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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 23. September 2014 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/054,023 mit dem Titel „Turbocharger With Integrated Actuator (Turbolader mit integriertem Aktuator)“.
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HINTERGRUND
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Vorteile von Turboaufladung umfassen erhöhte Leistungsabgabe, geringeren Kraftstoffverbrauch und reduzierte Schadstoffemissionen. Die Turboaufladung von Motoren wird nicht mehr primär unter dem Blickwinkel einer hohen Leistung betrachtet, sondern wird stattdessen als ein Mittel zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Umweltverschmutzung aufgrund niedrigerer Kohlendioxid(CO2)-Emissionen angesehen. Derzeit liegt ein Hauptgrund für eine Turboaufladung in der Verwendung von Abgasenergie zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und von Emissionen. Bei turboaufgeladenen Motoren wird Verbrennungsluft vor der Zufuhr zum Motor vorverdichtet. Der Motor saugt das gleiche Volumen an Luft-Kraftstoff-Gemisch wie ein selbstsaugender Motor, jedoch wird aufgrund des höheren Drucks und somit der höheren Dichte mehr Luft- und Kraftstoffmasse auf gesteuerte Weise in eine Brennkammer zugeführt. Dadurch kann mehr Kraftstoff verbrannt werden, so dass die Leistungsabgabe des Motors in Bezug auf die Drehzahl und den Hubraum erhöht wird.
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Bei der Abgasturboaufladung wird ein Teil der Abgasenergie, die normalerweise verlorengehen würde, zum Antreiben einer Turbine verwendet. Die Turbine umfasst ein Turbinenrad, das auf einer Welle angebracht ist und durch den Abgasstrom drehangetrieben wird. Der Turbolader führt einen Teil dieser normalerweise verlorengehenden Abgasenergie in den Motor zurück, was zum Motorwirkungsgrad beiträgt und Kraftstoff einspart. Dies wird durch einen Verdichter erzielt, der durch die Turbine angetrieben wird und gefilterte Umgebungsluft einsaugt, die Luft verdichtet und die verdichtete Luft dann dem Motor zuführt. Der Verdichter umfasst ein Verdichterrad, das auf derselben Welle angebracht ist, so dass eine Drehung des Turbinenrads eine Drehung des Verdichterrads bewirkt.
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Turbolader umfassen in der Regel ein mit dem Auslasskrümmer des Motors verbundenes Turbinengehäuse, ein mit dem Einlasskrümmer des Motors verbundenes Verdichtergehäuse und ein das Turbinen- und das Verdichtergehäuse koppelndes Mittellagergehäuse. Das Turbinengehäuse definiert eine Spirale, die das Turbinenrad umgibt und die Abgas von dem Motor empfängt. Das Turbinenrad im Turbinengehäuse wird durch einen gesteuerten Zustrom von von dem Auslasskrümmer über die Spirale zugeführtem Abgas drehangetrieben.
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KURZDARSTELLUNG
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Bei einigen Aspekten umfasst ein Turbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG-Turbolader) ein Turbinenrad, ein Turbinengehäuse, das das Turbinenrad umgibt, und eine VTG-Vorrichtung, die in dem Turbinengehäuse neben dem Turbinenrad angeordnet ist. Die VTG-Vorrichtung ist dazu konfiguriert, die Menge an Abgas, die dem Turbinenrad zugeführt wird, selektiv zu steuern. Der Turbolader umfasst ein Lagergehäuse, das eine Wellenaufnahmebohrung definiert, und einen Betätigungsmechanismus, der dazu konfiguriert ist, die VTG-Vorrichtung mit einem Aktuator zu verbinden. Der Betätigungsmechanismus umfasst eine Betätigungsschwenkwelle, die in der Wellenaufnahmebohrung angeordnet und mit der VTG-Vorrichtung verbunden ist, und mindestens ein Abschnitt des Betätigungsmechanismus ist außerhalb des Lagergehäuses angeordnet. Der Turbolader umfasst den Aktuator und eine Abdeckung, die den Aktuator und den Betätigungsmechanismus umgibt. Die Abdeckung bildet eine abgedichtete Verbindung mit dem Lagergehäuse, so dass ein Entweichen von in die Wellenaufnahmebohrung strömendem Abgas in die Atmosphäre verhindert wird.
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Der Turbolader umfasst eines oder mehrere der folgenden Merkmale: Die Abdeckung umfasst einen Lufteinlass, der mit einer Quelle mit Druck beaufschlagter Luft verbunden ist, wobei Gas innerhalb des durch die Abdeckung umgebenen Bereichs einen Druck aufweist, der über Atmosphärendruck liegt. Die Quelle mit Druck beaufschlagter Luft umfasst einen Luftauslass eines Verdichterbereichs des Turboladers. Das Lagergehäuse umfasst einen Durchgang, der die Wellenaufnahmebohrung mit einem Schmierölablass verbindet, wobei mit Druck beaufschlagte Luft von innerhalb der Abdeckung über den Durchgang und den Ölablass aus dem Turbolader austritt. Die Wellenaufnahmebohrung umfasst ein erstes Ende neben dem Betätigungsmechanismus und ein zweites Ende neben der VTG-Vorrichtung, das Lagergehäuse umfasst einen Schmierölablass und einen Durchgang, der die Wellenaufnahmebohrung mit dem Schmierölablass verbindet, und der Durchgang steht mit der Wellenaufnahmebohrung an einer Stelle zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende in Verbindung. Der Turbolader umfasst Kolbenringe, die zwischen der Betätigungsschwenkwelle und der Wellenaufnahmebohrung angeordnet sind, und wobei der Durchgang mit der Wellenaufnahmebohrung an einer Stelle zwischen benachbarten Kolbenringen in Verbindung steht. Der Betätigungsmechanismus umfasst Zwischenverbindungselemente, die zur Übertragung einer durch den Aktuator bereitgestellten Drehbewegung in eine Drehbewegung der Betätigungsschwenkwelle konfiguriert sind, und jedes Element des Betätigungsmechanismus umfasst eine verzahnte Fläche, und jedes Element ist über seine jeweilige verzahnte Fläche mit einem angrenzenden Zwischenverbindungselement verbunden. Die Abdeckung umfasst einen Lufteinlass, der mit einer Quelle mit Druck beaufschlagter Luft verbunden ist, und der Turbolader umfasst einen Luftkühler, der dazu konfiguriert ist, Luft aus der Quelle mit Druck beaufschlagter Luft zu kühlen, bevor sie den Lufteinlass erreicht, wodurch Gas in einem von der Abdeckung umgebenen Bereich unter eine Umgebungstemperatur außerhalb der Abdeckung abgekühlt werden kann.
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Bei einigen Aspekten ist eine Betätigungsanordnung auf einer äußeren Fläche eines Gehäuses befestigt und ist dazu konfiguriert, eine in dem Gehäuse positionierte Vorrichtung zu betätigen. Die Betätigungsanordnung umfasst einen Aktuator und eine Betätigungsschwenkwelle, die sich durch eine Wellenaufnahmebohrung in dem Gehäuse hindurch erstreckt. Die Betätigungsschwenkwelle umfasst ein erstes Ende, das außerhalb des Gehäuses angeordnet ist und mit dem Aktuator verbunden ist, und ein zweites Ende, das innerhalb des Gehäuses angeordnet und mit der Vorrichtung verbunden ist. Die Betätigungsanordnung umfasst einen Betätigungsmechanismus, der die Betätigungsschwenkwelle mit dem Aktuator verbindet, und eine Abdeckung, die mit einem Abschnitt der äußeren Fläche des Gehäuses dahingehend zusammenwirkt, eine abgedichtete Kapselung zu bilden, die den Aktuator, den Betätigungsmechanismus und das erste Ende der Betätigungsschwenkwelle einkapselt.
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Die Betätigungsanordnung umfasst eines oder mehrere der folgenden Merkmale: Gas innerhalb der abgedichteten Kapselung weist einen Druck auf, der über Atmosphärendruck liegt. Die Abdeckung umfasst einen Lufteinlass, der mit einer Quelle mit Druck beaufschlagter Luft verbunden ist, wobei Gas innerhalb der abgedichteten Kapselung einen Druck aufweist, der über Atmosphärendruck liegt. Das Gehäuse umfasst ferner einen darin ausgebildeten Senkendurchgang, wobei der Senkendurchgang einen Fluidströmungspfad zwischen der Wellenaufnahmebohrung und einer Ablassöffnung, die an einer Stelle, die nicht von der Abdeckung eingekapselt wird, in dem Gehäuse ausgebildet ist, definiert. Die Betätigungsanordnung umfasst eine erste Dichtung und eine zweite Dichtung. Die erste Dichtung umfasst Kolbenringe, die zwischen der Betätigungsschwenkwelle und der Wellenaufnahmebohrung angeordnet sind, und die zweite Dichtung umfasst eine Region mit relativ niedrigem Druck an einer Stelle, die einem Senkendurchgang in dem Gehäuse entspricht, und Regionen mit hohem Druck, die auf der Region mit relativ niedrigem Druck gegenüberliegenden Seiten vorgesehen sind. Der Betätigungsmechanismus umfasst Zwischenverbindungselemente, die zur Übertragung einer durch den Aktuator bereitgestellten Drehbewegung in eine Drehbewegung der Betätigungsschwenkwelle konfiguriert sind, und jedes Element des Betätigungsmechanismus umfasst eine verzahnte Fläche, und jedes Element ist über seine jeweilige verzahnte Fläche mit einem angrenzenden Zwischenverbindungselement verbunden. Die Abdeckung umfasst einen Lufteinlass, der mit einer Quelle gekühlter Luft verbunden ist, wodurch Gas innerhalb der abgedichteten Kapselung eine Temperatur aufweist, die unter Umgebungstemperatur liegt.
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VTG-Turbolader gestatten eine Variation eines zu dem Turbinenrad führenden Turbinendurchflussquerschnitts gemäß Motorbetriebspunkten. Dies gestattet eine Nutzung der gesamten Abgasenergie und eine optimale Einstellung des Turbinendurchflussquerschnitts für jeden Betriebspunkt. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Turboladers und somit der des Motors höher sein, als der, der mit einer Umgehungssteuerung einer Wastegateventilanordnung erzielt wird.
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Bei einigen VTG-Turboladern werden einstellbare Leitschaufeln in der Turbine zur Steuerung des Druckaufbauverhaltens und somit der Turboladerleistungsabgabe wendet. Die einstellbaren Leitschaufeln sind mit einem unteren Kranz und einem oberen Schaufelkranz, darunter verschiedene mögliche Kränze und/oder eine Düsenwand, schwenkverbunden. Die Winkelposition der Leitschaufeln wird dahingehend eingestellt, den Abgasgegendruck und die Turboladerdrehzahl durch Modulieren des Abgasstroms zu dem Turbinenrad zu steuern. Die Leitschaufeln können durch Schaufelhebel, die über dem oberen Schaufelkranz positioniert sein können, geschwenkt werden. Die Leistung der und der Strom zur Turbine werden durch Änderungen des Strömungswinkels zum Turbinenrad durch Schwenken der Leitschaufeln beeinflusst.
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Ein Ziel von VTG-Turboladern besteht darin, den nutzbaren Durchsatzbereich bei praktischen Anwendungen unter Beibehaltung eines hohen Wirkungsgrads auszuweiten. Zur Erreichung dieses Ziels wird die Turbinenleistung durch Ändern des Anströmwinkels und der Anströmgeschwindigkeit des Abgasstroms an einem Turbinenradeinlass reguliert. Bei VTG-Turboladern wird dies durch Verwendung von Leitschaufeln vor dem Turbinenrad, die ihren Anstellwinkel mit der Abgasstromgeschwindigkeit ändern, erzielt. Dadurch wird Verzug bei langsamen Drehzahlen reduziert, während zur Verhinderung von Abgasgegendruck bei höheren Drehzahlen geöffnet wird.
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Mit VTG können Turboladerverhältnisse bei Änderungen der Bedingungen geändert werden. Wenn sich die Leitschaufeln in einer geschlossenen Position befinden, führen die hohen Umfangskomponenten der Strömungsgeschwindigkeit und ein steiles Enthalpiegefälle zu einer hohen Turbinenleistung und somit zu einem hohen Ladedruck. Wenn sich die Leitschaufeln in einer vollständig geöffneten Position befinden, erreicht die Turbine ihren maximalen Durchsatz und der Strömungsgeschwindigkeitsvektor weist eine große Zentripetalkomponente auf. Der Vorteil dieser Art von Leistungssteuerung gegenüber der Umgehungssteuerung besteht darin, dass der gesamte Abgasstrom stets durch die Turbine geleitet wird und in Leistung umgewandelt werden kann. Einstellungen der Leitschaufeln können über verschiedene pneumatische oder elektrische Aktuatoren gesteuert werden.
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Ein VTG-Turbolader kann eine Betätigungsschwenkwelle mit einem VTG-Hebel zur Unterstützung der Steuerung der Bewegung der Leitschaufeln aufweisen. Eine VTG-Betätigungsschwenkwelle wird in der Regel nicht direkt in einer Bohrung in dem Turbinengehäuse eingepasst, sondern öfter in ein stationäres Lager in einer Bohrung in dem Turbinengehäuse. Die Betätigungsschwenkwelle ist oftmals radial in einem Lager positioniert, das in Abhängigkeit von der Konstruktion entweder in einer Bohrung, mit einer Mittellinie in dem Turbinengehäuse, oder direkt in dem Lagergehäuse positioniert sein kann.
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Das Betätigungsschwenkwellensystem bedarf in der Regel einer Abdichtung zwischen Turbinengasdruck und Atmosphärendruck. Ein VTG-Betätigungsschwenkwellensystem ist zum Teil aufgrund des Zwischenraums zwischen der Welle und den Buchsen schwierig abzudichten. Dieser Zwischenraum ist bei der Buchsenkonstruktion erforderlich, um eine Schwergängigkeit zu verhindern, jedoch erzeugt es eine Fehlausrichtung der Welle mit der Buchse/dem Gehäuse.
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Der VTG-Turbolader umfasst eine VTG-Vorrichtung, die in dem Turbinengehäuse zwischen der Turbinenspirale und dem Turbinenrad angeordnet ist. Die VTG-Vorrichtung ist dazu konfiguriert, die Menge an Abgas, die dem Turbinenrad zugeführt wird, selektiv zu steuern. Die VTG-Vorrichtung ist mit einem außerhalb des Turboladergehäuses angeordneten Aktuator über einen Betätigungsmechanismus verbunden. Der Betätigungsmechanismus umfasst eine Betätigungsschwenkwelle, die drehbar in einer in dem Lagergehäuse ausgebildeten Wellenaufnahmebohrung angeordnet ist. Mindestens ein Abschnitt des Betätigungsmechanismus ist außerhalb des Lagergehäuses angeordnet. Der Turbolader umfasst eine Abdeckung, die den Aktuator und den Betätigungsmechanismus umgibt und eine abgedichtete Verbindung mit dem Lagergehäuse bildet, so dass ein Entweichen von in die Wellenaufnahmebohrung strömendem Abgas in die Atmosphäre verhindert wird.
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Der VTG-Aktuator und der Betätigungsmechanismus für den Turbolader sind innerhalb einer oder mehrerer Abdeckungen abgedichtet, die dazu dienen, ein Austreten von Abgas aus dem Turboladergehäuse über die Wellenaufnahmebohrung zu verhindern.
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Der durch die Abdeckung eingekapselte Bereich definiert eine Kapselung, die, beispielsweise durch Verwendung eines Teils der in dem Turboladerverdichter erzeugten Ladeluft, mit Druck beaufschlagt wird. Durch die Bereitstellung einer mit Druck beaufschlagten Kapselung wird ein Luftstrom in die Verbindungsstelle zwischen der Betätigungsschwenkwelle und der Buchse, die die Betätigungsschwenkwelle stützt, gedrückt, wodurch verhindert wird, dass das mit Druck beaufschlagte Abgas an dieser Stelle aus dem Turboladergehäuse austritt.
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Die mit Druck beaufschlagte Luft, die der Abdeckung zugeführt wird, wird unter Verwendung eines Luft-Luft-Kühlers, eines Filters und/oder eines Druckreglers klimatisiert. Die gekühlte Luft kühlt den Aktuator, den VTG-Betätigungsmechanismus und das Turbinenende des Lagergehäuses, wodurch wärmebedingte Schäden an diesen Teilen und Verkokung an dem Turbinenende auf ein Minimum reduziert werden. Diesbezüglich kann, wenn der Aktuator Elektronik umfasst, derartige Elektronik hohen Temperaturen gegenüber empfindlich sein, wobei ein Kühlen des Aktuators die Genauigkeit und die Lebensdauer des Aktuators verbessern kann.
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Ein Abgasdurchgang ist in dem Lagergehäuse ausgebildet. Ein Ende des Abgasdurchgangs mündet gegenüber der Betätigungsschwenkwelle und ein gegenüberliegendes Ende des Abgasdurchgangs mündet in einen Ablass für Schmieröl. Der Ablass führt Öl zu dem Motorkurbelgehäuse zurück, wobei der Austrittsverlust in den Motorlufteinlass eintritt und verbrannt wird. Somit wird durch Halten des ausgetretenen Abgases in dem Lagergehäuse und Verwenden von Druck zum Leiten des ausgetretenen Abgases zu dem Motorkurbelgehäuse über den Abgasdurchgang und den Ablass ein Austrittsverlust von der Betätigungsschwenkwelle auf ein Minimum reduziert oder beseitigt.
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Der Abgasdurchgang umfasst sich radial erstreckende Durchgangslöcher, die in der Seitenwand der Buchse, die die Betätigungsschwenkwelle in dem Gehäuse stützt, ausgebildet sind, und eine radiale Bohrung, die in dem Lagergehäuse ausgebildet ist, wobei die radiale Bohrung eine Strömungsverbindung zwischen den radialen Bohrungen der Buchse und dem Ablass über eine in der Bohrung ausgebildete halbmondförmige Wanne bereitstellt.
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Der Aktuator ist außerhalb des Turboladers angeordnet und umfasst eine verzahnte Ausgangswelle. Darüber hinaus kann der VTG-Betätigungsmechanismus eine Reihe von Zahnrädern umfassen, die die verzahnte Ausgangswelle des Aktuators mit einer verzahnten Betätigungsschwenkwelle, die mit der VTG-Vorrichtung verbunden ist, verbinden. Die verzahnte Verbindung zwischen dem Aktuator und der VTG-Vorrichtung verringert vorteilhafterweise Hysterese, verbessert die Genauigkeit der Kinematik und reduziert den Verschleiß.
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Die vorliegende Konfiguration geht viele mit einigen herkömmlichen Turbolader-VTG-Betätigungsmechanismen, bei denen der Aktuator über einen Hebelarm und Gestänge mit der VTG-Vorrichtung verbunden ist, in Zusammenhang stehende Probleme an. Beispielsweise wird beim Montieren eines herkömmlichen VTG-Hebelarms an der Betätigungsschwenkwelle der Aktuator in einigen Fällen manuell dahingehend gedreht, einen Klemmbolzen durch ein kleines „Fenster“ hindurch festzuziehen, wobei der Aktuator während der Montage beschädigt werden kann. Bei einem weiteren Beispiel wird, obgleich die Betätigungsschwenkwelle Kolbenringe zur Reduzierung des Rußaustritts aus der Wellenaufnahmebohrung aufweisen kann, ein Teil des Abgases trotzdem über die Wellenaufnahmebohrung an die Atmosphäre entlüftet. In einem weiteren Beispiel wird die Verbindung zwischen dem Aktuator und dem Aktuatorhebelarm oftmals in einem Gesenkschmiedeverfahren (z. B. Kaltschmiedeverfahren) gebildet, jedoch kann dieses Verfahren Risse in dem Aktuatorhebelarm und/oder Schäden am Aktuator verursachen. In einem weiteren Beispiel bewegt die bei einigen herkömmlichen VTG-Betätigungsmechanismen verwendete gabelförmige Betätigungsschwenkwelle einen Block, der an einem Stift befestigt ist. Durch diese Kombination aus Komponenten kommen Toleranzen zusammen, die die Genauigkeit reduzieren. In einem weiteren Beispiel sind die zur Ausbildung der Lauffläche des herkömmlichen Gestänges verwendeten Materialien durch die Berücksichtigung von Kundenanforderungen, einschließlich Toleranz höherer Temperaturen und Reduzierung der Turboladergröße, relativ teuer. Bei noch einem weiteren Beispiel wird das herkömmliche Gestänge unter Verwendung eines Sechskantwerkzeugs auf der Rückseite eines Kugelzapfens montiert, was in dem bereitgestellten engen Raum schwierig durchzuführen ist. Durch die Bereitstellung eines verzahnten Aktuators, der eine Reihe von Zahnrädern dreht, die an einer verzahnten Betätigungsschwenkwelle angebracht sind, wird die Verwendung eines teuren Gestänges vermieden und die Montage vereinfacht. Darüber hinaus ist der verzahnte VTG-Betätigungsmechanismus in der Lage, höhere Temperaturen zu tolerieren, und führt zu geringeren Schaufelwinkeltoleranzen, reduziertem Verschleiß und geringerer Hysterese im Vergleich zu einigen herkömmlichen VTG-Betätigungsmechanismen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen mit besserem Verständnis der Erfindung durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung bei Betrachtung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne Weiteres hervor, in denen:
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1 eine Querschnittsansicht eines VTG-Turboladers ist;
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2 eine perspektivische Seitenansicht des VTG-Turboladers von 1 ist, wobei das Turbinengehäuse und die Abdeckung der Übersichtlichkeit halber weggelassen sind;
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3 ein Schemadiagramm des Fluidstroms in einem Motorsystem ist, das den VTG-Turbolader von 1 umfasst;
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4 eine Vergrößerung eines Abschnitts der in 1 gezeigten Querschnittsansicht des VTG-Turboladers ist;
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5 eine Querschnittsansicht des VTG-Turboladers entlang Linie 5-5 von 4 ist;
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6 eine perspektivische Seitenansicht eines VTG-Turboladers, der einen alternativen Betätigungsmechanismus umfasst, ist, wobei ein Abschnitt der Abdeckung entfernt ist, um den alternativen Betätigungsmechanismus zu zeigen, und das Turbinengehäuse der Übersichtlichkeit halber entfernt ist;
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7 eine perspektivische Seitenansicht des VTG-Turboladers von 5 ist, wobei sich die Abdeckung über dem alternativen Betätigungsmechanismus in Position befindet; und
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8 eine alternative Abdeckungskonfiguration darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Mit Bezug auf 1–3 umfasst ein Abgasturbolader 1 einen Turbinenbereich 2, einen Verdichterbereich 3 und ein mittleres Lagergehäuse 8, das zwischen dem Verdichterbereich 3 und dem Turbinenbereich 2 angeordnet ist und diese miteinander verbindet. Der Turbinenbereich 2 umfasst ein Turbinengehäuse 11, das einen Abgaseinlass (nicht gezeigt), einen Abgasauslass 10 und eine Turbinenspirale 9, die in dem Fluidpfad zwischen dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass 10 angeordnet ist, definiert. Eine VTG-Vorrichtung 20 umfasst einstellbare Leitschaufeln 21, die in einem sich radial erstreckenden Hals 7 der Turbinenspirale 9 positioniert sind. Ein Turbinenrad 4 ist in dem Turbinengehäuse 11 zwischen dem Hals 7 und dem Abgasauslass 10 angeordnet.
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Der Verdichterbereich 3 umfasst ein Verdichtergehäuse 12, das den Lufteinlass 16, einen Luftauslass (nicht gezeigt) und eine Verdichterspirale 14 definiert. Ein Verdichterrad 5 ist in dem Verdichtergehäuse 12 zwischen dem Lufteinlass 16 und der Verdichterspirale 14 angeordnet. Das Verdichterrad 5 ist über eine Hauptwelle 6 mit dem Turbinenrad 4 verbunden.
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Die Hauptwelle 6 wird durch ein Paar axial beabstandeter Zapfenlager 18 zur Drehung um eine Drehachse R innerhalb einer sich axial erstreckenden Bohrung 15 in dem Lagergehäuse 8 gestützt. Darüber hinaus ist eine Axiallageranordnung 19 in dem Lagergehäuse 8 zur Bereitstellung axialer Abstützung der Hauptwelle 6 angeordnet.
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Im Gebrauch wird das Turbinenrad 4 in dem Turbinengehäuse 11 durch einen Zustrom von von einem Auslasskrümmer 38 eines Motors 34 zugeführtem Abgas drehangetrieben (3). Da die Hauptwelle 6 in dem mittleren Lagergehäuse 8 drehbar gestützt wird und das Turbinenrad 4 mit dem Verdichterrad 5 in dem Verdichtergehäuse 12 verbindet, bewirkt die Drehung des Turbinenrads 4 eine Drehung des Verdichterrads 5. Bei Drehung des Verdichterrads 5 nehmen der/die den Zylindern 36 des Motors 34 über eine Ausströmung aus dem Verdichterluftauslass (nicht gezeigt), der mit dem Lufteinlasskrümmer 37 des Motors 34 verbunden ist, zugeführte Luftmassendurchsatz, Luftmassendichte und Luftdruck zu.
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Die VTG-Vorrichtung 20 umfasst Leitschaufeln 21, die zwischen einem oberen Schaufelkranz 22 und einem unteren Schaufelkranz 23, die durch Abstandshalter 24 voneinander beabstandet sind, schwenkbar gestützt werden. Die Leitschaufeln 21 sind durch einen Aktuator 30 einstellbar, der einen Einstellring 26 betätigt. Eine Drehbewegung des Einstellrings 26 um die Drehachse R bezüglich des oberen Schaufelkranzes 22 wird auf die Leitschaufeln 21 übertragen, die durch die vorliegende Vorrichtung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zwischen der geöffneten und der geschlossenen Position eingestellt werden können. Die Beabstandung zwischen den Leitschaufeln 21 definiert die Strömungskanäle des kreisförmigen Halses 7, in denen das Abgas radial zum Turbinenrad 4 strömt. Die Strömungskanäle sind durch Variation der Winkelposition der Leitschaufeln 21 einstellbar.
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Insbesondere sind die Leitschaufeln 21 durch Schaufelwellen 27, die durch den oberen Schaufelkranz 22 hindurchführen und die einen Schaufelarm 28 an dem den Leitschaufeln 21 entgegengesetzten Ende tragen, an dem oberen Schaufelkranz 22 befestigt. Der Einstellring 26 ist dahingehend in einem Freiraum zwischen dem Lagergehäuse 8 und dem Turbinengehäuse 11 positioniert, innerhalb der axialen Ebene der kreisförmig angeordneten Schaufelarme 28 angeordnet zu sein. Der Einstellring 26 steht mit jedem der Schaufelarme 28 in Eingriff, so dass während einer Drehung des Einstellrings 26 bezüglich des oberen Schaufelkranzes 22 alle Schaufelarme 28 und damit die Leitschaufeln 21 gleichzeitig gedreht werden.
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Wie in 4 dargestellt wird, ist der Einstellring 26 über einen Betätigungsmechanismus 140, der eine Drehbewegungsausgabe von dem Aktuator 30 auf den Einstellring 26 überträgt, mit dem Aktuator 30 verbunden. Der Aktuator 30, der die VTG-Vorrichtung 20 antreibt, ist beispielsweise über eine Halterung (nicht gezeigt) an einer äußeren Fläche des Lagergehäuses 8 gesichert. Der Betätigungsmechanismus 140 umfasst eine Betätigungsschwenkwelle 54, die die Einstellung des Einstellrings 26 von außerhalb des Lagergehäuses 8 ermöglicht. Dazu wird die Betätigungsschwenkwelle 54 in einer in dem Lagergehäuse 8 ausgebildeten Wellenaufnahmebohrung 25 über eine Buchse 90, die in die Wellenaufnahmebohrung 25 pressgepasst ist, drehbar gestützt und radial positioniert. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Betätigungsschwenkwelle 54 und die Buchse 90 in der Wellenaufnahmebohrung 25 angeordnet. Die Wellenaufnahmebohrung 25 erstreckt sich durch einen Wandabschnitt des Lagergehäuses 8 und umfasst eine erste und eine zweite Bohrungsöffnung 25a bzw. 25b. Bei einigen Turboladerkonstruktionen kann die Wellenaufnahmebohrung 25 zumindest teilweise in dem Turbinengehäuse 11 ausgebildet sein.
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Die Betätigungsschwenkwelle 54 ragt durch die erste und die zweite Bohrungsöffnung 25a, 25b in dem Lagergehäuse 8 vor, so dass ein erstes Ende 56 der Betätigungsschwenkwelle 54 den VTG-Betätigungsmechanismus 140 außerhalb des Lagergehäuses 8 an einer Stelle in Eingriff nimmt, die bei herkömmlichen Turboladerkonstruktionen Atmosphärendruck aufweist. Darüber hinaus nimmt ein gegenüberliegendes zweites Ende 58 der Betätigungsschwenkwelle 54 die VTG-Vorrichtung 20 in dem Lagergehäuse 8 an einer Stelle in Eingriff, die einen relativ hohen Druck aufweist, der dem Druck des Abgases entspricht.
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Drei Dichtungen 75, 102 und 120 können einzeln oder in Kombination dazu verwendet werden, das Austreten von Abgas aus dem Lagergehäuse 8 über die Wellenaufnahmebohrung 25 zu beheben. Beispielsweise kann eine erste Dichtung, wie z. B. eine Labyrinthdichtung 102, zwischen der Betätigungsschwenkwelle 54 und der Buchse 90 angeordnet sein. Die Labyrinthdichtung 102 umfasst Kolbenringe 104, die in entsprechenden axial beabstandeten Umfangsnuten 64, die in einer äußeren Fläche der Betätigungsschwenkwelle 54 ausgebildet sind, aufgenommen sind. Vier Kolbenringe 104 werden zwischen der Betätigungsschwenkwelle 54 und der Buchse 90 eingesetzt. Die Kolbenringe 104 sind in zwei Kolbenringpaaren 104a, 104b angeordnet.
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Eine zweite Dichtung kann einen Abschnitt der Außenseite des Lagergehäuses 8 in der Nähe der ersten Bohrungsöffnung 25a der Wellenaufnahmebohrung 25 nach außen umgeben. Die zweite Dichtung kann beispielsweise eine Abdeckung 75 sein, die das Entweichen von Abgas aus dem Auslass (70) in die Umgebung verhindert. Die Abdeckung 75 ist zur Bildung einer abgedichteten Kapselung 76, die den Aktuator 30, den Betätigungsmechanismus 140 und das erste Ende 56 der Betätigungsschwenkwelle eingekapselt, gegen einen Abschnitt der äußeren Fläche des Lagergehäuses 8 abgedichtet und wirkt mit diesem zusammen. Durch diese Konfiguration wird ein Austreten von Abgas aus dem Lagergehäuse 8 über die Wellenaufnahmebohrung 25 auf ein Minimum reduziert oder beseitigt.
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Bei der dargestellten Ausführungsform umfasst die Abdeckung 75 zwei Abdeckungsabschnitte 75a, 75b, die entlang einer abgedichteten Verbindungsstelle (77) verbolzt sind und zur Bildung der abgedichteten Kapselung 76 mit dem Lagergehäuse 8 zusammenwirken und dagegen abgedichtet sind. Die Abdeckung 75 umfasst einen Abdeckungslufteinlass 78, der mit einer Quelle mit Druck beaufschlagter Luft verbunden ist, wobei Gas innerhalb der abgedichteten Kapselung 76 einen Druck aufweist, der über Atmosphärendruck liegt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Quelle mit Druck beaufschlagter Luft in dem Verdichterbereich 3 des Turboladers 1 erzeugte mit Druck beaufschlagte Luft, jedoch ist die Quelle nicht darauf beschränkt.
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Mit Bezug auf 3 kann die der Kapselung 76 zugeführte Luft klimatisiert werden. Beispielsweise kann die Luft vor dem Erreichen des Abdeckungslufteinlasses 78 (1) durch einen stromabwärts eines herkömmlichen Ladeluftkühlers 71 positionierten Luft-Luft-Kühler 74, ein Luftfilter 72 und/oder einen Druckregler 73 strömen. Dadurch ist die der Kapselung 76 zugeführte Luft sauber, gekühlt und weist einen vorbestimmten Druck auf, der über Atmosphärendruck liegt. Der Luft-Luft-Kühler 74 ist dazu konfiguriert, die zugeführte Luft vor dem Erreichen des Abdeckungslufteinlasses 78 zu kühlen, wodurch die Luft innerhalb der Kapselung 76 gekühlt wird. Beispielsweise kann die Luft innerhalb der Kapselung 76 unter die Umgebungstemperatur (z. B. die Lufttemperatur außerhalb der Abdeckung 75) abgekühlt werden. Der Druckregler 73 steuert den Luftdruck innerhalb der Kapselung 76. Der Druck in der Kapselung 76 variiert in Abhängigkeit von der Anwendung. Beispielsweise kann der Druck in der Kapselung 76 auf zwischen 1,05 und 3,0 atm eingestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die der Kapselung 76 zugeführte Luft dahingehend eingestellt werden, mindestens fünfundsiebzig Prozent des Abgasdrucks in der Turbinenspirale 9 zu entsprechen. Wenn beispielsweise der Abgasdruck in der Turbinenspirale 9 4 atm beträgt, führt der Druckregler 73 der Kapselung 76 Luft mit einem Druck von 3 atm zu. Die Druckbeaufschlagung der Kapselung 76 kann des Weiteren eine Verschmutzung des Aktuators 30 und des Betätigungsmechanismus 40 aufgrund des Austretens von Abgas aus der Wellenaufnahmebohrung 25 reduzieren oder verhindern.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 4 und gemäß der Darstellung in 5 kann eine dritte Dichtung in der Wellenaufnahmebohrung 25 zwischen der Buchse 90 und einer Fläche der Wellenaufnahmebohrung 25 (z. B. dem Lagergehäuse 8) angeordnet sein. Die dritte Dichtung kann beispielsweise eine Senkendichtung 120 sein, die verhindert, dass Abgas in die Kapselung 76 eintritt, und stattdessen durch die Wellenaufnahmebohrung 25 strömendes Abgas zu dem Kurbelgehäuse 35 (nicht gezeigt) des Motors 34 über einen Ölschmierungsdurchgang 17 (1 und 3 gezeigt) des Lagergehäuses 8 und eine entsprechende Ölschmierungsablassleitung 13 (in 1 und 3 gezeigt) leitet. Die Senkendichtung 120 umfasst eine Wanne 122, die in einer Fläche der Wellenaufnahmebohrung 25 an einer Stelle, die von der ersten und der zweiten Bohrungsöffnung 25a, 25b beabstandet ist, ausgebildet ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Wanne 122 zwischen zwei Paaren von Kolbenringen 104a, 104b angeordnet, so dass eine Labyrinthdichtung zwischen der Wanne 122 und sowohl der ersten als auch der zweiten Bohrungsöffnung 25a bzw. 25b vorgesehen ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Wanne 122 eine halbkugelförmige Vertiefung, die auf einer nach unten weisenden Seite der Wellenaufnahmebohrung 25 angeordnet ist. Bei anderen Ausführungsformen kann die Wanne 122 ein sich umfangsmäßig erstreckender Kanal sein, der die äußere Fläche der Buchse 90 umgibt.
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Wie in 5 dargestellt wird, umfasst die Buchse 90 sich radial erstreckende quergebohrte Durchgangslöcher 84, die gestatten, dass sich die mit Druck beaufschlagte Luft aus der Kapselung 76 mit dem aus dem Turbinengehäuse 11 austretenden mit Druck beaufschlagten Abgas vermischt. Die Durchgangslöcher 84 sind in einem gleichen Abstand um einen Umfang der Buchse 90 herum beabstandet und sind dahingehend axial positioniert, mit der Wanne 122 in Verbindung zu stehen, wo sich die mit Druck beaufschlagte Luft und das mit Druck beaufschlagte Abgas weiter vermischen. Bei der dargestellten Ausführungsform gibt es vier Durchgangslöcher 84, die dahingehend angeordnet sind, in einer gemeinsamen Ebene zu liegen, jedoch sind die Durchgangslöcher nicht auf diese Anzahl oder Anordnung beschränkt.
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Die Senkendichtung 120 umfasst des Weiteren einen in dem Lagergehäuse 8 ausgebildeten sich allgemein radial erstreckenden Senkendurchgang 124, der ein mit der Wanne 122 in Verbindung stehendes Ende und ein mit dem Ölschmierungsdurchgang 17 des Lagergehäuses 8 in Verbindung stehendes gegenüberliegendes Ende aufweist. Diese Anordnung gestattet, dass das Gemisch aus Luft und Abgas in der Wanne 122 in die Turboladerölschmierungsablassleitung 13 „abgelassen“ wird.
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So wie der Begriff „Senkendichtung“ hier verwendet wird, bezieht er sich auf den Zustand, bei dem der Senkendurchgang 124, der Ölschmierungsdurchgang 17 und die Ölschmierungsablassleitung 13 im Wesentlichen Atmosphärendruck aufweisen und bei dem diese Atmosphärendruckregion zwischen der ersten Region mit relativ höherem Druck (z. B. über Atmosphärendruck) in der Kapselung 76 bei der ersten Bohrungsöffnung 25a und der zweiten Region mit relativ höherem Druck (z. B. über Atmosphärendruck) in dem Turbinengehäuse 11 bei der zweiten Bohrungsöffnung 25b angeordnet ist. Durch die Positionierung der Wanne 122 und des Senkendurchgangs 124 zwischen den Regionen mit höherem Druck wird das Gemisch aus Luft und Abgas in der Wanne 122 zu der Ölschmierungsablassleitung 13 und dann letztlich zu dem Motorkurbelgehäuse 35 (nicht gezeigt) geleitet, wo es in den Motorzylindern 36 verbrannt wird. Somit leitet die Senkendichtung 120 ausgetretenes Abgas zu dem Motor, bevor es aus der zweiten Bohrungsöffnung 25a austreten kann.
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Mit Bezug auf 2 und 6 kann, obgleich der Aktuator 30 über einen herkömmlichen Betätigungsmechanismus 140, der einen VTG-Hebelarm 47, ein Gestänge 43 und einen Betätigungshebelarm 41 umfassen kann, mit der VTG-Vorrichtung 20 verbunden sein kann (2), der Turbolader 1 optional einen verbesserten verzahnten Betätigungsmechanismus 40 umfassen. Der verzahnte Betätigungsmechanismus 40 besteht aus einer Reihe von Zwischenverbindungselementen 42, 48, 94, die dazu konfiguriert sind, eine durch den Aktuator 30 bereitgestellte Drehbewegung in eine Drehbewegung des Einstellrings 26 der VTG-Vorrichtung 20 zu übertragen.
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Insbesondere umfasst jedes Zwischenverbindungselement 42, 48, 94 des verzahnten Betätigungsmechanismus 40 eine verzahnte Fläche, wobei benachbarte Zwischenverbindungselemente 42, 48, 94 über ihre jeweilige verzahnte Fläche mit einem angrenzenden Zwischenverbindungselement 42, 48, 94 verbunden sind. Dazu ist die äußere Fläche eine Ausgangswelle 32 des Aktuators 30 so ausgebildet, dass sie Zähne 33 aufweist, wobei die Ausgangswelle 32 als ein Antriebszahnrad für den verzahnten Betätigungsmechanismus 40 dient. Ein Zwischenverbindungselement des verzahnten Betätigungsmechanismus 40 kann ein erstes Zwischenrad 42 umfassen, das drehbar auf einer ersten Achse 44 gestützt wird. Das erste Zwischenrad 42 umfasst sowohl innere als auch äußere Zähne. Beispielsweise weist das erste Zwischenrad 42 innere Zähne 45a (nicht gezeigt) auf, die an einem radial nach innen weisenden Rand davon ausgebildet sind und die Zähne 33 der Ausgangswelle 32 des Aktuators 30 in Eingriff nehmen, wobei das erste Zwischenrad 42 durch den Aktuator 30 angetrieben wird. Darüber hinaus weist das erste Zwischenrad 42 äußere Zähne 45b auf, die an einem radial nach außen weisenden Rand davon ausgebildet sind. Ein weiteres Zwischenverbindungselement des verzahnten Betätigungsmechanismus 40 kann ein zweites Zwischenrad 48 umfassen, das auf einer zweiten Achse 50 drehbar gestützt wird und Zähne 51 aufweist, die auf einem Außenumfangsrand davon ausgebildet sind. Die Zähne 51 des zweiten Zwischenrads 48 nehmen die äußeren Zähne 45b des ersten Zwischenrads 42 in Eingriff, wobei das zweite Zwischenrad 48 durch das erste Zwischenrad 42 angetrieben wird. Die Zähne 51 des zweiten Zwischenrads 48 nehmen die auf einer äußeren Fläche des verbleibenden Zwischenverbindungelements 94 ausgebildeten Zähne 62 in Eingriff, wobei das verbleibende Zwischenverbindungselement 94 durch das zweite Zwischenrad 48 angetrieben wird. Das Zwischenverbindungselement 94 kann auch beispielsweise eine Betätigungsschwenkwelle 94 sein. Der einzige Unterschied zwischen der Betätigungsschwenkwelle 94 und der Betätigungsschwenkwelle 54 besteht darin, dass die Betätigungsschwenkwelle 94 Zähne 62 umfassen kann. Die Zähne 62 der Betätigungsschwenkwelle 94 nehmen an einem äußeren Abschnitt des Einstellrings 26 ausgebildete Zähne 63 zum Antreiben des Einstellrings 26 in Eingriff. Die Drehachse 31 der Aktuatorausgangswelle 32, die Drehachse 46 der ersten Achse 44, die Drehachse 52 der zweiten Achse 50 und die Drehachse 60 der Betätigungsschwenkwelle 94 sind jeweils parallel zur Drehachse R der Hauptwelle 6.
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Durch die Bereitstellung eines verzahnten Aktuators 30, der eine Reihe von an der verzahnten Betätigungsschwenkwelle 94 angebrachten Zwischenrädern 42, 48 antreibt, werden die Herstellungskosten des Betätigungsmechanismus 40 reduziert und die Montage wird im Vergleich zu einigen herkömmlichen Konfigurationen vereinfacht. Darüber hinaus ist der verzahnte Betätigungsmechanismus 40 in der Lage, höhere Temperaturen zu tolerieren, und führt zu geringeren Schaufelwinkeltoleranzen, reduziertem Verschleiß und geringerer Hysterese im Vergleich zu einigen herkömmlichen VTG-Betätigungsmechanismen.
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Mit Bezug auf 6 wird in Betracht gezogen, dass, obgleich der verzahnte Betätigungsmechanismus 40 ohne die Abdeckung 75 verwendet werden kann, der verzahnte Betätigungsmechanismus 40 innerhalb der Abdeckung 75 eingekapselt ist, um das Austreten von Abgas aus dem Lagergehäuse 8 über die Wellenaufnahmebohrung 25 auf ein Minimum zu reduzieren oder zu beseitigen. Wie zuvor beschrieben wird, ist die Abdeckung 75 zur Bildung der abgedichteten Kapselung 76, die den Aktuator 30, den Betätigungsmechanismus 40 und das erste Ende 56 der Betätigungsschwenkwelle einkapselt, gegen einen Abschnitt der äußeren Fläche des Lagergehäuses 8 abgedichtet und wirkt mit diesem zusammen. Durch diese Konfiguration wird das Austreten von Abgas aus dem Lagergehäuse 8 über die Wellenaufnahmebohrung 25 auf ein Minimum reduziert oder beseitigt.
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Mit Bezug auf 8 wird bei einer weiteren Ausführungsform eine alternative Abdeckung 175 zur Bildung einer abgedichteten Einkapselung 176 (nicht gezeigt), die den Betätigungsmechanismus 40 und das erste Ende 56 der Betätigungsschwenkwelle einkapselt, gegen einen Abschnitt der äußeren Fläche des Lagergehäuses 8 abgedichtet und wirkt mit diesem zusammen. Bei dieser Ausführungsform ist der Aktuator 30 in einem abgedichteten Gehäuse 39 vorgesehen, das dann abdichtend mit einer äußeren Fläche der alternativen Abdeckung 175 verbunden wird.
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Ausgewählte veranschaulichende Ausführungsformen werden oben genauer beschrieben. Es versteht sich, dass hier lediglich zur Verdeutlichung der veranschaulichenden Ausführungsformen als notwendig erachtete Strukturen beschrieben worden sind. Es wird davon ausgegangen, dass andere herkömmliche Strukturen und jene von Neben- und Hilfskomponenten des Systems einem Fachmann bekannt sind und von ihm verstanden werden. Darüber hinaus ist die vorliegende Offenbarung, obgleich vorstehend Arbeitsbeispiele beschrieben worden sind, nicht auf die vorstehend beschriebenen Arbeitsbeispiele beschränkt, sondern es können verschiedene Konstruktionsänderungen vorgenommen werden, ohne von der Offenbarung, wie sie in den folgenden Ansprüchen dargelegt wird, abzuweichen.
