BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Abgasturbolader mit verstellbarem Zuströmquerschnitt vor der Laderturbine nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5.
Abgasturbolader für die Aufladung von Fahrzeugmotoren passen sich in gewisser Weise einer Anderung der Betriebsbedingungen eines Motors, d.h., der Drehzahl und der Last, an. Diese Selbstanpassung genügt aber den heutigen Anforderungen nicht mehr, insbesondere in einer Beschleunigungsphase, bei der es darauf ankommt, dass der Verdichter möglichst schnell die für die Leistungszunahme erforderliche, zusätzliche Luftmenge liefert.
Heutige Verdichter weisen zwar bereits einen genügend breiten Betriebsbereich auf, um schnellen Laständerungen folgen zu können, doch sind die Turbinen diesbezüglich noch verbesserungsbedürftig.
Die bisher bekanntgewordenen Vorschläge, die benvek- ken, das verzögerte Ansprechen der Laderturbine auf Last änderungen zu beseitigen oder zumindest zu reduzieren, beruhen darauf, den Zuströmquerschnitt für das Abgas im Spiralgehäuse im Bereich unmittelbar vor seinem Eintritt in die Laufradbeschaufelung so zu ändern, dass der jeweilige Abgasstrom möglichst gut ausgenützt wird.
Bei konventionellen Abgasturbinen mit oder ohne Leitschaufelring gibt es optimale Verhältnisse zwischen der Zuströmgeschwindigkeit des Abgases und der Umfangsgeschwindigkeit der Laufradbeschaufelung. Wenn sich der Abgasstrom durch eine solche Turbine ändert, so müsste auch die Drehzahl des Laufrades entsprechend geändert werden, damit der Wirkungsgrad nicht absinkt. Will man dies verhindern und die Drehzahl bei abnehmendem Abgasstrom konstant halten, so muss die Geometrie des Einlaufgehäuses und/oder einer eventuell vorhandenen Leitradbeschaufelung veränderbar sein.
Einige diesbezügliche Vorschläge gehen dahin, den Zuströmquerschnitt durch Verschieben eines das Einlaufgehäuse der Turbine begrenzenden Wandteiles dem jeweiligen Ab gasstrom entsprechend so zu verschieben, dass seine Geschwindigkeit im Bereich guten Wirkungsgrades liegt. Gemäss anderen Vorschlägen soll dasselbe durch Einschieben eines oder mehrerer Verdrängungskörper in das leitschaufellose Eintrittsgehäuse oder zwischen nichtverstellbare Leitschaufeln erreicht werden.
Bekannt ist neben der klassischen Methode der Leitschaufelverstellung auch die Möglichkeit, zwischen feststehende Leitschaufeln zusätzliche bewegliche Leitschaufeln einzuschieben, um den Zuströmquerschnitt zu verändern. Üblich ist das Auswechseln von Düsenringen gegen solche mit unterschiedlichem Querschnitt, um eine Turbine vorgegebenen Betriebsbedingungen anzupassen.
Ein Nachteil der vorerwähnten Bauarten mit Verdrängungskörpern oder mit Leitschaufeln, die zusätzlich zu vorhandenen feststehenden Leitschaufeln einschiebbar sind, besteht darin, dass zwischen den feststehenden und den beweglichen Teilen Spalten nicht zu vermeiden sind, was zu Strömungsverlusten führt. Dort eindringendes Abgas kann auch Russ im Betätigungsmechanismus ablagern und diesen bei zu engen Spielpassungen blockieren. Zu grosse Spiele wiederum, durch die das vermieden werden könnte, würden die zuverlässige Funktion des Mechanismus gefährden.
Mit den vorliegenden, in den Patentansprüchen 1 und 5 definierten Abgasturboladern mit veränderbarem Zuströmquerschnitt zum Laufrad sollen nicht nur der letztgenannte Nachteil der bekannten Lösungen vermieden werden, sondern in erster Linie Mittel zur Anderung des Zuströmquerschnittes für den Abgasstrom gefunden werden, die im Zusammenwirken mit einem für optimalen Vollastwirkungsgrad ausgelegten Spiralgehäuse einerseits in einer Stellung, bei der sie in das Spiralgehäuse vollständig eingeschoben sind, durch ein optimal ausgelegtes Leitrad einen guten Teillastwirkungsrad der Turbine gewährleisten, und andererseits im Vollastzustand, bei dem diese Mittel ganz aus dem Spiralgehäuse herausgezogen sind, einen optimalen Wirkungsgrad ergeben.
Weiters soll die Betätigungseinrichtung für diese Mittel so ausgebildet sein, dass sie mit möglichst wenigen Teilen eine grosse Betriebssicherheit erwarten lässt.
Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im folgenden näher beschrieben.
Es stellen dar: Die
Fig. 1-4 zwei Risse und zwei Detaildarstellungen einer ersten Ausführungsform, die
Fig. 5 und 6 einen Querschnitt bzw. Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 7 einen Längsschnitt durch die Hauptteile einer weiteren Ausführungsform,
Fig. 8 einen Ausschnitt aus dem zur Ausführung nach Fig. 7 gehörigen Leitring, und die Fig. 9 - 12 weitere Details dieser Ausführung.
Die Fig. 1 zeigt von einem Abgasturbolader den Turbinenteil mit einem Turbinengehäuse 1, einem Turbinenlaufrad 2, einem Auslasskanalgehäuse 3 und einer Schieberhülse 4, deren dem Laufrad 2 zugewandtes Ende als Leitschaufelring 5 mit Leitschaufeln 6 ausgebildet ist. Die Fig. 4 zeigt in Ansicht einen Ausschnitt aus diesem Leitschaufelring 5. Die freien Stirnseiten des Leitschaufelringes sind auf bekannte Weise durch ein Deckband 7 verbunden, das, wie Fig. 3 zeigt, stromlinienförmig profiliert ist.
Die Schiebehülse 4 ist in einer zylindrischen Bohrung 8 des Gehäuses zwischen einer vorderen und einer hinteren ebenen Anschlagfläche 9 bzw. 10 verschiebbar gelagert. Diese begrenzen den Verschiebeweg der Schiebehülse auf etwa die axiale Breite des Leitschaufelringes 5, wobei die Schiebehülse jedoch nur an der hinteren Anschlagfläche 10 in der ganz zurückgezogenen Stellung tatsächlich zur Anlage kommt, wogegen der Verschiebeweg in der entgegengesetzten Richtung, wenn also der Leitschaufelring 5 den gesamten Zuströmquerschnitt vor dem Eintritt der Abgase in das Laufrad 2 überdeckt, durch Anlage des Deckbandes 7 an einer ebenen Ringfläche 11 des Gehäuses 1 radial ausserhalb des Laufrades 2 begrenzt wird.
Die erwähnte vordere Anschlagfläche 9 tritt also nur in Funktion, wenn infolge Abnützung des Deckbandes 7 oder ungenauer Fertigung das Deckband an der Ringfläche 11 nicht fest genug anliegt, um eine starre Einspannung der Schiebehülse zu gewährleisten.
Eine solche Einspannung verhindert, dass der Leitschaufelring 5 und damit die ganze Verstelleinrichtung durch die Gasströmung in Schwingungen gerät. Dazu trägt auch bei die Führung der Schiebehülse 4 mit ihrer Bohrung 12, siehe Fig. 3, auf einer Zylinderfläche 13 des Auslasskanalgehäuses 3 und über einen Kolbenring 14 in der Bohrung 8 des Gehäuses 1. Im einfachsten Falle kann dieser Kolbenring 14, wie in Fig. 1 dargestellt, aus einem Rundstahldraht bestehen.
Er verhindert auch das Eindringen von Russpartikeln in den Raum mit der Zylinderfläche 13.
Zum Verschieben der Schiebehülse 4 und damit des Leitschaufelringes 5 aus der einen in die andere Endstellung dient eine Schaltgabel 15, die mit einer im Gehäuse 1 gelagerten Schaltgabelachse 16 verschweisst ist und mittels zweier Gabelzapfen 17 in längliche Nuten 18 der Schiebehülse eingreift. Die Nuten 18 sind Teile von zwei Bajonettverschlüssen, die sich aus je einer der Nuten 18 und je einer Bogennut 19 zusammensetzen und die Montage der Schiebehülse 4 bei eingebauter Schaltgabel 15 ermöglichen, indem die Schiebehülse 4 gegenüber ihrer Stellung im eingebauten Zustand um einen solchen Winkel geschwenkt eingeführt wird, dass der waagrechte Teil der Bogennut 19 auf die Gabelzapfen 17 geschoben werden kann und anschliessend durch Zurückschwenken um den genannten Winkel die Gabelzapfen 17 in die länglichen Nuten 18 gelangen,
wodurch die Schiebehülse in axialer Richtung gegenüber dem Zapfen 17 fixiert ist.
Diese Montageart ergibt sich aus der Notwendigkeit, die Achse 16 mit der Gabel 15 rüttelsicher zu verbinden, was hier z. B. durch Verschweissen dieser beiden Teile in ihrem bereits eingebauten Zustand erreicht wird. Die Schweissraupen sind mit 20 bezeichnet. Zur Übertragung der vom Regelgestänge oder dergl. ausgeübten Verstellbewegung auf die Gabelachse 16 dient ein mit derselben drehsteif verbundener Hebel 21.
Das vom Gasstrom auf den Leitschaufelring 5 ausgeübte Moment wird von einer Vielnutverbindung zwischen dem Auslasskanalgehäuse 3, dass eine Aussenverzahnung 22 aufweist, und der Schiebehülse 4, die mit einer Innenverzahnung 23 versehen ist, aufgenommen, wobei die Verzahnungen wegen der Herstellbarkeit durch Abwälzfräsen vorzugsweise mit Evolventenflanken ausgeführt sind.
Die Fig. 5 und 6 stellen in einem Querschnitt bzw. Längsschnitt eine bezüglich der Verstelleinrichtung einfachere Variante des Erfindungsgegenstandes dar. Die Schiebehülse 24 und auch ihre Betätigungsglieder sind hier einfacher aufgebaut als beim obigen Beispiel. Zur Betätigung der Schiebehülse, deren Form im wesentlichen aus Fig. 6 hervorgeht, dienen eine zweiteilige Schaltgabel 25, die auf einer Schaltgabelachse 26 mittels Schrauben 27 drehsteif befestigt ist. Ihre zwei Schaltgabelzapfen 28 greifen von innen her in entsprechende Zapfenlager 29 der Schiebehülse 24 ein, was wegen der Einteiligkeit der Schiebehülse 24 eine zweiteilige Schaltgabel verlangt.
Die Montage erfolgt so, dass die zwei Hälften der Schaltgabel zunächst jede für sich mit ihrem Schaltgabelzapfen 28 in das betreffende Zapfenlager 29 eingesetzt werden, worauf sie um ihren jeweiligen Gabelzapfen aufeinanderzu gedreht werden, bis ihre Bohrungen für die Schaltgabelachse 26 fluchten. Dabei ist gemäss Fig. 5 je eine Leiste 30 an ihren Stossstellen mit je einer Nut 31 der jeweils anderen Hälfte zum Eingriff gelangt. Sodann kann die Schaltga belachse 26 durch eine Lagerbuchse 32, einen Dichtring 33 und die Bohrungen der beiden Schaltgabelhälften hindurchgeschoben werden, bis das freie Ende der Achse in eine Lagerbohrung 34 des Gehäuses gelangt ist. Mit den beiden
Schrauben 27 werden die Schaltgabelhälften dann auf der Achse 26 fixiert. Über einen Hebel 35 wird die Verstellbewegung auf die Achse 26 übertragen.
Die Leisten 30 und Nuten 31 müssen nicht unbedingt bogenförmig sein; nimmt man quer zur Schaltgabelachse 26 ein geringes Spiel oder eine geringfügige Zwängung in Kauf, so können Leisten und Nuten auch gerade ausgeführt werden.
Falls man auf Leisten und Nuten nicht überhaupt verzichten will, weil die Schrauben 27 zur Fixierung allein auch genügen und das Spiel der Gabelzapfen 28 sehr klein ist, so können statt der Leisten und Nuten auch geeignete andere Elemente vorgesehen werden, um die genaue gegenseitige Stellung der beiden Schaltgabelhälften zu sichern.
Um die Schiebehülse 24 wie beim ersten Ausführungsbeispiel aus ihrer voll eingezogenen in die voll ausgeschobene Stellung und umgekehrt zu bringen, genügt eine Schwenkung der Schaltgabel 25 um einen verhältnismässig kleinen Winkel. Dabei heben sich die Schaltgabelzapfen 28 etwas und die infolgedessen an der Schiebehülse 24 etwas exzentrisch angreifende Verschiebekraft übt auf sie ein Kippmoment aus. Ein dadurch eventuell auftretendes Verkanten des ringförmigen Teiles der Schiebehülse 24 mit dem Leitschaufelring 36 und dem stirnseitigen Deckband 37 führt aber nicht zum Blockieren, da der Kolbenring 38 aus einem Rundstahldraht besteht und daher keine schabende Kante vorhanden ist. Bei Verwendung eines vierkantigen Kolbenringes mit balliger äusserer Ringfläche kann ebenfalls kein Blockieren auftreten.
Diese Variante ist im Aufbau einfacher und daher billiger als die eingangs beschriebene.
Bei den zwei Endstellungen Voll eingezogen und Voll ausgeschoben liegt der Leitschaufelring 36 mit seiner auslasskanalseitigen Ringfläche an einer Ringleiste 38a bzw. mit seinem Deckband 37 jeweils mit seinem ganzen Umfang an der ebenen Ringfläche 38b des Gehäuses an. Dadurch ist der Leitschaufelring 36 in diesen beiden Stellungen schwingungssicher fixiert.
Bei der Bauart gemäss den Fig. 7-12 im Gehäuse im Bereich des Zuströmraumes vor dem Turbinenlaufrad 39 ein nicht verstellbarer Leitschaufelring 40 fest eingebaut. Die Leitschaufeln 41 sind im Leitschaufelring 40 zwischen einem schmalen äusseren und einem breiten inneren Schaufelträgerring 42 bzw. 43 fest eingespannt. Auf einer kreiszylindrischen Fläche 45 des Auslasskanalgehäuses 44 ist ein ringförmiger Verdrängungskörper in Form einer Schiebehülse 46 axialverschieblich geführt. Sein Verschiebeweg 47 aus der voll zurückgezogenen in die voll ausgeschobene, strichpunktiert gezeichnete Endstellung ist so gross, dass der im Leitschaufelring 40 verbleibende freie Zuströmquerschnitt einen Teillastbetrieb mit annehmbarem Wirkungsgrad der Turbine ermöglicht.
Neben der inneren Führung der Schiebehülse 46 ist diese auf ihrer kreiszylindrischen Aussenfläche 48 durch einen Kolbenring 49 geführt und abgedichtet. Am auslassseitigen Ende der Schiebehülse 46 greift an einem Ringflansch
50 ein Schaltring 51 an, an dem eine nicht dargestellte
Schaltgabel bekannter Bauart, beispielsweise nach Fig. 1, angreift, um die Schaltbewegung auf die Schiebehülse zu übertragen.
Am inneren, dem Leitschaufelring zugewandten Ende weist die Schiebehülse 46 wellenförmige, in Längsrichtung verlaufende Kämme 52 auf, deren Querschnitt aus Fig. 8 hervorgeht und die, wie ebenfalls aus dieser Figur ersichtlich ist, mit geringem Spiel etwa das halbe Volumen der Leitschaufelkanäle ausfüllen und in diesem Teil die Gaszuströmung blockieren. Infolgedessen nimmt die Geschwindigkeit des bei Teillast verminderten Abgas stromes im verbliebenen freien Teil der Leitschaufelkanäle Werte an, die die Turbine auf einer für den Verdichter brauchbaren Drehzahl halten.
Die freie Stirnfläche 53 der Schiebehülse 46 zeigt in einem Längsschnitt eine S-förmige Kontur, wodurch sich der Abgasstrom hinter der engsten Stelle der Leitschaufelkanäle in einer Drallkammer 54 einigermassen gleichmässig über den Eintrittsquerschnitt des Laufrades 39 verteilt.
Die Fig. 9 - 12 zeigen ausschnittsweise die gegenseitige Lage und die Funktion der Elemente für die Steuerung des Zuströmquerschnitts vor dem Turbinenlaufrad 39, wobei aber der Verdrängungskörper und auch der äussere Schaufelträgerring von jenen nach Fig. 8 etwas verschieden sind.
Fig. 9 zeigt eine Ansicht auf die Stirnseite eines breiten, äusseren Schaufelträgerringes 55 mit Leitschaufeln 56. Es handelt sich dabei um einen Querschnitt zwischen einem äusseren Schaufelträgerring, der dem Schaufelträgerring 42 nach Fig. 7 entspricht, hier aber nicht sichtbar ist, und dem inneren Schaufelträgerring 55, ähnlich dem in Fig. 7 eingetragenen Schnittverlauf, jedoch mit umgekehrter Projektionsrichtung. Dasselbe zeigt die Fig. 11 in einem Schrägriss.
Die aus den Fig. 9 und 11 ersichtlichen hakenförmigen Führungsnuten 57 im äusseren Schaufelträgerring 55 nehmen zu einer Schiebehülse 58 gehörige Kämme 59 auf, deren Querschnitt aus den Fig. 10 und 12 hervorgeht und deren Funktion jener der Kämme 52 nach Fig. 8 entspricht, die aber an ihrem oberen Ende je eine Führungsleiste 60 aufweisen. Die Stirnfläche der Schiebehülse 58, die in einem Längsschnitt eine S-förmige Kontur aufweist und einen Teil der Begrenzung der aus Fig. 7 ersichtlichen Drallkammer 54 bildet, ist mit 61 bezeichnet.
Die Verschiebung der Schiebehülse 58 kann mit den gleichen Mitteln wie bei der Schiebehülse 46 nach den Fig. 7 und 8 erfolgen.
Das von der Gasströmung auf die Schiebehülse 58 ausge übte Moment wird durch Abstützung der Führungsleisten 59 in den Führungsnuten 57 von den beiden gehäusefesten Schaufelträgerringen, insbesondere dem breiten, mit 55 bezeichneten, aufgenommen. Es genügt im übrigen, nur einige wenige, z.B. 2-4, Führungsleisten 59 und entsprechend auch Führungsnuten 57 vorzusehen. Bei der Ausführung nach Fig. 8 stützt sich die Schiebehülse 46 auf die Leitschaufeln 41 ab. Es ist natürlich auch möglich, die Schiebehülse mit dem Leitschaufelkranz bzw. den Verdrängungskörper anstatt an der Seite des Auslasskanals an der gegenüberliegenden Seite im Gehäuse hinter dem Turbinenlaufrad anzuordnen.