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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei der Abgasturbolader eine Stellvorrichtung zur Anpassung seines Betriebsverhaltens an das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine, die über einen Betätigungsaktuator betätigt wird, aufweist.
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Zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und des Schadstoff-Ausstoßes bei gleichbleibender oder sogar gesteigerter Leistung der Brennkraftmaschine, insbesondere eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug, werden vermehrt kleinvolumige Motorkonzepte, sogenannte Downsizing-Konzepte, zugrunde gelegt, die zur Leistungssteigerung mit Abgasturboladern ausgestattet sind.
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Das Wirkprinzip eines Abgasturboladers besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen um den Druck im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken und somit mehr Treibstoff, Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung der Brennkraftmaschine zu erhöhen.
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Dazu weist der Abgasturbolader eine im Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnete Abgasturbine, einen im Ansaugtrakt angeordneten Frischluftverdichter und ein dazwischen angeordnetes Läuferlager auf. Die Abgasturbine weist ein Turbinengehäuse und ein darin angeordnetes, durch den Abgasmassenstrom angetriebenes Turbinenlaufrad auf. Der Frischluftverdichter weist ein Verdichtergehäuse und ein darin angeordnetes, einen Ladedruck aufbauendes Verdichterlaufrad auf. Das Turbinenlaufrad und das Verdichterlaufrad sind auf den sich gegenüberliegenden Enden einer gemeinsamen Welle, der sogenannten Läuferwelle, drehfest angeordnet und bilden so den sogenannten Turboladerläufer. Die Läuferwelle erstreckt sich axial zwischen Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad durch das zwischen Abgasturbine und Frischluftverdichter angeordnete Läuferlager und ist in diesem, in Bezug auf die Läuferwellenachse, radial und axial drehgelagert. Gemäß diesem Aufbau treibt das vom Abgasmassenstrom angetriebene Turbinenlaufrad über die Läuferwelle das Verdichterlaufrad an, wodurch der Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors, bezogen auf den Frischluftmassenstrom hinter dem Frischluftverdichter, erhöht und dadurch eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff bewirkt wird.
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Turbinen und Verdichter sind Strömungsmaschinen und haben aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeiten einen jeweils von Baugröße und Bauart abhängigen optimalen Betriebsbereich der durch den Massedurchsatz, das Druckverhältnis und die Drehzahl des jeweiligen Laufrades gekennzeichnet ist.
Im Gegensatz dazu ist der Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug von dynamischen Änderungen der Last und des Betriebsbereiches gekennzeichnet.
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Um nun den Betriebsbereich des Abgasturboladers an sich ändernde Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine anpassen zu können und so ein gewünschtes Ansprechverhalten möglichst ohne spürbare Verzögerungen (Turboloch) zu gewährleisten, werden Abgasturbolader mit zusätzlichen Stellvorrichtungen, wie zum Beispiel einer sogenannten Variablen Turbinengeometrie (VTG) oder einer Wastegate-Einrichtung (WG) auf der Abgas- oder Turbinenseite und einer Schubumluft- oder Abblas-Einrichtung auf der Zuluft- oder Verdichterseite ausgestattet. Diese dienen dazu das träge Verhalten und somit das verzögerte Ansprechverhalten des Turboladers zu minimieren und schädliche Betriebszustände zu vermeiden.
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Je nach Drehzahl und Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors wird in Abhängigkeit von den Lastanforderungen das Wastegate-Ventil bzw. die Variable Turbinengeometrie so eingestellt, dass die Drehzahl von Turbinen- und Verdichterlaufrad sowie das Druckverhältnis, insbesondere an der Abgasturbine, innerhalb des gewünschten Arbeitsbereichs des Abgasturboladers 1 gehalten werden kann.
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Andererseits besteht in Betriebsphasen, in denen die Leistung der Brennkraftmaschine schnell heruntergefahren wird, ebenfalls durch die Trägheit des Turboladers bedingt, ein Überangebot an Verdichterleistung, was zum sogenannten Verdichterpumpen führen kann. Dieser Zustand bedeutet eine erhöhte mechanische Belastung für die Bauteile des Turboladers und des Verdichters insbesondere, und kann gar zur Schädigung der entsprechenden Bauteile führen. Dies gilt es im Betrieb zu vermeiden.
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Um nun solche Betriebszustände zu vermeiden, wird zum einen über eine Wastegate-Einrichtung Abgas an der Turbine des Abgasturboladers vorbei in den Abgasabführkanal geleitet und bereits verdichtetes Frischgas wird nach dem Verdichter abgeblasen oder über eine weitere Bypass-Ventil-Einrichtung entspannt und in den Ansaugbereich vor dem Verdichter zurückgeführt.
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Da die entsprechenden Einstellungen der oben genannten Stellvorrichtungen wiederum Betriebspunktabhängig gesteuert oder geregelt werden müssen, werden entsprechende Betätigungsaktuatoren zur betriebspunktabhängigen Einstellung der vorgenannten Stelleinrichtungen eingesetzt. Hierzu werden bevorzugt pneumatische oder elektromechanische Aktuatoren eingesetzt die lineare oder rotatorische, mechanische Stellgrößen vorgeben. Diese müssen nun wiederum auf die Stelleinrichtungen übertragen werden. Dazu werden in bekannter Weise Übertragungselemente, die unmittelbar oder mittelbar mit dem jeweiligen Betätigungsaktuator einerseits und mit der jeweiligen Stellvorrichtung andererseits gekoppelt sind, zur Übertragung einer Stellgröße des Betätigungsaktuators auf die Stellvorrichtung, eingesetzt. An diese Übertragungselemente werden hohe Anforderungen in Bezug auf Funktionssicherheit, einfache Montage und Ausgleich von Lagetoleranzen der zu verbindenden Komponenten gestellt.
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Da Abgasturbolader andererseits, zwischenzeitlich in hohen Stückzahlen Anwendung finden, sind diese verstärkt den Anforderungen der Großserienproduktion nach einem möglichst einfachen Aufbau aufwandsarmer Herstellung und Montage sowie insgesamt niedrigen Kosten unterworfen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Abgasturbolader anzugeben, die sich durch hohe Betriebssicherheit bei gleichzeitig niedrigen Kosten auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder, sofern es sich nicht um sich gegenseitig ausschließende Alternativen handelt, in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß wird ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine vorgestellt, der eine Stellvorrichtung, zur Anpassung seines Betriebsverhaltens an das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine, einen Betätigungsaktuator, zur Betätigung der Stellvorrichtung, und ein Übertragungselement, das unmittelbar oder mittelbar mit dem Betätigungsaktuator einerseits und mit der Stellvorrichtung andererseits gekoppelt ist, zur Übertragung einer Stellgröße des Betätigungsaktuators auf die Stellvorrichtung, aufweist. Dieser Abgasturbolader ist dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement einen zumindest dreiteiligen Aufbau aufweist, bestehend aus einem Verbindungsstab, einem ersten Koppelelement, das an einem Ende des Verbindungsstabes angeordnet ist und einem zweiten Koppelelement das an dem gegenüberliegenden Ende des Verbindungsstabes angeordnet ist, wobei der Verbindungsstab als Rohrelement mit einem lichten Innenquerschnitt und einer Rohrwand ausgebildet ist. Insbesondere die Ausführung des Verbindungsstabes als einfaches Rohrelement führt hier zu einer erheblichen Materialeinsparung und somit zu reduziertem Gewicht und Materialbedarf. Das Rohrelement kann dabei unterschiedliche Querschnitte, wie zum Beispiel rund, oval, mehrkantig oder auf sonstige Weise unrund aufweisen.
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Bei einer solchen Ausführung des Abgasturboladers sind durch den Einsatz des beschriebenen Übertragungselements und dessen einfachen Aufbaus, sowie der unkomplizierten Montage, Kostenvorteile zu erzielen.
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Eine vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Koppelelement, das zweite Koppelelement oder auch beide Koppelelemente, jeweils einen Verbindungszapfen mit einem, zu dem Innenquerschnitt des Rohrelements korrespondierenden, Zapfenquerschnitt aufweist, wobei das jeweilige Koppelelement mit seinem Verbindungszapfen in das jeweilige Ende des Rohrelements eingefügt und mit diesem verbunden ist. Das heißt, dass der jeweilige Verbindungszapfen in seinem Querschnitt dem Querschnitt des Rohrelements, ob rund, oval, mehrkantig, etc. angepasst und so dimensioniert ist, dass er mit Spiel bis hin zu geringem Übermaß in das Rohrende des Rohrelements, zum Beispiel bis zu einem Anschlag, eingefügt werden kann. Dies ermöglicht ein einfaches Zusammenfügen und eine genaue Positionierung der einzelnen Bauteile zueinander bei der Herstellung des Übertragungselements.
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Eine kreisrunde Geometrie stellt hier sicher die einfachste Variante dar. Demgegenüber hat eine ovale oder mehrkantige Ausführung des Rohrelements den Vorteil, dass die Drehlagen von Rohrelement und den Koppelelementen zueinander, nach dem Einfügen des Verbindungszapfens des jeweiligen Koppelelements in das Rohrende des Rohrelements, durch Formschluss aus der Konstruktion heraus bestimmt sind, was zur Vereinfachung des Montagevorgangs beiträgt.
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In unterschiedlicher Ausführung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers, kann die Verbindung zwischen dem Verbindungszapfen und dem Rohrelement als Pressverbindung oder als Schweißverbindung oder als Lötverbindung oder als Klebeverbindung ausgeführt sein. Die genannten Verbindungsarten haben den Vorteil einer sicheren und dauerhaften Verbindung zwischen dem jeweiligen Koppelelement und dem Rohrende des Rohrelements.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers weist der Verbindungszapfen des jeweiligen Koppelelements eine Taillierung auf und die Rohrwand des Rohrelements ist im Bereich der Taillierung durch Pressverformung an die Taillierung des Verbindungszapfens angeschmiegt. Dadurch ist eine formschlüssige Pressverbindung zwischen Rohrelement und dem jeweiligen Koppelelement ausgebildet, dies stellt durch Kombination von Kraft- und Formschluss eine besonders dauerhafte Verbindung zwischen Rohrelement und dem jeweiligen Koppelelement dar. Auch besteht ggf. die Möglichkeit die Gesamtlänge des Übertragungselements während der Montage noch zu korrigieren, indem die formschlüssige Pressverbindung erst nach Einrichtung der Gesamtlänge im Einbauzustand hergestellt wird.
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Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Koppelelement ausgebildet ist als Element einer Kugelgelenkverbindung. Dies beinhaltet sowohl die Ausführung als Gelenkkugel bzw. Teil-Gelenkkugel als auch die Ausführung als entsprechende Kugelaufnahme, insbesondere als Kugelpfanne. Das heißt zumindest eine der Verbindungen zwischen Übertragungselement und einem Antriebselement des Betätigungsaktuators oder zwischen Übertragungselement und einem Stellhebel der Stellvorrichtung ist als Kugelgelenkverbindung ausgeführt, wobei die Gelenkkugel entweder am jeweiligen Koppelelement des Übertragungselements und die Kugelaufnahme auf der Seite des Betätigungsaktuators bzw. der Stellvorrichtung; oder die Gelenkkugel auf der Seite des Betätigungsaktuators bzw. der Stellvorrichtung und die Kugelaufnahme am jeweiligen Koppelelement des Übertragungselements angebracht sind. Eine solche Kugelgelenkverbindung hat dabei den Vorteil, dass axiale Lageabweichungen oder Lageveränderungen des Übertragungselements bei der Stellbewegung in alle Richtungen zumindest in begrenztem Maß ausgeglichen werden können.
Es versteht sich, dass selbstverständlich auch beide, das erste und das zweite Koppelelement des Übertragungselements, als Element einer Kugelgelenkverbindung ausgebildet sein können.
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In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist zumindest ein Koppelelement ausgebildet ist als Element einer Zapfengelenkverbindung. Eine Zapfengelenkverbindung besteht dabei in einem zylindrischen Gelenkzapfen, der an einem der Verbindungspartner angeordnet ist und einer korrespondierenden hohlzylindrischen Zapfenaufnahme, die an dem anderen Verbindungspartner angeordnet ist. Diese Ausführung beinhaltet sowohl die Ausführung des jeweiligen Koppelelements des Übertragungselements als Gelenkzapfen als auch die Ausführung als entsprechende Zapfenaufnahme. Das heißt zumindest eine der Verbindungen zwischen Übertragungselement und einem Antriebselement des Betätigungsaktuators oder zwischen Übertragungselement und einem Stellhebel der Stellvorrichtung ist als Zapfengelenkverbindung ausgeführt, wobei der Gelenkzapfen entweder am jeweiligen Koppelelement des Übertragungselements und die Zapfenaufnahme auf der Seite des Betätigungsaktuators bzw. der Stellvorrichtung; oder der Gelenkzapfen auf der Seite des Betätigungsaktuators bzw. der Stellvorrichtung und die Zapfenaufnahme am jeweiligen Koppelelement des Übertragungselements angebracht sind. Eine solche Zapfengelenkverbindung hat dabei den Vorteil einer sehr einfachen und somit kostengünstigen Ausführung.
Es versteht sich, dass selbstverständlich auch beide, das erste und das zweite Koppelelement des Übertragungselements, als Element einer Zapfengelenkverbindung ausgebildet sein können.
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Selbstverständlich kann ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader auch ein Übertragungselement aufweisen, bei dem das erste Koppelelement als Element einer Kugelgelenkverbindung ausgebildet ist und gleichzeitig das zweite Koppelelement als Element einer Zapfengelenkverbindung ausgebildet ist oder auch umgekehrt.
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Die Merkmale und Merkmalskombinationen der vorstehend in der Beschreibung genannten Ausführungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind, soweit diese nicht alternativ anwendbar sind oder sich gar gegenseitig ausschließen, einzeln, zum Teil oder insgesamt, auch in gegenseitiger Kombination oder gegenseitiger Ergänzung, in Fortbildung des erfindungsgemäßen Gegenstands anzuwenden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Entsprechende Ausführungen erfindungsgemäßer Abgasturbolader werden mit Hilfe der Figuren näher erläutert, dabei zeigt:
- 1, eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit einer Stellvorrichtung, einem Betätigungsaktuator und einem Übertragungselement;
- 2, eine dreidimensionale Darstellung eines Übertragungselements einer Ausführung des Abgasturboladers; und
- 3 eine vergrößerte Darstellung eines Koppelelements eines Übertragungselements einer Ausführung eines Abgasturboladers.
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Funktions- und Benennungsgleiche Teile sind in den Figuren durchgehend mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Anhand der Figur ist der prinzipielle Aufbau einer Ausführung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1, mit einer Abgasturbine 20, einem als Radialverdichter 30 ausgeführten Frischluftverdichter und einer dazwischen angeordneten Läuferlagereinheit 40 gezeigt.
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Das Turbinengehäuse 21 weist einen Krümmer-Anschlussstutzen 24 zum Anschluss an den Abgaskrümmer einer Brennkraftmaschine und einen Auspuff-Anschlussstutzen zum Anschluss an das Auspuffrohr auf. An der Abgasturbine weiterhin zu erkennen ist ein Stellhebel 51 einer im Gehäuseinneren angeordneten Stellvorrichtung 50, hier ein Wastegate-Ventil.
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Weiterhin zeigt 1 den als Radialverdichter 30 ausgeführten Frischluftverdichter. Das Verdichtergehäuse 31 weist einen Saugrohranschlussstutzen 34 zum Anschluss an das Saugrohr der Brennkraftmaschine und einen Ansaugstutzenanschluss 37 zum Anschluss an den Ansaugstutzen der Brennkraftmaschine, über den Frischluft von außen, z. B. über eine Filtereinheit, angesaugt wird.
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Am Verdichtergehäuse 31 angeordnet, ist ein Betätigungsaktuator 60, zur Betätigung der Stellvorrichtung 50, der in dieser Ausführung als elektromechanischer Stellantrieb mit einer Abtriebskurbel 61 ausgeführt ist. Zur Übertragung der vom Betätigungsaktuator 60 vorgegebenen Stellgröße auf die Stellvorrichtung 50 ist ein Übertragungselement 70 vorgesehen, das hier über die Abtriebskurbel 61 mit dem Betätigungsaktuator 60 einerseits und über den Stellhebel 51 mit der Stellvorrichtung 50 andererseits gekoppelt ist.
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Das Übertragungselement 70 weist einen dreiteiligen Aufbau auf, bestehend aus einem als Rohrelement 73 ausgeführten Verbindungsstab, einem ersten Koppelelement 71, das an einem Ende des Rohrelements 73 angeordnet ist und einem zweiten Koppelelement 72 das an dem gegenüberliegenden Ende des Rohrelements 73 angeordnet ist. Das Rohrelement 73 weist dabei einen lichten Innenquerschnitt und eine Rohrwand 74 auf, was in 1 nicht zu erkennen ist.
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Erkennbar ist jedoch, dass das erste Koppelelement 71 als Element einer Zapfengelenkverbindung 78 ausgebildet ist, wobei hier das Koppelelement die Zapfenaufnahme darstellt und der Gelenkzapfen am Stellhebel 51 der Stellvorrichtung 50 angeordnet ist. Das zweite Koppelelement 72 ist dagegen als Element einer Kugelgelenkverbindung 79 ausgeführt, wobei das Koppelelement 72 die Kugelaufnahme darstellt und der Kugelkopf an der Antriebkurbel 61 des Betätigungsaktuators 60 angeordnet ist.
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In 2 ist nun das in 1 bereits dargestellte Übertragungselement 70 isoliert und vergrößert dargestellt, wodurch die Einzelheiten besser erkennbar sind. Das Rohrelement 73 ist dabei in der Mitte aufgebrochen dargestellt, um die Variabilität der Länge der Rohrelements 73 hervorzuheben.
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An dem, in der Zeichnung, links gezeigten Ende des Rohrelements 73 ist das erste Koppelelement 71 angebracht. Mit gestrichelter Linie ist der Verbindungszapfen 75 angedeutet, der einen an den Innenquerschnitt QRi des Rohrelements angepassten Zapfenquerschnitt QZ aufweist und der in das Rohrende eingefügt und mit diesem verbunden ist. Dabei kann die Verbindung hergestellt sein beispielsweise als Pressverbindung oder als Schweißverbindung oder als Lötverbindung oder als Klebeverbindung. Das gezeigte erste Koppelelement 71 ist in dieser Ausführung ausgebildet als Element einer Zapfengelenkverbindung 78, nämlich als Zapfenaufnahme 78b, die in einfacher Ausführung durch eine zylindrische Bohrung im Koppelelement dargestellt sein kann. Das dazu komplementäre Element der Zapfengelenkverbindung 78 ist der Gelenkzapfen 78a, der in 2, zur besseren Kenntlichmachung, gelöst von der Zapfenaufnahme 78b, in Verbindung mit dem Stellhebel 51 der Stellvorrichtung 50 dargestellt ist.
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An dem, in der Zeichnung, rechts gezeigten Ende des Rohrelements 73 ist das zweite Koppelelement 72 angebracht. Mit gestrichelter Linie ist auch hier der Verbindungszapfen 75 angedeutet, der einen an den Innenquerschnitt QRi des Rohrelements angepassten Zapfenquerschnitt QZ aufweist und der in das Rohrende eingefügt und mit diesem verbunden ist. Dabei kann die Verbindung auch in diesem Fall beispielsweise hergestellt sein als Pressverbindung oder als Schweißverbindung oder als Lötverbindung oder als Klebeverbindung. Das gezeigte zweite Koppelelement 72 ist in dieser Ausführung ausgebildet als Element einer Kugelgelenkverbindung 79, nämlich als Kugelaufnahme 79b, die durch eine Kugelpfanne im Koppelelement 72 dargestellt sein kann. Das dazu komplementäre Element der Kugelgelenkverbindung 79 ist die Gelenkkugel 79a, die in 2, zur besseren Kenntlichmachung, gelöst von der Kugelaufnahme 79b, in Verbindung mit der Antriebskurbel 61 des Betätigungsaktuators 60 dargestellt ist.
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In anderer, nicht dargestellter Ausführung des Abgasturboladers können selbstverständlich auch andere Kombinationen unterschiedlicher oder gleicher Koppelelemente vorgesehen sein.
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3 schließlich zeigt ein abgeschnittenes Ende des Übertragungselement 70 eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit dem an dem aufgeschnitten dargestellten Rohrende angebrachten Koppelelement, das hier als das erste Koppelelement 71 bezeichnet wird. Die gezeigte Ausführung kann jedoch auch für das zweite Koppelelement 72 zutreffen.
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In dieser Darstellung gut erkennbar ist der Abschnitt des Rohrelements 73 mit seiner Rohrwand 74 und dem Innenquerschnitt QRi des Rohrelements, wobei hier in einfacher Ausführung ein kreisrunder Innenquerschnitt QRi gezeigt ist. Das erste Koppelelement 71 ist als Element einer Kugelgelenkverbindung 79 mit einer Kugelaufnahme 79b ausgeführt und weist einen Verbindungszapfen 75 auf, der einen an den Innenquerschnitt QRi des Rohrelements angepassten Zapfenquerschnitt QZ aufweist und in das Rohrende des Rohrelements 73 soweit eingefügt ist, dass das Rohrende des Rohrelements 73 an der Zapfenbasisfläche 75b des Koppelelements 71, auf der der Verbindungszapfen angeordnet ist, ansteht.
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Der in 3 gezeigte Verbindungszapfen 75 weist eine Taillierung 76 auf und die Rohrwand 74 des Rohrelements 73 ist im Bereich dieser Taillierung 76 durch Pressverformung an die Taillierung 76 des Verbindungszapfens 75 angeschmiegt. Dadurch ist eine formschlüssige Pressverbindung zwischen Rohrelement 73 und dem Koppelelement 71 ausgebildet.
