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Patent Searching and Data


Title:
DEVICE FOR ACTUATING THE WASTEGATE FLAP OF AN EXHAUST GAS TURBOCHARGER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/003921
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device for actuating the wastegate flap of an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine, said device having an actuator which has an actuator rod, a lever which is connected to said actuator rod and a spindle which is connected to said lever and to which the wastegate flap is secured. A resiliently mounted ball head rod is provided between the actuator rod and the lever.

Inventors:
DILALAN, Ümit (Ida-Dehmel-Ring 89, Mannheim, 68309, DE)
FERLING, Bruno (Robert-Koch-Straße 23, Beindersheim, 67259, DE)
Application Number:
EP2014/063604
Publication Date:
January 15, 2015
Filing Date:
June 26, 2014
Export Citation:
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Assignee:
CONTINENTAL AUTOMOTIVE GMBH (Vahrenwalder Straße 9, Hannover, 30165, DE)
International Classes:
F01D17/10; F02B37/18; F16C11/08; F16K31/04
Domestic Patent References:
2011-05-26
2011-03-10
2014-01-09
2014-01-09
Foreign References:
DE202007019447U12012-08-29
EP0976919B12004-12-01
FR2823795A12002-10-25
US2491380A1949-12-13
DE102013202191A12014-08-14
DE102010031500A12012-01-19
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Claims:
Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Betätigung der Wastegateklappe (5) des Abgasturboladers (1) einer Brennkraftmaschine, mit

- einem Aktuator (8), welcher eine Aktuatorstange (7) aufweist,

- einem mit der Aktuatorstange (7) verbundenen Hebel (14), und

- einer mit dem Hebel (14) verbundenen Spindel (15), an welcher die Wastegateklappe (5) befestigt ist,

dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Aktuatorstange (7) und dem Hebel (14) eine federnd gelagerte Kugelkopfstange (16) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelkopfstange (16) in ihrem von der Aktuatorstange (7) ab- gelegenen Endbereich einen Kugelkopf (17) aufweist, welcher in einem mit dem Hebel (14) verbundenen Lagerbolzen (18) gelagert ist .

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelkopf (17) im Lagerbolzen (18) mittels eines Kegelsitzes gelagert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerbolzen (18) mit einem Schlitz (19) versehen ist, durch welchen der von der Aktuatorstange (7) abgelegene End¬ bereich der Kugelkopfstange (16) in den Lagerbolzen (18) einsetzbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 - 4, dadurch ge- kennzeichnet, dass der von der Aktuatorstange (7) abgelegene

Endbereich des Kugelkopfes (17) einen Überstand (20) über den von der Aktuatorstange (7) abgelegenen Endbereich des Lagerbolzens (18) aufweist. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerbolzen (18) von einer Kappe (21) abgedeckt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Überstand (20) derart ausgelegt ist, dass mittels des Kugelkopfes (17) über die Kappe (21) eine Druckkraft in einer von der Aktuatorstange (17) wegführenden Richtung ausübbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelkopfstange (16) in ihrem der Aktuatorstange (7) zugewandten Endbereich über eine Langmutter (22) mit der Aktuatorstange (7) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Langmutter (22) mit der Aktuatorstange (7) unter Verwendung einer Kontermutter fest verbunden ist. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelkopfstange (16) in ihrem der Aktuatorstange (7) zugewandten Endbereich in der Langmutter (22) gelagert ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelkopfstange (16) in ihrem der Aktuatorstange (7) zu¬ gewandten Endbereich ein Kugelgelenk (23) aufweist, welches in der Langmutter (22) gelagert ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelgelenk (23) in der Langmutter (22) mittels eines

Kegelsitzes gelagert ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Langmutter (22) mit einem Schlitz (24) versehen ist, durch welchen der der Aktuatorstange (7) zugewandte Endbereich der Kugelkopfstange (16) in die Langmutter (22) einsetzbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelkopfstange (16) in ihrem der

Aktuatorstange (7) zugewandten Endbereich in der Langmutter (22) federnd gelagert ist.

Description:
Beschreibung

Vorrichtung zur Betätigung der Wastegateklappe eines Abgas- turboladers

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Betätigung der Wastegateklappe eines Abgasturboladers.

Ein Abgasturbolader dient der Leistungs- und Effizienzsteigerung von Kolbenmotoren. Er weist ein in einem Turbinengehäuse angeordnetes Turbinenrad und ein in einem Verdichtergehäuse angeordnetes Verdichterrad auf. Das Turbinenrad und das

Verdichterrad sind auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, welche in einem zwischen dem Turbinengehäuse und dem

Verdichtergehäuse angeordneten Lagergehäuse gelagert ist. Das Turbinenrad wird vom Abgasstrom des jeweiligen Kraftfahrzeugs angetrieben und treibt seinerseits über die gemeinsame Welle das Verdichterrad an. Mit steigender Motordrehzahl dreht sich die Welle zunehmend schneller. Je schneller sich die Welle dreht, desto mehr Luft fördert der Verdichter, was aufgrund der zu ¬ nehmenden Abgasmenge wiederum das Turbinenrad noch schneller antreibt. Dadurch steigt auch die Reibung in den Lagersitzen an und die Drehzahl des Verdichterrades erreicht ein Drehzahl ¬ plateau. Des Weiteren kann der Verdichter auch seine Fördergrenze erreichen. Es können auch die mechanischen und thermischen Grenzen des Motors überschritten werden. Folglich kann die im niedrigen Drehzahlbereich gewünschte Aufladung des Motors in höheren Drehzahlbereichen Probleme bereiten. Um die Abgabeleistung in praktikablen Grenzen zu halten bzw. die Aufladung des Motors zu begrenzen bedarf es einer Ladedruckregelung.

Eine derartige Ladedruckregelung kann unter Verwendung eines Wastegates vorgenommen werden. Dieses ist im Abgasstrom angeordnet und wird ab einem bestimmten Ladedruck durch einen Geber, welcher auf der Verdichterseite angeordnet ist, geöffnet. Durch dieses Öffnen des Wastegates wird ein Teil des Abgasstromes ^

am Turbinenrad vorbei in den Auspuff des Kraftfahrzeugs wei ¬ tergeleitet. Dadurch wird ein weiteres Ansteigen der Drehzahl des Turbinenrades unterbunden. Ein Wastegate weist eine Klappe auf, die unter Verwendung eines Hebels und einer Spindel mit einem Aktuator verbunden ist, welcher über den genannten Hebel und die Spindel je nach Bedarf die Klappe öffnet oder schließt.

In der Figur 1 ist ein Abgasturbolader veranschaulicht, der ein Wastegate aufweist. Dieser Abgasturbolader 1 weist ein Turbinengehäuse 2, ein Lagergehäuse 10 und ein Verdichtergehäuse 11 auf. Im Turbinengehäuse 2 ist ein Turbinenrad 3 angeordnet, welches vom Abgasstrom einer Brennkraftmaschine in Drehung versetzt wird. Das Turbinenrad 3 ist mit einer Welle 9 drehfest verbunden, welche im Lagergehäuse 10 gelagert ist. Im

Verdichtergehäuse 11 ist ein Verdichterrad 12 angeordnet, welches ebenfalls mit der Welle 9 drehfest verbunden ist, so dass die Drehung des Turbinenrades 3 über die Welle 9 auf das Verdichterrad 12 übertragen wird. Das Verdichterrad 12 saugt Frischluft an, verdichtet diese und leitet die verdichtete Frischluft der Brennkraftmaschine zu. Steigt der Ladedruck LD des Verdichters über einen vorgegebenen Druckwert an, dann erfolgt über einen Aktuator 8, welcher über eine Aktuatorstange 7 und eine Spindel 6 mit einer Wastegateklappe 5 verbunden ist, ein Öffnen der Wastegateklappe 5, so dass ein Teil des Abgasstromes am Turbinenrad 3 vorbei über einen Umgehungskanal 26 in den Auspuff des jeweiligen Kraftfahrzeuges geleitet wird. Aus der DE 10 2010 031 500 AI ist eine Vorrichtung zur Betätigung der Wastegateklappe des Abgasturboladers einer Brennkraftma ¬ schine bekannt. Diese Vorrichtung weist eine Stellstange auf, die von einem Aktuator in axialer Richtung verschiebbar ist und die an ihrer vom Aktuator abgewandten Seite über einen ersten Bolzen in einer ersten Kulisse geführt ist. An dem ersten Bolzen ist des Weiteren ein Schlitten gelenkig angeordnet. Der Schlitten ist auf der dem ersten Bolzen abgewandten Seite über einen zweiten Bolzen in der ersten Kulisse geführt. Am zweiten Bolzen ist ein Schwenkhebel gelenkig angeordnet. Des Weiteren ist der

Schwenkhebel auf der dem zweiten Bolzen abgewandten Seite drehbar im Turbinengehäuse des Abgasturboladers gelagert. Ferner ist am Schwenkhebel auf der dem zweiten Bolzen abgewandten Seite die Wastegateklappe angeordnet. Der Aktuator ist pneumatisch, elektromechanisch oder hydraulisch betätigbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine variable und ausgleichsfähige Vorrichtung zur Betätigung der Wastegateklappe des Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass durch die Verwendung einer federnd gelagerten Kugelkopfstange in Axialrichtung auftretender Versatz zwischen den Bauteilen der Vorrichtung ausgeglichen werden kann. Insbesondere können

Positionsabweichungen zwischen dem Hebel und der Aktuatorstange ausgeglichen werden. Ferner werden im Betrieb der Vorrichtung auftretende Stöße durch die federnde Lagerung der Kugelkopf ¬ stange gedämpft.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Genauigkeitsanforderungen beim Zusammenbau der Komponenten der Vorrichtung reduziert sind, da eventuelle Ungenauigkeiten durch die federnde Lagerung der Kugelkopfstange ausgeglichen werden.

Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren 2 - 7. Es zeigt Figur 2 eine Skizze zur Veranschaulichung eines Ausführungs ¬ beispiels für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, Figur 3 eine detailliertere Darstellung der Kugelkopfstange und deren Lagerung,

Figur 4 eine vergrößerte Darstellung des in der Figur 3 gezeigten

Lagerbolzens,

Figur 5 eine vergrößerte Darstellung der in der Figur 3 gezeigten

Langmutter, Figur 6 weitere Darstellungen zur Erläuterung der Lagerung der

Kugelkopfstange und

Figur 7 vergrößerte Darstellungen von Details aus der Figur 6. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Betätigung der

Wastegateklappe des Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine enthält einen eine Aktuatorstange aufweisenden Aktuator, einen mit der Aktuatorstange verbundenen Hebel, eine mit dem Hebel verbundene Spindel, eine Wastegateklappe, welche an der Spindel befestigt ist, und eine zwischen der Aktuatorstange und dem Hebel federnd gelagerte Kugelkopfstange.

Die Figur 2 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels für eine derartige erfindungsgemäße Vorrichtung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein bei ¬ spielsweise am Verdichtergehäuse befestigter Aktuator 8 vor ¬ gesehen, welcher eine Aktuatorstange 7 aufweist. Diese

Aktuatorstange ist in ihrer Axialrichtung verschiebbar, um je nach Bedarf eine im Turbinengehäuse 2 vorgesehene

Wastegateklappe 5 zu öffnen oder zu schließen. Zu diesem Zweck ist die Aktuatorstange 7 über eine Kugelkopfstange 16, einen Hebel 14 und eine durch eine Hülse 27 geführte Spindel 15 mit der Wastegateklappe 5 verbunden. Dabei ist der der Aktuatorstange 7 zugewandte Endbereich der Kugelkopfstange 16 in einer Langmutter 22 unter Verwendung einer Feder 25 federnd gelagert. Die Langmutter 22 weist einen Schlitz 24 auf, welcher in seinem der Aktuatorstange 7 zugewandten Endbereich mit einer runden Aussparung 28 (siehe Figur 5) versehen ist. Durch diesen mit der runden Aussparung 28 versehenen Schlitz 24 ist der der Aktuatorstange 7 zugewandte Endbereich der Kugelkopfstange 16 in die Langmutter 22 ein- setzbar. Die Langmutter 22 ist mit der Aktuatorstange 7 unter Verwendung einer Kontermutter fest verbunden.

Der von der Aktuatorstange 7 abgewandte Endbereich der Ku ¬ gelkopfStange 16 ist in einem Lagerbolzen 18 (siehe Figur 3) gelagert, welcher mit dem Hebel 14 verbunden ist. Der Lagerbolzen 18 ist von einer Kappe 21 abgedeckt, die von oben auf den Lagerbolzen aufgesteckt ist. Der Hebel 14 weist eine Aufnahme auf, in welche der obere Endbereich der Spindel 15 eingesetzt ist. Am unteren Endbereich der Spindel 15, welche durch die Hülse 27 geführt ist, ist die Wastegateklappe 5 befestigt.

Die Figur 3 zeigt eine detailliertere Darstellung der Kugel ¬ kopfstange 16 und deren Lagerung. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, weist die Kugelkopfstange 16 in ihrem in der Langmutter 22 gelagerten Endbereich ein Kugelgelenk 23 auf. Dieses Kugelgelenk 23 ist in der Langmutter 22 mittels eines Kegelsitzes gelagert. Das Kugelgelenk 23 wird dabei durch den Anpressdruck der Feder 25 in den Kegelsitz der Langmutter 22 gedrückt und in dieser Position gehalten. Um der Feder 25 eine definierte Auflage am Kugelgelenk zu geben, ist der der

Aktuatorstange 7 zugewandte Endbereich des Kugelgelenks 23 mit einem Federsitz 23a ausgestattet. Dieser kann als einfache Abflachung des Kugelgelenks, senkrecht zur Längsachse der Kugelkopfstange 16, ausgebildet sein, und kann, wie im vor- liegenden Beispiel gezeigt, auch einen mittig auf der Abflachung angeordneten Zapfen 23b aufweisen, der zur Führung der Feder 25 dient, wie in Figur 7 vergrößert dargestellt ist. Der von der Aktuatorstange abgelegene Endbereich der Kugelkopfstange 16 weist einen Kugelkopf 17 auf, welcher in einer Aussparung des Lagerbolzens 18 gelagert ist. Der Kugelkopf 17 ist im Lagerbolzen 18 ebenfalls mittels eines Kegelsitzes gelagert. Der Lagerbolzen ist mit dem Hebel 14 verbunden. Auf den Lagerbolzen 18 ist von oben (bezogen auf die Figur) die Kappe 21 aufgesteckt, die den Kegelsitz des Lagerbolzens 18 und somit auch den Kugelkopf 17 der Kugelkopfstange 16 übergreift und so den Kugelkopf 17 im Ke ¬ gelsitz des Lagerbolzens 18 sichert. Die Figur 4 zeigt eine vergrößerte Darstellung des in der Figur 3 gezeigten Lagerbolzens 18. Es ist ersichtlich, dass dieser Lagerbolzen 18 mit einem Schlitz 19 versehen ist, durch welchen der von der Aktuatorstange 7 abgewandte Endbereich der Ku ¬ gelkopfStange 16 in den Lagerbolzen 18 einsetzbar ist.

Die Figur 5 zeigt eine vergrößerte Darstellung der in der Figur 3 gezeigten Langmutter 22. Es ist insbesondere ersichtlich, dass diese Langmutter 22 einen Schlitz 24 aufweist, der in seinem der Aktuatorstange 7 zugewandten Endbereich mit einer runden Aussparung 28 erweitert ist. Durch diesen mit der runden

Aussparung 28 erweiterten Schlitz 24 ist der der Aktuatorstange 7 zugewandte Endbereich der Kugelkopfstange 16, welcher das Kugelgelenk 23 aufweist, in die Langmutter 22 einsetzbar. Die Figur 6 zeigt weitere Darstellungen zur Erläuterung der Lagerung der Kugelkopfstange 16.

Aus der oberen Darstellung von Figur 6 geht hervor, dass ein Endbereich der Kugelkopfstange 16 in der Langmutter 22 gelagert ist und der andere Endbereich der Kugelkopfstange 16 mit dem Hebel 14 verbunden ist. Wird die Kugelkopfstange 16 in ihrer Axi ¬ alrichtung bewegt, dann führt dies zu einer Drehung des Hebels 14 um die Mittelachse der Spindel 15, welche über die Spindel 15 auf die Wastegateklappe einwirkt und diese öffnet oder schließt.

Die untere Darstellung von Figur 6 zeigt einen Schnitt längs der in der oberen Darstellung von Figur 6 gezeigten Schnittlinie B-B. Es ist ersichtlich, dass die Kugelkopfstange 16 in ihrem in der Langmutter 22 gelagerten Endbereich mit einem Kugelgelenk 23 ausgestattet ist, welches in der Langmutter 22 mittels eines Kegelsitzes gelagert ist wobei das Kugelgelenk 23 durch die Feder 25 in den Kegelsitz gedrückt und darin gehalten wird. Der sich in Richtung zur Aktuatorstange 7 erstreckende Endbereich des Kugelgelenkes 23 weist einen Zapfen 23b auf, um welchen ein Endbereich der Feder 25 gelegt ist. Der andere Endbereich der Feder 25 stützt sich an der Aktuatorstange 7 ab. Des Weiteren ist aus der Figur 6 ersichtlich, dass die Kugelkopfstange 16 in ihrem von der Aktuatorstange 7 abgelegenen Endbereich in einem Lagerbolzen 18 gelagert ist. Dieser Endbereich der Kugelkopfstange 16 weist einen Kugelkopf 17 auf, der in einer Aussparung des Lagerbolzens gelagert ist. Die Figur 7 zeigt vergrößerte Darstellungen der in der Figur 6 gezeigten Detailbereiche X und Y.

Aus der linken Darstellung von Figur 7 ist ersichtlich, dass der einen Kugelkopf 17 aufweisende Endbereich der Kugelkopfstange 16 mittels eines Kegelsitzes 29 im Lagerbolzen 18 gelagert ist. Dabei weist der von der Aktuatorstange 7 abgelegene Endbereich des Kugelkopfes 17 einen Überstand 20 über den von der

Aktuatorstange 7 abgelegenen Außenbereich des Lagerbolzens 18 auf. Dieser Überstand 20 ist derart ausgelegt, dass sicher- gestellt ist, dass beim Zusammenbau der Vorrichtung die Kappe 21 noch auf den Lagerbolzen 18 aufgesteckt werden kann. Die Kappe 21 ist dazu aus einem, bis zu einem gewissen Grad elastischen Material, z.B. Federstahl, gefertigt und übt nach dem Aufstecken eine Federkraft auf den überstehenden Kugelkopf 17 aus, die diesen in den Kegelsitz 29 des Lagerbolzens 18 drückt und darin festhält. Des Weiteren ist die Kappe 21 derart ausgelegt, dass im Betrieb der Vorrichtung eine gewünschte Druckkraft in Druckrichtung von der Kugelkopfstange 16 über die Kappe 21 und den Lagerbolzen 18 auf den Hebel 14 übertragen werden kann, um die Wastegateklappe 5 in Öffnungsrichtung zu betätigen.

Aus der rechten Darstellung von Figur 7 ist ersichtlich, dass der ein Kugelgelenk 23 aufweisende Endbereich der Kugelkopfstange 16 mittels eines Kegelsitzes 29 in der Langmutter 22 gelagert ist.

Wie aus den vorstehenden Erläuterungen ersichtlich ist, ist bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zwischen dem eine

Aktuatorstange aufweisenden Aktuator und dem über eine Spindel auf die Wastegateklappe einwirkenden Hebel eine Kugelkopfstange vorgesehen. Diese ist in ihrem dem Hebel zugewandten Endbereich mit einem Kugelkopf versehen, welcher in einem mit dem Hebel verbundenen Lagerbolzen mittels eines Kegelsitzes gelagert ist. Der der Aktuatorstange zugewandte Endbereich der Kugelkopfstange weist ein federbeaufschlagtes Kugelgelenk auf, welches in einer mit der Aktuatorstange fest verbundenen Langmutter ebenfalls mittels eines Kegelsitzes gelagert ist. Durch eine derartige Lagerung kann ein ein Axial-Versatz , der die Wastegateklappe betätigenden Kugelkopfstange, der durch die Drehung des Hebels 14 um die Längsachse der Spindel 15 hervorgerufen wird, aus ¬ geglichen werden. Dadurch erreicht man eine variable und ausgleichsfähige Verbindung dieser Bauteile. Eine vorgenommene Einstellung kann mittels einer Kontermutter gesichert werden.

Eine einfache Montage der Kugelkopfstange wird durch die oben beschriebenen Schlitze im Lagerbolzen, in der Langmutter und in der Kappe 21 ermöglicht, wobei das Kugelgelenk der Kugel ¬ kopfstange durch die runde Aussparung des Schlitzes in die Langmutter einsetzbar ist.

Die federnde Lagerung der Kugelkopfstange in den Kegelsitzen 29 ermöglicht in Verbindung mit dem beschriebenen Kegelsitz an beiden Enden der Kugelkopfstange eine Schwenkbewegung der Kugelkopfstange im jeweiligen Kegelsitz um einen bestimmten, wenn auch geringen Grad, wie in Figur 7 angedeutet, und somit einen Ausgleich von Positionsabweichungen zwischen dem Angriffspunkt der Kugelkopfstange am Hebel und der Verlängerung der Längsachse der Aktuatorstange.

Mittels der Feder kann die Vorrichtung mit einer gewünschten Vorspannung versehen werden. Insbesondere kann diese Vorspannung so eingestellt werden, dass im vorgespannten Zustand eine gewünschte Druckkraft auf den Hebel übertragen werden kann, um die Wastegateklappe im geschlossenen Zustand zu halten. Des

Weiteren werden durch die Feder im Betrieb der Vorrichtung Stöße gedämpft . Die Verbindung der Bauteile der Vorrichtung ist variabel und spielfrei einstellbar.