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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 Schwenkarm 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 und
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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 mehrere
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 Leitschaufelschwenkarm 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 Leitschaufelschwenkarme 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 Leitschaufelschwenkarm 33 an seinem
nicht mit der Welle 31 verbundenen Ende einen Vorsprung 35 auf,
der senkrecht von der Längsachse
des Schwenkarms und parallel zur Mittelachse der Welle 31 absteht.
Der Vorsprung 35 ist vorzugsweise zylindrisch ausgebildet.
Zwischen dem Vorsprung 35 und dem Leitschaufelschwenkarm 33 kann
noch ein Absatz 37 vorgesehen sein, der zur Reduzierung
der Reibung Leitschaufelschwenkarm zwischen einem Verstellelement 34 und
dem Leitschaufelschwenkarm 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 ringförmigen Verstellelementes in 2 wird
die Drehbewegung über
die in den Steuerschlitzen 36 geführten Vorsprünge 35 auf
die Leitschaufelschwenkarme 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 θ(t)
= arctan( l cosβ(t) / r + l cosβ(t)) 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.