DE112012002083T5

DE112012002083T5 - Abgasturbolader

Info

Publication number: DE112012002083T5
Application number: DE112012002083.9T
Authority: DE
Inventors: Silvio Koch
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2014-08-14
Also published as: KR20140040806A; WO2013003134A1; KR101894871B1; CN103534456A; CN103534456B; US9562469B2; US20140119896A1; JP5966002B2; JP2014522937A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1) mit einem Verdichter (2), mit einer Turbine (3), die ein Turbinengehäuse (4) aufweist, in dem eine Wastegateöffnung (5) angeordnet ist, und die eine Ladedruck-Regelklappenanordnung (6) mit einem zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung bewegbaren Klappenteller (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenteller (7) mit einem Führungshebel (8) versehen ist, dessen erstes Ende (9) mit einer Rückseite (10) des Klappentellers (7) verbunden ist und dessen zweites freies Ende (11) in einer Kurvenbahn (12) geführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiger Abgasturbolader ist aus der DE 10 2008 011 416 A1 bekannt. Dieser Abgasturbolader weist eine Ladedruck-Regelklappenanordnung auf, wobei es bei derartigen Anordnungen einen Zielkonflikt zwischen dem notwendigen Durchmesser für die Klappenbohrung, den sich daraus ergebenden Kräften/Momenten, dem möglichen Verstellbereich eines Aktuators der Regelklappenanordnung und dem Strömungswiderstand des Systems gibt.
Insbesondere bei Systemen, wie sie aus der zuvor genannten DE 10 2008 011 416 A1 bekannt sind, welche die erforderlichen Aktuatorkräfte mithilfe einer sogenannten Kraftzerlegung reduzieren, kommt es zu einer erheblich vergrößerten Relativbewegung zwischen dem Klappenteller und dem Klappensitz.
Zusammen mit Spielen, Toleranzen und Wärmedehnungen kann das zu einem Verhaken des Klappentellers in der Klappenbohrung, zu erhöhtem Verschleiß und sogar zum Ausfall führen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, der die zuvor erläuterten Nachteile vermindert bzw. gänzlich beseitigt.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Dadurch wird erreicht, dass trotz einer Reduktion des wirksamen Hebelarms am Klappenhebel eine drastische Reduzierung des erforderlichen Kraftbedarfs am Aktuator erreichbar ist, wobei gleichzeitig die Nachteile des gattungsgemäßen Standes der Technik behoben werden, da der Klappenteller mit einem Führungshebel bzw. Zusatzgelenk versehen ist, welches in einer Kurven- bzw. Nockenbahn geführt wird. Diese Kurven- bzw. Nockenbahn (und damit die Klappenanordnung) kann entweder in einem Turbinengehäuse eines Abgasturboladers oder einem Abgaskrümmer integriert sein. Ferner ist es möglich, dass die Kurvenbahn in einem separaten, mit dem Turbinengehäuse oder dem Abgaskrümmer verbindbaren Einsatz angeordnet ist.
Bei dem separaten Einsatz kann der Klappensitz (Dichtfläche) im Turbinengehäuse oder dem Abgaskrümmer integriert sein oder Teil des separaten Einsatzes sein. Der separate Einsatz kann beispielsweise in das Turbinengehäuse oder den Abgaskrümmer eingeschraubt werden.
Hieraus ergeben sich folgende Vorteile:

• Der Klappenteller bewegt sich über weite Strecken parallel zum Klappensitz und kann damit nicht verhaken und diesen somit auch nicht beschädigen.
• Mithilfe einer speziellen Führungsgeometrie ist es möglich, den Klappenteller vollständig aus der Strömung des Abgases herauszuschwenken. Dies reduziert die Strömungsverluste erheblich.
• Gleichzeitig wird aufgrund der Führungsgeometrie nur ein geringer Aktuatorweg benötigt.
• Ferner ergibt sich eine verbesserte Regelbarkeit und im vollständig geöffneten Zustand kann sich der Klappenteller an den Hebel der Regelklappenanordnung anlegen, was den Vorteil ergibt, dass es keinen Körperschall und damit keine Geräusche mehr gibt.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
Es zeigt:
1 eine geschnittene perspektivische Darstellung eines Abgasturboladers, bei dem die erfindungsgemäße Ladedruck-Regelklappenanordnung zum Einsatz kommen kann;
2 eine schematische, leicht vereinfachte Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Regelklappenanordnung;
3 eine perspektivische, schematisch leicht vereinfachte Darstellung der Regelklappenanordnung gemäß 2;
4–6 der 2 entsprechende Darstellungen der Regelklappenanordnung in unterschiedlichen Öffnungszuständen;
7 eine schematisch leicht vereinfachte perspektivische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Regelklappenanordnung;
8 eine perspektivische Darstellung einer als separater Einsatz ausgebildeten Regelklappenanordnung;
9–11 perspektivische Schnittdarstellungen einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers, und
12 eine Schnittdarstellung durch ein Turbinengehäuse eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers und einen mit dem Turbinengehäuse verbundenen Abgaskrümmer mit integrierter Regelklappenanordnung.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform eines Abgasturboladers 1 mit einer erfindungsgemäßen Ladedruck-Regelklappenanordnung 6 beschrieben.
Der in der 1 dargestellte Turbolader 1 weist einen Verdichter 2, eine Turbine 3 mit einem Turbinengehäuse 4 sowie eine von einem Aktuator A betätigbare Ladedruck-Regelklappenanordnung 6 auf.
Die Ladedruck-Regelklappenanordnung 6 weist, wie aus 2 ersichtlich, einen zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung einer Wastegateöffnung 5 bewegbaren Klappenteller 7 auf, wobei in 2 die Schließstellung dargestellt ist. Der Klappenteller 7 ist mit einem Führungshebel 8 versehen, dessen erstes Ende 9 mit einer Rückseite 10 des Klappentellers 7 verbunden ist. Ein zweites freies Ende 11 des Klappentellers 7 ist mit einer Gleitbuchse 15 oder kann mit einem Wälzkörper versehen sein und ist in einer Kurvenbahn 12 geführt, die im Turbinengehäuse oder im Abgaskrümmer ausgebildet ist.
Wie aus einer Zusammenschau von 2 und 3 ersichtlich, weist der Führungshebel 8 einen Hebelabschnitt 8A auf, der sich von dessen freien Ende 11 geradlinig zumindest in etwa parallel zu einer Längsachse L einer Betätigungswelle 14 erstreckt. An den Hebelabschnitt 8A des Führungshebels 8 schließt sich ein abgewinkelt angeordneter Hebelabschnitt 8B an, der sich im Wesentlichen senkrecht zu diesem erstreckt. Danach führt ein in einem stumpfen Winkel β zum Hebelabschnitt 8B angeordneter Hebelabschnitt 8C zum ersten Ende 9 des Führungshebels B.
Wie aus 2 weiter ersichtlich, ist das erste Ende 9 des Führungshebels 8 ferner mit einem Schwenkhebel 13 verbunden, der mit der Betätigungswelle 14 des Aktuators A der Ladedruck-Regelklappenanordnung 6 in Wirkverbindung steht. Der Schwenkhebel 13 weist einen mit der Betätigungswelle 14 verbundenen ersten Hebelarm 13B und einen zweiten Hebelarm 13A auf, der mit dem Klappenteller 7 verbunden ist. Die ersten und zweiten Hebelarme 13A, 13B sind vorzugsweise in einem rechten Winkel α zueinander angeordnet. Der Schwenkhebel 13 ist ferner gekröpft ausgebildet, wobei sich der erste Hebelarm 13B aus einer Ebene E des zweiten Hebelarms 13A erhebt, wie dies detailliert in der perspektivischen Darstellung von 7 veranschaulicht ist.
Wie in 2 veranschaulicht, weist die Kurvenbahn 12 zwei geradlinig ausgebildete Bahnabschnitte 12A und 12B und einen dazwischen angeordneten, gekrümmt ausgebildeten Bahnabschnitt 12C auf. Die Formgebung der gesamten Kurvenbahn 12 ist hierbei so gewählt, dass der Klappenteller 7 ausgehend von der geschlossenen Stellung zuerst im Bahnabschnitt 12A im Wesentlichen parallel zu dessen Sitz am Turbinengehäuse 4 geführt wird. In 4 ist die Ladedruck-Regelklappenanordnung 6 mit geringfügig geöffnetem Klappenteller 7 dargestellt. Im Zuge der in 5 dargestellten weiteren Öffnungsbewegung wird der Klappenteller 7 aufgrund des in der gekrümmten Kurvenbahn 12C geführten freien Endes 11 des Führungshebels 8 vom Dichtsitz weg geschwenkt. Bei vollständig geöffneter Stellung des Klappentellers 7 ist das freie Ende 11, wie in 6 dargestellt, im geradlinigen Bahnabschnitt 12B positioniert und der Klappenteller 7 liegt am zweiten Hebelarm 13A des Schwenkhebels 13 an.
7 zeigt eine alternative Ausführungsform der Ladedruck-Regelklappenanordnung 6, bei der das erste Ende 9 des Führungshebels 8 zudem mit einem Kugelgelenk 16 versehen ist, das in einer Gabelaufnahme 17 des zweiten Hebelarms 13A aufgenommen ist. Bei diesem Gelenk handelt es sich um ein Kugel/Kegel-Design. Es ist aber auch möglich, eine Kugel/Kugel-Verbindung einzusetzen oder die beiden Teile mittels eines Bolzens zu verbinden. Dadurch wird eine betriebssichere Betätigung des Klappentellers 7 auch bei Toleranzabweichungen bzw. Wärmeverformungen zwischen Klappenteller 7 und dessen Sitz am Turbinengehäuse 4 gewährleistet.
Mittels der erfindungsgemäßen Ladedruck-Regelklappenanordnung 6 kann aufgrund des gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduzierten Hebelarms des Schwenkhebels 13 eine minimierte Relativbewegung des Klappentellers 7 sowie ein erheblich reduzierter Kraftbedarf sowie geringerer Betätigungsweg am Aktuator A erreicht werden. Ferner kann dadurch ein Verhaken des Klappentellers 7 während des Betriebs wirksam verhindert werden, was zu einem deutlich verminderten Verschleiß sowie einer wesentlich höheren Betriebssicherheit beiträgt.
In 8 ist eine Regelklappenanordnung dargestellt, die in dieser Ausführungsform als separater Einsatz bzw. als ein separates Einbauteil 18 ausgebildet ist. Dieser Einsatz 18 weist ein Basisteil 19 auf, dessen Aufbau und Dimensionierung an den jeweiligen Einsatzzweck angepasst ist, also an einen Einsatzzweck als Anbauteil an einen Abgaskrümmer oder ein Turbinengehäuse eines Abgasturboladers. Das Basisteil 19 weist die Kurvenbahn 12 auf, an dem die Regelklappenanordnung geführt ist, was den zuvor erläuterten Figuren entspricht, so dass alle übereinstimmenden Teile mit denselben Bezugsziffern versehen sind. Somit kann diesbezüglich hinsichtlich Aufbau und Wirkungsweise auf die voranstehende Beschreibung verwiesen werden.
in den 9 bis 11 sind perspektivische Schnittdarstellungen einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 dargestellt, bei dem alle Teile, die den voranstehenden Ausführungsformen entsprechen, mit den selben Bezugsziffern gekennzeichnet sind.
Die 9 bis 11 verdeutlichen die Anordnung der Führungsbahn 12 in einem Abgaskrümmer 19, wobei diese Führungsbahn 12 Teil eines Deckels bzw. Einbauteils 22 ist. Der Deckel 22 weist hierfür ein Einsatzteil 23 auf, das plattenähnlich ausgebildet ist, in dem die Führungsbahn 12 angeordnet ist. Diese Anordnung ergibt sich insbesondere aus der Darstellung der 10 und 11.
Die Regelklappenanordnung 6 ist somit in einem Bereich des Abgaskrümmers 19 angeordnet, der mit dem Turbinengehäuse 4 verbunden ist, wobei die Wastegateöffnung 5 Teil des Abgaskrümmers 19 ist.
Zum Anordnen der Führungsbahn 12 wird das Einbauteil bzw. der Deckel 22 mit dem Abgaskrümmer 19 verschraubt, wobei der Deckel 22 mit seinem Einsatzteil 23 so dimensioniert ist, dass nach der Fixierung des Deckels 22 am Abgaskrümmer 19 die Führungsbahn 12 an einer geeigneten Stelle im Abgaskrümmer 19 angeordnet ist, die ein Einsetzen des freien Endes 11 in die Führungsbahn 12 möglich macht, wie sich dies im Einzelnen aus der zeichnerischen Darstellung der 9 bis 11 ergibt, auf die diesbezüglich explizit Bezug genommen wird.
9 verdeutlicht ergänzend einen Aktuator 20 mit einer Stellstange 21, die mit der Betätigungswelle 14 verbunden ist, wobei der Aktuator 20 als übliche Betätigungsvorrichtung, wie beispielsweise als Steuerdose, ausgebildet sein kann.
12 stellt eine weitere denkbare Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasturboladers bzw. der erfindungsgemäßen Regelklappenanordnung 6 dar. Hierbei verdeutlicht 12, dass die gesamte Regelklappenanordnung 6, mit der Wastegateöffnung 5, dem Klappenteller 7 und der Führungsbahn 12 sowie dem Führungshebel 8 und dem Schwenkhebel 13 im Abgaskrümmer 19 integriert ist. Der Abgaskrümmer 19 mit der integrierten Regelklappenanordnung 6 wird dann mit dem Turbinengehäuse 4 verbunden, insbesondere verschraubt, wie sich dies aus der zeichnerischen Darstellung der 12 ergibt. Ansonsten kann bezüglich der Ausbildung der Regelklappenanordnung 6 der Ausführungsform gemäß 12 auf die voranstehenden Erläuterungen verwiesen werden.
Zur Ergänzung der Offenbarung der Erfindung wird hiermit explizit auf deren zeichnerische Darstellung in den 1 bis 11 Bezug genommen.
Bezugszeichenliste

1: Abgasturbolader
2: Verdichter
3: Turbine
4: Turbinengehäuse
5: Wastegateöffnung
6: Ladedruck-Regelklappenanordnung
7: Klappenteller
8: Führungshebel
8A, 8B, 8C: Hebelabschnitte
9: erstes Ende
10: Rückseite
11: zweites freies Ende
12: Kurvenbahn
12A, 12B, 12C: Bahnabschnitte
13: Schwenkhebel
13A, 13B: erster, zweiter Hebelarm
14: Betätigungswelle
15: Gleitbuchse
16: Kugelgelenk
17: Gabelaufnahme
18: Einsatz/Einbauteil
19: Abgaskrümmer
20: Aktuator
21: Stellstange
22: Deckel/Einbauteil
23: Einsatzteil
α, β: Winkel
E: Ebene
L: Längsachse
H: resultierender Hebelarm

Claims

Abgasturbolader (1) – mit einem Verdichter (2), und – mit einer Turbine (3), • die ein Turbinengehäuse (4) aufweist, und • die eine Ladedruck-Regelklappenanordnung (6) mit einem zwischen einer Schließstellung auf einer Wastegateöffnung (5) und einer Offenstellung bewegbaren Klappenteller (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenteller (7) mit einem Führungshebel (8) versehen ist, dessen erstes Ende (9) mit einer Rückseite (10) des Klappentellers (7) verbunden ist und dessen zweites freies Ende (11) in einer Kurvenbahn (12) geführt ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Klappenteller (7) mit einem gekröpften Schwenkhebel (13) verbunden ist, der mit einer Betätigungswelle (14) eines Aktuators der Regelklappenanordnung (6) in Wirkverbindung steht.
Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungshebel (8) einen von seinem freien Ende (11) sich zumindest in etwa parallel zu einer Längsachse (L) der Betätigungswelle (14) geradlinig erstreckenden Hebelabschnitt (8A) aufweist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das freie zweite Ende (11) mit einer Gleitbuchse oder einem Wälzkörper (15) versehen ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ende (9) mit einem Kugelgelenk oder einem Bolzengelenk (16) versehen ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenbahn (12) im Turbinengehäuse (4) integriert ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenbahn (12) in einem Abgaskrümmer (19) integriert ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladedruck-Regelklappenanordnung (6) als separater Einsatz (18) ausgebildet ist.