DE102016100900A1

DE102016100900A1 - Verstellvorrichtung für einen Abgasturbolader und Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102016100900A1
Application number: DE102016100900.8A
Authority: DE
Inventors: Ralf Schawer; Jens Zweydinger
Original assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Current assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2017-07-20
Anticipated expiration: 2036-01-21
Also published as: US10920660B2; JP2019502860A; DE102016100900B4; CN108474293B; JP6847965B2; CN108474293A; WO2017125240A1; US20190003376A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für einen Abgasturbolader, mit einem durchströmbaren Abgasführungsabschnitt, welcher einen Umgehungskanal aufweist zur Umgehung eines im Abgasführungsabschnitt drehbar angeordneten Turbinenrades, und mit einem Verstellarm (3) zur Aufnahme eines Ventilelementes (2), welches zum Öffnen oder Schließen eines Strömungsquerschnitts des Umgehungskanals vorgesehen ist, wobei der Verstellarm (3) im Abgasführungsabschnitt bewegbar aufgenommen ist, und wobei zumindest zur Positionssicherung des Ventilelements (2) am Verstellarm (3) ein Federelement (14) vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist zur Reduzierung von Verstellkräften das Federelement (14) radial gleitbar ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 8 angegebenen Art.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2012 101 322 A1 geht eine Verstellvorrichtung für einen Abgasturbolader mit einer Turbine hervor, wobei die Turbine einen durchströmbaren Abgasführungsabschnitt und einen Umgehungskanal, welcher der Umgehung einer Abgasströmung eines im Abgasführungsabschnitt angeordneten Turbinenrades dient, aufweist. Die Verstellvorrichtung umfasst ein Ventilelement zum Schließen des Umgehungskanals, sowie einen Verstellarm, welcher das Ventilelement aufnimmt. Dieser Verstellarm ist im Abgasführungsabschnitt drehbar gelagert. Das Ventilelement ist am Verstellarm mit Hilfe eines Federelementes zur Vermeidung von Geräuschen während des Betriebs des Abgasturboladers positionsgesichert.
Problematisch ist, dass bedingt durch den Betrieb des Abgasturboladers, insbesondere in Verbindung des Abgasturboladers mit einer Brennkraftmaschine, der Abgasturbolader Temperaturschwankungen und Körperschwingungen ausgesetzt ist. Die Temperaturschwankungen führen zu einem ständigen Erwärmen und Abkühlen der einzelnen Komponenten des Abgasturboladers, wobei insbesondere im Bereich der Turbine des Abgasturboladers, aufgrund des den Abgasführungsabschnitt durchströmenden Verbrennungsprodukts der Brennkraftmaschine, die größten Temperaturschwankungen vorliegen. Je näher ein Bauteil des Abgasturboladers somit an einem das durchströmende Verbrennungsprodukt aufweisenden Kanal des Abgasführungsabschnitts angeordnet ist, desto höher ist eine Ausfallwahrscheinlichkeit dieses Bauteils. Denn die sich ständig wiederholenden Temperaturänderungen führen zu einer ständigen Änderung der Ausdehnung der Bauteile, wodurch es zu Lockerungen, Spannungen oder Materialermüdungen kommen kann. Da die bewegbare Verbindung mit Hilfe des Druckspannung ausübenden Sicherungselementes, somit die zu verbindenden Verstellglieder umfassend, ausgestaltet ist, ist eine Außenseite des Sicherungselementes nahe dem das Verbrennungsprodukt aufweisenden Kanal positioniert und unterliegt folglich den zuvor genannten Temperaturschwankungen.
Das Federelement dient der Positionssicherung des Ventilelements in jeder Stellung. In einer Schließstellung ist der Strömungsquerschnitt mit Hilfe des Ventilelementes leckagefrei zu schließen, damit keine Wirkungsgradeinbußen des Abgasturboladers auftreten. In einer geöffneten Stellung des Ventilelementes, in welcher es den Strömungsquerschnitt teilweise oder vollständig freigibt, kann aufgrund der Abgasströmung im Umgehungskanal das Ventilelement zu Schwingungen angeregt werden. Auch diese gilt es zu vermeiden, da sie klappernde Geräusche mit sich bringen können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine verbesserte Regelvorrichtung für einen Abgasturbolader bereitzustellen. Die weitere Aufgabe ist es einen verbesserten Abgasturbolader herbeizuführen.
Diese Aufgabe wird durch eine Verstellvorrichtung für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die weitere Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung für einen Abgasturbolader weist ein an einem Verstellarm der Regelvorrichtung aufgenommenes Ventilelement auf. Das Ventilelement ist in einem durchströmbaren Abgasführungsabschnitt des Abgasturboladers in einem Umgehungskanal des Abgasführungsabschnitts angeordnet und dient einem Öffnen oder Schließen eines Strömungsquerschnitts des Umgehungskanals. Mit Hilfe des Umgehungskanals besteht die Möglichkeit ein im Abgasführungsabschnitt drehbar angeordnetes Turbinenrad zu umgehen, welches bei geschlossenem Strömungsquerschnitt von der gesamten den Abgasführungsabschnitt durchströmenden Abgasmenge durchströmt wird. Der Verstellarm ist im Abgasführungsabschnitt bewegbar aufgenommen. Zur Positionssicherung des Ventilelements ist am Verstellarm ein Federelement vorgesehen. Erfindungsgemäß ist zur Reduzierung von Verstellkräften das Federelement radial gleitbar ausgebildet.
Üblicherweise sind Federelemente gemäß dem Stand der Technik in entlang einer Ventillängsachse axialer Richtung bewegbar. Mit anderen Worten sie lassen sich zusammendrücken, so dass ihre axiale Ausdehnung verringert wird, oder sie entspannen, so dass ihre axiale Ausdehnung zunimmt. Dies erfolgt in Abhängigkeit der das Ventilelement beaufschlagenden Kräfte. Eine dezentrale Belastung des Ventilelements führt zu einer hohen Belastung des Federelementes mit hohen Kompressionskräften sowie gesteigerten Verstellkräften, die vom Aktuator aufzubringen sind. Damit einher geht ein hoher Verschleiß des Federelementes, welcher eine reduzierte Lebensdauer der Regelvorrichtung mit sich bringt.
Das Federelement der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung weist durch seine radiale Gleitbarkeit die Möglichkeit auf innerhalb des Systems, bestehend aus Ventilelement und Verstellarm, aus der dezentralen Belastung hervorgerufene Kippbewegungen zu kompensieren und entsprechende relative Bewegungen der Bauteile zuzulassen ohne selbst zusätzlich zu verspannen. Daher entstehen nur geringe zusätzliche Belastungen für den Aktuator und für die Federscheibe selbst. Dies führt zu einer gesteigerten Lebensdauer der Regelvorrichtung und der Möglichkeit den Aktuator kleiner zu dimensionieren. Ebenso werden insbesondere beim Schließen des Umgehungskanals auftretende Klappergeräusche vermieden.
Des Weiteren entstehen bereits bei der Montage des Ventilelements am Verstellarm deutlich geringere Vorspannkräfte des Federelementes als bei bekannten Systemen, da es im Vergleich zu den bekannten Systemen nicht bzw. deutlich geringer komprimiert wird.
In einer Ausgestaltung ist das Federelement um einen Kipppunkt des Ventilelements gleitbar ausgebildet. Somit ist bereits der mögliche Kipppunkt, welcher konstruktionsbedingt ausgebildet ist, bestimmt und das Federelement kann diesem Kipppunkt angepasst dimensioniert werden. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung der Regelvorrichtung durch eine weitere Reduzierung der Verstellkräfte.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Federelement zwischen einer Deckscheibe und dem Verstellarm aufgenommen. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, das Federelement zwischen diesen beiden Bauteilen entsprechend anzuordnen und die radiale Gleitbarkeit an einem dieser beiden Bauteile auszubilden.
Bevorzugt ist die Deckscheibe zur Unterstützung der radial gleitenden Bewegung des Federelementes ausgebildet. Das zur radial gleitenden Bewegung ausgebildete Bauteil ist entsprechend zu bearbeiten und die Deckscheibe bietet aufgrund ihrer Handhabbarkeit eine kostengünstige Herstellung im Vergleich zum Verstellarm.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Deckscheibe an ihrer dem Federelement zugewandt ausgebildeten Deckfläche eine Nut auf. Dies begünstigt ein Eingreifen und ein Abstützen des Federelementes. Insbesondere sofern die Nut eine zumindest teilweise bogenförmige Querschnittsfläche aufweist, ist ein gemäß dem Kipppunkt angepasster Radius auszubilden, innerhalb dessen die Federscheibe radial gleiten kann.
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, welcher einen durchströmbaren Abgasführungsabschnitt mit einem Umgehungskanal aufweist zur Umgehung eines im Abgasführungsabschnitt drehbar angeordneten Turbinenrades, und mit einer Regelvorrichtung zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts des Umgehungskanals, wobei die Regelvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist. Somit ist ein Abgasturbolader bereitgestellt, der neben einer gesteigerten Lebensdauer auch ein schnelles Ansprechverhalten der Regelvorrichtung aufweist. Dies kann zu einer Reduktion einer Abgasemission der Verbrennungskraftmaschine führen, mit welcher der Abgasturbolader verbunden ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine perspektivische Ansicht einer Regelvorrichtung eines Abgasturboladers gemäß dem Stand der Technik,
2 eine perspektivische Schnittansicht der Regelvorrichtung gem. 1,
3 einen Ausschnitt eines Längsschnittes der Regelvorrichtung gem. 1,
4 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers,
5 eine perspektivische Schnittansicht der Regelvorrichtung gem. 4, und
6 einen Ausschnitt eines Längsschnittes der Regelvorrichtung gem. 4.
Eine Regelvorrichtung 1 eines nicht näher dargestellten Abgasturboladers gemäß dem Stand der Technik ist wie in 1 dargestellt ausgebildet. Der Abgasturbolader weist einen durchströmbaren nicht näher dargestellten Abgasführungsabschnitt auf, welcher im Betrieb des Abgasturboladers von einem Fluid, in der Regel von Abgas durchströmt wird. Das Abgas ist im Allgemeinen ein Verbrennungsprodukt einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine. Derartige Regelvorrichtungen sind unter dem Begriff der Wastegate-Vorrichtung bekannt.
Dem Abgasturbolader ist ein nicht näher dargestellter durchströmbarer Luftführungsabschnitt sowie ein zwischen dem Abgasführungsabschnitt und dem Luftführungsabschnitt positionierter nicht näher dargestellter Lagerabschnitt zugeordnet, wobei im Lagerabschnitt ein nicht näher dargestelltes Laufzeug drehbar aufgenommen ist. Das Laufzeug weist ein nicht näher dargestelltes Verdichterrad und ein nicht näher dargestelltes Turbinenrad auf, welche miteinander mit Hilfe einer nicht näher dargestellten Welle drehfest verbunden sind. Das Verdichterrad ist in einer nicht näher dargestellten ersten Radkammer des Luftführungsabschnitts zum Ansaugen von im Allgemeinen Frischluft und das Turbinenrad ist in einer nicht näher dargestellten zweiten Radkammer des Abgasführungsabschnitts drehbar aufgenommen. Das Turbinenrad wird im Betrieb des Abgasturboladers von dem den Abgasführungsabschnitt durchströmenden Abgas beaufschlagt und angetrieben, wobei es eine Drehbewegung ausführen kann. Diese Drehbewegung ist mit Hilfe der Welle auf das Verdichterrad übertragbar, welches somit simultan zur Drehbewegung des Turbinenrads eine Drehbewegung ausführen kann. Mit Hilfe des Verdichterrades und dessen Drehbewegung wird Frischluft angesaugt, welche im Luftführungsabschnitt verdichtet wird.
Der Abgasturbolader ist als so genannter Wastegate-Lader ausgebildet, das heißt, er weist die Regelvorrichtung 1 zur vollständigen oder teilweisen Umgehung des Turbinenrades mit Hilfe eines im Abgasführungsabschnitt ausgebildeten, nicht näher dargestellten Umgehungskanals, auf. Diese Regelvorrichtung 1, welche zur Regelung eines nicht näher dargestellten Strömungsquerschnitts des Umgehungskanals ausgebildet ist, weist ein diesen schließ- und offenbar ausgebildetes Ventilelement 2 vorzugsweise in Form einer Klappe, im Allgemeinen als Waste-Gate-Klappe oder Waste-Gate-Ventil bezeichnet, sowie eine nicht näher dargestellte Verstellvorrichtung zur Betätigung dieses Ventilelementes 2 auf.
Das Ventilelement 2, aufweisend eine Ventilelementlängsachse 25, ist an einem Verstellarm 3 der Verstellvorrichtung angeordnet. Der Verstellarm 3 weist an seinem von einer Verstellwelle 4 des Verstellarms 3 abgewandt ausgebildeten Ende 5 eine gabelförmige Aufnahmeöffnung 6 zur Aufnahme eines Sicherungsstiftes 7 auf.
Der Sicherungsstift 7 dient einer Verdrehsicherung des Ventilelementes 2, welches in einer weiteren Aufnahmeöffnung 8 des Verstellarmes 3 mit Hilfe eines stift- oder bolzenförmig ausgebildeten Zapfens 9 aufgenommen ist. Der Zapfen 9 und der Sicherungsstift 7 sind an einer dem Verstellarm 3 zugewandt ausgebildeten ersten Ventilfläche 10 ausgestaltet. Eine von der ersten Ventilfläche 10 abgewandt ausgebildete zweite Ventilfläche 11 des Ventilelementes 2 ist dem zu regelnden Strömungsquerschnitt zugewandt positioniert.
Das Ventilelement 2 ist mit Hilfe einer Deckscheibe 12 am Verstellarm 3 fixiert. Der Zapfen 9 ragt durch die weitere Aufnahmeöffnung 8 hindurch und in die Deckscheibe 12 hinein. An seinem von der zweiten Ventilfläche 11 abgewandten Zapfenende 13 ist er nietartig mit dem Verstellarm 3 mit Hilfe der Deckscheibe 12 verbunden. Ebenso kann er auch verschweißt oder verschweißt und vernietet sein.
Zwischen dem Verstellarm 3 und der Deckscheibe 12 ist ein Federelement 14 zur Verspannung des Ventilelementes 2 angeordnet, wodurch Klappergeräusche bei einer Bewegung des Ventilelementes 2 reduziert werden. Des Weiteren dient dieses Federelement 14 einem Spielausgleich, insbesondere auch einem Spielausgleich aufgrund hoher Temperaturwechsel im Betrieb des Abgasturboladers. Dadurch wird der Verschleiß zwischen dem Verstellarm 3, dem Ventilelement 2 und der Deckscheibe 12 vermindert.
Das Federelement 14 ist in Form einer Tellerfeder ausgebildet und weist einen Innendurchmesser DI und einen Außendurchmesser DA auf. Im Bereich des Innendurchmessers DI ist eine erste Auflagefläche 15 ausgebildet, welche eben mit dem Verstellarm 3 ausgestaltet ist. Mit anderen Worten liegt die erste Auflagefläche 15 auf dem Verstellarm 3 flächig auf. Im Bereich des Außendurchmessers DA ist eine zweite Auflagefläche 16 ausgebildet, welche eben mit der Deckscheibe 12 ausgestaltet ist. Mit anderen Worten stutzt sich die zweite Auflagefläche 16 flächig an der Deckscheibe 12 ab.
Im Betrieb der Regelvorrichtung 1 rotiert bzw. schwenkt das Ventilelement 2 um eine Rotationsachse 17 der Verstellwelle 4. Dabei ist ein so genannter Kipppunkt 18 des Ventilelementes 2 ausgebildet, um welchen es aufgrund einer dezentralen Belastung kippt. Dies führt zu einer zusätzlichen Belastung des Federelementes 14, woraus hohe Stellkräfte resultieren. Diese Stellkräfte sind vom nicht näher dargestellten Aktuator aufzubringen, welcher eine Verstellung des Ventilelementes 2 bewirkt.
In den 4 bis 6 ist eine erfindungsgemäße Regelvorrichtung 1 dargestellt. Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung 1 weist das Federelement 14 auf, welches so ausgestaltet ist, dass das Federelement 14 im Betrieb des Abgasturboladers eine radial gleitende Bewegung entlang des Pfeiles 19 ausführen kann Das Federelement 14 weist im Bereich seines Innendurchmessers DI die erste Auflagefläche 15 auf. An seinem Außendurchmesser DA ist das Federelement 14 gebogen ausgebildet, wobei ein Federelementradius RF am Außendurchmesser DA ausgebildet ist. Die erste Auflagefläche 15, welche eben mit dem Verstellarm 3 ausgestaltet ist, dient während der Montage einer Zentrierung des Federelementes 14.
Die Deckscheibe 12 weist an ihrer dem Federelement 14 zugewandt ausgebildeten Deckfläche 20 eine Nut 21 auf, welche eine bogenförmig ausgestaltete Querschnittsfläche 24 besitzt. Die Querschnittsfläche 24 weist in einem an die Deckfläche 20 angrenzenden Bewegungsbereich 22 einen Deckscheibenradius RD auf, welcher einem Abstand A zwischen dem Kipppunkt 18 und einer Außenkante 23 des Federelementes 14 entspricht.
Mit Hilfe des Federelementradius RF ist die zweite Auflagefläche 16 quasi linienförmig ausgebildet, da die Außenkante 23 nicht am Verstellarm 3 aufliegt und zwischen der Außenkante 23 und dem Verstellarm 3 ein weiterer Abstand 26 ausgebildet ist.
Im Betrieb der Regelvorrichtung 1 kann das Federelement 14 eine Rotation um den Kipppunkt 18 ausüben, wodurch eine Entlastung des Federelements 14 herbeigeführt wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass das Federelement 14 um den Kipppunkt 18 des Ventilelements 2 mit Hilfe seiner gebogenen Außenkante 23 in der Nut 21 gleiten kann. Die Deckscheibe 12 ist zur Unterstützung der radial gleitenden Bewegung des Federelementes 14 ausgebildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012101322 A1 [0002]

Claims

Regelvorrichtung für einen Abgasturbolader, mit einem durchströmbaren Abgasführungsabschnitt, welcher einen Umgehungskanal aufweist zur Umgehung eines im Abgasführungsabschnitt drehbar angeordneten Turbinenrades, und mit einem Verstellarm (3) zur Aufnahme eines Ventilelementes (2), welches zum Öffnen oder Schließen eines Strömungsquerschnitts des Umgehungskanals vorgesehen ist, wobei der Verstellarm (3) im Abgasführungsabschnitt bewegbar aufgenommen ist, und wobei zumindest zur Positionssicherung des Ventilelements (2) am Verstellarm (3) ein Federelement (14) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung von Verstellkräften des Federelement (14) radial gleitbar ausgebildet ist.
Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (14) um einen Kipppunkt (18) des Ventilelements (2) gleitbar ausgebildet ist.
Regelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (14) zwischen einer Deckscheibe (12) und dem Verstellarm (3) aufgenommen ist.
Regelvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckscheibe (12) zur Unterstützung der radial gleitenden Bewegung des Federelementes (14) ausgebildet ist.
Regelvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckscheibe (12) an ihrer dem Federelement (14) zugewandt ausgebildeten Deckfläche (20) eine Nut (21) aufweist.
Regelvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (21) eine zumindest teilweise bogenförmige Querschnittsfläche (24) aufweist.
Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Auflagefläche (16) des Federelementes (14), welche einen kleineren Durchmesser aufweist als eine Außenkante (23) des Federelementes (2), einen Kontakt zum Verstellarm (3) aufweist und wobei zwischen der Außenkante (23) und dem Verstellarm (3) ein weiterer Abstand (26) ausgebildet ist.
Abgasturbolader, aufweisend einen durchströmbaren Abgasführungsabschnitt welcher einen Umgehungskanal aufweist zur Umgehung eines im Abgasführungsabschnitt drehbar angeordneten Turbinenrades, und mit einer Regelvorrichtung (1) zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts des Umgehungskanals, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.