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Die vorliegende Erfindung betrifft eine variable Turbinen-/Verdichtergeometrie einer Ladeeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiter eine Leitschaufel für eine derartige variable Turbinen-/Verdichtergeometrie. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Ladeeinrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, mit einer derartigen variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie.
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Variable Turbinen-/Verdichtergeometrien sind bei Ladeeinrichtungen, insbesondere bei Abgasturboladern von Brennkraftmaschinen, häufig verwendete Einrichtungen zur Leistungsregulierung bzw. Leistungssteigerung der Ladeeinrichtung. Variable Turbinen-/Verdichtergeometrien weisen dabei einen Schaufellagerring auf, der Leitschaufeln umfasst, welche jeweils über einen Leitschaufelzapfen drehbar im Schaufellagerring gelagert sind. Dabei weisen die Leitschaufeln jeweils zwei Stirnflächen auf, wobei eine erste Stirnfläche der Leitschaufeln dem Schaufellagerring zugewandt ist und eine zweite Stirnfläche der Leitschaufeln dem Schaufellagerring abgewandt und einer Deckscheibe der variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie zugewandt ist. Die Leitschaufeln bestimmen, je nach ihrer Stellung, verschiedene Querschnitte für ein die Ladeeinrichtung antreibendes Fluid, insbesondere für ein Abgas der Brennkraftmaschine, zur Verfügung. Durch die Variation dieses Querschnittes und insbesondere durch die Verkleinerung des Querschnittes bei niedrigen Fluidmengen, das heißt bei Abgasturboladern bei niedrigen Drehzahlen der die Ladeeinrichtung antreibenden Brennkraftmaschine, wird die Leistung der Ladeeinrichtung gesteigert. Die Stirnflächen der jeweiligen Leitschaufeln weisen eine Querachse und eine Längsachse auf, wobei die Längsachse definitionsgemäß entlang der langen Seite der zugehörigen Stirnfläche und somit der Längsrichtung der Stirnfläche verläuft. Die Querachse verläuft senkrecht zur Längsachse und parallel zur Achse des Leitschaufelzapfens. Die Querachse durchsetzt also den Schaufellagerring und die Deckscheibe senkrecht. Zur Verminderung von Reibung zwischen den Stirnflächen der jeweiligen Leitschaufeln und dem Schaufellagerring bzw. der Deckscheibe weisen die erste Stirnfläche und/oder die zweite Stirnfläche der Leitschaufeln eine Wölbung entlang der Längsrichtung der jeweiligen Stirnfläche auf.
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Gattungsgemäße variable Turbinen-/Verdichtergeometrien sind aus
EP 1 577 503 B1 oder
WO 2007/118663 A1 bekannt.
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Nachteilig dabei ist, dass eine derartige Wölbung der Stirnflächen, insbesondere bei geschlossenem Zustand der Leitschaufeln, eine Strömung des antreibenden Fluids entlang der Stirnflächen zulässt. Diese Bypassströmung verringert jedoch die Leistung der Ladeeinrichtung, insbesondere bei niedrigen Mengen des antreibenden Fluids, beispielsweise bei niedrigen Drehzahlen der antreibenden Brennkraftmaschine.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem für eine gattungsgemäße variable Turbinen-/Verdichtergeometrie einer Ladeeinrichtung eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine Leistungssteigerung der Ladeeinrichtung auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß 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 einer Ladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine, mit in einem Schaufellagerring über jeweils einen Leitschaufelzapfen drehbar gelagerten und zwei Stirnflächen aufweisenden Leitschaufeln, die Stirnfläche so auszubilden, dass diese einerseits reibungsarm am benachbarten Schaufellagerring bzw. an einer benachbarten Deckscheibe gelagert sind und andererseits eine unerwünschte Bypassströmung unterbinden, zumindest aber reduzieren. Eine erste Stirnfläche der Leitschaufeln ist dabei jeweils dem Schaufellagerring und eine zweite Stirnfläche der Deckscheibe oder einer Wand eines Turbinengehäuses zugewandt, wobei jede Stirnfläche eine Längsachse und eine Querachse aufweist. Die Längsachse verläuft definitionsgemäß entlang der langen Seite der zugehörigen Stirnseite und die Querachse senkrecht dazu und parallel zur Achse eines der Leitschaufelzapfen. Erfindungsgemäß verjüngen/verjüngt sich die erste Stirnfläche entlang der Querachse zum Schaufellagering hin und/oder die zweite Stirnfläche zur Deckscheibe hin. Eine erste Scheitellinie der ersten Stirnfläche verläuft dabei parallel zum Schaufellagerring und eine zweite Scheitellinie der zweiten Stirnfläche parallel zur Deckscheibe, wodurch insbesondere bei geschlossenen Leitschaufeln eine unerwünschte Bypassströmung zwischen den Leitschaufeln und dem Schaufellagerring bzw. der Deckscheibe zumindest reduziert werden kann. Die Leitschaufeln sind also derart ausgebildet, dass sich ihre erste Stirnfläche zumindest bereichsweise und entlang der Querachse zum Schaufellagerring hin verjüngt, wodurch die erste Scheitellinie entsteht, die parallel zum Schaufellagerring verläuft und/oder dass sich die zweite Stirnfläche zumindest bereichsweise und entlang der Querachse zur Deckscheibe hin verjüngt, wodurch die zweite Scheitellinie entsteht, welche parallel zur Deckscheibe verläuft. Dadurch wird eine Lücke bzw. werden Lücken zwischen der Leitschaufel und dem Schaufellagerring bzw. der Deckscheibe, insbesondere bei geschlossenem Zustand der Leitschaufeln, ausgeschlossen oder zumindest verringert und eine unerwünschte Bypassströmung durch diese Lücken unterbrochen.
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Dem Erfindungsgedanken entsprechend, sind die Leitschaufeln derart ausgebildet, dass die erste, dem Schaufellagerring zugewandte, Stirnfläche zumindest teilweise eine in Richtung des Schaufellagerrings gewölbte, gekrümmte oder ballige Gestalt aufweist. Hierdurch entsteht die erste dem Schaufellagerring zugewandte Scheitellinie, die parallel zum Schaufellagerring verläuft. Alternativ weist die erste Stirnseite der Leitschaufel eine zumindest teilweise in Richtung des Schaufellagerrings polygonartige, keilförmige oder eckige Gestalt auf, wodurch ebenfalls zumindest eine erste Scheitellinie entsteht und wobei zumindest eine der ersten Scheitellinien parallel zum Schaufellagerring verläuft. Alternativ oder zusätzlich ist die zweite Stirnfläche der Leitschaufeln, entsprechend der ersten Stirnfläche, derart ausgebildet, dass sie eine in Richtung der Deckscheibe gewölbte, gekrümmte oder ballige Gestalt aufweist, wodurch zumindest eine zweite Scheitellinie entsteht, welche der Deckscheibe zugewandt ist, wobei zumindest eine dieser Scheitellinien parallel zur Deckscheibe verläuft.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, weist die erste Stirnfläche und/oder die zweite Stirnfläche eine in Richtung des Schaufellagerrings bzw. der Deckscheibe gekrümmte, polygonalartige, keilförmige, eckige oder ballige Gestalt auf, wobei diese Gestalt über die gesamte Länge der zugehörigen Stirnseite gegeben ist. Dadurch entsteht auf der jeweiligen Stirnfläche zumindest eine Scheitellinie, die über die gesamte Länge der Stirnfläche verläuft.
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Zweckmäßig und vorzugsweise ist die zum Schaufellagerring bzw. der Deckscheibe parallel verlaufende Scheitellinie derart ausgebildet, dass sie den Schaufellagerring bzw. die Deckscheibe linienartig kontaktiert. Dieser Kontakt dient dem Zweck, eine Bypassströmung, insbesondere bei geschlossenem Zustand der Leitschaufeln, zu verhindern oder zumindest zu reduzieren. Ein linienartiger Kontakt zwischen der Leitschaufel und dem Schaufellagerring bzw. der Deckscheibe minimiert zu dem eine durch die Bewegung der Leitschaufel entstehende Reibung zwischen der Leitschaufel und dem Schaufellagerring bzw. der Deckscheibe.
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Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, ist die Verjüngung der Stirnfläche zum Schaufellagerring hin bzw. zur Deckscheibe hin durch eine Fase realisiert. Dabei ist die Fase insbesondere eckig oder rund ausgebildet. Die Fase verläuft dabei optional über die gesamte Länge der zugehörigen Stirnfläche oder über die Länge eines Längsabschnittes. Verläuft die Fase über die Länge eines der Längsabschnitte, so ist auch eine Ausführungsform vorstellbar, bei der die unterschiedlichen Längsabschnitte verschiedene Fasen bzw. Gestalte, d.h. beispielsweise gekrümmt, polygonalartig, keilförmig, eckig oder ballig, aufweisen. Durch die jeweilige Fase bzw. Gestalt und die damit verbundene Verjüngung der Stirnfläche entsteht zumindest eine Scheitellinie, wobei zumindest einer der Scheitellinien parallel zum Schaufellagerring bzw. zur Deckscheibe verläuft.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung, ist die verjüngende Form der Stirnseite durch zumindest eine Nut realisiert, die in Längsachse der zugehörigen Stirnfläche verläuft und an dieser Stirnfläche vorzugsweise randseitig angeordnet ist. Dabei verläuft/verlaufen die Nut/Nuten vorzugsweise über die gesamte Länge der zugehörigen Stirnfläche. Hierdurch entsteht zumindest eine Scheitellinie, wobei zumindest eine dieser Scheitellinien parallel zur Deckscheibe bzw. zum Schaufellagerring verläuft.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Stirnflächen spiegelbildlich ausgebildet. Die zugehörige Leitschaufel weist also eine Symmetrie innerhalb einer der Stirnflächen auf und/oder beide Stirnflächen sind symmetrisch zueinander ausgebildet. Insbesondere verläuft bei einer Spiegelsymmetrie innerhalb einer der Stirnflächen, die zugehörige Spiegelebene beispielsweise senkrecht zur Längsachse und/oder zur Querachse der zugehörigen Stirnseite.
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Zueinander spiegelbildlich ausgebildete Stirnflächen einer Leitschaufel liegen insbesondere dann vor, wenn die Leitschaufeln derart ausgebildet sind, dass eine der Stirnflächen bezüglich einer der im Schaufellagerring bzw. der Deckscheibe parallelen und durch die Mitte des Schaufellagerring verlaufenden Ebene, dem Spiegelbild der anderen Stirnfläche entspricht.
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Bei einer zweckmäßigen Weiterentwicklung weist eine Ladeeinrichtung, insbesondere ein Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, zumindest eine erfindungsgemäße variable Turbinen-/Verdichtergeometrie auf. Eine derartige Ladeeinrichtung weist, insbesondere durch die verringerte Bypassströmung und insbesondere bei geschlossenem Zustand der Leitschaufeln bei niedrigen antreibenden Fluidmengen, beispielsweise bei niedrigen Drehzahlen der antreibenden Brennkraftmaschine, eine verbesserte Leistung auf.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die einzelnen Leitschaufeln der variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie bzw. der Ladeeinrichtung zentraler Bestandteil der erfindungsgemäßen Lösung sind und daher auch einzeln dem Umfang dieser Erfindung angehören.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung 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, sondern 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:
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1 eine Seitenansicht einer gattungsgemäßen variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie nach dem Stand der Technik (Prior Art),
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2 und 3 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie,
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4 und 5 perspektivische Ansichten von einer Leitschaufel, jeweils unterschiedlicher Ausführungsform,
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6 Seitenansicht einer Leitschaufel,
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7 bis 12 Querschnitt durch eine Leitschaufel, jeweils unterschiedlicher Ausführungsform.
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Wie in den 1 bis 3 gezeigt ist, weist eine variable Turbinen-/Verdichtergeometrie 0, 1 einer Ladeeinrichtung, einen Schaufellagerring 2 auf, in dem Leitschaufeln 3 über Leitschaufelzapfen 4 drehbar gelagert sind. Dabei sind die Leitschaufeln 3 zwischen dem Schaufellagerring 2 und einer Deckscheibe 5 angeordnet. Die jeweiligen Leitschaufeln 3 weisen zwei Stirnflächen 6, 7 auf, wobei eine erste Stirnfläche 6 dem Schaufellagerring 2 zugewandt ist und eine zweite Stirnfläche 7 der Deckscheibe 5. Weiter weisen die Stirnflächen 6, 7 jeweils eine Längsachse 8 und eine Querachse 9 auf, wobei die Längsachse 8 bedingt durch die Ausdehnung der Stirnfläche 6, 7 entlang der langen Ausdehnung der Stirnfläche 6, 7 verläuft und die Querachse 9 orthogonal dazu, das heißt in vorliegendem Fall parallel zum Leitschaufelzapfen 4.
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Die 1 zeigt eine gattungsgemäße variable Turbinen-/Verdichtergeometrie 0 nach dem Stand der Technik in geschlossenem Zustand, bei der die Stirnflächen 6, 7 der Leitschaufeln 3 jeweils eine Wölbung entlang der Längsachse 8 aufweisen, derart, dass eine der Stirnflächen 6 den Schaufellagerring 2 kontaktiert und die andere Stirnfläche 7 die Deckscheibe 5 entlang einer Kontaktlinie 10 kontaktiert. Somit entstehen in diesem geschlossenen Zustand der Leitschaufeln 3 bzw. der variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie 0, Lücken 11 zwischen den Leitschaufeln 3, die eine unerwünschte Bypassströmung zulassen.
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Bei der in 2 gezeigten Leitschaufel 3 einer erfindungsgemäßen variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie 1 im geöffneten Zustand, verjüngt sich die erste Stirnfläche 6 entlang der Querachse 9 hin zum Schaufellagering 2. Dadurch ist eine Scheitellinie 12’ ausgebildet, die parallel zum Schaufellagerring 2 verläuft und diesen kontaktiert. Die zweite, der Deckscheibe 5 zugewandte, Stirnseite 7 ist ebenfalls durch eine Verjüngung entlang der Querachse 9 hin zur Deckscheibe 5 gekennzeichnet. Dadurch entsteht eine der Deckscheibe 5 zugewandte Scheitellinie 12’’, welche parallel zur Deckscheibe 5 verläuft. Dabei weist die Stirnfläche 7 eine Spiegelsymmetrie bezüglich einer durch den Scheitelpunkt 12’’ und dem Leitschaufelzapfen 4 verlaufende Ebene auf.
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3 zeigt die variable Turbinen-/Verdichtergeometrie 1 in geschlossenem Zustand der Leitschaufeln 3, wobei beide gezeigten Leitschaufeln 3 dem Schaufellagerring 2 zugewandte Stirnflächen 6 und der Deckscheibe 5 zugewandte Stirnflächen 7 aufweisen, die sich entlang der Querachse 9, hin zum Schaufellagering 2 bzw. hin zur Deckscheibe 5 verjüngen. Damit weisen die Stirnflächen 6, 7 der jeweiligen Leitschaufeln 3 Scheitellinien 12’, 12’’ auf, die parallel zum Schaufellagerring 2 bzw. zur Deckscheibe 5 verlaufen und die den Schaufellagerring 2 bzw. die Deckscheibe 5 über die gesamte Länge der jeweiligen Stirnfläche 6, 7 kontaktieren. Hiermit ist eine Bypassströmung auf der dem Schaufellagerring 2 und der Deckscheibe 5 zugewandten Stirnseiten der Leitschaufeln 3 verhindert.
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Die in 4 gezeigte Leitschaufel 3 weist eine Verbindung mit dem Leitschaufelzapfen 4 auf, wobei die den Leitschaufelzapfen 4 und somit dem Schaufellagerring 2 abgewandte und somit der Deckscheibe 5 zugewandte Stirnfläche 7 eine Erhöhung 13 aufweist. Die Erhöhung 13 ist dabei mittig auf der Stirnfläche 7 angeordnet, und verläuft über die gesamte Länge dieser Stirnfläche 7, also entlang der Längsachse 8. Dadurch verjüngt sich die Stirnfläche 7 entlang der Querachse 9 hin zur Deckscheibe 5. Die Erhöhung 13 weist eine ebene, der Deckscheibe 5 zugewandte, Oberfläche 14 auf, wobei die Erhöhung 13 eine entsprechend der gekrümmten Seitenfläche 15 der Leitschaufel 3 entlang der Längsachse 8 gekrümmte Form aufweist.
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Die in 5 gezeigte Stirnfläche 6 der Leitschaufel 3 weist eine flache Form auf. Die andere, der Deckscheibe 5 zugewandte, Stirnfläche 7 weist eine randseitig angeordnete Schräge 16 auf, wobei durch die Schräge 16 eine verjüngende Form der Stirnfläche 7 entlang der Querachse 9 und hin zur Deckscheibe 5 hergestellt ist. Dadurch ist die Scheitellinie 12’’ ausgebildet die, bei in der variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie 1 eingebautem Zustand, parallel zur Deckscheibe 5 verläuft.
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Die 7 bis 12 zeigen Querschnitte durch Leitschaufeln 3, wobei der Querschnitt durch die mit A’ und A angedeutete Ebene in 6 verläuft. Die 7 und 8 zeigen jeweils eine symmetrisch verlaufende Verjüngung der Stirnfläche 7, wobei 7 eine gekrümmte, abgerundete Stirnfläche 7 aufweist und 8 randseitig an der Stirnfläche 7 angeordnete Schrägen 16 aufweist. Bei den 9 bis 12 ist die Verjüngung der jeweiligen Stirnflächen 7 hin zur Deckscheibe 5 an einem Rand, welche in der hier gezeigten Ansicht dem linken Rand der Stirnfläche 7 entspricht, realisiert. Dabei ist diese Verjüngung bei den 9 bis 11 durch eine gekrümmte Form des entsprechenden Randes realisiert, wobei 9 eine Abrundung dieses Randes zeigt, 10 einen parabolischen Verlauf dieses Randes aufweist und 11 einen hyperbolisch geformten Rand zeigt. Die in 12 gezeigte Ausführungsform weist eine Fase 17 an diesem Rand auf. Durch die in 7 sowie 9 bis 12 gezeigten Ausführungsformen, entsteht jeweils eine Scheitellinie 12’’, wobei die jeweiligen Scheitellinien 12’’, bei in der variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie 1 eingebautem Zustand, parallel zur Deckscheibe 5 verlaufen.
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Bei der in 8 gezeigten Ausführungsform entstehen durch die Schrägen 16 zwei Scheitellinien 12’’, wobei beide Scheitellinien 12’’, bei in der variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie 1 eingebautem Zustand, parallel zur Deckscheibe 5 verlaufen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1577503 B1 [0003]
- WO 2007/118663 A1 [0003]
