DE102015215356A1 - Variable turbine / compressor geometry - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine variable Turbinen-/Verdichtergeometrie (1), insbesondere für einen Abgasturbolader eines Kraftfahrzeugs, umfassend – einen Schaufellagerring (2) mit mehreren Durchgangsöffnungen, – eine zu den Durchgangsöffnungen des Schaufellagerrings (3) äquivalente Anzahl an Leitschaufeln (4), die jeweils mit einem Schaufellagerzapfen (5) in einer zugehörigen Durchgangsöffnung des Schaufellagerrings (3) drehbar gelagert sind, wobei an einem der Leitschaufel (4) abgewandten Ende des Schaufellagerzapfens (5) ein Verstellhebel (6) drehfest angebunden ist, – einen bezüglich des Schaufellagerrings (3) verdrehbaren Verstellring (7), der mit den Verstellhebeln (6) wirkungsverbunden ist und – eine Einstelleinrichtung (8) zur Begrenzung eines durch die variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie (1) strömenden minimalen Gasstroms. Erfindungswesentlich ist dabei, dass die Einstelleinrichtung (8) als fest mit dem Schaufellagerring (3) verbundener Ring (9) mit zumindest einer Erhebung (10) ausgebildet ist, wobei die zumindest eine Erhebung (10) einen Minflow-Anschlag für einen zugehörigen Verstellhebel (6) und damit einen Minflow-Anschlag für die Leitschaufeln (4) bildet.The invention relates to a variable turbine / compressor geometry (1), in particular for an exhaust gas turbocharger of a motor vehicle, comprising - a blade bearing ring (2) with a plurality of through holes, - an equivalent to the through holes of the blade bearing ring (3) number of guide vanes (4) each with a vane pivot (5) are rotatably mounted in an associated passage opening of the vane bearing ring (3), wherein on one of the guide vane (4) facing away from the end of the vane pin (5) an adjusting lever (6) is rotatably connected, - with respect to the vane ring ( 3) rotatable adjusting ring (7) which is operatively connected to the adjusting levers (6) and - an adjusting device (8) for limiting a through the variable turbine / compressor geometry (1) flowing minimum gas flow. It is essential to the invention that the adjusting device (8) is designed as a ring (9) connected fixedly to the blade bearing ring (3) with at least one elevation (10), the at least one elevation (10) forming a minflow stop for an associated adjusting lever (10). 6) and thus forms a minflow stop for the guide vanes (4).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine variable Turbinen-/Verdichtergeometrie, insbesondere für einen Abgasturbolader eines Kraftfahrzeuges, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Ladeeinrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader, mit einer derartigen variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie. The present invention relates to a variable turbine / compressor geometry, in particular for an exhaust gas turbocharger of a motor vehicle, according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a charging device, in particular an exhaust gas turbocharger, with such a variable turbine / compressor geometry.
Aus der
Eine in einem Ladeeinrichtungsgehäuse positionierte variable Einstelleinrichtung ermöglicht die Justierung zumindest eines minimalen Volumenstroms im niedrigen Drehzahlbereich eines Motors durch Verdrehen der variablen Einstelleinrichtung. Da die variable Einstelleinrichtung nach der Endmontage von außen nicht mehr zugänglich ist und darüber hinaus ein Manipulationsschutz verbessert und ein Nachweis einer nachträglichen Manipulation an der variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie erleichtert werden soll, wurde ein Minflow-Anschlag bislang extern angebracht.A variable adjuster positioned in a charger housing allows adjustment of at least a minimum volume flow in the low speed range of an engine by rotating the variable adjuster. Since the variable adjustment after the final assembly from the outside is no longer accessible and also improved tamper resistance and proof of subsequent manipulation of the variable turbine / compressor geometry is to be facilitated, a Minflow stop was previously attached externally.
Aus der
Üblicherweise werden Ladeeinrichtungen und insbesondere Abgasturbolader mit einem elektrischen oder pneumatischen Steller ausgerüstet, der für die Verstellung einer Einstelleinrichtung an der variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie erforderlich ist. Der Steller wird dabei über die Motorsteuerung angesteuert und bewegt eine Regelstange, die auf einen Aktuatorenhebel einwirkt, welcher die lineare Bewegung der Regelstange in eine Rotationsbewegung umsetzt. Die Rotation des Aktuatorenhebels wird durch die Verstellwelle an der Einstelleinrichtung übertragen. Durch diese Kinematik ist die Regelung des durch die variable Turbinen-/Verdichtergeometrie strömenden Massenstroms sichergestellt.Usually charging devices and in particular exhaust gas turbocharger are equipped with an electric or pneumatic actuator, which is required for the adjustment of an adjustment of the variable turbine / compressor geometry. The actuator is controlled via the motor control and moves a control rod, which acts on an actuator lever, which converts the linear movement of the control rod in a rotational movement. The rotation of the actuator lever is transmitted by the adjusting shaft to the adjusting device. This kinematics ensures the regulation of the mass flow flowing through the variable turbine / compressor geometry.
Nachteilig bei aus dem Stand der Technik bekannten variablen Turbinen-/Verdichtergeometrien ist jedoch, dass aufgrund der Summe an Toleranzen ein minimaler Massenstrom (Minflow) nicht als „harter“ Anschlag vorgegeben werden kann, sondern eingestellt werden muss. Trotzdem kann auch eine zu Beginn äußerst exakt durchgeführte Einstellung einer Minflow-Anschlagsposition aufgrund von Verschleiß und beim Betrieb auftretenden Vibrationen dazu führen, dass die variable Turbinen-/Verdichtergeometrie nicht über die gesamte Laufzeit mit einem gleichbleibenden minimalen Massenstrom (Minflow) betrieben werden kann.A disadvantage of variable turbine / compressor geometries known from the prior art, however, is that due to the sum of tolerances, a minimum mass flow (Minflow) can not be specified as a "hard" stop, but must be set. Nevertheless, a very precisely performed at the beginning setting a Minflow stop position due to wear and vibration occurring during operation can cause the variable turbine / compressor geometry can not be operated over the entire term with a constant minimum mass flow (Minflow).
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine gattungsgemäße variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die es vergleichsweise einfach ermöglicht, einen minimalen Massenstrom (Minflow) exakt einzustellen und über die gesamte Lebensdauer der variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie aufrechtzuerhalten.The present invention therefore deals with the problem of providing for a generic variable turbine / compressor geometry, an improved or at least one alternative embodiment, which allows comparatively easy to set a minimum mass flow (Minflow) exactly and over the entire life of the variable turbine / Maintain compressor geometry.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This problem is solved according to the invention by the subject matter of independent claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Toleranzkette beim Einstellen einer Minflow-Position einer variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie äußerst kurz zu halten, indem ein Minflow-Anschlag direkt an einem Schaufellagerring der variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie vorgesehen wird, so dass beispielsweise sämtliche davor liegenden Toleranzen, hervorgerufen beispielsweise durch die Regelstange und einen Aktuatorenhebel, bereits eliminiert werden können. Bei der erfindungsgemäßen variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie befindet sich der Minflow-Anschlag somit nahezu direkt an den Leitschaufeln, so dass sämtliche, beispielsweise außerhalb einer Ladeeinrichtung auftretenden Störeinflüsse, für den Minflow-Anschlag irrelevant sind. Die erfindungsgemäße variable Turbinen-/Verdichtergeometrie weist dabei in bekannter Weise einen Schaufellagerring mit mehreren Durchgangsöffnungen sowie eine zu den Durchgangsöffnungen des Schaufellagerrings äquivalente Anzahl an Leitschaufeln auf, die jeweils mit einem Schaufellagerzapfen in einer zugehörigen Durchgangsöffnung des Schaufellagerrings drehbar gelagert sind. An einem der Leitschaufel abgewandten Ende des Schaufellagerzapfens ist dabei ein Verstellhebel drehfest angebunden. Des Weiteren vorgesehen ist ein bezüglich des Schaufellagerrings verdrehbarer Verstellring, der mit den Verstellhebeln wirkungsverbunden und in der Lage ist, sämtliche Leitschaufeln simultan zu verstellen. Über eine Einstelleinrichtung wird dabei ein minimaler durch die variable Turbinen-/Verdichtergeometrie strömender Gasstrom begrenzt. Erfindungsgemäß ist nun diese Einstelleinrichtung als fest mit dem Schaufellagerring verbundener Ring mit zumindest einer Erhebung ausgebildet, wobei die zumindest eine Erhebung den Minflow-Anschlag für einen zugehörigen Verstellhebel und damit einen Minflow-Anschlag für sämtliche Leitschaufeln bildet. Der erfindungsgemäße Ring kann dabei in nahezu beliebiger Weise fest mit dem Schaufellagerring verbunden werden, beispielsweise verschweißt, verklemmt, verlötet oder verpresst, und bildet dabei einen direkt mit einem Verstellhebel zusammenwirkenden Minflow-Anschlag, der eine Verstellbewegung des zumindest einen Verstellhebels über damit über den Verstellring sämtlicher Verstellhebel begrenzt und somit einen direkten Anschlag ohne eine dazwischen liegende, lange Toleranzkette zur Verfügung stellt. Dies bietet insbesondere Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik, bei welchem beispielsweise ein Minflow-Anschlag außerhalb der Ladeeinrichtung, insbesondere an einer Druckdose, vorgesehen ist. In diesem Fall jedoch stellt eine Regelstange, eine Verbindung zum Aktuatorenhebel, der Aktuatorenhebel selbst sowie eine Verbindung des Aktuatorenhebels mit der variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie eine nicht unbedingt leicht zu kontrollierende Toleranzkette dar, die ein zuverlässiges und über die gesamte Lebensdauer der variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie unveränderliches Fixieren des Minflow-Anschlages nahezu unmöglich macht. Bei der erfindungsgemäßen variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie hingegen ist diese Toleranzkette komplette eliminiert, da der Minflow-Anschlag innerhalb der Ladeeinrichtung direkt an der variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie platziert ist.The present invention is based on the general idea of keeping a tolerance chain when setting a minflow position of a variable turbine / compressor geometry extremely short by providing a minflow stop directly on a blade bearing ring of the variable turbine / compressor geometry, so that all, for example previously lying tolerances, caused for example by the control rod and an actuator lever, can already be eliminated. In the case of the variable turbine / compressor geometry according to the invention, the minflow stop is thus located almost directly on the guide vanes, so that all disturbing influences occurring, for example, outside a charging device are irrelevant to the minflow stop. The variable turbine / compressor geometry according to the invention has in a known manner a blade bearing ring with a plurality of passage openings and an equivalent to the through holes of the blade bearing ring number of vanes, which are each rotatably mounted with a blade bearing journal in an associated passage opening of the blade bearing ring. At one of the guide vane end facing away from the vane bearing journal while an adjusting lever is connected rotatably. Furthermore, provision is made for an adjusting ring which can be rotated relative to the blade bearing ring and which is operatively connected to the adjusting levers and capable of simultaneously displacing all the guide vanes. By means of an adjustment device, a minimal gas flow flowing through the variable turbine / compressor geometry is thereby limited. According to the invention, this adjusting device is then designed as a ring permanently connected to the blade bearing ring with at least one elevation, wherein the at least one elevation forms the minflow stop for an associated adjusting lever and thus a minflow stop for all the stator blades. The ring according to the invention can be connected in almost any way firmly with the blade bearing ring, for example, welded, clamped, soldered or pressed, and thereby forms a directly interacting with a lever Minflow stop, which is an adjustment of the at least one adjustment over thus limited over the adjusting all adjustment lever and thus provides a direct stop without an intermediate, long tolerance chain available. This offers particular advantages compared to the prior art, in which, for example, a minflow stop is provided outside the charging device, in particular at a pressure cell. In this case, however, a control rod, a connection to the actuator lever, the actuator lever itself, as well as a connection of the actuator lever with the variable turbine / compressor geometry, is a chain of tolerances which is not necessarily easy to control and which can be reliably and over the entire life of the variable turbine / Compressor geometry makes fixed fixing of the Minflow stop almost impossible. In contrast, in the variable turbine / compressor geometry according to the invention, this tolerance chain is completely eliminated since the minflow stop is placed directly on the variable turbine / compressor geometry inside the charging device.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist der Ring zumindest zwei sich in Umfangsrichtung erstreckende Langlöcher auf, durch die jeweils ein Fixierelement geführt ist. Ein derartiges Fixierelement kann beispielsweise eine Schraube oder ein Kerbnagel sein, der zunächst ein genaues Einstellen des Minflow-Anschlages der einzelnen Leitschaufeln ermöglicht und anschließend durch das Fixieren der zumindest zwei Fixierelemente den Ring fest mit dem Schaufellagerring verbindet und damit auch den Minflow-Anschlag langfristig fixiert. Hierdurch kann das Einstellen und Fixieren des Minflow-Anschlages einfach, kostengünstig, aber dennoch zuverlässig erfolgen.In an advantageous development of the solution according to the invention, the ring has at least two elongated holes extending in the circumferential direction, through which a fixing element is guided in each case. Such a fixing element may for example be a screw or a notched nail, which initially allows a precise setting of the minflow stop of the individual guide vanes and then by fixing the at least two fixing elements firmly connects the ring with the blade bearing ring and thus fixes the long-stroke minflow stop , This allows the setting and fixing of the Minflow stop simple, inexpensive, but still reliable.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Ring als Umformblechteil ausgebildet. Ein derartiges Umformteil, insbesondere ein ungeformtes Blechteil, stellt somit eine besonders kostengünstige Möglichkeit der Herstellung des Rings und damit der Einstelleinrichtung dar. Alternativ hierzu kann selbstverständlich der Ring auch als Metallpulverspritzgussteil ausgebildet und insbesondere im MIM-Verfahren hergestellt sein. Beim Pulverspritzgießen wird mit einem Binder versehenes Metallpulver in einem Spritzgussprozess verarbeitet, wobei der Binder anschließend entfernt wird. Hierdurch ist es möglich, komplex geformte Teile in großen Stückzahlen mit äußerst geringen Toleranzen und zugleich kostengünstig herzustellen. Das Entfernen des Binders wird dabei üblicherweise über eine Entbindung, beispielsweise eine Sinterung, bewerkstelligt.In a further advantageous embodiment of the solution according to the invention, the ring is formed as Umformblechteil. Such a forming part, in particular an unshaped sheet metal part, thus represents a particularly cost-effective way of producing the ring and thus the adjusting means. Alternatively, of course, the ring may also be formed as a metal powder injection molded part and in particular manufactured in the MIM process. In powder injection molding, metal powder provided with a binder is processed in an injection molding process, and the binder is subsequently removed. This makes it possible to produce complex parts in large quantities with extremely low tolerances and at the same time cost. The removal of the binder is usually accomplished via a childbirth, for example, a sintering.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist zumindest eine Oberfläche des Rings nitriert. Bei einem Nitrieren, fachsprachlich auch Aufsticken genannt, wird eine Oberfläche eines aus Metall ausgebildeten Bauteils, insbesondere eines aus Stahl ausgebildeten Bauteils, gehärtet. In diesem Fall ist somit der Ring aus Stahl ausgebildet und zur Erhöhung seiner Oberflächengüte, insbesondere im Bereich der Erhebungen, nitriert. Rein theoretisch ist selbstverständlich auch ein Borieren denkbar, was ein thermochemisches Randschichthärten zur Erzeugung einer verschleißfesten Oberfläche auf einem Werkstück darstellt. Dieses Verfahren beruht auf dem Einbringen von Bor in die Randzone eines Werkstoffs bei einer Temperatur zwischen 850 und 950 °C. In a further advantageous embodiment of the solution according to the invention, at least one surface of the ring is nitrided. In the case of nitriding, also referred to as embossing, a surface of a component formed from metal, in particular a component formed from steel, is hardened. In this case, the ring is thus made of steel and nitrided to increase its surface quality, in particular in the region of the elevations. Purely theoretically, of course, boriding is also conceivable, which is a thermochemical surface hardening for producing a wear-resistant surface on a workpiece. This method is based on the introduction of boron into the edge zone of a material at a temperature between 850 and 950 ° C.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Ring einstückig oder aber mehrteilig ausgebildet. Insbesondere die einstückige Ausführungsform ermöglicht eine einfache und damit auch kostengünstige Montage an der variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie, wodurch die Herstellkosten einer mit einer solchen variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie ausgestatteten Ladeeinrichtung reduziert werden können. Selbstverständlich ist auch eine mehrteilige Ausführungsform denkbar, bei welcher die einzelnen Bauteile zudem zu dem Ring miteinander fixiert werden, insbesondere gefügt, und anschließend am Schaufellagerring der variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie befestigt.In a further advantageous embodiment of the solution according to the invention, the ring is formed in one piece or in several parts. In particular, the one-piece embodiment enables a simple and therefore cost-effective installation on the variable turbine / compressor geometry, whereby the manufacturing cost of a equipped with such a variable turbine / compressor geometry charging device can be reduced. Of course, a multi-part embodiment is conceivable in which the individual components are additionally fixed to the ring with each other, in particular joined, and then attached to the blade bearing ring of the variable turbine / compressor geometry.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Ladeeinrichtung insbesondere einen Abgasturbolader, mit einer zuvor beschriebenen variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie auszustatten, wodurch ein Minflow-Anschlag langfristig, das heißt vorzugsweise über die gesamte Lebensdauer toleranzfrei und zuverlässig gewährleistet werden kann, was insbesondere ein über die gesamte Lebensdauer der Ladeeinrichtung gleiches und optimales Ansprechverhalten ermöglicht. Hierdurch kann in besonders positiver Weise Einfluss auf die Leistung einer mit einer solchen Ladeeinrichtung ausgestatteten Brennkraftmaschine genommen werden.The present invention is further based on the general idea to provide a charging device, in particular an exhaust gas turbocharger, with a previously described variable turbine / compressor geometry, whereby a Minflow stop long term, that is, preferably over the entire life tolerance and reliably can be ensured, which in particular a same over the lifetime of the charging device and optimal response allows. As a result, it is possible to influence the performance of an internal combustion engine equipped with such a charging device in a particularly positive manner.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.
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.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
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.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.
Dabei zeigen, jeweils schematischShow, each schematically
Entsprechend den
Das Einstellen des Minflow-Anschlages der erfindungsgemäßen als Ring
Zunächst wird der Ring
First, the
Der Ring
Um die Verschleißbeständigkeit des erfindungsgemäßen Rings
Bei den gezeigten Ausführungsformen des Rings
Betrachtet man den Ring
Mit der erfindungsgemäßen variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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