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Die Erfindung betrifft einen Turbolader für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor mit einem Abgas-Bypasspfad für die Steuerung der Größe des eine Turbine des Turboladers beaufschlagenden Motorabgas-Volumenstroms, wobei der Bypasspfad für die Steuerung der Größe des durch den Bypasspfad geleiteten Abgas-Volumenstroms mit einer Bypassventilvorrichtung versehen ist, welche aufweist ein tellerartiges Ventilelement (gegebenenfalls als Wastegate-Klappe bezeichnet), das eine in einer Ebene liegende Dichtfläche und einen sich von Letzterer weg erstreckenden Schaft aufweist sowie zwischen einer Offen- und einer Schließstellung bewegbar ist, einen eine Abgas-Durchlassöffnung umschließenden und mit der Ventilelement-Dichtfläche zusammenwirkenden Ventilsitz für das Ventilelement, einen Ventilelement-Träger, mit welchem das Ventilelement mittels seines Schafts mindestens in Richtung senkrecht zur Ventilelement-Dichtfläche beweglich verbunden ist, eine in einer Lagerbuchse verdrehbar gehaltene Spindel, an der einerseits der Ventilelement-Träger und andererseits ein quer zur Spindel verlaufender erster Bereich eines Stellhebels verdrehfest angeordnet ist, und ein Stellhebel-Betätigungselement, welches mit einem zweiten Bereich des Stellhebels mindestens um eine zur Achse der Spindel parallele Schwenkachse schwenkbar verbunden ist.
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Bei einem solchen Turbolader kann es sich um einen einzelnen Turbolader handeln, aber auch um einen Turbolader eines mehrstufigen Ladersystems, das heißt eines mehrere Turbolader aufweisenden Systems.
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Ein Turbolader der eingangs definierten Art ist bekannt und ergibt sich beispielsweise aus der
1 der
WO 2010/135104 A oder der
1 der
DE 10 2009 030 520 A .
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Bei einem Turbolader der eingangs erwähnten Art haben Fertigungstoleranzen der Bauteile der Bypassventilvorrichtung, vor allem aber die im Betrieb auftretenden zeitlichen Temperaturänderungen und unterschiedlichen Temperaturen der Bauteile unvermeidlich zur Folge, dass zwischen dem Ventilelement und dem Ventilelement-Träger, aber auch zwischen dem Stellhebel und dem Stellhebel-Betätigungselement jeweils ein gewisses Spiel vorhanden ist.
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Neuerdings wird vermehrt ein auf das Stellhebel-Betätigungselement einwirkender elektromechanischer Antrieb für die Betätigung des Bypassventils eingesetzt, was zu dem Vorteil führt, dass sich gezielt jede Zwischenstellung zwischen der Offen- und der Schließstellung des Ventilelements verhältnismäßig genau einstellen lässt. Vor allem dann, wenn es sich bei dem Ventilelement um eine Wastegate-Klappe handelt, die zwischen ihrer Offen- und ihrer Schließstellung eine Schwenkbewegung durchführt, erlaubt das vorstehend erwähnte Spiel zwischen dem Ventilelement, das heißt der Wastegate-Klappe, und dem Ventilelement-Träger auch eine Anpassung der Wastegate-Klappe an den Ventilsitz, wenn sich die Wastegate-Klappe unmittelbar vor ihrer Schließstellung befindet und sodann abdichtend gegen den Ventilsitz anliegen soll. Es hat sich nun gezeigt, dass in bestimmten Winkelstellungen der Wastegate-Klappe dieses Spiel dazu führt, dass die Wastegate-Klappe durch den Abgasstrom zu schwingungsähnlichen Bewegungen angeregt wird, welche im Betrieb des Turboladers bei bestimmten Motordrehzahlen zu Rassel- und Klappergeräuschen führen, die nicht nur wegen des Geräusches, sondern auch wegen durch das Klappern hervorgerufener Verschleißerscheinungen nachteilig sind.
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Deshalb wird für einen Turbolader der eingangs erwähnten Art durch die
WO 2010/135104 A vorgeschlagen, im Bereich der Verbindung des Ventilelements (Wastegate-Klappe) mit dem Ventilelement-Träger ein Federelement einzusetzen, welches die Gestalt einer kreisringförmigen und vom Ventilelement-Schaft durchsetzten Federstahlblechscheibe hat. Bei dieser bekannten Bypassventilvorrichtung weist der hebelartige Ventilelement-Träger ein Loch auf, durch welches der Schaft des tellerartigen Ventilelements hindurchragt, und am freien Ende dieses Schafts ist ein scheibenartiges Widerlager befestigt, um das Ventilelement am Ventilelement-Träger zu sichern. Die kreisringförmige Federstahlblechscheibe ist konisch gestaltet, das heißt sie hat die Form eines Kegelstumpfs mit einem kreisförmigen Außenrand und einem ihre Öffnung definierenden kreisförmigen inneren Rand, zwischen denen das Blech die Form eines hohlen Kegelstumpfs hat und (im Querschnitt) überall flach ist. Bei einer ersten Ausführungsform dieser bekannten Bypassventilvorrichtung ist die Federstahlblechscheibe zwischen dem tellerartigen Ventilelement und dem Ventilelement-Träger angeordnet, bei einer zweiten Ausführungsform zwischen dem Ventilelement-Träger und dem am freien Ende des Schafts des Ventilelements befestigten scheibenartigen Widerlager.
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Bei beiden Ausführungsformen wird die Federstahlblechscheibe mit der einen Kante ihres Außenrandes gegen einen flachen Bereich des Ventilelement-Trägers gepresst und mit der einen Kante ihres Innenrandes entweder gegen einen flachen Bereich des tellerartigen Ventilelements oder einen flachen Bereich des scheibenartigen Widerlagers. Es hat sich nun gezeigt, dass unter den im Motorbetrieb im Bereich der Wastegate-Klappe herrschenden hohen Temperaturen (Abgastemperaturen) das Material der Federstahlblechscheibe im Bereich ihres Außen- und Innenrandes zum Kriechen bzw. Fließen neigt und deshalb die Federstahlblechscheibe im Laufe des Betriebs erhebliche Verschleißerscheinungen zeigt, welche sich nachteilig auf die Beseitigung des Spiels in der Verbindung zwischen dem tellerartigen Ventilelement und dem Ventilelement-Träger auswirken.
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Bei den bekannten Bypassventilvorrichtungen der eingangs erwähnten Art lässt sich aufgrund von Fertigungstoleranzen und/oder von im Betrieb nicht vermeidbaren unterschiedlichen Bauteiltemperaturen ein Spiel auch in der Verbindung des Stellhebels mit dem Stellhebel-Betätigungselement nicht vermeiden, sodass auch an dieser Stelle Rassel- bzw. Klappergeräusche sowie aufgrund des Spiels auftretende Verschleißerscheinungen im Motorbetrieb auftreten.
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Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, bei einer Bypassventilvorrichtung der eingangs definierten Art diese Nachteile zumindest zu minimieren oder gar ganz zu beseitigen, und zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, an mindestens einer der folgenden Positionen ein im Wesentlichen ringförmiges Federelement anzuordnen:
- (A) eine 1. Position im Bereich der Verbindung zwischen dem Ventilelement und dem Ventilelement-Träger, wobei durch das vom Ventilelement-Schaft durchsetzte Federelement ein Spiel in Längsrichtung des Ventilelement-Schafts zwischen dem Ventilelement und dessen Träger zumindest nahezu beseitigt wird;
- (B) eine 2. Position im Bereich der Verbindung zwischen dem Stellhebel und dem Stellhebel-Betätigungselement, wobei durch das von der Schwenkachse durchsetzte Federelement ein Spiel in Richtung dieser Schwenkachse zwischen dem Stellhebel und dem Stellhebel-Betätigungselement zumindest nahezu beseitigt wird,
wobei das Federelement mindestens eine im Wesentlichen ringförmige Federstahlblechscheibe mit einer in Richtung der Ringachse federelastischen, die Ringachse umschließenden Sicke aufweist, und wobei die Sicke unter Berücksichtigung der Federeigenschaften der Federstahlblechscheibe derart gestaltet und dimensioniert ist, dass das genannte Spiel auch im Betrieb des Turboladers zumindest nahezu beseitigt wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Bypassventilvorrichtung liegt das Federelement erfindungsgemäß nicht mit Randkanten der mindestens einen Federstahlblechscheibe gegen die dem Federelement benachbarten Bauteile der Bypassventilvorrichtung an, wie dies bei dem sich aus der
WO 2010/135104 A ergebenden Federelement der Fall ist, sondern die auf das Federelement einwirkenden Pressungskräfte wirken je nach Gestaltung des erfindungsgemäßen Federelements zumindest überwiegend oder im Wesentlichen auf Federelement-Bereiche ein, welche vom radial äußeren und radial inneren Rand des Federelements in radialer Richtung beabstandet sind: Im Falle einer Vollsicke handelt es sich bei diesen Bereichen um den Kamm und die beiden Füße der Vollsicke, bei einer Halbsicke um die beiden ringförmigen Übergänge der Halbsicke in die beiden der Halbsicke benachbarten ringförmigen Bereiche der Federstahlblechscheibe. Weist das erfindungsgemäße Federelement nur eine einzige Federstahlblechscheibe auf, werden erfindungsgemäß im Falle einer Vollsicke deren Sickenkamm und die beiden Sickenfüße der Vollsicke gegen die dem Federelement benachbarten Bauteile der Bypassventilvorrichtung angepresst, während im Fall einer Halbsicke deren beide vorgenannten Übergänge (die man auch als Sickenfüße bezeichnen könnte) in die der Halbsicke benachbarten Bereiche der Federstahlblechscheibe gegen die benachbarten Bauteile angepresst werden. Weist das Federelement zwei einander benachbarte Federstahlblechscheiben auf, werden im Fall von Vollsicken entweder alle Sickenkämme oder alle Sickenfüße gegen die benachbarten Bauteile angepresst, während im Fall von Halbsicken die einen "Sickenfüße" der beiden Halbsicken gegen die benachbarten Bauteile und die beiden anderen Sickenfüße gegeneinander oder gegen eine ringförmige Innenlage angepresst werden, welche zwischen den beiden gesickten Deckblechen des Federelements angeordnet ist.
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Während bei dem bekannten Federelement die gepressten Kanten des Außen- und Innenrandes der Federstahlblechscheibe sich an die benachbarten Bauteile zumindest im Wesentlichen nicht anpassen können, weist eine federelastische Sicke ein verhältnismäßig gutes Anpassungsvermögen auf, da sich die Sicke längs ihres Umfangs in ihrer Höhe bereichsweise verhältnismäßig leicht unterschiedlich verformen lässt.
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Ist das Ventilelement relativ zum Ventilelement-Träger nicht nur in Längsrichtung des Schafts des Ventilelements beweglich oder sind der Stellhebel und das Stellhebel-Betätigungselement relativ zueinander nicht nur in Richtung der Schwenkachse ihrer Verbindung beweglich, sondern kann die Schaftachse gegenüber dem Ventilelement-Träger bzw. kann die Schwenkachse gegenüber dem Stellhebel- und/oder dem Stellhebel-Betätigungselement aufgrund eines Spiels auch gekippt werden, wird das erfindungsgemäße Federelement vorzugsweise so gestaltet, dass sowohl ein axiales Spiel als auch ein im Sinne der erwähnten Kippbewegung vorhandenes Spiel durch das Federelement zumindest nahezu beseitigt wird.
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Schließlich eignet sich die Erfindung nicht nur für eine Bypassventilvorrichtung, bei welcher das Ventilelement zwischen seiner Offen- und seiner Schließstellung eine Schwenkbewegung durchführt, sondern auch für Ausführungsformen, bei denen das Ventilelement zwischen seiner Offen- und seiner Schließstellung eine geradlinige Bewegung durchführt.
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Die vorstehend erwähnte
DE 10 2009 030 520 A befasst sich ausschließlich mit einem als ringförmiges Federelement gestalteten Abdichtelement, welches zwischen einer Lagerbuchse für eine eine Wastgate-Klappe tragenden Spindel und einem an Letzterer befestigten Stellhebel angeordnet ist, um einen Austritt von Abgasen aus dem Spalt zwischen der Spindel und ihrer Lagerbuchse zu verhindern. Das Federelement besteht aus einer oder zwei ringförmigen Blechscheiben und bildet mindestens eine federnde Dichtlippe, welche unter bezüglich der Spindel axialer Vorspannung zwischen der einen Stirnseite der Lagerbuchse und der dieser gegenüberliegenden Seite des Stellhebels eingebaut ist und gasdicht abdichtend gegen die Lagerbuchse und den Stellhebel anliegt. Bei einer von der vorliegenden Erfindung betroffenen Bypassventilvorrichtung stellt sich das Problem einer Gasabdichtung jedoch weder im Bereich der Verbindung des Ventilelements mit einem Ventilelement-Träger, noch im Bereich der Verbindung zwischen einem die Spindel verdrehenden Stellhebel und einem Stellhebel-Betätigungselement.
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Vor allem bei einer Anordnung des erfindungsgemäßen Federelements an der vorstehend erwähnten 1. Position ist das Federelement im Betrieb besonders hohen Temperaturen ausgesetzt, so dass für ein an der 1. Position eingesetztes Federelement die Verwendung eines Federstahls empfohlen wird, welcher auch unter den im Betrieb des Turboladers an dieser Position herrschenden Temperaturen für die Spielbeseitigung ausreichende Federeigenschaften aufweist, auch wenn diese geringer sein mögen als die Federeigenschaften des Federstahls bei Raumtemperatur. Auf hierfür geeignete Federstahlsorten wird nachfolgend noch hingewiesen werden, besonders empfehlenswert sind aber Federstähle aus einer Nickel-Basislegierung.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Sicke der mindestens einen Federstahlblechscheibe als Halbsicke gestaltet wird, denn gegenüber einer Vollsicke hat eine Halbsicke den Vorteil, dass sich mit einer Halbsicke bei gleicher oder ähnlicher Federhärte der Sicke ein größerer Federweg des Federelements (in Richtung seiner Ringachse) verwirklichen lässt, und außerdem liegt eine mit einer Halbsicke versehene Federstahlblechscheibe zumindest im Wesentlichen ausschließlich mit flachen Ringbereichen der Blechscheibe gegen dieser benachbarte Bauteile an.
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Besonders gute Eigenschaften einer mit mindestens einer Halbsicke versehenen erfindungsgemäßen Federstahlblechscheibe hinsichtlich ihres axialen Federwegs und ihrer axialen Federsteife lassen sich dadurch erreichen, dass man die Halbsicke so gestaltet, dass die in radialer Richtung gemessene Breite der Halbsicke ein (nicht unbedingt ganzzahliges) Mehrfaches der in axialer Richtung des Federelements gemessenen Höhe der Halbsicke beträgt; besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verhältnis der in Richtung der Achse der Federstahlblechscheibe gemessenen Höhe der Halbsicke zu der in bezüglich dieser Achse radialer Richtung gemessenen Breite der Halbsicke zwischen 1:2 und 1:7, vorzugsweise zwischen 1:4 und 1:6 und insbesondere bei ca. 1:5 liegt.
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Durchgreift der Ventilelement-Schaft ein im Ventilelement-Träger vorgesehenes Loch (mit oder ohne Spiel) und ist an seinem freien Ende mit einem Widerlager versehen, so wie dies bei der sich aus der
WO 2010/135104 A ergebenden Bypassventilvorrichtung der Fall ist, bringt es einen erheblichen Vorteil mit sich, wenn zwischen diesem Widerlager und dem Ventilelement-Träger eine vom Ventilelement-Schaft durchsetzte ringförmige Unterlegscheibe vorgesehen und das an der 1. Position angebrachte Federelement zwischen dem Widerlager, vorzugsweise zwischen der Unterlegscheibe und dem Ventilelement-Träger angeordnet wird. Durch ein Vorhalten unterschiedlich dicker Unterlegscheiben und dem Einbau einer entsprechend dicken Unterlegscheibe lassen sich einerseits Fertigungstoleranzen ohne Weiteres kompensieren und lässt sich andererseits die Vorspannung des an der 1. Position eingebauten Federelements bestimmen und einstellen, was dann besonders vorteilhaft ist, wenn das freie Ende des Ventilelement-Schafts nach dem Einstecken in das Loch des Ventilelement-Trägers und dem Aufschieben der Unterlegscheibe auf den Ventilelement-Schaft durch eine Art Nietvorgang so verdickt wird, dass es das besagte Widerlager bildet und ein Lösen des Ventilelements und der Unterlegscheibe vom Ventilelement-Träger verhindert. Durch eine solche Anordnung des Federelements muss beim Schließen des Ventils die auf das Ventilelement einwirkende Schließkraft nicht über das Federelement auf das Ventilelement übertragen werden, so dass das Federelement nur der Spielbeseitigung dient und nicht durch zu hohe Pressungskräfte beschädigt werden kann.
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Vorteilhafterweise wird ein an der 2. Position angebrachtes Federelement zwischen dem Stellhebel und dem Stellhebel-Betätigungselement angeordnet, da es dann durch diese beiden Bauteile vor Beschädigungen geschützt wird.
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Für die mindestens eine erfindungsgemäße Federstahlblechscheibe eignen sich, wie bereits erwähnt, besonders Nickel-Basislegierungen, gegebenenfalls aber auch demgegenüber teurere Kobalt-Basislegierungen.
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Zur Herstellung der mindestens einen Federstahlblechscheibe wird zunächst eine entsprechende ringförmige Blechscheibe aus einem Blech ohne Federstahleigenschaften ausgestanzt und durch Prägen in ihre endgültige Gestalt (einschließlich der mindestens einen Sicke) gebracht, worauf dem Blech durch eine Wärmebehandlung die gewünschten Federstahleigenschaften und die gewünschte Härte verliehen werden.
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Weitere vorteilhafte Merkmale und Einzelheiten der erfindungsgemäßen Bypassventilvorrichtung ergeben sich aus den beigefügten Unteransprüchen sowie der beigefügten zeichnerischen Darstellung und der nachfolgenden Beschreibung besonders vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung; in den Zeichnungen zeigen:
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1 einen aufgeschnittenen Teil eines Turbinengehäuses eines Turboladers mit einem als Wastegate-Klappe gestalteten Ventilelement samt Ventilelement-Träger in einer isometrischen Darstellung;
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2 das mit einem Schaft versehene Ventilelement in einer Seitenansicht und, in einer Schnittdarstellung, einen Teil einer Wand des Turbinengehäuses mit einem Ventilsitz für das Ventilelement;
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3 eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht einer Baugruppe, bestehend aus dem Ventilelement, dem Ventilelement-Träger, einer in einer Lagerbuchse verdrehbar gehaltenen und mit dem Ventilelement-Träger versehenen Spindel, einem an Letzterer befestigten Stellhebel und einem mit diesem gelenkig verbundenen Stellhebel-Betätigungselement;
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4 eine Ansicht der Spindel, des Ventilelement-Trägers und des Ventilelements gesehen in Richtung des Pfeils A aus 3;
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5 eine Ansicht der in 4 dargestellten Teile gesehen in Richtung des Pfeils B aus 4;
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6 eine Ansicht der in 4 dargestellten Teile gesehen in Richtung des Pfeils C aus 4, wobei jedoch ein Bereich des Ventilelement-Trägers und eine Unterlegscheibe im Schnitt dargestellt wurden;
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6A den Ausschnitt D aus 6 in größerem Maßstab;
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7A, 7B und 7C eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Federelements, und zwar eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht bzw. einen Schnitt nach der Linie 7C-7C aus 7A;
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8A, 8B und 8C eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Federelements, und zwar eine Draufsicht bzw. einen Schnitt nach der Linie 8B-8B bzw. einen Schnitt nach der Linie 8C-8C aus 8A, und
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9A, 9B und 9C eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Federelements, und zwar eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht bzw. einen Schnitt nach der Linie 9C-9C aus 9A.
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Die 1 zeigt einen Teil eines Turbinengehäuses 10, in welches der dem Antrieb einer nicht dargestellten Abgas-Turbolader-Turbine dienende Abgasstrom durch eine Abgas-Einlassöffnung 12 hindurch eintritt. An Letztere schließt sich ein im Turbinengehäuse 10 ausgebildeter Abgas-Anströmpfad 14 an, welcher zur Turbine führt und in dem ein bei dieser Ausführungsform als Wastegate-Klappe gestaltetes Ventilelement 16 angeordnet ist. Dieses in 1 nur teilweise dargestellte, tellerartig gestaltete Ventilelement 16 lässt sich im Abgas-Anströmpfad 14 in noch zu beschreibender Weise gegenüber dem Turbinengehäuse 10 bewegen, um eine in 1 nicht dargestellte, in der Wandung des Turbinengehäuses 10 links vom Ventilelement 16 ausgebildete Abgas-Durchlassöffnung vollständig und möglichst gasdicht verschließen zu können – hierfür ist eine in 2 dargestellte Wand 10a des Turbinengehäuses 10 mit einem Ventilsitz 16a versehen, welcher die in 2 gleichfalls gezeigte Abgas-Durchlassöffnung 16b umschließt. Wie sich aus dem Folgenden noch ergibt, wird bei der dargestellten Ausführungsform das Ventilelement 16 so bewegt, dass es die Abgas-Durchlassöffnung 16b nicht nur vollständig verschließen, sondern auch mehr oder minder oder vollständig freigeben kann. Mit Hilfe des Ventilelements 16 lässt sich so ein von einem nicht dargestellten, im Turbinengehäuse 10 ausgebildeten Kanal gebildeter Bypasspfad für den Abgasstrom verschließen oder teilweise oder vollständig öffnen, um den in das Turbinengehäuse 10 eintretenden Abgasstrom vollständig, teilweise oder überhaupt nicht über die Abgasturbolader-Turbine zu führen, indem der Abgasstrom mit Hilfe des Bypasspfads ggf. teilweise oder vollständig aus dem Abgas-Anströmpfad 14 abgeführt wird.
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Den 1 und 2 lässt sich entnehmen, dass das tellerartige Ventilelement 16 eine in diesem Fall kreisringförmig gestaltete Dichtfläche 16c aufweist, die in einer Ebene liegt und mit einer entsprechenden Dichtfläche des Ventilsitzes 16a zusammenwirkt. An das tellerartige Ventilelement 16 ist ein Schaft 16d angeformt, dessen Achse in 2 mit 16e bezeichnet wurde und dessen freies, gemäß 2 oberes Ende mit einem verdickten Kopf 16f versehen ist. Zwischen diesem Kopf und dem tellerartigen Ventilelement 16 weist der Schaft 16d eine gemäß 2 obere Ringschulter 16g auf, und am Übergang des Schafts in das Ventilelement 16 ist eine gemäß 2 untere Ringschulter 16h vorgesehen.
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Anhand der 3 bis 6 und 6A wird im Folgenden eine Baugruppe beschrieben, welche das Ventilelement, die Letzteres tragenden sowie die das Ventilelement zwischen einer Offen- und einer Schließstellung bewegenden Teile umfasst.
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Zu dieser Baugruppe gehört eine wellenartige Spindel 20, an welche ein Ventilelement-Träger 22 angeformt ist, der sich nach Art eines Arms quer von der eine Achse 20a aufweisenden Spindel 20 weg erstreckt und über den größten Teil seiner Länge einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt und damit zwei flache Seiten 22a und 22b besitzt. In der Nähe seines freien Endes hat der Ventilelement-Träger 22 ein insbesondere kreisrundes Loch 22c, welches vom Schaft 16d durchgriffen wird, so dass sich die am Übergang dieses Schafts in das Ventilelement 16 vorgesehene Ringschulter 16h auf der Seite 22b des Ventilelement-Trägers 22 abstützen kann.
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Zwischen dem Kopf 16f des Schafts 16d und dem Ventilelement-Träger 22 ist eine Unterlegscheibe 24 angeordnet, welche zwei vorzugsweise insgesamt ebene und zueinander parallele Stirnseiten 24a und 24b besitzt, von denen sich die Letztere auf der Ringschulter 16g des Schafts 16d abstützt. Erfindungsgemäß sind der Abstand der beiden Ringschultern 16g und 16h voneinander, die Dicke des mit dem Loch 22c versehenen Bereichs des Ventilelement-Trägers 22 und die Dicke der Unerlegscheibe 24 so aufeinander abgestimmt, dass sich zwischen der durch den Kopf 16f gegen die Ringschulter 16g angelegten Unterlegscheibe 24 und dem gegen die Ringschulter 16h anliegenden Ventilelement-Träger 22 ein Ringspalt ergibt, in dem ein erstes ringförmiges und vom Schaft 16d durchsetztes Federelement 30 angeordnet ist.
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Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform wird zunächst der am Ventilelement 16 vorgesehene Schaft 16d durch das Loch 22c des Ventilelement-Trägers 22 hindurchgeführt, worauf das Federelement 30 und die gleichfalls ringförmige Unterlegscheibe 24 auf den Schaft 16d aufgeschoben werden, wobei die Unterlegscheibe gegen die Ringschulter 16g angelegt wird. Anschließend wird das freie Ende des Schafts 16d, welches zunächst den Kopf 16f noch nicht aufweist, durch eine Art Nietvorgang so verformt, dass der verdickte Kopf 16f entsteht, bei dessen Bildung die Unterlegscheibe 24 gegen die Ringschulter 16g angepresst wird und durch den das Ventilelement 16 am Ventilelement-Träger 22 gesichert wird sowie das Federelement 30 und die Unterlegscheibe 24 auf dem Schaft 16d gehalten werden.
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Wie die 6 deutlich erkennen lässt, liegt das Federelement 30 mit seinen beiden Seiten erfindungsgemäß gegen ebene, senkrecht zur Achse 16e verlaufende Flächen an, welche bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung von der Seite 22a des Ventilelement-Trägers 22 und der einen Stirnseite 24b der Unterlegscheibe 24 gebildet werden. Die Gestaltung und Funktion des Federelements 30 wird im Folgenden noch beschrieben werden.
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Wie sich aus 3 ergibt, wird die Spindel 20 durch eine Lagerbuchse 40 gehalten und ist in dieser um die Spindelachse 20a verdrehbar gelagert. Die Lagerbuchse 40 ist in einer in 1 erkennbaren Wand 10b des Turbinengehäuses 10 befestigt, es ist aber auch als im Rahmen der Erfindung liegend anzusehen, dass die Spindel 20 unmittelbar in einer entsprechend gestalteten Öffnung der Wand 10b gehalten und um die Spindelachse 20a verdrehbar gelagert ist.
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Zur 1 ist noch anzumerken, dass diese eine gegenüber der 4 modifizierte Ausführungsform des Ventilelement-Trägers zeigt, welcher in 1 mit 22' bezeichnet wurde; ferner zeigt die 1 eine alternative Gestaltung des freien Endes des Schafts 16d des Ventilelements 16, weshalb in 1 dieses ein Widerlager bildende freie Schaftende mit 16f' bezeichnet wurde – anders als in 1 dargestellt, wird in der Praxis dieses Widerlager von einer Scheibe gebildet, welche mit dem eigentlichen Schaft z.B. durch Schweißen fest verbunden ist. Schließlich sei noch erwähnt, dass die 1 eine nicht erfindungsgemäße Anordnung des Ventilelements 16 am Ventilelement-Träger 22' zeigt.
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Das gemäß 3 obere Ende der Spindel 20 durchgreift ein in 3 nicht erkennbares Loch eines Stellhebels 42 und ist mit diesem zumindest drehfest, vorzugsweise aber auch in Richtung der Spindelachse 20a unverschiebbar verbunden; die hierfür erforderlichen Mittel sind dem Fachmann geläufig und brauchen deshalb nicht erläutert zu werden. Zwischen der Lagerbuchse 40 (ggf. aber der Wand 10b des Turbinengehäuses 10) und dem Stellhebel 42 ist ein ringförmiges zweites erfindungsgemäßes Federelement 44 angeordnet, dessen Öffnung von der Spindel 20 durchgriffen wird und welches einerseits gegen den Stellhebel 42 und andererseits gegen die gemäß 3 obere Stirnseite der Lagerbuchse 40 (ggf. aber gegen die Wand 10b) anliegt; bevorzugt werden diejenigen Bereiche des Stellhebels 42 und der Stirnseite der Lagerbuchse 40 (bzw. der Wand 10b), gegen welche das Federelement 44 anliegt, so gestaltet, dass sie eben sind und senkrecht zur Spindelachse 20a verlaufen. Auch die Gestaltung und Funktion des zweiten Federelements 44 werden im Folgenden noch beschrieben werden.
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An dem zusammen mit der Spindel 20 um die Spindelachse 20a verdrehbaren Stellhebel 42 greift ein Stellhebel-Betätigungselement 46 an, welches bei der in 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsform arm- oder hebelartig gestaltet ist, aber auch eine andere Form haben könnte, da es nur die Funktion erfüllen muss, den Stellhebel 42 um die Spindelachse 20 schwenken zu können. Das Stellhebel-Betätigungselement 46 ist am Stellhebel 42 derart angelenkt, dass es sich gegenüber Letzterem zumindest um eine Schwenkachse 48 verschwenken lässt, welche parallel zur Achse 20a der Spindel 20 verläuft. Für die gelenkige Verbindung zwischen dem Stellhebel 42 und dem Stellhebel-Betätigungselement 46 kann z.B. ein Kugelgelenk verwendet werden. Bei der in 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsform wird diese Gelenkverbindung von einem Gelenkstift 50 gebildet, dessen Achse mit der Schwenkachse 48 zusammenfällt und der ein Loch des Stellhebels 42 durchgreift sowie in ein Loch des Stellhebel-Betätigungselements 46 zumindest eingreift; dabei kann der Gelenkstift 50 z.B. am Stellhebel-Betätigungselement 46 befestigt sein, insbesondere durch Schweißen, während sich der Gelenkstift 50 gegenüber dem Stellhebel 42 um die Schwenkachse 48 verdrehen lässt. Um in diesem Fall das Stellhebel-Betätigungselement 46 am Stellhebel 42 zu sichern, kann am Gelenkstift 50 ein Sicherungselement angebracht sein, welches gegen die gemäß 3 obere Seite des Stellhebels 42 anliegt und am Gelenkstift 50 in axialer Richtung unverschiebbar gehalten wird.
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Erfindungsgemäß ist zwischen dem Stellhebel 42 und dem Stellhebel-Betätigungselement 46 ein drittes ringförmiges erfindungsgemäßes Federelement 52 angeordnet, dessen Öffnung vom Gelenkstift 50 durchgriffen wird und welches einerseits gegen den Stellhebel 42 und andererseits gegen das Stellhebel-Betätigungselement 46 anliegt. Alternativ könnte aber auch eine vom Gelenkstift 50 durchgriffene ringförmige Unterlegscheibe zwischen dem Federelement 52 und dem Stellhebel 42 und/oder dem Stellhebel-Betätigungselement 46 vorgesehen sein. In jedem Fall ist es zu bevorzugen, diejenigen Flächen, gegen welche das Federelement 52 anliegt, so zu gestalten, dass diese Flächen eben sind und senkrecht zur Schwenkachse 48 verlaufen.
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Anhand der 7A bis 7C, 8A bis 8C und 9A bis 9C werden nun drei erfindungsgemäße Federelemente beschrieben, deren jedes sich als erstes Federelement 30, als zweites Federelement 44 und/oder als drittes Federelement 52 verwenden lässt; vorzugsweise wird jedoch eines der in den 7 und 8 dargestellten Federelemente als Federelement 30 und das in den 9A bis 9C dargestellte Federelement als Federelement 52 verwendet. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass das Federelement 44 auf alle Fälle eine Gasabdichtung bewirken muss, damit Abgase, welche unvermeidlich in einen Spalt zwischen dem Umfang der Spindel 20 und dem die Spindel lagernden Bauteil, insbesondere also der Lagerbuchse 40, eindringen können, im Bereich des gemäß 3 oberen Endes der Lagerbuchse 40 bzw. der Gehäusewand 10b nicht nach außen entweichen können. Hingegen stellt sich das Problem einer Gasabdichtung weder an der Einbaustelle des Federelements 30, noch an der Einbaustelle des Federelements 52, weshalb diese beiden Federelemente hinsichtlich ihrer Gestaltung, ihrer Materialeigenschaften und ihrer Dimensionierung nur so ausgebildet werden müssen, dass durch diese Federelemente ein Spiel in Richtung der Achse 16e des Schafts 16d des Ventilelements 16 bzw. ein Spiel in Richtung der Schwenkachse 48 zumindest nahezu beseitigt wird, und zwar auch unter den Betriebstemperaturen des Turboladers, was vor allem für das Federelement 30 von besonderer Bedeutung ist.
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Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Einbaustellen der erfindungsgemäßen Federelemente wurden in den 7 bis 9 für die Federelemente nicht die bislang verwendeten Bezugszeichen 30 und 53 verwendet, sondern weitere Bezugszeichen.
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Das in den 7A bis 7C dargestellte erfindungsgemäße Federelement 60 ist insgesamt kreisringförmig und bezüglich einer in 7C angedeuteten und mit 60a bezeichneten Mittelebene spiegelsymmetrisch gestaltet; es besteht aus zwei kreisringförmigen Federstahlblechscheiben 62 und 64 und hat eine zentrale Öffnung 66 sowie eine senkrecht zur Mittelebene 60a verlaufende Achse 68. Jede der beiden Federstahlblechscheiben 62, 64 hat einen radial äußeren Ringbereich 70 und einen radial inneren Ringbereich 72, welche beide eben sind und parallel zur Mittelebene 60a verlaufen, und zwischen diesen Ringbereichen besitzt jede Federstahlblechscheibe eine Halbsicke 74. Bei der bevorzugten Ausführungsform liegen die beiden radial äußeren Ringbereiche 70 der beiden Federstahlblechscheiben gegeneinander an; es wäre aber auch denkbar, zwischen diesen beiden radial äußeren Ringbereichen eine flache, kreisringförmige Innenlage anzuordnen, welche gleichfalls aus einem Hochtemperatur-beständigen Stahlblech besteht, das jedoch anders als die Federstahlblechscheiben 62, 64 keine Federstahleigenschaften aufweist. Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform weisen die beiden Halbsicken 74 bezüglich der Mittelebene 60a voneinander weg, so dass das Federelement 60 im eingebauten Zustand mit seinen radial inneren Ringbereichen 72 gegen insbesondere ebene Flächenbereiche benachbarter Bauteile anliegt. An die Stelle der radial inneren Ringbereiche 72 könnten aber auch Bereiche der beiden Federstahlblechscheiben 62, 64 treten, welche Ausnehmungen aufweisen und/oder entlang des Rands der Öffnung 68 mit Ausschnitten versehen sind. Alternativ könnten die dem Federelement 60 benachbarten beiden Bauteile für das Federelement Abstützbereiche aufweisen, welche um die Öffnung 68 herum keine durchgehend ebenen Flächen bilden, sondern zwischen ebenen Flächenbereichen z.B. Vertiefungen haben, da es nur darauf ankommt, dass das Federelement radial innerhalb seiner Halbsicken 74 in Richtung seiner zentralen Achse 68 federnd vorgespannt zwischen die benachbarten Bauteile eingebaut ist.
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Erfindungsgemäß kann das Federelement 60 auch so modifiziert werden, dass die radial inneren Ringbereiche 72 der beiden Federstahlblechscheiben 62, 64 gegeneinander oder gegen eine ringförmige Innenlage anliegen, und dass die Halbsicken der beiden Federstahlblechscheiben zwischen sich einen sich radial nach außen öffnenden Spalt bilden, so dass die beiden Federstahlblechscheiben mit ihren radial äußeren Ringbereichen 70 federnd gegen die benachbarten Bauteile anliegen – in diesem Fall gilt dann für die radial äußeren Ringbereiche 70 und die beiden benachbarten Bauteile dasselbe wie für die in den 7A bis 7C dargestellte Ausführungsform.
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Erwähnt sei noch, dass die beiden Federstahlblechscheiben 62, 64 und die ggf. vorhandene Innenlage fest miteinander verbunden sind, insbesondere durch Punktschweißen oder eine in sich geschlossene, umlaufende Laserschweißnaht.
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Das in den 8A bis 8C dargestellte erfindungsgemäße Federelement 80 besteht nur aus einer einzigen Federstahlblechscheibe mit einer zentralen Öffnung 84 und einer Letzterer benachbarten Halbsicke 82, welche die Öffnung 84 vorzugsweise geschlossen umgibt, in Umfangsrichtung aber auch unterbrochen sein kann, beispielsweise aufgrund von aus der Blechscheibe ausgestanzten Öffnungen oder deshalb, weil in die Blechscheibe nur Segmente der Sicke 82 eingeprägt wurden, welche in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind. Vorteilhafterweise schließt sich an die Halbsicke 82 radial nach außen ein ebener, senkrecht zur Achse der Öffnung 84 verlaufender Ringbereich für eine flächige Anlage der Blechscheibe gegen ein benachbartes Bauteil an, wobei der radial äußere Rand dieses Ringbereichs den Außenumfang der Blechscheibe bilden kann; besonders empfehlenswert ist jedoch die zeichnerisch dargestellte Querschnittsform der Blechscheibe, bei der sich an den besagten Ringbereich ein gegenüber der Achse der Öffnung 84 geneigter, das heißt konischer weiterer Ringbereich anschließt, der anders als zeichnerisch dargestellt in einen dritten, radial äußeren und ebenen Ringbereich der Blechscheibe übergehen kann, welcher senkrecht zur Achse der Öffnung 84 verläuft und mit dem die Blechscheibe gegen ein anderes benachbartes Bauteil flächig anliegen kann.
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Wie sich aus den 8A und 8B ergibt, ist das Federelement 80 an seinem Außenumfang mit vorspringenden Blechnasen 86 versehen, welche über die von der Öffnung 84 definierte Ebene nach unten hinausragen, das heißt entgegen der Vorsprungsrichtung der Halbsicke 82. Erfindungsgemäß weist das Federelement 80 mindestens drei in Umfangsrichtung des Federelements im Abstand voneinander angeordnete Blechnasen 86 auf, mit welchen das Federelement auf einem benachbarten Bauteil zentriert wird, so wie dies die 6 für das Federelement 30 zeigt, um dieses bezüglich der Unterlegscheibe 24 und damit bezüglich der Achse 16e zu zentrieren.
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Die 9A bis 9C zeigen schließlich ein weiteres erfindungsgemäßes Federelement 90, welches gleichfalls nur aus einer einzigen Federstahlblechscheibe besteht, die mit einer der Federstahlblechscheiben 62 und 64 der Ausführungsform gemäß den 7A bis 7C identisch sein kann, sieht man einmal von der Federhärte der Halbsicke 92 des Federelements 90 ab – die Steifigkeit der Halbsicke 92 ist vorzugsweise größer als die Steifigkeit der Halbsicke 74 einer der Federstahlblechscheiben 62 und 64, um ein axiales Spiel ebenso wirksam und zumindest nahezu zu beseitigen, wie dies im Falle der Verwendung des Federelements 60 der Fall ist. Eine größere Steifigkeit der Halbsicke lässt sich durch eine entsprechende Gestaltung und/oder Bemessung der Halbsicke und/oder der Dicke des Federstahlblechs und/oder durch die Verwendung eines entsprechenden Federstahls herbeiführen. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass die Steifigkeit einer Sicke von der Sickenbreite, bei einer Halbsicke aber auch vom Neigungswinkel des schräg verlaufenden Sickenbereichs abhängt.
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Für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Federstahlblechscheibe werden besonders Bleche aus den folgenden Stahllegierungen empfohlen:
- – NiCo20Cr20MoTi (2.4650), Legierung DIN 17744/17750 nach DIN 59746/DIN EN ISO 9445
- – Alloy 625 (2.4856), DIN EN 10095
- – Waspaloy (2.4654)
- – NiCr19Fe19Nb5Mo3 (2.4668) nach DIN 59746/DIN EN ISO 9445.
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Die erstgenannte Legierung empfiehlt sich vor allem für ein erfindungsgemäßes Federelement, welches an derselben Position eingebaut ist wie das Federelement 30, und die letzte Legierung empfiehlt sich besonders für ein erfindungsgemäßes Federelement, welches an derselben Position eingebaut ist wie das Federelement 52. Alloy 625 und Waspaloy werden wiederum für Federelemente empfohlen, welche an derselben Position eingebaut sind wie das Federelement 30.
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Bei der erfindungsgemäßen Bypassventilvorrichtung dient ein erfindungsgemäßes Federelement der Beseitigung eines Spiels und nicht einer Gasabdichtung, vor allem nicht einer Gasabdichtung zwischen zwei relativ zueinander verdrehbaren Bauteilen. Deshalb werden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Federelements bevorzugt, bei denen die mindestens eine Federstahlblechscheibe und/oder die mindestens eine Sicke des Federelements eine größere Federhärte aufweist als die mindestens eine federnde Dichtlippe des sich aus der
DE 10 2009 030 520 A ergebenden Abdichtelements oder das in der beigefügten
3 dargestellte Federelement
44.
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Für das erfindungsgemäß in der 1. Position und/oder in der 2. Position anzuordnende erfindungsgemäße Federelement wird deshalb empfohlen, dieses so zu gestalten, dass es im eingebauten Zustand die folgenden Pressungs- oder Federkräfte zwischen dem Federelement und den diesem benachbarten Bauteilen erzeugt, und zwar insbesondere im kalten Zustand, das heißt nicht im Betrieb des Turboladers.
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Für ein an der Stelle des Federelements 30 einzubauendes ein- oder mehrlagiges erfindungsgemäßes Federelement einen Kraftbereich zwischen 150 und 300 N, insbesondere zwischen 170 und 320 N, während für ein an derselben Position wie das Federelement 44 einzubauendes Federelement ein tiefer liegender Kraftbereich empfohlen wird, nämlich ein Kraftbereich von 50 bis 150 N, da an dieser Einbaustelle relative Drehbewegungen sonst einen höheren Verschleiß erwarten ließen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/135104 A [0003, 0006, 0010, 0018]
- DE 102009030520 A [0003, 0014, 0055]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 17744/17750 [0053]
- DIN 59746 [0053]
- DIN EN ISO 9445 [0053]
- DIN EN 10095 [0053]
- DIN 59746 [0053]
- DIN EN ISO 9445 [0053]