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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung, insbesondere
einen Abgasturbolader, mit einer Stelleinrichtung für ein im
Wesentlichen bidirektional verstellbares Stellglied gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen, mit einer derartigen
Ladeeinrichtung ausgestatteten Verbrennungsmotor, sowie ein, mit
einem derartigen Verbrennungsmotor ausgestattetes Kraftfahrzeug.
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Moderne
Abgasturbolader sind üblicherweise
mit einem so genannten Wastegate-Ventil ausgestattet, mit dem bei
einer Turbine des Abgasturboladers die Hochdruckseite mit der Niederdruckseite verbindbar
ist, beispielsweise um eine Überlastung des
Abgasturboladers vermeiden zu können.
Da sich auch das Wastegate-Ventil abgasseitig befindet, sind hier
zum Öffnen,
zum Schließen
und zum Geschlossenhalten, relativ große Betätigungskräfte erforderlich, welche üblicherweise
von einem entsprechenden Stellantrieb aufgebracht werden müssen. Daneben
besitzen moderne Turbolader oftmals eine verstellbare Leitschaufelgeometrie,
um den Turbolader an unterschiedliche Betriebszustände der
damit ausgestatteten Brennkraftmaschine anpassen zu können. Von
großer
Wichtigkeit bei derartigen Stellantrieben ist, dass diese möglichst
exakt und im Idealfall wartungsfrei während der gesamten Lebensdauer
des Abgasturboladers arbeiten. Aus diesem Grund sind der Stellantrieb
sowie ein daran angeschlossenes und im Wesentlichen bidirektional
verstellbares Stellglied konstruktiv so auszubilden, dass deren
mechanische Belastungen sich im Wesentlichen auf die eigentliche
Stellarbeit beschränken.
Insbesondere ist die Einleitung von Biegekräften in das Stellglied, verbunden
mit einer damit einhergehenden Materialermüdung, zu vermeiden.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
eine Ladeeinrichtung der gattungsgemäßen Art, eine verbesserte oder
zumindest eine andere Ausführungsform
anzugeben, welche sich insbesondere durch vergleichsweise geringe mechanische
Belastungen während
des Betriebes auszeichnet.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
die Gegenstände
der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen, ein Stellglied
betätigenden
Stellantrieb, schwenkbar an einem Gehäuse der Ladeeinrichtung zu
lagern, so dass das Stellglied, über
welches üblicherweise
eine zu verstellende Vorrichtung, beispielsweise ein Wastegate-Ventil
verstellt wird, alleine oder zusammen mit dem Stellantrieb eine
Pendelstütze
bildet und dadurch eine querkraftfreie Krafteinleitung in das Stellglied
erfolgen kann. Das Stellglied ist somit momenten- und querkraftfrei
und dadurch deutlich geringeren mechanischen Belastungen ausgesetzt.
Das Stellglied ist einenends mit dem Stellantrieb und anderenends
gelenkig mit der zu verstellenden Vorrichtung, beispielsweise dem
vorher genannten Wastegate-Ventil, wirkungsverbunden. Über die
schwenkbare Lagerung des Stellantriebs am Gehäuse der Ladeeinrichtung, ist
auch eine gelenkige Kopplung des Stellantriebs mit dem, ihm zugewandten
Ende des Stellglieds, möglich,
wodurch in das derart als Pendelstütze konzipierte Stellglied
keine Querkräfte
vom Stellantrieb eingeleitet werden können. Der Eintrag eines Biegemomentes
in das Stellglied, während
eines Verstellvorgangs desselben, kann somit wirkungsvoll ausgeschlossen
werden, wodurch das Stellglied insgesamt einer geringeren Belastung
unterliegt, was sich günstig
auf die Lebensdauer des Stellglieds und damit der gesamten Ladeeinrichtung
auswirkt.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, weist
das Gehäuse
im Bereich des dem Stellantrieb zugewandten Endes des Stellglieds,
eine konvex gewölbte
Kontaktfläche auf, über welche
es am Stellantrieb anliegt. Dabei kann die konvex gewölbte Kontaktfläche selbstverständlich auch
Bestandteil des Stellantriebs sein. Die konvex gewölbte Kontaktfläche bildet
dabei eine Schwenkfläche
für den
Stellantrieb, so dass dieser auch bei einer geringen Verschwenkung
des Stellglieds stets in der Lage ist, eine vorzugsweise querkraft-
und momentenfreie Krafteinleitung in das Stellglied, dass heißt im Wesentlichen
ausschließlich
eine axiale Normalkrafteinleitung, zu bewirken. Die konvex gewölbte Kontaktfläche stellt
dabei eine fertigungstechnisch einfach herzustellende Geometrie dar,
welche jedoch äußerst wirkungsvoll
bezüglich der
Vermeidung einer ungewollten Einleitung mechanischer Belastungen
in das Stellglied ist. Denkbar ist dabei natürlich auch, dass die gewölbte Kontaktfläche eine
Kontaktkante aufweist, die ein Verschwenken ermöglicht. Die Kontaktfläche/Kontaktkante
kann dabei integraler Bestandteil des Stellgliedes oder separat
dazu ausgebildet sein.
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Entsprechend
einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist
der Stellantrieb über
zwei, im Wesentlichen parallel zum Stellglied verlaufende, axial
verstellbare Stifte gehalten, wobei der Stellantrieb im Bereich
der Stifte mit zum jeweiligen Stift gehörigen Federeinrichtungen gegen die
Kontaktfläche
des Stellglieds vorgespannt ist. Die Federeinrichtungen bewirken
dabei einen ständigen und
vorgespannten Kontakt zwischen dem Stellantrieb einerseits und der
konvexen Kontaktfläche
des Stellglieds andererseits, wodurch eine besonders exakte Verstellbewegung
möglich
ist. Zugleich können durch
eine derartige Federvorspannung unterschiedliche Wärmeausdehnungen,
welche im Bereich von mit heißen
Abgasen betriebenen Abgasturboladern besonders stark wirken, ausgeglichen
werden. Dabei ist denkbar, dass die Federeinrichtungen bspw. als Spiralfedern
oder als zu einer Federsäule
gestapelte Tellerfederpakete ausgebildet sind. Sowohl Spiralfedern
als auch Tellerfedern können
dabei kostengünstig
mit nahezu beliebigen Eigenschaften hergestellt werden, wobei insbesondere
bei Tellerfedern hohe Stellkräfte
bei geringen Federwegen realisierbar sind. Darüber hinaus ist es denkbar,
mit der Anordnung mehrerer Tellerfederpakete, welche zu einer Federsäule gestapelt
sind, einen relativ langen Federweg auch mit ansonsten üblicherweise
für ihren kurzen
Federweg bekannten Tellerfedern zu erreichen.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei
zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine
erfindungsgemäße Ladeeinrichtung
mit einem schwenkbar bezüglich
eines Stellglieds an einem Gehäuse
der Ladeeinrichtung gelagerten Stellantrieb,
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2 eine
Darstellung wie in 1, jedoch bei einem anders ausgebildeten
Stellglied und einem anders gelagerten Stellantrieb,
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3a eine Darstellung wie in 2,
jedoch bei einem wiederum anders gelagerten Stellantrieb,
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3b eine Darstellung wie in 3a, jedoch aus einer anderen Perspektive.
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Entsprechend
der 1, weist eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung 1,
welche beispielsweise als Abgasturbolader ausgebildet ist, eine
Stelleinrichtung 2 für
ein im Wesentlichen bidirektional, dass heißt entlang der Richtungen 3,
verstellbares Stellglied 4 auf. Mit dem Stellglied 4 wird
dabei beispielsweise ein Wastegate-Ventil der als Abgasturbolader
ausgebildeten Ladeeinrichtung 1 betätigt. Denkbar ist aber auch,
dass mit dem Stellglied 4 beispielsweise ein zur einer
variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie gehörender Verstellring verstellbar ist.
An einem Gehäuse 5 der
Ladeeinrichtung 1 ist dabei ein Stellantrieb 6 befestigt,
welcher mit einem, dem zugewandten Ende des Stellglieds 4 wirkungsverbunden
ist. Das Stellglied 4 ist an seinem, dem Stellantrieb 6 abgewandten
Ende, gelenkig mit einer zu verstellenden Vorrichtung, beispielsweise
oben genanntem Wastegate-Ventil, wirkungsverbunden. An seinem, dem
Stellantrieb 6 zugewandten Ende, ist das Stellglied 4 zumindest
geringfügig
gelenkig am Gehäuse 5,
dass heißt
insbesondere an einer, von diesem Gehäuse 5 abstehenden
Konsole 7, gehalten.
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Erfindungsgemäß ist nun
der Stellantrieb 6 schwenkbar bezüglich des Stellglieds 4 am
Gehäuse 5,
dass heißt
an der Konsole 7 des Gehäuses 5, gelagert,
so dass eine querkraftfreie Krafteinleitung in das Stellglied 4 erfolgen
kann. Das Stellglied 4 ist demnach in der Art einer Pendelstütze, dass
heißt gelenkig
an seinen beiden Enden, ausgebildet, und ist somit weder zur Übertragung
einer Querkraft noch zur Übertragung
eines Momentes, fähig.
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Im
Bereich des dem Stellantrieb 6 zugewandten Endes des Stellglieds 4,
weist das Gehäuse 5,
dass heißt
insbesondere die Konsole 7, eine konvex gewölbte Kontaktfläche 8 auf, über welche
der Stellantrieb 6 mit der Konsole 7 und dem Stellglied 4 wirkungsverbunden
ist. Das Stellglied 4 durchstößt dabei die Kontaktfläche 8,
um mit dem Stellantrieb 6 in Wirkverbindung treten zu können. Die
Durchtrittsöffnung
im Gehäuse 5,
dass heißt
in der Konsole 7 und der Kontaktfläche 8 ist dabei so
ausgebildet, insbesondere langlochartig geformt, dass ein zumindest geringfügiges Verschwenken
des Stellglieds 4 möglich
ist. Die konvex gewölbte
Kontaktfläche 8 ermöglicht somit
ein nahezu winkelunabhängiges
dichtes Anliegen des Stellantriebs 6 am Stellglied 4,
so dass auch bei einem Betätigen
des Stellglieds 4, was üblicherweise
ein leichtes Verschwenken desselben zur Folge hat, ein flächiger Kontakt
zwischen dem Stellglied 4 einerseits und dem Stellantrieb 6 andererseits gewährleistet
ist.
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Wie
in den beiden Darstellungen in 1 zu entnehmen
ist, ist der Stellantrieb 6 über zwei, im Wesentlichen parallel
zum Stellglied 4 verlaufende axial verstellbare Stifte
bzw. Schrauben 9, 9' gehalten,
wobei der Stellantrieb 6 im Bereich der Stifte 9, 9' mit zum jeweiligen
Stift 9 bzw. 9' zugehörigen Federeinrichtungen 10, 10' gegen die Anlagefläche 8 des
Stellglieds 4 vorgespannt ist. Die Federeinrichtungen 10 bzw. 10' können dabei
beispielsweise als Spiralfedern oder als, wie in der 1 dargestellt
ist, zu einer Federsäule
gestapelten Tellerfederpaketen ausgebildet sein. Beide Arten bieten
dabei den Vorteil, einerseits kostengünstig herstellbar zu sein und andererseits
die Federeinrichtungen 10, 10' bezüglich ihrer Federhärten bzw.
bezüglich
ihrer Federwege, nahezu beliebig gestalten zu können. Darüber hinaus ermöglichen derartige
Federeinrichtungen 10, 10' eine mechanische Entkopplung des
Stellantriebs 6 vom Gehäuse 5 sowie
einen Ausgleich von möglicherweise
auftretenden Fertigungstoleranzen und Wärmedehnungen, die insbesondere
im Bereich eines mit heißen
Abgasen beaufschlagten Abgasturboladers eine nicht zu unterschätzende Größe darstellen.
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Demgegenüber ist
der Stellantrieb 6 gemäß der 2 über einen,
eine Schwenkachse für
den Stellantrieb 6 bildenden, Bolzen 11 im Bereich
des dem Stellantrieb 6 zugewandten Endes des Stellglieds 4 schwenkbaren
Gehäuse 5,
dass heißt
an der Konsole 7 des Gehäuses 5, der Ladeeinrichtung 1 gelagert.
Dabei ist erkennbar, dass der Bolzen 11, dass heißt die durch
ihn verkörperte
Achse, nicht die Achse 12 des Stellglieds 4 kreuzt,
wobei der Parallelabstand d möglichst
klein gehalten werden sollte. Ein Abstand von d = 0 ist beispielsweise
bei einer Ausführungsform
gemäß der 3a gegeben, bei welcher der Bolzen 11 die
Achse 12 des Stellglieds 4 kreuzt. Generell ist
dabei auch denkbar, dass der Stellantrieb 6 gemäß der 3a nicht über den Bolzen 11,
sondern alternativ dazu über
einen Bolzen 11' schwenkbar
am Gehäuse 5 der
Ladeeinrichtung 1 gelagert ist. Die schwenkbare Lagerung
um den Bolzen 11' hat
dabei den großen
Vorteil, dass in diesem Bereich keine beweglichen Teile angeordnet
sind, wodurch auf diese keine Rücksicht
genommen werden muss.
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Generell
ermöglicht
die schwenkbare Anordnung des Stellantriebs 6 am Gehäuse 5 bzw.
einer gehäuseseitigen
Konsole 7 ein Verhindern eines Eintrages von unnötigen mechanischen
Belastungen in den Stellantrieb 6 bzw. das Stellglied 4 und
resultierend daraus eine im Vergleich zu herkömmlichen Stelleinrichtungen 2 verlängerte Lebensdauer.