DE10262006B4 - Turbolader für Fahrzeuge mit verbesserter Aufhängung für den Betätigungsmechanismus der variablen Düsen - Google Patents

Abstract

Ein Turbolader besitzt einen verbesserten Aufhängemechanismus für den Betätigungsring einer variablen Düseneinrichtung, zur verbesserten Beibehaltung der Geometrie dieses Aufhängemechanismus unter hohen Temperaturschwankungen. Der Aufängemechanismus umfasst eine Anzahl von zwischen Betätigungsring (148) und Düsenring (138) angeordneten Führungsrollen (149) mit Umfangsnuten (159), in die der Innenrand des Betätigungsrings (148) eingreift. Die Rollen (149) weisen in einem Stück mit ihnen gefertigte axiale Verlängerungen (149') auf, welche in entsprechende Bohrungen im Düsenring (138) und/oder im Gehäuseteil (126) eingeführt und dort frei drehbar gelagert sind. Die axialen Verlängerungen weisen Durchmesser auf, welche kleiner dem Durchmesser der eigentlichen Rollen sind.

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 Kugellager 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 wurden durch den Turbolader entsprechend dem Patent 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 US-PS 4804316 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 Gehäuses, 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.
• Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, 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 bis 4 sind Querschnitte des relevanten Teils eines Turboladers entsprechend der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Ausführungsarten.
• 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 ersten 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 Umweltschutz-gerechte 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 dessel ben 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. Der Düsenring befindet sich zwischen den Schaufeln und den entsprechenden Schaufelarmen.
• Im Spalt 30 sind eine Reihe von Abstandhaltern 86 platziert. Die Abstandhalter 86 befinden sich 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 48 mit kreisförmigem Querschnitt 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 Abstandhalter 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 bewegungslos bleibt. Dadurch wird die Geometrie der zwischen den verschiedenen nebeneinander liegenden Schaufeln gebildeten Kanäle verändert.
• Die 2 bis 4 zeigen den Aufhängemechanismus entsprechend der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Ausführungsarten.
• In den 2 bis 4 werden jeweils gleiche Bezugszeichen verwendet. Der Düsenring 138 trägt, nahe an seinem äußeren Rand und in kreisförmiger Anordnung über seinen Umfang verteilt, eine Anzahl von Rollen 149, zumindest jedoch drei hiervon. Die Rollen 149 weisen jeweils eine Nut 159 auf, in die der innere Rand des Düsenrings 138 eingreift und dadurch geführt wird.
• Wie in 2 dargestellt, besitzt jede Rolle 149 eine axiale Verlängerung 149', die mit der Rolle 149 in einem Stück gefertigt ist. Diese Verlängerungen 149' sind drehbar in Bohrungen im Düsenring 138 eingeführt und werden hierdurch geführt. Das freie Ende dieser Verlängerungen kann konisch oder abgerundet sein.
• Die beiden Nachteile der EP-0226444 sind hiermit überwunden. Zum einen ist der Zusammenbau des Turboladers wesentlich erleichtert, da keine von den Rollen unabhängige Stifte existieren und die axialen Verlängerungen der Rollen nur in jeweils eine Bohrung, nämlich im Düsenring eingesetzt werden müssen, ohne die Notwendigkeit andere Enden in irgendwelche andere, mehr oder weniger axial ausgerichtete Bohrungen im Gehäuse einführen zu müssen, und zum anderen, weil die Rollen durch die unterschiedlichen Temperaturschwankungen des Gehäuses und des Düsenrings, welches im Stand der Technik die axiale Ausrichtung der Stifte und Rollen stört, nicht in undefinierter Weise desorientiert werden, da die Stifte nur in eine Bohrung eingreifen, sodass die Geometrie des Betätigungsrings, des Düsenrings und der Führungsrollen unabhängig von den Temperaturschwankungen erhalten bleibt.
• In 3 sind die Rollen ähnlich wie in 2 ausgeführt, aber anstelle von axialen Verlängerungen 149' auf der Düsenring-Seite sind axiale Verlängerungen 149'' auf der Gehäuse-Seite vorgesehen, welche in entsprechende Bohrungen im Gehäuse 126 eingreifen.
• Auf diese Art werden die gleichen Vorteile erzielt wie mit der Ausführungsart nach 2 bezüglich erleichterten Zusammenbaus, da die Rollen sowie der Betätigungsring und der Düsenring 138 zuerst mit dem Gehäuseteil 126 zusammengebaut werden können, bevor das Gehäuseteil 126 mit dem Turbinengehäuse 118 verschraubt wird. Auch hier wird somit vermieden, freie Enden von Stiften in mehr oder weniger fluchtende Bohrungen in andere Komponenten einsetzen zu müssen.
• Die beschriebenen Effekte der Temperaturschwankung sind ebenfalls ausgeschaltet, da keine Notwendigkeit mehr besteht, fluchtende Ausrichtung von Bohrungen in zwei verschieden temperaturbelasteten Teilen beibehalten zu müssen.
• 4 zeigt Rollen 149 mit zwei axialen Verlängerungen 149' und 149'', welche in gegenüberliegende Bohrungen sowohl im Düsenring 138 als auch im Gehäuseteil 126 eingreifen. Diese Rollen erlauben auch einen erleichterten Zusammenbau, da sie in einem Stück gefertigt sind und nicht, wie im Stand der Technik, aus zwei voneinander unabhängigen Teilen.
• Auch kann zum Beispiel der Gehäuseteil, in dem die Bohrungen untergebracht sind, ein vom Turbinengehäuse unabhängi ger und mit diesem verbindbarer Bauteil sein, oder er kann mit dem Gehäuse einen einzigen Teil bilden.

Claims (2)

1. Turbolader, bei dem Gas durch einen ersten Ringspalt (30) zur Turbine geführt wird, mit einem Gehäuse, einem Ring von Leitschaufeln (34) im ersten Ringspalt (30), die schwenkbar auf einem Düsenring (138) gelagert sind, welcher eine Begrenzung des ersten Ringspalts (30) darstellt, mit einem Betätigungsring (148) mit kreisförmigem Querschnitt, der so gekoppelt ist, dass er die Schaufeln (34) durch relative Rotation in bezug auf den Düsenring (138) schwenkt, und einer Aufhängeeinrichtung (55) für den Betätigungsring (148), die eine koaxiale Positionierung des Düsenrings (138) und des Betätigungsrings (148) zueinander und um die Turbinenwelle gewährleistet, wobei in Umfangsrichtung der Ringe (138, 148) kreisförmig angeordnete Rollen (149) vorhanden sind, die in einem zwischen Betätigungsring (148) und Düsenring (138) gebildeten zweiten Ringspalt angeordnet und auf Stiften (55) gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte als axiale Verlängerungen (149', 149'') der Rollen (149) ausgebildet und mit diesen aus einem Stück gefertigt sind, wobei die axialen Verlängerungen (149', 149'') kleinere Durchmesser aufweisen als die Rollen (149), dass jede der Rollen (149) zumindest eine axiale Verlängerung (149', 149'') aufweist, welche in Bohrungen entweder im Düsenring (138) oder im Gehäuseteil (126), oder in beiden gelagert sind, und dass die Rollen (149) Ringnuten (159) aufweisen, in denen der Innenrand des Betätigungsrings (148) geführt ist.
2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Verlängerungen (149', 149'') der Rollen an ihren freien Enden konisch oder abgerundet sind, um die Einführung in die Bohrungen zu erleichtern.