DE102012101322A1 - Actuating device for exhaust gas flow-control element arranged in exhaust gas-inflow path of exhaust turbo charger-turbine of combustion engine, has spindle, which is connected with control element in gas-proof manner - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Turbolader für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor mit einem Abgas-Bypasspfad für die Steuerung der Größe des eine Turbine des Turboladers beaufschlagenden Motorabgas-Volumenstroms, wobei der Bypasspfad für die Steuerung der Größe des durch den Bypasspfad geleiteten Abgas-Volumenstroms mit einer Bypassventilvorrichtung versehen ist, welche aufweist ein tellerartiges Ventilelement (gegebenenfalls als Wastegate-Klappe bezeichnet), das eine in einer Ebene liegende Dichtfläche und einen sich von Letzterer weg erstreckenden Schaft aufweist sowie zwischen einer Offen- und einer Schließstellung bewegbar ist, einen eine Abgas-Durchlassöffnung umschließenden und mit der Ventilelement-Dichtfläche zusammenwirkenden Ventilsitz für das Ventilelement, einen Ventilelement-Träger, mit welchem das Ventilelement mittels seines Schafts mindestens in Richtung senkrecht zur Ventilelement-Dichtfläche beweglich verbunden ist, eine in einer Lagerbuchse verdrehbar gehaltene Spindel, an der einerseits der Ventilelement-Träger und andererseits ein quer zur Spindel verlaufender erster Bereich eines Stellhebels verdrehfest angeordnet ist, und ein Stellhebel-Betätigungselement, welches mit einem zweiten Bereich des Stellhebels mindestens um eine zur Achse der Spindel parallele Schwenkachse schwenkbar verbunden ist.The invention relates to a turbocharger for a reciprocating internal combustion engine having an exhaust bypass path for controlling the size of the engine exhaust gas volumetric flow imparting a turbocharger turbine, the bypass path for controlling the size of the exhaust gas volumetric flow channeled through the bypass path provided with a bypass valve device which has a plate-like valve element (optionally referred to as wastegate flap) having a sealing surface lying in a plane and a shaft extending away from the latter and is movable between an open and a closed position, an exhaust gas passage opening enclosing and with the valve element sealing surface cooperating valve seat for the valve element, a valve element carrier, with which the valve element is movably connected by means of its shaft at least in the direction perpendicular to the valve element sealing surface, one rotatable in a bearing bush geha Ltene spindle, on the one hand, the valve element carrier and on the other hand, a transverse to the spindle extending first portion of a control lever is arranged rotationally fixed, and a lever actuating element which is pivotally connected to a second region of the actuating lever at least about a pivot axis parallel to the axis of the spindle ,
Bei einem solchen Turbolader kann es sich um einen einzelnen Turbolader handeln, aber auch um einen Turbolader eines mehrstufigen Ladersystems, das heißt eines mehrere Turbolader aufweisenden Systems.Such a turbocharger may be a single turbocharger or a turbocharger of a multistage supercharger system, that is, a multiple turbocharged system.
Ein Turbolader der eingangs definierten Art ist bekannt und ergibt sich beispielsweise aus der
Bei einem Turbolader der eingangs erwähnten Art haben Fertigungstoleranzen der Bauteile der Bypassventilvorrichtung, vor allem aber die im Betrieb auftretenden zeitlichen Temperaturänderungen und unterschiedlichen Temperaturen der Bauteile unvermeidlich zur Folge, dass zwischen dem Ventilelement und dem Ventilelement-Träger, aber auch zwischen dem Stellhebel und dem Stellhebel-Betätigungselement jeweils ein gewisses Spiel vorhanden ist.In a turbocharger of the type mentioned manufacturing tolerances of the components of the bypass valve device, but especially the occurring during operation temporal temperature changes and different temperatures of the components inevitably entail that between the valve element and the valve element carrier, but also between the lever and the lever Beetigungselement each a certain game is present.
Neuerdings wird vermehrt ein auf das Stellhebel-Betätigungselement einwirkender elektromechanischer Antrieb für die Betätigung des Bypassventils eingesetzt, was zu dem Vorteil führt, dass sich gezielt jede Zwischenstellung zwischen der Offen- und der Schließstellung des Ventilelements verhältnismäßig genau einstellen lässt. Vor allem dann, wenn es sich bei dem Ventilelement um eine Wastegate-Klappe handelt, die zwischen ihrer Offen- und ihrer Schließstellung eine Schwenkbewegung durchführt, erlaubt das vorstehend erwähnte Spiel zwischen dem Ventilelement, das heißt der Wastegate-Klappe, und dem Ventilelement-Träger auch eine Anpassung der Wastegate-Klappe an den Ventilsitz, wenn sich die Wastegate-Klappe unmittelbar vor ihrer Schließstellung befindet und sodann abdichtend gegen den Ventilsitz anliegen soll. Es hat sich nun gezeigt, dass in bestimmten Winkelstellungen der Wastegate-Klappe dieses Spiel dazu führt, dass die Wastegate-Klappe durch den Abgasstrom zu schwingungsähnlichen Bewegungen angeregt wird, welche im Betrieb des Turboladers bei bestimmten Motordrehzahlen zu Rassel- und Klappergeräuschen führen, die nicht nur wegen des Geräusches, sondern auch wegen durch das Klappern hervorgerufener Verschleißerscheinungen nachteilig sind.Recently, a force acting on the actuating lever actuating element electro-mechanical drive for the actuation of the bypass valve is increasingly used, which leads to the advantage that can selectively set any intermediate position between the open and the closed position of the valve element relatively accurately. In particular, when the valve element is a wastegate flap which performs a pivotal movement between its open and closed positions, the abovementioned play between the valve element, that is, the wastegate flap, and the valve element support allows also an adaptation of the wastegate flap to the valve seat, when the wastegate flap is located immediately before its closed position and then sealingly abut against the valve seat. It has been shown that in certain angular positions of the wastegate flap this game causes the wastegate flap is excited by the exhaust gas flow to vibration-like movements that lead to the operation of the turbocharger at certain engine speeds to rattle and rattles that not only because of the noise, but also because of the rattling caused by wear and tear are disadvantageous.
Deshalb wird für einen Turbolader der eingangs erwähnten Art durch die
Bei beiden Ausführungsformen wird die Federstahlblechscheibe mit der einen Kante ihres Außenrandes gegen einen flachen Bereich des Ventilelement-Trägers gepresst und mit der einen Kante ihres Innenrandes entweder gegen einen flachen Bereich des tellerartigen Ventilelements oder einen flachen Bereich des scheibenartigen Widerlagers. Es hat sich nun gezeigt, dass unter den im Motorbetrieb im Bereich der Wastegate-Klappe herrschenden hohen Temperaturen (Abgastemperaturen) das Material der Federstahlblechscheibe im Bereich ihres Außen- und Innenrandes zum Kriechen bzw. Fließen neigt und deshalb die Federstahlblechscheibe im Laufe des Betriebs erhebliche Verschleißerscheinungen zeigt, welche sich nachteilig auf die Beseitigung des Spiels in der Verbindung zwischen dem tellerartigen Ventilelement und dem Ventilelement-Träger auswirken.In both embodiments, the spring steel plate is pressed with one edge of its outer edge against a flat portion of the valve element carrier and with the one edge of its inner edge against either a flat portion of the plate-like valve member or a flat portion of the disc-like abutment. It has now been shown that under the prevailing in engine operation in the field of wastegate flap high temperatures (exhaust gas temperatures), the material of the spring steel plate in the region of its outer and inner edge tends to creep or flow and therefore the spring steel plate in the During operation shows significant signs of wear, which adversely affect the elimination of the game in the connection between the plate-like valve member and the valve member carrier.
Bei den bekannten Bypassventilvorrichtungen der eingangs erwähnten Art lässt sich aufgrund von Fertigungstoleranzen und/oder von im Betrieb nicht vermeidbaren unterschiedlichen Bauteiltemperaturen ein Spiel auch in der Verbindung des Stellhebels mit dem Stellhebel-Betätigungselement nicht vermeiden, sodass auch an dieser Stelle Rassel- bzw. Klappergeräusche sowie aufgrund des Spiels auftretende Verschleißerscheinungen im Motorbetrieb auftreten.In the known bypass valve devices of the type mentioned can not be avoided due to manufacturing tolerances and / or unavoidable in operation different component temperatures a game in the connection of the control lever with the actuating lever actuator, so that at this point rattle or rattling noises as well occurring due to the game wear in engine operation occur.
Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, bei einer Bypassventilvorrichtung der eingangs definierten Art diese Nachteile zumindest zu minimieren oder gar ganz zu beseitigen, und zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, an mindestens einer der folgenden Positionen ein im Wesentlichen ringförmiges Federelement anzuordnen:
- (A) eine 1. Position im Bereich der Verbindung zwischen dem Ventilelement und dem Ventilelement-Träger, wobei durch das vom Ventilelement-Schaft durchsetzte Federelement ein Spiel in Längsrichtung des Ventilelement-Schafts zwischen dem Ventilelement und dessen Träger zumindest nahezu beseitigt wird;
- (B) eine 2. Position im Bereich der Verbindung zwischen dem Stellhebel und dem Stellhebel-Betätigungselement, wobei durch das von der Schwenkachse durchsetzte Federelement ein Spiel in Richtung dieser Schwenkachse zwischen dem Stellhebel und dem Stellhebel-Betätigungselement zumindest nahezu beseitigt wird,
- (A) a first position in the region of the connection between the valve element and the valve element carrier, wherein by the valve element shaft penetrated by the spring element, a play in the longitudinal direction of the valve element shaft between the valve element and the carrier is at least almost eliminated;
- (B) a second position in the region of the connection between the adjusting lever and the actuating lever actuating element, wherein by the penetrated by the pivot axis spring element play in the direction of this pivot axis between the actuating lever and the actuating lever actuator is at least almost eliminated,
Bei der erfindungsgemäßen Bypassventilvorrichtung liegt das Federelement erfindungsgemäß nicht mit Randkanten der mindestens einen Federstahlblechscheibe gegen die dem Federelement benachbarten Bauteile der Bypassventilvorrichtung an, wie dies bei dem sich aus der
Während bei dem bekannten Federelement die gepressten Kanten des Außen- und Innenrandes der Federstahlblechscheibe sich an die benachbarten Bauteile zumindest im Wesentlichen nicht anpassen können, weist eine federelastische Sicke ein verhältnismäßig gutes Anpassungsvermögen auf, da sich die Sicke längs ihres Umfangs in ihrer Höhe bereichsweise verhältnismäßig leicht unterschiedlich verformen lässt.While in the known spring element, the pressed edges of the outer and inner edges of the spring steel plate can not adapt to the adjacent components at least substantially, has a resilient bead on a relatively good adaptability, since the bead along their circumference in their height in areas relatively easily deforms differently.
Ist das Ventilelement relativ zum Ventilelement-Träger nicht nur in Längsrichtung des Schafts des Ventilelements beweglich oder sind der Stellhebel und das Stellhebel-Betätigungselement relativ zueinander nicht nur in Richtung der Schwenkachse ihrer Verbindung beweglich, sondern kann die Schaftachse gegenüber dem Ventilelement-Träger bzw. kann die Schwenkachse gegenüber dem Stellhebel- und/oder dem Stellhebel-Betätigungselement aufgrund eines Spiels auch gekippt werden, wird das erfindungsgemäße Federelement vorzugsweise so gestaltet, dass sowohl ein axiales Spiel als auch ein im Sinne der erwähnten Kippbewegung vorhandenes Spiel durch das Federelement zumindest nahezu beseitigt wird.Is the valve member movable relative to the valve member support not only in the longitudinal direction of the shaft of the valve element or the adjusting lever and the actuating lever actuating element are movable relative to each other not only in the direction of the pivot axis of their connection, but the shaft axis relative to the valve element carrier or can the pivot axis relative to the actuating lever and / or the actuating lever actuating element are also tilted due to a game, the spring element according to the invention is preferably designed so that both an axial clearance as well as in the sense of the mentioned tilting movement existing game is at least almost eliminated by the spring element ,
Schließlich eignet sich die Erfindung nicht nur für eine Bypassventilvorrichtung, bei welcher das Ventilelement zwischen seiner Offen- und seiner Schließstellung eine Schwenkbewegung durchführt, sondern auch für Ausführungsformen, bei denen das Ventilelement zwischen seiner Offen- und seiner Schließstellung eine geradlinige Bewegung durchführt.Finally, the invention is not only suitable for a bypass valve device in which the valve element between its open and its closing position performs a pivoting movement, but also for embodiments in which the valve element performs a rectilinear movement between its open and its closed position.
Die vorstehend erwähnte
Vor allem bei einer Anordnung des erfindungsgemäßen Federelements an der vorstehend erwähnten 1. Position ist das Federelement im Betrieb besonders hohen Temperaturen ausgesetzt, so dass für ein an der 1. Position eingesetztes Federelement die Verwendung eines Federstahls empfohlen wird, welcher auch unter den im Betrieb des Turboladers an dieser Position herrschenden Temperaturen für die Spielbeseitigung ausreichende Federeigenschaften aufweist, auch wenn diese geringer sein mögen als die Federeigenschaften des Federstahls bei Raumtemperatur. Auf hierfür geeignete Federstahlsorten wird nachfolgend noch hingewiesen werden, besonders empfehlenswert sind aber Federstähle aus einer Nickel-Basislegierung.Especially with an arrangement of the spring element according to the invention at the above-mentioned first position, the spring element is exposed to particularly high temperatures during operation, so that the use of a spring steel is recommended for a spring element used at the 1st position, which also under the operation of the Turbocharger prevailing at this position temperatures for game clearance has sufficient spring properties, even if they may be less than the spring properties of the spring steel at room temperature. On this suitable spring steel grades will be pointed out below, but especially recommended are spring steels made of a nickel-based alloy.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Sicke der mindestens einen Federstahlblechscheibe als Halbsicke gestaltet wird, denn gegenüber einer Vollsicke hat eine Halbsicke den Vorteil, dass sich mit einer Halbsicke bei gleicher oder ähnlicher Federhärte der Sicke ein größerer Federweg des Federelements (in Richtung seiner Ringachse) verwirklichen lässt, und außerdem liegt eine mit einer Halbsicke versehene Federstahlblechscheibe zumindest im Wesentlichen ausschließlich mit flachen Ringbereichen der Blechscheibe gegen dieser benachbarte Bauteile an.It is particularly advantageous if the bead of the at least one spring steel sheet is designed as a half bead, because compared to a full bead a half bead has the advantage that with a half bead with the same or similar spring hardness of the bead a greater spring travel of the spring element (in the direction of its ring axis) can be realized, and also is provided with a half bead spring steel plate at least substantially exclusively with flat annular areas of the sheet metal disc against this adjacent components.
Besonders gute Eigenschaften einer mit mindestens einer Halbsicke versehenen erfindungsgemäßen Federstahlblechscheibe hinsichtlich ihres axialen Federwegs und ihrer axialen Federsteife lassen sich dadurch erreichen, dass man die Halbsicke so gestaltet, dass die in radialer Richtung gemessene Breite der Halbsicke ein (nicht unbedingt ganzzahliges) Mehrfaches der in axialer Richtung des Federelements gemessenen Höhe der Halbsicke beträgt; besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verhältnis der in Richtung der Achse der Federstahlblechscheibe gemessenen Höhe der Halbsicke zu der in bezüglich dieser Achse radialer Richtung gemessenen Breite der Halbsicke zwischen 1:2 und 1:7, vorzugsweise zwischen 1:4 und 1:6 und insbesondere bei ca. 1:5 liegt.Particularly good properties of a provided with at least one half bead spring steel plate according to the invention with respect to their axial travel and axial stiffness can be achieved by designing the half bead so that the measured width in the radial direction of the half bead a (not necessarily integer) multiple of the axial Direction of the spring element measured height of the half bead is; It is particularly advantageous if the ratio of the height of the half bead measured in the direction of the axis of the spring steel sheet metal disk to the width of the half bead measured in relation to this radial direction is between 1: 2 and 1: 7, preferably between 1: 4 and 1: 6 and especially at about 1: 5.
Durchgreift der Ventilelement-Schaft ein im Ventilelement-Träger vorgesehenes Loch (mit oder ohne Spiel) und ist an seinem freien Ende mit einem Widerlager versehen, so wie dies bei der sich aus der
Vorteilhafterweise wird ein an der 2. Position angebrachtes Federelement zwischen dem Stellhebel und dem Stellhebel-Betätigungselement angeordnet, da es dann durch diese beiden Bauteile vor Beschädigungen geschützt wird.Advantageously, a spring element attached to the second position is arranged between the adjusting lever and the actuating lever actuating element, since it is then protected from damage by these two components.
Für die mindestens eine erfindungsgemäße Federstahlblechscheibe eignen sich, wie bereits erwähnt, besonders Nickel-Basislegierungen, gegebenenfalls aber auch demgegenüber teurere Kobalt-Basislegierungen.As already mentioned, particularly nickel-base alloys are suitable for the at least one spring-steel sheet-metal pane according to the invention. but possibly also more expensive cobalt-based alloys.
Zur Herstellung der mindestens einen Federstahlblechscheibe wird zunächst eine entsprechende ringförmige Blechscheibe aus einem Blech ohne Federstahleigenschaften ausgestanzt und durch Prägen in ihre endgültige Gestalt (einschließlich der mindestens einen Sicke) gebracht, worauf dem Blech durch eine Wärmebehandlung die gewünschten Federstahleigenschaften und die gewünschte Härte verliehen werden.To produce the at least one spring steel sheet, a corresponding annular sheet metal disc is first punched out of a sheet without spring steel properties and brought by embossing into their final shape (including the at least one bead), whereupon the sheet by a heat treatment, the desired spring steel properties and the desired hardness are awarded.
Weitere vorteilhafte Merkmale und Einzelheiten der erfindungsgemäßen Bypassventilvorrichtung ergeben sich aus den beigefügten Unteransprüchen sowie der beigefügten zeichnerischen Darstellung und der nachfolgenden Beschreibung besonders vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung; in den Zeichnungen zeigen:Further advantageous features and details of the bypass valve device according to the invention will become apparent from the appended subclaims and the accompanying drawings and the following description of particularly advantageous embodiments of the invention; in the drawings show:
Die
Den
Anhand der
Zu dieser Baugruppe gehört eine wellenartige Spindel
Zwischen dem Kopf
Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform wird zunächst der am Ventilelement
Wie die
Wie sich aus
Zur
Das gemäß
An dem zusammen mit der Spindel
Erfindungsgemäß ist zwischen dem Stellhebel
Anhand der
Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Einbaustellen der erfindungsgemäßen Federelemente wurden in den
Das in den
Erfindungsgemäß kann das Federelement
Erwähnt sei noch, dass die beiden Federstahlblechscheiben
Das in den
Wie sich aus den
Die
Für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Federstahlblechscheibe werden besonders Bleche aus den folgenden Stahllegierungen empfohlen:
- – NiCo20Cr20MoTi (2.4650), Legierung
DIN 17744/17750 DIN 59746 DIN EN ISO 9445 - – Alloy 625 (2.4856),
DIN EN 10095 - – Waspaloy (2.4654)
- – NiCr19Fe19Nb5Mo3 (2.4668) nach
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- - NiCo20Cr20MoTi (2.4650), alloy
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- - NiCr19Fe19Nb5Mo3 (2.4668) according to
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Die erstgenannte Legierung empfiehlt sich vor allem für ein erfindungsgemäßes Federelement, welches an derselben Position eingebaut ist wie das Federelement
Bei der erfindungsgemäßen Bypassventilvorrichtung dient ein erfindungsgemäßes Federelement der Beseitigung eines Spiels und nicht einer Gasabdichtung, vor allem nicht einer Gasabdichtung zwischen zwei relativ zueinander verdrehbaren Bauteilen. Deshalb werden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Federelements bevorzugt, bei denen die mindestens eine Federstahlblechscheibe und/oder die mindestens eine Sicke des Federelements eine größere Federhärte aufweist als die mindestens eine federnde Dichtlippe des sich aus der
Für das erfindungsgemäß in der 1. Position und/oder in der 2. Position anzuordnende erfindungsgemäße Federelement wird deshalb empfohlen, dieses so zu gestalten, dass es im eingebauten Zustand die folgenden Pressungs- oder Federkräfte zwischen dem Federelement und den diesem benachbarten Bauteilen erzeugt, und zwar insbesondere im kalten Zustand, das heißt nicht im Betrieb des Turboladers.For the invention according to the invention to be arranged in the 1st position and / or in the 2nd position spring element is therefore recommended to make it so that it produces the following pressure or spring forces between the spring element and the adjacent components in the installed state, and although in particular in the cold state, that is not in the operation of the turbocharger.
Für ein an der Stelle des Federelements
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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