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Diese
Erfindung betrifft einen Turbolader, der ein Abblasventil und ein
Abblasventil-Stellglied beinhaltet, und insbesondere bezieht sie
sich auf die Vorgehensweise, mit der das Stellglied mit dem Abblasventil
verbunden ist.
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Turbolader
sind altbekannte Einrichtungen zum Zuführen von Luft an den Einlass
einer Brennkraftmaschine bei Drucken über dem atmosphärischen
Druck (Boost- bzw. Erhöhungsdruck),
und werden in Automobilen und dergleichen in einem weit verbreiteten
Maß verwendet.
Ein herkömmlicher
Turbolader umfasst im Wesentlichen ein von dem Abgas angetriebenes
Turbinenrad, das auf einer drehbaren Welle innerhalb eines Turbinengehäuses angebracht ist.
Zum Beispiel definiert in einer zentripetalen Turbine das Turbinengehäuse einen
ringförmigen
Einlassweg um das Turbinenrad herum und einen im Allgemeinen zylindrischen
axialen Auslassweg, der sich von dem Turbinenrad erstreckt. Eine
Drehung des Turbinenrads dreht ein Kompressorrad, das an dem anderen
Ende der Welle innerhalb eines Kompressorgehäuses angebracht ist. Das Kompressorrad
liefert komprimierte Luft an den Einlasskanal des Motors, wodurch
die Motorleistung erhöht
wird.
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Es
ist ebenfalls altbekannt Turbolader mit einem Umgehungsweg zwischen
den Abgaseinlass- und
Abgas-Auslassabschnitten des Turbinengehäuses zu versehen, um eine Steuerung
des Turbolader-Boostdrucks
zu ermöglichen.
Ein Abblasventil ist in dem Weg angeordnet und wird gesteuert, um
den Weg zu öffnen,
wenn der Druckpegel der Boostluft auf einen vorgegebenen Pegel ansteigt,
sodass ermöglicht
wird, dass ein gewisser Teil des Abgases an dem Turbinenrad vorbeigeht,
wobei verhindert wird, dass der Boostdruck weiter ansteigt. Das
Abblasventil wird im Allgemeinen durch ein pneumatisches Stellglied
betätigt,
das durch den Boostluftdruck betrieben wird, der durch das Kompressorrad
zugeführt wird.
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Das
herkömmliche
pneumatische Stellglied umfasst eine mit einer Feder belastete Membran,
die innerhalb eines Kanisters (dem Abblasventil-Stellglied-Behälter) untergebracht
ist, der an dem Kompressorgehäuse
angebracht ist. Die Membran wirkt auf einen Verbindungsstab, der
die Abblasventil-Anordnung
betätigt,
die in dem Turbinengehäuse
angebracht ist.
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Der
Stellglied-Behälter
ist mit dem Kompressorauslass über
einen flexiblen Schlauch verbunden, um Boostluft an den Behälter zu
liefern, die auf die Membran wirkt, um der Federvorspannung entgegenzuwirken.
Die Feder wird gewählt
und das Stellglied und das Abblasventil werden anfänglich so
eingestellt, dass das Abblasventil unter niedrigen Boostbedingungen
geschlossen bleibt. Wenn jedoch der Boostdruck ein vorgegebenes
Maximum erreicht, wird die Membran gegen die Wirkung der Feder bewegt
und arbeitet, um das Abblasventil (über den Verbindungsstab und
den Verknüpfungsarm)
zu öffnen,
wodurch ermöglicht
wird, dass ein gewisser Teil des Abgases an dem Turbinenrad vorbei
geht.
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In
herkömmlichen
Anordnungen ist das Abblasventil auf einem Ventilschaft angeordnet,
der sich durch das Turbinengehäuse
erstreckt und der gedreht wird, um das Ventil zu öffnen und
zu schließen. Eine
Drehung des Ventilschafts wird durch die reziproke Bewegung des
Stellgliedstabs (wenn sich die mit der Feder belasteten Membran
innerhalb des Stellglied-Kanisters vor und zurück bewegt) über einen Hebelarm erreicht,
der das Ende des Stellgliedstabs mit dem Ventilschaft verknüpft. Um
die Bewegung des Stellgliedstabs (des Stellstabs) zu ermöglichen,
ist eine schwenkbare Verbindung zwischen dem Hebelarm und dem Stellstab
vorgesehen, wobei das gegenüberliegende
Ende des Hebelarms (typischerweise durch einen Schweißvorgang)
an dem Ende des Ventilschafts gesichert ist. Für einen genauen Betrieb des Stellglieds
ist es auch wichtig, dass die Membran eine Ausrichtung innerhalb
des Kanisters aufrechterhält
und somit, dass der Stab seine Ausrichtung entlang der Achse des
Kanisters beibehält.
Es ist deshalb bekannt die Schwenkverbindung zwischen dem Stellstab
und dem Hebelarm so zu konstruieren, dass ein geringfügiger Betrag
einer Bewegung entlang der Achse des Hebelarms ermöglicht wird,
um die Tendenz des Stellstabs zu begrenzen, ohne einen Betrieb (off-line)
gezogen zu werden, wenn er sich hin- und her bewegt.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass der Druck, bei dem das Abblasventil
sich beginnt zu öffnen,
was als der Abhebepunkt („lift
off point") bekannt
ist, kritisch ist und deshalb sehr genau eingestellt werden muss,
wenn das Stellglied und das Abblasventil an dem Turbolader zusammengebaut
werden. Mit der herkömmlichen
Stellglied-Anordnung, die voranstehend beschrieben wurde, wird der
anfängliche
Aufbau durch einen Prozess erreicht, der als „Schweißen zum Einstellen" („weld to
set") bekannt ist.
Der Stellglied-Kanister,
der Stellstab und der Hebelarm werden vorher zusammengebaut und
an dem Turbolader montiert. Dann wird das Abblasventil von dem Turbinengehäuse abgeklemmt
und der Stellglied-Kanister wird auf den gewünschten Abhebedruck verdichtet.
Mit der Membran, dem Stellstab und dem Ventil so an ihren jeweiligen
relativen Positionen unmittelbar vor einer Abhebung gehalten wird
das Ende des Hebelarms an dem Ventilschaft angeschweißt. Demzufolge
wird jeglicher Anstieg in der Druckzuführung an das Stellglied über dem
vorgegebenen Abhebedruck bewirken, dass sich das Ventil öffnet.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass der Druck, bei dem sich die Membran
des Stellglieds beginnt zu bewegen, abhängig von der Federkonstante
ist. Weil Toleranzen, auf die Federn in der Praxis hergestellt werden
können,
bedeuten, dass Veränderungen
in der Federkonstanten von einer Feder zu der nächsten vorhanden sein können, wird
herkömmlicherweise
ein Stellstab (Stellgliedstab) mit einstellbarer Länge verwendet,
um zu ermöglichen,
dass die Länge des
Stabs vor dem Anschweißen
des Hebelarms an den Ventilschaft eingestellt werden kann, um sicherzustellen,
dass der Stellstab und die Membran in einer richtigen Ausrichtung
zu dem Stellgliedkanister an dem Abhebepunkt sind. Ein Beispiel
eines derartigen Stellstabs ist in der
EP 0523859 offenbart, die so angesehen
werden kann, dass sie die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs
1 aufweist.
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Die
Schritte, die bei dem Schweißen-zum-Einstellen
Prozess beteiligt sind, können deshalb
folgendermaßen
zusammengefasst werden: Halten des Ventilelements in einer geschlossenen Position;
Verdichten des Stellgliedkanisters auf den Abhebedruck; Einstellen
der Länge
des Stellstabs; und dann Anschweißen des Endes des Hebelarms an
den Ventilschaft.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine neue Konstruktion
eines Stellstabs und Hebelarms und ein neuartiges Verfahren zum
Einstellen des Abhebepunkts des Abblasventils bereitzustellen.
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Gemäß eines
ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Stellstab für eine Turbolader-Drucksteueranordnung
vorgesehen, wobei der Stellstab einen ersten länglichen Abschnitt, der ein erstes
Stabende definiert, und einen zweiten Abschnitt, der ein zweites
Stabende definiert, umfasst, wobei der erste und zweite Abschnitt
schwenkbar miteinander verbunden sind, um einen Grad einer relativen
Schwenkbewegung zwischen den beiden Abschnitten in wenigstens einer
Ebene, die die Achse des länglichen
ersten Abschnitts umfasst, zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet,
dass die Schwenkverbindung zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt
eine Schwenkbewegung in wenigstens zwei orthogonalen Ebenen, die
senkrecht zu der Achse des ersten länglichen Abschnitts sind, erlaubt.
Zum Beispiel ist die Schwenkverbindung eine Kugelverbindung.
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Gemäß eines
zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist eine Drucksteuerungs-Stellgliedanordnung
für einen
Turbolader vorgesehen, umfassend ein pneumatisches Stellglied und
einen Stellstab gemäß irgendeinem
vorangehenden Anspruch.
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Gemäß eines
dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Turbolader vorgesehen,
der eine Drucksteueranordnung umfasst, die ein pneumatisches Stellglied,
eine Ventilanordnung, und einen Stellstab in Übereinstimmung mit irgendeinem vorangehenden
Anspruch umfasst, wobei ein Ende davon mit dem Stellglied verbunden
ist und das andere Ende davon mit der Ventilanordnung verbunden ist,
wobei das pneumatische Stellglied einen Betrieb der Ventilanordnung über den
Stellstab steuert.
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Gemäß eines
vierten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Zusammenbauen einer Drucksteueranordnung eines Turboladers vorgesehen,
wobei der Turbolader ein Turbinengehäuse und einen Kompressor umfasst,
wobei die Drucksteueranordnung eine Ventilanordnung, die innerhalb
des Turbinengehäuses
angebracht ist, ein pneumatisches Stellglied, das an dem Turbolader
angebracht ist, um verdichtete Luft von dem Kompressor zu empfangen,
einen Stellstab, der sich von dem pneumatischen Stellglied erstreckt,
und einen Hebelarm, der sich von der Ventilanordnung und dem Turbinengehäuse erstreckt
und den Stellstab mit der Ventilanordnung verbindet, umfasst, wobei
der Stellstab ein Stab in Übereinstimmung
mit irgendeinem der Ansprüche
1 bis 4 ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Zusammenbauen
der Ventilanordnung und des Hebelarms auf dem Turbinengehäuse;
Zusammenbauen
des pneumatischen Stellglieds und des Stellstabs als eine Unteranordnung;
Anbringen
des Unteraufbaus aus dem pneumatischen Stellglied/dem Stellstab
an dem Turbolader;
und
Befestigen des zweiten Abschnitts
des Stellstabs an dem Hebelarm.
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Vorzugsweise
wird der Stellstab an dem Hebelarm durch eine Verschweißung oder
eine andere Anbindung befestigt.
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Vorzugsweise
wird vor der Befestigung des Stellstabs an dem Hebelarm die Ventilanordnung
in einer geschlossenen Position durch ein geeignetes Klemmen des
Hebelarms gehalten und das pneumatische Stellglied wird verdichtet
auf einen vorgegebenen Druck, um dadurch den minimalen Druck zu
bestimmen, bei dem sich das Ventil bei der Verwendung zu öffnen beginnt.
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Eine
spezifische Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun nur beispielhaft unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen
zeigen:
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1 eine
teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht eines Turboladers,
der die vorliegende Erfindung beinhaltet;
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2 einen
Vergrößerung eines
Teils der 1, gesehen von einem etwas anderen
Winkel und teilweise weggeschnitten, um Einzelheiten des Abblasventils
und des Stellglieds zu enthüllen;
und
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3 eine
Seitenansicht des Turboladers der 1 in der Richtung
des Pfeils A in 1.
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Bezugnehmend
auf die Zeichnungen handelt es sich bei dem dargestellten Turbolader
um einen zentripetalen Typ, umfassend eine Turbine, die allgemein
mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, und einen Kompressor
der allgemein mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet ist. Die
Turbine 1 umfasst ein Turbinengehäuse 3, das ein Turbinenrad 4 aufnimmt.
In ähnlicher
Weise umfasst der Kompressor 2 ein Kompressorgehäuse 5,
das ein Kompressorrad 6 aufnimmt. Das Turbinenrad 4 und
das Kompressorrad 6 sind auf gegenüberliegenden Seiten einer gemeinsamen
Welle 7 angebracht. Das Turbinengehäuse 3 und das Kompressorgehäuse 5 sind
durch eine herkömmliche
kreisförmige
V-Band-Klemme 8 miteinander verbunden.
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Das
Turbinengehäuse 3 ist
mit einem Abgaseinlass 9 und einem Abgasauslass 10 versehen. Der
Einlass 9 richtet das ankommende Abgas an eine ringförmige Einlasskammer,
die das Turbinenrad 4 umgibt. Das Abgas fließt durch
die Turbine und in den Auslass 10 hinein über eine
kreisförmige
Auslassöffnung,
die koaxial zu dem Turbinenrad 4 ist und Abgas an das Auslassrohr 20 richtet.
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Das
Turbinengehäuse 3 definiert
auch einen Umgehungsweg 11, der eine Kommunikation zwischen
dem Abgaseinlass 9 und dem Abgasauslass 10 bereitstellt,
wobei das Turbinenrad 4 umgangen wird. Der Umgehungsweg 11 kommuniziert
mit dem Abgaseinlass 9 über
eine kreisförmige Öffnung,
die durch das Ventilelement 12a eines Abblasventils 12, welches
zum Steuern des Flusses dadurch vorgesehen ist, geschlossen wird.
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Ein
Betrieb des Abblasventils 12 wird durch ein mit einer Feder
belastetes pneumatisches Stellglied 13 gesteuert, welches
komprimierte Luft von der Auslassspirale 14 des Kompressors 2 empfängt. Das Stellglied 13 umfasst
eine Membran 15, die innerhalb eines Kanisters (der Stellglied-Behälter) 16 an
einem Ende eines Stellstabs 17 angebracht ist. Der Stab 17 erstreckt
sich von der Vorderseite des Kanisters 16 in Richtung auf
das Turbinengehäuse 3 und
das Abblasventil 12 hin. Die Membran 15 ist in
Richtung auf den hinteren Teil des Stellglied-Behälters 16 durch eine
Spulenfeder 18 vorgespannt, die koaxial um den Stellstab 17 herum
angebracht ist und zwischen der Membran 15 und dem vorderen
Ende des Stellglied-Behälters 16 arbeitet.
Der Stellglied-Behälter 16 ist
an seinem hinteren Ende durch eine Kappe 16a (die an den
Hauptkörper
des Behälters
gekrimpt ist) verschlossen. In den Zeichnungen ist der Behälter 16 weggeschnitten,
um Einzelheiten der Feder 18 und der Membran 15 zu
enthüllen;
es wird jedoch angenommen, dass der Behälter 16 tatsächlich eine
geschlossene Einheit ist.
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Das
Kompressorgehäuse 5 ist
mit einem Anbringungsbügel 25 zum
Anbringen des Stellglieds 13 und einem Weg 26,
der mit dem Kompressor-Auslassdiffusor 14 und dem Ende
des Rohrs 23 kommuniziert, versehen. In den Zeichnungen
ist das Kompressorgehäuse 5 teilweise
weggeschnitten, um die Einzelheiten des Wegs (Durchgangs) 26 und
die Verbindung des Rohrs 23 zu zeigen. Der Weg 26 ist
mit einer kreisförmigen Öffnung 26a mit
vergrößertem Durchmesser
versehen, um einen O-Ring 24 aufzunehmen, der auf einem
Flansch 23a des Verbindungsrohrs 23 sitzt. Der
Anbringungsbügel 25 umfasst
zwei gegabelte Arme 25a und 25b, die Schlitze 27 definieren,
um Stellglied-Anbringungsbolzen 28 aufzunehmen, wobei die
Wellen davon sich von dem Stellglied-Behälter 16 erstrecken,
wobei der Behälter 16 durch
Muttern 30, die auf die Schrauben bzw. Bolzen 28 über ein
Gewinde aufgeschraubt sind, an der Position fixiert ist.
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Der
Stellstab 17 ist mit dem Ventil 12 über einen
Hebelarm 19 verbunden, der an dem Ende eines Ventilschafts 20 angebracht
ist, der durch eine Muffe bzw. Hülse 21 geht,
die innerhalb des Turbinengehäuses 3 vorgesehen
ist. Der Stellstab 17 ist in einer Verbindung (einem Gelenk) 17a, 17b mit
einem kugelförmigen
Stabende an seinem Ende (teilweise weggeschnitten in den 1 und 2,
um Einzelheiten zu enthüllen)
versehen, das mit dem Hebelarm 19 verbunden ist. In der
in den 1 und 2 gezeigten Position, wobei
die Membran in Richtung auf die Rückseite des Stellglied-Behälters 16 vorgespannt
ist, lässt
sich ersehen, dass das Ventilelement 12a in einer geschlossenen
Position ist.
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Bei
der Verwendung wird das Abblasventil 12 in niedrigen Boost-Bedingungen
durch die Wirkung der Feder 18 in der Membran 15,
die mit dem Stellstab 17 verbunden ist, geschlossen gehalten
werden. Sobald jedoch der Druck in dem Kompressor-Auslassdiffusor 14 eine
vorgegebene Grenze erreicht, wird die verdichtete Luft, die an das
Stellglied 13 über das
Verbindungsrohr 23 übertragen
wird, die Membran 15 entgegen der Wirkung der Feder 18 drücken, wodurch
das Abblasventil geöffnet
wird, um zu ermöglichen,
dass das Einlass-Abgas an der Turbine vorbeigeht. In dieser Weise
kann der maximale Boostdruck, der durch den Turbolader erzeugt wird, gesteuert
und begrenzt werden.
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Zurückkehrend
nun zu der Verbindung mit dem kugelförmigen Stabende, diese umfasst
ein kugelförmiges
Stellgliedstabende 17a und ein zylindrisches Stabendstück 17b,
das einen Sockel für
das kugelförmige
Stabende 17a bereitstellt und das an dem Hebelarm angeschweißt ist.
Die Verbindung mit dem kugelförmigen
Stabende 17a/17b erlaubt eine relative Bewegung
zwischen dem Stellstab 17 und dem Hebelarm, sodass der
Stellstab 17 seine Ausrichtung zu dem Stellglied-Behälter beibehält, wenn er
sich vor und zurück
bewegt. Die Verbindung mit dem kugelförmigen Stabende beseitigt auch
die Notwendigkeit einen Stellstab 17 mit einstellbarer
Länge bereitzustellen,
und ermöglicht
eine vereinfachte Aufbauprozedur, wie nachstehend beschrieben.
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Da
die Verbindung (das Gelenk) mit dem kugelförmigen Stabende 17a, 17b eine
notwendige schwenkbare Bewegung zwischen dem Stellstab 17 und
dem Hebelarm 19 erlaubt, muss keine getrennte Schwenkverbindung
zwischen dem Hebelarm 19 und dem Endstück 17b des Stellstabs
hergestellt werden. Anstelle davon wird der Hebelarm einfach sowohl
an den Abblasventil-Schaft als auch das Ende des Stellstabs (d.h.
das Endstück 17b)
angeschweißt.
Im Gegensatz zu den bekannten Schweißen-zum-Einstellen Verfahren, wie voranstehend
beschrieben wurde, wird der Hebelarm 19 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung zusammen mit dem Abblasventil, anstelle
eines Teils der Stellglied-Anordnung vorher zusammengebaut. Der
Hebelarm 19 wird an dem Ventilschaft 20 angebracht,
bevor das Stellglied an dem Turbolader montiert wird.
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Um
den Abhebepunkt einzustellen, wird das Ventil abgesperrt geklemmt
und der Druck in dem Stellglied auf den gewünschten Abhebedruck erhöht. Im Gegensatz
zu bekannten Verfahren ist es mit der vorliegenden Erfindung jedoch
nicht notwendig einen inneren Zugang zu dem Turbineneinlass zu erreichen,
um das Ventil geschlossen zu klemmen, und anstelle davon kann das
Ventil durch ein geeignetes Klemmen des Hebelarms 19, der
bereits mit dem Ventilschaft verbunden ist, geschlossen gehalten werden.
Wenn das Ventil so in der geschlossenen Position geklemmt ist, ist
das Endstück 17b des
Stellstabs 17 innerhalb eines zylindrischen Teilabschnitts 19a des
Hebelarms 19 angeordnet und die zwei werden an zwei Punkten
zusammengeschweißt.
Es sei darauf hingewiesen, dass deshalb keine Notwendigkeit besteht
einen Stellstab 17 mit einstellbarer Länge bereitzustellen, da die
effektive Länge
des Stellstabs automatisch bei dem Aufbau bestimmt wird, bevor der
Stab an den Hebelarm 19 angeschweißt wird, indem einfach das
Stabendstück 17b auf
dem Hebelarm 19 positioniert wird. Veränderungen in Federkonstanten
werden einfach bedeuten, dass die exakte Position des Hebelarms 19 entlang
der Achse des Stellstabs 17 sich von einem Turbolader zum
nächsten
verändern
kann.
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Ganz
deutlich wird eine Positionierung des Hebelarms 19 auf
dem Ventilschaft 20 an einer vorgegebenen Stelle sein müssen, um
sicherzustellen, dass er sich in der korrekten Orientierung erstreckt, um
das Ende des Stellstabs 17 aufzunehmen, aber ein gewisser
Betrag von Toleranz wird zugelassen werden durch die Schwenkfreiheitverbindung
mit dem kugelförmigen
Stabende. In ähnlicher
Weise würde
die Verbindung mit dem kugelförmigen
Stabende eine geringe Fehlausrichtung des Stellstabs 17 erlauben,
und zwar als Folge von irgendeiner Veränderung in der exakten Positionierung
des Stellglied-Behälters
auf dem Bügel 25.
Der Freiheitsgrad einer Bewegung, die durch die Verbindung mit dem kugelförmigen Stabende
bereitgestellt wird, hat keinerlei ungünstigen Effekt auf den Betrieb
des Stellglieds, da dann, wenn das Ventil geschlossen ist, der Stab 17 unter
Spannung ist.
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Es
sei deshalb darauf hingewiesen, dass der Einstellbetrieb in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung Vorteile gegenüber den herkömmlichen
Schweißen-zum-Einstellen
Verfahren aufweist, insbesondere dahingehend, dass das Ventil in
einer geschlossenen Position durch eine Klemme gehalten werden kann,
die auf einen Hebelarm extern zu dem Turbinengehäuse angebracht ist, und dass
keine Notwendigkeit besteht die Länge des Stellstabs vor Durchführung des
Schweißvorgangs
einzustellen.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass zahlreiche Modifikationen an der Ausführungsform
der Erfindung, die voranstehend beschrieben wurde, durchgeführt werden
könnten.