DE102017128826A1

DE102017128826A1 - Wastgateanordnung für einen Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102017128826A1
Application number: DE102017128826.0A
Authority: DE
Inventors: Christian Römer; Christian Kirschner; Markus Pflüger; Maximilian Hoffmann
Original assignee: ElringKlinger AG; Continental Automotive GmbH
Current assignee: ElringKlinger AG; Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2019-06-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wastegateanordnung für einen ein Turbinengehäuse aufweisenden Abgasturbolader. Diese Wastegateanordnung weist eine Wastegateklappe, einen Wastegateklappenhebel, eine Wastegatespindel, eine Lagerbuchse für die Wastegatespindel und ein Dichtelement auf, das im Übergangsbereich zwischen dem Wastegateklappenhebel und der Lagerbuchse positioniert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wastegateanordnung für einen Abgasturbolader.
Ein Abgasturbolader weist üblicherweise ein Turbinengehäuse, ein Verdichtergehäuse und ein zwischen dem Turbinengehäuse und dem Verdichtergehäuse angeordnetes Lagergehäuse auf. Im Turbinengehäuse ist ein auf einer Welle befestigtes Turbinenrad vorgesehen, welches vom Abgasstrom einer Brennkraftmaschine angetrieben wird. Die Drehbewegung der Welle wird auf ein ebenfalls auf der Welle befestigtes Verdichterrad übertragen, welches im Verdichtergehäuse angeordnet ist. Die Welle ist im Lagergehäuse drehbar gelagert.
Um einen derartigen Abgasturbolader sowohl bei hohen Motordrehzahlen als auch bei niedrigen Motordrehzahlen sinnvoll betreiben zu können, bedarf es einer Regelung des in das Turbinengehäuse strömenden Abgasmassenstromes.
Es ist bekannt, eine derartige Regelung des in das Turbinengehäuse strömenden Abgasmassenstromes unter Verwendung einer Wastegateanordnung durchzuführen. Diese Wastegateanordnung weist unter anderem eine einen Wastegatekanal verschließende Wastegateklappe, eine Wastegatespindel und einen Wastegateklappenhebel auf. Der Wastegateklappenhebel ist Bestandteil eines Linkagesystems, zu welchem des Weiteren eine Regelstange und ein Aktuator gehören. Dieses Linkagesystem erlaubt eine Verstellung der Wastegateklappe derart, dass sie beim Vorliegen kleiner Abgasmassenströme geschlossen ist und beim Vorliegen großer Abgasmassenströme geöffnet ist. Folglich wird beim Vorliegen kleiner Abgasmassenströme der gesamte Abgasmassenstrom dem Turbinenrad zugeführt und treibt dieses an. Beim Vorliegen großer Abgasmassenströme wird ein Teil des Abgasmassenstromes am Turbinenrad vorbei durch den Wastegatekanal geleitet und umgeht damit das Turbinenrad.
Aus der DE 10 2009 030 520 A1 ist eine Regelklappenanordnung eines Abgasturboladers bekannt. Diese Regelklappenanordnung weist einen Klappenteller, eine mittels einer Buchse im Turbinengehäuse geführte Klappenwelle und eine Dichteinrichtung zur Abdichtung der Klappenwelle an zumindest einer Dichtstelle auf. Die Klappenwelle ist über einen äußeren Klappenhebel mit einer Regelstange eines Antriebs und über einen inneren Klappenhebel mit dem Klappenteller verbunden. Die Dichteinrichtung weist zumindest eine federnde Dichtlippe auf, die unter Vorspannung auf die Dichtstelle drückt.
Aus der DE 20 2011 109 832 U1 ist eine Betätigungseinrichtung für ein Abgasstrom-Steuerelement eines Abgasturboladers bekannt, bei der es sich um eine Wastegateanordnung handeln kann. Diese Wastegateanordnung weist eine in einer Buchse geführte Wastegatespindel auf, die mit einem Spindelstellelement verbunden ist. Im Übergangsbereich zwischen der Wastegatespindel und dem Spindelstellelement ist als Dichtung ein Blechring vorgesehen, der federnde Eigenschaften hat. Dieser Blechring ist tellerförmig ausgebildet und hat eine zentrale Öffnung, einen inneren Ringbereich und einen äußeren Ringbereich, wobei der innere Ringbereich mit dem äußeren Ringbereich durch einen mittleren Ringbereich verbunden ist. Der innere und der äußere Ringbereich sind eben gestaltet und liegen in zur Spiegelachse senkrechten, in axialer Richtung gegeneinander versetzten Ebenen, während der mittlere Ringbereich im Schnitt längs der Achse schräg zu den beiden anderen Ringbereichen verläuft.
Die Wastegatespindel einer Wastegateanordnung ist - wie vorstehend ausgeführt - üblicherweise in einer Lagerbuchse gelagert, welche in das Turbinengehäuse eingepresst ist. Da sich im Betrieb des Abgasturboladers die Wastegatespindel schneller aufheizt als die Lagerbuchse kann es zu einem Klemmen der Wastegatespindel innerhalb der Lagerbuchse kommen. Um dieses Klemmen zu vermeiden, kann die Wärmeausdehnung der Wastegatespindel über einen größeren Durchmesser der Lagerbuchse im Vergleich zum Durchmesser der Wastegatespindel kompensiert werden. Aufgrund des daraus resultierenden Spaltmaßes kann im Betrieb des Abgasturboladers ein Teil des Abgasmassenstromes in unerwünschter Weise vom Turbinengehäuse durch einen Leckspalt zwischen der Lagerbuchse und der Wastegatespindel in die Umgebung des Abgasturboladers entweichen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Wastegateanordnung anzugeben, bei welcher dieses Entweichen eines Teils des Abgasmassenstromes durch den Leckspalt zwischen der Lagerbuchse und der Wastegatespindel in die Umgebung vermieden wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Wastegateanordnung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine Wastegateanordnung gemäß der Erfindung weist eine Wastegateklappe, einen Wastegateklappenhebel, eine Wastegatespindel, eine Lagerbuchse für die Wastegatespindel und ein Dichtelement auf, das im Übergangsbereich zwischen dem Wastegateklappenhebel und der Lagerbuchse positioniert ist.
Dieses Dichtelement ist vorzugsweise in einen Verbreiterungsabschnitt der Lagerbuchse eingesetzt. Es kann zum Beispiel als Volumendichtring ausgeführt werden. Der Volumendichtring besteht aus Weichstoff, vorzugsweise Graphit oder Glimmer, in welches ein oder mehrere Trägerschichten, beispielsweise Stahlbänder, eingeschichtet sind.
In vorteilhafter Weise ist der Verbreiterungsabschnitt der Lagerbuchse in dem dem Wastegateklappenhebel zugewandten Endbereich der Lagerbuchse angeordnet und der in dem Verbreiterungsabschnitt eingesetzte Volumendichtring mit dem Wastegateklappenhebel kontaktiert.
Dabei ist das Dichtelement in vorteilhafter Weise in den Verbreiterungsabschnitt der Lagerbuchse eingepresst, um die gewünschte Dichtwirkung zu erzielen. Dieses Einpressen des Dichtelements in den Verbreiterungsabschnitt erfolgt in axialer Richtung, d. h. in Richtung der Längsachse der Wastegatespindel. Durch dieses Einpressen in axialer Richtung wird durch eine starke Plastifizierung eine hohe Kraft in radialer Richtung sowohl auf die Lagerbuchse als auch auf die Wastegatespindel ausgeübt. Dadurch entsteht zwischen der Wastegatespindel und der Lagerbuchse eine radiale Vorspannung, die während des Betriebes des Abgasturboladers aufrechterhalten wird und die Dichtwirkung des Dichtelements verstärkt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigt

1 eine perspektivische Skizze zur Veranschaulichung des Aufbaus eines mit einer Wastegateanordnung ausgestatteten Abgasturboladers,
2 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung einer Wastegateanordnung,
3 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Leckpfades zwischen der Wastegatespindel und deren Lagerbuchse,
4 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung eines ersten Ausführungsbeispiels für die Erfindung,
5 eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereiches der in der 4 gezeigten Schnittansicht und
6 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung eines zweiten Ausführungsbeispiels für die Erfindung.

Die 1 zeigt eine perspektivische Skizze zur Veranschaulichung des Aufbaus eines mit einer Wastegateanordnung ausgestatteten Abgasturboladers. Dieser Abgasturbolader weist ein Turbinengehäuse 1, ein Verdichtergehäuse 2 und ein zwischen dem Turbinengehäuse und dem Verdichtergehäuse angeordnetes Lagergehäuse 3 auf. Das Turbinengehäuse 1 ist mit dem Abgaskrümmer 1a einer Brennkraftmaschine verbunden, über welchen dem im Turbinengehäuse angeordneten Turbinenrad ein heißer Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Das Turbinenrad wird durch diesen heißen Abgasmassenstrom angetrieben bzw. in Drehung versetzt. Dadurch wird auch die nicht dargestellte Welle des Abgasturboladers, auf welcher das Turbinenrad angeordnet ist, in Drehung versetzt. Diese Drehung der Welle des Abgasturboladers wird auf das im Verdichtergehäuse 2 angeordnete und ebenfalls auf der Welle des Abgasturboladers befestigte Verdichterrad übertragen. Durch diese Drehung des Verdichterrades wird dem Verdichter zugeführte Frischluft verdichtet. Diese verdichtete Frischluft wird der Brennkraftmaschine zugeführt, um deren Leistung zu steigern. Die Welle des Abgasturboladers ist im Lagergehäuse 3 drehbar gelagert.
Des Weiteren ist in der 1 eine Wastegateanordnung 5 gezeigt. Diese ist im Turbinengehäuse 1 angeordnet und weist eine über einen Wastegateklappenhebel 5c und eine Wastegatespindel 5b betätigbare Wastegateklappe 5a auf, die zum Öffnen und Schließen eines Wastegatekanals ausgebildet ist. Die Betätigung bzw. Steuerung der Wastegateklappe erfolgt unter Verwendung eines Aktuators 6, der über ein Stellelement 6a mit dem Wastegateklappenhebel 5c verbunden ist.
Wie bereits oben ausgeführt wurde, ist die Wastegatespindel 5b unter Verwendung einer Lagerbuchse im Turbinengehäuse gelagert, wobei diese Lagerbuchse beispielsweise in das Turbinengehäuse eingepresst ist. Dies wird nachfolgend anhand der 2 veranschaulicht, welche eine Schnittansicht zur Veranschaulichung einer Wastegateanordnung zeigt. Die in der 2 dargestellte Wastegateanordnung weist eine Wastegateklappe 5a auf, die über eine Wastegatespindel 5b mit dem Wastegateklappenhebel 5c eines Linkagesystems 14 verbunden ist. Zu diesem Linkagesystem gehört des Weiteren eine nicht im Detail dargestellte Wastegateregelstange, über welche der Wastegateklappenhebel 5c mit einem ebenfalls nicht im Detail dargestellten Aktuator verbunden ist. Die Wastegatespindel 5b ist in der 2 in ihrem unteren Endbereich mit der Wastegateklappe 5a und in ihrem oberen Endbereich mit dem Wastegateklappenhebel 5c verbunden. Die Wastegatespindel 5b ist in der Lagerbuchse 7 geführt, die in das Turbinengehäuse 1 eingepresst ist.
Da - wie ebenfalls bereits oben ausgeführt wurde - aufgrund der sich im Betrieb des Abgasturboladers auftretenden schnelleren Aufheizung der Wastegatespindel 5b im Vergleich zur Lagerbuchse 7 der Durchmesser der Lagerbuchse im Vergleich zum Durchmesser der Wastegatespindel größer gewählt ist, besteht in den meisten Betriebszuständen des Abgasturboladers ein Leckpfad 9 zwischen der Wastegatespindel 5b und der Lagerbuchse 7.
Dies ist in der 3 gezeigt, welche eine Schnittansicht zur Veranschaulichung des Leckpfades 9 zwischen der Wastegatespindel 5b und der Lagerbuchse 7 zum Gegenstand hat. Aus dieser Schnittansicht ist ersichtlich, dass sich dieser Leckpfad 9 über die gesamte Länge der Lagerbuchse 7 erstreckt. Er steht in seinem unteren Endbereich mit einem in Flussrichtung hinter dem Turbinenrad angeordneten Abgasraum 10 in Verbindung. Von diesem Abgasraum 10 aus tritt Abgas in den Leckpfad 9 ein, durchläuft diesen und wird im oberen Endbereich der Lagerbuchse 7 durch einen Zwischenraum zwischen der Lagerbuchse 7 und dem Wastegateklappenhebel 5c in unerwünschter Weise an die Umgebung 8 abgegeben.
Um dies zu verhindern, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Dichtelement aus Weichstoff verwendet. Dies kann ein Volumendichtring sein. Unter einem Volumendichtring wird eine Dichtung für Hochtemperaturanwendungen verstanden, die einen eine Ringachse in eine Umlaufrichtung geschlossen umlaufenden, gepressten Dichtungsring aufweist und die gegenüber hohen Temperaturen, beispielsweise Temperaturen über 300°C, vorzugsweise Temperaturen über 500°C, beständig ausgebildet ist. Dieser Volumendichtring besteht vorzugsweise aus Graphit oder aus Glimmer, in welches vorzugsweise eine oder mehrere dünne Trägerschichten, beispielsweise Gewebeschichten, vorzugsweise Stahlbänder bzw. Stahlfolien, eingeschichtet sind, die beim Einsetzen des Volumendichtrings an seine Dichtungsstelle zusammen mit Graphit oder Glimmer verpresst werden.
Die 4 zeigt eine Schnittansicht zur Veranschaulichung eines ersten Ausführungsbeispiels für die Erfindung. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Wastegatespindel 5b in einer in das Turbinengehäuse 1 eingepressten Lagerbuchse 7 geführt. Diese Lagerbuchse 7 weist in ihrem in der 4 oberen Endbereich einen die Wastegatespindel 5b umgebenden Verbreiterungsabschnitt 7a auf. In diesen Verbreiterungsabschnitt 7a ist ein Volumendichtring 11 aus Weichstoff eingesetzt, welcher vorzugsweise aus Graphit oder aus Glimmer besteht, in welches ein oder mehrere Trägerschichten, beispielsweise dünne Stahlbänder eingeschichtet sind. Dieser Volumendichtring 11 wird beim Zusammenbau der Wastegateanordnung in der 4 von oben in axialer Richtung in den Verbreiterungsabschnitt 7a der Lagerbuchse 7 eingesetzt. Anschließend erfolgt unter Verwendung des Linkagesystems eine Einpressung des Volumendichtrings 11 in den Verbreiterungsabschnitt 7a der Lagerbuchse 7, so dass nach dieser Einpressung der Wastegateklappenhebel 5c mit dem Volumendichtring 11 kontaktiert ist und diesen in seinem verpressten Zustand fixiert. Durch dieses Verpressen des Volumendichtrings 11 in axialer Richtung wird durch eine starke Plastifizierung des Materials des Volumendichtrings 11 eine hohe Kraft in radialer Richtung 16 sowohl auf die Lagerbuchse 7 als auch auf die Wastegatespindel 5b ausgeübt. Dadurch entsteht eine radiale Vorspannung zwischen der Lagerbuchse 7 und der Wastegatespindel 5b, die über die Betriebslaufzeit der Wastegateanordnung aufrechterhalten bleibt. Durch das in axialer Richtung erfolgende Einpressen des Volumendichtrings 11 in den Verbreiterungsbereich 7a der Lagerbuchse 7 und die dabei gebildete radiale Vorspannung zwischen der Lagerbuchse 7 und der Wastegatespindel 5b wird die Dichtwirkung des Volumendichtrings 11 derart erhöht, dass im Betrieb des Abgasturboladers ein unerwünschtes Austreten von durch den Leckpfad 9 geleitetem Abgas an die Umgebung wirkungsvoll verhindert wird.
Die 5 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs der in der 4 gezeigten Schnittansicht. In dieser vergrößerten Darstellung sind das Turbinengehäuse 1, der Verbreiterungsabschnitt 7a der Lagerbuchse 7, die Wastegatespindel 5b, der Volumendichtring 11 und der Wastegateklappenhebel 5c veranschaulicht. Des Weiteren sind in der 5 die Kraftpfade 12 und die Dichtflächen 13 veranschaulicht, die sich beim bzw. durch das Einsetzen und Verpressen des Volumendichtrings 11 in den Verbreiterungsabschnitt 7a der Lagerbuchse ergeben. Ferner ist aus der 5 ersichtlich, dass das Turbinengehäuse 1 eine Aufnahmestufe 1b zur Aufnahme des Verbreiterungsabschnittes 7a der Lagerbuchse aufweist.
Die 6 zeigt eine Schnittansicht zur Veranschaulichung eines zweiten Ausführungsbeispiels für die Erfindung. Dieses unterscheidet sich von dem in der 4 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass auch im unteren Endbereich der Lagerbuchse 7 ein Volumendichtring 11 vorgesehen ist. Dieser weitere Volumendichtring erhöht die Sicherheit, dass kein Abgas aus dem Abgasraum 10 über den Leckpfad 9 an die Umgebung 8 abgegeben werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Turbinengehäuse
1a: Abgaskrümmer
1b: Aufnahmestufe
2: Verdichtergehäuse
3: Lagergehäuse
4: Turboladerläufer
5: Wastegateanordnung
5a: Wastegateklappe
5b: Wastegatespindel
5c: Wastegateklappenhebel
6: Aktuator
6a: Stellelement
7: Lagerbuchse
7a: Verbreiterungsabschnitt
8: Umgebung
9: Leckpfad
10: Abgasraum
11: Volumendichtring
12: Kraftpfade
13: Dichtflächen
14: Linkagesystem
15: axiale Richtung
16: radiale Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009030520 A1 [0005]
DE 202011109832 U1 [0006]

Claims

Wastegateanordnung (5) für einen ein Turbinengehäuse aufweisenden Abgasturbolader, mit - einer Wastegateklappe (5a), - einem Wastegateklappenhebel (5c), - einer Wastegatespindel (5b) und - einer Lagerbuchse (7) für die Wastegatespindel, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Dichtelement (11) aufweist, das im Übergangsbereich zwischen dem Wastegateklappenhebel (5c) und der Lagerbuchse (7) positioniert ist.
Wastegateanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbuchse einen Verbreiterungsabschnitt (7a) aufweist und dass das Dichtelement in diesen Verbreiterungsabschnitt eingesetzt ist.
Wastegateanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (11) aus einem Weichstoff besteht.
Wastegateanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement aus Graphit oder Glimmer besteht.
Wastegateanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement aus einem Weichstoff besteht, in welchen ein oder mehrere Trägerschichten eingeschichtet sind.
Wastegateanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement ein Volumendichtring ist.
Wastegateanordnung nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbreiterungsabschnitt (7a) der Lagerbuchse (7) in dem dem Wastegateklappenhebel (5c) zugewandten Endbereich der Lagerbuchse (7) angeordnet ist und dass das in den Verbreiterungsabschnitt (7a) eingesetzte Dichtelement (11) mit dem Wastegateklappenhebel (5c) kontaktiert ist.
Wastegateanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (11) in den Verbreiterungsabschnitt (7a) eingepresst ist.
Wastegateanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Wastegatespindel (5b) und der Lagerbuchse (7) eine radiale Vorspannung besteht.
Wastegateanordnung nach einem der Ansprüche 2-9, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (1) eine Aufnahmestufe (1b) aufweist, in welche der Verbreiterungsabschnitt (7a) der Lagerbuchse (7) eingesetzt ist.
Wastegateanordnung nach einem der Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet, dass sie auch in dem vom Wastegateklappenhebel (5c) abgewandten Endbereich der Lagerbuchse (7) ein Dichtelement (11) aufweist.