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Die
Erfindung geht aus von einem Turbolader nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1.
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Bekanntlich
bestehen Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen
von Personenkraftwagen, Lastkraftwagen oder Großmotoren aus zwei Strömungsmaschinen:
einer Turbine und einem Verdichter, die auf einer gemeinsamen Welle
angebracht sind. Die Turbine nutzt die im Abgas enthaltene Energie
zum Antrieb des Verdichters, der Frischluft ansaugt und vorverdichtete
Luft den Zylindern der Brennkraftmaschine zuführt. Wegen des großen Drehzahlbereichs
der Pkw-Motoren ist eine Regelung des Abgasturboladers erforderlich,
um einen nahezu konstanten Ladedruck in einem weiten Motordrehzahlbereich
zu erzielen. Hierzu sind Lösungen bekannt,
bei denen ein Teil des Abgasstromes mittels eines Bypasskanals um
die Turbine herumgeführt wird.
Eine energetisch günstige
Lösung
ermöglicht die
sogenannte variable Turbinengeometrie, bei der das Aufstauverhalten
der Turbine kontinuierlich verändert
und damit jeweils das gesamte Abgas genutzt werden kann. Von den
dafür denkbaren
Ausführungsformen
haben sich verstellbare Leitschaufeln wegen ihres großen Regelbereiches
bei gleichzeitig guten Wirkungsgraden durchgesetzt.
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Ein
Turbolader mit variabler Turbinengeometrie in Form verstellbarer
Leitschaufeln ist beispielsweise aus der
US 4 726 744 bekannt. Die Leitschaufeln
sind über
jeweils eine Welle schwenkbar an einem Leitschaufelträger angeordnet
und werden kollektiv mittels eines am Turbinenteil des Turboladers angeordneten
Verstellringes geschwenkt. Zu diesem Zweck weisen die Leitschaufeln
jeweils einen an die Welle angeformten Schwenkhebel auf, der mit
einem abgewinkelten Ende in eine an dem Verstellring ausgebildet
Ku lissenführung
eingereift. Durch Drehung des Verstellringes werden die in den Verstellring
eingreifenden Leitschaufeln über
die Schwenkhebel kollektiv verschwenkt. Derartige Turbolader mit
variabler Turbinengeometrie sind lange bekannt und ständig weiterentwickelt
worden. So schlägt
beispielsweise die
EP
1 391 584 A2 vor, die mit den Leitschaufeln verbundenen
als Schwenkhebel ausgebildeten Schwenkelemente über jeweils einen weiteren
Hebel mit einem ringförmigen
Verstellelement zu koppeln, das in einer zu den Schwenkhebeln parallelen
Ebene angeordnet ist, so dass das ringförmige Verstellelement über die
Hebelkombination zwischen zwei Ebenen axial und radial geführt wird.
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Aus
der
US 3 068 638 ist
ein Turbolader mit einem Turbinenteil bekannt, das einen Strömungskanal
aufweist, in dem mehrere schwenkbare Leitschaufeln zur Beeinflussung
der Strömung
angeordnet sind, wobei die Leitschaufeln schwenkbar gelagert sind
und mit jeweils einem Schwenkelement verbunden sind, wobei die Schwenkelemente
mittels eines relativ zu dem Leitschaufelträger um eine Drehachse drehbaren
Verstellelementes schwenkbar sind. Die Schwenkelemente sind mit
einem radial innen liegenden Abschnitt mit je einer Leitschaufel
verdrehsicher verbunden und weisen an ihrem radial außen liegenden
Abschnitt eine Außenverzahnung
auf, die mit einer an dem Verstellelement ausgebildeten Innenverzahnung
kämmt.
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Aus
der
DE 103 13 167
B4 ist ein Leitschaufelverstelleinrichtung für Turbolader
mit variabler Turbinengeometrie bekannt, mit mehreren an einem Leitschaufellagerring
drehbar gelagerten Leitschaufeln, die mit jeweils einem Hebelarm
drehfest verbunden sind, wobei jeder Hebelarm mit dem Verstellring formschlüssig in
Wirkverbindung steht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turbolader dahingehend
weiterzuentwickeln, dass bei einem zugleich einfachen und preiswerten Aufbau,
der wenig Bauraum beansprucht, ein Klemmen oder Blockierung des
Schwenkmechanismus bei starken Erwärmungen im Turbinenteil zuverlässig vermieden
wird.
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Der
erfindungsgemäße Turbolader
weist einen Turbinenteil mit einem Strömungskanal auf, in dem mehrere
schwenkbare Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömung angeordnet
sind, wobei die Leitschaufeln an einem an dem Turbinenteil angeordneten
Leitschaufelträger
schwenkbar angeordnet sind und mit jeweils einem Schwenkelement
ver drehsicher verbunden sind und die Schwenkelemente mittels eines
relativ zu dem Leitschaufelträger
um eine Drehachse drehbaren Verstellelementes gemeinsam schwenkbar
sind. Die Schwenkelemente sind als Zahnscheibensegmente ausgebildet,
wobei die Zahnschreibensegmente jeweils mit einem in Bezug auf die
Drehachse des Verstellelementes radial innen liegenden Ende mit
einer Leitschaufel oder einem daran befestigten Teil verdrehsicher
verbunden sind und an einem radial außen liegenden Ende eine Außenverzahnung
aufweisen, die mit einer an dem Verstellelement ausgebildeten Innenverzahnung kämmt. Erfindungsgemäß ist das
Verstellelement zumindest in seiner Umfangsrichtung elastisch verformbar
ausgebildet. Dadurch wird zuverlässig
erreicht, dass thermische Ausdehnungen, die durch den heißen Abgasstrom
im Turbinengehäuse
hervorgerufen werden und eine radiale Ausdehnung der Zahnscheibensegmente
bewirken, kein Blockierung der innen verzahnten und außen verzahnten
Komponenten der Verstellmechanik bewirken. Die Verstellmechanik
besteht aus einer einfach herstellbaren und zuverlässigen Getriebe-Kinematik,
die in axialer Richtung wenig Bauraum benötigt, da Zahnscheibensegmente und
Verstellelement in der gleichen Ebene angeordnet werden können. Vorteilhaft
wird so ein größerer Spielraum
zur Integration der Verstellmechanik in räumlich kleine Turbolader für Anwendungen
in Personenkraftwagen ermöglicht.
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Vorteilhafte
Ausbildungen und Weiterentwicklungen der Erfindung werden durch
die in den abhängigen
Ansprüchen
angegebenen Maßnahmen ermöglicht.
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Besonders
vorteilhaft wird als Verstellelement ein die Zahnscheibensegmente
umgebendes elastisch dehnbares umlaufendes Band vorgesehen, das
auf seiner radial innen liegenden Seite mit einer Innenverzahnung
versehen ist, die mit der Außenverzahnung
der Zahnscheibensegmente kämmt.
Durch die Elastizität
des umlaufendes Bandes kann auch bei geringem Spiel zwischen der
Außenverzahnung der
Zahnscheibensegmente und dem umlaufenden Band vorteilhaft verhindert
werden, dass thermische Ausdehnungen zu einer Blockierung der Verstellmechanik
führen.
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Vorteilhaft
können
die Zahnscheibensegmente plattenförmig mit einer kreissegmentförmigen Form
mit einer ersten Fläche
und von der ersten Fläche
abgewandten zweiten Fläche
ausgebildet sein, wobei die erste Fläche und/oder die zweite Fläche der
Zahnscheibensegmente mit wenigstens einem ein Axiallager bildenden
Vorsprung versehen ist. Dieser Vorsprung liegt an dem Leitschaufelträger oder einer
dem Leitschaufelträger
gegenüberliegenden Wand
an und sichert die Zahnscheibensegmente in ihrer axialen Lage.
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Besonders
vorteilhaft ist es, an jedem Zahnscheibensegment wenigstens einen
von der ersten Fläche
abstehenden Vorsprung und einen von der zweiten Fläche abstehenden
Vorsprung auszubilden, wobei die Vorsprünge insbesondere durch Stanzen, Bregen
oder Prägen
an dem Zahnscheibensegment in einfacher Weise ausgebildet werden
können.
Die Vorsprünge
sichern in einfacher Weise die axiale Lage des Zahnscheibensegmentes
durch Anlage an dem Leitschaufelträger oder einer diesem gegenüberliegenden
Wand.
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Besonders
vorteilhaft kann jede Leitschaufel über eine Welle an dem Leitschaufelträger schwenkbar
angeordnet sein und jedes Zahnscheibensegment an seinem radial innen
liegenden Abschnitt eine Ausnehmung aufweisen, die vorzugsweise
formschlüssig
mit einem komplementär
ausgebildeten Abschnitt der Welle einer Leitschaufel in Eingriff steht.
Dadurch können
die Zahnscheibensegmente einfach in radialer Richtung auf die Wellen
der Leitschaufeln aufgesteckt werden, was die Montage der Verstellmechanik
stark vereinfacht.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen
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1 einen
schematischen Querschnitt durch einen Turbolader,
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2 eine
schematische Ansicht einer Draufsicht auf die Verstellmechanik der
Leitschaufeln bei abgenommenem Turbinengehäuse,
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3 eine
Einzelheit an einem Zahnscheibensegment aus 2,
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4 einen
vergrößerten Teilausschnitt
aus 1,
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5 eine
Einzelheit aus 4,
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6 ein
schematische Ansicht einer Draufsicht auf die Verstellmechanik entsprechend
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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1 zeigt
eine schematische und vereinfachte Querschnittsdarstellung eines
Ausführungsbeispiels
eines Turboladers für
eine Brennkraftmaschine. Der Turbolader 1 umfasst einen
Verdichterteil 2 mit einem Verdichtergehäuse 4,
in dem ein Verdichterrad 6 angeordnet ist, und einen Turbinenteil 3 mit einem
Turbinengehäuse 5,
in dem ein Turbinenlaufrad 7 mit Turbinenschaufeln 17 angeordnet
ist. Verdichterrad 6 und Turbinenlaufrad 7 sind
auf einer gemeinsamen Welle 8 angeordnet, die beispielsweise in
einem öldurchfluteten
Lagergehäuse 14 um
eine sich in einer axialen Richtung erstreckende Drehachse 9 rotierbar
angeordnet ist. In 1 ist die Richtung des Abgasstromes
durch das Turbinengehäuse 5 von
einem Einlass 10 zu einem Auslass 11 und die Strömung durch
den Verdichterteil mit Pfeilen darstellt. Die Turbine nutzt die
im Abgas enthaltene Energie, um über
die Welle 8 das Verdichterrad 6 anzutreiben, wodurch
Frischluft verdichtet wird und den Zylindern der Brennkraftmaschine
zugeführt
wird.
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In
dem Turbinengehäuse 5 ist
ein Strömungskanal 12 ausgebildet.
Das in den Einlass 10 einströmende Abgas strömt von dort
in einen spiralförmigen
Abschnitt des Strömungskanals 12 und
von dort durch einen Ringspalt 18 zum Turbinenlaufrad 7 und
von zum Auslass 11. In dem Ringspalt 18 sind mehrer
Leitschaufeln 30 angeordnet, die drehfest mit jeweils einer
Welle 31 verbunden sind, wie am besten in der vergrößerten Darstellung
der 4 zu erkennen ist. Über die Welle 31 sind
die Leitschaufeln an einem in dem Turbinenteil 3 feststehend
angeordneten Leitschaufelträger 32 schwenkbar
gelagert. Der Leitschaufelträger 32 kann
beispielsweise ringförmig ausgebildet
sein und bildet in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel zugleich eine
Begrenzungswand des Strömungskanals 12 aus.
Die Wellen 31 der Leitschaufeln 30 durchdringen
den Leitschaufelträger 32 und
sind in jeweils einer Durchführungsöffnung relativ
zu dem Leitschaufelträger
drehbar angeordnet. Auf der von dem Strömungskanal 12 und
den Leitschaufeln 30 abgewandten Seite des Leitschaufelträgers 32 sind
die Wellen mit Schwenkelementen 38 drehsicher verbunden.
Die Schwenkelemente 38 sind als Zahnscheibensegmente 33 ausgebildet.
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Wie
in 3 und 4 zu erkennen ist, sind die
Zahnscheibensegmente 33 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
plattenförmig
mit einer kreissegmentförmigen
Form mit einer ersten Fläche 33a und
einer von der ersten Fläche 33a abgewandten
zweiten Fläche 33b ausgebildet.
An einem radial innen liegenden Abschnitt 28 weisen die
Zahnscheibensegmente 33 beispielsweise eine rechteckförmige Ausnehmung 29 auf.
Mit dieser Ausnehmung können
die Zahnscheibensegmente 33 beispielsweise auf einen im
Querschnitt rechreckförmigen
und daher komplementär
ausgebildeten Abschnitt 39 der Welle 31 aufgeschoben
werden, so dass jedes Zahnscheibensegment 33 mit der zugeordneten
Welle 31 vorzugsweise formschlüssig und verdrehsicher in Eingriff
steht. Die Zahnscheibensegmente können aber auch in anderer Weise
mit den Wellen 31 verdrehsicher verbunden werden und zum
Beispiel mit diesen verschweißt
werden. An dem von der Welle 31 abgewandten radial äußeren Abschnitt 27 weist
jedes Zahnscheibensegment 33 eine Außenverzahnung 36 auf.
Wie in 2 zu erkennen ist, kämmt die Außenverzahnung 36 jedes
Zahnscheibensegmentes 33 mit der Innenverzahnung 35 eines
in diesem Ausführungsbeispiel
ringförmig
ausgebildeten Verstellelementes 34, das hier beispielsweise
durch ein Hohlrad gebildet wird. Durch diesen Aufbau entspricht
die Verstellmechanik einer Getriebe-Kinematik, bei der die Zahnscheibensegmente 33 quasi
wie Planetenräder
mit einem diese umgebenden Hohlrad in Eingriff stehen. Das ringförmige Verstellelement 34 ist
um eine Drehachse 9 relativ zum dem Leitschaufelträger 32 dreh bar
an dem Turbinenteil 3 des Turboladers angeordnet und weist
zu diesem Zweck ein Betätigungselement 37 auf,
dessen Verstellung eine Drehung des Verstellelementes 34 um
die Drehachse 9 bewirkt. Die Drehachse 9 fällt vorzugsweise
mit der Drehachse der Welle 8 des Turboladers zusammen. Ein
das Betätigungselement
betätigender
Stellmechanismus ist in den 1 bis 5 der
Einfachheit wegen nicht dargestellt.
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Bei
einer Drehung des ringförmigen
Verstellelementes in 2 wird die Drehbewegung über die mit
dem Verstellelement kämmenden
Zahnscheibensegmente 33 auf die Wellen 31 der
Leitschaufeln 30 übertragen,
wodurch sich die Wellen 31 in den jeweiligen Durchgangsöffnungen
des Leitschaufelträgers 32 drehen.
Durch Drehung der Wellen 31 werden die auf der von dem
Zahnscheibensegment abgewandten Seite des Leitschaufelträgers 32 angeordneten mit
den Wellen verdrehsicher in Eingriff stehenden Leitschaufeln 30 gemeinsam
und gleichartig geschwenkt. Durch Schwenken der Leitschaufeln wird der
Strömungsquerschnitt
und die Richtung der Strömung
zu dem Turbinenleitrad verändert,
wodurch das Aufstauverhalten der Turbine vorteilhaft beeinflussbar
ist.
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Wie
weiterhin in 4 gut zu erkennen ist, sind
das ringförmige
Verstellelement und die Zahnscheibensegmente in einer gemeinsamen
Ebene, die parallel zur Ebene des Leitschaufelträgers 32 orientiert
ist, angeordnet. Hierdurch wird der axiale Bauraum der Verstellmechanik
auf der von den Leitschaufeln 30 abgewandten Seite des
Leitschaufelträgers
vorteilhaft besonders klein. Der gesamte Verstellmechanismus kann
beispielsweise, wie in 1 schematisch dargestellt, durch
ein Gehäuseteil 51 abgedeckt
werden, das mit dem Turbinengehäuse 5 verbindbar
ist. Insbesondere ist es möglich,
die Verstellmechanik mit Leitschaufelträger, Zahnscheibensegmenten,
Verstellelement und Gehäuseteil 51 als Kassette
auszubilden, die im Block an dem Turbinengehäuse festlegbar ist. Das Turbinengehäuse kann dann
zusammen mit der Verstellmechanik an dem Lagergehäuse 14 angeflanscht
werden. Abweichend von der Darstellung in 1 ist aber
auch möglich, die
Verstellmechanik beispielsweise auf der von dem Verdichterteil 2 abgewandten
Seite des Turbinengehäuses 5 anzuordnen.
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Wie
weiterhin in 3 und 4 zu erkennen
ist, können
die Zahnscheibensegmente 33 mit von der ersten Fläche 33a und
von der zweiten Fläche 33b abstehenden
Vorsprüngen
versehen werden, die beispielsweise durch Stanzen, Biegen, Prägen oder
in ähnlicher
Weise den Zahnscheibensegmenten angeformt sind. Vorzugsweise sind
mehrere Vorsprünge
wechselseitig auf der ersten Fläche 33a und
der von dieser abgewandten zweiten Fläche 33b angeordnet.
Durch die Vorsprünge
werden die Zahnscheibensegmente 33 zwischen dem Leitschaufelträger 32 und
dem Gehäuseteil 51 oder
einem daran angeordneten Teil in axialer Richtung gelagert. Ebenso kann
das ringförmige
Verstellelement 34 auf seiner dem Leitschaufelträger zugewandten
und seiner von dem Leitschaufelträger abgewandten Seite mit beispielsweise
alternierend angeordneten Vorsprüngen in
Form von Sicken als Axiallager versehen sein.
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6 zeigt,
dass erfindungsgemäß das Verstellelement 34 in
seiner Umfangsrichtung elastisch ausgebildet ist. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
wird das Verstellelementes 34 durch ein elastisches umlaufendes
Band 40 gebildet. Ansonsten entspricht der Aufbau dem in
der 2 dargestellten Aufbau. Das elastische Band 40 ist
auf der Innenseite mit einer Innenverzahnung 45 versehen,
die mit der Außenverszahnung 36 der
Zahnscheibensegmente kämmt.
Das Band 40 ist quasi als Umschlingungsteil um die Zahnscheibensegmente 33 herum
angeordnet und weist daher in Abhängigkeit von der Anzahl der
Zahnscheibensegmente 33 eine von der Ringform abweichende
Form auf. In beiden Ausführungsbeispielen
ist das Verstellelement 34 symmetrisch um die Drehachse 9 herum
angeordnet. Bei einer thermischen Ausdehnung der Zahnscheibensegmente 33 in
den zur Drehachse senkrechten radialen Richtungen 50 kann
sich das Band 40 vorteilhaft elastisch ausdehnen, so dass
ein Blockieren Getriebe-Kinematik bei starken thermischen Belastungen ausgeschlossen
werden kann.