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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit einer Stellvorrichtung zur Anpassung seines Betriebsverhaltens.
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Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Brennkraftmaschinen, insbesondere Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel die Brennkraftmaschine respektive den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO2-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen, um den Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken und somit mehr Treibstoff, Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
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Dazu weist der Abgasturbolader eine im Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnete Abgasturbine, einen im Ansaugtrakt angeordneten Frischluftverdichter und ein dazwischen angeordnetes Läuferlager auf. Die Abgasturbine weist ein Turbinengehäuse und ein darin angeordnetes, durch den Abgasmassenstrom angetriebenes Turbinenlaufrad auf. Der Frischluftverdichter weist ein Verdichtergehäuse und ein darin angeordnetes, einen Ladedruck aufbauendes Verdichterlaufrad auf. Das Turbinenlaufrad und das Verdichterlaufrad sind auf den sich gegenüberliegenden Enden einer gemeinsamen Welle, der sogenannten Läuferwelle, drehfest angeordnet und bilden so den sogenannten Turboladerläufer. Die Läuferwelle erstreckt sich axial zwischen Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad durch das zwischen Abgasturbine und Frischluftverdichter angeordnete Läuferlager und ist in diesem, in Bezug auf die Läuferwellenachse, radial und axial drehgelagert. Gemäß diesem Aufbau treibt das vom Abgasmassenstrom angetriebene Turbinenlaufrad über die Läuferwelle das Verdichterlaufrad an, wodurch der Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors, bezogen auf den Frischluftmassentrom hinter dem Frischluftverdichter, erhöht und dadurch eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff bewirkt wird.
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Turbinen und Verdichter sind Strömungsmaschinen und haben aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeiten einen jeweils von Baugröße und Bauart abhängigen optimalen Betriebsbereich der durch den Massedurchsatz, das Druckverhältnis und die Drehzahl des jeweiligen Laufrades gekennzeichnet ist. Im Gegensatz dazu ist der Betrieb eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug von dynamischen Änderungen der Last und des Betriebsbereiches gekennzeichnet.
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Um nun den Betriebsbereich des Abgasturboladers an sich ändernde Betriebsbereiche des Verbrennungsmotors anpassen zu können und so ein gewünschtes Ansprechverhalten möglichst ohne spürbare Verzögerungen (Turboloch) zu gewährleisten, werden Abgasturbolader mit Stellvorrichtungen zur Anpassung ihres Betriebsverhaltens ausgestattet. Dies sind zum Beispiel sogenannte variablen Turbinengeometrien (VTG) oder Wastegate-Einrichtungen (WG) auf der Abgas- oder Turbinenseite und Schubumluft- oder Abblas-Einrichtungen auf der Zuluft- oder Verdichterseite. Diese dienen dazu das träge Verhalten und somit das verzögerte Ansprechverhalten des Turboladers zu minimieren und schädliche Betriebszustände zu vermeiden. Je nach Drehzahl und Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors wird in Abhängigkeit von den Lastanforderungen zum Beispiel das Wastegate-Ventil bzw. die Variable Turbinengeometrie mittels eines Betätigungsaktuators über ein Übertragungsbetriebe so eingestellt, dass die Drehzahl von Turbinen- und Verdichterlaufrad sowie das Druckverhältnis, insbesondere an der Abgasturbine, innerhalb des gewünschten Arbeitsbereichs des Abgasturboladers gehalten werden kann.
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Als Betätigungsaktuatoren werden hierzu in bekannter Weise pneumatische oder elektromotorische Aktuatoren eingesetzt, die aufgrund der in direkter Umgebung der Abgasturbine im Betrieb herrschenden hohen Temperaturen in der Regel abgesetzt davon im Bereich des Verdichters angeordnet sind. Auch bauraumbedingt ist es häufig erforderlich, den Betätigungsaktuator abgesetzt von der Stellvorrichtung anzuordnen. Zur Übertragung der Stellbewegung vom Betätigungsaktuator auf die Stellvorrichtung sind dann entsprechende Übertragungsgetriebe erforderlich, die häufig eine Antriebsstange zur Überbrückung der Entfernung und damit gekoppelte Kurbelarme zur Umsetzung der Antriebsbewegung aufweisen.
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Da der Hubweg des Betätigungsaktuators in der Regel begrenzt ist und zusätzlich Fertigungstoleranzen der Bauteile des Übertragungsgetriebes sowie Lagetoleranzen des Betätigungsaktuators in seiner Montageposition auftreten können, andererseits gewährleistet werden muss, dass die Stelleinrichtung sicher in bestimmte Endpositionen gestellt werden kann, ist eine Ausrichtung und eine Justage der Bauteile des Übertragungsgetriebes bei der Montage am Abgasturbolader in der Regel erforderlich.
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Dazu werden in den Druckschriften
FR 2 707 712 A1 ,
DE 10 2013 202 191 A1 und
WO 2004 053 299 A1 beispielsweise längenverstellbare Schraubverbindung zwischen Antriebsstange und einem mit dem Kurbelarm verbundenen Koppelelement vorgeschlagen.
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Weiterhin wird beispielsweise in den Druckschriften
DE 10 2009 054 241 ,
DE 10 2009 039 911 A1 ,
DE 10 2010 040 583 A1 und
DE 10 2011 007 072 A1 vorgeschlagen, eine als Stellstab, Stabelement oder Regelstange bezeichnete Antriebsstange in ihrem Endbereich mit einem Schlitz bzw. einer Nut auszuführen, wobei ein als Führungshebel, Anbindungselement oder Plattenelement bezeichnets plattenförmig ausgebildetes Koppelelement drehbeweglich mit einem als Hebelelement, Hebelarm oder Stellhebel bezeichneten Kurbelarm verbunden und in dem Schlitz bzw. der Nut der Antriebsstange positioniert und erst nach Ausrichtung der Stelleinrichtung und des Betätigungsaktuators in Endposition darin durch eine Schweißverbindung in Endposition fixiert wird.
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Die bekannten Lösungen weisen dabei die Nachteile eines komplexen Aufbaus, eines erhöhten Montageaufwands und von schwer zu automatisierenden Montage- und Justagevorgängen auf.
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Die daraus abgeleitete Aufgabe besteht deshalb darin einen Abgasturbolader anzugeben, bei dem der Aufbau des Übertragungsgetriebes zwischen Betätigungsaktuator und Stellvorrichtung zur Anpassung des Betriebsverhaltens, möglichst einfach aufgebaut sowie einfach und automatisiert montierbar und justierbar und somit kostengünstiger zu realisieren ist wie die bekannten Lösungen des Standes der Technik.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit den Merkmalen gemäß dem Hauptanspruch. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der erfindungsgemäße Abgasturbolader weist eine Stellvorrichtung, zur Anpassung seines Betriebsverhaltens an das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine, sowie einen Betätigungsaktuator zur Betätigung der Stellvorrichtung und ein Übertragungsgetriebe, das unmittelbar oder mittelbar mit dem Betätigungsaktuator einerseits und mit der Stellvorrichtung andererseits gekoppelt ist zur Übertragung einer Stellgröße des Betätigungsaktuators auf die Stellvorrichtung, auf. Dabei weist das Übertragungsgetriebe eine mit dem Betätigungsaktuator verbundene Antriebsstange mit einer Antriebsstangenachse, einen mit der Stellvorrichtung verbundenen Kurbelarm und ein zwischen Antriebsstange und Kurbelarm angeordnetes Koppelelement, zur Koppelung von Antriebsstange und Kurbelarm, auf.
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Der erfindungsgemäße Abgasturbolader zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das Koppelelement einerseits einen Drehzapfen mit einer Drehzapfenachse aufweist, der um die Drehzapfenachse drehbar in dem Kurbelarm aufgenommen ist und andererseits eine Antriebsstangen-Aufnahme aufweist, in der das vom Betätigungsaktuator abgewandte Ende der Antriebsstange mittels einer stoffschlüssigen Verbindung fixiert ist. Dabei ist die Antriebsstangen-Aufnahme so gestaltet, dass die Antriebsstange, vor der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung, in der Antriebsstangen-Aufnahme, quer zur Antriebsstangenachse vorpositioniert jedoch in Richtung der Antriebsstangenachse verschiebbar und die Drehlage des Koppelelements um die Drehzapfenachse bestimmend aufgenommen ist.
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Diese Konfiguration stellt einen besonders einfachen Aufbau, bestehend aus nur wenigen Komponenten dar und ermöglicht eine einfache automatisierte Montage sowie Justage der Position der Antriebsstange in Bezug auf die Lage des Kurbelarms in Endstellung der Stellvorrichtung. Dabei wirkt die Antriebsstangen-Aufnahme des Koppelements so mit der Antriebsstange zusammen, dass die Antriebsstange bereits vor der Erstellung der endgültigen stoffschlüssigen Verbindung, lediglich durch Auflage in der Antriebsstangen-Aufnahme, beispielsweise durch ihre Schwerkraft, bezüglich zumindest dreier räumlicher Richtungen normal, also senkrecht zur Antriebsstangenachse vorpositioniert ist, jedoch in Richtung der Antriebsstangenachse verschiebbar bleibt. Gleichzeitig wird dadurch das Koppelement entlang der Antriebsstangenachse in seiner Drehlage ausgerichtet und vorpositioniert. In diesem Montagezustand kann nun die Justage auf einfache Weise erfolgen indem die Stellvorrichtung und somit das mit dem Kurbelarm verbundene Koppelelement sowie die Antriebsstange des Betätigungsaktuators zum Beispiel in Endanschlagposition gebracht werden und dann in dieser Position die stoffschlüssige Verbindung zwischen Antriebsstange und Koppelelement erstellt wird.
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Eine Auswahl von Ausführungsbeispielen der Erfindung gemäß Hauptanspruch und den Unteransprüchen werden im Folgenden anhand der Darstellungen in der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 Einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader mit den wesentlichen Komponenten, in vereinfachter schematischer Darstellung, mit aufgeschnittenem Turbinengehäuse;
- 2 bis 5 jeweils eine schematische Schnittdarstellung der Komponenten unterschiedlicher Übertragungsgetriebe eines erfindungsbemäßen Abgasturboladers;
- 6 eine 3-dimensionale Darstellung der Komponenten des in 3 schematisch dargestellten Übertragungsgetriebes.
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Funktions- und Benennungsgleiche Teile sind in den Figuren durchgehend mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Der in 1 dargestellte Abgasturbolader 10 weist einen mehrteiligen Aufbau auf. Dabei sind eine im Abgastrakt des Verbrennungsmotors anordenbare Abgasturbine 20 mit einem Turbinengehäuse 21, ein im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors anordenbarer Luftverdichter 30 mit einem Verdichtergehäuse 31 und zwischen Turbinengehäuse 21 und Verdichtergehäuse 31 eine Lagereinheit 40 mit einem Lagergehäuse 41 auf einer gemeinsamen Turboladerachse 15 nebeneinander angeordnet und montagetechnisch miteinander verbunden. Eine weitere Baueinheit des Abgasturboladers 10 stellt der Turboladerläufer dar, der eine Läuferwelle (nicht sichtbar), ein in dem Turbinengehäuse 21 angeordnetes Turbinenlaufrad 12 und ein in dem Verdichtergehäuse 31 angeordnetes Verdichterlaufrad (nicht sichtbar) aufweist. Das Turbinenlaufrad 12 und das Verdichterlaufrad sind auf den sich gegenüberliegenden Enden der gemeinsamen Läuferwelle angeordnet und mit diesen drehfest verbunden. Die Läuferwelle erstreckt sich in Richtung der Turboladerachse 15 axial durch das Lagergehäuse 41 und ist in diesem axial und radial um seine Läuferdrehachse drehgelagert, wobei die Läuferdrehachse in der Turboladerachse 15 liegt, also mit dieser zusammenfällt.
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Die gezeigte Ausführung des Abgasturboladers 10 weist eine Stellvorrichtung 50, zur Anpassung seines Betriebsverhaltens an das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine auf. Im dargestellten Fall ist dies ein sogenanntes Wastegate-Ventil 52, das mit einer Übertragungsspindel 51 um seine Längsachse, die Spindeldrehachse 51a, drehbar im Turbinengehäuse 21 gelagert ist. In anderer Ausführung kann eine entsprechende Stellvorrichtung jedoch auch als sogenannte Variable Turbinengeometrie oder als sogenanntes Schubumluftventil auf der Verdichterseite ausgeführt sein.
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Weiterhin in 1 erkennbar ist ein am Verdichtergehäuse 31 angeordneter Betätigungsaktuator 60, zur Betätigung der Stellvorrichtung 50, sowie ein Übertragungsgetriebe 70, das unmittelbar mit dem Betätigungsaktuator 60 einerseits und mittelbar über die Übertragungsspindel 51 mit der Stellvorrichtung 50 andererseits gekoppelt ist, zur Übertragung einer vom Betätigungsaktuator 60 vorgegebenen Stellgröße auf die Stellvorrichtung 50.
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Das Übertragungsgetriebe 70 weist eine unmittelbar mit dem Betätigungsaktuator 60 verbundene Antriebsstange 71 auf, die auch Teil des Betätigungsaktuators selbst sein kann. Die Längsachse der Antriebsstange 71 wird hier als Antriebsstangenachse 71a bezeichnet. An dem aus dem Turbinengehäuse 21 herausgeführten Ende der Übertragungsspindel 51 der Stellvorrichtung 50 ist ein Kurbelarm 79 mit diesem verbunden. Zur Koppelung der Antriebsstange 71 mit dem Kurbelarm 79 ist zwischen Antriebsstange 71 und Kurbelarm 79 ein Koppelelement 75 angeordnet.
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Das Koppelelement 75 weist einerseits einen Drehzapfen 76 (in 1 nicht erkennbar) mit einer Drehzapfenachse 76a auf, der um die Drehzapfenachse 76a drehbar in dem Kurbelarm 79 aufgenommen ist. Andererseits weist das Koppelelement 75 eine Antriebsstangen-Aufnahme 74 auf, in der das vom Betätigungsaktuator 60 abgewandte Ende der Antriebsstange 71 mittels einer stoffschlüssigen Verbindung 73 fixiert ist. Dabei ist die Antriebsstangen-Aufnahme 74 so gestaltet, dass die Antriebsstange 71, vor der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung 73, in der Antriebsstangen-Aufnahme 74, quer zur Antriebsstangenachse 71a vorpositioniert jedoch in Richtung der Antriebsstangenachse 71a verschiebbar ist. Darüber hinaus ist durch die Anordnung der Antriebsstange 71, im Zusammenwirken mit der Antriebsstangen-Aufnahme 74, die Drehlage des Koppelelements 75 um die Drehzapfenachse 76a bestimmt. In der in 1 gezeigten Ausführung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 10 ist die Antriebsstangen-Aufnahme 74 als Durchgangsbohrung in dem Koppelelement 75 ausgeführt, die quer zur Drehzapfenachse76a durch das Koppelement 75 verläuft und durch die die Antriebsstange 71 durchgesteckt ist. Diese Ausführung ist auch in 2 anhand der isolierten Darstellung des Übertragungsgetriebes 70 in vergrößerter Schnittansicht dargestellt.
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Diese Ausführung ist besonders vorteilhaft dahingehend, dass die Antriebsstange 71 im durchgesteckten Zustand bereits vor Erstellung der endgültigen stoffschlüssigen Verbindung 73 bezüglich aller Richtungen senkrecht zur Antriebsstangenachse 71a vorpositioniert ist. Bei dieser Ausführung ist die Vorpositionierung unabhängig von Schwerkrafteinflüssen gewährleistet und es ist keine besondere räumliche Orientierung der Abgasturbolader-Baugruppe währende der Montage und Justage der Stellvorrichtung 50 erforderlich.
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Klar erkennbar ist in der Darstellung der 2, wie auch in den Darstellungen der 3 bis 5, das abgeschnittene Ende einer um ihre Spindeldrehachse 51a drehbar gelagerten Übertragungsspindel 51, die mit dem Kurbelarm 79 fest verbunden, beispielsweise verschweißt ist. Auf der gegenüberliegenden Seite des Kurbelarms 79 ist das Koppelelement 75 mit seinem Drehzapfen 76 um die Drehzapfenachse 76a drehbar in dem Kurbelarm 79 aufgenommen und, wie hier dargestellt, beispielsweise mittels eines Nietkopfes 78 festgelegten Sicherungsscheibe 77 gesichert.
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In den 3 bis 5 sind unterschiedliche Ausführungen von Übertragungsgetrieben 70 des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 10 dargestellt. Diese Übertragungsgetriebe 70 sind dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsstangen-Aufnahme 74 als V-förmige oder U-förmige oder rechteckige, einseitig offene Aussparung auf einer dem Drehzapfen gegenüberliegenden Oberseite oder einer Seitenfläche des Koppelelements 75 ausgeführt ist, die quer zur Drehzapfenachse 76a verläuft und in die die Antriebsstange 71 eingelegt ist.
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Insbesondere die Ausführung der Antriebsstangen-Aufnahme 74 als einseitig offene Aussparung hat den Vorteil, dass die Antriebsstange 71 auf einfache Weise eingelegt werden kann und nicht durchgesteckt werden muss wie beim Ausführungsbeispiel der 1 und 2. Dies trägt zur weiteren Vereinfachung des Montagevorgangs bei und erleichtert die automatisierte Montage. Jedoch ist hierbei auf die Orientierung der Abgasturbolader-Baugruppe bis zum Abschluss der endgültigen stoffschlüssigen Verbindung zwischen Antriebsstange 71 und Koppelement 75 zu achten. Diese ist vorteilhaft so zu wählen und beizubehalten, dass sich die Antriebsstange 71 selbst, mittels ihrer Schwerkraft, in der Antriebsstangen-Aufnahme 74 vorpositioniert und in dieser Position verharrt bis zur Fertigstellung der stoffschlüssigen Verbindung.
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In 3 ist eine Ausführung eines Übertragungsgetriebes 70 dargestellt, das eine V-förmige Aussparung auf der dem Drehzapfen 76 gegenüberliegenden Oberseite des Koppelelements 75 aufweist, die einseitig offen, mit der Öffnung auf der Oberseite des Koppelelements, ausgebildet ist.
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In 4 ist eine Ausführung eines Übertragungsgetriebes 70 dargestellt, das eine U-förmige Aussparung auf einer Seitenfläche des Koppelelements 75 aufweist, die einseitig offen, mit der Öffnung auf der Seitenfläche des Koppelelements, ausgebildet ist.
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In 5 ist eine Ausführung eines Übertragungsgetriebes 70 dargestellt, das eine rechteckige Aussparung auf der dem Drehzapfen 76 gegenüberliegenden Oberseite des Koppelelements 75 aufweist, die einseitig offen, mit der Öffnung auf der Oberseite des Koppelelements, ausgebildet ist.
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6 zeigt schließlich eine Ausführung eines Übertragungsgetriebes 70 wie bereits in 3 dargestellt, hier jedoch in perspektivischer 3-D-Ansicht.
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Bei allen gezeigten Ausführungen der 1 bis 6 ist die stoffschlüssige Verbindung 73 der Antriebsstange 71 in der Antriebsstangen-Aufnahme 74 schematisch dargestellt. Die stoffschlüssige Verbindung kann in allen Fällen als Schweißverbindung oder als Lötverbindung ausgeführt sein. Schweiß- oder Lötverbindungen sind dauerhaft feste und sichere Verbindungstechnologien, die auch automatisiert im Montageprozess ausgeführt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Abgasturbolader
- 12
- Turbinenlaufrad
- 15
- Turboladerachse
- 20
- Abgasturbine
- 21
- Turbinengehäuse
- 30
- Luftverdichter
- 31
- Verdichtergehäuse
- 40
- Lagereinheit
- 41
- Lagergehäuse
- 50
- Stellvorrichtung
- 51
- Übertragungsspindel
- 51a
- Spindeldrehachse
- 52
- Wastegateventil
- 60
- Betätigungsaktuator
- 70
- Übertragungsgetriebe
- 71
- Antriebsstange
- 71a
- Antriebsstangenachse
- 73
- Stoffschlüssige Verbindung
- 74
- Antriebsstangen-Aufnahme
- 75
- Koppelelement
- 76
- Drehzapfen
- 76a
- Drehzapfenachse
- 77
- Sicherungsscheibe
- 78
- Nietkopf
- 79
- Kurbelarm
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- FR 2707712 A1 [0008]
- DE 102013202191 A1 [0008]
- WO 2004053299 A1 [0008]
- DE 102009054241 [0009]
- DE 102009039911 A1 [0009]
- DE 102010040583 A1 [0009]
- DE 102011007072 A1 [0009]