DE10209484B4 - Turbolader für Fahrzeuge mit verbesserter Aufhängung für den Betätigungsmechanismus der variablen Düsen - Google Patents

Abstract

Turbolader, bei dem Gas durch einen ersten Ringspalt (30) zur Turbine geführt wird, mit
– einem Gehäuse (18, 24, 26),
– einem Ring von Leitschaufeln (34) im ersten Ringspalt (30), die schwenkbar auf einem Düsenring (38) gelagert sind, welcher eine Begrenzung des ersten Ringspalts(30) darstellt,
– einem Betätigungsring (48) mit kreisförmigem Querschnitt, der so gekoppelt ist, dass er durch relative Rotation in Bezug auf den Düsenring (38) die Leitschaufeln (34) schwenkt, und
– einer Aufhängeeinrichtung (55, 59) für den Betätigungsring (48), die eine koaxiale Positionierung des Düsenrings (38) und des Betätigungsrings (48) zueinander und um die Turbinenwelle gewährleistet, wobei in Umfangsrichtung der Ringe (48, 38) auf einem Kreis angeordnete Stifte (55'') sowie mit Bohrungen und Nuten (59) über den Umfang versehene Führungsrollen (49) vorhanden sind, und die Führungsrollen (49) in einem zwischen Betätigungsring (48) und Düsenring (38) gebildeten zweiten Ringspalt angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,...

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turbolader entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Bei Turbomaschinen, in denen die Turbine zum Antrieb eines Kompressors oder einer ähnlichen Vorrichtung dient, ist es oft von Vorteil, den Antriebsgasstrom in die Turbine zu regeln, um ihren Wirkungsgrad oder ihren Betriebsumfang zu verbessern.
• Dies kann, durch eine variable Geometrie der zum Turbinenrad führenden Düsenkanäle gebildet werden. Diese Düsenkanäle mit variabler Geometrie können über eine Reihe von Schaufeln gebildet werden, die drehbar sind, um auf diesem Weg die zwischen ihnen liegenden Kanäle unterschiedlich zu konfigurieren. Die Ausführung der – in Verbindung mit der Ausführung der schwenkbaren Schaufeln – verwendeten Aufhängevorrichtung ist entscheidend, um ein Verklemmen entweder der Aufhängevorrichtung oder der Schaufeln zu verhindern.
• Die US-Patente 2,860,827 und 4,179,247 zeigen Ausführungen zur Verhinderung einer Blockierung des Stellmechanismus für die schwenkbaren Schaufeln. Keiner der beiden Konstruktionsentwürfe betrifft jedoch eine Aufhängevorrichtung für einen Stellmechanismus, der den Temperaturschwankungen im Turbinengehäuse als auch der Komponenten des Stellmechanismus Rechnung trägt.
• Das US Patent 2,860,827, dessen Inhalt hier als integriert betrachtet werden soll, beschreibt einen Turbolader mit variabler Düsengeometrie. Die Düsen eines ringförmigen, radial von Auspuffgasen durchströmten Spalts, der zwischen einem Gehäuseteil des Turbinengehäuses und dem Düsenring angeordnet ist, werden durch den Zwischenraum zwischen Düsenschaufeln geformt welche kreisförmig entlang des Düsenrings, auf diesem verschwenkbar gelagert sind, in einer Weise dass die Düsen maximal geöffnet sind wenn die Düsenschaufeln radial, und maximal geschlossen sind, wenn die Düsenschaufeln im Wesentlichen tangential stehen.
• Die Düsenschaufeln sind auf dem Düsenring mittels Stiften befestigt, welche den Düsenring durchsetzen, und die an ihren anderen Enden Betätigungsarme tragen.
• In derselben Ebene als die kreisförmig angeordneten Betätigungsarme ist ein zweiter Ring, der sogenannte Betätigungsring, vorgesehen, zur gleichzeitigen Betätigung aller Betätigungsarme, wofür der Betätigungsring an seinem inneren Rand Eingriffsmittel aufweist, die mit entsprechenden Eingriffsmitteln an jedem der Betätigungsarme kooperieren, sodass bei limitierter koaxialer Verschwenkung des Betätigungsrings bezüglich des Düsenrings alle Betätigungsarme, und mit ihnen die Düsenschaufeln, verschwenkt werden.
• Der Betätigungsring trägt ein Betätigungsmittel, welches das Turbinengehäuse durchsetzt, um den Betätigungsring von außerhalb des Gehäuses steuern zu können.
• Der Betätigungsring ist von einer gewissen Zahl von mit einer Nut versehenen Rollen getragen und für eine limitierte Verdrehung geführt, welche Rollen kreisförmig entsprechend des Innenrands des Betätigungsrings angeordnet sind.
• Diese Rollen können frei um Stifte herum rotieren, welche Stifte im selben Teil des Turbinengehäuses angeordnet sind als die zuvor beschriebenen Betätigungsmittel.
• Die Stifte durchsetzen die Wandung des Turbinengehäuses und sind frei drehbar mittels Sprengringen unmittelbar außerhalb und innerhalb dieser Wandung axial fixiert.
• Diese Anordnung funktioniert in befriedigender Weise solange keine großen Temperaturschwankungen auftreten.
• Turbolader sind jedoch auf Grund des Durchströmens heißer Auspuffgase durch den Turbinenteil sehr starken Temperaturschwankungen ausgesetzt, so dass die Turbinenteile und benachbarte Teile auf bis zu 900°C erwärmt werden.
• Diese häufigen hohen Temperaturschwankungen, zusammen mit den extrem hohen Drehzahlen des Turbinenrades und des Kompressorrades, erzeugen extreme Belastungen für alle Komponenten, welches in früher Abnützung und Funktionsausfall des Turboladers resultiert.
• Im besonderen ist es wichtig, dass die geometrische Konfiguration aller zusammenwirkenden Teile, wie Düsenring, Betätigungsring, Rollen, und Stifte etc. erhalten bleibt, ohne thermische Veränderungen und Hysterese.
• Der Turbolader nach US-P-2,860,827 ist nicht optimal ausgelegt, um die Beibehaltung der Geometrie der beschriebenen Teile bei großen Temperaturschwankungen zu gewährleisten.
• US Patent 4,179,247 beschreibt einen Turbolader und im besonderen einen Aufhängemechanismus für den Betätigungsring, der durch ein doppeltes Kugellager gebildet ist.
• Derartige Kugelhager sind unter den genannten Bedingungen äußerst kritisch und sind überdies sehr kompliziert beim Zusammenbau.
• Es wurden viele Anstrengungen unternommen um die beschriebenen Probleme zu lösen, und ein Teil dieser Probleme wurde durch den Turbolader entsprechend dem europäischen Patent 0 226 444 ( US 4,804,316 ) gelöst.
• Dieses Patent beschreibt einen Aufhängungsmechanismus für den Betätigungsring mit Stiften und Rollen mit Umfangsnuten, welche den Betätigungsring in ähnlicher Weise tragen und führen als im US Patent 2,860,827.
• In der EP-0226444 sind die Rollenstifte jedoch nicht im Gehäuse axial fixiert, sondern sie erstrecken sich frei beweglich von Bohrungen im Gehäuse an einer Seite zu Bohrungen im Düsenring an der anderen Seite, wobei ein gewisser Abstand gehalten wird zwischen der Innenseite des Gehäuses und der dieser gegenüberliegenden Seite des Düsenrings um einen zweiten Ringspalt zu erzeugen, und wobei die genuteten Rollen für freie Rotation auf den Stiften innerhalb dieses zweiten Ringspalts angeordnet sind.
• Da die einen Enden der Stifte in den Düsenring hineingreifen, soll dies exakte Koaxialität von Düsenring und Betätigungsring erwirken.
• In der Praxis hat es jedoch zwei Probleme hiermit gegeben.
• Zum einen ist der Zusammenbau des Betätigungsmechanismus nach der US-P-2,860,827 kompliziert, da es die Einführung der Rollenstifte in die Bohrungen zuerst des Düsenrings oder des Ge häuses, hernach das Aufsetzen der Rollen auf die Stifte und des Betätigungsrings auf die Rollen und dann das Einführen der freien Enden der Stifte in die Bohrungen des jeweils anderen Elements (Gehäuse oder Düsenring) ohne eine exakte, achsparallele Ausrichtung dieser freien Enden der Stifte auf die Bohrungen im zweiten Element erwirken zu können.
• Dies ist eine wahre Geschicklichkeitsübung, da die Ausrichtung der Bohrungen zwischen den beiden Elementen niemals perfekt ist, und überdies wegen der notwendigen Toleranz zwischen Stift und Bohrung die Stifte vor der Einführung in das zweite Element leicht geneigt sind.
• Zum anderen sind die Bohrungen im Gehäuse und diejenigen im Düsenring anderen thermischen Dilatationen ausgesetzt, so dass im Betrieb die Stifte von ihren exakten achsparallelen Ausrichtungen weg geneigt werden, was den reibungslosen Lauf der Teile beeinträchtigt.
• Die US 5,947,681 A zeigt eine Variante des vorstehend beschriebenen Betätigungsmechanismuses, bei dem die Stifte einenends in Bohrungen des Düsenrings eingreifen und in einer Drehungen zulassender Weise angebracht sind. Gegenüberliegend sind die Stifte in einem scheibenförmigen Flansch gehalten, der als thermische Ausgleichsmembran dient. Auch in diesem Fall treten die vorstehend geschilderten Probleme beim Zusammenbau auf.
• Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, einen Turbolader der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass er die geschilderten Nachteile nicht mehr aufweist.
• Gelöst wird dieses Problem mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.
• Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Hierzu zeigen:
• 1 Ausschnitt eines Turboladers nach dem Stand der Technik,
• 2 Teilansicht nach 1 mit integrierter vorliegender Erfindung und
• 3 Ansicht nach 1 mit integrierter vorliegender Erfindung.
• 1 zeigt das Turbinengehäuse 18 eines Turboladers aus dem Stand der Technik, das eine Volute 28 bildet, die das Auspuffgas vom Triebwerk 14 aufnimmt und auf die Schaufelblätter des Turbinenrades 12 durch einen Ringspalt 30 leitet. Danach strömt das Auspuffgas axial durch den Turbinenkragen 32 und entweicht aus dem Turbolader durch den Auslass 21 entweder in eine geeignete umweltschutzgerechte Vorrichtung oder in die Luft. Innerhalb des Ringspaltes 30 sind eine Vielzahl schwenkbarer Schaufeln 34 platziert, durch deren Verstellung eine Änderung der Geometrie des Ringspaltes 30 und damit eine Beeinflussung des Winkels, in dem das Auspuffgas auf die Schaufelblätter des Turbinenrades 12 trifft, erfolgt. Hierdurch wird wiederum die auf das Verdichterrad geleitete Energiemenge und somit schließlich die Luftmenge, mit der das Triebwerk versorgt wird, beeinflusst.
• Das Flanschbauteil 24 und das Turbinengehäuse 18 bilden zwischen sich einen Hohlraum 27, in dem die Metallteile platziert sind, die in Verbindung mit der unten beschriebenen Turbine mit variabler Geometrie verwendet werden. Der Ringspalt 30 für das Auspuffgas verläuft zwischen der inneren Seitenwand 31 des Turbinengehäuses 18 und einem Düsenring mit kreisförmigen Querschnitt 38. Um den Ringspalt 30 und innerhalb desselben sind umlaufend eine Vielzahl von Schaufeln 34 angeordnet. Jede Schaufel 34 ist auf dem Düsenring 38 verdrehbar mittels eines Schaufelbolzens 36 befestigt, der in einer im Düsenring ausgebildeten Bohrung drehbar ruht. An das äußere Ende jedes Schaufelbolzens ist ein Schaufelarm 46 angeschweißt, dessen Form in 6 veranschaulicht wird. Der Düsenring befindet sich zwischen den Schaufeln und den entsprechenden Schaufelarmen.
• Im Spalt 30 sind eine Reihe von Abstandshaltern 86 platziert. Wie in den 4 und 6 dargestellt, befinden sich die Abstandskalter 86 am Rand der kreisförmigen Anordnung von Schaufeln. Ihre axiale Länge ist etwa 0,005 bis 0,015 cm größer als die Schaufelhöhe. Die Abstandhalter sind in Bohrungen des Düsenringes 38 eingepresst, andere Arten der Befestigung sind jedoch ebenfalls möglich.
• Zwischen den Gehäuseteilen 18 und 24 ist ein zweiter Ringspalt 70 gebildet, in dem sich ein Betätigungsring mit kreisförmigem Querschnitt 48 befindet, der auf seinem inneren Umfang zahlreiche Schlitze 51 aufweist, von denen jeder einen Schaufelarm 46 aufnimmt. Am inneren Kreisumfang des Betätigungsrings 48 befinden sich mindestens drei in Umfangsrichtung versetzte Rollen 49. Die Rollen 49 sind an der Innenseite des Betätigungsrings rotierbar auf radial angeordneten Stiften 55 gelagert, deren Enden in Bohrungen im Flanschbauteil 24 beziehungsweise im Düsenring 38 eingeführt sind. Die Stifte 55 haben in diesen Bohrungen einen gewissen axialen Spielraum, um dem Düsenring 38 eine leichte axiale Bewegung zu ermöglichen.
• Die Rollen 49 weisen eine ringförmige Aussparung 59 zur Aufnahme des inneren Umfanges des Betätigungsrings 48 auf. Bei Bedarf können zusätzliche Stifte 55 und Rollen 49 am Kreisumfang des Betätigungsrings 48 platziert sein. Die Stifte 55 stellen nicht nur eine Aufhängung für den Betätigungsring dar; sie dienen zudem der konzentrischen Ausrichtung des Düsenringes 38 und verhindern ein Rotieren des Düsenringes.
• Die Rollen 49 sorgen für eine gute Rotierfähigkeit des Betätigungsrings 48 in Relation zum Flanschbauteil 24 und gewährleisten zusammen mit den Stiften 55 die Konzentrizität zwischen Betätigungsring 48 und Düsenring 38. Die Form der Schaufelarme 46 muss derart sein, dass grundsätzlich eine fortwährende rollende Bewegung innerhalb der Schlitze 51 aufrechterhalten wird, um ein Verklemmen innerhalb des Betätigungsrings 48 zu vermeiden, wenn dieser rotiert und sich die Schaufeln 34 drehen.
• Das Flanschbauteil 24 besitzt eine Aussparung zur Aufnahme des nachstehend beschriebenen Stellmechanismus. Im Flanschbauteil 24 ist eine Schulter 72 ausgebildet, die mit der Tellerfeder 40 zusammen wirkt. Die nach innen gerichtete Seite des radialen äußeren Randes der Feder 40 liegt an der Schulter an, und die Gegenseite des radialen inneren Randes der Feder drückt in montiertem Zustand derart gegen den Schulterteil 39 des Düsenringes 38, dass der Düsenring 38 und die Abstandshalter 86 gegen die Turbinenseitenwand 31 gedrückt werden. Die Schulter 72 erstreckt sich über den gesamten Umfang des Flansches 24, mit Ausnahme einer Aussparung für das unten beschriebene Kniehebelsystem.
• Ein röhrenförmiges Bauteil 42, das in der Regel zylindrisch geformt ist und eine kreisförmige Krümmung aufweist, ist in die innere radiale Fläche des Düsenringes 38 gleitend einschiebbar. Das röhrenförmige Bauteil 42 wirkt als Dichtung für den Fall, dass Auspuffgas bis hinter den Düsenring 38 in den zwischen dem Flansch 24 und dem Turbinengehäuse 18 gebildeten Hohlraum 27 austritt und dichtet so das Turbinengehäuse 18 gegenüber dem zentralen Gehäuse 26 ab.
• Um den Betätigungsring 48 zwischen den zwei entgegengesetzten Positionen rotieren zu lassen, die den Variationsgrenzen der Geometrie des Ringspaltes 30 entsprechen, findet ein Kniehebelsystem Verwendung. An einem Ende ist ein Bolzen 50 fest mit einem ersten Gelenkglied 54 verbunden. Der Bolzen 50 passt in den entsprechenden Spalt 92 innerhalb des Betätigungsrings 48, damit er jede Bewegung des Kniehebels auf den Betätigungsring 48 umsetzen kann. An dem anderen Ende ist das erste Gelenkglied 54 fest mit einem Stangenbauteil 56 verbunden. Die Stange 56 führt durch die Bohrung 57 in das Flanschbauteil 24 bis zu einem Punkt außerhalb der Turboladereinheit. In Verbindung mit der Stange 56 wird eine Buchse 58 verwendet. Die Stange 56 ist an ihrem anderen Ende fest mit einem zweiten Gelenkglied 60 verbunden, das wiederum mit einem Stellantrieb gekoppelt ist. Der abgebildete Stellantrieb ist ein vakuumverstärkter Mechanismus, der aus dem Stand der Technik bekannt ist. Ferner ist vorstellbar, dass andere Betätigungsvorrichtungen zur Steuerung der Schaufelbewegungen verwendet werden können.
• Während des Betriebs wird die Bewegung des zweiten Gelenkgliedes 60 über die Stange 56 in die Bewegung des ersten Gelenkgliedes 54 umgesetzt. Die Existenz des Bolzens 50 bewirkt eine Umsetzung jeder Bewegung des Gelenkgliedes 54 in eine rotierende Bewegung des Betätigungsrings 48. Daraufhin rollen die Schaufelarme 46 gegen die Seitenwand der Schlitze 51 und schwenken die Schaufeln 34, während der Düsenring 38 bewe gungslos bleibt. Dadurch wird die Geometrie der zwischen den verschiedenen nebeneinander liegenden Schaufeln gebildeten Kanäle verändert.
• Die 2 und 3 zeigen den Aufhängemechanismus entsprechend der vorliegenden Erfindung.
• Ähnlich wie in 1 trägt das Gehäuse 26 in kreisförmiger Anordnung eine Anzahl von Stiften 55'' , zumindest jedoch drei hiervon, verteilt über den Umfang, welche Stifte Rollen 49 mit Nut 59 tragen. Der innere Rand des Betätigungsrings 48 greift in diese Nuten 59 ein und wird von ihnen geführt.
• Die Stifte 55'' sind frei in Bohrungen 55a des Gehäuses 26 gelagert und der aus diesen Bohrungen herausragende Teil der Stifte hat eine Länge, welche im Wesentlichen der axialen Länge der Rollen 49 entspricht, so dass das freie Stiftende praktisch mit der entsprechenden Axialfläche der jeweiligen Rolle fluchtet, ohne in irgendwelche andere Bohrungen, etwa im Düsenring einzugreifen.
• Zumindest ein Ende der Stifte kann konisch oder abgerundet sein.
• Die beiden Nachteile der EP-0226444 sind hiermit überwunden. Zum einen ist der Zusammenbau des Turboladers wesentlich erleichtert, da die Stifte 55'' nur in jeweils eine Bohrung, nämlich im Gehäuse eingesetzt werden müssen, ohne die Notwendigkeit die andere Enden in irgendwelche andere, mehr oder weniger axial ausgerichtete Bohrungen im Düsenring einführen zu müssen, und zum anderen, weil die Stifte durch die unterschiedlichen Temperaturschwankungen des Gehäuses und des Düsenrings, welches die axiale Ausrichtung der beiden Stiftenden stört, nicht in undefinierter Weise desorientiert sind, da die Stifte nur in eine Bohrung eingreifen, sodass die Geometrie des Betätigungsrings, des Düsenrings und der Führungsrollen unabhängig von den Temperaturschwankungen erhalten bleibt.
• 3 zeigt den erfindungsgemäßen Turbolader und im besonderen den Aufhängemechanismus für den Betätigungsring entsprechend der ersten Ausführungsart der EP-0226444 , worin gleiche Bezugszeichen gleiche Teile designieren wie in 1.
• Die Länge der Stifte sind derart, dass ihre aus den Bohrungen herausragenden Teile im Wesentlichen die gleiche Länge aufweisen wie die axiale Länge der Rollen 49, sodass die freien Enden der Stifte praktisch mit den entsprechenden axialen Flächen der Rollen fluchten.
• Auch kann zum Beispiel der Gehäuseteil, in dem die Bohrungen 55a untergebracht sind, ein vom Turbinengehäuse unabhängiger und mit diesem verbindbarer Bauteil sein, oder er kann mit dem Gehäuse einen einzigen Teil bilden.

Claims (4)

1. Turbolader, bei dem Gas durch einen ersten Ringspalt (30) zur Turbine geführt wird, mit – einem Gehäuse (18, 24, 26), – einem Ring von Leitschaufeln (34) im ersten Ringspalt (30), die schwenkbar auf einem Düsenring (38) gelagert sind, welcher eine Begrenzung des ersten Ringspalts(30) darstellt, – einem Betätigungsring (48) mit kreisförmigem Querschnitt, der so gekoppelt ist, dass er durch relative Rotation in Bezug auf den Düsenring (38) die Leitschaufeln (34) schwenkt, und – einer Aufhängeeinrichtung (55, 59) für den Betätigungsring (48), die eine koaxiale Positionierung des Düsenrings (38) und des Betätigungsrings (48) zueinander und um die Turbinenwelle gewährleistet, wobei in Umfangsrichtung der Ringe (48, 38) auf einem Kreis angeordnete Stifte (55'') sowie mit Bohrungen und Nuten (59) über den Umfang versehene Führungsrollen (49) vorhanden sind, und die Führungsrollen (49) in einem zwischen Betätigungsring (48) und Düsenring (38) gebildeten zweiten Ringspalt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte(55'') einseitig und damit freitragend in Bohrungen (55a) eingreifen, welche in einem Gehäuseteil (24, 26), angebracht sind, und dass die Länge der aus den Bohrungen (55a) herausragenden Stiftteile im Wesentlichen gleich der axialen Länge der Führungsrollen (49) ist.
2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (55'') teilweise in Bohrungen (55a) in einem Gehäuse (24, 26) angeordnet sind.
3. Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsrollen (49) zwei axial beabstandete Flächen aufweisen, und dass die äußeren Enden der Stifte (55'') jeweils mit der entsprechenden Axialfläche der Führungsrollen (49) fluchten.
4. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (55'') zumindest an einem ihrer Enden konisch oder abgerundet sind, um die Einführung in die Bohrungen (55a) in dem Gehäuseteil (24, 26) zu erleichtern.