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Die Erfindung betrifft einen verstellbaren Leitapparat für eine Turbine eines Abgasturboladers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Abgasturbolader gemäß Anspruch 10.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2006 018 055 A1 geht ein verstellbarer Leitapparat für eine Turbine eines Abgasturboladers hervor. Mit Hilfe des verstellbaren Leitapparates ist eine Anströmung des Turbinenrades von aus einer Brennkraftmaschine austretenden Abgasen konditionierbar. Der Leitapparat weist hierzu eine Mehrzahl verstellbarer bzw. verdrehbarer Leitschaufeln auf, welche in einem Düsenkanal im Abgasführungsabschnitt, stromauf einer Radkammer im Abgasführungsabschnitt, in welcher das Turbinenrad drehbar aufgenommen ist, positioniert sind. Der Leitapparat weist einen Lagerring mit einer Mehrzahl von Leitschaufeln und einen Konturring auf, wobei die Leitschaufeln am Lagerring mit Hilfe von Leitschaufelwellen drehbar gelagert sind. Die Leitschaufeln sind entlang einer Leitschaufelwellenachse der jeweiligen Leitschaufel axial verschiebbar gelagert. Diese mögliche axiale Verschiebbarkeit der Leitschaufeln ist auf eine Wahrung ihrer Verdrehbarkeit bei allen im Abgasführungsabschnitt auftretenden Temperaturen zurückzuführen.
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Die im Betrieb des Abgasturboladers auftretenden Temperaturen unterscheiden sich um mehrere 100°C, welche deutliche Ausdehnungsänderungen von Bauteilen der Turbine mit sich bringen. Um diesen Ausdehnungsänderungen entgegen zu wirken und ein Betrieb des Abgasturboladers sicherzustellen, ist es erforderlich, die Leitschaufeln mit einem bestimmten Spiel behaftet zwischen dem Lagerring und dem Konturring verdrehbar aufzunehmen, so dass eine axiale Verschiebbarkeit aufgrund des Spiels hinzunehmen ist.
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Abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine liegen in bestimmten Bereichen des Abgasführungsabschnitts unterschiedliche Drücke an, welche eine ungeregelte und somit nicht beeinflussbare, unbeherrschbare axiale Bewegung, aus dem Spiel resultierend, der Leitschaufeln herbeiführen können.
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Aus der
DE 10 2006 018 055 A1 geht eine einseitige Lagerung der Leitschaufeln hervor, das heißt die Leitschaufeln sind mit Hilfe jeweiliger Leitschaufelwellen ausschließlich am Trägerring verdrehbar gelagert. Die unbeherrschbare axiale Bewegung der Leitschaufeln wird initiiert aufgrund von unterschiedlichen Drücken an der Leitschaufel und an einem von der Leitschaufel abgewandt positionierten Wellenende der Leitschaufelwelle, welches in einem Positionierraum aufgenommen ist. Dieser Positionierraum ist hier gegenüber einem Düsenkanal, in welchem die Leitschaufel aufgenommen ist, druckdicht ausgebildet. Eine mögliche Lösung ist den Trägerring mit Ausgleichsöffnungen zu versehen, so dass ein Druckausgleich zwischen einem Positionierraum, in welcher das Wellenende der Leitschaufelwelle aufgenommen ist und dem Düsenkanal zu realisieren. Allerdings ist hiermit ausschließlich sichergestellt, dass die Leitschaufel keine Axialbewegung aufgrund unterschiedlicher Drücke am entsprechenden Wellenende und der Leitschaufel selbst ausführen kann. Wie die Leitschaufel positioniert ist, ist nicht sichergestellt.
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Ein sehr guter Turboladwirkungsgrad ist hier dann erzielbar, wenn ein aus dem Spiel resultierender Spalt zwischen der Leitschaufel und dem Konturring sichergestellt wird.
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Dies ist mit dem in der
DE 10 2006 0018 055 A1 offenbarten verstellbaren Leitapparat und somit mit dem Abgasturbolader nicht gesichert, denn aufgrund schwankender Betriebszustände ist es möglich, dass die Leitschaufel sich derart axial ausrichtet, dass Strömungsverluste und somit Wirkungsgradverluste aufgrund einer ungünstigen axialen Positionierung der Leitschaufel in Erscheinung treten, da ausschließlich der Druckausgleich zwischen dem Düsenkanal und dem Positionierraum, allerdings nicht eine gesicherte Ausrichtung bzw. Positionierung der Leitschaufel des Konturringes vorgesehen ist. Grundsätzlich ist eine axiale Bewegung der Leitschaufel als so genannter „nozzle-shift-effect” bezeichnet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde einen verstellbaren Leitapparat bereitzustellen, welcher mit Hilfe einfacher Maßnahmen eine gesicherte Positionierung der Leitschaufeln zur Erzielung eines größtmöglichen Turbinenwirkungsgrades bei unterschiedlichen Betriebszuständen realisiert. Des Weiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung einen Abgasturbolader mit einem deutlich verbesserten Wirkungsgrad auszubilden.
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Diese Aufgabe wird mit Hilfe eines verstellbaren Leitapparates für eine Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit einem Abgasturbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein solcher verstellbarer Leitapparat, insbesondere für eine Turbine eines Abgasturboladers, mit einer Mehrzahl von Leitschaufeln, umfasst einen Lagerring und einen Konturring, wobei einzelne Leitschaufeln der Mehrzahl von Leitschaufeln jeweils mit Hilfe von Leitschaufelwellen verdrehbar zumindest am Lagerring gelagert sind. Die Leitschaufeln der Mehrzahl von Leitschaufeln sind entlang einer Leitschaufelwellenachse der jeweiligen Leitschaufelwelle axial verschiebbar gelagert.
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Erfindungsgemäß sind Leitschaufeln der Mehrzahl von Leitschaufeln entlang der Leitschaufelwellenachse selbstregelnd verschiebbar ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass die jeweilige Leitschaufel unabhängig von an Leitschaufelwellenende der Leitschaufelwelle anliegenden Drücken und unabhängig von Temperatureinflüssen und somit einem Materialausdehnungskoeffizenten gemäß, eine axiale Verschiebung ausführbar ausgestaltet ist. Selbstregelnd ist dahingehend auszulegen, dass die Leitschaufel gezielt im Betrieb grundsätzlich in ein bestimmte, mit anderen Worten festgelegte, Richtung axial verschiebbar ausgebildet ist, auch entgegen einer möglichen in eine andere Richtung wirkenden Druckkraft.
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Der verstellbare Leitapparat ist in einem durchströmbaren Abgasführungsabschnitt die verstellbaren Leitschaufeln verdrehbar aufgenommen, wobei die Leitschaufeln zur Konditionierung des Strömungsmediums, im Üblichen Abgas einer Brennkraftmaschine, in einem Düsenkanal des Abgasführungsabschnitts positioniert sind, Stromauf des Düsenkanals ist ein Spiralkanal im Abgasführungsabschnitt ausgebildet, stromab des Düsenkanals ist in einer Radkammer des Abgasführungsabschnitts ein Turbinenrad drehbar aufgenommen. Ein Austrittskanal, über welchen das Abgas entweichen kann, ist stromab dieser Radkammer ausgebildet.
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Zur Initiierung der Verstellung der Leitschaufeln ist ein Verstellmechanismus in einer Positionierkammer weitestgehend aufgenommen, welche nur bedingt druckdicht gegenüber dem Düsenkanal ausgebildet ist. Des Weiteren ist ein Konturring im Abgasführungsabschnitt ausgebildet, welcher üblicherweise zu vereinfachten Montage des verstellbaren Leitapparates, allerdings auch zur Lagerung der Leitwellenschaufeln dienen kann. Dieser Konturring bildet einen Wandabschnitt in einem Übergangsbereich zwischen dem Spiralkanal, dem Düsenkanal und der Radkammer. Unabhängig davon jedoch ist, dass zwischen dem Abgasführungsabschnitt und dem Konturring ein Spalt ausgebildet ist, mit dessen Hilfe ein Druckausgleich zwischen dem Austrittskanal und dem Spiralkanal und/oder Düsenkanal herbeiführbar wäre. Da dies nicht anstrebbar ist, wird dieser Spalt üblicherweise auf unterschiedlichen Abdichtungsweisen entweder gegenüber dem Austrittskanal abgedichtet, so dass im Spalt der Abgasgegendruck herrscht oder gegenüber dem Spiralkanal bzw. Düsenkanal, so dass bei dieser Abdichtungsweise im Spalt der Abgasdruck anliegt. Der entsprechenden Abdichtungsweise entsprechend bedeutet dies, dass entweder an Leitschaufelwellenenden der Leitschaufelwelle der gleiche Druck, nämlich der Abgasgegendruck anliegt oder an einem Leitschaufelwellenende ein höherer Druck anliegt als an dem anderen Leitschaufelwellenende, so dass dies zu einer entsprechenden axialen Verschiebung der Leitschaufel aufgrund unterschiedlicher Drücke an den beiden Leitschaufelwellenenden führt.
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Sofern der Abgasgegendruck größer ist als der Abgasdruck, ist im Falle eines Anliegens des Abgasdruckes an dem Leitschaufelwellenende, welches im Konturring aufgenommen ist, ein für einen hohen Turboladerwirkungsgrad sich günstig auswirkendes Ausrichten der Leitschaufel in Richtung des Konturrings erreicht. Allerdings ist dies nicht in allen Betriebsfällen gesichert.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Leitapparates ist, dass eine gezielte Positionierung der Leitschaufel unabhängig von in unterschiedlichen druckdicht abgegrenzten Bereichen des Abgasführungsabschnitts herbeiführbar ist und dass die Positionierung durch eine entsprechende Ausbildung der Leitschaufel steuerbar ist. Das bedeutet, dass unabhängig von einer jeweiligen Abdichtungsweise des Spaltes mit Hilfe der erfindungsgemäßen Leitschaufel grundsätzlich ein größtmöglicher Turbinenwirkungsgrad erzielbar ist. Dieses Ziel ist erreicht, durch eine einfache Änderungsmaßnahme, nämlich durch einen Austausch der Leitschaufeln eines bisher üblichen, dem Stand der Technik verstellbaren Leitapparates. Weitere konstruktive Änderungen sind nicht von Nöten.
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Dies bringt einen weiteren Vorteil des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates mit sich, denn ein nicht erfindungsgemäßer Leitapparat ist so mit Hilfe einfacher Maßnahmen, einzig durch einen Austausch der entsprechenden Leitschaufeln ausrüstbar, und damit dem erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparat entsprechend ausgestaltet, welcher einen größtmöglichen Turbinenwirkungsgrad erzielen lässt.
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In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen verstellbaren Leitvorrichtung weisen Leitschaufeln der Mehrzahl von Leitschaufeln ein Regelungselement auf. Mit Hilfe dieses Regelungselementes kann auf einfache Weise eine entsprechende selbstregelnde Ausrichtung der Leitschaufel erzielt werden.
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Damit die Ausrichtung der Leitschaufel und somit die anzustrebende Richtung und einzunehmende Position der Leitschaufel im Laufe des Betriebes nicht verändert wird, ist zu empfehlen, das Regelungselement entsprechend einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitapparates unbewegbar mit der entsprechenden Leitschaufel zu verbinden. Das Regelungselement ist dadurch fixiert. Auch ist eine einstückige Ausbildung der Leitschaufel und des Regelungselementes zu empfehlen. Diese einstückige Ausbildung ist auf einfache Weise in einem Herstellungsprozess zu realisieren.
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In einer besonders wirkungsvollen Ausgestaltung ist das Regelungselement finnenartig ausgebildet. Dieses finnenartig ausgebildete Regelungselement wirkt im Prinzip eines Ruders, so dass die Leitschaufel mit Hilfe des Ruders im Betrieb grundsätzlich in die Richtung verschoben wird, welche aufgrund der Ausrichtung des Regelungselementes angestrebt ist. Idealerweise ist das Regelungselement auf einer Druckseite der entsprechenden Leitschaufel angeordnet.
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Das Regelungselement ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitapparates im Bereich der Leitschaufelwellenachse, idealerweise mittig im Bereich einer Leitschaufellängsachse, der jeweiligen Leitschaufel ausgebildet, damit eine gezielte Verschiebung entlang der Leitschaufelwellenachse erfolgen kann. Zusätzliche, die Ausrichtung behindernde Momente würden beispielsweise dann generiert werden, wäre das Regelungselement in einem bestimmten Abstand zur Leitschaufelwellenachse an der Druckseite der Leitschaufel beispielsweise im Bereich einer Leitschaufelnase der Leitschaufel oder im Bereich einer Leitschaufelhinterkante der Leitschaufel angebracht.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitapparates sind die verschiebbaren Leitschaufeln in Richtung einer kleinsten Turbinenradschaufelhöhe verschiebbar ausgebildet. Strömungsverluste im Bereich der kleinsten Turbinenradschaufelhöhe haben eine negative Auswirkung auf den Turbinenwirkungsgrad, wohingegen Strömungsverluste im Bereich der größten Turbinenradschaufelhöhe einen positiven Einfluss auf den Turbinenwirkungsgrad aufweisen. Somit ist mit dieser Ausgestaltung ein zusätzlicher positiver Einfluss auf den Turbinenwirkungsgrad erzielbar.
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Eine Regelungselementachse des Regelungselementes ist die Richtung der Positionierung der Leitschaufeln bestimmend ausgerichtet. Diese Regelungselementachse ist zu einer Leitschaufellängsachse der Leitschaufel positioniert. Sind die Regelungselementachse und die Leitschaufelelementachse den Winkel α in einem Wertebereich zwischen 0° < α < 30° ausbildend zueinander angeordnet, ist der größtmögliche Turbinenwirkungsgrad gesichert und über den gesamten Betriebsbereich erzielbar.
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Ein Abgasturbolader weist erfindungsgemäß einen verstellbaren Leitapparat gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist. Der Vorteil des derart ausgestalteten Abgasturboladers ist darin zu sehen, dass aufgrund eines besonders hohen Turbinenwirkungsgrades ein insgesamt sehr hoher Gesamtwirkungsgrad der mit dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader ausgerüsteten Brennkraftmaschine erzielbar ist. Dies wiederum führt zu einem insbesondere in Verbindung mit einer in Fahrzeugen vorgesehenen Brennkraftmaschine zur Reduzierung von Abgasemissionen, da ein gesichert hoher Turboladerwirkungsgrad des Abgasturboladers realisierbar ist und somit eine optimierte Abstimmung zwischen dem Abgasturbolader und der Brennkraftmaschine herbeiführbar ist.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 in einem Schnitt einen Abgasführungsabschnitt mit einem verstellbaren Leitapparat eines Abgasturboladers gemäß dem Stand der Technik,
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2 in einem Schnitt einen Abgasführungsabschnitt mit einem verstellbaren Leitapparat des Abgasturboladers gemäß dem Stand der Technik in einer Variante,
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3 in einer perspektivischen Darstellung eine Leitschaufel des erfindungsgemäßen Leitapparates,
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4 in einer Hinteransicht die Leitschaufel gemäß 3,
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5 in einer Unteransicht die Leitschaufel gemäß 3 und
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6 ein Druckverhältnis-Wirkungsgrad-Diagramm und ein Druckverhältnis-Massenstrom-Diagramm.
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Ein Abgasführungsabschnitt 1 einer Turbine eines Abgasturboladers 2 gemäß dem Stand der Technik ist entsprechend 1 ausgebildet. Der Abgasführungsabschnitt 1 ist in einem nicht näher dargestellten Abgastrakt einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine, bei der es sich um einen Ottomotor oder einen Dieselmotor handelt, vorgesehen. Der Abgasturbolader 2 weist weiterhin einen nicht näher dargestellten durchströmbaren Frischluftführungsabschnitt und einen Lagerabschnitt 3 auf, welcher in einem nicht näher dargestellten Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
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Der Abgasturbolader 2 weist ein Laufzeug 4 auf, welches ein nicht näher dargestelltes Verdichterrad zum Ansaugen und Verdichten von Verbrennungsluft, ein Turbinenrad 5 zur Expansion von Abgas sowie eine das Verdichterrad mit dem Turbinenrad 5 drehfest verbindende Welle 6 mit einer Drehachse 7 umfasst. Die Welle 6 ist im Lagerabschnitt 3 des Abgasturboladers 2 drehbar gelagert, welcher zwischen dem Luftführungsabschnitt und dem Abgasführungsabschnitt 1 positioniert ist.
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Zur Einströmung des Abgases in den Abgasführungsabschnitt 1 ist ein nicht näher dargestellter Eintrittskanal im Abgasführungsabschnitt 1 ausgebildet. Der Eintrittskanal dient zur Konditionierung des Abgases, welches im Betrieb der Brennkraftmaschine das Turbinenrad 5 in eine rotierende Bewegung versetzt. Mit Hilfe der Welle 6 wird das Verdichterrad ebenfalls in Rotation versetzt, so dass es Verbrennungsluft ansaugt und verdichtet.
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Stromab des Eintrittskanals ist im Abgasführungsabschnitt 1 ein Spiralkanal 8 angeordnet, welcher zur Bereitstellung einer rotationssymmetrischen Strömung dient. Des Weiteren ist der Spiralkanal 8 als Verbindungskanal zwischen dem Eintrittskanal und einem Düsenkanal 9, welcher stromab des Spiralkanals 8 positioniert ist, ausgebildet. Das Turbinenrad 5 ist drehbar in einer stromab des Düsenkanals 9 im Abgasführungsabschnitt 1 vorgesehenen Radkammer 10 aufgenommen. Zum Entweichen des Abgases aus dem Abgasführungsabschnitt 1 weist der Abgasführungsabschnitt 1 stromab der Radkammer 10 einen Austrittskanal 11 auf.
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Damit sowohl bei niedrigen Lasten und niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine als auch bei hohen Lasten und hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine eine Anpassung eines Turbinenwirkungsgrades des Abgasturboladers 2 an unterschiedliche Betriebszustände der Brennkraftmaschine erreichbar ist, ist das Abgas mit Hilfe eines verstellbar ausgebildeten Leitapparates 12 konditionierbar, welcher im Abgasführungsabschnitt 1 angeordnet ist.
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Der verstellbare Leitapparat 12 ist das Turbinenrad 5 ringförmig umfassend ausgebildet und weist einen Lagerring 13 zur Aufnahme einer Mehrzahl von Leitschaufeln 14 auf, welche zur Strömungskonditionierung vorgesehen sind. Die Leitschaufeln 14 sind am Lagerring 13 drehbar gelagert.
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Der Lagerring 13 ist im Abgasführungsabschnitt 1 so positioniert, dass die Leitschaufeln 14 im Düsenkanal 9 angeordnet sind. Dem Lagerring 13 gegenüberliegend positioniert ist ein hülsenförmiger Konturring 15, welcher zur Strömungskonditionierung und zur vereinfachten Montage des verstellbaren Leitapparates 12 ausgebildet ist.
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Zur drehbaren Lagerung der Leitschaufeln 14 am Lagerring 13 ist je Leitschaufel 14 eine Leitschaufelwelle 16 mit einer Leitschaufelwellenachse 17 vorgesehen, welche mit der Leitschaufel 14 drehfest verbunden ist und welche am Lagerring 13 drehbar gelagert aufgenommen ist.
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Zur Verdrehung der Leitschaufelwelle 16 und somit der Leitschaufel 14 weist die Leitschaufelwelle 16 an ihrem dem Lagerabschnitt 3 zugewandt positionierten Ende einen Verstellhebel 18 auf, welcher mit der Leitschaufelwelle 16 ebenfalls drehfest verbunden ist.
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Die Drehbewegung der Leitschaufeln 14 ist mit Hilfe eines Drehrings 19 initiierbar, welcher koaxial mit dem Lagerring 13 im verstellbaren Leitapparat 12 positioniert ist. Hierzu weist der Drehring 19 Ausnehmungen 20 auf, in welche die Verstellhebel 18 eingreifbar ausgebildet sind, wobei ein zum Eingriff in die entsprechende Ausnehmung 20 idealerweise ein von der Leitschaufelwelle 16 abgewandt ausgebildetes Ende des Verstellhebels 18 vorgesehen ist. Neben dem Drehring 19 und den Verstellhebeln 18 sind weitere, nicht näher dargestellte Mittel einem Verstellmechanismus 21 zugeordnet, welcher in einem nicht gasdicht gegenüber dem Düsenkanal 9 und dem Spiralkanal 8 ausgebildeten Positionierraum 22 angeordnet ist. Dieser Positionierraum 22 ist ein radial und überwiegend in Richtung des Spiralkanals 8 axial mit Hilfe des Abgasführungsabschnitts 1 begrenzt ausgebildeter Raum. Eine Abgrenzung gegenüber der Umgebung in die vom Abgasführungsabschnitt 1 abgewandt ausgebildete axiale Richtung ist mit Hilfe des Lagerabschnitts 3 hergestellt.
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Aus Herstellungs- und Montagegründen ist ein ringförmiger Spalt 23 zwischen dem Konturring 15 und dem Abgasführungsabschnitt 1 ausgebildet.
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Im Betrieb des Abgasturboladers 2 herrschen im Abgasführungsabschnitt 1 unterschiedliche Drücke, der so genannte Abgasgegendruck p3 stromauf des Turbinenrades 5 und der Abgasdruck p4 stromab des Turbinenrades 5. Insbesondere im Volllastbetrieb der mit dem Abgasturbolader 2 verbundenen Brennkraftmaschine ist der Abgasgegendruck p3 deutlich höher als der Abgasdruck p4. Mit Hilfe des verstellbaren Leitapparates 12 und einer entsprechenden Positionierung der Leitschaufeln 14 ist es weitestgehend möglich über den gesamten Betriebsbereich des Abgasturboladers 2 ein positives Druckgefälle, d. h. einen positiven Differenzdruck zwischen dem Abgasgegendruck p3 und dem Abgasdruck p4 herzustellen.
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Damit ein Differenzdruck entstehen kann, ist es notwendig den Spalt 23 mit Hilfe eines ersten Dichtelementes 24 quasi zu teilen, derart, dass in einem Bereich des Spaltes 23, dem ersten Bereich des Spaltes 23, welcher dem Spiralkanal 8 zugewandt ausgebildet ist, der Abgasgegendruck p3 vorherrscht und in einem zweiten Bereich des Spaltes 23, welcher dem Austrittskanal 11 zugewandt ausgebildet ist, der Abgasdruck p4 anliegt.
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Eine weitere Abdichtung erfolgt mit Hilfe von ringförmigen zweiten Dichtelementen 25, welche an den Leitschaufeln 14 ausgebildet sind. Die Leitschaufel 14 weist an ihren beiden Seitenflächen 26, eine Seitenfläche 26 ist dem Konturring 15 zugewandt ausgebildet und die andere Seitenfläche 26 ist dem Lagerring 13 zugewandt ausgebildet, im Bereich der Leitschaufelwelle 16 jeweils ein zweites Dichtelement 25 auf, welches tsubaartig ausgeformt ist. Diese Dichtelemente 25 sind zur Abdichtung von Aufnahmeöffnungen 27 vorgesehen, welche sowohl im Konturring 15 als auch im Lagerring 13 zur Aufnahme der Leitschaufelwellen 16 vorgesehen sind.
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In 1 weist der Abgasturbolader 2 gemäß dem Stand der Technik das erste Dichtelement 24 ringförmig ausgebildet auf, welches in einem dem Austrittskanal 11 zugewandt angeordneten Bereich des Konturrings 15 positioniert ist Im Betrieb wirkt somit in diesem Ausführungsbeispiel des verstellbaren Leitapparates 12 gemäß dem Stand der Technik an einem ersten Wellenende 28 der Leitschaufelwelle 16 der gleiche Druck wie an einem zweiten Wellenende 29 der Leitschaufelwelle 16, nämlich der Abgasgegendruck p3. Allerdings liegt aufgrund des so genannten „nozzle-shrift-effects”, welcher besagt, dass die Leitschaufel 14 im Betrieb des Abgasturboladers 2 in Richtung des Lagerrings 13 gedrückt wird, ein Minimalspalt 30 zwischen dem zweiten Dichtelement 25 und dem Konturring 15 vor, welcher zur Reduzierung eines ohne diesen Minimalspalt 30 maximal möglichen Turbinenwirkungsgrades führt.
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Der Abgasführungsabschnitt 1 mit einem verstellbaren Leitapparat 12 des Abgasturboladers 2 des Standes der Technik in einer Variante ist gemäß 2 ausgebildet. Das erste Dichtelement 24 ist ringscheibenartig ausgebildet und derart angeordnet, dass der Spalt 23 nahezu vollständig gegenüber dem Spiralkanal 8 abgedichtet ausgebildet ist. Mit diesem Prinzip der Abdichtung ist realisiert, dass das erste Wellenende 28 mit dem Abgasdruck p4 und das zweite Wellenende 29 mit dem Abgasgegendruck p3 beaufschlagbar ausgebildet ist.
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Die Leitschaufel 14 des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates 12 ist gemäß den 3 bis 5 ausgebildet, welche die Leitschaufel 14 in unterschiedlichen Ansichten zeigt. Die Leitschaufel 14 ist selbstregelnd entlang der Leitschaufelwellenachse 17 verschiebbar ausgestaltet, das heißt mit anderen Worten, dass die Leitschaufel 14 unabhängig von den Drücken an dem ersten Wellenende 28 und an dem zweiten Wellenende 29 durch ihre Ausbildung auf die axiale Verschiebung Einfluss nehmen kann.
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Die Leitschaufel 14 ist üblicherweise tragflächenförmig ausgestaltet und weist, zwischen den beiden Seitenflächen 26 angeordnet, eine Oberfläche 31 und eine Unterfläche 32 auf. Die Oberfläche 31 ist annähernd konkav zu einer Skelettlinie 38 der Leitschaufel 14 ausgebildet, wohingegen die Unterfläche 32, sofern von einer ebenen Ausführung abgewichen wird, eher konvex zur Skelettlinie 38 ausgestaltet ist. Dabei ist die Leitschaufel 14 derart im Düsenkanal 9 positioniert, dass im Betrieb des Abgasturboladers 2 strömungstechnisch die Oberfläche 31 die Funktion einer Unterdruckseite und die Unterfläche 32 die Funktion einer Druckseite erfüllt.
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Zur Einflussnahme auf die axiale Verschiebung weist die Leitschaufel 14 an ihrer Unterfläche 32, der Druckseite, ein Regelungselement 33 auf, welches unbewegbar mit der Leitschaufel 14 verbunden ist. Das Regelungselement 33 ist in diesem Ausführungsbeispiel finnenartig ausgebildet. Auch könnten sich andere beispielhafte Formen realisieren lassen, welche den Zweck eines Ruders, und somit ein Ausrichten des zu regelnden Objekts, in diesem Falle der Leitschaufel 14, im Sinne einer Finne erfüllen.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist das Regelungselement 33 als einfaches rechteckigförmiges und eine geringe Dicke aufweisendes Element ausgebildet. Idealerweise entspricht eine Länge L des Regelungselementes 33 einem Durchmesser D der Leitschaufelwelle 16 im Bereich der Leitschaufel 14 und eine Höhe H des Regelungselementes 33 ist so ausgebildet, dass ein Außenkante des Dichtelementes 25 mit einem Außendurchmesser DA des zweiten Dichtelementes 25 nicht überragt ist.
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Ebenso sind weitere Ausführungen denkbar. Eine von der Unterfläche 32 abgewandt ausgebildeten ersten Kante 34 des Regelungselementes 33 ist beispielsweise in einem weiteren, nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel nicht nahezu parallel zu der Unterfläche 32 zugewandt ausgebildeten zweiten Kante 35 ausgestaltet. Das heißt es ist jede Form des Regelungselementes 33 denkbar, welches sich zur Selbstregelung der Leitschaufel 14 eignet.
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Das Regelungselement 33 ist im Bereich der Leitschaufelwellenachse 17 ausgebildet. Auch könnte denkbar sein das Regelungselement 33 im Bereich einer Leitschaufelnase 36 oder im Bereich einer Leitschaufelhinterkante 37 auszubilden, wobei dann allerdings darauf zu achten ist, dass die Positionierung des Regelungselements 33 aufgrund möglicher, durch an dem Regelungselement 33 angreifender Kräfte, Drehmomente durch weitere Maßnahmen eliminiert werden.
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Das Regelungselement 33 ist mittig im Bereich der Skelettlinie 38, auch Leitschaufellängsachse genannt, positioniert, wobei eine Regelungselementachse 39 schräg zur Leitschaufellängsachse 38, mit anderen Worten einen Winkel α mit der Leitschaufellängsachse 38 ausbildend, angeordnet ist. Da die Leitschaufel 14 in diesem Ausführungsbeispiel in Richtung des Konturrings 15 ausrichtbar ist, ist die Regelungselementachse 39 im Bereich der Leitschaufelnase 36 in Richtung des ersten Wellenendes 28, welches im Konturring 15 aufgenommen ist, orientiert positioniert.
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In einem weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Leitschaufel 14 nur einseitig gelagert, das heißt, dass die Leitschaufelwelle 16 ausschließlich in der Aufnahmeöffnung 27 des Lagerrings 13 aufgenommen und somit gelagert ist. Das Weiteren wurde in diesem Ausführungsbeispiel auf die tsubaartigen zweiten Dichtelemente 25 verzichtet, das aufgrund des Regelungselementes 33 eine Anlage der Leitschaufel 14 am Konturring 15 bzw. an einer eine Funktion des Konturrings 15 wahrnehmenden Wandung erwirkt ist. Der Konturring 15 weist zum einen als Funktion die Lagerung der Leitschaufelwelle 16 und zum anderen die Darstellung einer die Leitschaufel 14 in diesem Bereich begrenzende Wandung auf. Sofern die Leitschaufelwelle 16 und somit mittelbar die Leitschaufel 14 nur einseitig gelagert ist, besteht die Möglichkeit auf den Konturring 15 zu verzichten, sodass eine entsprechende Wandung des Abgasführungsabschnitts 1 die Funktion der Begrenzung annehmen kann.
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In 6 sind ein Druckverhältnis-Wirkungsgrad-Diagramm und ein Druckverhältnis-Massenstrom-Diagramm gezeigt. Im Druckverhältnis-Wirkungsgrad-Diagramm sind Linien konstanter Drehzahl der Welle 6 aufgetragen, wobei die Abszisse ein Druckverhältnis π und die Ordinate einen Turbinenwirkungsgrad η, auch kurz Wirkungsgrad η, erfasst. Das Druckverhältnis π entspricht dem Verhältnis von Abgasgegendruck p3 zu Abgasdruck p4.
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Die mit einer Raute versehenen Linien zeigen Druckverhältnis-Wirkungsgradverläufe einer Turbine eines Abgasturboladers 2 aufweisend einen verstellbaren Leitapparat 12 gemäß dem Stand der Technik, wohingegen die mit einem Dreieck versehenen Linien Druckverhältnis-Wirkungsgradverläufe einer Turbine des Abgasturboladers 2 aufweisend einen erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparat 12 wiedergeben. Ein möglicher Nachweis dafür, dass tatsächlich eine Steigerung des Turbinenwirkungsgrades η mit Hilfe des erfinderischen verstellbaren Leitapparates 12 realisiert wurde, ist eine Gegenüberstellung der durch den Abgasführungsabschnitt 1 getretenen Massenströme der beiden miteinander zu vergleichenden Abgasturbolader 2, wie in dem Druckverhältnis-Massenstrom-Diagramm dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006018055 A1 [0002, 0005]
- DE 1020060018055 A1 [0007]
