-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine variable Turbine- und/oder Verdichtergeometrie für eine Ladeeinrichtung, insbesondere für einen Abgasturbolader, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiter eine Ladeeinrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader, mit einer derartigen variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie.
-
Eine variable Turbinen-/Verdichtergeometrie dient der Regelung einer Leistung einer Ladeeinrichtung für eine Brennkraftmaschine. Eine Turbine der Ladeeinrichtung wird dabei von einem von der Brennkraftmaschine produzierten Abgas angetrieben und überträgt die dadurch gewonnene Energie auf einen Verdichter der Ladeeinrichtung. Zur Regelung der Ladeeinrichtung dient dabei üblicherweise eine variable Turbinen-/Verdichtergeometrie. Die variable Turbinen-/Verdichtergeometrie ist eine Einrichtung, mittels welcher ein dem die Turbine antreibenden Abgas zur Verfügung stehender Querschnitt variiert werden kann. Dies ist insbesondere im Fall von niedrigen Mengen des antreibenden Abgases sinnvoll, weil hier durch eine Reduzierung des Querschnitts die Leistung der Ladeeinrichtung und somit der Brennkraftmaschine erhöht werden kann. Zur Variation des Querschnitts weist die variable Turbinen-/Verdichtergeometrie einen Schaufellagerring auf, in dem Leitschaufeln jeweils über einen Schaufellagerzapfen drehbar gelagert sind. Der Schaufellagerzapfen einer Leitschaufel durchsetzt also eine entsprechende Öffnung des Schaufellagerrings, wobei die Leitschaufeln üblicherweise kreisförmig am Schaufellagerring angeordnet sind. Die jeweiligen Leitschaufeln sind dabei auf ihrer vom Schaufellagerring abgewandten Außenseite einer Deckscheibe zugewandt, die dem Schaufellagerring gegenüberliegt. Die Leitschaufeln sind also zwischen dem Schaufellagerring und der Deckscheibe angeordnet. Um die Drehlage der jeweiligen Leitschaufeln einzustellen, ist ein Verstellring vorgesehen, der die jeweiligen Leitschaufeln über die zugehörigen Schaufellagerzapfen simultan dreht. Der Verstellring ist dabei in einem Steuerraum angeordnet, der sich zweckmäßig auf der von den Leitschaufeln abgewandten Seite des Schaufellagerrings befindet. Innenseiten der jeweiligen Schaufellagerzapfen sind also im Steuerraum angeordnet.
-
Aus der
WO 2010/082119 A2 ist eine gattungsgemäße variable Turbinengeometrie für eine Ladeeinrichtung bekannt, mit einem Schaufellagerring und drehbar darin über Schaufellagerzapfen gelagerten Leitschaufeln. Die einzelnen Leitschaufeln sind dabei auf ihrer dem zugehörigen Schaufellagerzapfen abgewandten Außenseite einer dem Schaufellagerring gegenüberliegenden Deckscheibe zugewandt, die hier Bestandteil eines Leitschaufelkäfigs ist, wobei in der Deckscheibe Aussparungen zur Gewichtsreduzierung angeordnet sind.
-
Problematisch ist bei bekannten variablen Turbinen-/Verdichtergeometrien, ein Druckunterschied zwischen dem Steuerraum und dem Strömungsraum, in welchem die Leitschaufelblätter angeordnet sind. Das in dem Steuerraum vorhandene Abgas, das mit einem Überdruck vorliegt, führt insbesondere dazu, dass die Schaufellagerzapfen axial entlang der Leitschaufel mit Druck beaufschlagt und dadurch auch die jeweiligen Leitschaufeln axial weg von dem Schaufellagerring gedrückt werden. Dies führt insbesondere dazu, dass die Außenseiten der jeweiligen Leitschaufel gegen die Deckscheibe gedrückt werden. Damit ist bei der Änderung der Drehlage der jeweiligen Leitschaufel neben einem beschleunigten Verschleiß eine Reaktionseigenschaft bzw. ein Hystereseverhalten der Leitschaufeln negativ beeinträchtigt.
-
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine variable Turbinen-/Verdichtergeometrie einer Ladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers, eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch ein verbessertes Reaktionsverhalten und einen verringerten Verschleiß auszeichnet.
-
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Druckausgleich zwischen einem Steuerraum und einem Strömungsraum, in welchem sich Leitschaufelblätter von Leitschaufeln befinden, herzustellen und/oder die einzelnen Leitschaufeln mit einem dem im Steuerraum herrschenden Überdruck entgegengesetzten Druck zu beaufschlagen, so dass die Leitschaufeln ihren Leitschaufelblättern nicht mehr an der Deckscheibe bzw. an einem Leitschaufelkäfig reiben und dadurch sowohl das Ansprechverhalten verbessert als auch der Verschleiß reduziert werden kann. Die erfindungsgemäße variable Turbinen- und/oder Verdichtergeometrie für eine Ladeeinrichtung, insbesondere für einen Abgasturbolader, weist hierzu einen Schaufellagerring und drehbar darin über Schaufellagerzapfen gelagerte Leitschaufeln auf. Ebenso vorgesehen ist ein Steuerraum für einen Verstellring zum Einstellen der Drehlage der Leitschaufeln, der auf der den Leitschaufeln abgewandten Seite des Schaufellagerrings angeordnet ist. Die jeweiligen Leitschaufeln sind auf ihrer dem zugehörigen Schaufellagerzapfen abgewandten Außenseite der dem Schaufellagerring gegenüberliegenden Deckscheibe bzw. dem dort angeordneten Leitkäfig zugewandt. Erfindungsgemäß sind nun in der Deckscheibe jeweils fluchtend zu den Schaufellagerzapfen der Leitschaufeln Durchgangsöffnungen vorgesehen, über welche eine zum Überdruck des Steuerraums herrschende Gegenkraft auf die Leitschaufeln ausgeübt werden kann, die eine Reibung zwischen den Leitschaufeln, das heißt genauer gesagt zwischen den Außenseiten der Leitschaufelblätter und der Deckscheibe zumindest reduzieren, vorzugsweise sogar gänzlich eliminieren, wodurch der Verschleiß in diesem Bereich deutlich reduziert werden kann und zugleich ein Hystereseverhalten der variablen Turbinen- und/oder Verdichtergeometrie positiv beeinflusst wird. Zusätzlich oder alternativ kann im Schaufellagerring zumindest ein Kanal vorgesehen sein, der einen Druckausgleich zwischen dem Steuerraum und dem Strömungsraum, in dem die Leitschaufelblätter der Leitschaufeln angeordnet sind, ermöglicht, so dass in diesem Fall keine die Leitschaufelblätter gegen die Deckscheibe drückende Kraft auf die Leitschaufeln erzeugt wird, wodurch wiederum ein reduzierter Verschleiß und ein verbessertes Ansprechverhalten erzielt werden können. Dabei ist klar zu sagen, dass die beiden genannten Ausführungsformen alternativ oder kumulativ eingesetzt werden können. Mit der erfindungsgemäßen variablen Turbinen- und/oder Verdichtergeometrie kann somit die Langlebigkeit und die Verschleißbeständigkeit einer damit ausgestatteten Ladeeinrichtung, beispielsweise eines Abgasturboladers in vorteilhafter Weise beeinflusst werden.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weisen die Durchgangsöffnungen in der Deckscheibe einen geringeren Durchmesser auf, als die Schaufellagerzapfen und sind direkt auf eine Stirnseite eines zugehörigen Leitschaufelblattes gerichtet. Hierdurch kann erreicht werden, dass die den Überdruck im Steuerraum entgegenwirkende Kraft direkt auf die Leitschaufel ausgeübt wird und diese dadurch zu einem Abheben des Leitschaufelblattes von der Deckscheibe bewogen werden kann. Ist die auf die Leitschaufel aufgrund des im Steuerraum herrschenden Überdrucks wirkende Kraft größer als die entgegengesetzte Kraft, so trägt letztere zumindest dazu bei, die Reibung zwischen Leitschaufelblatt und Deckscheibe zu reduzieren, wodurch ebenfalls wiederum der Verschleiß im Vergleich zu bisher aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsformen reduziert werden kann.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der zumindest eine Kanal zwischen dem Steuerraum und dem Strömungsraum benachbart zu einem Schaufellagerzapfen angeordnet. Denkbar ist selbstverständlich auch das Vorsehen mehrere derartiger Kanäle, die in Umfangsrichtung beispielsweise gleichmäßig verteilt und insbesondere zwischen den Schaufellagerzapfen angeordnet sind. Mehrere derartige Kanäle verhindern insbesondere eine ungünstige Strömungsbeeinflussung wie diese bei beispielsweise lediglich bei einem einzigen Kanal unter Umständen gegeben sein kann.
-
Zweckmäßig verläuft der Kanal parallel, insbesondere koaxial zum Schaufellagerzapfen, so dass in diesem Fall eine den Schaufellagerzapfen aufnehmende Bohrung im Schaufellagerring mit Spiel zum Schaufellagerzapfen ausgebildet ist und dadurch den Schaufellagerzapfen beispielsweise ringförmig umgibt. Selbstverständlich kann der Kanal auch in einer Axialausnehmung am Schaufellagerzapfen ausgebildet sein, wobei auf der dem Steuerraum gegenüber liegenden Seite des Schaufellagerrings dieser unter einem zugehörigen Leitschaufelfuß eine Ausnehmung aufweisen kann. Eine derartige Ausnehmung bzw. eine Fräsung kann selbstverständlich auch im Leitschaufelfuß selber vorgesehen sein, so dass in diesem Fall der gesamte Kanal vorzugsweise in der Leitschaufel verläuft.
-
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
-
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.
-
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.
-
Es zeigen, jeweils schematisch:
-
1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße variable Turbinen- und/oder Verdichtergeometrie gemäß einer ersten Ausführungsform,
-
2 unterschiedliche Ansichten auf die variable Turbinen- und/oder Verdichtergeometrie bei einer weiteren Ausführungsform,
-
3 eine erfindungsgemäß ausgebildete Leitschaufel zur Realisierung der Erfindung sowie eine Schnittdarstellung durch die variable Turbinen-/Verdichtergeometrie.
-
Entsprechend den 1 bis 3 weist eine variable Turbinen- und/oder Verdichtergeometrie 1 für eine Ladeeinrichtung 2, insbesondere für einen Abgasturbolader in einem Kraftfahrzeug, einen Schaufellagerring 3 auf, in welchem über Schaufellagerzapfen 4 Leitschaufeln 5 drehbar gelagert sind. Ebenfalls vorgesehen ist ein Steuerraum 6 für einen Verstellring 7 zum Einstellen einer Drehlage der Leitschaufeln 5, der auf der den Leitschaufeln 5 abgewandten Seite des Schaufellagerrings 3 angeordnet ist. Die Leitschaufeln 5 besitzen darüber hinaus Leitschaufelblätter 8, die auf ihren dem zugehörigen Schaufellagerzapfen 4 abgewandten Außenseiten einer dem Schaufellagerring 3 gegenüberliegenden Deckscheibe 9, die beispielsweise auch als Leitschaufelkäfig ausgebildet sein kann, zugewandt sind. Die Leitschaufelblätter 8 sind dabei in einem Strömungsraum 14 angeordnet.
-
Beim Betrieb der variablen Turbinen- und/oder Verdichtergeometrie 1 strömt beispielsweise Abgas mit hohem Druck auf die Leitschaufelblätter 8 zu, wobei der hohe Druck zugleich auch zumindest teilweise im Steuerraum 6 vorherrscht. Ist der Druck im Steuerraum 6 höher als im Strömungsraum 14, bewirkt er eine Axialkraft 11 auf den Schaufellagerzapfen 4 in Richtung der Deckscheibe 9, was im ungünstigsten Falle zum Reiben der Leitschaufelblätter 8 an der Deckscheibe 9 und damit zu einem erhöhten Verschleiß bzw. zu einem deutlich verschlechterten Hystereseverhalten führt. Aus diesem Grund schlägt die Erfindung vor, in der Deckscheibe 9 jeweils fluchtend zu den Schaufellagerzapfen 4 der Leitschaufeln 5 Durchgangsöffnungen 10 vorzusehen, wodurch eine Gegenkraft 12 über die Leitschaufelblätter 8 auf den Schaufellagerzapfen 4 ausgeübt und dadurch die Reibung der Leitschaufelblätter 8 an der Deckscheibe 9 zumindest reduziert, vorzugsweise eliminiert werden kann. Mit den erfindungsgemäß vorgesehenen Öffnungen 10 in der Deckscheibe 9 ist somit ein Druckausgleich zwischen einem Strömungsraum 13 außerhalb der Deckscheibe 9 und dem Strömungsraum 14, in welchem sich die Leitschaufelblätter 8 drehen, möglich.
-
Die Durchgangsöffnungen 10 in der Deckscheibe 9 weisen dabei üblicherweise einen geringeren Durchmesser auf, als die Schaufellagerzapfen 4 und/oder sind direkt auf eine Stirnseite, das heißt eine Außenseite des zugehörigen Leitschaufelblattes 8 gerichtet, wodurch die sich entgegenstehenden Kräfte 11 und 12 besonders gut eliminieren bzw. zumindest reduzieren lassen.
-
Zusätzlich oder alternativ hierzu kann im Schaufellagerring 3 und/oder in der Leitschaufel 5, insbesondere in deren Schaufellagerzapfen 4, zumindest ein Kanal 15 vorgesehen sein, der einen Druckausgleich zwischen dem Steuerraum 6 und dem Strömungsraum 14 ermöglicht. Der Kanal 15 kann beispielsweise benachbart zu einem Schaufellagerzapfen 4 angeordnet sein, wie dies beispielsweise mit unterbrochen gezeichneter Linie in 1 dargestellt ist, wobei selbstverständlich auch denkbar ist, dass über den Umfang verteilt mehrere Kanäle 15 zwischen den einzelnen Durchgangsöffnungen für die Schaufellagerzapfen 4 vorgesehen werden.
-
Bei einer speziellen Ausführungsform kann der Kanal 15 als ringförmiger Kanal 15' ausgebildet sein und den Schaufellagerzapfen 4 in dieser Form ringförmig umgeben, wobei dann im Schaufellagerring 3 unter einem zugehörigen Leitschaufelfuß 16 eine Ausnehmung 17 vorgesehen sein kann, die eine Verbindung des ringförmigen Kanals 15' mit dem Strömungsraum 14 ermöglicht. Generell ist auch denkbar, dass im Bereich des Leitschaufelfußes 16 eine Fräsung 18 (vgl. 3) vorgesehen ist, die insbesondere orthogonal zum Schaufellagerzapfen 4 und der zugehörigen Leitschaufel 5 verläuft und die den ringförmigen Kanal 15' mit dem Strömungsraum 14 verbindet. Rein theoretisch ist auch ein zumindest teilweiser Verlauf des Kanals 15 innerhalb der Leitschaufel 5 und insbesondere innerhalb des Schaufellagerzapfens 4 denkbar, wie dies beispielsweise gemäß der 3 angedeutet ist. In diesem Fall kann der Kanal 15 beispielsweise als Axialnut 19 ausgebildet sein oder aber auch gänzlich innerhalb des Schaufellagerzapfens 4 verlaufen, wobei selbstverständlich eine Verbindung zum Strömungsraum 14 vorgesehen werden muss, was gemäß der 2 über die Ausnehmung 17 und gemäß der 3 über die Fräsung 18 bewerkstelligt wird.
-
Mit der erfindungsgemäßen variablen Turbinen- und/oder Verdichtergeometrie 1 und insbesondere die hier vorgesehenen Durchgangsöffnungen 10 in der Deckscheibe 9 bzw. den (Ausgleichs-)Kanälen 15, 15' kann eine Reibkraft zwischen den Leitschaufelblättern 8 und der Deckscheibe 9 reduziert oder im besten Falle gänzlich eliminiert werden, wodurch nicht nur der Verschleiß reduziert werden kann, sondern auch ein verbessertes Ansprechverhalten erzielbar ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
