DE102021203406A1

DE102021203406A1 - Turboladereinrichtung für einen Abgasturbolader mit Wastegate

Info

Publication number: DE102021203406A1
Application number: DE102021203406.3A
Authority: DE
Inventors: Timo Maier; Ralf Böning; Christian Kirschner
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-04-07
Filing date: 2021-04-07
Publication date: 2022-10-13

Abstract

Turboladereinrichtung für einen Abgasturbolader eines Verbrennungsmotors umfassend ein Lagergehäuse (10), eine im Lagergehäuse (10) drehbar gelagerte Welle (12) mit einem auf der Welle (12) angeordneten Turbinenrad (14), und ein das Turbinenrad (14) umgebendes Turbinengehäuse (16) mit einer einen Hauptströmungskanal (18) begrenzenden Abgasflute (20) zur Zufuhr eines Abgasstroms zu dem Turbinenrad (14), weiter umfassend einen von dem Hauptströmungskanal (18) abzweigenden Wastegatekanal (22) zum Ableiten zumindest eines Teils des Abgasstroms von dem Hauptströmungskanal (18) zwecks Umgehung des Turbinenrads (14), dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Wastegatekanals (22) ein Wastegateventil (24) angeordnet ist, das ein sich entlang eines Querschnitts des Wastegatekanals (22) durch den Wastegatekanal (22) hindurch erstreckendes Ventilelement (26) aufweist, das zwischen einer den Wastegatekanal (22) vollständig freigebenden Offenstellung und einer den Wastegatekanal verschließenden Schließstellung verstellbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turboladereinrichtung für einen Abgasturbolader eines Verbrennungsmotors umfassend ein Lagergehäuse, eine im Lagergehäuse drehbar gelagerte Welle mit einem auf der Welle angeordneten Turbinenrad und ein das Turbinenrad umgebendes Turbinengehäuse mit einer einen Hauptströmungskanal begrenzenden Abgasflute zur Zufuhr eines Abgasstroms zu dem Turbinenrad, sowie weiter umfassend einen von dem Strömungskanal abzweigenden Wastegatekanal zum Ableiten zumindest eines Teils des Abgasstroms von dem Hauptströmungskanal zwecks Umgehung des Turbinenrads.
Abgasturbolader dienen bekanntermaßen dazu, den Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine zu verbessern und damit deren Leistung zu steigern. Das Abgas strömt dabei von einem oder mehreren Brennräumen zum Turbolader und über den Hauptströmungskanal des Turboladers zum Turbinenrad, welches durch den Abgasstrom angetrieben wird. Abzweigend von dem Hauptströmungskanal der Abgasflute kann ein Wastegatekanal vorgesehen sein, durch welchen bei Bedarf ein Teil des Abgasmassenstroms der Brennkraftmaschine unter Umgehung des Turbinenrads direkt in ein Abgasrohr der Brennkraftmaschine geleitet werden kann. So kann der Ladedruck geregelt werden.
Zum Öffnen und Schließen des Wastegatekanals sind im Hauptströmungskanal angeordnete klappenförmige Wastegateventile bekannt. Derartige Wastegateventile weisen eine Wastegatespindel sowie eine Wastegateklappe auf, die unter Verwendung einer Verbindungscheibe miteinander vernietet sind. Über einen Hebelarm kann die Wastegateklappe zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung, in welcher die Wastegateklappe einen Eingang des Wastegatekanals im Übergang vom Hauptströmungskanal zum Wastegatekanal verschließt, verschwenkt werden. Dabei wird ein Spiel derart eingestellt, dass die Wastegateklappe sich in der Schließstellung auf eine in dem Übergang angeordnete Dichtfläche auflegen und den Wastegatekanal gegenüber dem Hauptströmungskanal abdichten kann. Zum Öffnen des Wastegatekanals wird die Wastegateklappe über den Hebelarm und die Wastegatespindel von der Dichtfläche abgehoben und somit in den Hauptströmungskanal hinein verstellt.
Eine solche Konstruktion weist mehrere Nachteile auf. So kann es aufgrund des genannten Spiels im Betrieb des Abgasturboladers zu einem Klappern kommt, also zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung. Dies liegt darin begründet, dass die Wastegateklappe insbesondere aufgrund eines nicht unbedingt konstanten Abgasstromes in eine Auf- und Abbewegung versetzt wird. Auch führt dies zu einem größeren Verschleiß der betroffenen Bauteile. Dies könnte gegebenenfalls durch Tellerfedern für die Lagerung der Wastegateklappe gekontert werden, was jedoch mit Mehraufwand verbunden ist. Ein weiterer Nachteil des bekannten Wastegateventils ist eine ungünstige Beeinflussung des Abgasstroms. So wird der Abgasstrom durch die in den Hauptströmungskanal hineinragende Wastegateklappe in seinem Strömungsverhalten ggf. derart beeinflusst, dass das stromab befindliche Turbinenrad bzw. dessen Schaufeln ungünstig belastet werden. Zudem ist die bekannte Positionierung der Wastegateklappe einem gewünschten Katalysatorheizen nicht zuträglich. So kann es bei den bekannten Wastegateventilen zu einem nicht ausreichenden Aufheizen eines dem Abgasturbolader nachgelagerten Katalysators kommen.
Turbolader mit solchen klappenartigen Wastegateventilen sind beispielsweise bekannt aus DE 10 2012 217 920 A1 und EP 3 455 478 A1 .
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Turboladereinrichtung bereitzustellen, die eines oder mehrere der genannten Probleme löst. Insbesondere liegt die Aufgabe darin, eine Turboladereinrichtung bereitzustellen, die eine unerwünschte Geräuschentwicklung der Wastegateeinheit verhindert oder zumindest reduziert und/oder ein optimiertes Katalysatorheizen ermöglicht.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Turboladereinrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Bei der erfindungsgemäßen Turboladereinrichtung der eingangs erläuterten Art ist innerhalb des Wastegatekanals ein Wastegateventil angeordnet, das ein sich entlang eines Querschnitts des Wastegatekanals durch den Wastegatekanal hindurch erstreckendes Ventilelement aufweist, das zwischen einer den Wastegatekanal vollständig freigebenden Offenstellung und einer den Wastegatekanal verschließenden Schließstellung verstellbar ist.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Wastegateventils nicht an einem Eingang des Wastegatekanals, sondern innerhalb des Wastegatekanals, beispielsweise mittig bezogen auf eine Längsachse des Wastegatekanals innerhalb des Wastegatekanals, behindert zumindest in der Offenstellung des Wastegateventils kein Teil des Wastegateventils den Gasstrom. Im Gegensatz zu den bekannten klappenartigen Wastegateventilen, die wie eingangs erläutert am Eingang des Wastegatekanals im Übergang zwischen Hauptströmungskanal und Wastegatekanal angeordnet sind, ragt also zumindest in der Offenstellung des Ventils kein Teil des Ventils in den Gasstrom hinein. Es kann somit nicht zu der eingangs erläuterten, unerwünschten Geräuschentwicklung kommen. Die erfindungsgemäße Turboladereinrichtung weist also kein klappenartiges Wastegateventil auf, insbesondere nicht an einem Eingang des Wastegatekanals. Es kommt somit auch nicht zu einer Beeinträchtigung der Abgasströmung im Hauptströmungskanal, also noch vor Abzweigung in dem Wastegatekanal. Somit werden auch im Hauptströmungskanal in Strömungsrichtung der Wastegateöffnung nachgelagerte Elemente, wie das Turbinenrad, nicht ungünstig beeinflusst.
Im Gegensatz zu den bekannten Wastegateventilen ist das erfindungsgemäße Wastegateventil dazu ausgebildet, in seiner Offenstellung den Wastegatekanal vollständig freizugeben, also eben gerade derart, dass kein Element/Teil des Wastegateventils den durch den Wastegatekanal fließenden Abgasstrom behindert. Insbesondere ragt keines dieser Elemente des Wastegateventils in der Offenstellung in den Wastegatekanal hinein. Diese vollständige Freigabe dse Wastegatekanals in der Offenstellung wird insbesondere erreicht, indem das Ventilelement des Wastegateventils in der Offenstellung vollständig gegenüber einer Wandung des Wastegatekanals zurücktritt, wie später noch erläutert wird. Das Wastegateventil bildet insbesondere ein Durchgangsventil, welches von dem durch den Wastegatekanal strömenden Abgasstrom vollständig durchtreten werden kann. In anderen Worten kann ein Querschnitt des Wastegatekanals in der Offenstellung des Wastegateventils vollständig freigegeben sein. In der Schließstellung hingegen ist der Wastegatekanal derart verschlossen, dass kein Abgas über den Wastegatekanal entweichen kann, also insbesondere vollständig verschlossen. Ein Abfluss von Abgas aus dem Hauptströmungskanal durch den Wastegatekanal ist somit nur bei geöffnetem Wastegateventil möglich.
Zumindest in der Schließstellung erstreckt sich das Ventilelement entlang des gesamten Querschnitts oder Durchmessers des Wastegatekanals und verschließt diesen somit. Das Ventilelement kann sich jedoch, insbesondere bei der Ausbildung als Durchgangsventil, auch in der Offenstellung entlang des Querschnitts oder Durchmessers des Wastegatekanals erstrecken, wobei jedoch dann eine Durchgangsöffnung des Ventilelements in Fortsetzung des Wastegatekanals einen Durchfluss von Abgas durch das Ventilelement erlaubt. Ein derartiges Durchgangsventil ist besonders vorteilhaft, da nur eine geringe oder keine störende Geräuschentwicklung auftritt. So wird auch bei einer Zwischenstellung des Ventilelements zwischen Offenstellung und Schließstellung, also einer Stellung, bei der das Ventilelement teilweise in den abgezweigten Abgasstrom ragt, das Ventilelement durch den vorbeiströmenden Abgasstrom nicht oder kaum in Schwingung versetzt.
Durch die Anordnung des erfindungsgemäßen Wastegateventils nicht im Hauptströmungskanal am Übergang zum Wastegatekanal, sondern innerhalb des Wastegatekanals selbst wird zudem ein besseres Katalysatorheizen erreicht. Insbesondere kann das Wastegateventil innerhalb des Wastegatekanals derart positioniert werden, dass das Katalysatorheizen in einem gewünschten Ausmaß erreicht wird. In anderen Worten kann dadurch, dass das Ventilelement im Wastegatekanal sitzt und nicht als Abschlusselement des Kanals fungiert, der Kanalausgang des Wastegatekanals an die optimale Position zum Katalysatorheizen gesetzt werden.
Nach einer Ausgestaltung ist das Wastegateventil mit dem Turbinengehäuse verschweißt oder gegenüber dem Turbinengehäuse verstemmt. Insbesondere kann ein Abschlusselement, beispielsweise eine Abschlussscheibe, des Wastegateventils derart mit dem Turbinengehäuse verschweißt oder gegenüber diesem verstemmt sein. Auch dies ist einer verminderten Geräuschentwicklung im Betrieb der Turboladereinrichtung zuträglich. So kann insbesondere auf eine Nietverbindung verzichtet werden, die bei bekannten Wastegateventilen ebenfalls ein Grund für unerwünschte Geräuschentwicklung sein kann. Die erfindungsgemäße Bewegung des Ventilelements ist selbstverständlich weiterhin gewährleistet. So kann über das Abdichtelement beispielsweise eine das Ventilelement beweglich aufnehmende Buchse im Turbinengehäuse befestigt sein, wie noch erläutert wird.
Nach einer Ausgestaltung ist das Ventilelement des Wastegateventils außermittig in dem Wastegatekanal angeordnet. Die außermittige Anordnung bezieht sich hier auf einen Querschnitt oder Durchmesser des Wastegatekanals. Das Ventilelement des Wastegateventils kann beispielsweise eine zylindrische Grundform aufweisen mit einer Ausnehmung oder Durchgangsöffnung, durch welche in der Offenstellung des Wastegateventils der Abgasstrom ungehindert strömen kann, wie bereits erwähnt. Die Ausnehmung kann sich dabei derart weit in den zylinderförmigen Grundkörper erstrecken, dass lediglich ein im Querschnitt kreissegmentförmiges Schließelement mit einer Segmenthöhe kleiner als der Radius des zylindrischen Grundkörpers verbleibt. Bei einer geeigneten außermittigen Anordnung eines solchen Ventilelements bezogen auf den Querschnitt oder Durchmesser des Wastegatekanals in dem Wastegatekanal kann in der Offenstellung das kreissegmentförmige Schließelement vollständig gegenüber einer Wandung des Wastegatekanals zurücktreten und diesen somit vollständig freigegeben. Somit erfolgt keine Beeinträchtigung des Abgasstroms.
Auch eine Lagerung des Ventilelements in dem Wastegatekanal ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass der durch den Wastegatekanal abgeleitete Abgasstrom das Wastegateventil ungehindert passieren kann, also insbesondere ohne, dass ein Element des Wastegateventils in den Kanal hineinragt. Hierzu umfasst das Wastegateventil nach einer Ausgestaltung eine das Ventilelement aufnehmende Ventilbuchse, in der das Ventilelement verstellbar gelagert ist, wobei die Ventilbuchse eine korrespondierend zu einem Querschnitt des Wastegatekanals geformte Durchgangsöffnung aufweist. In anderen Worten setzt die Ventilbuchse bedingt durch ihre Durchgangsöffnung eine Wandung des Wastegatekanals fort, fügt sich also insbesondere nahtlos in den Wastegatekanal ein. Wie auch das Ventilelement kann sich die Ventilbuchse vollständig entlang des Querschnitts oder Durchmessers des Wastegatekanals durch den Wastegatekanal hindurch erstrecken. Innerhalb der Ventilbuchse kann das Ventilelement zwischen seiner Offenstellung und seiner Schließstellung verstellt werden. Dabei kann das Ventilelement in die im Turbinengehäuse aufgenommene Ventilbuchse in der Offenstellung derart weit zurücktreten, dass es nicht in den Wastegatekanal hineinragt. Bei einem zylinderförmigen Ventilelement kann auch die Ventilbuchse korrespondierend zylinderförmig ausgebildet sein. Die Ventilbuchse kann insbesondere einen Hohlzylinder bilden, innerhalb dessen das zylinderförmige Ventilelement aufgenommen ist.
Nach einer Ausgestaltung ist das Wastegateventil dreiteilig ausgebildet mit dem Ventilelement, der Ventilbuchse sowie einem das Wastegateventil gegenüber einer Wandung des Wastegatekanals, und damit gegenüber dem Turbinengehäuse, gasdicht abdichtenden Abdichtelement. Ein solches Abdichtelement wurde bereits angesprochen. Ein solches dreiteiliges Wastegateventil ist konstruktiv besonders einfach. So werden insbesondere aufgrund einer einteiligen Ausbildung des Ventilelements weniger Bauteile benötigt als bei dem bekannten Wastegateventil. So kann bei dem erfindungsgemäßen Wastegateventil insbesondere der eingangs erwähnte Hebelarm bzw. die Wastegatespindel entfallen. Dies führt auch dazu, dass die insgesamt in das Verstellsystem eingeführten Kräfte minimiert werden.
Nach einer Ausgestaltung weist das Turbinengehäuse zwei voneinander getrennte Abgasfluten auf, die jeweils einen Hauptströmungskanal zur Zufuhr eines Abgasstroms zu dem Turbinenrad begrenzen, wobei von jedem der beiden Hauptströmungskanäle ein Wastegatekanal abzweigt zum Ableiten zumindest eines Teils des Abgasstroms von dem Hauptströmungskanal zwecks Umgehung des Turbinenrads. Turbolader mit zwei Abgasfluten sind grundsätzlich bekannt. Diese werden auch zweiflutige Turbolader, Twin Scrolls oder Segmented Scrolls genannt. Derartige zweiflutige Turbolader führen durch eine Absenkung des Abgasgegendrucks bei niedrigen Motordrehzahlen und einer damit bedingten verbesserten Ausnutzung der Stoßenergie zu einer Verbrauchsreduktion bzw. Drehmomenterhöhung. Auch für derartige Turboladereinrichtungen ist das erfindungsgemäße Wastegateventil geeignet. Dabei kann grundsätzlich in jedem der beiden Wastegatekanäle ein erfindungsgemäßes Wastegateventil angeordnet sein. Auch kann jedoch nur ein Wastegateventil für beide Wastegatekanäle vorgesehen sein.
So laufen nach einer diesbezüglichen Ausgestaltung die beiden Wastegatekanäle zu einem gemeinsamen Wastegatekanal zusammen, wobei in dem Übergang zwischen den beiden Wastegatekanälen zu dem gemeinsamen Wastegatekanal das Wastegateventil angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Wastegateventil dient somit als Flutenverbinder, also als Verbindungselement zwischen den beiden Abgasfluten. In konstruktiv einfacher Weise kann somit mit lediglich einem erfindungsgemäßen Wastegateventil der Abgasstrom über beide Wastegatekanäle geregelt werden. So können mit dem Wastegateventil beispielsweise wahlweise nur einer der beiden Wastegatekanäle oder auch beide Wastegatekanäle gleichzeitig freigegeben werden.
Nach einer diesbezüglichen Ausgestaltung ist dabei in dem gemeinsamen Wastegatekanal ein weiteres, erfindungsgemäßes Wastegateventil angeordnet. Es befindet sich also auch in dem gemeinsamen Wastegatekanal ein Wastegateventil, das ein sich entlang eines Querschnitts des gemeinsamen Wastegatekanals durch den gemeinsamen Wastegatekanal hindurch erstreckendes Ventilelement aufweist, das zwischen einer den gemeinsamen Wastegatekanal vollständig freigebenden Offenstellung und einer den gemeinsamen Wastegatekanal verschließenden Schließstellung verstellbar ist. Auch hier ist die Schließstellung insbesondere als vollständig verschließende Schließstellung zu verstehen. Bei einer solchen Ausgestaltung kann zunächst das als Flutenverbinder wirkende Wastegateventil und anschließend das in dem gemeinsamen Wastegatekanal angeordnete weitere Wastegateventil geöffnet werden. Diese Öffnungsreihenfolge erlaubt zunächst durch Öffnen des ersten Ventils einen Druckausgleich und anschließend durch Öffnen des zweiten Ventils das Ableiten eines Teils des Abgasstroms in Richtung der Abgasanlage.
Nach einer diesbezüglichen Ausgestaltung sind die Ventilelemente der beiden Wastegateventile über ein gemeinsames Koppelelement in ihrer Bewegung miteinander derart gekoppelt, dass über ein einziges Ansteuerelement beide Ventilelemente gemeinsam bewegt werden können. Beispielsweise kann als Koppelelement eine Koppelstange vorgesehen sein, die die Bewegung der Ventilelemente koppelt. Ein Aktuator, beispielsweise ein Motor, als Ansteuerelement kann durch Angriff an das Koppelelement dann beide Wastegateventile gemeinsam bewegen. Dies ist konstruktiv besonders einfach. Die Kopplung der Ventilelemente erfolgt dabei insbesondere derart, dass eine gewünschte Öffnungsreihenfolge der Wastegateventile eingehalten wird. Die Kopplung kann also derart erfolgen, dass zunächst das als Flutenverbinder wirkende erste Wastegateventil und anschließend das im gemeinsamen Wastegatekanal angeordnete zweite Wastegateventil öffnet, wie oben angesprochen.
Die Ventilelemente sind nach einer Ausgestaltung jeweils mit einem Verstellarm verbunden, wobei die beiden Verstellarme über das Koppelelement miteinander in ihrer Bewegung gekoppelt sind. Nach einer weiteren diesbezüglichen Ausgestaltung weisen die Verstellarme unterschiedliche Hebellängen auf, sodass bei einer gemeinsamen Bewegung der Ventilelemente über das auf das Koppelelement wirkende gemeinsame Ansteuerelement zuerst das in dem Übergang zwischen den beiden Wastegatekanälen zu dem gemeinsamen Wastegatekanal angeordnete erste Wastegateventil und anschließend das in dem gemeinsamen Wastegatekanal angeordnete zweite Wastegateventil öffnet. Durch entsprechende Wahl der Hebellänge kann somit die erwähnte Öffnungsreihenfolge, also zuerst das als Flutenverbinder wirkende erste Wastegateventil und anschließend das im gemeinsamen Wastegatekanal angeordnete zweite Wastegateventil, erreicht werden. Dies ist konstruktiv besonders einfach.
Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgen anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:

1 ausschnittsweise eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Turboladereinrichtung,
2 eine Schnittansicht des Wastegatekanals mitsamt Wastegateventil aus 1,
3 eine perspektivische Ansicht des Wastegateventils aus 1,
4a, 4b das Wastegateventil in der Schließstellung bzw. in der Offenstellung,
5 ausschnittsweise eine erfindungsgemäße Turboladereinrichtung gemäß einer Ausgestaltung mit zwei zusammenlaufenden Wastegatekanälen und zwei Wastegateventilen,
6a, 6b, 6c Schnittansichten durch die Turboladereinrichtung aus 5 mit unterschiedlichen Stellungen der Wastegateventile, und
7 ausschnittsweise eine erfindungsgemäße Turboladereinrichtung wie in 5, aber mit unterschiedliche langen Verstellarmen.

Soweit nichts anders angegeben ist, bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben Gegenstände.
In den 1 bis 4 ist eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Turboladereinrichtung dargestellt. Die Turboladereinrichtung umfasst ein Lagergehäuse 10, eine im Lagergehäuse 10 drehbar gelagerte Welle 12 mit einem auf der Welle 12 angeordneten Turbinenrad 14, und ein das Turbinenrad 14 umgebendes Turbinengehäuse 16. Über einen Hauptströmungskanal 18 einer schneckenförmigen Abgasflute 20 des Turbinengehäuses 16 wird ein Abgasstrom dem Turbinenrad entlang einer Hauptströmungsrichtung H zugeführt.
Zur Umgehung des Turbinenrads 14 zweigt ein Wastegatekanal 22 von dem Hauptströmungskanal 18 ab, um bei Bedarf einen Teil des Abgasstroms abzuleiten und unmittelbar einem Ausgang 17 der Turboladereinrichtung zuzuführen. So kann der Ladedruck geregelt werden.
Innerhalb des Wastegatekanals 22 ist ein dreiteiliges Wastegateventil 24 angeordnet, umfassend ein Ventilelement 26, eine das Ventilelement 26 aufnehmende Ventilbuchse 25 und ein scheibenförmiges Abdichtelement 29. Die Ventilbuchse 25 hat die Form eines Hohlzylinders mit einer sich durch die Wandung des Hohlzylinders erstreckenden Durchgangsöffnung 27. Die Ventilbuchse 25 erstreckt sich entlang eines Querschnitts des Wastegatekanals 22 durch den Wastegatekanal 22 hindurch und ist passgenau in einer korrespondierend geformten Ausnehmung in der Wandung 23 des Wastegatekanals 22 und damit im Turbinengehäuse 16 aufgenommen, wie insbesondere in 2 ersichtlich. Die Durchgangsöffnung 27 liegt dabei im Wesentlichen in Übereinstimmung mit der Wandung 23 des Wastegatekanals 22, setzt also den Wastegatekanal insbesondere ohne Unterbrechung oder Ausbildung einer Stufe fort.
Das Ventilelement 26 ist ebenfalls zylinderförmig ausgebildet und in einer korrespondierenden Ausnehmung in der Ventilbuchse um eine Längsachse L drehbar gelagert. Über einen Ventilhebel 32 kann das Wastegateventil 24 angesteuert werden, also das Ventilelement 26 um die Längsachse L gedreht werden. Das Ventilelement 26 kann so zwischen einer den Wastegatekanal 22 vollständig freigebenden Offenstellung und einer den Wastegatekanal 22 vollständig verschließenden Schließstellung verstellt werden. Auch das Ventilelement 26 erstreckt sich entlang des Querschnitts des Wastegatekanals 22 durch den Wastegatekanal 22 hindurch, wie ebenfalls in 2 gut ersichtlich. Ein zylindrischer Grundkörper des Ventilelements 26 (siehe 3) weist eine Durchgangsöffnung oder Ausnehmung 30 auf, durch welche in der Offenstellung des Wastegateventils 24 der Abgasstrom ungehindert strömen kann.
Die Ausnehmung 30 erstreckt sich derart weit in den zylinderförmigen Grundkörper hinein, dass lediglich ein im Querschnitt kreissegmentförmiges Schließelement 28 mit einer Segmenthöhe kleiner als der Radius des zylindrischen Grundkörpers verbleibt. Das Wastegateventil 24 bildet somit ein Durchgangsventil bzw. einen Drehregler.
Das Wastegateventil 24 ist bezogen auf den Querschnitt des Wastegatekanals 22 außermittig angeordnet ist, wie in den 1, 4, 4b zu erkennen. So liegt eine entlang der Längsachse L verlaufende zentrale Zylinderachse des Wastegateventils 24 nicht mittig im Wastegatekanal 22, sondern versetzt dazu. Dies ist auch daran gut zu erkennen, dass die Ventilbuchse 25 weiter in den in den 4a, 4b oberen Teil der Wandung 23 hineinragt als in den unteren Teil. Aufgrund dieser Anordnung tritt in der Offenstellung das kreissegmentförmige Schließelement 28 vollständig gegenüber der Wandung 23 des Wastegatekanals 22 zurück und gibt den Wastegatekanal 22 somit vollständig frei. Somit erfolgt in der Offenstellung keine Beeinträchtigung des Abgasstroms, was andernfalls zu einer ungewünschten Geräuschentwicklung führen könnte.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Wastegateventils 24 nicht an einem Eingang des Wastegatekanals 22, sondern innerhalb des Wastegatekanals 22 behindert zumindest in der Offenstellung des Wastegateventils 24 kein Teil des Wastegateventils 24 den Gasstrom. Im Gegensatz zu den bekannten klappenartigen Wastegateventilen, die wie eingangs erläutert am Eingang des Wastegatekanals im Übergang zwischen Hauptströmungskanal und Wastegatekanal angeordnet sind, ragt also zumindest in der Offenstellung des Ventils kein Teil des Ventils in den Gasstrom hinein. So kann das erfindungsgemäße Wastegateventil 24 in seiner Offenstellung den Wastegatekanal 22 vollständig freigeben, also eben gerade derart, dass kein Element/Teil des Wastegateventils 24 den durch den Wastegatekanal 22 fließenden Abgasstrom behindert. Es kann somit nicht zu der eingangs erläuterten, unerwünschten Geräuschentwicklung kommen.
Die erläuterte Ausbildung des Wastegateventils 24 als Durchgangsventil ist besonders vorteilhaft, da nur eine geringe oder zumindest keine störende Geräuschentwicklung auftritt. So wird auch bei einer Zwischenstellung des Ventilelements 26 zwischen Offenstellung und Schließstellung, also einer Stellung, bei der das Ventilelement 26 teilweise in den abgezweigten Abgasstrom ragt, das Ventilelement 26 durch den vorbeiströmenden Abgasstrom nicht oder kaum in Schwingung versetzt.
Durch die Anordnung des erfindungsgemäßen Wastegateventils 24 nicht im Hauptströmungskanal 18 am Übergang zum Wastegatekanal 22, sondern innerhalb des Wastegatekanals 22 selbst wird zudem ein besseres Katalysatorheizen erreicht. Insbesondere kann das Wastegateventil innerhalb des Wastegatekanals 22 derart positioniert werden, dass das Katalysatorheizen gefördert wird. So kann durch die vorliegende Anordnung des Wastegateventils 24 an einem Endbereich des Wastegatekanals 22 (siehe 1) der abgezweigte Abgasstrom zum optimalen Katalysatorheizen in Richtung des dem Ausgang 17 nachgeordneten Katalysators gerichtet werden.
Das Abdichtelement 29 ist in einer Ausnehmung im Turbinengehäuse 16 aufgenommen und gegenüber dem Turbinengehäuse 16 verstemmt. Auch dies ist einer verminderten Geräuschentwicklung im Betrieb der Turboladereinrichtung zuträglich. So kann insbesondere auf eine Nietverbindung verzichtet werden, die bei bekannten Wastegateventilen ebenfalls ein Grund für unerwünschte Geräuschentwicklung sein kann.
In 4a ist das Wastegateventil 24 in der Schließstellung ersichtlich, wobei das Schließelement 28 den Wastegatekanal vollständig absperrt. Somit kann kein Abgas über den Wastegatekanal 22 entweichen. In 4b (und 1 und 2) ist das Wastegateventil 24 in der Offenstellung ersichtlich, wobei das Schließelement 28 zur vollständigen Freigabe des Wastegatekanals 22 komplett hinter die Wandung 23 zurücktritt. So kann, wie erläutert, der Wastegatekanal 22 derart vollständig freigegeben werden, dass kein Teil des Wastegateventils 24 in den Abgasstrom ragt und diesen somit nicht stört.
In den 5 und 6 ist eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Turboladereinrichtung gezeigt, die zwei nicht dargestellte Abgasfluten und jeweils einen von den Abgasfluten abzweigenden Wastegatekanal 122, 222 aufweist. Die beiden Wastegatekanäle 122, 222 laufen zu einem gemeinsamen Wastegatekanal 322 zusammen, wie in den 6a bis 6c zu erkennen. In dem Übergang zwischen den beiden Wastegatekanälen 122, 222 zu dem gemeinsamen Wastegatekanal 322 ist ein erstes erfindungsgemäßes Wastegateventil 124 angeordnet. Zudem ist ein zweites erfindungsgemäßes Wastegateventil 224 dem Wastegateventil 124 in Strömungsrichtung des Abgases nachgelagert innerhalb des gemeinsamen Wastegatekanals 322 angeordnet. Die Wastegateventile 124, 224 sind ausgebildet wie das zuvor erläuterte Wastegateventil 24.
Das erste Wastegateventil 124 wirkt als Flutenverbinder, also als Verbindungselement zwischen den beiden Abgasfluten. Je nach Stellung des Wastegateventils 124 vereint dieses die beiden Wastegatekanäle 122, 222 oder trennt diese voneinander. In der Ansicht in 6a verschließt das Wastegateventil 124 den Wastegatekanal 222, sodass über diesen Kanal kein Abgas abgezweigt werden kann, und gibt den Wastegatekanal 122 frei, sodass über diesen Abgas in den gemeinsamen Wastegatekanal 322 gelangen kann. Da das zweite Wastegateventil 224 jedoch in der Schließstellung ist, ist das Wastegate geschlossen.
Zur Öffnung des Wastegates wird zunächst das als Flutenverbinder wirkende erstes Wastegateventil 124 und anschließend das in dem gemeinsamen Wastegatekanal 322 angeordnete zweite Wastegateventil 224 geöffnet. In 6b ist das Wastegateventil 124 in einer Zwischenstellung zwischen vollständiger Offenstellung und Schließstellung gezeigt, sodass eine Flussverbindung zwischen den Wastegatekanälen 122, 222 hergestellt ist. Wie ersichtlich, ist das Ventilelement 126 hierfür um einen geringen Winkelbetrag in Richtung der Offenstellung bewegt worden. Das Ventilelement 226 des zweiten Wastegateventils 224 ist entsprechend bewegt worden, befindet sich jedoch noch immer in der Schließstellung, sodass das Wastegate geschlossen ist.
Bei weiterer Drehung der Ventilelemente 126, 226 erreichen diese ihre in 6c gezeigten vollständigen Offenstellungen. Wie ersichtlich, sind die Ventilelemente 126, 226 derart in die jeweilige Wandung der Wastegatekanäle zurückgestellt, dass sie nicht in die Wastegatekanäle 122, 222, 322 hineinragen und somit den Abgasstrom nicht negativ beeinflussen. Das Wastegate ist geöffnet und es kann über beide Wastegatekanäle 122, 222 Abgas von den Hauptströmungen der beiden Abgasfluten abgezweigt werden. Diese Öffnungsreihenfolge, also das Öffnen zuerst des ersten Wastegateventil 124 und anschließend des zweiten Wastegateventils 224, erlaubt zunächst einen Druckausgleich zwischen den beiden Wastegatekanälen 122, 222, bevor durch Öffnen des zweiten Wastegateventils 224 ein Ableiten eines Teils des Abgasstroms in Richtung der Abgasanlage erfolgt. Dies ist strömungstechnisch von Vorteil.
Die Ventilelemente 126, 226 der beiden Wastegateventile 124, 224 sind über ein gemeinsames Koppelelement 40 in ihrer Bewegung miteinander derart gekoppelt, dass über ein einziges (nicht dargestelltes) Ansteuerelement beide Ventilelemente 126, 226 gemeinsam bewegt werden können, wie in 5 ersichtlich. Hierzu ist mit jedem der Ventilelemente 126, 226 jeweils ein Verstellarme 132, 232 verbunden, wobei die beiden Verstellarme 132, 232 über das Koppelelement 40 miteinander in ihrer Bewegung gekoppelt sind. Von den Wastegateventilen 124, 224 sind in der Ansicht in 5 nur die Abdichtelemente 129, 229 ersichtlich.
Die erwähnte Kopplung der Ventilelemente 126, 226 über das Koppelelement 40 kann dabei derart erfolgen, dass die erwähnte Öffnungsreihenfolge der Wastegateventile 124, 224 eingehalten wird. Die Kopplung kann also derart erfolgen, dass zunächst das als Flutenverbinder wirkende erste Wastegateventil 124 und anschließend das im gemeinsamen Wastegatekanal angeordnete zweite Wastegateventil 224 öffnet. Hierzu können Verstellarme 132', 232' vorgesehen sein, die unterschiedliche Hebellängen aufweisen, wie in 7 dargestellt. Hier weist ein erster Verstellarm 132' des ersten Wastegateventils 124 eine größere Länge auf als ein zweiter Verstellarm 232' des zweiten Wastegateventils 224. Dies ist konstruktiv besonders einfach. Wenn der Verstellarm 132' des als Flutenverbinder wirkenden ersten Wastegateventils 124 bspw. halb so lang ist der Verstellarm 232' des zweiten Wastegateventils 224, erhält man ein Öffnungsverhältnis von 2:1. Das bedeutet, das erste Wastegateventil 124 öffnet um den doppelten Winkel gegenüber dem zweiten Wastegateventil 224. Auf diese Weise kann man unterschiedlichste Öffnungscharakteristika realisieren.
Das komplette System aus Wastegateventil kann inklusive des Verstellarms vorkonfektioniert werden. Gegenüber den bekannten klappenartigen Wastegateventilen werden bei dem erfindungsgemäßen Ventil nur drei (Ventilelement, Ventilbuchse, Abdichtelement) anstatt vier Bauteile (Ventilklappe, Ventilspindel, Hebelarm und Unterlegscheibe) benötigt. Zudem werden die ins Gesamtverstellsystem eingeführten Kräfte durch den Entfall das Hebelarms minimiert. Ebenso besteht bei bekannten Klappenventilen das Problem, dass der Abgasstrom aufgrund des in den Hauptströmungskanal ragenden Klappenventils zur Gehäusewand des Kanals hin abgelenkt wird, was eine höhere strukturdynamische Beanspruchung in diesem Bereich zur Folge hat. Dieses Problem entfällt beim erfindungsgemäßen Wastegateventil komplett.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012217920 A1 [0005]
EP 3455478 A1 [0005]

Claims

Turboladereinrichtung für einen Abgasturbolader eines Verbrennungsmotors umfassend ein Lagergehäuse (10), eine im Lagergehäuse (10) drehbar gelagerte Welle (12) mit einem auf der Welle (12) angeordneten Turbinenrad (14), und ein das Turbinenrad (14) umgebendes Turbinengehäuse (16) mit einer einen Hauptströmungskanal (18) begrenzenden Abgasflute (20) zur Zufuhr eines Abgasstroms zu dem Turbinenrad (14), weiter umfassend einen von dem Hauptströmungskanal (18) abzweigenden Wastegatekanal (22) zum Ableiten zumindest eines Teils des Abgasstroms von dem Hauptströmungskanal (18) zwecks Umgehung des Turbinenrads (14), dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Wastegatekanals (22) ein Wastegateventil (24) angeordnet ist, das ein sich entlang eines Querschnitts des Wastegatekanals (22) durch den Wastegatekanal (22) hindurch erstreckendes Ventilelement (26) aufweist, das zwischen einer den Wastegatekanal (22) vollständig freigebenden Offenstellung und einer den Wastegatekanal verschließenden Schließstellung verstellbar ist.
Turboladereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wastegateventil (24) mit dem Turbinengehäuse (16) verschweißt oder gegenüber dem Turbinengehäuse (16) verstemmt ist.
Turboladereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (26) des Wastegateventils (24) außermittig in dem Wastegatekanal (22) angeordnet ist.
Turboladereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wastegateventil (24) eine das Ventilelement (26) aufnehmende Ventilbuchse (25) umfasst, in der das Ventilelement (26) verstellbar gelagert ist, wobei die Ventilbuchse (25) eine korrespondierend zu einem Querschnitt des Wastegatekanals (22) geformte Durchgangsöffnung (27) aufweist.
Turboladereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wastegateventil (24) dreiteilig ausgebildet ist mit dem Ventilelement (26), der Ventilbuchse (25) sowie einem das Wastegateventil (24) gegenüber einer Wandung des Wastegatekanals gasdicht abdichtenden Abdichtelement (29).
Turboladereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse zwei voneinander getrennte Abgasfluten aufweist, die jeweils einen Hauptströmungskanal zur Zufuhr eines Abgasstroms zu dem Turbinenrad (14) begrenzen, wobei von jedem der beiden Hauptströmungskanäle ein Wastegatekanal (122, 222) abzweigt zum Ableiten zumindest eines Teils des Abgasstroms von dem Hauptströmungskanal zwecks Umgehung des Turbinenrads (14).
Turboladereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wastegatekanäle (122, 222) zu einem gemeinsamen Wastegatekanal (322) zusammenlaufen, wobei in dem Übergang zwischen den beiden Wastegatekanälen (122, 222) zu dem gemeinsamen Wastegatekanal (322) das Wastegateventil (124) angeordnet ist.
Turboladereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des gemeinsamen Wastegatekanals (322) ein weiteres Wastegateventil (224) angeordnet ist, das ein sich entlang eines Querschnitts des gemeinsamen Wastegatekanals (322) durch den gemeinsamen Wastegatekanal (322) hindurch erstreckendes Ventilelement (226) aufweist, das zwischen einer den gemeinsamen Wastegatekanal (322) vollständig freigebenden Offenstellung und einer den gemeinsamen Wastegatekanal (322) verschließenden Schließstellung verstellbar ist.
Turboladereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilelemente (126, 226) der beiden Wastegateventile (124, 224) über ein gemeinsames Koppelelement (40) in ihrer Bewegung miteinander derart gekoppelt sind, dass über ein einziges Ansteuerelement beide Ventilelemente (126, 226) gemeinsam bewegt werden können.
Turboladereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilelemente (126, 226) jeweils mit einen Verstellarm (132, 232) verbunden sind, wobei die beiden Verstellarm (132, 232) über das Koppelelement (40) miteinander in ihrer Bewegung gekoppelt sind.
Turboladereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellarme (132, 232) unterschiedliche Hebellängen aufweisen, sodass bei einer gemeinsamen Bewegung der Ventilelemente (126, 226) über das auf das Koppelelement (40) wirkende gemeinsame Ansteuerelement zuerst das in dem Übergang zwischen den beiden Wastegatekanälen (122, 222) zu dem gemeinsamen Wastegatekanal (322) angeordnete Wastegateventil (124) und anschließend das in dem gemeinsamen Wastegatekanal (322) angeordnete weitere Wastegateventil (224) öffnet.