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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/100,620, die am 7. Januar 2015 eingereicht wurde und den Titel ”Variable Geometry Turbocharger Vane Ring Assembly Retention Device” trägt; diese Anmeldung ist durch Verweis hierin aufgenommen.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Ausführungsformen betreffen allgemein Turbolader, und insbesondere eine Schaufellagerringanordnung mit einer Haltevorrichtung zur Verwendung in Turboladern mit variabler Turbinengeometrie (VTG).
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HINTERGRUND
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Abgasturbolader werden an einem Motor vorgesehen, um Luft mit einer größeren Dichte an den Motoreinlass zu liefern, als sie mit einer normalen Ansaugkonfiguration möglich wäre. Turbolader umfassen typischerweise ein Turbinengehäuse, das mit der Abgassammelleitung des Motors verbunden ist, ein Kompressorgehäuse, das mit der Einlasssammelleitung des Motors verbunden ist, sowie ein Lagergehäuse, das zwischen dem Turbinengehäuse und dem Kompressorgehäuse gekoppelt ist. Ein Turbinenrad in dem Turbinengehäuse wird drehbar von einem eingehenden Abgasstrom angetrieben, der von der Abgassammelleitung zugeführt wird. Eine drehbar in dem Lagergehäuse getragene Welle verbindet das Turbinenrad mit einem Kompressorlaufrad in dem Kompressorgehäuse, so dass die Drehung des Turbinenrads die Drehung des Kompressorlaufrades verursacht. Die Drehung des Kompressorlaufrads erhöht die Rate des Luftmassendurchsatzes, die Luftdichte und den Luftdruck, die durch die Einlasssammelleitung an Zylinder des Motors geliefert werden.
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Somit liefern Turbolader verdichtete Luft an einen Motor, was erlaubt, den Kraftstoff effizienter zu verbrennen. Ein Dieselmotor arbeitet im Vergleich zu anderen Motorzyklen mit höheren Luft-/Kraftstoff-Verhältnissen mit höherer Effizienz. Die Turboaufladung ist ein wirksamer Ansatz, um das Luft-/Kraftstoff-Verhältnis für den Dieselmotor-Verbrennungszyklus zu erhöhen. Im Fall anderer Motorkonfigurationen und Verbrennungszyklen ist die Turboaufladung ein wirksames Verfahren, um die Leistungsdichte zu erhöhen. Eine Erhöhung der Leistungsdichte erlaubt die Verwendung kleinerer, leichterer Motoren mit ähnlichen Leistungsniveaus. Die Verwendung eines kleineren Motors in einem Fahrzeug verringert die Masse des Fahrzeugs, erhöht die Leistung, und verbessert die Kraftstoffökonomie. Darüber hinaus sorgen Turbolader für eine vollständigere Verbrennung des an den Motor gelieferten Kraftstoffs, was wiederum unerwünschte Motoremissionen verringert.
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ZUSAMMENFASSUNG
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In einigen Aspekten umfasst ein Turbolader mit variabler Turbinengeometrie ein Lagergehäuse mit einer Bohrung, die eine Längsachse definiert, und ein Turbinengehäuse, das an dem Lagergehäuse gesichert ist. Das Turbinengehäuse definiert einen Abgaseinlass, einen Abgasauslass und eine Spirale, die zwischen dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass angeordnet ist. Der Turbolader umfasst ein Turbinenrad, das in dem Turbinengehäuse zwischen der Spirale und dem Abgasauslass angeordnet ist, und eine Schaufellagerringanordnung, die in dem Turbinengehäuse zwischen der Spirale und dem Turbinenrad angeordnet ist. Die Schaufellagerringanordnung umfasst schwenkbare Schaufeln, die um den Umfang des Turbinenrads herum angeordnet sind und die Strömung von Abgas zu dem Turbinenrad steuern. Der Turbolader umfasst auch eine Halterung, die die Schaufellagerringanordnung an dem Lagergehäuse sichert.
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Der Turbolader umfasst eines oder mehrere der folgenden Merkmale: zumindest drei Halterungen, die in einem Abstand zueinander entlang eines Umfangs einer Schaufellagerringanordnung angeordnet sind; wobei die Halterungen ein erstes Ende umfassen, das an dem Lagergehäuse fixiert ist, sowie ein zweites Ende, das in einen entsprechenden Schlitz an der Schaufellagerringanordnung eingreift; ein Lagergehäuse mit Oberflächenmerkmalen, die mit dem ersten Ende der Halterung in Eingriff stehen, wodurch die Halterung dazu dient, die Schaufellagerringanordnung in einer vorbestimmten Drehorientierung relativ zu dem Lagergehäuse zu halten; wobei das erste Ende der Halterung axialrelativ zu dem zweiten Ende der Halterung beabstandet angeordnet ist, wodurch die Halterung die Schaufellagerringanordnung in einem vorbestimmten axialen Abstand relativ zu einer axial nach außen weisenden Endfläche des Lagergehäuses hält; wobei das zweite Ende der Halterung einen radial inneren Fortsatz aufweist, der in eine axial nach außen weisende Oberfläche der Schaufellagerringanordnung eingreift; wobei die Schaufellagerringanordnung in eine axial äußere Stellung relativ zu dem Lagergehäuse federvorgespannt ist, und die Halterung den Schaufelring gegen die Federvorspannung in der gewünschten axialen Stellung relativ zu dem Lagergehäuse hält; und das zweite Ende der Halterung eine Nut umfasst, die einen Abschnitt der Schaufellagerringanordnung aufnimmt.
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Der Turbolader kann auch eines oder mehrere der folgenden zusätzlichen Merkmale umfassen: dass die Schaufellagerringanordnung einen oberen Schaufellagerring umfasst, der zwischen den Schaufeln und dem Lagergehäuse angeordnet ist, sowie einen unteren Schaufellagerring, der axial relativ zu dem oberen Schaufellagerring durch Abstandshalter beabstandet ist, wobei die Schaufeln zwischen dem oberen Schaufellagerring und dem unteren Schaufellagerring angeordnet sind und zur Drehung an diesen gehalten werden, und die Halterung mit dem oberen Schaufellagerring in Eingriff steht; wobei die Halterung mit einer axial nach außen weisenden Oberfläche des oberen Schaufellagerrings in Eingriff steht; wobei die Halterung beabstandete Laschen aufweist, die mit einem in dem oberen Schaufellagerring gebildeten Schlitz in Eingriff stehen; wobei der Turbolader ein elastisches Element umfasst, das zwischen dem Lagergehäuse und der Schaufellagerringanordnung komprimiert wird, wodurch das elastische Element eine axiale Kraft auf die Schaufellagerringanordnung ausübt, die die Schaufellagerringanordnung in eine Richtung von dem Lagergehäuse weg drängt; wobei das elastische Element eine ringförmige Platte ist, die ein äußeres Ende aufweist, das mit der Schaufellagerringanordnung in Eingriff steht, sowie ein inneres Ende, das mit dem Lagergehäuse in Eingriff steht; wobei die Schaufellagerringanordnung einen oberen Schaufellagerring umfasst, der zwischen den Schaufeln und dem Lagergehäuse angeordnet ist, sowie einen unteren Schaufellagerring, der axial relativ zu dem oberen Schaufellagerring durch Abstandshalter beabstandet ist, wobei die Schaufeln zwischen dem oberen Schaufellagerring und dem unteren Schaufellagerring angeordnet sind und zur Drehung an diesen gehalten werden; wobei das elastische Element des Weiteren einen axial wegragenden Wulst benachbart zu dem äußeren Ende umfasst, der sich um einen Umfang des äußeren Endes erstreckt, wobei der Wulst das elastische Element relativ zu einem inneren Ende des oberen Schaufellagerrings führt, und das innere Ende des elastischen Elements an einer zum Lagergehäuse weisenden Oberfläche des oberen Schaufellagerrings anliegt; und ein Hitzeschild, das zwischen dem elastischen Element und dem Turbinenrad angeordnet ist.
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Ein Turbolader stellt nur in einem begrenzten Bereich von Bedingungen eine ideale Verstärkung bereit. So stellt im Allgemeinen eine größere Turbine für einen gegebenen Motor bei hohen Drehzahlen eine gute Verstärkung bereit, aber nicht bei niedrigen Drehzahlen, da hier das sogenannte Turboloch auftritt, und der Lader daher nicht in der Lage ist, die Verstärkung bereitzustellen, wenn sie erforderlich ist. Eine kleine Turbine stellt eine gute Verstärkung bei niedrigen Drehzahlen bereit, kann aber den Motor bei hohen Drehzahlen abwürgen. Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, den Turbolader mit einer Turbine mit variabler Turbinengeometrie (VTG) zu versehen, die ein Schaufelpaket mit schwenkbaren Schaufeln umfasst, die die Abgasströmung durch die Turbine steuern. Bei niedrigen Drehzahlen, wenn eine rasche Verstärkung benötigt wird, können die Schaufeln geschlossen werden, um einen engeren Durchgang für die Abgasströmung zu schaffen. Der engere Durchgang beschleunigt das Abgas zu den Turbinenradschaufeln hin, was dem Turbolader erlaubt, eine Leistungsverstärkung an den Motor zu liefern, wenn diese benötigt wird. Wenn der Motor andererseits mit hoher Drehzahl läuft und der Druck des Abgases höher ist, können die Schaufeln geöffnet sein, und der Turbolader liefert das geeignete Ausmaß an Verstärkung für die entsprechende Drehzahl. Indem die Schaufeln öffnen und schließen können, wird dem Turbolader erlaubt, in einem weiten Bereich von Bedingungen zu arbeiten, wenn Leistung von dem Motor verlangt wird.
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In einigen Aspekten wird das Schaufelpaket an dem Lagergehäuse getragen. Da das Schaufelpaket an dem Lagergehäuse getragen wird, ist das Schaufelpaket thermisch von dem Turbinengehäuse entkoppelt. Dies ist vorteilhaft im Vergleich zu manchen herkömmlichen Turboladern mit VTG-Turbine, bei denen das Schaufelpaket an dem Turbinengehäuse getragen wird, wodurch die hohen Temperaturen, die das Turbinengehäuse während des Betriebs erfährt, in das Schaufelpaket geleitet werden, und manchmal zu nachteiligen Vorkommnissen führen, wie zur Verwindung des Schaufelpakets und sogar zum Steckenbleiben der Schaufeln.
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Durch Sichern des Schaufelpakets an dem Lagergehäuse unter Verwendung der Halterungen wird im Vergleich zu manchen herkömmlichen Turboladern mit VTG-Turbine eine verbesserte Steuerung über die Drehorientierung des Schaufelpakets relativ zu dem Lagergehäuse erzielt. Dies deshalb, da in manchen herkömmlichen Turboladern mit VTG-Turbine das Schaufelpaket von dem Turbinengehäuse getragen wird. Obwohl die Drehorientierung des Schaufelpakets relativ gut gesteuert werden kann, wenn es an dem Turbinengehäuse montiert ist, wird die Drehorientierung des Turbinengehäuses relativ zu dem Lagergehäuse nicht sehr gut gesteuert, wodurch in manchen herkömmlichen Einrichtungen Positionierungsfehler des Schaufelpakets relativ zu dem Lagergehäuse, und somit relativ zu dem Aktuator und dem Turbinenrad entstehen können. Die verbesserte Steuerung über die Drehorientierung des Schaufelpakets relativ zu dem Lagergehäuse, die unter Verwendung der offenbarten Halterungen erzielt wird, führt zu einer verbesserten Genauigkeit der Schaufelwinkel über die gesamte Lebensdauer des Turboladers.
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Die verbesserte Steuerung über die Drehorientierung des Schaufelpakets wird zumindest zum Teil erreicht, indem die Halterungen sowohl an vorbestimmten Positionen des Lagergehäuses, die zumindest zum Teil durch an der Oberfläche des Lagergehäuses vorgesehene Oberflächenmerkmale zur Führung definiert werden, als auch an vorbestimmten Positionen an dem Schaufelpaket gesichert werden, die durch die Halterungen aufnehmende Schlitze definiert werden, die in einem oberen Schaufellagerring des Schaufelpakets ausgebildet sind. Die Merkmale an dem Lagergehäuse und der obere Schaufellagerring wirken auch zusammen, um die Drehung der Anordnung während des Betriebs zu verhindern.
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In vorteilhafter Weise halten die Halterungen das Schaufelpaket in der gewünschten axialen und radialen Position relativ zu dem Lagergehäuse, während sie die Elemente des Schaufelpakets nicht daran hindern, sich thermisch auszudehnen, wodurch die Entstehung von höheren Belastungen in Verbindung mit thermischen Verwindungen verhindert wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Vorteile des hierin offenbarten VTG-Turboladers werden unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen deutlich werden. In diesen zeigt:
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1 eine schematische Ansicht eines Motorsystems, das einen Motor und einen Abgasturbolader umfasst, der mit den Motoreinlass- und -auslassleitungen verbunden ist.
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2 ist eine Querschnittsansicht des Abgasturboladers von 1, wobei das Kompressorgehäuse und das Turbinengehäuse zur Verdeutlichung weggelassen wurden;
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3 ist eine Vergrößerung eines Abschnittes von 2, wobei die drehende Anordnung und die Lagersysteme zur Verdeutlichung weggelassen wurden, und zeigt eine Querschnittsansicht der Schaufellagerringanordnung des Abgasturboladers von 1;
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4 ist eine perspektivische Hinteransicht einer Halterung, die zur Sicherung der Schaufellagerringanordnung an dem Lagergehäuse verwendet wird;
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5 ist eine Seitenansicht der Halterung von 4;
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6 ist eine Querschnittsansicht der Halterung von 4, die mit dem oberen Schaufellagerring in Eingriff steht;
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7 ist eine perspektivische Ansicht der Turbinenseite des Lagergehäuses, wobei die drehende Anordnung und Abschnitte der Schaufellagerringanordnung zur Verdeutlichung weggelassen wurden, und der obere Schaufellagerring in unterbrochenen Linien gezeigt ist, und zeigt den oberen Schaufellagerring durch die Feder gegen die Halterungen vorgespannt;
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8 ist eine perspektivische Ansicht der zum Turbinengehäuse weisenden Oberfläche des oberen Schaufellagerrings;
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9 ist eine perspektivische Ansicht der zum Lagergehäuse weisenden Oberfläche des oberen Schaufellagerrings;
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10 ist ein perspektivische Hinteransicht einer alternativen Ausführungsform der Halterung;
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11 ist eine Seitenansicht der Halterung von 10;
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12A ist eine teilweise Querschnittansicht eines Turboladers mit der Halterung von 10;
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12B ist eine Vergrößerung eines Abschnittes von 12A und stellt das Zusammenwirken der Halterung und des oberen Schaufellagerrings im Detail dar; und
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13 ist eine Schnittansicht eines alternativen Turboladers, wobei das Turbinengehäuse zur Verdeutlichung weggelassen wurde, und zeigt ein Hitzeschild, das zwischen der Feder und dem oberen Schaufellagerring angeordnet ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Abgasturbolader 1 in ein Motorsystem 3 eines Fahrzeugs (nicht dargestellt) integriert. Der Turbolader 1 ist mit einem Motor 5 verbunden und umfasst einen Turbinenabschnitt 2, einen Kompressorabschnitt 18 sowie ein Lagergehäuse 16, das zwischen dem Kompressorabschnitt 18 und dem Turbinenabschnitt 2 angeordnet ist und die beiden verbindet. Der Turbinenabschnitt 2 umfasst ein Turbinengehäuse 4, das einen Abgaseinlass 6, einen Abgasauslass 8 und eine Turbinenspirale 10 definiert, die in dem Fluidverlauf zwischen dem Abgaseinlass 6 und dem Abgasauslass 8 angeordnet ist. Ein Turbinenrad 12 ist in dem Turbinengehäuse 4 zwischen der Turbinenspirale 10 und dem Abgasauslass 8 angeordnet. Eine Welle 14 ist mit dem Turbinenrad 12 verbunden, ist zur Drehung um eine Drehachse R innerhalb einer in dem Lagergehäuse 16 ausgebildeten Bohrung 15 gelagert, und erstreckt sich in den Kompressorabschnitt 18. Der Kompressorabschnitt 18 umfasst ein Kompressorgehäuse 20, das einen sich axial erstreckenden Lufteinlass 22, einen Luftauslass 24 und eine Kompressorspirale 26 definiert. Ein Kompressorrad 28 ist in dem Kompressorgehäuse 20 zwischen dem Lufteinlass 22 und der Kompressorspirale 26 angeordnet und mit der Welle 14 verbunden. Das Turbinenrad 12, die Welle 14 und das Kompressorrad 28 bilden die Hauptkomponenten einer drehenden Anordnung des Turboladers 1.
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Im Betrieb wird das Turbinenrad 12 in dem Turbinengehäuse 4 drehbar durch einen eingehenden Abgasstrom von der Abgassammelleitung 7 des Motors 5 angetrieben. Die Drehung des Turbinenrads 12 verursacht die Drehung des Kompressorrads 28 über die Welle 14. Die Drehung des Kompressorrads 28 erhöht die Rate des Luftmassendurchsatzes, die Luftdichte und den Luftdruck, die an die Zylinder 11 des Motors durch einen aus dem mit der Einlasssammelleitung 9 des Motors verbundenen Kompressorluftauslass 24 austretenden Strom geliefert werden.
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Auch Bezug nehmend auf die 2 und 3 ist der Turbolader 1 ein Turbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG). Insbesondere umfasst der Turbinenabschnitt 2 eine Schaufellagerringanordnung 29 mit einer Vielzahl von schwenkbaren Schaufeln 30, die die Strömung von Abgas, die auf das Turbinenrad 12 auftrifft, steuern, und damit auch die Leistung des Turbinenabschnitts 2 steuern. Die Leitschaufeln 30 steuern damit auch das Druckverhältnis, das durch den Kompressorabschnitt 18 erzeugt wird. In Motoren, die das Entstehen von NOx durch Verwendung von Hochdruck-Abgasrückführungs- oder HP-AGR-Techniken steuern, stellen die Schaufeln 30 auch ein Mittel zur Erzeugung und Steuerung des Abgasrückdrucks bereit.
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Die Schaufeln 30 sind in einer kreisförmigen Anordnung um das Turbinenrad 12 herum angeordnet, und befinden sich zwischen der Turbinenspirale 10 und dem Turbinenrad 12. Die Schaufeln 30 sind in dieser Konfiguration schwenkbar zwischen einem oberen Schaufellagerring 34, der an einer zum Lagergehäuse weisenden Seite der Schaufeln 30 angeordnet ist, und einem unteren Schaufellagerring 38 getragen, der an einer zum Turbinengehäuse weisenden Seite der Schaufeln 30 angeordnet ist. Die Teilgruppe bestehend aus der Vielzahl von Schaufeln 30, dem oberen Schaufellagerring 34 und dem unteren Schaufellagerring 38 wird als das Schaufelpaket 48 bezeichnet.
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Jede Schaufel 30 dreht sich an einem Zapfen 32, der von den gegenüberliegenden Seitenflächen der Schaufel 30 wegragt. Gegenüberliegende freie Enden des Zapfens 32 sind in jeweiligen Öffnungen 38a, 34a in dem unteren Schaufellagerring 38 und dem oberen Schaufellagerring 34 aufgenommen. Die axiale Distanz zwischen dem oberen Schaufellagerring 34 und dem unteren Schaufellagerring 38 wird über in Umfangsrichtung beabstandet angeordnete Abstandshalter 50 (am besten in 12A zu sehen) in der Form von Stäben, die sich axial zwischen den oberen und unteren Schaufellagerringen 34, 38 erstrecken, aufrecht erhalten. In einigen Ausführungsformen verbinden die Abstandshalter 50 auch den oberen Schaufellagerring 34 mit dem unteren Schaufellagerring 38, so dass das Schaufelpaket 48 vormontiert und als eine vollständige Einheit behandelt werden kann. Die Winkelorientierung des oberen Schaufellagerrings 34 relativ zu dem unteren Schaufellagerring 38 ist so eingestellt, dass die entsprechenden Zentralöffnungen in den Schaufellagerringen 34, 38 konzentrisch mit der Wellendrehachse R sind, die Zapfen 32 parallel zu der Drehachse R sind und die Schaufel 30 sich frei um eine Längsachse des Zapfens 32 drehen kann. Jeder Zapfen 32 an der zum oberen Schaufellagerring weisenden Seite der Schaufel 30 ragt durch eine entsprechende Öffnung 34a des oberen Schaufellagerrings 34 und ist an einem Schaufelarm 31 befestigt, der die Drehstellung der Schaufel 30 relativ zu den Schaufellagerringen 34, 38 steuert.
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Die Orientierung der Schaufeln 30 innerhalb des Schaufelpakets 48 wird unter Verwendung eines Einstellrings 40 gesteuert. Der Einstellring 40 ist mit jeder Schaufel 30 über eine Stift-/Block-Anordnung 39 verbunden, die mit dem entsprechenden Schaufelarm 31 in Eingriff steht. Somit wird die Stellung jeder Schaufel 30 in Übereinstimmung mit den anderen Schaufeln 30 eingestellt, wenn der Einstellring 40 um die Drehachse R herum gedreht wird. Die Drehorientierung des Einstellrings 40 um die Drehachse R wird durch einen Aktuator (nicht dargestellt) gesteuert, der so wirkverbunden ist, dass er den Einstellring 40 über ein Gestänge (nicht dargestellt) dreht, das mit dem Einstellring 40 in Eingriff steht. Der Aktuator wird typischerweise durch die elektronische Motorsteuereinheit (ECU) gesteuert.
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Unter Bezugnahme auf 4 bis 6 wird das Schaufelpaket 48 in dem Turbolader 1 an einer axial nach außen weisenden Oberfläche 16a des Lagergehäuses 16 über die Halterungen 60 fixiert. Die Halterungen 60 sind axial verlängerte Laschen, die entlang eines Umfangs des Schaufelpakets 48 voneinander beabstandet angeordnet sind. In der illustrierten Ausführungsform werden drei in gleichem Abstand zueinander angeordnete Halterungen 60 verwendet, um das Schaufelpaket 48 an dem Lagergehäuse 16 zu sichern.
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Jede Halterung 60 weist ein erstes Ende 61 auf, das an der axial nach außen weisenden Oberfläche 16a des Lagergehäuses 16 fixiert ist, ein zweites Ende 62, das dem ersten Ende 61 gegenüberliegt und mit dem Schaufelpaket 48 in Eingriff steht, und einen Mittelabschnitt 63 auf, der sich zwischen den ersten und zweiten Enden 61, 62 erstreckt. Der mittlere Abschnitt 63 ist entlang einer Halterungsachse 70 verlängert, die durch die ersten und zweiten Enden 61, 62 verläuft. Das zweite Ende 62 der Halterung ist axial relativ zu dem ersten Ende 61 der Halterung beabstandet angeordnet, wodurch die Halterung 60 das Schaufelpaket 48 in einer vorbestimmten axialen Distanz relativ zu der Oberfläche 16a des Lagergehäuses 16 hält. Die vorbestimmte axiale Distanz ist so eingestellt, dass das Schaufelpaket 48 relativ zu dem Turbinenrad optimal positioniert ist.
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Das erste Ende 61 der Halterung umfasst eine Basis 65, die in einer Richtung quer zu der Halterungsachse 70 wegragt. Darüber hinaus umfasst das zweite Ende 62 eine Lippe 64, die in einer Richtung quer zu der Halterungsachse und in einer Richtung, die jener der Basis 65 entgegengesetzt ist, wegragt, wodurch die Halterung 60 im Profil allgemein ”Z”-förmig ist.
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Die Lippe 64 ist dazu ausgebildet, mit einer axial nach außen weisenden Oberfläche des oberen Schaufellagerrings 34 in Eingriff zu stehen. Insbesondere greift die Lippe 64 mit einem Schlitz 54 ineinander, der in einem äußeren umlaufenden Rand 52 des oberen Schaufellagerrings 34 ausgebildet ist, wie unten noch weiter erläutert wird. Die Lippe 64 wird durch einen Abschnitt des zweiten Endes 62 der Halterung, einem führenden Rand 72, den Seitenrändern 73, 74, die an den führenden Rand 72 angrenzen, und einen Kontaktrand 75 definiert, der dem zweiten Ende 62 der Halterung gegenüberliegt. Der führende Rand 72 und der Kontaktrand 75 der Lippe 64 und eine innere Oberfläche 63a des mittleren Abschnitts 63 in dem Bereich, der an die Lippe 64 angrenzt, können präzise maschinell eingearbeitet sein, um das korrekte Zusammenwirken mit dem Schlitz 54 sicherzustellen.
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Eine Außenfläche 63b des mittleren Abschnitts 63 in dem Bereich, der an das zweite Ende 62 (z. B. die Oberfläche, die dem führenden Rand 72 der Lippe entgegengesetzt ist) angrenzt, hat eine konvexe Krümmung, die mit der Krümmung eines Außendurchmessers des oberen Schaufellagerrings 34 übereinstimmt. Darüber hinaus weist eine innere Oberfläche 63c des mittleren Abschnitts 63 in einem Bereich, der an das erste Ende 61 angrenzt, eine konkave Krümmung auf, die sicherstellt, dass während der Betätigung ausreichend Raum für die Bewegung des Einstellrings 40, der Schaufelarme 31 und der Stift-/Block-Anordnungen 39 bleibt.
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Die Basis 65 definiert eine präzise maschinell gefertigte, ebene Endfläche 66, die während des Betriebs gegen das Lagergehäuse 16 anliegt. Die Basis 65 umfasst ein Basisdurchgangsloch 67, das die ebene Endfläche 66 schneidet. Das Basisdurchgangsloch 67 ist dazu ausgebildet, ein Befestigungselement wie etwa eine Schraube 68 aufzunehmen, die verwendet wird, um die Halterung 60 an dem Lagergehäuse 16 zu sichern. Die Halterung 60 kann dreieckige Eckversteifungsbleche 69 umfassen, die an gegenüberliegenden Seiten des Durchgangslochs 67 angeordnet sind und sich zwischen der Basis 65 und dem mittleren Abschnitt 63 erstrecken.
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Unter Bezugnahme auf 7 umfasst die axial nach außen weisende Oberfläche 16a des Lagergehäuses 16 Oberflächenmerkmale zur Führung in der Form von Montageklötzen 17. Ein Montageklotz 17 ist für jede Halterung 60 vorgesehen und dazu ausgebildet, das erste Ende 61 der Halterung aufzunehmen und zu tragen. Darüber hinaus werden die Montageklötze 17 dazu verwendet, die Halterungen 60 präzise relativ zu dem Lagergehäuse 16 zu positionieren und zu orientieren. Zu diesem Zweck ist jeder Montageklotz 17 ein Vorsprung mit einer zentralen Vertiefung 19, die so dimensioniert und geformt ist, um dem ersten Ende 61 der Halterung zu entsprechen. Die Vertiefung 19 ist präzise maschinell eingearbeitet, um eine ebene Oberfläche für den Eingriff mit der ebenen Endfläche 66 der Halterungsbasis 65 bereitzustellen. In der illustrierten Ausführungsform haben der Montageklotz 17 und die Vertiefung 19 ein quadratisches Profil, um dem quadratischen Profil der Halterungsbasis 65 zu entsprechen. Die Halterungsbasis 65 und der Montageklotz 17 sind jedoch nicht auf diese Gestalt begrenzt. Der Montageklotz 17 umfasst ein Gewindeloch (nicht dargestellt), das dazu ausgebildet ist, mit der Schraube 68 in Eingriff zu stehen.
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Unter Bezugnahme auf 8 und 9 ist der obere Schaufellagerring 34 eine ringförmige Platte mit einem kreisförmigen äußeren umlaufenden Rand 52, und einem kreisförmigen inneren umlaufenden Rand 53, der konzentrisch mit dem äußeren umlaufenden Rand 52 ist. Der obere Schaufellagerring 34 umfasst Merkmale, die die Fähigkeit verbessern, zusammenwirkend mit den Halterungen 60 in Eingriff zu gelangen. Insbesondere sind in gleichen Abständen angeordnete Schlitze 54 in dem äußeren umlaufenden Rand ausgebildet, die dazu ausgebildet sind, mit der Halterungslippe 64 in Eingriff zu stehen. Die Schlitze 54 sind rechteckig im Profil und verlaufen durch die Dicke des oberen Schaufellagerrings 34, um sich zwischen einer zum Lagergehäuse weisenden Oberfläche 55 des oberen Schaufellagerrings 34 und einer zum Turbinengehäuse weisenden Oberfläche 56 des oberen Schaufellagerrings 34 zu erstrecken. Die Schlitze 54 erstrecken sich radial nach innen von dem äußeren umlaufenden Rand 52 in größerem Maß entlang der zum Turbinengehäuse weisenden Oberfläche 56 als entlang der zum Lagergehäuse weisenden Oberfläche 55. Als Ergebnis wird eine Abstufung 59 an einer Basis 54a (z. B. der radial innersten Oberfläche) eines jeden Schlitzes 54 ausgebildet.
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Der innere umlaufende Rand 53 des oberen Schaufellagerrings 34 ist an der zum Lagergehäuse weisenden Oberfläche 55 angesenkt, so dass eine zum Lagergehäuse weisende Schulter 58 entlang des Umfangs des inneren umlaufenden Rands 53 ausgebildet wird. Die Schulter 58 wird verwendet, um mit einer Feder 80 in Eingriff zu stehen, wie unten noch weiter erläutert wird.
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Im Betrieb tragen die Halterungen 60 das Schaufelpaket 48 relativ zu dem Lagergehäuse 16, so dass der obere Schaufellagerring 34 und der untere Schaufellagerring 38 konzentrisch mit der Turboladerdrehachse R sind, axial so positioniert sind, dass die Schaufeln 30 die Strömung von Abgas von der Turbinenspirale 10 zu dem Turbinenrad 12 steuern, und relativ zu dem Lagergehäuse 16 präzise drehorientiert sind. Zu diesem Zweck ist für jede Halterung 60 die Halterungsbasis 65 innerhalb eines entsprechenden Montageklotzes 17 angeordnet und mit diesem durch die Schraube 68 verschraubt. Zusätzlich ist die Halterungslippe 64 in einen entsprechenden Schlitz 54 des oberen Schaufellagerrings 34 eingesetzt, so dass der führende Rand 72 der Lippe zu der Schlitzbasis 54a weist und in einem Abstand von dieser angeordnet ist, so dass ein erster Spalt g1 (in 6 dargestellt) zwischen dem führenden Rand 72 der Lippe und der Schlitzbasis 54a besteht. Zusätzlich liegt der Kontaktrand 75 der Lippe an einer zum Turbinengehäuse weisenden Oberfläche 59a der Abstufung 59 an, und die Halterungsoberfläche 63a weist zu einer radial nach außen weisenden Oberfläche 59b der Abstufung 59 und ist von dieser beabstandet angeordnet, so dass ein zweiter Spalt g2 (in 6 dargestellt) zwischen der Halterungsoberfläche 63a und der radial nach außen weisenden Oberfläche 59b der Abstufung 59 (in 6 dargestellt) besteht. Die ersten und zweiten Spalte g1, g2 zwischen den radial nach innen weisenden Oberflächen 72, 63a der Halterung 60 und den radial nach außen weisenden Oberflächen 54a, 59b des Schlitzes 54 erlauben die thermische Ausdehnung des Schaufelpakets 48 und der Halterungen 60 während des Betriebs. In dieser Stellung ist das zweite Ende 62 der Halterung bündig mit der zum Turbinengehäuse weisenden Oberfläche 56 des oberen Schaufellagerrings 34, um die gewünschten Strömungseigenschaften um die Schaufeln 30 herum zu erhalten. Darüber hinaus ist die Halterungsaußenfläche 63b in dem Bereich, der an das zweite Ende 62 angrenzt, durchgängig mit dem Umfang, der durch den äußeren umlaufenden Rand 52 des oberen Schaufellagerrings definiert wird.
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Erneut Bezug nehmend auf die 3 und 7, ist die Feder 80 in der Form eines ringförmigen, elastischen, leicht konkaven Federelements zwischen der axial nach außen weisenden Oberfläche 16a des Lagergehäuses 16 und dem oberen Schaufellagerring 34 angeordnet. Die Feder 80 umfasst ein äußeres Ende 84, das mit der Schulter 58 des oberen Schaufellagerrings in Eingriff steht, und ein inneres Ende 83, das eine Zentralöffnung definiert und mit dem Lagergehäuse 16 in Eingriff steht. Die Feder 80 umfasst einen axial wegragenden Wulst 85 benachbart zu dem äußeren Ende 84, das sich um einen Umfang des äußeren Endes 84 erstreckt. Der Wulst 85 ist innerhalb der Zentralöffnung des oberen Schaufellagerrings 34 aufgenommen und zentriert die Feder 80 relativ zu dem inneren umlaufenden Rand 53 des oberen Schaufellagerrings.
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In dieser Konfiguration liegt eine zum Turbinengehäuse weisende Oberfläche 82 des äußeren Federendes 84 an der zum Lagergehäuse weisenden Oberfläche der Schulter 58 des oberen Schaufellagerrings an, während eine zum Lagergehäuse weisende Oberfläche 81 des inneren Federendes 83 an der axial nach außen weisenden Oberfläche 16a des Lagergehäuses anliegt. Als Ergebnis übt die Feder 80 eine axiale Kraft sowohl auf die axial nach außen weisende Oberfläche 16a des Lagergehäuses als auch die Schulter 58 des oberen Schaufellagerrings aus, die diese Elemente auseinander drängt. Da die Halterungen 60 mit einer zum Turbinengehäuse weisenden Oberfläche 56 des oberen Schaufellagerrings 34 in Eingriff stehen, dienen die Halterungen 60 dazu, die gewünschte Distanz des oberen Schaufellagerrings 34 von dem Lagergehäuse 16 gegen die Vorspannkraft der Feder 80 zu erhalten.
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Unter Bezugnahme auf 10 und 11 können alternative Ausführungsformen der Halterungen 160 verwendet werden, um das Schaufelpaket 48 an der axial nach außen weisenden Oberfläche 16a des Lagergehäuses 16 zu sichern. Die Halterungen 160 sind axial verlängerte Laschen, die entlang eines Umfangs des Schaufelpakets 48 voneinander beabstandet angeordnet sind. In der illustrierten Ausführungsform werden drei in gleichem Abstand zueinander angeordnete Halterungen 160 verwendet, um das Schaufelpaket 48 an dem Lagergehäuse 16 zu sichern. Die Halterungen 160 sind in Form und Funktion im Wesentlichen den oben in Bezug auf 4 bis 6 beschriebenen Halterungen 60 ähnlich. Aus diesem Grund werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Elemente zu bezeichnen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt. Die Halterungen 160 unterscheiden sich von den zuvor beschriebenen Halterungen 60 in Bezug auf den Aufbau der Lippe 164. Darüber hinaus ist der Schlitz 54’ des oberen Schaufellagerrings geringfügig gegenüber der in 8 und 9 dargestellten Ausführungsform verändert, um den Aufbau der Lippe 64 unterzubringen, wie unten noch weiter erläutert wird.
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Die Lippe 164 ist dazu ausgebildet, mit einer axial nach außen weisenden Oberfläche des oberen Schaufellagerrings 34 in Eingriff zu stehen. Insbesondere greift die Lippe 164 mit dem Schlitz 54’ (in 12A, 12B dargestellt) ineinander, der in einem äußeren umlaufenden Rand 52 des oberen Schaufellagerrings 34’ ausgebildet ist, wie unten noch weiter erläutert wird. Die Lippe 164 wird durch einen Abschnitt des zweiten Endes 62 der Halterung, einen führenden Rand 172, die Seitenränder 173, 174, die an den führenden Rand 172 angrenzen, und einen inneren Rand 175 definiert, der dem zweiten Ende 62 der Halterung gegenüberliegt. Der führende Rand 172 umfasst eine Nut 176. Die Nut 176 ist zwischen dem zweiten Ende 62 der Halterung und dem inneren Rand 175 positioniert, und definiert Kontaktflächen, die mit dem Schlitz 54’ in Eingriff stehen, wie unten noch weiter erläutert wird. Der führende Rand 172, die Nut 176 und der Mittelabschnitt 63 können präzise maschinell eingearbeitet sein, um das korrekte Zusammenwirken mit dem Schlitz 54’ sicherzustellen.
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Unter Bezugnahme auf 12A und 12B tragen während des Betriebs die Halterungen 160 das Schaufelpaket 48 relativ zu dem Lagergehäuse 16, so dass der obere Schaufellagerring 34 und der untere Schaufellagerring 38 konzentrisch mit der Turboladerdrehachse R sind, axial so positioniert sind, dass die Schaufeln 30 die Abgasströmung von der Turbinenspirale 10 zu dem Turbinenrad 12 steuern, und relativ zu dem Lagergehäuse 16 präzise in der Drehung orientiert sind. Zu diesem Zweck ist für jede Halterung 160 die Halterungsbasis 65 innerhalb eines entsprechenden Montageklotzes 17 angeordnet und mit diesem durch die Schraube 68 verschraubt. Zusätzlich ist die Halterungslippe 164 in einen entsprechenden Schlitz 54’ des oberen Schaufellagerrings 34’ eingesetzt und steht mit diesem in Eingriff.
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Insbesondere nimmt die Nut 176 eine Schiene 159 auf, die aus der Schlitzbasis 54a’ herausragt. Ist die Schiene 159 in der Nut 176 angeordnet, weist der führende Rand 172 der Lippe zu der Schlitzbasis 54a' und ist in einem Abstand davon angeordnet, so dass ein dritter Spalt g3 zwischen dem führenden Rand 172 der Lippe und der Schlitzbasis 54a’ besteht. Zusätzlich weist eine Grundfläche 176a der Nut 176 zu einer radial nach außen weisenden Oberfläche 159b der Schiene 159 und ist von dieser beabstandet angeordnet, so dass ein vierter Spalt g4 zwischen der Nutgrundfläche 176a und der radial nach außen weisenden Oberfläche 159b der Schiene 159 besteht. Die dritten und vierten Spalte g3, g4 zwischen den radial nach innen weisenden Oberflächen 172, 176a der Halterung 160 und den radial nach außen weisenden Oberflächen 54a, 159b des Schlitzes 54' erlauben die thermische Ausdehnung des Schaufelpakets und der Halterungen während des Betriebs. In dieser Stellung ist das zweite Ende 62 der Halterung bündig mit der zum Turbinengehäuse weisenden Oberfläche 56 des oberen Schaufellagerrings 34, um die gewünschten Strömungseigenschaften um die Schaufeln 30 herum zu erhalten. Darüber hinaus ist die Halterungsaußenfläche 63b in dem Bereich, der an das zweite Ende 62 angrenzt, durchgängig mit dem Umfang, der durch den äußeren umlaufenden Rand 52 des oberen Schaufellagerrings definiert wird.
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Da die Schiene 159 innerhalb der sich radial erstreckenden Nut 176 aufgenommen ist, beschränkt die Halterung 160 die axiale Bewegung des oberen Schaufellagerrings 34 nach innen und nach außen entlang der Drehachse R. Somit kann in dieser Ausführungsform die Feder 80 wegfallen.
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Da das Schaufelpaket 48 an dem Lagergehäuse 16 gesichert ist, ist das Schaufelpaket 48 thermisch von dem Turbinengehäuse entkoppelt. Da das Schaufelpaket 48 an dem Lagergehäuse über Halterungen 60, 160 fixiert ist, die zur Distanzierung des Schaufelpakets 48 von dem Lagergehäuse 16 dienen, kann das Schaufelpaket 48 in bestimmtem Umfang auch von dem Lagergehäuse thermisch entkoppelt sein. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen die Halterung 60, 160 aus einem thermisch isolierenden Material hergestellt sein, um die thermische Leitung von Wärme zwischen dem Schaufelpaket 48 und dem Lagergehäuse 16 zu begrenzen.
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Obwohl die veranschaulichte Ausführungsform drei in gleichen Abständen angeordnete Halterungen 60, 160 aufweist, die das Schaufelpaket 48 an dem Lagergehäuse 16 sichern, ist der Turbolader 1 nicht auf diese Konfiguration begrenzt. Die Anzahl und Beabstandung der Halterungen 60, 160 wird durch die Anforderungen der speziellen Anwendung bestimmt.
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Unter Bezugnahme auf 13 umfasst der Turbolader 1 in einigen Ausführungsformen ein Hitzeschild 90, das axial zwischen der Feder 80 und dem Turbinenrad 12 angeordnet ist. Das Hitzeschild 90 ist eine dünne ringförmige Platte, die sich radial zwischen dem inneren umlaufenden Rand 53 des oberen Schaufellagerrings und dem Lagergehäuse 16 in der Umgebung der Bohrung 15 erstreckt. Das Hitzeschild 90 weist zu einer Rückwand des Turbinenrads 12 und lenkt die Wärme von der Feder 80 und dem Lagergehäuse 16 weg.
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Die hierin beschriebenen Aspekte können in anderen Formen und Kombinationen verkörpert werden, ohne vom Geist oder den wesentlichen Merkmalen der Erfindung abzuweichen. Somit ist natürlich klar, dass die Ausführungsformen nicht auf die hierin beschriebenen spezifischen Details beschränkt sind, die rein beispielhaft angegeben werden, und dass verschiedene Modifikationen und Abwandlungen innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche möglich sind.
