auf. Die Steuerstange 18 kann mit einem Aktuator zum Verlagern des Verschlusskörpers 4 verbunden werden.
Der erste Ventildurchgang 10 erstreckt sich durch den Verschlusskörper 4. Dabei erstreckt sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel der erste Ventildurchgang 10 durch den kugelförmigen Abschnitt 14 und den zylinderförmigen Abschnitt 16.
Ferner weist das Bypassventil 2 einen Grundkörper 20 auf, dem im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein erster Ventilsitz 6 und ein zweiter Ventilsitz 8 zugeordnet sind. Der Grundkörper 20 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen zylinderförmigen Innenflächenabschnitt 22 und einen konisch ausgebildeten Innenflächenabschnitt 24 auf, wobei der zylinderförmige Innenflächenabschnitt 22 dem ersten Ventilsitz 6 und der konisch ausgebildete Innenflächenabschnitt 24 dem zweiten Ventilsitz 8 zugeordnet ist. Dabei wirkt der zylinderförmige Innenflächenabschnitt 22 des Grundkörpers 20 mit dem zylinderförmigen Abschnitt 16 des Verschlussteils 4 zusammen und der konisch ausgebildete Innenflächenabschnitt 24 des Grundkörpers 20 wirkt mit dem kugelförmigen Abschnitt 14 des Verschlussteils 4 zusammen, um das Bypassventil 2 zu verschließen.
Der erste Ventilsitz 6 ist ausgebildet, den ersten Ventildurchgang 10 zu verschließen, wenn sich der Verschlusskörper 4 in einer entsprechenden Position befindet. Der zweite Ventilsitz 8 ist ausgebildet, den zweiten Ventildurchgang 12 zu verschließen, der sich bei dem Verschlusskörper 4 in einer entsprechenden Position zwischen den Grundkörper 20 und dem Verschlusskörper 4 erstreckt.
In der in 1 dargestellten Situation befindet sich der Verschlusskörper 4 in der ersten Endlage I. In der ersten Endlage I wirkt der Verschlusskörper 4 mit dem ersten Ventilsitz 6 und dem zweiten Ventilsitz 8 zusammen, um das das Bypassventil 2 zu verschließen. Somit sind sowohl der erste Ventildurchgang 10 als auch der zweite Ventildurchgang 12 verschlossen.
In der in 2 dargestellten Situation befindet sich der Verschlusskörper 4 nach einer Verlagerung entlang der Achse A in der Übergangsposition II zwischen der ersten Endlage I und einer Zwischenposition III (siehe 3). In der Übergangsposition II ist der erste Ventildurchgang 10 nicht mehr verschlossen, da der Verschlusskörper 4 nicht mehr mit dem ersten Ventilsitz 6 zusammenwirkt. Allerdings wirkt der Verschlusskörper 4 mit dem zweiten Ventilsitz 8 zusammen, um den zweiten Ventildurchgang 12 zu verschließen.
In der in 3 dargestellten Situation befindet sich der Verschlusskörper 4 nach einer weiteren Verlagerung entlang der Achse A in der Übergangsposition III, in der der erste Ventildurchgang 10 offen, aber der zweite Ventildurchgang 12 noch verschlossen ist.
In der in 4 dargestellten Situation befindet sich der Verschlusskörper 4 nach einer weiteren Verlagerung entlang der Achse A in der zweiten Endlage IV, in der der erste Ventildurchgang 10 und auch der zweite Ventildurchgang 12 offen sind, da nun der Verschlusskörper 4 auch nicht mehr mit dem zweiten Ventilsitz 8 zusammenwirkt.
In 5 ist der Zusammenhang zwischen einem Ventilöffnungsgrad in % des Bypassventils 2 durch Verlagern des Verschlusskörpers 4 entlang der Achse A zwischen der ersten Endlage (0%) und der zweiten Endlage IV (100%) und einem Durchflussflächenanteil in % der freigegebenen Durchflussflächen des nacheinander freigegeben ersten Ventildurchgangs 10 und zweiten Ventildurchgangs 12 dargestellt.
Zu erkennen ist, dass sich im Bereich zwischen der ersten Endlage I und der Zwischenposition III ein linearer Zusammenhang ergibt, so dass das Bypassventil 2 insbesondere bei geringfügiger Öffnung besonders gut steuern lässt.
Im Betrieb wirken bei geschlossenem Bypassventil 2 der erste Verschlusskörper 4 mit dem ersten Ventilsitz 6 und dem zweiten Ventilsitz 8 zusammen, um den ersten Ventildurchgang 10 und den zweiten Ventildurchgang 12 zu verschließen. Dabei sind der erste Ventilsitz 6 und der zweite Ventilsitz 8 in Durchgangsrichtung entlang des ersten Ventildurchgangs 10 bzw. des zweiten Ventildurchgangs 12 in Reihe angeordnet. Dadurch addiert sich die Dichtwirkung des ersten Ventilsitzes 6 und des zweiten Ventilsitzes 8 des Bypassventils 2 in geschlossenem Zustand.
Das geschlossene Bypassventil 2 wird geöffnet, indem der Verschlusskörper 4 aus der ersten Endlage I in die Übergangsposition II verlagert wird. Dadurch verschließt der Grundkörper 20 nicht mehr den ersten Ventildurchgang 10.
Durch weiteres Verlagern des Verschlusskörpers 4 wird die Zwischenposition III erreicht. Bis zum Erreichen der Zwischenposition III verschließt der zylinderförmige Abschnitt 16 des Verschlusskörpers 4 aufgrund seiner Zylinderform und durch das Zusammenwirken mit dem Grundkörper 20 den zweiten Ventildurchgang 12. Mit anderen Worten, kann der Verschlusskörper 4 entlang der Achse A zwischen der Übergangsposition II und der Zwischenposition III verlagert werden, ohne das der zweite Ventildurchgang 12 geöffnet wird. Durch nochmaliges Verlagern des Verschlusskörpers wird schließlich die zweite Endlage IV erreicht, in der der zylinderförmige Abschnitt 16 des Verschlusskörpers 4 nicht mehr mit dem Grundkörper 20 zusammenwirkt, sodass der auch der zweite Ventildurchgang 12 geöffnet ist.
Somit weist das Bypassventil 2 aufgrund des ersten Ventilsitzes 6 und den zweiten Ventilsitzes 8 eine reduzierte Leckage auf und stellt beim Übergang vom den geschlossen Zustand in den geöffneten Zustand eine lineare Zunahme der Durchflussfläche des Bypassventils bereit.
Bezugszeichenliste

2: Bypassventil
4: Verschlussteil
6: erster Ventilsitz
8: zweiter Ventilsitz
10: erster Ventildurchgang
12: zweiter Ventildurchgang
14: kugelförmiger Abschnitt
16: zylinderförmiger Abschnitt
18: Steuerstange
20: Grundkörper
22: zylinderförmiger Innenflächenabschnitt
24: konisch ausgebildeter Innenflächenabschnitt
A: Achse
I: erste Endlage
II: Übergangsposition
III: Zwischenposition
IV: zweite Endlage

Claims

Bypassventil (2), mit: einem Verschlussteil (4), das zwischen einer ersten Endlage (I) und einer zweiten Endlage (IV) verlagerbar ist, und mit einem ersten Ventilsitz (6) und einem zweiten Ventilsitz (8), wobei das Verschlussteil (4) in der ersten Endlage (I) mit dem ersten Ventilsitz (6) das Bypassventil (2) verschließend zusammenwirkt, wobei das Verschlussteil (4) in einer Position zwischen der ersten Endlage (I) und einer Zwischenposition (III) zwischen der ersten Endlage (I) und der zweiten Endlage (IV) einen ersten Ventildurchgang (10) des Bypassventils (2) freigibt, wobei das Verschlussteil (4) in einer Position zwischen der Zwischenposition (III) und der zweiten Endlage (IV) einen zweiten Ventildurchgang (12) freigibt, wobei das Verschlussteil (4) an seinem distalen Ende einen kugelförmigen Abschnitt (14) aufweist, der mit dem ersten Ventilsitz (6) das Bypassventil (2) verschließend zusammenwirkt, und wobei das Verschlussteil (4) einen zylinderförmigen Abschnitt (16) aufweist, der mit dem zweiten Ventilsitz (8) das Bypassventil (2) verschließend zusammenwirkt.
Bypassventil (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ventildurchgang (10) einen sich durch das Verschlussteil (4) erstreckenden Ventildurchgang (10) aufweist.
Bypassventil (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussteil (4) translatorisch entlang einer Achse (A) verlagerbar ist.
Turboaufgeladene Verbrennungskraftmaschine, mit einem Bypassventil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
Turboaufgeladene Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4, die als turboaufgeladener Otto- oder Dieselmotor ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug mit einer turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4 oder Anspruch 5.