DE102011007072A1

DE102011007072A1 - Abgasturbolader mit einem Wastgatekanal und geschlitzter Regelstange

Info

Publication number: DE102011007072A1
Application number: DE102011007072A
Authority: DE
Inventors: Roland Herfurth; Christian Uhlig; Johann Hauser; Alexander Jägle
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2012-10-11

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, der ein Verdichtergehäuse, ein Lagergehäuse und ein Turbinengehäuse aufweist. Im Turbinengehäuse ist ein mittels eines Schließelementes verschließbarer Wastegatekanal vorgesehen. Das Schließelement ist von einem Aktuator verstellbar. Der Aktuator ist mit dem Schließelement über eine Regelstange und ein zwischen der Regelstange und dem Schließelement vorgesehenes schwenkbares Führungselement verbunden. Dieses ist in seinem vom Schließelement abgelegenen Endbereich mit einem flach ausgebildeten Fuhrungshebel verbunden. Der Fuhrungshebel ist in einen Schlitz der Regelstange eingesetzt und mit der Regelstange fest verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, dessen Turbinengehause mit einem Wastegatekanal versehen ist.
Abgasturbolader dienen dazu, den Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors zu verbessern und damit dessen Leistung zu steigern. Der Abgasturbolader weist hierzu eine Turbine mit einem Turbinenrad und einen Verdichter mit einem Verdichterrad auf, wobei die beiden Laufräder auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Das Turbinenrad wird hierbei über einen Abgasmassenstrom einer angeschlossenen Brennkraftmaschine angetrieben und treibt wiederum das Verdichterrad an. Der Verdichter verdichtet angesaugte Frischluft und führt diese der Brennkraftmaschine zu. Die gemeinsame Welle ist in einem Lagergehäuse des Turboladers gelagert. Des Weiteren ist das Turbinenrad der Turbine in einem Turbinengehäuse angeordnet und das Verdichterrad des Verdichters in einem Verdichtergehause.
Ein solcher Abgasturbolader hat im Betrieb an der Brennkraftmaschine bzw. einem angeschlossenen Motor verschiedenste Anforderungen zu erfüllen. Eine dieser Anforderungen besteht darin, die hohen Temperaturen aufzunehmen, die beispielsweise aufgrund des heißen Abgasmassenstroms in dem Turboladergehäuse entstehen können.
Die ubliche Konstruktion eines Abgasturboladers sieht dabei einzelne Gehäuse vor, die jeweils aus einem an die dort herrschende Temperatur angepassten Werkstoff bestehen. Dabei ist das Verdichtergehäuse üblicherweise aus Aluminium, während das Lagergehäuse aus Grauguss ist, wobei das Lagergehäuse zusätzlich auch wassergekühlt ausgefuhrt sein kann. Das Turbinengehäuse besteht im Allgemeinen aufgrund der hohen Temperaturen, die in diesem Bereich herrschen, aus Werkstoffen mit einem hohen Nickelanteil. Aufgrund der angepassten, unterschiedlichen Werkstoffe fur die einzelnen Gehäuse sind diese Gehäuse als separate Teile ausgebildet, die miteinander verbunden sind und dabei außerdem gegeneinander abgedichtet sein müssen.
Je mehr die Motordrehzahl steigt, desto schneller dreht sich durch die antreibende Abgasmenge das Turbinenrad der Turbine und mit diesem auch die Welle des Abgasturboladers, auf welcher sich weiterhin das Verdichterrad des Verdichters befindet. Durch die schnellere Drehung der Welle und damit auch des Verdichterrades erhöht sich die Luftfördermenge des Verdichters. Dies führt zu einer wachsenden Abgasmenge des Motors und damit wiederum zu einem schnelleren Antreiben des Turbinenrades. Um die jeweils gegebenen mechanischen und thermischen Grenzen des Motors nicht zu überschreiten, ist eine Regelung des Abgasturboladers notwendig.
Eine derartige Regelung eines Abgasturboladers kann unter Verwendung eines im Turbinengehäuse vorgesehenen Wastegatekanals erfolgen. Ein derartiger Wastegatekanal ist mittels eines Schließelementes verschließbar. Dieses Schließelement kann bei Bedarf geöffnet werden, um in Abhängigkeit von der Öffnungsstellung einen mehr oder weniger großen Teil des heißen Abgases an der Turbine vorbei direkt in den Auspuff des Fahrzeugs zu leiten. Dadurch wird ein weiteres Ansteigen der Turbinendrehzahl unterbunden.
Es ist bereits bekannt, ein derartiges Schließelement unter Verwendung eines pneumatischen Aktuators zu verstellen. Derartige pneumatische Aktuatoren werden oftmals auch als Druckdosen bezeichnet.
Es ist des Weiteren bereits bekannt, anstelle eines pneumatischen Aktuators einen elektrischen Aktuator zu verwenden. Ein derartiger elektrischer Aktuator bietet im Vergleich zu einem pneumatischen Aktuator eine höhere Stellgeschwindigkeit, eine höhere Stellgenauigkeit und höhere Stellkräfte.
Ein derartiger elektrischer Aktuator hat aber im Vergleich zu einem pneumatischen Aktuator auch Nachteile.
Dazu gehören ein erhohtes Gewicht, ein vergrößerter Bauraumbedarf und eine Eigenerwärmung. Insbesondere die thermische Auslegung eines elektrischen Aktuators bereitet in der Praxis Probleme. Im Motorraum eines Kraftfahrzeugs herrschen Temperaturen von bis zu 140°C. Im unmittelbaren Umfeld eines Abgasturboladers konnen noch weit hohere Temperaturen auftreten. Im Betrieb eines elektrischen Aktuators wird dieser durch den hindurchfließenden Strom zusätzlich erwärmt. Bei ungünstigen Umgebungsbedingungen, insbesondere bei hohen Temperaturen und einer geringen Anströmung, kann die Leistungsfähigkeit des Aktuators reduziert sein. Es kann sogar zu einem Ausfall des Wastegate-Systems kommen. Eine weitere Herausforderung bei einer Verwendung eines elektrischen Aktuators sind die gesteigerten Anforderungen an die Verbindung zwischen dem Aktuator und dem Schließelement des Wastegatekanals aufgrund der größeren Stellkrafte. Ist diese Verbindung nicht hinreichend stabil ausgeführt, dann kann es zu einer unerwunschten Verformung von kraftübertragenden Bauteilen kommen. Auch aufgrund dieser unerwünschten Verformung von kraftübertragenden Bauteilen kann es zu einem Ausfall des Wastegate-Systems kommen.
Ein weiteres in der Praxis auftretendes Problem ist die Positionierung des jeweiligen Aktuators. In der Regel bildet der Wastegatekanal einen Teil des Turbinengehäuses. Der Aktuator ist hingegen in der Regel am Verdichtergehäuse oder an einem Halter am Verdichtergehäuse befestigt. Bei diesem Halter handelt es sich entweder um ein separates Bauteil, das beispielsweise mittels Schrauben am Verdichtergehäuse befestigt ist, oder um ein Bauteil, das bereits beim Gießprozess zusammen mit dem Verdichtergehäuse hergestellt wird. Hintergrund dieser Integration des Aktuators in das Verdichtergehäuse sind vornehmlich Kostenvorteile und Packaging-Vorteile.
Aus der DE 10 2008 011 416 A1 ist ein Turbolader mit einer Betätigungsvorrichtung zum Öffnen und Schließen eines Wastegatekanals bekannt. Diese Betätigungseinrichtung weist einen abgewinkelten Arm auf, der mit einem Schließelement verbunden ist und über welchen das Schließelement in den Wastegatekanal einschwenkbar ist, um diesen zu schließen. Der genannte Arm ist in einer Hülse des Turbinengehäuses gelagert und wird über ein Betätigungselement gedreht, welches beispielsweise mit einem elektrischen Aktuator gekoppelt ist.
Es ist bereits bekannt, die Kopplung eines derartigen Aktuators mit dem zugehörigen Schließelement unter Verwendung einer Aktuatorstange vorzunehmen.
Aus der DE 10 2008 045 227 A1 ist ein Verfahren zum vereinfachten Anbau eines ein Wastegateventil steuernden Aktuators in einem Abgasturbolader bekannt. Dabei wird das Wastegateventil in einen geschlossenen Zustand überführt. Dann wird ein Abstand zwischen einem mit dem geschlossenen Wastegateventil in Wirkverbindung stehenden Stellhebel und einer vordefinierten Anbauposition des Aktuators am Abgasturbolader ermittelt. Der Aktuator wird über eine zugehörige Steuerelektronik in eine vordefinierte Sollposition verstellt. Dann bekommt eine mit dem Aktuator in Wirkverbindung stehende Aktuatorstange an einer vordefinierten axialen Position eine Markierung, die dem Abstand zwischen dem mit dem geschlossenen Wastegateventil in Wirkverbindung stehenden Stellhebel und der Anbauposition für den Aktuator am Abgasturbolader entspricht. Schließlich wird der Aktuator an den Abgasturbolader angebaut und die Aktuatorstange an der Markierung mit dem Stellhebel verbunden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Abgasturbolader anzugeben, bei welchem in der Verbindung zwischen dem Schließelement des Wastegatekanals und dem Aktuator auftretende Fertigungs- und Montagetoleranzen ausgeglichen werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist ein Abgasturbolader gemäß der Erfindung ein Verdichtergehäuse, ein Lagergehäuse und ein Turbinengehäuse auf, wobei im Turbinengehäuse ein mittels eines Schließelementes verschließbarer Wastegatekanal vorgesehen ist, das Schließelement von einem Aktuator verstellbar ist und der Aktuator mit dem Schließelement über eine mit dem Aktuator verbundene Regelstange und ein zwischen der Regelstange und dem Schließelement vorgesehenes, um eine Schwenkachse schwenkbares Führungselement verbunden ist, wobei das Fuhrungselement in seinem vom Schließelement abgelegenen Endbereich einen flach ausgebildeten Führungshebel aufweist, der Führungshebel in einen Schlitz der Regelstange eingesetzt ist und der Führungshebel mit der Regelstange fest verbunden ist.
Der Vorteil eines Abgasturboladers gemäß der Erfindung besteht darin, dass ein Toleranzausgleich sowohl in Längsrichtung der Regelstange als auch im rechten Winkel dazu, d. h. in Y-Richtung, in der die großte Toleranzkette vorliegt, erfolgen kann.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt
1 eine schematische Skizze zur Veranschaulichung des grundsatzlichen Aufbaus eines Abgasturboladers gemäß der Erfindung,
2 eine erste Skizze zur Veranschaulichung der Kopplung der Regelstange mit dem Fuhrungselement und
3 eine zweite Skizze zur Veranschaulichung der Kopplung der Regelstange mit dem Führungselement.
Funktionsgleiche Teile sind in den Figuren durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die 1 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung des grundsätzlichen Aufbaus eines Abgasturboladers gemäß der Erfindung. Dieser weist ein Verdichtergehäuse 1, ein Lagergehäuse 2 und ein Turbinengehäuse 3 auf. Im Turbinengehäuse 3 ist ein Wastegatekanal 3b vorgesehen, der mittels eines Schließelementes 3a verschließbar ist, wie es in der 1 durch einen Pfeil angedeutet ist. Die Verstellung des Schließelementes 3a erfolgt mittels eines Aktuators 6, der am Verdichtergehäuse 1 befestigt ist, vorzugsweise mit diesem verschraubt ist. Der Aktuator 6 steht über eine mit dem Aktuator fest verbundene Regelstange 5, die mit einem Fuhrungselement 4 gekoppelt ist, mit dem Schließelement 3a in Verbindung, um dieses je nach Bedarf mehr oder weniger weit zu öffnen bzw. zu schließen.
Um in der Verbindung zwischen dem Schließelement 3a des Wastegatekanals 3b und dem Aktuator 6 auftretende Fertigungs- und Montagetoleranzen auszugleichen, sind die Regelstange 5 und das mit der Regelstange gekoppelte Führungselement 4 in spezieller Weise ausgebildet, wie nachfolgend anhand der 2 und 3 erläutert wird.
Die 2 zeigt eine erste Skizze zur Veranschaulichung der Kopplung der Regelstange 5 mit dem Führungselement 4. Der 2 ist entnehmbar, dass das am Turbinengehäuse 3 um die Achse Y drehbar gelagerte Führungselement 4 in seinem vom Turbinengehäuse 3 abgelegenen Endbereich mit einem Führungshebel 7 verbunden ist. Dieser Führungshebel 7 reicht in einen in Radialrichtung durchgehenden Schlitz 5a der Regelstange 5 hinein. Der Schlitz 5a ist am vom Verdichtergehäuse 1 und dem Aktutor 6 abgelegenen Endbereich der Regelstange 5 vorgesehen, erstreckt sich in Längsrichtung 1 über einen Teil der Regelstange 5 und verläuft in Richtung der Schwenkachse Y des Führungselementes 4, d. h. in Y-Richtung über den gesamten Durchmesser d der Regelstange 5.
Beim Zusammenbau des Abgasturboladers wird das Schließelement 3a des Wastegatekanals in den geschlossenen Zustand gebracht und der Aktuator 6 in eine seiner Endpositionen gestellt. Dabei erfolgt ein Toleranzausgleich in Längsrichtung 1 der Regelstange 5 in dem Sinne, dass der Führungshebel 7 mehr oder weniger weit in Längsrichtung 1 der Regelstange 5 in den Schlitz 5a der Regelstange 5 geschoben wird.
Die 3 zeigt eine zweite Skizze zur Veranschaulichung der Kopplung der Regelstange 5 mit dem Führungselement 4, wobei die in der 3 gezeigte Darstellung einer um 90° gedrehten Darstellung der in 2 gezeigten Vorrichtung entspricht. Der 3 ist entnehmbar, dass das Führungselement 4 in seinem Endbereich mit einem flach ausgebildeten Führungshebel 7 verbunden ist, dessen Breite b großer ist als der Durchmesser d der Regelstange 5. In der 3 ragt der Führungshebel 7 oben und unten aus dem Schlitz 5a der Regelstange 5 heraus, in welchen er eingesetzt ist. Wie durch den Doppelpfeil auf der rechten Seite von 3 angedeutet ist, wird beim Zusammenbau des Abgasturboladers die relative Positionierung zwischen dem Führungshebel 7 und der Regelstange 5 in Richtung des Doppelpfeiles, d. h. in Richtung der in der 2 gezeigten Y-Achse, verandert. Dadurch werden Toleranzen in einer zur Längsrichtung 1 der Regelstange 5 senkrechten Richtung ausgeglichen, d. h. in Y-Richtung.
Ist der anhand der 2 und 3 beschriebene Toleranzausgleich erfolgt, dann werden die geschlitzte Regelstange 5 und der flache Fuhrungshebel 7 miteinander verschweißt. Dieser wiederum ist mit dem Fuhrungselement 4 drehbar verbunden. Das Führungselement 4 ist in seinem anderem Endbereich in das Turbinengehäuse 3 eingesetzt, wird im Falle einer Verstellung der Regelstange 5 relativ zum Turbinengehäuse verschwenkt und wirkt durch diese Verschwenkung auf das aus der 4 nicht ersichtliche Schließelement 3a ein, das den Wastegatekanal je nach Bedarf mehr oder weniger weit öffnet oder schließt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008011416 A1 [0012]
DE 102008045227 A1 [0014]

Claims

Abgasturbolader, der ein Verdichtergehäuse, ein Lagergehäuse und ein Turbinengehäuse aufweist, wobei im Turbinengehäuse ein mittels eines Schließelementes verschließbarer Wastegatekanal vorgesehen ist, das Schließelement von einem Aktuator verstellbar ist und der Aktuator mit dem Schließelement über eine mit dem Aktuator verbundene Regelstange und ein zwischen der Regelstange und dem Schließelement vorgesehenes, um eine Schwenkachse schwenkbares Führungselement verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Führungselement (4) in seinem vom Schließelement (3a) abgelegenen Endbereich mit einem flach ausgebildeten Führungshebel (7) verbunden ist, – der Führungshebel (7) in einen Schlitz (5a) der Regelstange (5) eingesetzt ist und – der Fuhrungshebel (7) mit der Regelstange (5) fest verbunden ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (5a) der Regelstange (5) in Richtung der Schwenkachse (Y) des Führungselementes (4) verläuft.
Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungshebel (7) mit der Regelstange (5) verschweißt ist.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (5a) der Regelstange (5) in Radialrichtung der Regelstange (5) durchgängig ist.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (5a) der Regelstange (5) in dem vom Aktuator (6) abgelegenen Endbereich der Regelstange (5) vorgesehen ist und sich in Längsrichtung (1) der Regelstange (5) über einen Teil der Länge der Regelstange (5) erstreckt.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b) des Führungshebels (7) großer ist als der Durchmesser (d) der Regelstange (5).
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (6) am Verdichtergehäuse (1) befestigt ist.