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Die vorliegende Erfindung betrifft eine variable Turbinen-/Verdichtergeometrie (VTG) für eine Ladeeinrichtung mit einem Schaufellagerring, an welchem mehrere Leitschaufeln drehbar gelagert sind. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Ladeeinrichtung mit zumindest einer variablen Turbinen-/VerdichterGeometrie.
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Ladeeinrichtungen, wie zum Beispiel Abgasturbolader, können mit einer variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie ausgestattet werden. Die variable Turbinen-/Verdichtergeometrie ist mit beweglichen Leitschaufeln ausgestattet, die einen Zuströmquerschnitt der Abgase auf das Turbinenrad beeinflussen beziehungsweise verändern können. Durch eine derartige variable Turbinen-/Verdichtergeometrie ist somit turbinenseitig der Zustrom von Abgas auf das Turbinenrad veränderbar, sodass mittels der variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie die Rotationsgeschwindigkeit des Turbinenrades und darüber die Leistung des Abgasturboladers beeinflusst werden können. Verdichterseitig kann mit einer variablen Verdichtergeometrie der durch das Verdichterrad erzeugte Luft-/Abgasstrom beeinflusst werden. Vorteilhaft kann demzufolge durch Verwendung einer variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie eine derartige Ladeeinrichtung spezifisch für die jeweilige Betriebsart eingestellt werden und eine an die Ladeeinrichtung angeschlossene Brennkraftmaschine mit einem optimierten Luft-/Abgasstrom versorgen.
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Aus der
WO 2007/134787 A1 ist eine gattungsgemäße variable Turbinengeometrie bekannt, welche zur Begrenzung einer Leistung Anschlagsnocken aufweist. Diese Anschlagsnocken begrenzen die Verstellbarkeit der Leitschaufeln und indirekt darüber den Abgasvolumenstrom in der Ladeeinrichtung, so dass eine Überlastung der Ladeeinrichtung zuverlässig vermieden werden kann.
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Aus der
DE 10 2008 053 170 A1 ist eine weitere gattungsgemäße variable Turbinengeometrie bekannt, die eine variable Verstelleinrichtung zur Justierung des Volumenstroms, insbesondere im niedrigen Drehzahlbereich eines Motors aufweist. Diese Verstelleinrichtung ist nach der Endmontage von außen nicht mehr zugänglich, wodurch ein zuverlässiger Manipulationsschutz gewährleistet werden kann.
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Aus der US 2012/ 0 279 217 A1 ist eine Anordnung zur Steuerung einer variablen Position eines Leitschaufelsatzes in einem Strömungskanal einer Turbine bekannt, wobei die Anordnung einen Schaufellagering und Leitschaufeln aufweist.
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Aus der
JP 2003-193 851 A ist eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung bekannt.
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Aus der
US 8,545,173 B2 ist eine variable Turbinengeometrie eines Turboladers bekannt, die Leitschaufeln aufweist, deren Anstellwinkel durch Betätigen eines Mechanismus, der mit den Leitschaufeln in Eingriff ist, variiert werden kann.
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Eine Begrenzung der Leistung der Ladeeinrichtung erfolgt üblicherweise über zumindest einen Anschlag, der insbesondere einen turbinenseitigen maximalen Abgasdurchfluss begrenzt. Hierdurch soll insbesondere eine Überlastung und damit eine Beschädigung der Ladeeinrichtung vermieden werden. Durch eine Manipulation des zumindest einen Anschlags, lassen sich der maximal mögliche turbinenseitige Abgasdurchfluss und damit die Leistung der Ladeeinrichtung erhöhen. Hierbei auftretende Überlastungen vermindern jedoch die Lebensdauer der Ladeeinrichtung, so dass herstellerseitig versucht wird, einen maximal und auch minimal möglichen Durchfluss durch die Turbine der Ladeeinrichtung manipulationssicher zu begrenzen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine variable Turbinen-/Verdichtergeometrie und für eine damit ausgestattete Ladeeinrichtung eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine höhere Einstellgenauigkeit und/oder eine exakte Einstellbarkeit einer Minimaldurchströmung einer Turbine der Ladeeinrichtung auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie für eine Ladeeinrichtung, insbesondere für einen Abgasturbolader eine manipulationssichere Einstelleinrichtung in Form einer Schraube vorzusehen, mittels welcher durch ein einfaches Verdrehen zumindest ein Minimal- und/oder ein Maximalanschlag eines Verstellrings einstellbar ist und die anschließend fixiert, beispielsweise festgeschweißt wird, um eine nachträgliche Änderung der Einstelleinrichtung und damit eine nachträgliche Veränderung des Minimal- und/oder Maximalanschlags des Verstellrings bzw. eine Veränderung insbesondere der maximalen Leistung der Ladeeinrichtung zuverlässig zu vermeiden. Zudem ist die Schraube bei der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung von außen nicht zugänglich, so dass diese selbst ohne ein Festschweißen manipulationssicher angeordnet ist. Die Erfindung untergliedert sich dabei in drei unterschiedliche Ausführungsformen, die jedoch alle ein und denselben Zweck, nämlich die exakte Festlegung eines minimalen Durchflusses durch die Turbine sowie die Begrenzung zumindest des Maximalanschlags des Verstellrings und damit die Begrenzung zumindest der maximal möglichen Leistung der Ladeeinrichtung haben. Die variable Turbinen-/Verdichtergeometrie weist dabei einen Schaufellagerring auf, an welchem mehrere Leitschaufeln drehbar gelagert sind. Ebenfalls vorgesehen ist ein Verstellring, der relativ zum Schaufellagerring verdrehbar gelagert ist und zum simultan Verdrehen der Leitschaufeln dient.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung, ist eine Schraube mit einem exzentrischen Kopf vorgesehen, die mit ihrem Kopf in eine Ausnehmung des Verstellrings eingreift, wobei durch eine definierte Drehstellung des Kopfes ein Minimal- und/oder ein Maximalanschlag, vorzugsweise aber zumindest ein Minimalanschlag, des Verstellrings einstellbar ist. Der exzentrische Kopf der verdrehbar angeordneten Schrauben begrenzt somit die Verstellbarkeit des Verstellrings je nach Drehwinkelstellung, so dass über die Schraube vergleichsweise einfach und zuverlässig zumindest der Minimalanschlag des Verstellrings und damit ein minimaler Abgasdurchfluss auf der Turbinenseite der Ladeeinrichtung einstellbar sind. Die Schraube kann selbstverständlich nach der Einstellung fixiert, insbesondere mit dem Lagergehäuse verschweißt, verlötet, mit einer Mutter gekontert und verstemmt werden, um eine nachträgliche und unerwünschte Manipulation zuverlässig zu verhindern.
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Bei einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie, ist ebenfalls eine Schraube zum Einstellen zumindest eines Minimal- oder Maximalanschlags des Verstellrings vorgesehen, die jedoch in schräg tangentialer Richtung durch das Lager- oder Turbinengehäuse der Ladeeinrichtung geführt ist und in eine Ausnehmung des Verstellrings eingreift. Je nach Einschraubtiefe werden dabei zumindest ein Minimalanschlag des Verstellrings und damit eine minimale Abgasdurchflussmenge auf der Turbinenseite der Ladeeinrichtung begrenzt. Da in diesem Fall der Schraubenkopf von außen zugänglich ist, ist zur Verhinderung einer nachträglichen und unverwünschten Manipulation die Schraube ebenfalls mit dem Lagergehäuse verschweißt, verlötet oder verstemmt. Als zusätzliche Sicherungsmaßnahme kann darüber hinaus der Schraubenkopf entfernt werden.
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Bei der dritten möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie ist eine Senkkopfschraube vorgesehen, die schräg zur Achse der Ladeeinrichtung in den Schaufellagerring eingeschraubt ist und die durch eine definierte Einschraubtiefe bzw. Drehstellung zumindest einen Minimal- oder Maximalanschlag des Verstellrings einstellt. Durch die schräge Anordnung der Senkkopfschraube und durch den Senkkopf selbst ist dabei eine zuverlässige Einstellung des Anschlags des Verstellrings möglich, wodurch ebenfalls eine einfache Möglichkeit zur Begrenzung der minimalen/maximalen Leistung der Ladeeinrichtung dargestellt werden kann. Auch hier kann die Senkkopfschraube nach der gewünschten Einstellung mit dem Schaufellagerring fest verbunden, insbesondere verschweißt oder verlötet, werden, um eine nachträgliche Manipulation zuverlässig ausschließen zu können.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibungen anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondem auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1 eine erfindungsgemäße variable Turbinen-/Verdichtergeometrie mit einer Schraube mit einem exzentrischen Kopf zum Einstellen eines Minimal- und/oder Maximalanschlags eines Verstellrings,
- 2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei verstelltem Verstellring,
- 3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie mit einer schräg tangential in eine Ausnehmung des Verstellrings eingreifenden Schraube zum Einstellen des Minimal- und/oder Maximalanschlags des Verstellrings,
- 4 eine Schnittdarstellung sowie eine Ansicht von oben auf eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie mit einer Senkkopfschraube zur Einstellung des Minimal- und/oder Maximalanschlags des Verstellrings,
- 5 eine Darstellung wie in 4, wobei jedoch die Senkkopfschraube nicht in eine Ausnehmung des Verstellrings eingreift, sondern im Bereich eines Stellhebels angeordnet ist und hier einen Anschlag für den Stellhebel bildet,
- 6 wiederum eine Senkkopfschraube zur Einstellung eines Minimal- und/oder Maximalanschlags eines Verstellrings, die jedoch in einen Leitschaufelkäfig eingeschraubt ist,
- 7 eine erfindungsgemäße variable Turbinen-/Verdichtergeometrie mit einer in ein Lagergehäuse eingeschraubten Senkkopfschraube zum Einstellen des Minimal- und/oder Maximalanschlags des Verstellrings.
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Entsprechend den 1 bis 7, weist eine erfindungsgemäße variable Turbinen-/Verdichtergeometrie 1 für eine im übrigen nicht gezeigte Ladeeinrichtung, bei-spielsweise für einen Abgasturbolader, einen Schaufellagerring 2 auf, an welchem mehrere Leitschaufeln drehbar gelagert sind. Von den Leitschaufeln selbst sind lediglich die rückseitigen Verstellhebel 3 dargestellt. Diese Verstellhebel 3 greifen mit einem Kopf in einen relativ zum Schaufellagerring 2 verdrehbar gelagerten Verstellring 4 zum simultanen Verdrehen der Leitschaufeln ein. Durch ein Verdrehen des Verstellrings 4 werden somit die Leitschaufeln gleichförmig verstellt und dadurch ein Durchfluss durch die Turbine bzw. durch den Verdichter der Ladeeinrichtung gesteuert. Um eine Überlastung der Ladeeinrichtung zuverlässig vermeiden zu können, sowie insbesondere eine manipulationssichere und exakte Einstellung einer minimalen Strömung durch die Turbine bzw. durch den Verdichter dauerhaft über die gesamte Lebensdauer der Ladeeinrichtung gewährleisten zu können, schlägt die Erfindung generell drei unterschiedliche Varianten von Schrauben auf, die im folgenden mit Variante 1 bis 3 bezeichnet sind und die es erlauben, einen Minimal- und/oder Maximalanschlag des Verstellrings 4 dauerhaft und manipulationssicher einzustellen. Die drei Varianten werden nunmehr im Einzelnen beschrieben:
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Variante 1
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Die Variante 1 betrifft die 1 und 2 und umfasst eine Schraube 5 mit einem exzentrischen Kopf 6, die mit ihrem Kopf 6 in eine Ausnehmung 7 des Verstellrings 4 eingreift. Durch eine definierte Drehstellung des Kopfes 6 ist dabei der Minimal- und/oder Maximalanschlag des Verstellrings 4 exakt einstellbar. Die Schraube 5 ist dabei vorzugsweise achsparallel zur Achse der Ladeeinrichtung, das heißt zur Achse der variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie 1 ausgerichtet.
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Betrachtet man die 1 und 2, so kann man erkennen, dass der Kopf 6 in der Art eines Nockens ausgebildet ist, das heißt beispielsweise eine Nockenform aufweist und dadurch nur in einem Winkelbereich von α < 180° exzentrisch ist und im übrigen Winkelbereich β einen gleichbleibenden Radius (Nockengrundkreis) aufweist, so dass je nach Drehstellung über den Winkelbereich α der Minimalanschlag einstellbar ist. Über die Rückseite des Kopfes 6 mit gleichem Radius (Winkelbereich β) ist der Maximalanschlag definiert.
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Generell ist selbstverständlich auch denkbar, dass die Schraube 5 in einen nicht gezeigten Leitschaufelkäfig eingeschraubt ist. Die Einstellung des Minimalanschlages (Min-Flow-Durchsatz) des Verstellrings 4 geschieht nach der Montage der Ladeeinrichtung 1. Dabei ergibt sich durch die Verdrehung der Schraube 5 ein veränderbarer Anlagebereich zwischen dem exzentrischen Kopf 6 und dem Verstellring 4 oder aber auch dem Verstellhebel 3. Die Schraube 5 wird dabei solange gedreht, bis zumindest der gewünschte Minimalanschlag und damit der minimale Strömungsdurchsatz eingestellt ist. Durch die asymmetrische Ausbildung des Kopfes 6 und insbesondere den symmetrischen ausgebildeten Bereich β des Kopfes 6 ergibt sich bei einer Verdrehung der Schraube 5 keine Positionsveränderung für den Maximalanschlag des Verstellrings 4.
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Um eine spätere Manipulation der Ladeeinrichtung zuverlässig vermeiden zu können, ist die Schraube 5 in ein Lagergehäuse 8 oder einen Leitschaufelkäfig 12 eingeschraubt und darin fixiert, insbesondere verschweißt, verlötet, mit einer Mutter gekontert oder verstemmt. Zur besseren Führung des Verstellrings 4 kann die Schraube 5 und insbesondere deren exzentrischer Kopf 6 auch in radialer Richtung zu einer Lagerrolle 9 angeordnet sein.
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Variante 2
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Die Variante 2 betrifft die 3 und weist eine Schraube 5' zum Einstellen zumindest des Minimal- oder Maximalanschlags des Verstellrings 4 auf, die in schräg tangentialer Richtung durch das Lagergehäuse 8 oder ein Turbinengehäuse 10 geführt ist und in eine Ausnehmung 7 des Verstellrings 4 eingreift. Durch die gewählte Einschraubtiefe der Schraube 5' wird dabei ein Anschlag für die Verstellbewegung des Verstellrings 4 bestimmt, so dass zumindest der Minimal- oder Maximalanschlag des Verstellrings 4 und dadurch die minimale bzw. maximale Durchströmung der Turbine bzw. des Verdichters einstellbar sind. Selbstverständlich können dabei auch mehr als lediglich eine einzige Schraube 5', insbesondere auch entgegengesetzte Schrauben 5' eingesetzt werden, um hierdurch einen Minimal- und Maximalanschlag des Verstellrings 4 genau zu definieren. Nach Abschluss der Einstellung des Minimal- und/oder Maximalanschlags des Verstellrings 4 wird auch die Schraube 5' im Lagergehäuse 8 bzw. im Turbinengehäuse 10 fest fixiert, insbesondere verschweißt, verlötet, mit einer Mutter gekontert oder verstemmt, um dadurch eine nachträgliche und unerwünschte Manipulation zuverlässig unterbinden zu können.
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Durch die Lösung der Variante 2, bei welcher die Schraube 5' von außen direkt in den Verstellring 4 eingreift, reduziert sich eine Toleranzkette zwischen den einzelnen Komponenten (Verstellring 4, Verstellhebel 3, etc.), wodurch eine besonders exakte Einstellung möglich ist. Ebenfalls von Vorteil ist, dass die Schraube 5' weit außen eingreift und damit eine genaue Verstellung über den Abstand zur Drehachse des Verstellrings 4 realisiert werden kann.
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Variante 3
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Die Variante 3 betrifft die 4 bis 7 und weist eine Senkkopfschraube 11 auf, die schräg zur Achse der Ladeeinrichtung beispielsweise in den Schaufellagerring 2 (vgl. die 4 und 5) in einen Leitschaufelkäfig 12 (vgl. 6) oder in das Lager-/Turbinengehäuse 8, 10 (vgl. 7) eingeschraubt ist und die durch eine definierte Drehstellung zumindest einen Minimal- oder einen Maximalanschlag, vorzugsweise einen Minimalanschlag, des Verstellrings 4 eingestellt. Die Senkkopfschraube 11 greift dabei mit ihrem Senkkopf ebenfalls in eine Ausnehmung 7 am Verstellring 4 ein. Durch eine Fixierung der Senkkopfschraube 11 im Schaufellagerring 2 bzw. in Leitschaufelkäfig 12 oder im Lager-/Turbinengehäuse 8, 10 kann eine nachträgliche Manipulation unterbunden werden, wobei die Fixierung auch hier beispielsweise durch ein Verschweißen, ein Verlöten, ein Kontern mit einer Mutter oder ein Verstemmen erfolgen kann.
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Generell wird die Einstellung des Minimalanschlags des Verstellrings 4 bei der Variante 3 durch eine Veränderung der Einschraubtiefe der Senkkopfschraube 11 dargestellt, die ebenfalls mit einer kurzen Toleranzkette auf die variable Turbinen-/Verdichtergeometrie eingreift und komplett intern dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform kann die erfindungsgemäße variable Turbinen-/Verdichtergeometrie 1 sogar vor dem Einbau in die Ladeeinrichtung auf einem Zusatzprüfstand auf den gewünschten Einstellwert vorbereitet werden und muss demzufolge bei der Montage in der Ladeeinrichtung lediglich eingelegt werden. Ein entscheidender Vorteil der Senkkopfschraube 11 (Schrägschraube) liegt darin, dass sie durch die spezielle Kopfform in Verbindung mit dem Schraubwinkel keine Kräfte in Axialrichtung hervorruft und durch den Einschraubwinkel eine sehr feine Einstellung im Vergleich zu dem direkten (senkrechten) Verstellen von Schraube 5 und Verstellhebel 2 erlaubt. So ergibt sich bei einem Einschraubwinkel von 20° bei einem Standardgewinde eine ca. dreifach genauere Einstellung pro Schraubenumdrehung (Weg senkrecht ist 0,7 mm; Weg mit 20° Einschraub-winkel ist 0,24 mm). Generell lässt sich mit der erfindungsgemäßen variablen Turbine-/Verdichtergeometrie zumindest ein minimaler Massenstrom exakt und insbesondere manipulationssicher einstellen und dies über vorzugsweise die gesamte Lebensdauer der mit der variablen Turbine-/Verdichtergeometrie 1 ausgestatteten Ladeeinrichtung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Variable Turbinen-/Verdichtergeometrie
- 2
- Schaufellagering
- 3
- Verstellhebel
- 4
- Verstellring
- 5,5'
- Schraube
- 6
- Kopf
- 7
- Ausnehmung
- 8
- Lagergehäuse
- 9
- Lagerrolle
- 10
- Turbinengehäuse
- 11
- Senkkopfschraube
- 12
- Leitschaufelkäfig
