DE102010007600A1

DE102010007600A1 - Betätigungseinrichtung für ein Ventil, insbesondere ein Waste-Gate eines Abgasturboladers

Info

Publication number: DE102010007600A1
Application number: DE102010007600A
Authority: DE
Inventors: Jaroslaw Dipl.-Ing. 67227 Kierat; Hermann 69115 Burmester; Christian Dipl.-Ing. 69250 Winter
Original assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Current assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Priority date: 2010-02-11
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2011-08-11
Also published as: US9145825B2; US20120292547A1; JP5787904B2; WO2011098105A1; CN102762837A; JP2013519813A; EP2534349A1; CN102762837B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Betätigungseinrichtung (10) für ein Ventil, insbesondere ein Waste-Gate, eines Abgasturboladers, mit einem Hebelelement (12) und mit einem über das Hebelelement (12) verstellbaren und eine Dichtfläche (16) zum Abdichten einer Durchgangsöffnung aufweisenden Ventilelement (14), wobei das Hebelelement (12) und das Ventilelement (12) zumindest über jeweilige, wenigstens bezüglich einer Ebene senkrecht zur Axialrichtung (18) des Ventilelements (14) gewölbte Kontaktflächen (20, 22) zusammenwirken, wobei die gewölbten Kontaktflächen (20, 22) konzentrisch zueinander angeordnet sind und ein den Kontaktflächen (20, 22) gemeinsamer Mittelpunkt (30) zumindest im Wesentlichen auf Höhe der Dichtfläche (16) des Ventilelements (14) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Betätigungseinrichtung für ein Ventil, insbesondere ein Waste-Gate eines Abgasturboladers der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Die DE 10 2006 022 482 A1 offenbart ein Abgasregelklappenventil für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, wobei das Abgasregelklappenventil einen Schwenkarm und einen daran angeordneten Ventilteller besitzt, der an einer Bypassöffnung in einem Turbinengehäuse des Abgasturboladers zum Verschließen der Bypassöffnung in Anlage bringbar ist und zum Öffnen der Bypassöffnung davon abhebbar ist. Das Abgasregelklappenventil ist mittels einer Betätigungseinrichtung verschwenkbar, wobei die Anordnung des Ventiltellers an dem Schwenkarm derart ist, dass der Ventilteller relativ zur Bypassöffnung winkeleinstellbar ist. Der Kontaktbereich zwischen dem Schwenkarm und dem Ventilteller ist dabei von einer Außenfläche und einer Innenfläche einer Kugelkalotte gebildet.
Das bekannte Abgasregelventil weist einen hohen Verschleiß auf, wodurch das Risiko eines Ausfalls des Abgasregelklappenventils steigt. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Betätigungseinrichtung für ein Ventil, insbesondere ein Waste-Gate eines Abgasturboladers bereitzustellen, welches eine hohe Funktionssicherheit aufweist. Diese Aufgabe wird durch eine Betätigungseinrichtung für ein Ventil, insbesondere ein Waste-Gate, eines Abgasturboladers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung für ein Ventil, insbesondere ein Waste-Gate, eines Abgasturboladers, mit einem Hebelelement und einem über das Hebelelement verstellbaren und eine Dichtfläche zum Abdichten einer Durchgangsöffnung aufweisendem Ventilelement, wobei das Hebelelement und das Ventilelement zumindest über jeweilige, wenigstens bezüglich einer Ebene senkrecht zur Axialrichtung des Ventils gewölbte Kontaktfläche zusammenwirken, zeichnet sich dadurch aus, dass die gewölbten Kontaktflächen konzentrisch zueinander angeordnet sind und ein den Kontaktflächen gemeinsamer Mittelpunkt zumindest im Wesentlichen auf Höhe der Dichtfläche des Ventilelements angeordnet ist.
Diese Anordnung des den von der Dichtfläche weggewölbten und konzentrisch zueinander angeordneten Kontaktflächen reduziert oder vermeidet gar ein Verklemmen sowie einen hohen Verschleiß an diesen Kontaktflächen, womit eine hohe Funktionssicherheit der Betätigungseinrichtung einher geht. Dies gilt auch für sehr hohe Belastungen, also beispielsweise bei hohen oder sehr niedrigen Temperaturen, sowie über eine hohe Lebensdauer hinweg, wodurch das Risiko zeit- und kostenintensiver Reparaturen sowie deren Häufigkeit deutlich reduziert ist.
Die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung ermöglicht nun eine Bewegung und damit einen Winkelausgleich in Form einer Schwenkbarkeit, da sich die Kontaktflächen aneinander entlang legen können, sodaß das Ventil die Durchgangsöffnung sehr effizient abdichtet und Fertigungstoleranzen, Ablagerungen oder dergleichen ausgleichen kann, die einen dichten Sitz des Ventilelements auf einem korrespondierenden Ventilsitz zum Abdichten der Durchgangsöffnung negativ beeinflussen könnten. Diese Bewegung bzw. der Winkelausgleich geschieht nun um den den Kontaktflächen gemeinsamen Mittelpunkt und alle an der beispielsweise durch einen Ventilteller des Ventilelements sowie am Ventilelement selbst angreifende Kräfte, insbesondere Schließkräfte, erzeugen ein Drehmoment um diesen. Ist der Mittelpunkt nun wesentlich von der Dichtfläche beabstandet, so verlängert sich auch ein angreifender Hebelarm für die ausgeführten Kräfte und damit das Drehmoment um den Mittelpunkt, woraus eine erhöhte Reibkraft und somit ein erhöhter Verschleiß an den Kontaktflächen resultieren. Weiterhin ist es dadurch möglich, dass dies zu einem Verklemmen des Ventils und damit zu einem Ausfall desselbigen kommen kann.
Dies ist durch die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung vermieden, bei welcher also der den Kontaktflächen gemeinsame Mittelpunkt bei nicht bewegtem bzw. nicht verschwenktem Ventilelement also bei einer Winkellage, bei welcher kein Winkelausgleich erfolgt, zumindest im Wesentlichen auf Höhe der Dichtfläche angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung stellt somit ein Gelenk für das Ventilelement bereit, durch welches Fertigungstoleranzen sowie Ablagerungen ausgleichbar und damit eine sehr gute Dichtungsfunktion des Ventils darstellbar sind. Diese sehr gute Dichtungsfunktion ist weiterhin dadurch unterstützt, dass bei der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung nur minimale Relativspiele der einzelnen Elemente realisierbar sind bei gleichzeitiger Möglichkeit des Ausgleichs der Fertigungstoleranzen und gegebenenfalls der Ablagerungen.
Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung eine hohe Funktionssicherheit auf, die weiterhin dadurch unterstützt ist, dass die gewölbten Kontaktflächen, welche rund oder konisch ausgebildet sind, das Widerstandsmoment gegenüber einer Umstülpung in die entgegengesetzte Richtung erhöhen. Ein weiterer Vorteil der gewölbten Kontaktflächen ist, dass durch die gewölbte Ausbildung besonders großflächige Kontaktflächen bei gleichzeitiger Geringhaltung des Bauraumbedarfs der Betätigungseinrichtung darstellbar sind, was sich ebenso verschleißmindernd auswirkt.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung ein sehr gutes Geräuschverhalten auf, da Geräusche in Folge von Relativbewegungen der Elemente der Betätigungseinrichtung zumindest nahezu vermieden sind, aufgrund der angeführten minimalen Relativspiele. Dies wirkt sich positiv auf einen Fahrkomfort eines Kraftwagens mit einem Abgasturbolader mit der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung aus, wobei die Betätigungseinrichtung keine für Insassen des Kraftwagens unangenehm wahrnehmbare Geräusche erzeugt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. 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 Zeichnungen zeigen in:
1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung;
2 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung;
3 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung;
4 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung;
5 in einer Draufsicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung;
6 in einer Seitenansicht das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung gem. 5;
7 in einer Schnittansicht das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung gem. 5 entlang einer Linie A-A; und
8 in einer Schnittansicht das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung gem. 5 entlang einer Linie B-B.
Die 1 zeigt eine Betätigungseinrichtung 10 für ein Waste-Gate eines Abgasturboladers, mittels welchem der Druck von einem Turbinenrad einer Turbine des Abgasturboladers geregelt werden kann. Die Betätigungseinrichtung 10 umfasst dazu ein Hebelelement 12, sowie ein Ventilelement 14, welches über das Hebelelement 12 verstellbar ist. Das Ventilelement 14 weist eine Dichtfläche 16 auf, mit welcher es eine Durchgangsöffnung abdichten kann. Mittels des Ventilelements 14 ist somit ein Umströmungskanal zumindest bereichsweise verschließbar bzw. zumindest bereichsweise öffenbar, wobei bei diesem Umströmungskanal eine bestimmte Menge von Abgas einer dem Abgasturbolader zugeordneten Verbrennungskraftmaschine um das Turbinenrad herum leitbar ist, so dass das Turbinenrad nicht mit dieser Menge von Abgas beaufschlagt werden und nicht von dieser Menge von Abgas angetrieben werden kann.
Das Hebelelement 12 und das Ventilelement 14 wirken dabei auch über jeweilige, bezüglich einer Ebene senkrecht zur Axialrichtung gemäß einem Richtungspfeil 18 des Ventilelements 14 gewölbte Kontaktflächen 20 und 22 zusammen, wodurch eine Art Kugelgelenk geschaffen ist, durch welches das Ventilelement 14 eine Schwenkbewegung zum Winkelausgleich und damit zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen und/oder Ablagerungen auf einem korrespondierenden Ventilsitz durchführen kann. In der 1 ist dabei eine Stellung des Ventilelements 14 gezeigt, in welcher das Ventilelement 14 eine Nulllage aufweist und nicht zum Winkelausgleich bewegt bzw. verschwenkt ist. Das bedeutet, dass eine senkrecht zur Dichtfläche 16 und parallel zur Axialrichtung des Ventilelements 14 gemäß dem Richtungspfeil 18 verlaufende Achse 24 parallel zur Axialrichtung einer Durchgangsöffnung 26 des Hebelelements 12, welche von dem Ventilelement 14 mit einem einstückig mit diesem ausgebildeten Zapfen 28 durchdrungen ist. Die von der Dichtfläche 16 weggewölbten Kontaktflächen 20 und 22 sind nun konzentrisch zueinander angeordnet, wobei ein den Kontaktflächen 20 und 22 ein gemeinsamer Mittelpunkt 30 zumindest im Wesentlichen auf Höhe der Dichtfläche 16 angeordnet ist. Dadurch weist die Betätigungseinrichtung 10 einen geringen Verschleiß und damit eine hohe Funktionssicherheit auf, da ein Verklemmen des Ventilelements 14 vermieden ist.
Wie der 1 zu entnehmen ist, ist das Ventilelement 14 über ein Verbindungselement in Form einer Scheibe 32 verbunden, welche durch Nieten und/oder Schweißen mit dem Ventilelement 14 bzw. dessen Zapfen 28 verbunden ist. Wie die zusammenwirkenden Kontaktflächen 20 und 22 in eine Richtung parallel zur Axialrichtung gemäß dem Richtungspfeil 18 stellt auch die Scheibe 32 in eine dieser entgegengesetzten Richtung einen Gegenhalt dar, wodurch die Betätigungseinrichtung 10 minimale Relativspiele aufweist. Dabei wirken auch die Scheibe 32 und das Hebelelement 12 über von der Dichtfläche 16 weggewölbte Kontaktflächen 34 und 36 zusammen. An dieser Stelle sei angemerkt, daß neben der in der 1 gezeigten gewölbten Ausbildung der Scheibe 32 auch eine Dachform derselbigen möglich ist, wodurch eine tangentiale Linienberührung zwischen der Scheibe 32 und dem Hebelelement 12 dargestellt ist.
Bei einer Montage der Betätigungseinrichtung 10 wird beispielsweise die Scheibe 32 spielfrei auf den Zapfen 28 des Ventilelements 14 aufgesetzt und mittels Lichtbogenschweißens, Pressschweißens oder Laserschweißens mit dem Zapfen 28 verschweißt oder mittels eines Nietprozesses vernietet. Ein sich gegebenenfalls ergebendes minimales Spiel hängt dabei von dem angewendeten Verbindungsverfahren ab. Bei Bedarf kann ein gewünschtes Spiel auch über Einbringen einer Schulter am Zapfen 28 gesteuert werden, wobei das Ventilelement 14 und damit der Zapfen 28 beispielsweise als ein Gussbauteil ausgebildet sind, und diese Schulter bei dem Gießprozess mit ausgeformt wird.
Die 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Betätigungseinrichtung 10, wobei das zu der Betätigungseinrichtung 10 gemäß 1 Gesagte analog auf die Betätigungseinrichtung 10 gemäß 2 zutrifft.
Ist nun ein Verbindungselement in Form eines Verbindungsbolzens 34 mit dem Hebelelement 12 verbunden, wobei der Verbindungsbolzen 38 separat von dem Ventilelement 14 ausgebildet ist und sowohl die Durchgangsöffnung 26 des Hebelelements 12 durchdringt als auch in eine entsprechende Aufnahmeöffnung des Ventilelements 14 hinein ragt. Dabei ist das Ventilelement 14 mit dem Verbindungsbolzen 38 beispielsweise vernietet und/oder verschweißt.
Im Vergleich zur 1 erkennt man, dass somit der Zapfen 28 durch den Verbindungsbolzen 38 substituiert ist.
Die 3 zeigt ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der Betätigungseinrichtung 10, wobei das zu den Betätigungseinrichtungen 10 der 1 und 2 Gesagte analog auf die Betätigungseinrichtung 10 gemäß 3 zutrifft. Das Ventilelement 14 weist nun den Zapfen 28 auf, mit welchem es einstückig ausgebildet ist. Der Zapfen 28 überragt dabei die Durchgangsöffnung 26 des Hebelelements 12 in radialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 18 von der Dichtfläche 16 weg deutlich und stellt eine Aufnahme in Form einer Nut 40 bereit, in welcher die Scheibe 32 aufgenommen ist.
Das Ventilelement 14 ist dabei wiederum mit der Scheibe 32 verschweißt und/oder vernietet, um einen entsprechenden Gegenhalt darzustellen.
Bei der Betätigungseinrichtung 10 gemäß 3 sind nun die Kontaktflächen 20 und 22 zu der Dichtfläche 16 hingewölbt, während allerdings die Kontaktflächen 34 und 36 von der Dichtfläche 16 weggewölbt und konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei deren gemeinsamer Mittelpunkt 30 zumindest im Wesentlichen auf der Dichtfläche 16 angeordnet ist zur Darstellung des geringen Verschleißes, der hohen Funktionssicherheit sowie des geringen Spiels zur Vermeidung von Klappergeräuschen.
Wie der 3 weiterhin zu entnehmen ist, wirken das Hebelelement 12 über jeweilige Kontaktflächen 42 und 44 zusammen, wobei die Kontaktfläche 44 des Hebelelements 12 bezüglich einer Ebene senkrecht zur Radialrichtung gemäß einem Richtungspfeil 46 des Ventilelements gewölbt ist, wobei die Kontaktfläche 44 zu dem Zapfen 28 und damit zu dem Ventilelement 14 hingewölbt ist.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung 10, hier in einem Pressschweißverfahren hergestellt. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der 2 ist der Zapfen 28 das Ventilelement 14 nur teilweise durchdringend ausgestaltet. Der Zapfen 28 ist dabei mit dem Ventilelement 14 verpresst und verschweißt oder verlötet.
Den 5, 6, 7 und 8 sind Ansichten und Schnitte eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung 10 zu entnehmen. Die Betätigungsvorrichtung 10 weist ein kreisförmiges Ventilelement 14 auf, welches mit Hilfe eines an seiner Oberfläche ellipsenförmig ausgestalteten Verbindungsbolzen 38 verbunden ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der das Ventilelement 14 vollständig durchdringende Abschnitt des Verbindungsbolzens 38 entlang seiner Längsachse kreisförmig ausgebildet, während der das Hebelelement 12 mit dem Ventilelement 14 verbindende Abschnitt des Verbindungsbolzens 38 über seinen Umfang ellipsenförmig ausgestaltet ist. Diese Ausführungsform, welche eine von einer Kugelkalotte abweichende Form aufweist, hat den Vorteil, dass eine Rotation des Ventiltellers um seine Längsachse vermieden werden kann. Zur Verhinderung der Rotation des Ventilelementes 14 – welche zu Geräuschen und Verschleiß aufgrund von Reibung führen kann – sind weitere Vorrichtungselemente vorgesehen, auf welche bei dieser Ausführungsform verzichtet werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006022482 A1 [0002]

Claims

Betätigungseinrichtung (10) für ein Ventil, insbesondere ein Waste-Gate, eines Abgasturboladers, mit einem Hebelelement (12) und mit einem über das Hebelelement (12) verstellbaren und eine Dichtfläche (16) zum Abdichten einer Durchgangsöffnung aufweisenden Ventilelement (14), wobei das Hebelelement (12) und das Ventilelement (12) zumindest über jeweilige, wenigstens bezüglich einer Ebene senkrecht zur Axialrichtung (18) des Ventilelements (14) gewölbte Kontaktflächen (20, 22) zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, dass die gewölbten Kontaktflächen (20, 22) konzentrisch zueinander angeordnet sind und ein den Kontaktflächen (20, 22) gemeinsamer Mittelpunkt (30) zumindest im Wesentlichen auf Höhe der Dichtfläche (16) des Ventilelements (14) angeordnet ist.
Betätigungseinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hebelelement (12) und das Ventilelement (14) über zumindest ein Verbindungselement (32, 38) miteinander verbunden sind.
Betätigungseinrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hebelelement (12) und das Verbindungselement (32, 38) über jeweilige, bezüglich der Ebene senkrecht zur Axialrichtung (18) gewölbte Kontaktflächen (42, 44) zusammenwirken.
Betätigungseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (32, 38) mit dem Ventilelement (14) vernietet und/oder verschweißt ist.
Betätigungseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (32, 38) im Wesentlichen als Scheibe (32) ausgebildet ist.
Betätigungseinrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (32) zumindest bereichsweise in einer Aufnahme (40), insbesondere einer Nut (40), des Ventilelements (14) aufgenommen ist.
Betätigungselement (10) nach einem Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (32, 38) im Wesentlichen als Bolzen (38) ausgebildet ist.
Betätigungseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hebelelement (12) und das Ventilelement (14) auch über wenigstens eine bezüglich einer Ebene senkrecht zur Radialrichtung (46) des Ventilelements (14) gewölbte Kontaktfläche (44).