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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Klappeneinrichtung zum Öffnen und Schließen eines Wastegatekanals im Turbinengehäuse eines Turboladers sowie einen Turbolader, der mit einer solchen Klappeneinrichtung ausgestattet ist.
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Ein Turbolader weist im Allgemeinen ein Turbinenrad und ein Verdichterrad auf. Das Turbinenrad und das Verdichterrad sind hierbei auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Der Abgasstrom der an den Turbolader angeschlossenen Brennkraftmaschine treibt nun das Turbinenrad an und das Turbinenrad wiederum das Verdichterrad. Das Verdichterrad kann dadurch Frischluft verdichten und die verdichtete Luft der Brennkraftmaschine zuführen. Durch eine Aufladung wird generell der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine gesteigert.
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Eine Form der Ladedruckregelung des Turboladers ist hierbei ein turbinenseitiger Bypass bzw. eine sogenannte Klappeneinrichtung zum Öffnen und Schließen eines Wastegatekanals im Turbinengehäuse. Die Turbine wird dabei so klein gewählt, dass die Anforderungen an das Drehmomentverhalten bei niedrigen Drehzahlen erfüllt werden können und eine gute Fahrbarkeit des Motors erreicht wird. Bei dieser Auslegung wird der Turbine kurz vor dem Erreichen des maximalen Drehmoments jedoch mehr Abgas zugeführt, als für die Erzeugung des Ladedrucks notwendig ist. Aus diesem Grund wird nach dem Erreichen des erforderlichen Ladedrucks ein Teil des Abgasstroms durch den Wastegatekanal hindurch um die Turbine herumgeleitet.
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Die Klappe der Klappeneinrichtung ist dabei mit einem Klappenbetätigungselement verbunden. Durch Betätigen des Klappenbetätigungselements wird die Klappe zwischen einer geöffneten Position und einer geschlossenen Position geschwenkt, um den Wastegatekanal im Turbinengehäuse teilweise oder vollständig zu öffnen und zu schließen, je nach Betriebszustand.
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Aus dem Stand der Technik sind Klappeneinrichtungen eines Turboladers bekannt, beispielsweise aus den Druckschriften
DE 10 2011 075 450 A1 und
DE 10 2009 007 574 A1 . Klappeneinrichtungen dieser Art weisen ein Klappenbetätigungselement und eine Klappe auf, wobei die Klappe wenigstens ein Aufnahmeelement mit wenigstens einem Aufnahmebereich zum Aufnehmen des Klappenbetätigungselements aufweist. Die Klappe und das Klappenbetätigungselement sind hierbei über eine Niet- oder Schraubverbindung miteinander verbunden.
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Eine Turbinengahäuse mit einer weiteren Klappeneinrichtung ist aus dem Dokument
DE 10 2010 050 669 A1 bekannt, wobei das Turbinengehäuse eine Öffnung mit einer Öffnungsweite aufweist, welche größer ist als der größte Durchmesser der kleinsten Projektionsfläche der Ventilklappe und des im montierten Zustand in den Strömungskanal ragenden Teils der damit verbundenen Spindel, so dass die Klappeneinrichtung als vormontierte Baugruppe in das Turbinengehäuse montiert werden kann.
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Eine alternative Ausführung einer Wastegate-Klappeneinrichtung ist aus Dokument
DE 10 2012 207 104 A1 bekannt. Dabei umfasst die Wastegate-Klappeneinrichtung eine Wastegate-Klappe, welche drehfest und bezüglich der beiden axialen Enden der Spindel mittig an dieser angebracht ist, derart, dass die Wastegate-Klappe mittels der Spindel drehbar ist zwischen einer geschlossenen Position, in welcher die Wastegate-Klappe die Wastegate-Öffnung verschließt und einer geöffneten Position, in welcher die Wastegate-Klappe die Wastegate-Öffnung zum Durchströmen mit einem Abgas freigibt.
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Wie sich herausgestellt hat, ist es jedoch schwierig eine solche Klappeneinrichtung fertigzustellen, die im geschlossenen Betriebszustand das Turbinengehäuse dicht verschließt, und die gleichzeitig während des Betriebs keine störenden Geräusche verursacht. Um Fertigungs- und Montagetoleranzen auszugleichen, wurde die Klappe bisher mit relativ viel Spiel an das Klappenbetätigungselement befestigt um eine Dichtheit des von der Klappe verschließbaren Wastegatekanals zu erreichen. Das große Spiel der Klappe führt jedoch dazu, dass die Klappeneinrichtung im Motorbetrieb störende Geräusche erzeugt. Durch Spielreduzierungen oder Dämpfungselemente wurde aus diesem Grund versucht die Geräuschentwicklung zu reduzieren. Dies wiederum führt jedoch zu Undichtigkeiten im System.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen verbesserten Klappeneinrichtung bereitzustellen, die den Wastegatekanal im Turbinengehäuse in einer geschlossenen Position möglichst gut abdichten kann, und die gleichzeitig möglichst geräuscharm ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie einen Turbolader mit den Merkmalen des Nebenanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche.
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Die mit dem vorgeschlagenen Verfahren herzustellende Klappeneinrichtung zum Öffnen und Schließen eines Wastegatekanals im Turbinengehäuse eines Turboladers umfasst eine Klappe, die mit einem Dichtsitz (9) am Turbinengehäuse (1) zusammenwirkt, und ein mit dem Turbinengehäuse verbindbares Klappenbetätigungselement, wobei die Klappe mit dem Klappenbetätigungselement stoffschlüssig verbunden ist.
Das Verfahren beinhaltet die im Folgenden aufgeführten Schritte in der angegebenen Reihenfolge:
- Zunächst das Fügen des Klappenbetätigungselements an das Turbinengehäuse;
- dann das Aufbringen der Klappe auf den Dichtsitz am Turbinengehäuse;
- folgend das Drücken der Klappe mittels des Klappenbetätigungselements auf den Dichtsitz;
- sowie anschließend und während des Drückens das stoffschlüssige Verbinden der Klappe mit dem Klappenbetätigungselement.
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Der vorgeschlagene Turbolader für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, weist eine Klappeneinrichtung zum Öffnen und Schließen eines Wastegatekanals im Turbinengehäuse des Turboladers auf, wobei die Klappeneinrichtung eine Klappe und ein mit dem Turbinengehäuse verbindbares Klappenbetätigungselement aufweist, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Klappeneinrichtung mittels des vorgenannten Verfahrens hergestellt ist.
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Bisher wurde die Klappe außerhalb des Turbinengehäuses an das Klappenbetätigungselement befestigt. Erfindungsgemäß geschieht eine Befestigung der Klappe mit dem am Turbinengehäuse montierten Klappenbetätigungselement. Durch das Drücken der Klappe auf den Dichtsitz mittels des Klappenbetätigungselements dichtet die Klappe den Wastegatekanal gut ab.
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Durch das anschließende stoffschlüssige Verbinden der beiden Bauteile wird das Spiel der Bauteile ausgeglichen. Dadurch wird die Klappeneinrichtung möglichst geräuscharm ausgebildet. Mit dem Verfahren wird die Klappeneinrichtung für jeden Turbolader individuell angefertigt, was eine Reduzierung der Toleranzkette zur Folge hat.
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Durch das stoffschlüssige Verbinden der Klappe mit dem Klappenbetätigungselement wird ermöglicht, dass die Klappe und das Klappenbetätigungselement vor dem Verbinden mit relativ viel Spiel zueinander individuell ausgerichtet werden können. Die Klappe und das Klappenbetätigungselement werden vorzugsweise in einer spielbehafteten Position vorfixiert. Anschließend wird die Klappe mittels des Klappenbetätigungselements auf einen Dichtsitz im Turbinengehäuse gepresst und in dieser Position gehalten. Durch das Anpressen der Klappe mittels des Klappenbetätigungselements dichtet die Klappe den Wastegatekanal gut ab. Während des Anpressens werden beide Bauteile stoffschlüssig mit einander verbunden. Das durch Fertigungs- und Montagetoleranzen verursachte Spiel beider Bauteile wird somit ausgeglichen. Die Klappeneinrichtung wird dadurch für jeden Turbolader „spezialangefertigt“, was eine Reduzierung der Toleranzkette zur Folge hat.
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Im Betrieb drückt das Klappenbetätigungselement die sich in einer geschlossenen Position befindende Klappe auf den Dichtsitz am Turbinengehäuse, wie es dem Stand der Technik ebenfalls zu entnehmen ist. Durch das Drücken werden Relativbewegungen zwischen der Klappe und dem Klappenbetätigungselement minimiert. Allerdings entstehen im Stand der Technik, in einer vollständig oder teilweise geöffneten Position der Klappe, aufgrund des Spiels störende Geräusche. Bei einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Klappeneinrichtung werden während des Betriebs entstehende Vibrationen zwischen der Klappe und dem Klappenbetätigungselement auch in einer vollständig oder teilweise geöffneten Position der Klappe reduziert. Ein Drehen oder ein Durchdrehen der Klappe wird ebenfalls durch die erfindungsgemäße Lösung unterbunden. Eine Relativbewegung zwischen Klappenbetätigungselement und Klappe wird somit durch die stoff schlüssige Verbindung und die maßgeschneiderte Anfertigung der Klappeneinrichtung minimiert. Die Klappeneinrichtung ist deshalb in jedem Zustand des Wastegatekanals besonders geräuscharm ausgebildet. Außerdem wird aufgrund fehlender Relativbewegungen ein Verschleiß der Bauteile auf ein Minimum reduziert.
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Im Betrieb herrschen aufgrund heißer Abgase große Temperaturunterschiede im Turbinengehäuse. Wie sich in Tests herausgestellt hat, entsteht trotzdem keine bleibende Verformung der Klappeneinrichtung. In der vorliegenden Erfindung ist ein Spiel der Klappeneinrichtung also auch während des Betriebs vernachlässigbar.
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Bisher wurden oft Dämpfungselemente zum Dämpfen von auftretenden Vibrationen eingesetzt. Die Dämpfungselemente wurden typischerweise an die Klappe und das Klappenbetätigungselement angebracht. Auf solche Dämpfungselemente kann dank der vorliegenden Erfindung verzichtet werden, was mit einer Kosteneinsparung einhergeht.
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Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, vor dem Fügen ein Spiel der Bauteile zuzulassen, das sogar größer als das bisherige Spiel ist. Bevorzugt weisen die Klappe und das Klappenbetätigungselement vor dem stoffschlüssigen Verbinden ein Spiel von 0,2 bis 0,8 mm in einer beliebigen Richtung auf. Dieses Spiel setzt sich vektoriell aus zwei Komponenten zusammen. Das Spiel in einer Richtung bezüglich einer in Analogie zu 5 gezeigten z-Achse kann zum Beispiel zwischen 0,1 und 0,6 mm betragen, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,5 mm. Das dazu senkrechte Spiel in einer Richtung bezüglich eines in Analogie zu 5 gezeigten Klappenradius p kann einen Wert von beispielsweise 0,2 bis 0,5 mm aufweisen, jedoch vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,4 mm.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer solchen Klappeneinrichtung ist bzw. wird die Klappe mit dem Klappenbetätigungselement verschweißt, verlötet und/oder verklebt. Hierbei ist ein Verschweißen beider Bauteile besonders vorteilhaft, weil für einen Schweißprozess in der Regel nur einen Verfahrensschritt benötigt wird. Außerdem sind Schweißprozesse in der Automobilindustrie geläufige Verfahren, automatisierbar bzw. von Robotern ausführbar.
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Zweckmäßig ist die Klappe, sowie die, eine dazu komplementäre Form aufweisende, den Wastegatekanal bildende Öffnung im Turbinengehäuse rund oder symmetrisch bezüglich einer in Analogie zu 5 gezeigten z-Achse ausgebildet. Eine runde Ausbildung der Klappe bzw. der Öffnung ist hier vorzuziehen, da die Klappe so einfach auf die Öffnung montiert werden kann, bzw. eine Fehlmontage der Klappe wird erschwert.
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In einfacher Weise kann die Klappeneinrichtung mit einem Hebel versehen werden, welcher über ein Gestänge von einem Aktuator verstellbar ist. Dann kann bei einem bestimmten Druck im Verdichtergehäuse der Aktuator die Klappeneinrichtung betätigen und somit wird der Wastegatekanal mehr oder weniger geöffnet. Folglich wird ein Teil des Abgasstroms um die Turbine herumgeleitet.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden vor dem Drücken der Klappe mittels des Klappenbetätigungselements auf den Dichtsitz die Klappe und das Klappenbetätigungselement so positioniert, dass ein Spiel zwischen der Klappe und dem Klappenbetätigungselement bei jeglicher Anordnung der beiden zwischen 0,2 und 0,8 mm beträgt. Das genannte Spiel setzt sich vektoriell zusammen aus einem radialen Spiel in einer Richtung bezüglich des Klappenradius, das bevorzugt zwischen 0,2 und 0,5 mm beträgt, und einem dazu senkrechten axialen Spiel in einer Richtung analog zu der in 5 gezeigten z-Achse, das vorzugsweise einen Wert zwischen 0,1 und 0,6 mm aufweist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Funktionsgleiche Teile sind in den Figuren durchgängig mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In den Figuren zeigt:
- 1 eine Draufsicht auf einen Turbolader
- 2 eine Draufsicht auf ein Turbinengehäuse,
- 3 eine Draufsicht auf eine Klappe,
- 4 eine Draufsicht auf ein Klappenbetätigungselement,
- 5 eine Draufsicht auf eine Klappe, ein Klappenbetätigungselement und ein Turbinengehäuse gemäß den 2 bis 4,
- 6 eine Draufsicht auf eine Klappeneinrichtung in einer geschlossenen Position und ein Turbinengehäuse gemäß den 2 bis 5.
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In 1 ist eine Draufsicht auf einen für eine Brennkraftmaschine geeigneten Turbolader 30 gezeigt. Der Turbolader besteht aus einem Verdichter und einer Turbine, die jeweils in einem Verdichtergehäuse 31 und einem Turbinengehäuse angeordnet sind und auf einer gemeinsamen Welle 32 miteinander gekoppelt sind. Zur Leistungssteuerung der Turbine bzw. des Turboladers 30 weist die Turbine einen Bypass, der auch als Wastegate bezeichnet wird, auf. Zum Steuern des Bypasses ist eine Klappeneinrichtung vorgesehen, die auch als Wastegate-Ventil bezeichnet werden kann. Die Klappeneinrichtung umfasst eine Klappe 4, ein Klappenbetätigungselement 5 und eine Buchse 3. Das Klappenbetätigungselement 5 ist über einen Hebel 22 und ein Gestänge 33 mit einem Aktuator 34 verbunden. Der Aktuator ist auf dem Verdichtergehäuse 31 angeordnet und betätigt die Klappeneinrichtung bei einem vorgegebenen Druck im Verdichter 31.
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2 zeigt eine Draufsicht auf das Turbinengehäuse 1. Das Turbinengehäuse 1 umfasst einen Wastegatekanal 2 und eine Buchse 3, welche am Turbinengehäuse montiert ist. Der Wastegatekanal 2 weist eine angefaste Öffnung auf, die einen Dichtsitz 9 für eine Klappe 4 darstellt. In der Buchse 3 wird ein Klappenbetätigungselement 5 drehbar gelagert. Hierdurch wird ein kontrolliertes Öffnen und Schließen der den Wastegatekanal 2 abdeckenden Klappe 4 unterstützt.
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In 3 ist die Klappe 4 gezeigt. Dabei ist ein zylindrischer Aufnahmestift 10 gezeigt, auf welchen das Klappenbetätigungselement 5 aufgesteckt wird. Auf beiden Seiten des Aufnahmestifts 10 sind hierbei Stege 11 angeordnet zwischen denen das Klappenbetätigungselement 5 aufgenommen wird um die Klappeneinrichtung zu positionieren. Die Klappe ist in dieser Ausführungsform rund ausgebildet. Ein Positionieren der Klappe auf den Dichtsitz 9 ist hierdurch besonders leicht, bzw. eine Fehlmontage wird erschwert.
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4 zeigt ein Klappenbetätigungselement 5, das ein zylindrisches Aufnahmeelement 20 für den Aufnahmestift 11 aufweist. Das Klappenbetätigungselement 5 wird drehbar in die Buchse 3 gesteckt.
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In 5 ist die Klappe 4 auf den Dichtsitz 9 positioniert, während das Klappentellerbetätigungselement 5 drehbar in der Buchse 3 gelagert ist. Die Klappe 4 und das Klappenbetätigungselement 5 sind individuell so ausgerichtet, dass die Klappe 4 den Wastegatekanal 2 gut abdichtet und das Klappenbetätigungselement in der Buchse 3 passt. In der Figur definieren Zylinderkoordinaten ρ und z eine radiale bzw. eine axiale Richtung, wobei eine Koordinate ϕ einen Polarwinkel definiert. Die Koordinaten ρ und ϕ spannen eine Ebene, auf der die Klappe 4 liegt, auf. Das Klappentellerbetätigungselement 5 ist in dieser Figur noch nicht mit der Klappe 4 verbunden. Wenn das Klappenbetätigungselement 5 so in Richtung der Klappe 4 geschwenkt wird, dass das Aufnahmeelement 20 den Aufnahmestift 10 aufnimmt, gibt es zwischen dem Aufnahmestift 10 und dem Aufnahmeelement 20 ein radiales Spiel zwischen 0,3 und 0,4 mm. Ein axiales Spiel zwischen der Klappe 4 und dem Klappenbetätigungselement 5 beträgt zwischen 0,2 und 0,5 mm.
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6 zeigt eine Draufsicht auf das Turbinengehäuse 1 und die individuell auf den Turbolader abgestimmte Klappeneinrichtung. Die Klappeneinrichtung umfasst die Buchse 3, die Klappe 4 und das Klappenbetätigungselement 5, wobei der Aufnahmestift 10 fest mit dem Klappenbetätigungselement 5 an einer Schweißnaht 21 verschweißt ist. In der Figur ragt der Aufnahmestift 10 durch das Aufnahmeelement 20 hindurch. Das Klappenbetätigungselement 5 ist zwischen den Stegen 11 positioniert. Die Klappeneinrichtung ist in einer Position gezeigt, in der der Wastegatekanal geschlossen ist. Das Klappenbetätigungselement ist mit dem Hebel 22 verbunden. Über den Hebel 22 und ein Gestänge 33 kann der Aktuator die Klappeneinrichtung betätigen um den Wastegatekanal 2 zu öffnen bzw. zu schließen, je nach Betriebszustand.
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Auf den Aufnahmestift 10, die Stege 11, das Aufnahmeelement 20 oder sonstige Aufnahmeelemente können alternativ zu den gezeigten Figuren auch verzichtet werden. Es muss lediglich sichergestellt sein, dass eine Vorfixierung der Klappe 4 und des Klappenbetätigungselements 5 vor dem stoffschlüssigen Verbinden möglich ist.
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Die in der 5 gezeigte Klappeneinrichtung wird erfindungsgemäß hergestellt, indem das Klappenbetätigungselement 5 in eine Buchse 3 am Turbinengehäuse 1 eingesteckt wird. Die Klappe 4 wird so auf den Dichtsitz 9 positioniert, dass der Wastegatekanal 2 geschlossen wird. Das Klappenbetätigungselement 5 wird so in Richtung des Turbinengehäuses 1 geschwenkt, dass der Aufnahmestift 11 durch das Aufnahmeelement 20 aufgenommen wird. Hierbei entsteht ein radiales Spiel in p-Richtung zwischen dem Aufnahmeelement 20 und dem Aufnahmestift 10 von 0,3 bis 0,4 mm. Zwischen der Klappe 4 und dem Klappenbetätigungselement 5 existiert ein axiales Spiel in z-Richtung, dessen Wert zwischen 0,2 und 0,5 mm liegt. Die Klappe 4 wird danach mittels des Klappenbetätigungselements 5 auf den Dichtsitz 9 gedrückt und in dieser Position gehalten. Während des Drückens wird die Klappe 4 mit dem Klappenbetätigungselement 5 verschweißt.
