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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbine eines Abgasturboladers mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus der
WO 2010/135104 A2 ist ein Abgasturbolader bekannt, dessen Turbine ein Gehäuse aufweist, in dem ein Turbinenrad angeordnet ist. Ferner ist das Gehäuse mit einem Wastegate, also mit einem Umgehungspfad oder Bypass zur Umgehung des Turbinenrads ausgestattet, wobei ein Wastegateventil zum Steuern des Wastegates vorgesehen ist. Das Wastegateventil umfasst dabei ein Ventilglied, das mit einem am Gehäuse ausgebildeten Ventilsitz zusammenwirkt. Ferner umfasst das Wastegateventil eine mit dem Ventilglied verbundene Antriebswelle, einen mit einem Stellantrieb verbundenen und mit der Antriebswelle drehfest verbundenen Antriebshebel und eine Vorspannfeder. Bei der bekannten Turbine ist die Vorspannfeder in das Ventilglied integriert, und zwar zwischen einem Schwenkarm, der drehfest mit der Antriebswelle verbunden ist, und einem Ventilteller, der letztlich zum Verschließen des Wastegates am Ventilsitz zur Anlage kommt. Der Ventilteller ist dabei beweglich am Schwenkarm gehalten, wobei die Vorspannfeder in diese Halterung so integriert ist, dass der Ventilteller in eine definierte Relativlage gegenüber dem Schwenkarm vorgespannt ist. Hierdurch können Relativbewegungen zwischen Ventilteller und Schwenkarm vermieden werden, die aufgrund von Schwingungen innerhalb der Turbine zu einer Geräuschentwicklung führen können.
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Es hat sich jedoch gezeigt, dass im Betrieb einer derartigen Turbine weitere Geräuschquellen im Bereich des Wastegates existieren, die sich insbesondere auf Spiel innerhalb der beweglichen Komponenten zurückführen lassen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Turbine der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass die Gefahr einer unerwünschten Geräuschentwicklung reduziert ist. Gleichzeitig soll eine möglichst preiswerte Bauweise realisiert werden.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Vorspannfeder so anzuordnen, dass sie einerseits relativ zum Gehäuse abgestützt ist und andererseits am Ventilglied oder am Antriebshebel abgestützt ist. Durch die Abstützung der Vorspannfeder am Ventilglied kann bei geöffnetem Wastegateventil sämtliches Spiel aus der Kette Ventilglied, Antriebswelle, Buchse und Gehäuse eliminiert oder zumindest reduziert werden. Durch die Abstützung des Ventilglieds am Antriebshebel lässt sich bei geschlossenem Wastegateventil sämtliches Spiel aus der Kette Ventilglied, Antriebswelle, Buchse, Antriebshebel und Gehäuse eliminieren oder zumindest reduzieren. Da bei jeder Variante aus einer ganzen Kette das Spiel eliminiert werden kann, vereinfacht sich die Herstellung, da beispielsweise größere Toleranzen verwendet werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform können zwei Vorspannfedern vorgesehen sein, von denen die eine am Ventilglied abgestützt ist, während die andere am Antriebshebel abgestützt ist. Insbesondere ist dadurch möglich, die eine Vorspannfeder zur Eliminierung des Spiels beim Öffnen des Wastegates zu verwenden, während die andere Vorspannfeder weitgehend zum Eliminieren des Spiels beim Schließen des Wastegates verwendet werden kann.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann die am Ventilglied abgestützte Vorspannfeder als Stabfeder ausgestaltet sein, die sich in der Schließstellung des Ventilglieds gebogen erstreckt. Die Stabfeder ist dabei zweckmäßig so konzipiert, dass sie in einem unbelasteten Zustand, also im ausgebauten Zustand eine gerade Form besitzt. Ebenso ist es grundsätzlich möglich, die Stabfeder vorgebogen herzustellen.
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Die am Ventilglied abgestützte Vorspannfeder kann das Ventilglied in Richtung des Ventilsitzes vorspannen. Das bedeutet, dass das Ventilglied beim Öffnen des Wastegates gegen die Vorspannfeder arbeitet, so dass beim öffnen des Ventilglieds aus dem gesamten Antriebsstrang das Spiel eliminiert werden kann. Alternativ kann die Vorspannfeder das Ventilglied in der Gegenrichtung, also vom Ventilsitz weggerichtet vorspannen, z. B. gegen den Schwenkarm. Beim öffnen des Wastegateventils kann hierdurch ein verbessertes Ansprechverhalten bzw. eine verbesserte Regelung erreicht werden.
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Das Ventilglied kann einen Ventilteller aufweisen und über einen Schwenkarm mit der Antriebswelle antriebsverbunden sein. Die Vorspannfeder stützt sich bevorzugt am Ventilteller ab, so dass auch ein gegebenenfalls zwischen Ventilteller und Schwenkarm vorhandenes Spiel eliminiert werden kann.
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Die am Antriebshebel abgestützte Vorspannfeder kann den Antriebshebel gemäß einer bevorzugten Ausführungsform axial vorspannen. Somit lässt sich insbesondere auch im Bereich der Antriebswelle und der Buchse Axialspiel aus dem Antriebsstrang zum Antreiben des Ventilglieds herausnehmen.
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Besonders zweckmäßig ist eine Ausführungsform, bei der die am Antriebshebel abgestützte Vorspannfeder den Antriebshebel zum Verstellen des Ventilglieds in Richtung Ventilsitz vorspannt. Bei dieser Ausführungsform wird dafür gesorgt, dass in der Schließstellung des Ventilglieds sämtliches Spiel eliminiert ist.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Vorspannfeder unmittelbar am Gehäuse der Turbine abgestützt ist. Alternativ ist es ebenso möglich, die Vorspannfeder an einem Träger abzustützen, der ortsfest zum Turbinengehäuse angeordnet ist und der beispielsweise zum Befestigen des Stellantriebs dient. Ein derartiger Träger kann beispielsweise am Gehäuse eines Verdichters des Abgasturboladers angeordnet sein oder daran integral ausgeformt sein. Ebenso kann ein derartiger Träger beispielsweise an einem Lagergehäuse des Abgasturboladers ausgebildet sein, das sich zwischen dem Turbinengehäuse und dem Verdichtergehäuse befindet.
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Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann die Vorspannfeder an einem Lagergehäuse des Abgasturboladers abgestützt sein, das fest mit dem Turbinengehäuse verbunden ist. Ebenso ist es möglich, die Vorspannfeder an einem Verdichtergehäuse des Abgasturboladers abzustützen, das über das Lagergehäuse fest mit dem Turbinengehäuse verbunden ist.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann die Antriebswelle an ihrem dem Ventilglied zugeordneten Seite einen radial abstehenden Schwenkarm als integralen Bestandteil aufweisen, so dass Schwenkarm und Antriebswelle aus einem Stück hergestellt sind. Hierdurch entfällt jegliches Spiel zwischen Schwenkarm und Antriebswelle, das bei einer zweiteiligen Ausführungsform auftreten kann.
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An der Antriebswelle kann optional ein Axialanschlag ausgebildet sein, insbesondere integral ausgeformt sein, mit dessen Hilfe in einer Axialrichtung eine vorbestimmte Relativlage zwischen Antriebswelle und Buchse definiert ist. Insbesondere kann durch die vorstehend genannte axiale Vorspannung erreicht werden, dass die Antriebswelle über ihren Axialanschlag an der Buchse axial anliegt, wodurch die vorbestimmte Relativlage eingehalten werden kann und wodurch Axialspiel aus dem Antriebsstrang herausgenommen werden kann.
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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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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Seitenansicht eines Abgasturboladers,
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2 eine um 90° gedrehte Seitenansicht des Abgasturboladers entsprechend einer Blickrichtung II in 1,
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3 eine Schnittansicht des Abgasturboladers im Bereich eines Wastegateventils,
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4 eine isometrische Ansicht des Abgasturboladers im Bereich des Wastegateventils.
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Entsprechend den 1 und 2 umfasst ein Abgasturbolader 1 eine Turbine 2, die in einem Turbinengehäuse 3 ein in 1 mit unterbrochener Linie angedeutetes Turbinenrad 4 enthält, einen Verdichter 5, der in einem Verdichtergehäuse 6 ein in 1 mit unterbrochener Linie angedeutetes Verdichterrad 7 enthält, und eine Lagereinrichtung 8, die in einem Lagergehäuse 9 eine in 1 mit unterbrochener Linie angedeutete Rotorwelle 10 lagert, welche das Turbinenrad 4 mit dem Verdichterrad 7 drehfest verbindet. Das Lagergehäuse 9 ist dabei an das Turbinengehäuse 3 angebaut und das Verdichtergehäuse 6 ist an das Lagergehäuse 9 angebaut, so dass sich das Lagergehäuse 9 zwischen dem Verdichtergehäuse 6 und dem Turbinengehäuse 3 befindet.
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Die Turbine 2 weist einen Bypass 11 zur Umgehung des Turbinenrads 4 auf, der im Folgenden auch als Wastegate 11 bezeichnet wird. Zum Steuern des Wastegates 11 ist ein Wastegateventil 12 vorgesehen, das auch als Bypassventil 12 bezeichnet werden kann. Zum Betätigen des Wastegateventils 12 ist ein Stellantrieb 13 vorgesehen, der außen am Abgasturbolader 1 angebracht ist und beispielsweise einen Elektromotor oder einen pneumatisch oder hydraulisch arbeitenden Motor aufweist. Der Stellantrieb 13 ist über eine Betätigungsstange 14 mit dem Wastegateventil 12 antriebsverbunden.
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Das Wastegateventil 12 weist einen Antriebshebel 15 auf, der mit dem Stellantrieb 13 bzw. mit dessen Betätigungsstange 14 antriebsverbunden ist. Die jeweilige Antriebsverbindung ist beispielsweise bezüglich einer Schwenkachse 16 gelenkig ausgestaltet. Das Wastegateventil 12 umfasst gemäß 3 außerdem eine Antriebswelle 17, die drehfest mit dem Antriebshebel 15 verbunden ist. Die Antriebswelle 17 ist durch eine Gehäuseöffnung 18 durch eine Wand des Turbinengehäuses 3 hindurchgeführt. Zur Lagerung der Antriebswelle 17 ist eine Buchse 19 vorgesehen, die in die Öffnung 18 eingesetzt ist. Die Antriebswelle 17 durchsetzt die Buchse 19 koaxial und ist darin um eine Drehachse 20 drehbar gelagert. Die Antriebswelle 17 ist nun mit einem Ventilglied 21 antriebsverbunden, das mit einem am Gehäuse 3 ausgebildeten Ventilsitz 22 zusammenwirkt. Der Ventilsitz 22 umschließt das Wastegate 12, also eine den Umgehungspfad bildende hier verdeckte Öffnung im Turbinengehäuse 3, welche die Umgehung des Turbinenrads 4 ermöglicht.
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Im Beispiel ist das Ventilglied 21 durch einen Ventilteller 23 gebildet, der komplementär zum Ventilsitz 22 geformt ist und der an einem Schwenkarm 24 befestigt ist. Im Beispiel ist der Schwenkarm 24 integral an der Antriebswelle 1 ausgeformt. Der Ventilteller 23 besitzt einen zylindrischen Schaft 25, der integral am Ventilteller 23 ausgeformt ist und der eine entsprechende, hier nicht gezeigte Öffnung des Schwenkarms 24 durchsetzt. Hierdurch ist es möglich, den Ventilteller 23 mit Hilfe einer Scheibe 26 am Schwenkarm 24 zu fixieren, die sich am Ventilschaft 25 abstützt. Am Ventilteller 23 ist ein Steg 27 integral ausgeformt, der zur Positionierung des Ventiltellers 23 relativ zum Schwenkarm 24 unmittelbar mit einem Seitenrand 28 des Schwenkarms 24 zusammenwirkt. Hierdurch kann eine vorgegebene Drehlage für den Ventilteller 23 definiert werden.
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An der Antriebswelle 17 ist im gezeigten Beispiel außerdem ein Axialanschlag 29 integral ausgeformt, beispielsweise in Form eines sich in der Umfangsrichtung erstreckenden Bunds.
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Das hier vorgestellte Wastegateventil 12 ist außerdem mit wenigstens einer Vorspannfeder 30 ausgestattet. 1 zeigt dabei eine Vorspannfeder 30a, 2 zeigt eine Vorspannfeder 30b und 4 zeigt eine Vorspannfeder 30c. Die jeweilige Vorspannfeder 30 ist einerseits relativ zum Turbinengehäuse 3 abgestützt und andererseits am Ventilglied 21 oder am Antriebshebel 15 abgestützt. Die Vorspannfedern 30a und 30b der 1 und 2 sind am Antriebshebel 15 abgestützt. Die Vorspannfeder 30c aus 4 ist am Ventilglied 21 abgestützt.
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Grundsätzlich ist auch eine Ausführungsform denkbar, bei der zumindest zwei Vorspannfedern 30 vorgesehen sind. Dabei kann die eine Vorspannfeder 30c am Ventilglied 21 abgestützt sein, während die andere Vorspannfeder 30a oder 30b am Antriebshebel 15 abgestützt ist. Grundsätzlich lassen sich auch die beiden in den 1 und 2 gezeigten Vorspannfedern 30a und 30b miteinander kombinieren.
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Darüber hinaus ist optional denkbar, die Ringscheibe 26, welche über den Ventilschaft 25 den Ventilteller 23 am Schwenkarm 24 abstützt, als weitere Vorspannfeder auszugestalten, um den Ventilteller 23 in Richtung Schwenkarm 24 oder in Richtung Ventilsitz 22 vorgespannt am Schwenkarm 24 abzustützen.
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Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform ist die Vorspannfeder 30c als Stabfeder ausgestaltet. Sie ist dabei so angeordnet, dass sie sich in der gezeigten Schließstellung des Ventilglieds 21 gebogen erstreckt. Die Vorspannfeder 30c kann dabei so konfektioniert sein, dass sie sich im unbelasteten Zustand bzw. im ausgebauten Zustand geradlinig erstreckt. Ebenso kann sie für den ausgebauten Zustand bereits vorgebogen sein, was die Montage erleichtert. Alternativ kann die Vorspannfeder 30c z. B. auch als Schraubendruckfeder oder als Schenkelfeder oder als Blattfeder ausgestaltet sein.
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Zweckmäßig ist diese am Ventilglied 21 abgestützte Vorspannfeder 30c so angeordnet, dass sie das Ventilglied 21 in Richtung Ventilsitz 22 vorspannt. Im Beispiel stützt sich besagte Vorspannfeder 30c unmittelbar am Ventilteller 23 ab und drückt diesen in Richtung Ventilsitz 22.
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In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Vorspannfeder 30b so angeordnet bzw. ausgestaltet, dass sie den Antriebshebel 15 bezüglich seiner Schwenkachse 20 axial vorspannt. Hierdurch kann Axialspiel aus dem Antriebsstrang zur Betätigung des Ventilglieds 21 herausgenommen werden. Insbesondere lässt sich dadurch die Antriebswelle 17 mit ihrem Axialanschlag 29 gegen die Buchse 19 antreiben bzw. vorspannen.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Vorspannfeder 30a so positioniert, dass sie den Antriebshebel 15 für eine Verstellung des Ventilglieds 21 in Richtung Ventilsitz 22 vorspannt. Die Vorspannfeder 30a treibt somit den Antriebshebel 15 in die Schließrichtung an.
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Bei den Ausführungsformen der 2 und 4 ist die jeweilige Vorspannfeder 30b, 30c unmittelbar am Turbinengehäuse 3 abgestützt. Im Unterschied dazu ist bei der in 1 gezeigten Ausführungsform die Vorspannfeder 30a an einem Träger 31 des Stellantriebs 13 abgestützt. Dieser Träger 31 ist in gezeigtem Beispiel integral am Verdichtergehäuse 6 ausgeformt. Somit ist besagte Vorspannfeder 30a in diesem Beispiel mittelbar am Verdichtergehäuse 6 abgestützt. Ebenso ist es grundsätzlich möglich, diese Vorspannfeder 30a ebenfalls am Turbinengehäuse 3 oder aber am Lagergehäuse 9 abzustützen.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform kann es sich bei der Vorspannfeder 30a um eine einfache Zugfeder, insbesondere um eine Schraubenzugfeder handeln. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform kann es sich bei der Vorspannfeder 30b um eine Schenkelfeder oder Blattfeder handeln. Die in 4 gezeigte Stabfeder der Vorspannfeder 30c kann an ihren Enden über buchsenförmige Aufnahmen 32 besonders einfach montiert werden, wobei je eine solche Aufnahme 32 am Turbinengehäuse 3 und am Ventilglied 21 bzw. am Ventilteller 23 ausgeformt sein kann. Beispielsweise kann eine derartige Aufnahme 32 im Bereich des Stegs 27 am Ventilteller 23 ausgeformt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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