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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung zum Steuern eines Bypasses einer Turbine, insbesondere eines Abgasturboladers, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Wastegate-Ventil einer Turbine, insbesondere eines Abgasturboladers, mit einer derartigen Ventileinrichtung. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Turbine, insbesondere eines Abgasturboladers, mit einem derartigen Wastegate-Ventil. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung einen Abgasturbolader, insbesondere einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einer derartigen Turbine.
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Aus der
WO 2010/135104 A2 ist ein Abgasturbolader bekannt, dessen Turbine ein Wastegate-Ventil mit einer Ventileinrichtung zum Steuern eines Bypasses der Turbine aufweist. Der Bypass umgeht dabei ein Turbinenrad der Turbine. Durch Steuern des Bypasses, also durch Einstellen des durch den Bypass strömenden Abgases, kann die Leistung der Turbine und somit die Leistung des Abgasturboladers gesteuert werden.
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Die bekannte Ventileinrichtung umfasst einen Ventilteller zum Öffnen und Schließen einer von einem Ventilsitz eingefassten Bypassöffnung. Ferner umfasst die Ventileinrichtung eine Spindel zum Verschwenken des Ventiltellers um eine Spindelachse, um welche die Spindel verdrehbar gelagert ist. Zur Lagerung der Spindel ist eine Lagerbuchse vorgesehen, in welcher die Spindel um die Spindelachse drehbar gelagert ist.
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Aus Fertigungsgründen sind die einzelnen Komponenten der Ventileinrichtung mit Herstellungstoleranzen behaftet, die im montierten Zustand zu Spiel führen, was Relativbewegungen zwischen den einzelnen Komponenten der Ventileinrichtung ermöglicht. Bei geöffnetem Bypass, also bei vom Ventilsitz abgehobenem Ventilteller können Vibrationen und Schwingungen, die im Betrieb des Abgasturboladers entstehen, zu Relativbewegungen innerhalb der relativ zueinander beweglichen Komponenten der Ventileinrichtung führen, wodurch es zu einer störenden Geräuschentwicklung kommen kann.
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Zur Reduzierung dieser Geräusche wird bei der aus der vorstehend genannten
WO 2010/135104 A2 bekannten Ventileinrichtung zwischen dem Ventilteller und einem den Ventilteller haltenden Spindelarm der Spindel eine Scheibenfeder angeordnet, die den Ventilteller bezüglich einer Ventiltellerlängsmittelachse axial mit dem Spindelarm verspannt. Durch die Scheibenfeder kann somit axiales Spiel zwischen Ventilteller und Spindelarm eliminiert werden.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Ventileinrichtung der eingangs genannten Art bzw. für ein damit ausgestattetes Wastegate-Ventil bzw. für eine damit ausgestattete Turbine bzw. für einen damit ausgestatteten Abgasturbolader eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich durch eine Reduzierung der Geräuschentwicklung auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß 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, mit Hilfe eines Federelements den Ventilteller, die Spindel und die Lagerbuchse miteinander zu verspannen. Durch die Verspannung dieser drei Komponenten miteinander kann sämtliches Spiel innerhalb dieser drei Komponenten reduziert bzw. eliminiert werden. Insbesondere lassen sich dadurch auch unerwünschte, spielbedingte Relativbewegungen zwischen Spindel und Lagerbuchse reduzieren bzw. eliminieren. Während Drehbewegungen zwischen Spindel und Lagerbuchse um die Spindelachse erwünscht sind, sind insbesondere Axialbewegungen und Radialbewegungen bezüglich der Spindelachse zwischen Spindel und Lagerbuchse unerwünscht.
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Um die drei Komponenten miteinander in der gewünschten Weise verspannen zu können, ist das Federelement zweckmäßig einerseits am Ventilteller und andererseits an der Lagerbuchse abgestützt. Insbesondere ist das Federelement ohne Kontakt zur Spindel.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher das Federelement eine parallel und/oder quer zur Spindelachse orientierte Vorspannkraft in den Ventilteller und in die Lagerbuchse einleitet. Hierdurch lassen sich zwischen Spindel und Lagerbuchse Radialspiel und/oder Axialspiel eliminieren.
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Zweckmäßig kann das Federelement eine den Ventilteller von der Lagerbuchse weg antreibende Vorspannkraft erzeugen. Insbesondere kann das Federelement den Ventilteller bezüglich der Spindelachse axial, also linear antreiben. Zusätzlich oder alternativ kann das Federelement den Ventilteller bezüglich der Spindelachse drehend, also in Umfangsrichtung antreiben. Auf diese Weise lässt sich das Spiel zwischen Ventilteller und Spindel, insbesondere zwischen Ventilteller und einem den Ventilteller haltenden Spindelarm der Spindel reduzieren bzw. eliminieren.
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Entsprechend einer besonders einfachen Ausführungsform kann das Federelement als gebogener Federstab ausgestaltet sein. Beispielsweise handelt es sich hierbei um eine Formfeder, die dreidimensional vorgeformt ist, um im montierten Zustand die gewünschte Orientierung der jeweiligen Vorspannung realisieren zu können.
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Zweckmäßig kann das Federelement am Ventilteller lose anliegen. Beispielsweise kann am Ventilteller eine hierzu geeignete Aufnahmekontur vorgesehen sein. Insbesondere kann es sich bei dieser Aufnahmekontur um eine am Ventilteller ohnehin vorhandene Drehsicherung handeln, die sich an einer Außenseite des vorstehend genannten Spindelarms abstützt, um eine Verdrehung des Ventiltellers gegenüber dem Spindelarm zu vermeiden.
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Alternativ kann das Federelement am Ventilteller befestigt sein. Beispielsweise kann das Federelement an den Ventilteller angeschweißt sein. Eine geeignete Schweißstelle kann wieder die vorstehend genannte Drehsicherung bilden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Federelement an der Lagerbuchse lose anliegen. Beispielsweise kann die Lagerbuchse hierzu an ihrer Außenseite eine Aufnahmekontur aufweisen, in welche das Federelement eingesetzt ist. Die Aufnahmekontur kann beispielsweise durch eine Außennut gebildet sein, die sich zumindest über einen Umfangsabschnitt erstreckt, vorzugsweise jedoch geschlossen umlaufend ausgestaltet sein kann.
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Alternativ ist es auch hier möglich, das Federelement an der Lagerbuchse zu befestigen, beispielsweise mittels einer Schweißverbindung. Falls das Federelement sowohl am Ventilteller als auch an der Lagerbuchse lose anliegt, vereinfacht sich die Montage, da keine Fixierungen vorgesehen werden müssen.
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Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Federelement darüber hinaus als Drehsicherung ausgestaltet sein, die ein freies Verdrehen des Ventiltellers um eine Ventiltellerlängsmittelachse relativ zur Spindel verhindert. In diesem Fall kann auf eine vorstehend genannte, am Ventilteller ausgebildete Drehsicherung verzichtet werden. Insbesondere lässt sich der Ventilteller dadurch bezüglich seiner Längsmittelachse rotationssymmetrisch gestalten, wodurch sich der Ventilteller dadurch preiswerter herstellen lässt.
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Ein erfindunsgemäßes Wastegate-Ventil ist mit einer Ventileinrichtung der vorstehenden beschriebenen Art ausgestattet und zeichnet sich dementsprechend durch eine reduzierte Geräuschentwicklung aus. Entsprechendes gilt für eine erfindungsgemäße Turbine, die mit einem Wastegate-Ventil der vorstehenden Art versehen ist, bzw. für einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader, der mit einer Turbine der vorstehenden Art ausgestattet ist.
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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 stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Abgasturboladers mit Wastegate-Ventil und Ventileinrichtung,
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2 eine isometrische Ansicht der Ventileinrichtung,
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3 eine vergrößerte isometrische Ansicht der Ventileinrichtung, jedoch bei einer anderen Ausführungsform.
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Entsprechend 1 umfasst ein Abgasturbolader 1 einen Verdichter 2 mit Verdichterrad 3 und eine Turbine 4 mit Turbinenrad 5, wobei das Turbinenrad 5 mit dem Verdichterrad 3 über eine gemeinsame Welle 6 drehfest verbunden ist. Die Turbine 4 besitzt einen Bypass 7, der das Turbinenrad 5 umgeht. Mit Hilfe eines Wastegate-Ventils 8 lässt sich der Bypass 7 steuern, um so die Leistung der Turbine 4 bzw. des Abgasturboladers 1 steuern zu können. Das Wastegate-Ventil 8 umfasst hierzu eine Ventileinrichtung 9 und eine Betätigungseinrichtung 10. Die Ventileinrichtung 9 bewirkt die Steuerung des Bypasses 7. Die Betätigungseinrichtung 10 ermöglicht die Betätigung der Ventileinrichtung 9. Die Betätigungseinrichtung 10 umfasst beispielsweise einen Stellantrieb 11, zum Beispiel Elektromotor oder eine Druckdose, der eine Betätigungsstange 12 bidirektional antreibt, um einen Antriebshebel 13 zu verschwenken. Der Antriebshebel 13 ist mit der Ventileinrichtung 9 gekoppelt. Die Ventileinrichtung 9 umfasst gemäß den 1–3 eine Spindel 14, die um eine Spindelachse 15 drehbar gelagert ist und die drehfest mit dem Antriebshebel 13 verbunden ist. Die Ventileinrichtung 9 umfasst ferner einen Ventilteller 16, der zum Steuern des Bypasses 7 mit einem Ventilsitz 17 zusammenwirkt, der eine Bypassöffnung 18 des Bypasses 7 einfasst. Sitzt der Ventilteller 16 auf den Ventilsitz 17 auf, verschließt er die Bypassöffnung 18. Hebt der Ventilteller 16 vom Ventilsitz 17 ab, gibt er die Bypassöffnung 18 mehr oder weniger frei.
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Entsprechend den 2 und 3 umfasst die Ventileinrichtung 9 außerdem eine Lagerbuchse 19, in welcher die Spindel 14 um die Spindelachse 15 drehbar gelagert ist. Im montierten Zustand ist die Lagerbuchse 19 in ein Turbinengehäuse 20, welches die Bypassöffnung 18 und den Ventilsitz 17 aufweist, eingesetzt, insbesondere eingepresst. Hierdurch lässt sich die Spindel 14 um die Spindelachse 15 verdrehen. Der Ventilteller 16 ist mit der Spindel 14 verbunden, so dass ein Verdrehen der Spindel 14 um die Spindelachse 15 gleichzeitig ein Verschwenken des Ventiltellers 16 ebenfalls um die Spindelachse 15 bewirkt. Die Spindel 14 besitzt zweckmäßig einen Spindelarm 21, der seitlich von der Spindel 14, insbesondere radial zur Spindelachse 15, absteht. Der Ventilteller 16 ist am Spindelarm 21 befestigt. Der Spindelarm 21 ist vorzugsweise integral an der Spindel 14 ausgeformt. Der Ventilteller 16 ist bezüglich der Spindelachse 15 exzentrisch mit der Spindel 14 verbunden.
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Die Ventileinrichtung 9 umfasst außerdem ein Federelement 22, mit dessen Hilfe zwischen Ventilteller 16, Spindel 14 und Lagerbuchse 19 eine Verspannung erzeugt werden kann. Zu diesem Zweck stützt sich das Federelement 22 einerseits am Ventilteller 16 und andererseits an der Lagerbuchse 19 ab. Hierzu besitzt die Lagerbuchse 19 einen dem Spindelarm 21 zugewandten axialen Endbereich 23, der in den 2 und 3 durch eine geschweifte Klammer gekennzeichnet ist. Mit diesem Endabschnitt 23 steht die Lagerbuchse 19 im Abgasbereich über eine Wand des Turbinengehäuses 20 vor.
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Erkennbar besitzt das Federelement 22 somit keinen Kontakt zur Spindel 14.
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Das Federelement 22 ist bei den hier gezeigten Ausführungsformen als gebogener Federstab ausgestaltet, also als Formfeder konzipiert. Das Federelement 22 kann eine parallel zur Spindelachse 15, also axial wirkende Vorspannkraft und eine quer zur Spindelachse 15 orientierte Vorspannkraft sowie eine in Umfangsrichtung orientierte Vorspannkraft, also ein Drehmoment zwischen Lagerbuchse 19 und Ventilteller 16 erzeugen. Über die Fixierung des Ventiltellers 16 an der Spindel 14 und über die Lagerung der Spindel 16 in der Lagerbuchse 19 wirken diese Vorspannkräfte auch an der Spindel 14. Die Orientierung der Vorspannkraft kann ferner so gewählt sein, dass der Ventilteller 16 von der Lagerbuchse 19 weg angetrieben ist.
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Zweckmäßig kann das Federelement 22 am Ventilteller 16 lose anliegen. Eine spezielle Fixierung zwischen Ventilteller 16 und Federelement 22 ist dann nicht vorgesehen. Im Beispiel der 2 und 3 ist das Federelement 22 an einer Drehsicherung 24 des Ventiltellers 16 abgestützt. Diese Drehsicherung 24 stützt sich ihrerseits an einem Rand 25 des Spindelarms 21 ab, um den Ventilteller 16 bezüglich einer Ventiltellerlängsmittelachse 26 drehfest am Spindelarm 21 zu halten.
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Bei einer alternativen Ausführungsform kann das Federelement 22 auch am Ventilteller 16 befestigt sein. Geeignete Befestigungsmaßnahmen sind beispielsweise eine Schweißverbindung. Sofern eine Fixierung zwischen Federelement 22 und Ventilteller 16 vorgesehen ist, kann auf die vorstehend genannte Drehsicherung 24 verzichtet werden.
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Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform liegt das Federelement 22 an der Lagerbuchse 19 lose an. In diesem Fall weist die Lagerbuchse 19 in ihrem Endbereich 23 an ihrer Außenseite eine Aufnahmekontur 27 auf, die hier als ringförmig umlaufende Außennut ausgestaltet ist. In die Aufnahmekontur 27 ist das Federelement 22 eingesetzt. Dabei umschlingt das Federelement 22 die Lagerbuchse 19 hier um mehr als 180°.
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3 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei welcher das Federelement 22 an der Lagerbuchse 19 befestigt ist. Beispielsweise kann eine Schweißverbindung 28 vorgesehen sein, um das Federelement 22 an der Lagerbuchse 19 zu fixieren.
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In diesem Fall dient das Federelement 22 zusätzlich als Drehsicherung, die ein freies Verdrehen des Ventiltellers 16 um die Ventiltellerlängsmittelachse 26 relativ zur Spindel 14 verhindert.
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Zur Befestigung des Ventiltellers 16 an der Spindel 14 weist der Ventilteller 16 einen Dorn 29 auf, der an einer vom Ventilsitz 17 abgewandten Seite vom Ventilteller 16 absteht und insbesondere integral am Ventilteller 16 ausgeformt ist. Der Dorn 29 ist dabei konzentrisch zum Ventilteller 16 angeordnet, so dass eine Dornlängsmittelachse mit der Längsmittelachse 26 des Ventiltellers 16 zusammenfällt. Im Beispiel durchsetzt der Dorn 29 den Spindelarm 21 und ein Unterlegelement 30, das an einer vom Ventilteller 16 abgewandten Seite des Spindelarms 21 angeordnet ist. Der Dorn 29 ist an einer vom Ventilteller 16 abgewandten Seite des Unterlegelements 30 mit einer Verbreiterung bzw. mit einem verbreiterten Kopf 31 ausgestattetes, was beispielsweise im Rahmen eines Nietvorgangs realisierbar ist. Hierdurch wird der Ventilteller 16 unlösbar mit der Spindel 14 verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/135104 A2 [0002, 0005]
