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Die
Erfindung betrifft einen Turbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Ein
derartiger Turbolader ist aus der
DE 197 11 307 A1 bekannt. Der dortige Turbolader
weist ein Stromregel-Stellglied
auf, das auf den Luftdruck im Auslass für Ansaugluft anspricht, um
das Stromregelglied zu betätigen,
das in der Abgas-Bypassleitung angeordnet ist.
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Es
ist demgegenüber
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Turbolader einer gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, dessen Stellglied für Anwendungen
geeignet ist, bei welchen das in der Bypassleitung angeordnete Absperrorgan
bzw. Wastegate im Betrieb gegen einen bestimmten Druck geöffnet bzw.
geschlossen werden muss.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Dadurch,
dass das Stellglied als elektromagnetischer Aktuator ausgebildet
ist, ist es möglich,
diesen in einem ersten Fall so auszulegen, dass dieser das Wastegate
gegen ein bestimmtes Druckgefälle öffnet, dass
heißt,
dass im Falle eines Aktuator-Ausfalls
das Wastegate sich nicht aufgrund des Druckgefälles von alleine öffnet. Es
ist möglich,
bei Angabe des gewünschten
Hubs, der gewünschten
Hubkraft, der gewünschten
Schließkraft,
der gewünschten
Ruheposition und der maximal zulässigen äußeren Abmessungen
des Aktuators eine Auslegung mit Angabe des nötigen Regelstroms durchzuführen, wobei diese
Auslegung in Abhängigkeit
der Spulenwicklungszahl erfolgt.
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Im
anderen oben genannten zweiten Fall eignet sich der erfindungsgemäße Aktuator-Typ
für Anwendungen,
bei welchen das Wastegate im Betrieb gegen ein bestimmtes Druckgefälle geschlossen werden
muss, d. h. bei dem im Fall eines Aktuator-Ausfalls dieses sich aufgrund des Druckgefälles von
alleine öffnet.
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Bei
dieser Alternative ermöglicht
die erfindungsgemäße Ausbildung
bei Angabe des gewünschten
Hubs, der gewünschten
höchsten Schließkraft und
der maximal zulässigen äußeren Abmessungen
des Aktuators eine Auslegung mit Angabe des nötigen Regelstroms, wobei die
Spulenwicklungszahl zu berücksichtigen
ist.
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Die
Unteransprüche
haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Weitere
Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus
nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematisch stark vereinfachte Darstellung des erfindungsgemäßen Turboladers,
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2 eine
schematisch stark vereinfachte Darstellung einer ersten Ausführungsform
eines Aktuators, der in Zusammenhang mit dem in 1 dargestellten
Turbolader verwendet werden kann,
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3 bis 5 Diagramme
zur Erläuterung der
Wirkungsweise des Aktuators gemäß 2,
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6 eine
der 2 entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Aktuators,
der mit dem Turbolader gemäß 1 verwendet
werden kann, und
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7 bis 11 Diagramme
zur Erläuterung
der Wirkungsweise des Aktuators gemäß 6.
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In 1 ist
eine schematisch stark vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Turboladers 1 dargestellt.
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Der
Turbolader 1 weist einen Verdichter 2 auf, dessen
Verdichterrad über
eine Welle 3 mit einem Turbinenrad einer Turbine 4 in
Verbindung steht.
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Die
Turbine 4 weist einen Abgas-Einlass 5 auf, der
mit einer Abgasleitung 13 eines Verbrennungsmotors in Verbindung
steht.
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Ferner
weist die Turbine 4 einen Abgassauslass 7 auf.
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1 verdeutlicht
ferner eine Bypass-Leitung 6, die vor dem Turbinen-Eintritt
vom Abgas-Einlass 5 abzweigt und direkt zum Abgassauslass 7 führt, sodass
durch diese Bypass-Leitung 6 die Turbine 4 umgangen
wird.
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In
der Bypass-Leitung 6 ist ein Absperrorgan 8 angeordnet,
das beispielsweise als so genanntes „Wastegate" ausgebildet sein kann. Das Absperrorgan 8 wird
von einem Stellglied betätigt,
das durch den Block 9, 22 entsprechend nachfolgend
zu beschreibender alternativer Ausführungsformen betätigt werden
kann.
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Das
Stellglied 9, 22 ist erfindungsgemäß als elektromagnetischer
Aktuator ausgebildet, dessen Aufbau nachfolgend anhand der 2 und 6 näher erläutert werden
wird.
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1 verdeutlicht
zur Vervollständigung
ferner einen Lufteintritt 10 in den Verdichter 2 und
einen Luftaustritt 11 aus dem Verdichter 2, der
zum Verbrennungsmotor 12 durch den Verdichter 2 verdichtete
Luft leitet.
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Der
Turbolader 1 gemäß 1 weist
natürlich
alle weiteren üblichen
Teile auf, die jedoch zur Vereinfachung in 1 nicht
dargestellt sind, da sie für
die Erläuterung
der Erfindung nicht von Bedeutung sind.
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Der
in 2 dargestellte Aktuator 9 wird nachfolgend
beschrieben. Dieser Aktuator 9 weist eine Hauptspule 14,
eine Startspule 15, einen zwischen der Hauptspule 14,
und der Startspule 15 angeordneten ringförmigen Permanentmagneten 16 auf.
Ferner ist ein massiver Stahlzylinder 17 vorgesehen, der
in Richtung der Längsachse
L angeordnet und längs
dieser beweglich ist und von der Hauptspule 14, der Startspule 15 und
dem ringförmigen
Permanentmagneten 16 umgeben ist. Ein abgestufter Aluminiumzylinder 19 umgibt
die Hauptspule 14 die Startspule 15 und den Permanentmagneten 19.
Eine nicht metallische Führungshülse 21 umgibt
den Stahlzylinder 17 und eine Regelstange 20,
die am Stahlzylinder 17 befestigt ist, und mittig aus einem Stahlgehäusezylinder 18 herausführt.
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Die
Auslegung kann einfach symmetrisch oder axialsymmetrisch erfolgen.
Bei der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform
des Aktuators wird eine zur darin gekennzeichneten Achse L axialsymmetrische
Auslegung beschrieben.
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Nachfolgend
wird die Funktion des ersten Aktuator-Typs 9 beschrieben.
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Im
stromlosen Zustand zwingt der Permanentmagnet 16 den Stahlzylinder 17 in
eine Neutralposition. Abhängig
davon, ob die Startspule 15 oder die Hauptspule 14 mit
Strom durchflossen wird, wird der Stahlzylinder 17 nach
oben oder unten ausgelenkt. Der Umstand, dass die Kraft zum Öffnen des Absperrorgans
bzw. Wastegates größer ist,
als die zum Schließen
benötigte,
bedingt die unterschiedlichen Spulengrößen.
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Abhängig von
der Stromstärke,
der Windungszahl, der Position, der Abmessung sowie der Art und
Weise, wie die Spule 14 gewickelt ist, kann die auf den
Stahlzylinder 17 wirkende Höchstkraft der jeweiligen, höchstmöglichen
Druckdifferenz entsprechenden Kraft auf die Wastegateklappe, angepasst werden.
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Die
Startspule 15 kommt unmittelbar bei und nach dem Start
des Verbrennungsmotors zum Einsatz und schließt das Wastegate. Die Hauptspule 14 ist
jetzt stromfrei.
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Sobald
ein Abgasturbolader-Drehzahlniveau erreicht ist, ab dem abgeblasen
werden muss, kommt die Hauptspule 14 zum Einsatz.
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Durch
Variation der Stromstärke
in der Hauptspule 14 bzw. in der Startspule 15 wird
das Wastegate mehr oder weniger weit geöffnet.
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Die
mit dem Stahlzylinder 17 verbundene Regelstange (20) überträgt diese
Bewegung bzw. Kraft auf den Hebel der Wastegateklappe (s. 1).
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Die
nicht metallische Führungshülse 21 dient als
Führung
für den
Stahlzylinder 17 in der Spule, bzw. im Permanentmagnet.
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Der
für magnetische
Feldlinien undurchlässige
Stahlmantel bzw. Stahlgehäusezylinder 18 gewährleistet
die elektromagnetische Kompatibilität (d. h. Abschirmung) mit der
Umgebung.
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Die
Verbindung zwischen diesem Stahlgehäusezylinder 18 und
den inneren Komponenten wird durch den Aluminiummantel bzw. abgestuften Aluminiumszylinder 19 hergestellt.
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Für den Fall
einer Stromunterbrechung kommt der Permanentmagnet 16 zum
Einsatz und hält
das Wastegate in einer geöffneten
Position. Ein Überdrehen
des Laders wird somit verhindert.
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Nachfolgend
wird für
diese Ausführungsform die
Betätigung
des Wastegate beispielhaft mit Bezug auf 3 beschrieben.
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Die
Bedienung des Wastegate erfolgt über einen
Hebel, mit einem Hebelarmverhältnis
von z. B. 2:1.
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Die Öffnung des
Wastegates sei in der stromlosen Ruheposition mit z. B. 2 mm vorgeschrieben.
Auf Grund des Hebelarmverhältnisses
resultiert dies in einer Ruheposition von 4 mm an der Regelstange 20.
Dieser Zustand entspricht zum Beispiel der Situation, in welcher
der Motor steht.
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Wird
der Motor nun gestartet, so muss das Wastegate geschlossen werden.
Die Startspule 15 wird aktiviert und bewegt die Regelstange 20 um
4 mm in Richtung der Startspule 15. Die dafür zur Verfügung stehende
Höchstkraft
an der Regelstange 20 beträgt zwischen 25 N (0 mm) und
26 N (4 mm). Unter Berücksichtigung
des Hebelarmverhältnisses
entspricht dies 50 N-52 N am Wastegate.
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Wird
der Motor beschleunigt und überschreitet
sein Drehzahlniveau den Wert, ab welchem abgeblasen werden muss,
so wird das Wastegate wieder geöffnet.
Die Hauptspule 14 wird aktiviert und bewegt die Regelstange 20 in
Richtung der Hauptspule 14. Die dafür zur Verfügung stehende Höchstkraft
an der Regelstange 20 beträgt z. B. bei geschlossenem
Wastegate 67 N. Unter Berücksichtigung
des Hebelarmverhältnisses
entspricht dies 134 N am Wastegate.
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Mit
diesem Wert ließe
sich theoretisch ein Wastegate mit einem Bohrungsdurchmesser von
29 mm gegen ein Druckgefälle
von 2 bar öffnen.
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Der
maximale Weg der Regelstange 20 beträgt im vorliegenden Fall z.
B. 14 mm, d. h., das Wastegate kann bis zu 7 mm weit geöffnet werden.
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Selbstverständlich lässt sich
die Höchstkraft des
Aktuators 9 in die eine oder andere Richtung durch Variation
der Dimensionen der Einzelkomponenten wie Spule, Zylinder, und Permanentmagnet beeinflussen.
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3 zeigt
die Kraft auf den Stahlzylinder 17 mit einem Durchmesser
von z. B. 48 mm in Abhängigkeit
der Axialposition des Stahlzylinders 17.
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Besonderheiten bei der
Auslegung:
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Es
ist zu beachten, dass die magnetische Kraftflussdichte den für das Zylindermaterial
geltenden magnetischen Sättigungswert
nicht überschreitet.
Für Stahl
beträgt
dieser Wert etwa 1,9 Tesla.
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4 verdeutlicht,
wie dieser Wert zu Stande kommt. Das Diagramm zeigt, dass die magnetische
Kraftflussdichte [B] in Abhängigkeit
der magnetischen Feldstärke
[H] für
Stahl eine nichtlineare Charakteristik besitzt, was dazu führt, dass
ab einem bestimmten Wert (ca. 1,9 Tesla) ein Zuwachs an Feldstärke nicht
mehr in einem nennenswerten Zuwachs an Kraftflussdichte resultiert.
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5 zeigt
das Ergebnis einer numerischen Simulation der magnetischen Kraftflussdichte,
welche der für
die Öffnung
einer geschlossenen Wastegateklappe notwendigen Kraft an der Regelstande 20 entspricht.
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Die
Darstellung ist entsprechend dem Rechenansatz axialsymmetrisch.
-
Sie
lässt Aufschluss
darüber
zu, wie weit die magnetische Kraftflussdichte von dem für das Zylindermaterial
geltenden magnetischen Sättigungswert entfernt
ist und wie gut die Abschirmung des Magnetfelds nach außen durch
den Stahlgehäusezylinder 18 gelingt.
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Schließlich ist
in Bezug auf die Einhausung zu beachten, dass ein radialer Mindestabstand
zwischen dem Stahlgehäusezylinder 18 und
den inneren Komponenten zu gewährleisten
ist, um einer Feldschwächung
im Innern des Aktuators 9 vorzubeugen. Dieser Mindestabstand
wird durch den Aluminiummantel bzw. Aluminiumzylinder 19 gewährleistet, welcher
keine ferromagnetische Eigenschaft besitzt, jedoch die Wärmeleitung
nach außen
gewährleistet.
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In
axialer Richtung ist ein solcher Mindestabstand nicht vonnöten.
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Der
in 6 dargestellte zweite Aktuator-Typ 22 wird
gemäß einer
zweiten erfindungsgemäßen Ausbildung
nachfolgend beschrieben. Dieser Aktuator 22 weist eine
Spule 23, einen massiven Stahlzylinder 24, der
in Richtung der Längsachse
L angeordnet und längs
dieser beweglich ist und einen Aluminiumzylinder 26, der
die Spule 23 umgibt. Der Stahlzylinder 24 ist
von einer nicht metallischen Führungshülse 28 umgeben.
Eine Regelstange 27 ist am Stahlzylinder 24 befestigt
und muttig aus dem Stahlgehäusezylinder 25 herausgeführt.
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Nachfolgend
wird die Funktion des Aktuator-Typs 22 beschrieben.
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Abhängig davon,
ob die Spule 23 mit Strom versorgt wird, entsteht im Stahlzylinder 24 eine
auf die Regelstange 27 bezogene Zugkraft. Die Richtung dieser
Zugkraft entspricht der Schließrichtung
des Wastegates.
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Abhängig von
der Stromstärke,
der Windungszahl, der Position, der Abmessung sowie der Art und
Weise, wie die Spule 23 gewickelt ist, kann diese auf den
Zylinder 24 wirkende Höchstkraft
der jeweiligen, höchstmöglichen
Druckdifferenz entsprechenden Zugkraft auf die Wastegateklappe angepasst
werden.
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Die
mit dem Zylinder 24 verbundene Regelstange 27 überträgt diese
Zugkraft auf den Hebel der Wastegateklappe.
-
Beim
Start wird die Spule 23 mit Strom versorgt und das Wastegate
geschlossen.
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Sobald
ein Abgasturbolader-Drehzahlniveau erreicht ist, ab dem abgeblasen
werden muss, wird die Stromstärke
so weit reduziert, bis sich das Wastegate öffnet.
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Durch
Variation der Stromstärke
in der Spule 23 wird das Wastegate mehr oder weniger weit
geöffnet.
-
Die
nicht metallische Führungshülse 28 dient als
Führung
für den
Zylinder 24 in der Spule 23.
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Der
für magnetische
Feldlinien undurchlässige
Stahlmantel bzw. Stahlgehäusezylinder 25 gewährleistet
die elektromagnetische Kompatibilität (d. h. Abschirmung) mit der
Umgebung.
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Die
Verbindung zwischen diesem Stahlmantel und den inneren Komponenten
wird durch den Aluminiummantel bzw. Aluminiumzylinder 26 hergestellt.
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Für den Fall
einer Stromunterbrechung ist der Stahlzylinder kraftfrei und erlaubt,
dass die Druckdifferenz zwischen Turbine und Abgastrakt das Wastegate öffnet. Ein Überdrehen
des Laders wird somit verhindert.
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Nachfolgend
wird für
die zweite Ausführungsform
die Betätigung
des Wastegate beispielhaft mit Bezug auf 6 beschrieben.
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Die
Bedienung des Wastegate erfolgt über einen
Hebel, mit einem Hebelarmverhältnis
von z. B. 2:1.
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Der
Aktuator 22 muss so positioniert werden, dass die höchstmögliche Zugkraft
mit der Position, in welcher das Wastegate geschlossen ist, zusammenfällt, in 6 entspricht
dies 10 mm in Zugrichtung.
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Wird
der Motor nun gestartet, so muss das Wastegate geschlossen werden.
Die Spule 23 wird aktiviert. Die benötigte Schließkraft ist
noch gering.
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Wird
der Motor beschleunigt und überschreitet
sein Drehzahlniveau den Wert, ab welchem abgeblasen werden muss,
so wird das Wastegate wieder geöffnet.
Der Strom in der Spule 23 wird dementsprechend verringert.
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Die
größte Schließkraft wird
benötigt,
wenn der Abblasvorgang beendet wird. Die dafür zur Verfügung stehende Höchstkraft
an der Regelstange 27 beträgt im vorliegenden Fall ca.
83 N. Unter Berücksichtigung
des Hebelarmverhältnisses
entspricht dies 166 N am Wastegate.
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Mit
diesem Wert ließe
sich theoretisch ein Wastegate mit einem Bohrungsdurchmesser von 32,5
mm gegen ein Druckgefälle
von 2 bar schließen.
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Der
maximale Weg der Regelstange 27 beträgt im vorliegenden Fall 12,5
mm, d. h. das Wastegate kann auf Grund des Hebelverhältnisses
bis zu 6,25 mm geöffnet
werden.
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Die äußeren Abmessungen
des Aktuators 22 betragen im vorliegenden Fall z. B. 114
mm im Durchmesser bei einer Höhe
von 100 mm.
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7 zeigt
die Kraft auf den Zylinder 24 mit einem Durchmesser von
40 mm in Abhängigkeit
der Axialposition des Zylinders 24 für eine Spule mit 3000 Ampèrewindungen.
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Hier
zeigt sich die günstige
Kennlinie des Aktuators 22. Je näher man der Verschlussposition
des Wastegates (–10
mm) kommt, desto größer ist
die benötigte
Schließkraft,
gleichzeitig aber auch die zur Verfügung stehende höchstmögliche Zugkraft. Selbstverständlich lässt sich
die Höchstzugkraft
des Aktuators 22 durch Variation der Dimensionen der Einzelkomponenten
wie Spule 23 und Zylinder 24 beeinflussen. So
kann die für
die jeweilige Anwendung kleinstmögliche
Aktuatorgröße ermittelt
werden.
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8 zeigt,
wie sich die höchstmögliche Zugkraft
des Aktuators 22 in Abhängigkeit
des Durchmessers des Zylinders 24 für eine Spule mit 3000 Ampèrewindungen ändert.
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9 zeigt
zum Beispiel, wie sich die höchstmögliche Zugkraft
des Aktuators 22 in Abhängigkeit
des Stroms durch die Spule 23 als auch in Abhängigkeit
der Anzahl der Windungen z. B. für
einen Zylinderdurchmesser von 40 mm ändert.
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Besonderheiten bei der
Auslegung:
-
Es
ist zu beachten, dass die magnetische Kraftflussdichte den für das Zylindermaterial
geltenden magnetischen Sättigungswert
nicht überschreitet.
Für Stahl
beträgt
dieser Wert etwa 1,9 Tesla.
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10 verdeutlicht,
wie dieser Wert zu Stande kommt. Das Diagramm zeigt, dass die magnetische
Kraftflussdichte [B] in Abhängigkeit
der magnetischen Feldstärke
[H] für
Stahl eine nichtlineare Charakteristik besitzt, was dazu führt, dass
ab einem bestimmten Wert (ca. 1,9 Tesla) ein Zuwachs an Feldstärke nicht
mehr in einem nennenswerten Zuwachs an Kraftflussdichte resultiert.
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11 zeigt
das Ergebnis einer numerischen Simulation der magnetischen Kraftflussdichte, welche
dem Schließen
einer Wastegateklappe z. B. mit einer Kraft von 83 N an der Regelstande 20 entspricht.
-
Die
Darstellung ist entsprechend dem Rechenansatz axialsymmetrisch.
-
Sie
lässt Aufschluss
darüber
zu, wie weit die magnetische Kraftflussdichte von dem, für das Zylindermaterial
geltenden magnetischen Sättigungswert entfernt
ist und wie gut die Abschirmung des Magnetfelds nach außen durch
den Stahlgehäusezylinder 25 gelingt.
-
Schließlich ist
in Bezug auf die Einhausung zu beachten, dass ein radialer Mindestabstand
zwischen dem Stahlgehäusezylinder 25 und
den inneren Komponenten zu gewährleisten
ist, um einer Feldschwächung
im Innern des Aktuators 22 vorzubeugen. Dieser Mindestabstand
wird durch den Aluminiummantel bzw. Aluminiumzylinder 26 gewährleistet, welcher
keine ferromagnetische Eigenschaft besitzt, jedoch die Wärmeleitung
nach außen
gewährleistet.
-
In
axialer Richtung ist ein solcher Mindestabstand nicht vonnöten.
-
- 1
- Turbolader/Abgasturbolader
- 2
- Verdichter
- 3
- Welle
- 4
- Turbine
- 5
- Abgaseinlass
- 6
- Bypass
- 7
- Abgassauslass
- 8
- Absperrorgan
- 9
- Aktuator
- 10
- Lufteintritt
in 2
- 11
- Luftaustritt
aus 2
- 12
- Motor/Verbrennungsmotor
- 13
- Abgasleitung
- 14
- Hauptspule
- 15
- Startspule
- 16
- ringförmigen Permanentmagnet
- 17
- massiver
Stahlzylinder
- 18
- Stahlgehäusezylinder
mit Längsachse
L
- 19
- abgestufter
Aluminiumzylinder
- 20
- Regelstange
- 21
- nicht
metallische Führungshülse
- 22
- Aktuator
- 23
- Spule
- 24
- massiver
Stahlzylinder
- 25
- Stahlgehäusezylinder
- 26
- Aluminiumzylinder
- 27
- Regelstange
- 28
- nicht
metallische Führungshülse