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Die Erfindung betrifft einen Verdichterabschnitt für eine Fluid-Aufladungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, einen Turbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 8 sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15. Ein derartiger Verdichterabschnitt, ein derartiger Turbolader bzw. ein derartiges Verfahren ist aus der
DE 195 02 808 C2 bekannt. Aus der
DE 10 2005 012 838 A1 ist ferner ein Turbolader bekannt, dessen Verdichter einen Diffusor mit einer Diffusorwandung aufweist, die in Richtung einer Maximalposition federbelastet sein kann.
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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
US 4 705 463 A ,
US 5 399 064 A und
US 6 164 931 A 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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Figurenliste
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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:
- 1 eine schematische Ansicht eines mit Schaufeln ausgebildeten Diffusors eines zeitgemäßen Turboladersystems;
- 2 eine schematische Ansicht eines mit Schaufeln ausgebildeten Diffusors eines weiteren zeitgemäßen Turboladersystems;
- 3 eine Querschnittansicht eines Turboladers, mit einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rückhaltesystems eines mit Schaufeln ausgebildeten Diffusors;
- 3A eine Querschnittansicht eines Turboladers mit einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rückhaltesystems für einen mit Schaufeln ausgebildeten Diffusor;
- 4 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines mit Schaufeln ausgebildeten Diffusorrings, der beim Turbolader von 3 einsetzbar ist;
- 4A eine perspektivische Ansicht einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines mit Schaufeln ausgebildeten Diffusorrings, der beim Turbolader von 3 einsetzbar ist;
- 5 eine Draufsicht auf den mit Schaufeln ausgebildeten Diffusor von 4, der eine exemplarische Ausführungsform des Rückhaltesystems zeigt; und
- 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:
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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. FluorKohlenstoff, 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:
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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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Bezugszeichenliste
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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