Abgasturbolader mit einem Waste-Gate-Ventil

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einem Waste-Gate- Ventil, einem Verdichter und einer Turbine, einem Turbinengehäuse, einem Bypasskanal zur Umgehung der Turbine, einem Bypasskanalabschnitt, der im Turbinengehäuse ausgebildet ist, einem Aktorgehäuse, einem Elektromotor, der im Aktorgehäuse angeordnet ist, einem Getriebe, das im Aktorgehäuse angeordnet ist, einer Abtriebswelle des Getriebes, einem Regelkörper, der mit der Abtriebswelle gekoppelt ist und einen Öffnungsquerschnitt des Bypasskanals beherrscht.

Derartige Abgasturbolader mit Waste-Gate-Ventilen sind bekannt. Der Turbolader dient zur Erhöhung des Ladedrucks und damit zur Leistungssteigerung des Motors. Der zu erzeugende Druck ist dabei aufgrund der Kopplung des Turbinenrades mit dem Verdichterrad immer abhängig von der geförderten Abgasmenge. In bestimmten Betriebszuständen ist es erforderlich, die auf den Verdichter wirkende Antriebsenergie zu verringern beziehungsweise zu regeln.

Hierzu werden unter anderem Waste-Gate-Ventile eingesetzt, welche in einem Bypasskanal angeordnet sind, über den die Turbine umgehbar ist, so dass nicht mehr die vollständige Strömungsmenge des Abgases auf das Turbinenrad wirkt. Diese Waste-Gate-Ventile sind zumeist als Klappenventile ausgebildet, die über einen pneumatischen Aktor betätigt werden, der ein mit der Klappe gekoppeltes Gestänge antreibt.

Da eine hohe thermische Belastung aufgrund des heißen Abgases im Bereich des Turbinengehäuses vorliegt, wurden diese pneumatischen Aktoren zur Verringerung der thermischen Belastung im Bereich des Verdichters, jedoch beabstandet von diesem, angeordnet.

Eine exakte Regelung der über den Bypasskanal abgeführten Abgasmenge ist jedoch mit einem pneumatischen Aktor schwierig. Aus diesem Grund sind in den letzten Jahren zunehmend auch Elektromotoren als Antrieb für Waste-Gate-Ventile verwendet worden. Diese wurden üblicherweise zur Verringerung der thermischen Belastung ebenfalls beabstandet zum Turbinengehäuse angeordnet, so dass weiterhin Gestänge zur Kopplung mit der Klappe verwendet wurden.

Aufgrund des stetig sinkenden zur Verfügung stehenden Bauraums ist es jedoch wünschenswert, die Aktoren der Waste-Gate-Ventile in unmittelbarer Nähe des Ventils selbst anzuordnen, da dies den zu verwendenden Bauraum reduziert und eine genauere Regelung ermöglicht. Auch bestehen bei der Verwendung von Gestängen häufig ein erhöhter Verschleiß der Mechanik und ein erhöhter Aufwand bei der Montage.

Aus diesem Grund wird in der WO 2012/089459 AI ein Abgasturbolader mit einem wassergekühlten Turbinengehäuse und integriertem elektrischen Waste-Gate-Ventil vorgeschlagen. Das Gehäuse, in dem der Elektromotor zum Antrieb des Waste-Gate-Ventils sowie das Getriebe angeordnet sind, ist Teil des Turbinengehäuses, in dem entsprechende Kühlkanäle zur Wasserführung ausgebildet sind. Der Elektromotor und das Getriebe werden somit am Turbinengehäuse montiert, wobei die hierfür erforderliche Öffnung durch einen Deckel verschlossen wird. Die Lagerung des Ventils ist ebenfalls im Turbinengehäuse angeordnet.

Bei der Verwendung der vorgeschlagenen Anordnung des Waste-Gate- Ventils besteht weiterhin die Gefahr einer thermischen Überlastung des Stellers, da das Kühlmittel beim Durchströmen des Turbinengehäuses stark aufgewärmt wird. Zusätzlich ist der Aktor einer direkten Wärmestrahlung von außen ausgesetzt, so dass bei ungünstigen Bedingungen weiterhin die Gefahr einer Überhitzung besteht.

Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Abgasturbolader mit einem Waste-Gate-Ventil zu schaffen, bei dem eine thermische Überlastung des Antriebs des Aktors zuverlässig verhindert wird. Zusätzlich soll das Waste-Gate-Ventil leicht zu montieren sein und einen möglichst geringen Bauraum aufweisen. Des Weiteren ist eine möglichst exakte Regelbarkeit erwünscht.

Diese Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader mit einem Waste-Gate- Ventil mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass das Aktorgehäuse separat ausgebildet ist und am Turbinengehäuse befestigt ist, wobei das Aktorgehäuse einen separaten Kühlmittelkanal mit einem Kühlmitteleinlassstutzen und einem Kühlmittelauslassstutzen aufweist, besteht eine getrennte Kühlmittelversorgung des Aktors, so dass diese abhängig von der im Aktorgehäuse tatsächlich vorhandenen Temperatur und unabhängig von der Temperatur im Turbinengehäuse erfolgen kann. Die Wirkung der Wärmestrahlung wird deutlich verringert, da das Aktorgehäuse direkt gekühlt wird. Es besteht eine thermische Trennung vom Turbinengehäuse trotz des direkten Klappenantriebs, durch den eine sehr genaue Regelung des Waste-Gate-Ventils möglich wird.

Vorzugsweise umgibt der Kühlmittelkanal den Elektromotor im Wesentlichen radial. Dies bedeutet, dass die Wärme im Bereich des Elektromotors direkt abgeführt werden kann. Des Weiteren wird eine Aufheizung des Elektromotors von außen über das Aktorgehäuse durch Wärmestrahlung weitestgehend ausgeschlossen. Eine thermische Überlastung kann so zuverlässig verhindert werden. In einer weiterführenden Ausführungsform ist der Kühlmittelkanal in Umfangsrichtung durch eine Trennwand unterbrochen, welche zwischen dem Kühlmitteleinlassstutzen und dem Kühlmittelauslassstutzen angeordnet ist. Auf diese Weise wird eine Kurzschlussströmung vom Kühlmitteleinlass zum Kühlmittelauslass zuverlässig verhindert und eine vollumfängliche Kühlung sichergestellt.

Vorzugsweise ist der Kühlmittelkanal in Umfangsrichtung durch zwei Trennwände unterbrochen, welche axial verlaufen und in Umfangsrichtung betrachtet beidseits des Kühlmitteleinlassstutzens angeordnet sind, so dass eine im Wesentlichen axiale Durchströmungsrichtung von Einlassstutzen aus festgelegt wird, die zu einer guten Verteilung des Kühlmittels führt.

Vorteilhafterweise sind am Aktorgehäuse Anschraubdome ausgebildet, über die das Aktorgehäuse am Turbinengehäuse mittels Schrauben befestigt ist. Über diese Anschraubdome kann der Abstand zum heißen Turbinengehäuse erhöht werden, so dass der Wärmeübergang zum Elektromotor verringert wird.

In einer weiterführenden vorteilhaften Ausbildung ist das Aktorgehäuse zweistückig ausgebildet, wodurch eine zusätzliche thermische Trennung zwischen dem Elektromotor und dem Turbinengehäuse erreicht wird und eine thermische Entkopplung des den Elektromotor aufnehmenden Gehäuseteils vom Turbinengehäuse ermöglicht wird.

In einer hierzu weiterführenden Ausbildung der Erfindung weist das Aktorgehäuse ein Antriebsgehäuse und ein Lagergehäuse auf, die miteinander verbunden sind, wobei im Antriebsgehäuse der Elektromotor angeordnet ist und im Lagergehäuse die Abtriebswelle gelagert ist. Somit gelangt die über die Abtriebswelle geleitete Wärme nicht direkt zum Elektromotor, sondern kann bereits im Lagergehäuse abgeführt werden.

Zusätzlich sind das Getriebe und eine Elektronikeinheit in einem Raum angeordnet, der durch das Antriebsgehäuse und das Lagergehäuse begrenzt ist. Dieser Raum befindet sich somit zwischen den beiden Gehäuseteilen und somit auch zwischen dem Turbinengehäuse und dem wärmeempfindlichen Elektromotor. Die Montage des Getriebes und der Elektronikeinheit ist aufgrund der guten Zugänglichkeit besonders einfach.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der Kühlmitteleinlassstutzen, der Kühlmittelauslassstutzen und der erste Kühlmittelkanal sowie ein Kühlmitteleinlasskanal und ein Kühlmittelauslasskanal am Antriebsgehäuse ausgebildet sind und am Lagergehäuse ein Kühlmitteleinlasskanal ein zweiter Kühlmittelkanal und ein Kühlmittelauslasskanal ausgebildet sind, wobei der Kühlmittelauslasskanal des Antriebsgehäuses in den Kühlmitteleinlasskanal des Lagergehäuses mündet und der Kühlmittelauslasskanal des Lagergehäuses in den Kühlmitteleinlasskanal des Antriebsgehäuses mündet. Daraus folgt, dass das Kühlmittel vom Kühlmitteleinlassstutzen zunächst abschnittsweise den Elektromotor umströmt und anschließend das Lagergehäuse durchströmt. Daraufhin gelangt das Kühlmittel zurück zum Antriebsgehäuse und kühlt dort einen zweiten Abschnitt des Elektromotors bevor es am Kühlmittelauslassstutzen wieder ausströmt. So kann ein großer Teil der Wärme des Abgases bereits im Bereich des Lagergehäuses abgeführt werden, bevor es in das Antriebsgehäuse gelangen kann.

Vorzugsweise umgibt der zweite Kühlmittelkanal ein Lager zur Lagerung der Abtriebswelle radial vollständig. So werden beide Gehäuseteile durch die umfänglichen Umströmungen gegen Wärmestrahlung geschützt. Des Weiteren besteht eine hohe Kühlwirkung durch die große Wärme aufnehmende Fläche zwischen den Gehäuseteilen und den Kühlmittelkanälen.

Um diese vollständige Umströmung des Antriebsgehäuses und zusätzlich auch eine Einströmung des Kühlmittels in das Lagergehäuse sicher zu stellen, erstrecken sich die Trennwände, die den ersten Kühlmittelkanal in Umfangsrichtung unterbrechen über die gesamte Höhe des ersten Kühlmittelkanals, wobei die Trennwände in Verlängerung der den Kühlmittelauslasskanal des Antriebsgehäuses in Umfangsrichtung begrenzenden Wände ausgebildet sind.

Vorzugsweise weist die Elektronikeinheit einen Stecker und einen Lagesensor auf, so dass eine präzise Lagerückmeldung entsprechend der Stellung der Abtriebswelle möglich wird. Elektrische Bauteile und Leitungen können vollständig in der Elektronikeinheit verlegt werden, so dass zusätzliche elektrische Montagen nicht notwendig sind.

Vorteilhaft ist es, wenn der Regelkörper an der Abtriebswelle befestigt ist. Diese Befestigung kann entweder direkt an der Welle erfolgen oder über einen auf den Regelkörper greifenden Hebel, der sich von der Welle aus erstreckt. Eine solche Ausführung verringert den Montageaufwand und ermöglicht eine sehr genaue Regelbarkeit.

Alternativ kann der Regelkörper mit einer Klappenwelle gekoppelt sein, die eine gemeinsame Drehachse mit der Abtriebswelle aufweist. So bleibt die gute Regelbarkeit erhalten, jedoch kann eine thermische Trennung oder Isolierung zur Verringerung der über die Welle in den Aktor transportierten Wärme eingesetzt werden.

Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Klappenwelle mit der Abtriebswelle über eine Oldham-Kupplung gekoppelt ist, die eine direkte Drehkopplung bei gleichzeitigem Toleranzausgleich sicherstellt und durch die verringerten Anlageflächen den Wärmetransport mindert. Zusätzlich kann diese Kupplung aus einem schlecht Wärme leitenden Material wie Keramik hergestellt werden.

Es wird somit ein Abgasturbolader mit einem Waste-Gate-Ventil geschaffen, welches zuverlässig vor thermischer Überlastung geschützt ist, vormontiert am Turbolader angebracht werden kann, so dass die Montage erleichtert wird, wobei eine sehr genaue Regelung des Waste- Gate-Ventils möglich ist. Die Kühlung kann dabei getrennt an die Bedürfnisse der Turbine und des Ventils angepasst werden. Der benötigte Bauraum ist im Vergleich zu bekannten Ausführungen deutlich verringert.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit einem Waste-Gate-Ventil ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit Waste-Gate-Ventil in perspektivischer Darstellung.

Figur 2 zeigt eine perspektivische Seitenansicht eines Antriebsgehäuses des Waste-Gate-Ventils aus Figur 1 in gesprengter Darstellung.

Figur 3 zeigt eine perspektivische Seitenansicht eines Lagergehäuses des Waste-Gate-Ventils aus Figur 1 in gesprengter Darstellung.

Figur 4 zeigt eine Kopfansicht des Antriebsgehäuses des Waste-Gate- Ventils aus Figur 2 in perspektivischer Darstellung.

Der in Figur 1 dargestellte Abgasturbolader 10 besteht aus einem Verdichter 12 mit einem Verdichterrad, das in einem Verdichtergehäuse 14 angeordnet ist und einer Turbine 16 mit einem Turbinenrad, das in einem Turbinengehäuse 18 angeordnet ist. Das Turbinenrad ist in bekannter Weise auf einer gemeinsamen Welle mit dem Verdichterrad befestigt, so dass die Bewegung des Turbinenrades durch eine Abgasströmung im Turbinengehäuse 18 über die Welle auf das Verdichterrad übertragen wird, wodurch im Verdichtergehäuse 14 ein Luftstrom komprimiert wird.

Im Turbinengehäuse 18 zweigt stromaufwärts des das Turbinenrad umgebenden Spiralkanals 20 ein Bypasskanal 22 ab. Dieser Bypasskanal 22 mündet hinter dem Spiralkanal 20 in den folgenden Abgaskanal des Verbrennungsmotors.

In einem Bypasskanalabschnitt 23, der im Turbinengehäuse 18 ausgebildet ist, befindet sich ein Ventilsitz 24, der einen Öffnungsquerschnitt des Bypasskanals 22 umgibt. Der Öffnungsquerschnitt ist mittels eines Regelkörpers 26 in Form einer Klappe regelbar, welche zum Verschluss des Öffnungsquerschnitts auf den Ventilsitz 24 aufgelegt werden kann und zur Öffnung des Durchströmungsquerschnitts des Bypasskanals 22 von diesem abgehoben werden kann.

Hierzu ist der Regelkörper 26 an einem Hebel 28 befestigt, der sich von einer Klappenwelle 30 aus erstreckt und einstückig mit dieser hergestellt ist. Die Klappenwelle 30 weist eine gleiche Drehachse auf, wie eine Abtriebswelle 32 eines Aktors 34, über den der Regelkörper 26 betätigt wird. Hierzu ragt die Abtriebswelle 32 aus einem Aktorgehäuse 36 in Richtung des Turbinengehäuses 18 und wird mittels einer Oldham- Kupplung 38 mit der Klappenwelle 30 drehfest verbunden, wobei auch andere Kupplungen zwischen der Abtriebswelle 32 und der Kappenwelle 30 denkbar sind. Die Abtriebswelle 32 ist, wie insbesondere in Figur 3 zu erkennen ist, über ein Lager 40 in einem Lagergehäuse 42 gelagert, welches ein erstes Gehäuseteil des Aktorgehäuses 36 bildet. Auf der Abtriebswelle 32 ist ein Abtriebszahnrad 44 eines als Stirnradgetriebe ausgebildeten Getriebes 46 angeordnet, welches in einem Raum 48 angeordnet ist, der einerseits durch das Lagergehäuse 42 und andererseits durch ein als Antriebsgehäuse 50 dienendes zweites Gehäuseteil des Aktorgehäuses 36 begrenzt wird.

Weitere Zahnräder 52 des Getriebes 46 werden über einen Elektromotor 54 angetrieben, auf dessen Antriebswelle 56 ein Antriebsritzel 58 angeordnet ist, welches mit der nächsten Getriebestufe des Getriebes 46 kämmt.

Im Lagergehäuse 42 ist zusätzlich noch eine Rückstellfeder 60 angeordnet, mittels derer die Abtriebswelle 32 und damit der Regelkörper 26 bei Ausfall des Elektromotors 54 oder sonstiger Fehlfunktionen in eine fail-safe Stellung gedreht wird, um Schäden am Abgasturbolader 10 zu verhindern.

Im Raum 48 ist neben den Zahnrädern 44, 52, 58 des Getriebes 46, von denen zwei Zahnräder 52 auf Achsen 62 angeordnet sind, die vom Antriebsgehäuse 50 in den Raum 48 ragen, auch eine Elektronikeinheit 64 angeordnet. Diese umfasst nicht sichtbare Anschlusskontakte, die mit Motorkontaktfahnen 68 zur Versorgung des Elektromotors 54 mit Spannung verbunden werden. Zusätzlich dient diese Elektronikeinheit 64 zur Befestigung des Elektromotors 54 im Bereich des A-Lagers 66 und ist mit Drosseln 70 und Kondensatoren zur Entstörung des Elektromotors 54 ausgestattet. Des Weiteren trägt die Elektronikeinheit 64 eine Platine 72, auf der neben Steuerelementen 74 ein berührungsloser Lagesensor 76 zur Lagerückmeldung des Abtriebszahnrades 44 und damit des Regelkörpers 26 angeordnet ist, so dass eine genaue Regelung des Waste-Gate-Ventils 14 ermöglicht wird. Die Elektronikeinheit 64 trägt auch die gesamten elektrischen Leitungen, welche zu einem Stecker 78 führen, der an der Elektronikeinheit 64 ausgebildet ist und im zusammengebauten Zustand durch eine Öffnung 80 des Antriebsgehäuses 50 nach außen ragt. Die Elektronikeinheit 64 wird mittels Schrauben 82 am Antriebsgehäuse 50 befestigt und weist eine in den Figuren nicht erkennbare Öffnung auf, durch die das Antriebsritzel 58 zum übrigen Getriebe 46 ragt, so dass die Elektronikeinheit 64 zwischen dem Getriebe 46 und dem Elektromotor 54 angeordnet ist.

Erfindungsgemäß sind am Antriebsgehäuse 50 ein Kühlmitteleinlassstutzen 84 und ein Kühlmittelauslassstutzen 86 ausgebildet. Diese sind mit einem Kühlmittelkanal 88 verbunden, der sich im Antriebsgehäuse 50 im Wesentlichen über die gesamte Höhe des Elektromotors 54 und diesen beinahe vollumfänglich umgebend erstreckt, wie insbesondere in Figur 4 zu erkennen ist. In Umfangsrichtung wird dieser Kühlmittelkanal 88 lediglich durch zwei schmale, axial verlaufende Trennwände 90, 91 unterbrochen, die dazu dienen eine Kurzschlussströmung vom Kühlmitteleinlassstutzen 84 zum Kühlmittelauslassstutzen 86 zu verhindern und das Kühlmittel axial in Richtung des Lagergehäuses 42 zu leiten.

Dieser durch die Trennwände 90, 91 abgegrenzte Abschnitt des Kühlmittelkanals 88 mündet in einen axial in Richtung des Lagergehäuses 42 verlaufenden Kühlmittelauslasskanal 92, der im zusammengebauten Zustand in einen axial verlaufenden Kühlmitteleinlasskanal 94 übergeht, der im Lagergehäuse 42 ausgebildet. Die Trennwände 90, 91 befinden sich etwa in Verlängerung der den Kühlmittelauslasskanal 92 in Umfangsrichtung begrenzenden Wände 93. Des Weiteren ist im Lagergehäuse 42 ein zweiter Kühlmittelkanal 96 ausgebildet, der das Lagergehäuse 42 vollumfänglich umgibt und über den Kühlmitteleinlasskanal 94 mit Kühlmittel versorgt wird, welches in beide Umfangsrichtungen zu einem Kühlmittelauslasskanal 98 strömt, der an der zum Kühlmitteleinlasskanal 94 gegenüberliegenden Seite des Lagergehäuses 42 ausgebildet ist und sich in axialer Richtung erstreckt. Dieser mündet wiederum in einen axial verlaufenden Kühlmittelauslasskanal 100 des Antriebsgehäuses 50, welcher wiederum in den ersten Kühlmittelkanal 88 mündet und zwar in den anderen durch die Trennwände 90, 91 begrenzten Bereich des Kühlmittelkanals 88.

Entsprechend wird der Aktor 34, sowohl im Antriebgehäuse 50 als auch im Lagergehäuse 42 vollständig umströmt. Das in Figur 4 ersichtliche offene axiale Ende des Kühlmittelkanals 88 wird mittels eines Deckels 102 verschlossen, welcher unter Zwischenlage von zwei Dichtringen 104 mittels eines Klemmrings 106 am offenen Ende den Kühlmittelkanal 88 abdichtend in seiner Lage fixiert wird.

Am Turbinengehäuse 18 sind Gewindebohrungen 108 ausgebildet, in die Schrauben 110 gedreht werden, welche durch sich über die axiale Höhe des Lagergehäuses 42 ersteckende Anschraubdome 112 und durch korrespondierend angeordnete Anschraubdome 114 des Antriebsgehäuses 50 gesteckt werden. Beim Anziehen dieser Schrauben 110 wird einerseits das Lagergehäuse 42 am Turbinengehäuse 18 befestigt und andererseits das Antriebsgehäuse 50 am Lagergehäuse 42. Hierzu sind am Lagergehäuse 42 und am Antriebsgehäuse 50 zueinander gewandte korrespondierende Flanschflächen 116, 118 ausgebildet, wobei in der Flanschfläche 116 des Antriebsgehäuses 50 Nuten 120 zur Aufnahme einer Dichtung 122 ausgebildet sind, die einerseits den Innenraum 48 des Aktors 34 nach außen abdichtet und andererseits die Kühlmitteleinlass- und Kühlmittelauslasskanäle 92, 94, 98, 100 des Antriebsgehäuses 50 und des Lagergehäuses 42 dichtend miteinander verbindet. Das beschriebene Waste-Gate-Ventil verfügt entsprechend über einen eigenen Kühlmittelkreislauf, der es ermöglicht, die Temperatur im Gehäuse des Waste-Gate-Ventils separat, also unabhängig vom Turbinengehäuse des Abgasturboladers zu regeln. Der Aktor des Waste- Gate-Ventils kann vormontiert werden und anschließend am Turbinengehäuse befestigt werden, so dass eine direkte Anbindung des Aktors an das Ventil erreicht wird, wodurch eine sehr genaue Regelung möglich wird. Aufgrund der guten thermischen Entkopplung des Aktors vom Turbinengehäuse und daraus folgend der geringen thermischen Belastung des Elektromotors sowie der anderen elektronischen Bausteine wird eine hohe Lebensdauer erreicht.

Es sollte deutlich sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs des Hauptanspruchs möglich sind.