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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Leitschaufelverstellvorrichtung 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. Zur Verstellung der Leitschaufeln sind
unterschiedliche Verstellmechanismen bekannt.
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Eine
Leitschaufelverstellvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus der
EP 1 234 950 B1 bekannt.
Die Leitschaufeln sind über jeweils eine Welle schwenkbar
an einem als Leitschaufelträger eingesetzten Flansch angeordnet
und werden kollektiv mittels eines drehbeweglichen Verstellelementes
geschwenkt. Zu diesem Zweck weisen die Leitschaufeln jeweils einen
an die Welle angeformten Schwenkarm auf, der endseitig mit einem
von dem Schwankarm abstehenden Vorsprung versehen ist, der in einen
zugeordneten Steuerschlitz des Verstellelementes eingreift. Die den
Vorsprüngen der Schwenkarme zugeordneten Steuerschlitze
erstrecken sich geradlinig in radialer Richtung und sind U-förmig
ausgebil det mit offenen Enden. Durch Drehung des Verstellelementes
werden die in das Verstellelement eingreifenden Leitschaufeln über
die Schwenkarme kollektiv verschwenkt. Das Verstellelement weist
eine kreisförmige Innenausnehmung mit einer abgewinkelten
Innenkante auf, die zur Bildung eines Drehlagers auf einen zylindrischen
Flansch aufgeschoben ist. Derartige Leitschaufelverstellvorrichtungen
werden in Turboladern mit sogenannter variabler Turbinengeometrie eingesetzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Leitschaufelverstellvorrichtung
mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 weist gegenüber
den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen den Vorteil
eines sehr kostengünstigen Aufbaus verbunden mit den Vorteilen
der Robustheit und Schmutzunempfindlichkeit der beweglichen Teile
auf. Das Verstellelement weist Steuerschlitze auf, die mit den Schwenkarmen
der Leitschaufeln zusammenwirken und Führungsschlitze,
die zur Lagerung des Verstellelementes dienen. Die Steuerschlitze
und Führungsschlitze können vorteilhaft in einem
gemeinsamen Fertigungsverfahren in das Verstellelement eingebracht werden.
Außer den Führungsschlitzen und Steuerschlitzen
müssen keine weiteren komplizierten Lagerstrukturen an
dem Verstellelement ausgebildet werden. Besonders vorteilhaft kann
das Verstellelement als flache Ringscheibe kostengünstig
gefertigt werden. Die Montage des Verstellelementes wird dadurch
erheblich vereinfacht, dass bei der Montage lediglich die Vorsprünge
der Schwenkarme in die Steuerschlitze und die weiteren Vorsprünge
in die Führungsschlitze eingeschoben werden.
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Vorteilhafte
Ausbildungen und Weiterentwicklungen der Erfindung werden durch
die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen ermöglicht.
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Zur
sicheren Lagerung des Verstellelementes weisen die Führungsschlitze
eine in Umfangsrichtung gekrümmt verlaufende Kontur mit
geschlossenen Enden auf, wobei der Krümmungsradius der Führungsschlitze
vorzugsweise dem radialen Abstand der Führungsschlitze
zur Drehachse entspricht. Es können beispielsweise zwei
sich diametral gegenüber liegende Führungsschlitze
oder auch drei Führungsschlitze im Winkel von 120° über
den Umfang verteilt an dem scheibenförmigen Verstellelement
ausgebildet werden. An dem Verstellelement müssen zur Lagerung
nur die Führungsschlitze ausgebildet werden, so dass das
Verstellelement beispielsweise als einfaches Stanzteil ausgebildet
werden kann. Die Führungsschlitze können vorteilhaft zu sammen
mit den Steuerschlitzen an dem Verstellelement ausgebildet werden.
Das Verstellelement ist dann als einfaches ringscheibenförmigen
Stanzteil kostengünstig herstellbar.
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Die
Leitschaufeln sind in dem Strömungskanal zwischen einer
ersten offenen Position und einer zweiten geschlossenen Position
verstellbar. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Bogenlänge
der Führungsschlitze den maximal einstellbaren Drehwinkel des
Verstellelementes und damit auch den Schwenkwinkelbereich der Leitschaufeln
begrenzt. In diesem Fall kann die Länge der Steuerschlitze
vorteilhaft größer ausgebildet werden als der
Weg den der Vorsprung der Leitschaufelschwenkarme bei einer Verstellung
zwischen der ersten Position und der zweiten Position der Leitschaufeln
in dem zugeordneten Steuerschlitz zurücklegt, wodurch erreicht
wird, dass Verunreinigungen in den Steuerschlitzen, die sich bevorzugt
an den Enden ansammeln, die Schwenkbewegung der Leitschaufeln nicht
beinträchtigen.
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Die
weiteren Vorsprünge können vorteilhaft an dem
Leitschaufelträger oder einem Gehäuseteil oder
einem daran befestigten Teil der Leitschaufelverstellvorrichtung
ausgebildet werden. In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiels
ist vorgesehen, dass die weiteren Vorsprünge zylindrisch
ausgebildet sind und jeweils eine Hülse darauf drehbeweglich
aufgeschoben ist, die in den zugeordneten Führungsschlitz eingreift.
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Als
Schutz gegen Verunreinigungen ist es vorteilhaft, an dem Verstellelement
direkt benachbart zu den Führungsschlitzen und/oder Steuerschlitzen weitere
Ausnehmungen auszubilden, welche Verschmutzungen aufnehmen, die
sich beispielsweise bei niedrigen Abgastemperaturen bevorzugt dort
ansammeln anstatt sich in den Führungsschlitzen oder Steuerschlitzen
abzusetzen. Die Verschmutzungen können dann bei höheren
Abgastemperaturen ausgebrannt werden. Vorzugsweise sind diese weiteren Ausnehmungen
benachbart zu den Enden der Führungsschlitze und/oder der
Steuerschlitze ausgebildet.
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In
einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen,
dass das Verstellelement an seiner Außenseite und/oder
Innenseite mit einseitig offenen Schlitzen versehen ist, die sich
beispielsweise in radialer Richtung erstrecken. Hierdurch wird vorteilhaft
einer Verwölbung des Verstellelementes im Falle einer starken
Erwärmung entgegengewirkt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
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1 einen
schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Turbolader,
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2 eine
schematische Ansicht einer Draufsicht auf die Leitschaufelverstellvorrichtung,
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3 bis 5 jeweils
eine Einzelheit der Leitschaufelverstellvorrichtung,
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6 ein
zweites Ausführungsbeispiel für die in 2 dargestellte
Leitschaufelverstellvorrichtung.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
eine schematische und vereinfachte Querschnittsdarstellung eines
Turboladers für eine Brennkraftmaschine, der mit der erfindungsgemäßen
Leitschaufelverstellvorrichtung verwendbar ist. 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
zunächst in einen gebogenen Abschnitt des Strömungskanals 12 und
von dort durch einen Ringspalt 18 zum Turbinenlaufrad 7 und
weiter zum Auslass 11. In dem Ringspalt 18 sind mehrer
Leitschaufeln 30 angeordnet, die drehfest mit jeweils einer
Welle 31 verbunden sind. Über die Wellen 31 sind
die Leitschaufeln an einem in dem Turbinenteil 3 feststehend
angeordneten gemeinsamen 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 einzelnen Wellen 31 der Leitschaufeln 30 durchdringen
den Leitschaufelträger 32 und sind in jeweils
einer ein Lager bildenden 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 jeweils einem von den Wellen abstehenden Schwenkarm 33 drehsicher
verbunden.
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Wie
am besten in 2 und 3 zu erkennen
ist, stehen die Schwenkarme 33 senkrecht zur Mittelachse
der jeweiligen Welle 31 ab, wobei die Schwenkarme 33 mit
den Leitflächen der Leitschaufeln 30 in etwa vorzugsweise
einen stumpfen Winkel von beispielsweise 130° bilden, wie
in 2 zu erkennen ist. Wie am besten in 3 zu
sehen ist, weist jeder Schwenkarm 33 an seinem nicht mit
der Welle 31 verbundenen Ende einen Vorsprung 35 auf, der
senkrecht von der Längsachse des Schwenkarms und parallel
zu Mittelachse der Welle 31 absteht. Der Vorsprung 35 ist
vorzugsweise zylindrisch ausgebildet. Zwischen dem Vorsprung 35 und
dem Schwenkarm 33 kann noch ein Absatz 38 vorgesehen
sein, der zur Reduzierung der Reibung zwischen einem Verstellelement 34 und
dem Schwenkarm 33 dient. Jeder Vorsprung 35 greift
in einen diesem Vorsprung zugeordneten Steuerschlitz 36 ein,
der an dem Verstellelement 34 ausgebildet ist, wie dies
in 2 dargestellt ist. In 2 ist der
genaue Verlauf der Steuerschlitze 36, in die die Vorsprünge 35 eingreifen,
nicht dargestellt. Dieser wird noch weiter unten in Verbindung mit 4 genauer
beschrieben werden.
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Wie
in
2 noch zu erkennen ist, ist das Verstellelement
34 vorzugsweise
als flache Ringscheibe ausgebildet, die um eine Drehachse
9 drehbar
gelagert ist. Die Drehachse
9 fällt vorzugsweise mit
der Drehachse der Welle
8 des Turboladers zusammen. Das
Verstellelement
34 ist mittels eines Betätigungselementes
19 in
einem Winkelbereich drehbar, wobei ein das Betätigungselement
19 betätigender,
beispielsweise pneumatischer oder elektrischer Stellmechanismus
in den
1 bis
6 der Einfachheit wegen nicht
dargestellt ist. Bei einer Drehung des ringfömigen Verstellelementes
in
2 wird die Drehbewegung über die in den
Steuerschlitzen
36 geführten Vorsprünge
35 auf
die Schwenkarme
33 und 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 Verstellelement
34 abgewandten
Seite des Leitschaufelträgers
32 angeordneten
Leitschaufeln
30 gemeinsam und gleichartig stufenlos geschwenkt.
Durch Schwenken der Leitschaufeln kann der Strömungsquerschnitt
und die Richtung der Strömung zu dem Turbinenlaufrad verändert
werden, wodurch das Aufstauverhalten der Turbine vorteilhaft beeinflussbar
ist. Der Schwenkwinkel β der Leitschaufeln hängt
dabei mit dem Drehwinkel θ des Verstellelementes
34 über
die Beziehung
zusammen, wobei l die Länge
des Schwenkarmes und r der radiale Abstand der Mittelachse der Wellen
31 von
der Drehachse
9 ist. Somit ist jedem Drehwinkel des Verstellelementes
ein Schwenkwinkel der Leitschaufeln eindeutig zugeordnet.
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Wie
in 2 weiterhin zu erkennen ist, sind die Leitschaufeln 30 zwischen
einer ersten Position I, in welcher die Leitschaufeln den Strömungskanal durch
den Ringspalt 18 weitgehend öffnen, und einer zweiten
Position II, in der die Leitschaufeln den Strömungskanal
durch den Ringspalt verschließen, schwenkbar. In 2 ist
die geöffnete Position schraffiert dargestellt, die geschlossene
Position ist durchgehend gezeichnet. Der maximale Schwenkwinkel
der Leitschaufeln wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
vorzugsweise nicht durch die Länge der Steuerschlitze 36 begrenzt,
sondern durch die Länge von Führungsschlitzen 40,
die an dem Verstellelement ausgebildet sind und mit weiteren Vorsprüngen 41 zusammenwirken.
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Die
Führungsschlitze 40 bilden ein Drehlager für
das Verstellelement 34 aus. Wie in 2 darstellt ist,
sind beispielsweise 3 Führungsschlitze 40 über den
Umfang gleichmäßig verteilt an dem Verstellelement 34 angeordnet,
die einen entsprechend ihrem radialen Abstand zur Drehachse 9 des
Verstellelementes gekrümmten Verlauf aufweisen. Die Führungsschlitze 40 können
beispielsweise zusammen mit den Steuerschlitzen 36 als
durchgehende Ausnehmungen in das ringscheibenförmige Verstellelement 34 durch
Stanzen eingebracht werde. Das Verstellelement kann dann als flache
Ringscheibe im Stanzverfahren kostengünstig hergestellt
werden. Es ist aber auch möglich, dass die Schlitze das
Verstellelement nicht vollständig durchdringen und nutartig an
dem Verstellelement ausgebildet werden. In jeden Führungsschlitz 40 greift
jeweils ein weiterer Vorsprung 41 ein, der vorzugsweise
ortsfest an der Leitschaufelverstellvorrichtung festgelegt ist.
Die Vorsprünge 41 können beispielsweise
an dem Leitschaufelträger 32, oder an einer Wand 52 eines
Gehäuseteils 51 der Leitschaufelverstellvorrichtung oder
an einem damit verbundenen Bauteil befestigt sein, wobei das Verstellelement 34 auf
die weiteren Vorsprünge 41 einfach aufsetzbar
ist. Wie in 5 dargestellt, kann jeder weitere
Vorsprung 41 zylinderförmig ausgebildet sein und
eine darauf aufgeschobene, drehbewegliche Hülse 42 aufweisen,
die an der Innenkontur der Führungsschlitze 40 abrollt.
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In
den Endbereichen der Führungsschlitze 40 weisen
diese in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
weitere Ausnehmungen 43 auf, die in die Kontur der Führungsschlitze übergehen oder
die direkt benachbart zu den Führungsschlitzen angeordnet
sind. Schmutz und Verunreinigungen können von diesen weiteren
Ausnehmungen 43 aufgenommen werden.
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Die
Kontur der mit den Vorsprüngen 35 der Leitschaufelschwenkarme 33 zusammenwirkenden Steuerschlitze 36 ist
beispielhaft in 4 dargestellt. Dabei repräsentiert
die mit R bezeichnete Linie eine radiale Richtung, die senkrecht
zur Drehachse 9 durch den Vorsprung 35 verläuft.
Der Vorsprung 35 ist beispielsweise zylindrisch ausgebildet.
Der jeweilige Steuerschlitz ist nicht geradlinig ausgebildet und weist
einen vom radialen Verlauf abweichenden gekrümmten Verlauf
auf. In dem hier dargestellten Beispiel weist der Steuerschlitz 36 einen
geraden Abschnitt 38 auf, an den sich ein weiterer gekrümmter Abschnitt 39 anschließt.
Es ist aber auch möglich den ganzen Steuerschlitz 36 gekrümmt
auszubilden. Der gekrümmte Abschnitt 39 ist dabei
derart gekrümmt, dass sich eine von der Leitschaufel 30 auf
den Vorsprung 35 übertragene Kraft F im wesentlichen
senkrecht an dem Steuerschlitz 36 abstützt, solange
sich der Vorsprung in dem gekrümmten Abschnitt 39 bewegt.
Im wesentlichen senkrecht bedeutet in diesem Zusammenhang, dass
die Kraft F einen Winkel zwischen etwa 85° und 95° relativ
zur Tangente an die kraftbeaufschlagte Innenkontur 36a des
Steuerschlitzes 36 einnimmt. Wie in 4 dargestellt,
ist damit die Kraft F für unterschiedliche Lagen des Vorsprungs 35 innerhalb
des gekrümmten Abschnitts 39 immer im wesentlichen
senkrecht auf die Innenkontur des Steuerschlitzes gerichtet. Insbesondere
ist die Kraft F für zwei unterschiedliche Lagen des Vorsprungs 35 in
dem gekrümmten Abschnitt 39 des Steuerschlitzes
im wesentlichen senkrecht auf die Innenkontur des Steuerschlitzes
gerichtet, wobei die beiden unterschiedlichen Lagen des Vorsprungs
vorzugsweise zwei sich um ein beliebiges Winkelintervall zwischen
einem Winkel größer als 0° und kleiner als
50° unterscheidenden Schwenkwinkelstellungen der dem Vorsprung 35 zugeordneten
Leitschaufeln entsprechen.
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Hierdurch
wird vorteilhaft erreicht, dass unabhängig vom Schwenkwinkel
keine Kraftkomponente der Kraft F über das Lager der Welle 31 abgestützt werden
muss, da sich die ganze Kraft an der Kontur des Steuerschlitzes
abstützt. Umgekehrt wird bei einer Verstellung des Verstellelementes
erreicht, dass ein möglichst großes Drehmoment
auf die Wellen 31 der Leitschaufeln einwirkt. Die Leitschaufelverstellvorrichtung
ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass sich die Vorsprünge 35 zumindest
in der geschlossenen Position II der Leitschaufeln innerhalb des
gekrümmten Abschnitts 39 des zugeordneten Steuerschlitzes
aufhalten, da in dieser Position ein großes Drehmoment
zum Schwenken der Leitschaufeln aufgebraucht werden muss. Beim Schwenken der
Leitschaufeln von der geöffneten Position in die geschlossene
Position und umgekehrt gleitet der Vorsprung 35 an der
Kontur des Steuerschlitzes 36 entlang, wobei die Enden
des Steuerschlitzes nicht erreicht werden. Die Länge der
Steuerschlitze 36 ist also größer ausgebildet
als der Weg, den der Vorsprung 35 beim vollständigen
Verschwenken in den Steuerschlitzen zurücklegt. Die Länge
der Führungsschlitze 40 begrenzt dabei vorteilhaft
den maximal einstellbaren Drehwinkel des Verstellelementes 34 und
damit automatisch den maximalen Schwenkbereich der Leitschaufeln
zwischen der offenen Position und der geschlossenen Position. Verunreinigungen und
Schmutzablagerungen durch im Abgas enthaltenen Ruß sammeln
sich dann vorzugsweise in den Endbereichen der Steuerschlitze an,
wo sie die Beweglichkeit der Leitschaufeln nicht beeinträchtigen. Von
dort können die Verunreinigungen bei hohen Abgastemperaturen
im Turbinenteil ausgebrannt werden.
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Die
Abgastemperatur beträgt im Turbinenteil ca. 850°C
bis 900°C für Dieselmotoren und 1050°C für
Benzinmotoren. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel,
das sich von dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
dadurch unterscheidet, dass das ringförmige flache Verstellelement 34 an
seiner Außenseite 45 und/oder Innenseite 44 mit
einseitig offenen Schlitzen 47 versehen ist, die sich vorzugsweise
in radialer Richtung erstrecken. Durch die Schlitze 47 wird
einer Verwölbung des flachen Verstellelementes 34 im
Falle einer starken Erwärmung aus der in 6 dargestellten
Ebene entgegengewirkt. Die Schlitze 47 können
regelmäßig oder unregelmäßig
verteilt über den Umfang in das Verstellelement eingebracht
sein. Prinzipiell sind unterschiedliche Schlitzkonturen einsetzbar,
beispielsweise geradlinig, schräg oder gekrümmt.
Die Tiefe und Anzahl der Schlitze ist so bemessen, dass einer Verwölbung entgegengewirkt
wird und gleichzeitig die Stabilität und Robustheit des
Verstellelementes nicht verschlechtert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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