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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Turboaufladungs- oder eine andere
Fluid-Aufladungsvorrichtung, und insbesondere auf einen mit Schaufeln ausgebildeten
Diffusor des Turboladers.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Turbolader
werden weitgehend bei Verbrennungsmotoren zur Steigerung der Motorleistung
und des Wirkungsgrads, insbesondere bei Dieselmotoren von Lastkraftwagen
und Bootsmotoren, verwendet. Bei diesen Motortypen ist es besonders
vorteilhaft, Turbolader zu verwenden, die ausgelegt sind, um ein hohes
Druckverhältnis (die Druckdifferenz durch den Verdichter)
z. B. im Vergleich zu Turboladern bereitzustellen, die üblicherweise
bei kleineren PKW-Motoren verwendet werden. Der Einsatz eines Turboladers
ermöglicht die Auswahl eines Antriebsaggregats, das eine
erforderliche PS-Zahl aus einem kleineren und schwächeren
Motor entwickelt. Der Einsatz eines schwächeren Motors
hat den wünschenswerten Effekt, dass sich die gesamte Masse
des Fahrzeugs verringert und die verringerte Verkleidung eines kleineren
Motors kann dazu verwendet werden, die Aerodynamik des Fahrzeugs
zu verbessern und dadurch den Luftwiderstand zu reduzieren. Diese
beiden Faktoren verbessern den Kraftstoffverbrauch und erhöhen
die Leistung. Der Einsatz eines Turboladers ermöglicht
darüber hinaus eine vollständigere Verbrennung
des dem Motor zugeführten Kraftstoffs, was die Kohlenwasserstoff-
und NOx-Emissionen verringert, um dadurch zum äußerst
wünschenswerten Ziel einer saubereren Atmosphäre
beizutragen. In jüngster Zeit wurden Turbolader auch zunehmend
für den Einsatz in kleineren PKW-Motoren populär.
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Turbolader
weisen im Allgemeinen ein Turbinengehäuse auf, das die
Abgase von einem Abgaseinlass zu einem Abgasauslass durch einen
Turbinenrotor leitet. Der Turbinenrotor treibt eine Welle an, die
in einem Gehäuse-Lagerabschnitt eingesetzt ist. Ein Verdichterrotor
wird am anderen Ende der Welle angetrieben, der die Luft mit einer
hohen Geschwindigkeit für einen Diffusor bereitstellt.
Die grundlegende Bauweise und die Funktion von Turboladern ist detailliert
im Stand der Technik, z. B. in den
US-Patenten
mit den Nummern 4,705,463 ;
5,399,064 ;
und
6,164,931 beschrieben;
deren Offenbarungen hiermit in deren jeweiligen Gesamtheit durch
Bezugnahme miteinbezogen werden.
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Bei
einem Radialströmungs- oder Zentrifugal-Turbolader nimmt
der Verdichterrotor das einströmende Gas auf und setzt
es unter Druck. Der Verdichterrotor stößt das
Gas mit hohen tangentialen und radialen Geschwindigkeitskomponenten
aus. Das Gas strömt über einen Diffusor, in dem
die kinetische Energie oder der Staudruck durch eine Verzögerung
oder Diffusion der Strömung in einen statischen Druck umgewandelt
wird, und die Temperatur und der Druck des Gases werden erhöht.
Die erhöhte Temperatur verbessert den Verbrennungswirkungsgrad,
während der erhöhte statische Druck am Einlass
des Motors für eine Erhöhung der Masse des Kraftstoff-Luftgemischs
im Zylinder und/oder zur Verbesserung des Kraftstoff-Luftverhältnisses
verwendet werden kann.
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Die
Bauweise von Turbolader-Verdichtern ist höchst ausgefeilt
gestaltet. Die Form, die Krümmung und die Oberflächenbearbeitung
des Verdichterrotors, des Verdichtergehäuses und des Diffusors
sind ausgelegt, um einen maximalen Druckanstieg über den
gewünschten Bereich der Einsatzbedingungen zu erzeugen.
Wenn sehr hohe Druckverhältnisse erforderlich sind, wie
im Falle von großen kommerziellen Dieselmotoren, werden
mit Schaufeln ausgebildete Diffusoren im Allgemeinen den schaufellosen Diffusoren
vorgezogen, weil sie ein höheres maximales Druckverhältnis
und einen verbesserten Wirkungsgrad, wenn auch oftmals auf Kosten
einer verringerten Kennfeldweite liefern, wie sie auf einem beim
Stand der Technik bekannten Verdichterkennfeld dargestellt ist,
das die Beziehung zwischen der Druckverhältnis und dem
Volumen- oder Massen-Durchsatz zeigt.
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Die
Bauweise des Diffusors ist entscheidend, um einen effizienten Turboladerbetrieb über
einen weiten nutzbaren Bereich der Motor-Betriebsbedingungen zu
erreichen. Während es relativ einfach ist, einen Diffusor
für konstante Einlass- und Auslassbedingungen auszulegen,
erhöhen die Veränderungen des Durchsatzes und
die Art der Strömung die Schwierigkeit, einen zufrieden
stellenden Diffusor für einen nutzbaren Bereich der Betriebsbedingungen bereitzustellen.
Die Auslegungsparameter für Verdichter wurden bis zu einem
Ausmaß verfeinert, dass eine Änderung in der Größe
von 0,5–1,0% beim Wirkungsgrad beim Stand der Technik signifikant
ist. Eine allgemeine Daumenregel besagt, dass jedes eine Prozent
bei der Verbesserung des Wirkungsgrads des Verdichters eine Verbesserung
von einem Drittel Prozent beim bremsspezifischen Kraftstoffverbrauch
(BSFC) eines Dieselmotors ergibt.
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Die
Schaufeln eines mit Schaufeln ausgebildeten Diffusors weisen Kanäle
auf, in denen das Gas mit hoher Geschwindigkeit vom Verdichter aufgenommen
wird, und durch die das Gas abgebremst wird, um dessen kinetische
Energie in einen statischen Druck umzuwandeln. Umfangsseitig beabstandete
Leitschaufeln bilden Durchgänge, die sich flächenmäßig
radial erstrecken, um die Strömung zu diffundieren. Weil
die Strömungseigenschaften mit den Betriebsbedingungen
variieren, sind eine hochwertige Oberflächenbearbeitung
und der Angriffswinkel der Schaufeln entscheidende Parameter bei
der Auslegung eines mit Schaufeln ausgebildeten Diffusors. Der Querschnitt
und die Form der Schaufeln eines mit Schaufeln ausgebildeten Diffusors
sind also wichtige Auslegungsparameter. Keilförmige, geradseitige
Schaufeln, die als gerader Inseltyp bezeichnet werden, liefern ein
hohes Druckverhältnis und einen hohen Wirkungsgrad auf
Kosten des Betriebsbereichs. Andererseits ermöglichen gekrümmte
Schaufeln, wie sie im
US-Patent
mit der Nummer 2,844,001 offenbart sind. Eine Strömungsausrichtung
im Diffusor. Schaufeln, die einen Tragflächen-Querschnitt aufweisen,
sind beim Stand der Technik ebenfalls als Schaufeln bekannt, die
längs ihrer Länge unterteilt sind, wobei jeder
Bereich optional radial versetzt ist. Für einen problemlosen
und gleichmäßigen Strömungsaustritt aus
dem Diffusor sind dünne, kantige Schaufeln wünschenswert.
Die Breite des Diffusors ist ebenfalls ein wichtiger Auslegungsparameter.
Um die besten Auslegungen zu implementieren und um deren beabsichtigten
Vorteile zu genießen, ist es notwendig, dass die Schaufeln
des Diffusors mit ist sehr engen Toleranzen hergestellt werden.
Die typischen Auslegungsparameter für mit Schaufeln ausgebildete Diffusoren
sind beim Stand der Technik zum Beispiel in den
US-Patenten 2,844,001 ,
1,047,663 ,
3,936,223 ,
3,997,281 ,
3,719,430 ,
4,815,935 und
5,227,541 offenbart, deren Offenbarungen
hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme miteinbezogen werden.
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Mit
Schaufeln ausgebildete Diffusoren werden als separates Bauteil des
Verdichtergehäuses ausgebildet und typischerweise in Form
eines kreisförmigen Rings geformt, der ausgelegt ist, um
an einer Rückenplatte oder einer axialen Wandfläche
anzuliegen. Aufgrund von Bearbeitungstoleranzen sind Spaltabstände
zwischen dem oberen Ende der Schaufeln und der gegenüberliegenden
Diffusorwand vorhanden. Zudem ist das Verdichtergehäuse dafür
bekannt, sich unter Turbolader-Betriebstemperaturen und -Drücken,
die die Abstände weiter vergrößern können,
von der Rückenplattenwand axial auszudehnen oder wegzubewegen.
Die heutigen mit Schaufeln ausgebildeten Diffusoren verwenden eine kreisförmige
Wellfeder, um eine konstante Druckbelastung während den
Verdichter-Betriebstemperaturen und -Drücken bereitzustellen,
um zu gewährleisten, dass sie Schaufeln auf dem Diffusorring
in Kontakt mit der gegenüberliegenden Wand, wie z. B. der Rückenplattenwand,
bleiben. Eine O-Ring-Abdichtungsanordnung muss dann eingesetzt werden,
um jegliche Verluste aufgrund von Spalten, die zwischen dem Diffusorring
und dem Verdichtergehäuse oder dem Zentriergehäuse
ausgebildet sind, zu reduzieren oder zu eliminieren.
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Ein
Beispiel eines zeitgemäßen mit Schaufeln ausgebildeten
Diffusors ist im
US-Patent mit
der Nummer 4,354,802 für Nishida dargestellt.
Der mit Schaufeln ausgebildete Diffusor von Nishida verwendet, wie
in
1 dargestellt, weder eine Vorspanneinrichtung
noch eine Dichtungsanordnung. Der Turbolader
1 weist eine
Mehrzahl von Verdichterschaufeln
2 auf, die längs
eines Diffusorrings
4 in einem Diffusorraum
5 positioniert
sind. Der Diffusorraum
5 ist durch ein einziges Gehäuse
7 ausgebildet.
Der mit Schaufeln ausgebildete Diffusor von Nishida leidet an dem
Nachteil von Verlusten aufgrund der Leckage zwischen den Schaufeln
2 und
der Gehäusewand
7 und zwischen dem Diffusorring
4 und
der Gehäusewand
7 bei jeder Wärmeausdehnung
des Diffusorraums
5.
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Ein
Beispiel eines weiteren zeitgemäßen mit Schaufeln
ausgebildeten Diffusors ist im
US-Patent mit
der Norma 6,168,375 für LaRue dargestellt. Der mit
Schaufeln ausgebildete Diffusor von LaRue ist, wie in
2 dargestellt,
anhand einer flachen Wellfeder federbelastet und mit einer Dichtungsanordnung abgedichtet.
Der Turbolader
10 beherbergt ein Verdichtergehäuse
12 mit
einem Ausströmraum
14, der darin ausgebildet ist,
um die durch einen Einlass
18 von einem Verdichter-Laufrad
verdichtete Luft aufzunehmen, das im Verdichtergehäuse
12 drehbar
angeordnet ist. Ein mit Schaufeln ausgebildeter Diffusor
20 in
Form eines kreisförmigen Rings ist im Verdichtergehäuse
12 angeordnet.
Der mit Schaufeln ausgebildete Diffusor
12 ist in einem
Diffusorkanal positioniert, der in einer axial-zugewandten Oberfläche
einer Verdichtergehäuse-Rückenplatte
24 ausgebildet ist.
Der mit Schaufeln ausgebildete Diffusor
20 weist eine Mehrzahl
von Schaufeln
26 auf, die jeweils eine Distanz von einer
axial zugewandten Oberfläche des mit Schaufeln ausgebildeten
Diffusors nach außen hervorragen. Der mit Schaufeln ausgebildete
Diffusor
20 weist eine axial-zugewandte kegelstumpfartige Oberfläche,
die radial vom Laufrad
16 zum Ausströmraum
14 verläuft,
und eine Abschrägung auf einer Vorderkante
30 eines
schaufellosen Abschnitts des mit Schaufeln ausgebildeten Diffusors,
sowie eine Abschrägung auf einer Hinterkante
32 der
Schaufeln
26 auf.
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Der
Turbolader 10 von LaRue weist eine Wellfeder 34 auf,
die zwischen einer rückseitigen Oberfläche 36 des
mit Schaufeln ausgebildeten Diffusors 20 und einem Federkanal 38 eingeschoben
ist, der in einer axial zugewandten Oberfläche der Rückenplatte 24 ausgebildet
ist. Die Feder 34 ist eine geprägte oder Draht-Wellfeder
aus Metall. Die Feder 34 ist zwischen dem mit Schaufeln
ausgebildeten Diffusor 20 und der Rückenplatte 24 positioniert,
um eine Druckbelastung auf den mit Schaufeln ausgebildeten Diffusor
auszuüben, um diesen, ungeachtet von statischen Druckbedingungen
im Verdichtergehäuse 12, axial von der Rückenplatte
wegzudrücken. Dies erfolgt, um die Schaufeln 26 des
mit Schaufeln ausgebildeten Diffusors 20 in Kontakt mit
dem Verdichtergehäuse 12 am Verdichtergehäuseende 28 zu halten,
da sich das Verdichtergehäuse von der Rückenplatte 24 unter
allen Turbolader-Betriebsbedingungen axial wegbewegt. Ein Stift 40 umfasst
ein erstes Ende, das in einem Stift-Langloch 42 im mit Schaufeln
ausgebildeten Diffusor eingesetzt ist, und ein zweites Ende, das
in einem Stift-Langloch 44 in der Rückenplatte 24 eingesetzt
ist. Eine ringförmige O-Ring-Dichtung 46 ist in
einer Dichtungsnut 50 angeordnet, die entlang der axial
zugewandten Rückenplatten-Oberfläche 24 ausgebildet
ist, und zwischen dem mit Schaufeln ausgebildeten Diffusor und der
Rückenplatte eingeschoben ist, um dazwischen eine luftdichte
Abdichtung zu schaffen. Die O-Ring-Dichtung ist dafür vorgesehen,
um eine luftdichte Abdichtung auszubilden und aufrechtzuerhalten,
um die Rückführung der Luftströmung um
eine rückseitige Oberfläche des mit Schaufeln
ausgebildeten Diffusors 20 herum zu verhindern, selbst
wenn der mit Schaufeln ausgebildete Diffusor 20 von der Rückenplatten-Oberfläche 24 wegbewegt
wird.
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Der
mit Schaufeln ausgebildete Diffusor von LaRue leidet unter dem Nachteil,
dass zwei separate Bauteile oder Elemente erforderlich sind, um
die Funktionen der Druckbelastung auf den mit Schaufeln ausgebildeten
Diffusor und die Abdichtung des mit Schaufeln ausgebildeten Diffusors
und der Rückenplatte durchzuführen. Der Einsatz
von zwei solchen Bauteilen vergrößert die Komplexität
und die Kosten. Der Einsatz von zwei solchen Bauteilen erfordert
eine entsprechend getrennte Anordnung, z. B. einen Federkanal 38 und
eine Dichtungsnut 50, die die Komplexität und
die Kosten weiter vergrößern.
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Infolgedessen
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein System und ein Verfahren
zur Rückhaltung eines mit Schaufeln ausgebildeten Diffusors
bereitzustellen, das die Leistungsverluste reduziert oder eliminiert.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein derartiges
System und Verfahren bereitzustellen, das kostengünstig
und zuverlässig ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung
ein derartiges System und Verfahren bereitzustellen, das die Herstellung
und den Zusammenbau der Luftaufladungsvorrichtung erleichtert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Lösung dieser Aufgaben erfolgt durch die Merkmale des Anspruches
1, 8 bzw. 15. Die Unteransprüche offenbaren bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung. Die beispielhaften Ausführungsformen des
Rückhaltesystems für den mit Schaufeln ausgebildeten
Diffusor und den Turbolader oder einer anderen Luftaufladungsvorrichtung,
die das System verwendet, hält eine Druckbelastung auf
dem mit Schaufeln ausgebildeten Diffusor aufrecht, während die
Verluste reduziert oder eliminiert werden. Das System kann eine
einzelne Anordnung zur Druckbelastung und Abdichtung einsetzen,
die stabiler, weniger fehleranfällig sowie kostengünstiger
ist.
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Bei
einem Aspekt einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist ein Verdichterabschnitt für eine Luftaufladungsvorrichtung vorgesehen.
Der Verdichterabschnitt weist ein Kompressorgehäuse, das
zumindest teilweise eine Laufradkammer, einen Diffusor und einen
Ausströmraum umfasst; ein Verdichterlaufrad, das im Verdichtergehäuse
montiert ist; einen Diffusorring mit einer Mehrzahl von Verdichterschaufeln,
der im Diffusor angeordnet ist; und ein Rückhaltesystem
auf, das einen O-Ring aufweist, der den Diffusorring abdichtet und den
Diffusorring vorspannt, um dadurch die Mehrzahl der Verdichterschaufeln
gegen eine gegenüberliegende Wand des Diffusors zu drücken.
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Bei
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Turbolader
vorgesehen, der ein Turbinengehäuse, das einen Turbinenrotor
und einen Turbineneinlass; ein Verdichtergehäuse, das zumindest
teilweise eine Laufradkammer, einen Diffusor und einen Ausströmraum
umfasst; ein Verdichterlaufrad, das im Verdichtergehäuse
montiert ist und mit einem Turbinenrotor funktionsfähig
verbunden ist, um das Verdichterlaufrad anzutreiben; einen Diffusorring mit
einer Mehrzahl von Verdichterschaufeln, die im Diffusor angeordnet
sind; und ein Rückhaltesystem umfasst, das einen O-Ring
aufweist, der den Diffusorring abdichtet, und den Diffusorring vorspannt,
um dadurch die Mehrzahl der Verdichterschaufeln (207) gegen
eine gegenüberliegende Wand des Diffusors (225)
zu drücken.
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Bei
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren
zur Herstellung eines Turboladers bereitgestellt, das die Schritte
des Bereitstellens eines Verdichtergehäuses, das zumindest
teilweise eine Laufradkammer, einen Diffusor und einen Ausströmraum
umfasst; des Montierens eines Diffusorrings im Verdichtergehäuse,
um dadurch eine Mehrzahl der Verdichterschaufeln im Diffusor zu
positionieren; des Ausbildens eines ringförmigen Kanals,
zumindest entweder im Diffusorring, dem Verdichtergehäuse
oder einer Verstärkungswand eines Zentriergehäuses;
und des Positionierens des O-Rings im ringförmigen Kanal
aufweist, um den Diffusorring entweder mit dem Verdichtergehäuse
oder der Verstärkungswand abzudichten, und eine Druckbelastung
auf den Diffusorring aufzubringen, um dadurch die Mehrzahl der Verdichterschaufeln gegen
eine gegenüberliegende Wand des Diffusors zu drücken.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird beispielhaft und nicht einschränkend
in den anliegenden Zeichnungen veranschaulicht, in denen gleiche
Bezugszeichen gleichartige Teile kennzeichnen.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand
der Zeichnungen. Darin zeigt:
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1 eine
schematische Ansicht eines mit Schaufeln ausgebildeten Diffusors
eines zeitgemäßen Turboladersystems;
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2 eine
schematische Ansicht eines mit Schaufeln ausgebildeten Diffusors
eines weiteren zeitgemäßen Turboladersystems;
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3 eine
Querschnittansicht eines Turboladers, mit einer beispielhaften Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Rückhaltesystems
eines mit Schaufeln ausgebildeten Diffusors;
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3A eine
Querschnittansicht eines Turboladers mit einer weiteren beispielhaften
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Rückhaltesystems für einen mit Schaufeln ausgebildeten
Diffusor;
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4 eine
perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform
eines mit Schaufeln ausgebildeten Diffusorrings, der beim Turbolader
von 3 einsetzbar ist;
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4A eine
perspektivische Ansicht einer weiteren beispielhaften Ausführungsform
eines mit Schaufeln ausgebildeten Diffusorrings, der beim Turbolader
von 3 einsetzbar ist;
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5 eine
Draufsicht auf den mit Schaufeln ausgebildeten Diffusor von 4,
der eine exemplarische Ausführungsform des Rückhaltesystems
zeigt; und
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6 eine
Querschnittsansicht eines Turboladers mit einer weiteren beispielhaften
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Rückhaltesystems für einen mit Schaufeln ausgebildeten
Diffusor.
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DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER
ERFINDUNG
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Die
Ausführungsformen der Erfindung sind auf die Reduzierung
oder Eliminierung von Verlusten bei einem mit Schaufeln ausgebildeten
Diffusor einer Luftaufladungsvorrichtung durch die Verwendung eines
Rückhaltesystems und eines Verfahrens für einen
mit Schaufeln ausgebildeten Diffusors gerichtet. Die Aspekte der
Erfindung werden in Verbindung mit einem Verdichterabschnitt eines
Turboladers beschrieben, der verschiedene Komponenten einschließlich
einer Verdichterwelle eines Turbinenrotors umfasst, aber die detaillierte
Beschreibung ist nur beispielhaft gedacht. Beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in 3–6 dargestellt,
aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf die veranschaulichte
Anordnung oder Anwendung beschränkt:
Mit Bezug auf 3 weist
ein Turbolader 100 ein Turbinengehäuse 101,
ein Zentriergehäuse 102 und ein Verdichtergehäuse 103 auf,
die miteinander verbunden sind und längs einer Drehachse
R positioniert sind. Das Turbinengehäuse 101 weist
ein äußeres Leitgitter von Leitschaufeln 107 über
den Umfang eines Trägerrings 106 auf. Die Leitschaufeln 107 können
durch Schwenkwellen 108 geschwenkt werden, die in Bohrungen
des Trägerrings 106 eingesetzt sind, sodass jedes
Schaufelpaar Düsen mit selektiv variablem Querschnitt entsprechend
der Schwenkposition der Schaufeln 107 bestimmt. Dies ermöglicht,
dass eine größere oder kleinere Menge an Abgasen
einem Turbinenrotor 104 zugeführt wird. Die vorliegende
Offenbarung sieht auch den Einsatz von anderen Anordnungen und Techniken
vor, um die Schaufeln 107 mit dem Trägerring 106 beweglich
zu verbinden.
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Die
Abgase werden den Leitschaufeln 107 und dem Rotor 104 durch
einen Zuführungskanal 109 mit einem Einlass 600 zugeführt.
Die Abgase werden durch ein mittiges kurzes Zuführungsrohr 110 ausgestoßen
und der Rotor 104 treibt das Verdichterlaufrad, Laufrad
oder den Rotor 121 an, der an der Welle 120 des
Schaufelrads befestigt ist. Die vorliegende Offenbarung sieht auch
ein Turbinengehäuse 101, und ein Zentriergehäuse 102 vor,
die einstückig miteinander ausgebildet sind. Verschiedene
Lagerzapfen, Lager und Schmierungskomponenten, Kanäle und
weitere Anordnungen können verwendet werden, um den Transfer
der Drehbewegung des Turbinenrotors 104 zum Verdichterlaufrad 121 zu
erleichtern.
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Um
die Position der Leitschaufeln 107 zu steuern/zu regeln,
kann eine Betätigungsvorrichtung vorgesehen werden, die
eine Betätigungsbewegung eines darin untergebrachten Pistillelements
steuert, dessen Axialbewegung in eine Radialbewegung eines Einstell-
oder Steuerrings 105 umgewandelt wird, der hinter dem Trägerring 106 untergebracht
ist. Durch diese Drehbewegung können die Leitschaufeln 107 von
einer im Wesentlichen tangentialen Endlage in eine sich im Wesentlichen
radial erstreckende Endlage verstellt werden. Auf diese Weise kann
eine größere oder kleinere Menge an Abgasen von
einem Verbrennungsmotor, die durch den Zuführungskanal 109 zugeführt
wurden, in den Turbinenrotor 104 eingeleitet werden und
durch das axiale Zuführungsrohr 110 ausgestoßen
werden.
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Zwischen
dem Schaufel-Trägerring 106 und einem ringförmigen
Bereich 115 des Turbinengehäuses 101 kann
ein relativ kleiner Schaufelspalt 113 vorliegen, um eine
freie Bewegung der Schaufel 107 zu ermöglichen.
Die Form und die Abmessungen des Schaufelraums 113 können
gewählt werden, um den Wirkungsgrad des Turboladers 100 zu
erhöhen, während die Wärmeausdehnung
aufgrund der heißen Abgase ermöglicht wird. Um
die Breite des Schaufelraums 113 und den Abstand des Schaufel-Trägerrings 116 vom
gegenüberliegenden Gehäusering 115 sicherzustellen,
kann der Schaufel-Trägerring 106 darauf ausgebildete
Abstandshalter aufweisen. Während die beispielhafte Ausführungsform
des Turboladers 100 eine Turbine mit variabler Geometrie
beschreibt, ist es so zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung
auch andere Turbinentypen vorsieht, die das Verdichterrad 121 mit
oder ohne Schaufeln und/oder beweglichen Schaufeln antreiben.
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Mit
Bezug auf 3–5 weist
der Turbolader 100 zudem einen Verdichterabschnitt mit
dem Verdichtergehäuse 103 auf, das eine Laufradkammer 321 zur
Montage des Verdichterrads oder Laufrads 121 darin aufweist.
Das Verdichtergehäuse 103 kann außerdem,
zumindest teilweise, einen Diffusor 225 und einen Ausströmraum 230 aufweisen,
um den Druck des Fluids zu erhöhen. Bei der exemplarischen Ausführungsform
von 3–5 ist der
Diffusor 225 durch das Verdichtergehäuse 103 und
eine Verstärkungswand 102' des Zentriergehäuses 102 festgelegt.
Die vorliegende Erfindung sieht auch den Einsatz einer separaten
Rückenplatte oder einer anderen Anordnung vor, um den Diffusor 225 zum
Teil festzulegen. Das Verdichter-Laufrad 121 steht in Fluidverbindung
mit dem Diffusor 225 und dem Ausströmraum 230,
um das verdichtete Fluid dem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt)
oder einer anderen Vorrichtung zuzuführen. Der Turbolader 100 weist
einen zweifachen Ausströmraum-Verdichterabschnitt mit Ausströmräumen 230, 230' auf,
aber ein einziger Ausströmraum oder mehr als zwei Ausströmräume
können bei der vorliegenden Erfindung ebenfalls vorgesehen
werden.
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Der
Verdichterabschnitt des Turboladers 100 weist einen Diffusorring 206 mit
einer Mehrzahl von Verdichterschaufeln 207 auf, die mit
diesem funktionsfähig verbunden sind. Bei einer Ausführungsform sind
die Verdichterschaufeln 207 mit dem Diffusorring 206 durch
Stützen 208 verbunden. Die vorliegende Offenbarung
sieht weitere Anordnungen und Techniken zur Verbindung der Verdichterschaufeln 207 mit dem
Diffusorring 206 einschließlich des Schweißens vor.
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Bei
einer Ausführungsform sind die Verdichterschaufeln
207 durch
einen maschinellen Bearbeitungsvorgang aus massivem Metall, wie
z. B. eine Aluminiumlegierung, einstückig mit dem Diffusorring
206 ausgebildet.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Verdichterschaufeln
207 durch
einen Gießvorgang, der eine maschinelle Bearbeitung einschließen
oder nicht einschließen kann, einstückig mit dem Diffusorring
206 ausgebildet.
Ein Gießvorgang, der für das Ausbilden des Diffusorrings
206 und
der Schaufeln
207 verwendet werden kann, wird in einer Parallelanmeldung,
der
US-Veröffentlichung
mit der Nummer 20050039334 mit dem Titel „Verfahren
zu Herstellung eines mit Schaufeln ausgebildeten Diffusors" beschrieben,
deren Offenbarung durch Bezugnahme hierin miteinbezogen wird.
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Die
liegende Offenbarung sieht auch die Verwendung von beweglichen Verdichterschaufeln
vor, die mit dem Diffusorring 206 funktionsfähig
verbunden sind. Die jeweilige bewegliche Verbindung, sowie der Betätigungs-
oder Steuerungsmechanismus für die beweglichen Verdichterschaufeln,
die Stifte, Hebelmechanismen und dergleichen einschließt, kann
von einem Durchschnittsfachmann ausgewählt werden. Die
Bewegung kann mit der Bewegung der Turbinenschaufeln 107 synchronisiert
oder nicht synchronisiert werden.
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Der
Diffusorring 206 kann längs einer Schulter 210 des
Verdichtergehäuses 103 positioniert werden. Vorzugsweise
ist die Schulter 210 eine stetige ringförmige
Schulter 210. Die Schulter 210 kann durch verschiedene
Vorgänge einschließlich der maschinellen Bearbeitung,
des Gießens und einer Kombination aus beiden ausgebildet
werden. Bei einer Ausführungsform kann eine Innenwand 211 des
Diffusorrings 206 um die ringförmige Schulter 210 eingepresst
werden, um den Montagevorgang zu erleichtern. Trotzdem sieht die
vorliegende Offenbarung eine Spielpassung zwischen dem Diffusorring 206 und
der Schulter 210 vor. Eine Außenwand 215 des
Diffusorrings 206 kann kegelstumpfartig oder anderweitig,
z. B. gekrümmt, geformt sein, um der Form des Ausströmraums 230 zu
entsprechen. Ein Stift oder mehrere Stifte 1000 können
mit dem Diffusorring 206 und einem weiteren Bauteil des
Turboladers 100, wie z. B. dem Verdichtergehäuse 103 (wie
dargestellt) oder dem Zentriergehäuse 102, funktionsfähig
verbunden sein, um eine Drehung des Diffusorrings zu verhindern.
Die spezielle Anzahl, Position, Größe und Form
der Stifte 1000 oder anderer drehungshemmender Anordnungen
kann von einem Durchschnittsfachmann auf der Basis einer Anzahl von
Faktoren, einschließlich der Festigkeit und der leichten
Montage, ausgewählt werden.
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Die
Spaltabstände zwischen den Schaufeln 207 der Verstärkungswand 102' bestehen
aufgrund der Herstellungs- und/oder maschinellen Bearbeitungstoleranzen.
Diese Spaltabstände können zu Leistungsverlusten
führen, wobei das Fluid durch die Abstände anstatt über
die Schaufeln 207 strömt. Darüber hinaus
kann sich während des Betriebs bei erhöhten Temperaturen
und Drücken im Verdichterabschnitt das Verdichtergehäuse 103 in
Bezug auf die Verstärkungswand 102' bewegen. Diese
Bewegung kann die Größe der Abstände
zwischen den Schaufeln 207 und der Verstärkungswand 102' weiter
verändern.
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Der
Turbolader 100 weist ein Rückhaltesystem 300 auf,
das eine Druckbelastung oder Vorspannung auf dem mit Schaufeln ausgebildeten
Diffusorring 206 gewährleistet, um die Schaufeln 207 an
der Verstärkungswand 102' des Zentriergehäuses 102 zu
halten, während die Verluste um den Diffusorring herum
reduziert oder eliminiert werden. Das System 300 umfasst
einen Kanal 325, der im Diffusorring 206 mit einem
darin positionierten O-Ring 350 ausgebildet ist. Der O-Ring 350 ist
vorzugsweise aus einem Fluor-Elastomer, wie z. B. Fluorkohlenstoff
hergestellt. Ein Beispiel eines derartigen Materials ist VITOM® von E. I. Du Pont De Nemours & Company Corporation.
Der O-Ring 350 kann aus einem Material gewählt
werden, das eine Druckverformung mit einer Beibehaltung bzw. Retention
von mehr als 90% seiner ursprünglichen Dichtkraft aufweist,
nachdem es in Luft 100 Stunden lang 150°C ausgesetzt
war. Die vorliegende Offenbarung sieht die Verwendung von weiteren
Materialien für den O-Ring 350, wie z. B. ein
Perfluor-Elastomer vor.
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Das
System 300 kann in die Druckbelastung oder die Vorspannung
auf den Diffusorring 206 so aufrechterhalten, dass jegliche
Spaltabstände eliminiert werden und die Schaufeln 207 sich
während des Betriebs nicht von der Verstärkungswand 102' zurückziehen,
was jeweils zu einer Leckage rund um die Schaufeln führen
würde. Der O-Ring 350 dichtet außerdem
den Spalt zwischen dem Diffusorring 206 und dem Verdichtergehäuse 103 ab,
der sich beim Betrieb mit einem erhöhten Druck und einer
erhöhten Temperatur in seiner Größe verändern
kann. Die Verwendung eines Hochleistungsmaterials wie z. B. Fluor-Kohlenstoff,
ermöglicht es dem O-Ring 350 seine Dichtkraft
und sein Druckbelastungsvermögen selbst nach einem Langzeitbetrieb
im problematischen Umfeld des Verdichterabschnitts des Turboladers 100 beizubehalten.
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Die
spezielle Größe und Form des Kanals 325 und
des O-Rings 350 kann auf der Basis einer Anzahl von Faktoren
gewählt werden, die die Turbolader-Betriebsbedingungen,
wie z. B. die erhöhte Temperatur und den erhöhten
Druck einschließen. Bei einer Ausführungsform
weist der Kanal 325 eine im Wesentlichen schwalbenschwanzförmige
Form auf, um die Montage und das Zurückhalten des O-Rings 53 im
Kanal 325 zu erleichtern. Dies ermöglicht die
Beibehaltung des O-Rings 350 im Kanal 325 ungeachtet
der Ausrichtung des Verdichtergehäuses 103, wie
z. B. bei einer verdeckten Montage. Andere Formen, einschließlich
eines U-förmigen Kanals, können für den
Kanal 325 ebenfalls eingesetzt werden. Bei der beispielhaften
Ausführungsform von 3–5 ist
der Kanal 325 nur im Diffusorring 206 ausgebildet.
Jedoch sieht die vorliegende Erfindung ein Rückhaltesystem 300' vor,
bei dem ein Kanal 325', wie in 3A dargestellt,
sowohl im Verdichtergehäuse 103 als auch im Diffusorring 206 ausgebildet
ist. Der O-Ring 350 ist in beiden Bereichen des Kanals 325' positioniert.
Die vorliegende Offenbarung sieht auch den Kanal vor, der den O-Ring 350 hält,
der nur im Verdichtergehäuse 103 ausgebildet ist.
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Bei
der beispielhaften Ausführungsform von 3–5 ist
der Kanal 325 entlang eines radialen Innenbereichs des
Diffusorrings 206 positioniert und mit dem Ring konzentrisch
ausgerichtet. Die Positionierung des Kanals 325 und des
O-Rings 350 entspricht einem, oder ist radial ausgerichtet
mit einem Mittenbereich der Schaufeln 207, so dass die
Druckbelastung oder die Vorspannung auf den Diffusorring die Schaufeln
gegen die gegenüberliegende Diffusorfläche, wie
z. B. die Verstärkungswand 102', korrekt ausrichtet.
Jedoch sieht die vorliegende Erfindung die Positionierung des Kanals 325 und
des O-Rings 350 entlang anderer Bereiche des Diffusorrings 206 vor.
Bei einer Ausführungsform des Diffusorrings, bei der mehrere
kreisförmige Schaufelreihen, wie z. B. die in 4A dargestellten
zwei kreisförmigen Reihen, entlang einem Diffusorring 206' positioniert
werden, können der Kanal 325 und der O-Ring 350 entlang
eines Mittenbereichs des Diffusorrings positioniert werden oder
anderweitig positioniert werden, um die Druckbelastung auf jede
der Reihen der Schaufeln 207 im Wesentlichen gleichmäßig
zu verteilen.
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Mit
Bezug auf 6 ist eine weitere exemplarische
Ausführungsform eines Rückhaltesystems für
einen mit Schaufeln ausgebildeten Diffusor dargestellt und generell
durch das Bezugszeichen 500 veranschaulicht. Der Turbolader 100 weist
viele gleichartige Komponenten zu den oben beschriebenen vorausgegangenen
Turboladern auf und diese sind auf gleiche Weise nummeriert. Jedoch
ist der Diffusorring 206 entlang der Verstärkungswand 102' des Zentriergehäuses 102 positioniert.
Vorzugsweise ist der Diffusorring 206 entlang einer Schulter 510 des Zentriergehäuses 102 positioniert.
Noch vorteilhafterweise ist die Schulter 510 eine stetige
ringförmige Schulter. Die Schulter 510 kann durch
verschiedene Vorgänge geformt werden, die die maschinelle
Bearbeitung, das Gießen und die Kombination von beiden einschließen.
Bei einer Ausführungsform kann eine Innenwand 211 des
Diffusorrings 206 (wie in 4 und 5 dargestellt)
um die ringförmige Schulter 510 eingepresst werden,
um den Montagevorgang zu erleichtern. Stifte oder andere drehungshemmende
Anordnungen, wie z. B. die Stifte 1000 von 3, können
beim System 500 verwendet werden.
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Das
Rückhaltesystem 500 gewährleistet eine
Druckbelastung oder Vorspannung auf den mit Schaufeln ausgebildeten
Diffusorring 206, um die Schaufeln 207 konstant
am Verdichtergehäuse 103 zu halten, während
die Verluste rund um den Diffusorring reduziert oder eliminiert
werden. Das System 500 umfasst einen Kanal 525,
der im Diffusorring 206 mit einem darin positionierten
O-Ring 550 ausgebildet ist.
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Wie
zuvor in Bezug auf den O-Ring 350 beschrieben, ist der
O-Ring 550 aus einem Hochleistungsmaterial hergestellt,
das seine Dichtkraft und sein Druckbelastungsvermögen selbst nach
einem langfristigen Durchlaufen der schweren Umgebung im Verdichterabschnitt
des Turboladers 100 beibehalten kann. Die spezielle Größe
und Form des Kanals 525 und des O-Rings 550 können
auf der Basis von Faktoren gewählt werden, die die Betriebstemperaturen
und den Betriebsdruck umfassen. Der Kanal 525 kann im Diffusorring 206 oder
der Verstärkungswand 102' oder in beiden ausgebildet
sein. Es ist ferner so zu verstehen, dass, da wo eine separate Rückwandplatte
im Turbolader verwendet wird, die vorliegende Erfindung die Ausbildung
des Kanals 525 oder eines Teils davon in der Rückenwandplatte vorsieht.
Da wo der Turbolader nur die Verdichter- und Turbinengehäuse
umfasst, sieht die vorliegende Erfindung darüber hinaus
die Ausbildung des Kanals 525 oder eines Teils davon zumindest
entweder im Diffusorring, dem Verdichtergehäuse oder dem
Turbinengehäuse vor.
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Der
Turbolader 100 sieht einen Diffusorring 206 vor,
der nicht an das Kompressorgehäuse 103 oder das
Zentriergehäuse 102 geschraubt werden muss. Die
Verwendung der O-Ringe 350, 350' oder 550 dichtet
den Spalt zwischen dem Diffusorring 206 und dem Gehäuse 102 oder 103 ab,
während eine Vorspannung zwischen den Schaufeln 207 und
der gegenüberliegenden Wand aufrechterhalten wird. Die
Beseitigung der Schrauben- oder einer anderen starren Verbindungsanordnung
erleichtert die Montage, reduziert die Kosten und kann die thermische Kriechdehnung
oder das Verbiegen des Diffusorrings reduzieren oder eliminieren.
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Während
die vorliegende Offenbarung in Bezug auf ein Turboladersystem beschrieben
wurde, ist es durch die vorliegende Offenbarung auch vorgesehen,
dass das Rückhaltesystem 100 für einen
mit Schaufeln ausgebildeten Diffusor bei anderen Typen von Fluid-Antriebs
oder -Aufladungsvorrichtungen eingesetzt werden kann, die Leistungsunzulänglichkeiten
aufgrund von Spaltabständen und/oder einer Diffusorringbewegung
unterworfen sind. Diese und andere Fluid-Aufladungsvorrichtungen
umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, die folgenden:
Lader, Zentrifugalpumpen, Zentrifugalgebläse, einstufige
Gasverdichter, mehrstufige Gasverdichter und andere Arten von Vorrichtungen,
die im allgemeinen eines oder mehrere Drehelemente verwenden, um
Gase zu verdichten und/oder eine Fluidströmung zu induzieren.
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Während
die Erfindung mit Bezug auf eine spezifische Ausführungsform
beschrieben wurde, die zum Zwecke der Veranschaulichung gewählt
wurde, sollte es offensichtlich sein, dass zahlreiche Modifikationen
bei der Anordnung, Komposition und/oder den Verfahrensschritten
hierbei von einem Durchschnittsfachmann erfolgen könnten,
ohne vom Wesen und Umfang der Erfindung abzuweichen.
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Zusammenfassend
ist festzustellen:
Ein Rückhaltsystem für
einen mit Schaufeln ausgebildeten Diffusor eines Turboladers oder
einer anderen Fluid-Aufladungsvorrichtung wird bereitgestellt, das Verluste
reduzieren oder eliminieren kann. Das System verwendet eine Anordnung,
um sowohl eine Druckbelastung auf den mit Schaufeln ausgebildeten Diffusor
als auch eine Abdichtung für den mit Schaufeln ausgebildeten
Diffusor bereitzustellen. Die Anordnung kann ein O-Ring aus einem
Fluor-Elastomer sein. Der O-Ring kann zumindest teilweise im Kanal positioniert
werden, der entweder im Diffusorring, dem Verdichtergehäuse
oder dem Zentriergehäuse ausgebildet ist.
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- 1,
10, 100
- Fluid-Aufladungsvorrichtung,
Turbolader
- 2
- Verdichterschaufeln
- 4
- Diffusorring
- 5
- Diffusorraum
- 7
- Gehäuse,
Gehäusewand
- 12
- Verdichtergehäuse
- 14
- Ausströmraum
- 16
- Laufrad
- 18
- Einlass
- 20
- Diffusor
- 24
- Verdichtergehäuse-Rückenplatte
- 26
- Schaufeln
- 30
- Vorderkante
- 32
- Hinterkante
- 34
- Feder
- 36
- Rückseitige
Oberfläche
- 40
- Stift
- 42,
44
- Stift-Langloch
- 46
- O-Ring-Dichtung
- 50
- Dichtungsnut
- 101
- Turbinengehäuse
- 102
- Zentriergehäuse
- 102'
- Verstärkungswand
- 103
- Verdichtergehäuse
- 104
- Turbinenrotor
- 105
- Steuerring
- 106
- Trägerring
- 107
- Leitschaufeln
- 108
- Schwenkwellen
- 109
- Turbineneinlass,
Zuführungskanal
- 110
- Zuführungsrohr
- 113
- Schaufelspalt
- 115
- Gehäusering
- 116
- Schaufel-Trägerring
- 121
- Verdichterlaufrad
- 206,
206'
- Diffusorring
- 207
- Verdichterschaufeln
- 210
- Schulter
- 211
- Innenwand
- 215
- Außenwand
- 225
- Diffusor
- 230,
230'
- Ausströmraum
- 300,
300', 500
- Rückhaltesystem
- 321
- Laufradkammer
- 325,
325', 525
- Kanal
- 350,
350', 550
- O-Ring
- 1000
- Stifte
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 4705463 [0003]
- - US 5399064 [0003]
- - US 6164931 [0003]
- - US 2844001 [0007, 0007]
- - US 1047663 [0007]
- - US 3936223 [0007]
- - US 3997281 [0007]
- - US 3719430 [0007]
- - US 4815935 [0007]
- - US 5227541 [0007]
- - US 4354802 [0009]
- - US 6168375 [0010]
- - US 20050039334 [0034]