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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einer verstellbaren Einrichtung und einem über eine Wirkverbindung mit der Einrichtung wirkverbundenen Aktuator, insbesondere zum Einstellen eines Durchströmungsquerschnitts, wobei in der Wirkverbindung wenigstens ein Gelenk zur schwenkbeweglichen Verbindung eines ersten Gelenkelements mit einem zweiten Gelenkelement vorgesehen ist, und wobei das erste Gelenkelement einen Eingriffsbereich und das zweite Gelenkelement eine den Eingriffsbereich aufnehmende Gelenkaufnahme aufweist.
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Der Abgasturbolader ist beispielsweise einer Brennkraftmaschine zugeordnet. Selbstverständlich kann er jedoch auch in anderen Einsatzgebieten Anwendung finden. Der Abgasturbolader weist eine Turbine sowie einen Verdichter auf. Dem Abgasturbolader beziehungsweise seiner Turbine wird Abgas, insbesondere Abgas der Brennkraftmaschine, zugeführt. Mittels der Turbine wird dem Abgas üblicherweise zunächst Enthalpie entnommen und in Strömungsenergie umgewandelt. Diese Strömungsenergie wird nachfolgend in Rotationsenergie umgesetzt. Die dem Abgas mittels der Turbine entnommene Energie wird zum Antreiben des Verdichters verwendet. Dieser dient zum Verdichten von Luft, insbesondere Frischluft, aus einer Umgebung des Abgasturboladers, welche nachfolgend der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Auf diese Weise kann die Leistungsdichte und/oder die Effizienz der Brennkraftmaschine deutlich verbessert werden.
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Jedoch ist der Betrieb des Abgasturboladers nicht in jedem Betriebszustand der Brennkraftmaschine mit denselben Betriebsparametern sinnvoll. Aus diesem Grund ist das Wastegate als verstellbare Einrichtung vorgesehen, mittels welchem Abgas stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasturbolader entnommen und um die Turbine herumgeführt werden kann. Dem Wastegate ist beispielsweise eine Wastegateklappe zugeordnet, mittels welcher der Durchströmungsquerschnitt des Wastegates einstellbar ist. Soll das gesamte dem Abgasturbolader zugeführte Abgas die Turbine durchströmen beziehungsweise überströmen, so wird das Wastegate mittels der Wastegateklappe verschlossen. Soll dagegen ein großer Teil des Abgases um die Turbine herumgeführt werden, so wird die Wastegateklappe derart angeordnet, dass das Wastegate vollständig oder zumindest teilweise freigegeben ist. Zum Verstellen der verstellbaren Einrichtung, insbesondere zum Verlagern der Wastegateklappe, ist die Wirkverbindung vorgesehen. In dieser liegt das wenigstens eine Gelenk vor, welches ein Verschwenken eines ersten Gelenkelements bezüglich eines zweiten Gelenkelements zulässt. Alternativ kann die verstellbare Einrichtung auch eine Leitschaufeleinrichtung mit einer oder mehreren über die Wirkverbindung verstellbaren Leitschaufeln sein.
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Das erste Gelenkelement ist dabei beispielsweise auf der der verstellbaren Einrichtung zugewandten Seite des Gelenks und das zweite Gelenkelement auf der dem Aktuator, beispielsweise also einem Wastegateaktuator oder einem VTG-Aktuator (VTG: variable Turbinengeometrie) zugewandten Seite angeordnet. Das erste Gelenkelement verfügt nun über den Eingriffsbereich, während das zweite Gelenkelement die Gelenkaufnahme aufweist. Die Wirkverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Gelenkelement und mithin zwischen der verstellbaren Einrichtung und dem Aktuator wird durch das Eingreifen des Eingriffsbereichs in die Gelenkaufnahme hergestellt. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Abgasturboladern ist das Gelenk, insbesondere bedingt durch die an dem Abgasturbolader vorliegenden hohen Temperaturen von mehr als 600°C, vergleichsweise anfällig.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift
FR 2 823 795 A1 bekannt. Diese beschreibt eine Vorrichtung zur Verbindung einer Druckschalterstange mit einer Steuerung für ein Turbolader-Gasauslassventil bestehend aus einem Drehring und einem kippbaren Kugelgelenk.
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Außerdem zeigt die Druckschrift
DE 10 2010 047 464 A1 Befestigungsanordnungen eines Aktuators an einer schwingungsbelasteten Komponente mit einem Halteelement, welches fest mit der schwingungsbelasteten Komponente verbunden ist, einen Aktuator mit einem Aktuatorgehäuse, eine Schraube oder einem Bolzen zur Verbindung zwischen Halteelement und Aktuator und einem Dämpfungselement, welches in der Schwingungsübertragungskette zwischen dem Halteelement und dem Aktuatorgehäuse angeordnet ist.
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Die Druckschrift
DE 102 19 268 C1 beschreibt eine Drosselklappeneinheit für den Einsatz in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, umfassend ein Klappengehäuse, eine darin um eine Achse drehbar gelagerte Welle mit einem Verschlusselement, eine Unterdruckdose mit einer Membran sowie eine der Umsetzung der Hubbewegung der Membran in eine Drehbewegung der Welle dienende Koppeleinrichtung, wobei eine die Drehbewegung der Welle in der Klappenstellung „offen“ begrenzende Anschlageinrichtung vorgesehen ist.
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Zudem zeigt die Druckschrift
DE 197 01 178 A1 einen Lagerring, insbesondere für den Maschinen- und Fahrzeugbau, der eine innere und eine äußere Lagerschale aufweist, die mit radialem Abstand zueinander angeordnet sind und in deren so gebildetem Zwischenraum ein die beiden Lagerschalen drehfest verbindendes Element angeordnet ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Abgasturbolader vorzustellen, welche den eingangs genannten Nachteil nicht aufweist, sondern insbesondere auch bei hohen Umgebungstemperaturen eine hohe Dauerfestigkeit aufweist.
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Dies wird mit einem Abgasturbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erzielt. Dabei ist vorgesehen, dass das erste Gelenkelement vollständig aus einem Metalldrahtgestrick besteht und der Eingriffsbereich ellipsoidförmig oder ellipsoidschichtförmig ist, wobei das Metalldrahtgestrick definiert vorgespannt ist, um ein Spiel zwischen den Gelenkelementen zu definieren und eine gewünschte Reibung gezielt einzustellen. Der Eingriffsbereich und die Gelenkaufnahme sind dem Gelenk des Abgasturboladers zugeordnet. Das Gelenk erlaubt ein Verlagern beziehungsweise Verschwenken des zweiten Gelenkelements bezüglich des ersten Gelenkelements und umgekehrt in verschiedene Schwenkstellungen, welche in einem bestimmten Schwenkbereich liegen. Die Gesamtheit der von dem Gelenk zugelassenen Schwenkstellungen bildet dabei den Schwenkbereich aus. Es ist nun vorgesehen, dass in zumindest einer der Schwenkstellungen, bevorzugt in allen Schwenkstellungen, also über den gesamten Schwenkbereich hinweg, der Eingriffsbereich lediglich über das Metalldrahtgestrick mit der Gelenkaufnahme beziehungsweise dem zweiten Gelenkelement in Verbindung steht. Es liegt also in diesem Fall keine unmittelbare Verbindung beziehungsweise kein unmittelbarer Berührkontakt zwischen dem Eingriffsbereich des ersten Gelenkelements und dem zweiten Gelenkelement vor.
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Das Gelenkelement besteht aus einem Metalldrahtgestrick. Das Metalldrahtgestrick besteht insbesondere aus mehreren metallischen Drähten, welche unter Ausbildung von Maschen schlingenförmig ineinandergreifen. Beispielsweise wird das Metalldrahtgestrick in einem Rundstrickverfahren hergestellt. Das Metalldrahtgestrick kann verdichtet sein, um die gewünschten Festigkeitseigenschaften zu erreichen. Anstelle eines Metalldrahtgestricks kann beispielsweise auch ein Metalldrahtgeflecht eingesetzt werden. Der für das Zwischenelement verwendete Metalldraht ist bevorzugt hochtemperaturfest, also auch bei Temperaturen von mindestens 600°C ausreichend belastbar.
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Bei dem Herstellen des Abgasturboladers beziehungsweise des Gelenks wird das Metalldrahtgestrick definiert vorgespannt, beispielsweise formschlüssig und/oder kraftschlüssig, um ein Spiel zwischen dem ersten Gelenkelement und dem zweiten Gelenkelement zumindest weitestgehend zu eliminieren und eine gewünschte Reibung gezielt einzustellen. Durch entsprechende Wahl des Materials, aus welchem der Metalldraht besteht, kann zudem eine Trockenschmierung, insbesondere zwischen dem Zwischenelement und dem zweiten Gelenkelement erzielt werden. So wird ein dauerfestes Gelenk und mithin ein Abgasturbolader mit einer langen Lebensdauer erzielt. Insbesondere wird der bei einem Verstellen der verstellbaren Einrichtung auftretende mechanische Verschleiß des Gelenks reduziert. Zudem wird eine Schmutzempfindlichkeit des Gelenks herabgesetzt und durch die definierte Gelenkvorspannung das Einstellen einer gewünschten Reibung ermöglicht.
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Auch ein bei bekannten Abgasturboladern auftretendes Geräusch beim Verstellen der verstellbaren Einrichtung durch ein Spiel zwischen dem ersten und dem zweiten Gelenkelement kann weitestgehend oder sogar vollständig unterbunden werden. Das Geräusch kann unter anderem durch hochfrequentes Anschlagen einer Wastegateklappe an einem mit ihr in ihrer Geschlossenstellung zum Verschließen des Wastegates zusammenwirkenden Ventilsitz oder durch Resonanzschwingungen in der Verstelleinrichtung (die vorzugsweise die gesamte Wirkverbindung zwischen dem Aktuator und der Wastegateklappe umfasst) verursacht werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gelenkaufnahme ellipsoidschichtförmig ist. Ein Ellipsoid ist ein Rotationskörper einer Ellipse. Unter der Ellipsoidschicht ist nun wiederum ein Teil eines derartigen Ellipsoids mit zwei zueinander parallelen Schnittflächen, nämlich der Grundfläche und der Deckfläche, zu verstehen. Auch hier sind die beiden Schnittflächen bevorzugt gleich weit von einem Mittelpunkt des Ellipsoids, jedoch auf gegenüberliegenden Seiten liegend, vorgesehen. Insbesondere weist die Gelenkaufnahme jeweils ausgehend von ihrem Mittelpunkt in Richtung einer Schwenkachse des Gelenks jeweils abnehmende Abmessungen auf, um ein zuverlässiges Halten des Eingriffsbereichs in axialer Richtung zu ermöglichen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt
- 1 einen Abgasturbolader mit einem Wastegate, dessen Durchströmungsquerschnitt mittels eines Wastegateaktuators einstellbar ist,
- 2 eine Längsschnittdarstellung eines in einer Wirkverbindung zwischen dem Wastegate und dem Wastegateaktuator vorgesehenen Gelenks in einer ersten Ausführungsform,
- 3 einen Querschnitt durch das Gelenk in einer zweiten Ausführungsform, und
- 4 eine Ansicht einer dritten Ausführungsform des Gelenks.
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Die 1 zeigt einen Bereich eines Abgasturboladers 1 mit einem hier nicht näher dargestellten Wastegate, der als verstellbare Einrichtung vorliegt und dessen Durchströmungsquerschnitt mittels einer Wastegateklappe einstellbar ist. Die Wastegateklappe (ebenfalls nicht dargestellt) ist über eine Stellwelle 2 verlagerbar. Die Stellwelle 2 ist über ein Zwischenstück 3 und ein Gelenk 4 mit einem als Wastegateaktuator vorliegenden Aktuator 5 wirkverbunden. Dieser kann beispielsweise als elektrischer oder pneumatischer Aktuator 5 ausgebildet sein und dient dazu, eine Steuerstange 6 in ihrer axialen Richtung zu verlagern. An die Steuerstange 6 schließt sich eine optional vorgesehene Justiereinrichtung 7 an. Über diese ist die Wirkverbindung zwischen der Steuerstange 6 und dem Gelenk 4 hergestellt. Das Gelenk 4 selbst besteht aus einem ersten Gelenkelement 8, das starr mit dem Zwischenstück 3 verbunden oder mit diesem einstückig ausgebildet ist. Zudem verfügt das Gelenk 4 über ein zweites Gelenkelement 9, das über die Justiereinrichtung 7 mit der Steuerstange 6 verbunden ist. Das erste Gelenkelement 8 verfügt nun über einen Eingriffsbereich 10, das zweite Gelenkelement 9 über eine Gelenkaufnahme 11. Die Gelenkaufnahme 11 nimmt dabei den Eingriffsbereich 10, mithin also das erste Gelenkelement 8, wenigstens bereichsweise auf, sodass das erste Gelenkelement 8 bezüglich des zweiten Gelenkelements 9 um eine Schwenkachse 12 des Gelenks 4 verschwenkbar ist.
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Bezüglich dieser Schwenkachse 12 in radialer Richtung ist zwischen dem Eingriffsbereich 10 und der Gelenkaufnahme 11 beziehungsweise dem zweiten Gelenkelement 9 ein Zwischenelement 13 vorgesehen. Bevorzugt steht das erste Gelenkelement 9 lediglich über dieses Zwischenelement 13 mit dem zweiten Gelenkelement 9 in Verbindung. Insbesondere liegt in keiner Schwenkstellung von dem ersten Gelenkelement 8 zu dem zweiten Gelenkelement 9 um die Schwenkachse 12 ein unmittelbarer Berührkontakt zwischen den beiden Gelenkelementen 8 und 9 vor. Das Zwischenelement 13 besteht aus einem Metalldrahtgestrick, wobei das dabei verwendete Metall vorzugsweise hochtemperaturfest ist. Bevorzugt soll das Metalldrahtgestrick auch bei Temperaturen von mindestens 600°C eine ausreichende Festigkeit aufweisen und insbesondere formbeständig sein. Grundsätzlich sind zahlreiche geometrische Ausgestaltungen von Gelenkaufnahme und Eingriffsbereich möglich. Auf diese soll nachfolgend eingegangen werden.
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Die 2 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform des Gelenks 4. Es wird deutlich, dass die Gelenkaufnahme 11 in dem hier dargestellten Längsschnitt bezüglich der Schwenkachse 12 kugelschichtförmig ist, wobei die beiden parallelen, also nicht aufeinander fallenden Schnittflächen, die gleiche Größe aufweisen, mithin also gleich weit von einem Scheitelpunkt beziehungsweise Mittelpunkt der Gelenkaufnahme 11 beabstandet sind. Das Zwischenelement 3 weist nun eine an die Gelenkaufnahmeform angepasste Außenkontur 14 auf, sodass das Zwischenelement im Wesentlichen ebenfalls kugelschichtförmig ist. In dem Zwischenelement 13 ist eine Halteaufnahme 15 ausgebildet, welche das Zwischenelement 13 in axialer Richtung vollständig durchgreift. In dieser Halteaufnahme 15 ist das erste Gelenkelement 8 beziehungsweise dessen Eingriffsbereich 10 angeordnet. Bevorzugt durchgreift der Eingriffsbereich 10 das Zwischenelement 13 in axialer Richtung vollständig. Das erste Gelenkelement 8 oder zumindest dessen Eingriffsbereich 10 sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zylinderförmig, insbesondere kreiszylinderförmig. Die Halteaufnahme weist nun eine an den Eingriffsbereich 10 formangepasste Innenkontur 16 auf, die entsprechend ebenfalls zylinderförmig beziehungsweise kreiszylinderförmig ist.
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Die 3 zeigt einen Längsschnitt durch das Gelenk 4 in einer weiteren nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform. Es wird deutlich, dass der Eingriffsbereich 10 kugelförmig beziehungsweise hohlkugelförmig ist, während die Gelenkaufnahme 11 ebenfalls kugelförmig oder zumindest kugelschichtförmig ist. Bei einer derartigen Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn das Zwischenelement 13 eine durchgehend konstante Stärke d aufweist. Das Zwischenelement 13 kann auch, wie hier dargestellt, mehrteilig ausgeführt sein, wobei in diesem Fall die wenigstens zwei Teile des Zwischenelements 13 bezüglich der Schwenkachse 12 gegenüberliegend angeordnet sind, um eine zuverlässige Lagerung des ersten Gelenkelements 8 zusammen mit dem Zwischenelement 13 in der Gelenkaufnahme 11 beziehungsweise an dem zweiten Gelenkelement 9 zu ermöglichen.
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Die 4 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Gelenks 4. Das Zwischenelement 13 ist in diesem Fall Bestandteil des Gelenkelements 8 beziehungsweise bildet dieses, beispielsweise vollständig, aus. Mithin besteht das Gelenkelement 8 wenigstens bereichsweise, insbesondere vollständig, aus dem Metalldrahtgestrick. Es wird deutlich, dass der Eingriffsbereich 10 ellipsoidförmig oder zumindest ellipsoidschichtförmig ist. Auf diese Weise kann die in dem Gelenk 4 vorliegende Flächenpressung reduziert werden. Aufgrund der durch die Ellipsoidform im Vergleich zu der Kugelform größeren Oberfläche des Eingriffsbereichs 10 kann die Vorspannung des Gelenks 4 und mithin dessen spielfreie Ausgestaltung über alle Betriebsbedingungen hinweg gewährleistet werden.
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Es soll angemerkt werden, dass für die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen das erste Gelenkelement 8 und insbesondere der Eingriffsbereich 10 bevorzugt aus rostfreiem Material, insbesondere rostfreiem Stahl, besteht. Dies gilt insbesondere für die anhand der 3 beschriebene Ausführungsform. Das zweite Gelenkelement 9 besteht beispielsweise aus einem nicht rostenden austenitischen Stahl.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgasturbolader
- 2
- Stellwelle
- 3
- Zwischenstück
- 4
- Gelenk
- 5
- Wastegateaktuator
- 6
- Steuerstange
- 7
- Justiereinrichtung
- 8
- 1. Gelenkelement
- 9
- 2. Gelenkelement
- 10
- Eingriffsbereich
- 11
- Gelenkaufnahme
- 12
- Schwenkachse
- 13
- Zwischenelement
- 14
- Außenkontur
- 15
- Halteaufnahme
- 16
- Innenkontur
