DE112011101811T5

DE112011101811T5 - Steuerwellendichtung

Info

Publication number: DE112011101811T5
Application number: DE112011101811T
Authority: DE
Inventors: Daniel N. Ward
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2013-03-14
Also published as: JP2013530337A; CN102892994B; US9488182B2; KR20130113945A; CN102892994A; WO2011149867A2; US20130089411A1; WO2011149867A3; RU2012153936A

Abstract

Die Neigung zu einer Gasleckage um eine Welle herum, die Volumen mit unterschiedlichen Drücken verbindet, in zum Beispiel einem Turbolader wird auf einfache und kostengünstige Weise auf ein Minimum reduziert. Das Hinzufügen eines komplementären Paars kegelstumpfförmiger, konischer oder anderer Profile zu der Grenzfläche der Welle und ihres Lagers halten die Konzentrizität der Welle in ihrer Bohrung aufrecht und verbessern somit die Wirksamkeit bestehender Dichtungsprotokolle.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das Erfordernis einer verbesserten Wellendichtungsausführung für Turboladerwellen, die sich durch die Wände der Gehäusegussteile erstrecken.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Turbolader sind eine Art von Zwangsbeatmungssystem. Sie führen dem Motoreinlass Luft mit einer größeren Dichte zu als es bei der Saug-Konfiguration möglich wäre, wodurch die Verbrennung von mehr Kraftstoff gestattet wird und somit die Leistung des Motors verstärkt wird, ohne das Gewicht des Motors wesentlich zu erhöhen. Durch Verwendung eines kleineren Motors mit Turbolader, der einen Saugmotor mit größeren physischen Abmessungen ersetzt, wird die Masse und die aerodynamische Stirnfläche des Fahrzeugs verkleinert.
Turbolader verwenden den Abgasstrom vom Motorabgaskrümmer zum Antrieb eines Turbinenrads, das im Turbinengehäuse positioniert ist. Wenn das Abgas das Turbinenrad durchströmt hat und das Turbinenrad Energie aus dem Abgas abgezogen hat, tritt das verbrauchte Abgas durch den Exducer aus dem Turbinengehäuse aus und wird zu dem Fahrzeugvorrohr und in der Regel zu Nachbehandlungsvorrichtungen, wie zum Beispiel Katalysatoren, Partikelfiltern und NO_x-Fallen, geleitet.
Die grundlegende Turboladerkonfiguration ist die eines festen Turbinengehäuses. Bei dieser Konfiguration werden die Form und das Volumen des Turbinengehäusediffusors in der Konstruktionsstufe bestimmt und vergossen. Das grundlegende feste Turbinengehäuse ist die kostengünstigste Option, einfach deshalb, weil es am einfachsten ist und am wenigsten Teile aufweist.
Die nächste Verfeinerungsstufe ist die eines Turbinengehäuses mit Wastegate. Bei dieser Konfiguration ist der Diffusor vergossen, wie bei der festen Konfiguration oben. Der Diffusor ist durch einen Kanal mit dem Exducer strömungsverbunden. Strom durch den Kanal wird durch ein Wastegate-Ventil gesteuert. Da sich der Auslass des Wastegate-Kanals auf der Exducer-Seite des Diffusors befindet, die stromabwärts des Turbinenrads liegt, umgeht Strom durch den Wastegate-Kanal im Bypassmodus das Turbinenrad, wodurch er zu der dem Turbinenrad zugeführten Energie nicht beiträgt. Bei Verwendung eines Turboladers mit Wastegate ist der Wastegate-Armteil der Wastegate-Drehwelle auf der Innenseite des Turbinengehäuses mit dem Wastegate-Ventil und mit einem außerhalb des Turbinengehäuses positionierten Aktuator verbunden. Die Wastegate-Drehwelle erstreckt sich zwischen dem Turbinengehäusediffusor und der Außenseite des Turbinengehäuses, dreht sich in einem zylindrischen Lager oder direkt im Turbinengehäuse. Da zwischen der Welle und der Lagerbohrung ein Zwischenraum besteht, ist ein Strom heißen, toxischen Abgases durch diesen Spalt möglich.
Die nächste Verfeinerungsstufe bei der Ladedruckregelung von Turboladern ist die VTG (der allgemeine Begriff für variable Turbinengeometrie). Einige dieser Turbolader haben rotierende Schaufeln und einige haben Gleitabschnitte oder -ringe. Einige Bezeichnungen für diese Vorrichtungen sind: variable Turbinengeometrie (VTG), Turbine mit variabler Geometrie (VGT); Turbine mit variabler Düse (VNT) oder einfach variable Geometrie (VG).
VTG-Turbolader verwenden einstellbare Leitschaufeln (31), die zur Drehung zwischen einem Paar Schaufelringen (30, 32) und/oder einem Schaufelring und einer Düsenwand angebracht sind. Diese Schaufeln werden zur Steuerung des Abgasgegendrucks und der Turboladerdrehzahl durch Ändern des Abgasstroms zum Turbinenrad eingestellt. Bei vielen Konfigurationen ist die Schaufelwelle (36), auf der die Schaufel rotiert, mechanisch mit einem über dem oberen Schaufelring befindlichen Schaufelarm (33) verbunden. Die Schaufeln können durch mit einem Verstellring in Eingriff stehende Gabeln (42) angetrieben werden. Bei vielen Konfigurationen treiben die Gabeln an den Enden der Schaufelarme unabhängig drehbare ”kleine Drehblöcke” (38) an, um Reibung in dem System auf ein Minimum zu reduzieren und die unvermeidliche Verformung und Korrosion in dem Turbinengehäuse und somit den Gestängen zu bewältigen.
Die 1A und 1B zeigen eine VTG-Konfiguration, bei der der Verstellring (22) durch Wälle (34) an den Schaufelarmen (34) gestützt wird. Ein großer Drehblock (37) ist durch eine Welle mit dem Verstellring (22) verbunden.
Eine Verschiebung (durch einen Aktuator) einer Steuerwelle (23) dreht den Dreharm (24), der zum außen liegenden Ende einer Drehwelle (29) hin befestigt ist. Zu dem innen liegenden Ende der Drehwelle hin ist eine Drehwellengabel (35) befestigt. Die Verschiebung der Steuerwelle (23) führt zu einer Drehung der Drehwelle (29) um ihre Achse (28). Diese Drehung wird innerhalb des Gehäuses durchgeführt, um in eine Drehung der Drehwellengabel (35) umgewandelt zu werden. Die Drehung der Drehwellengabel wirkt auf den großen Drehblock (37) ein, was zu einer Drehung des Verstellrings (22) um die Turboladermittellinie (1) führt. Die Drehung des Verstellrings (22) um die Turboladermittellinie (1) bewirkt eine Drehung der mehreren kleinen Drehblöcke (38) um die Turboladermittellinie (1), während sich auch jeder der Blöcke frei um die Mittellinien (27) der Schaufelwellen (36) drehen kann. Diese Bewegung der kleinen Blöcke bewirkt, das sich die Schaufelarme (34) um die Mittellinien (27) der Schaufelwellen (36) drehen und den Angriffswinkel der Schaufeln (31) zum Abgasstrom ändern.
Turbinengehäuse erfahren großen Temperaturfluss. Die Außenseite des Turbinengehäuses ist Luft auf Umgebungstemperatur ausgesetzt, während die Diffusorflächen Abgase berühren, die in Abhängigkeit von dem im Motor verwendeten Kraftstoff von 740°C bis 1050°C reichen. Die oben beschriebenen komplizierten übertragenen Bewegungen ermöglichen es dem Aktuator, den Strom zu dem Turbinenrad auf genaue, wiederholbare, nicht blockierende Weise zu steuern.
Eine VTG wird zur Steuerung des Abgasstroms zu dem Turbinenrad und somit zum Antrieb des Kompressors zum Komprimieren von Einlassluft sowie zur Steuerung des Turbinengegendrucks, der zum Antrieb von AGR-Abgas, gegen einen Druckgradienten, in das Kompressorsystem zum erneuten Einlass in die Brennkammer erforderlich ist, verwendet. Der Gegendruck in dem Turbinensystem kann im Bereich von bis zu 500 kPa liegen. Dieser hohe Druck innerhalb der Turbinenstufe führt zum Entweichen von Abgas durch irgendwelche Durchlässe oder Öffnungen in die Atmosphäre. Das Strömen von Abgas durch diese Durchlässe wird in der Regel von schwarzen Rußresten auf der Austrittsseite des Gasaustrittswegs begleitet. Diese Rußablagerung ist vom kosmetischen Standpunkt her unerwünscht, und das Entweichen von CO, CO₂ und anderen toxischen Chemikalien enthaltendem Abgas ist für die Insassen des Fahrzeugs ein Gesundheitsrisiko, was Abgasleckagen zu einem besonders sensiblen Anliegen in Fahrzeugen, wie zum Beispiel Krankenwagen und Bussen, macht. Vom Emissionsstandpunkt her werden die Gase, die aus der Turbinenstufe entweichen, von den Motor/Fahrzeug-Nachbehandlungssystemen nicht aufgefangen und behandelt.
Ein typisches Verfahren zur Minimierung des Abgasstroms durch den durch eine sich in einer zylindrischen Bohrung drehenden Welle gebildeten Durchlass ist die Verwendung eines Kolbens oder Dichtungsrings. Kolbenringe werden in einem Turbolader gemeinhin zur Steuerung des Durchgangs von Öl und Gas von dem Lagergehäuse sowohl zu der Kompressor- als auch zur Turbinenstufe und umgekehrt verwendet. BorgWarner produziert seit 1954, seit Beginn der ersten Massenproduktion von Turboladern, Kolbenringe für diesen Zweck. Bei einer sich langsam drehenden Welle (nur 150 U/min im Vergleich zu > 150 000 U/min für die rotierende Turboladeranordnung) werden in der Regel das gleiche Verfahren und die gleiche Ausführung eingesetzt, da die Kolbenringe im Allgemeinen auf Lager sind und gut als Gasdurchgangssperrvorrichtung funktionieren.
Bei Verwendungen mit ”sich langsam drehenden Wellen”, wie zum Beispiel jenen, die aktuatorgetriebene VTG-Befehle zur Drehung von Schaufeln oder Wastegate-Aktuatoren übertragen und so das Öffnen von Wastegate-Ventilen ansteuern, bestehen oftmals nicht-rotierende Kräfte, die diese Wellen verwinden, schwenken oder verdrehen. Diese Bewegungen können zu einem vorzeitigen Verschleiß im Kolbenring oder in seinen Gegen-Nuten führen und können schlimmstenfalls ein Blockieren der Drehung oder ein Versagen des Kolbenrings, wenn er in seinen Nuten eingeklemmt wird, verursachen. Diese Situationen verschlimmern die Leckage von Gasen und Teilchen aus dem Turbolader an die Außenatmosphäre.
Somit ist zu sehen, dass eine Notwendigkeit einer relativ einfachen, kostengünstigen Ausführung zur Verbesserung der Abdichtbarkeit und der Lebensdauer der für ”sich langsam drehende” VTG- und Wastegate-Drehwellen in Turboladern verwendeten Gasdichtung besteht.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein vereinfachtes, kostengünstiges Verfahren zum Konzentrischhalten einer Aktuatordrehwelle in ihrer Bohrung zwecks Verbesserung des Dichtungsvermögens, wodurch das Zurückhalten der Abgase in dem Turbolader maximiert und das Entweichen der Gase in die äußere Umgebung des Turboladers auf ein Minimum reduziert wird, und erreicht dies durch Verwendung eines in der Drehwelle hergestellten Merkmals. Insbesondere hat sich nun herausgestellt, dass das Hinzufügen eines komplementären Paars von kegelstumpfförmigen, konischen oder anderen Profilen zu der Grenzfläche der Welle und ihr Lager die Konzentrizität der Welle in ihrer Bohrung aufrechterhält und somit die Wirksamkeit bestehender Dichtungsprotokolle verbessert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen ähnliche Teile bezeichnen, beispielhaft und nicht einschränkend dargestellt. In den Zeichnungen zeigen:
1A, B den Schnitt für eine typische VTG-Turboladerschaufelanordnung;
2 eine Darstellung der Grenzfläche der Steuerwelle mit der Drehwelle;
3A, B eine Schnittansicht einer Drehwelle nach dem Stand der Technik mit einer vergrößerten Ansicht des Lagerbereichs;
4A, B eine Schnittansicht einer Ausführungsform mit einer vergrößerten Ansicht des Lagerbereichs;
5A, B eine Schnittansicht der ersten Ausführungsform der Erfindung mit einer vergrößerten Ansicht des Lagerbereichs;
6A, B eine Schnittansicht der zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einer vergrößerten Ansicht des Lagerbereichs;
7A, B eine Schnittansicht einer Wastegate-Welle nach dem Stand der Technik mit einer vergrößerten Ansicht des Lagerbereichs;
8A, B eine Schnittansicht der dritten Ausführungsform der Erfindung mit einer vergrößerten Ansicht des Lagerbereichs; und
9A, B eine Schnittansicht einer Variation der dritten Ausführungsform der Erfindung mit einer vergrößerten Ansicht des Lagerbereichs.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gas- und Rußleckage aus einem Turbolader an die saubere Umgebungsluft der einen Turbolader umgebenden Atmosphäre wird von Motorherstellern nicht gestattet. Turboladerhersteller haben seit Beginn der ersten Massenproduktion von Turboladern in Dieselmotoren in den 50er Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts Kolbenringe oder Dichtungsringe zur Abdichtung von Gasen und Öl gegen Verbindung zwischen dem Lagergehäusehohlraum und der Turbinen- und/oder Kompressorstufe verwendet. Somit ist die Konstruktion und Anwendung solch einer Dichtung für jegliche Gas- oder Materialdichtungen an weniger anspruchsvollen Stellen an einem Turbolader logisch.
Der typische Dichtungsring weist, (radial) von der Seite gesehen, einen schmalen rechteckigen Querschnitt auf, der teilweise entweder in einer Ringnut in der Welle, für die er Dichtung zwischen der Welle und ihrer Bohrung bereitstellt, oder in der Bohrung, in der sich die Welle dreht, oder in beiden angeordnet ist. Axial ist der Dichtungsring vorzugsweise zur Mitte der Bohrungslagerflächen hin positioniert. Radial basiert der Unterschied der relativen Position des Dichtungsrings und seiner komplementären Nut(en) auf der Funktion. Wenn der Dichtungsring neben der Gas- oder Materialdichtungsfunktion eine axiale Positionierung bereitstellt, dann sitzt der Dichtungsring teilweise in einer Nut in einer Komponente und teilweise in oder an einer Nut oder einem Absatz in der anderen Komponente in dem Satz. Wenn die Funktion lediglich in der einer Gas- oder Materialdichtung besteht, dann hat möglicherweise nur eine Komponente eine darin ausgearbeitete Nut, wobei die andere Komponente in dem Satz keine Nut oder Positionierung aufweist. Die Nut weist in der Regel auch einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei die radiale Tiefe der Nut größer ist als die entsprechende Seite des Dichtungsrings, um eine Montage des Dichtungsrings in der Komponente zu gestatten, während gestattet wird, dass sich die Gegen-Komponente durch den zusammengefallenen oder ausgedehnten Dichtungsring erstreckt, bis sie sich in ihrer montierten Konfiguration befindet. Die Breite der rechteckigen Nut ist idealerweise nahe der Breite des Dichtungsrings zur Bereitstellung einer optimalen Abdichtung. In der Regel gilt, je dichter die Breite der Nut und des Dichtungsrings, desto besser das Dichtungsvermögen.
Aufgrund der abträglichen thermischen und chemischen Umgebung, wird die VTG-Drehwelle in der Regel nicht direkt an einer Bohrung direkt im Turbinengehäuse angebracht, sondern öfter an einem stationären Lager (40), das in einer Bohrung im Turbinengehäuse positioniert ist. Dadurch sollen Wärmeausdehnungskoeffizienten besser Rechnung getragen werden (um enge Toleranzen aufrechtzuerhalten) und es soll ein potenzielles Festfressen zwischen dem Material der Drehwelle und dem Material des Turbinengehäuses unterbunden werden. Das Lager wird in der Regel durch einen Stift (59) durch eine senkrecht zu der Achse des Lagers verlaufende Bohrung, der sich sowohl durch den Außendurchmesser des Lagers als auch durch die Bohrung in dem Turbinengehäuse erstreckt, axial festgehalten, wodurch das Lager in dem Turbinengehäuse festgehalten wird.
In den Fällen, in denen die Welle eine Drehbewegung von außerhalb des Turboladers (zum Beispiel von einem Aktuator) zur Innenseite des Turboladers (zum Beispiel zu einem VTG-Verstellring) überträgt, sind oftmals Nichtdrehkräfte vorhanden, die die Welle in ihrer Bohrung kippen, schwenken, biegen oder verdrehen. Diese Nichtfunktionskräfte können bewirken, dass der Dichtungsring in seiner Nut eingeklemmt wird, zu vorzeitigem Verschleiß oder sogar Versagen des Dichtungsrings oder der Welle und der Bohrung führen.
Die Analyse einer einen typischen Kolbenring als eine Dichtung verwendenden VTG-Drehwelle durch den Erfinder, wobei der Kolbenring in einer im Außendurchmesser der Welle positionierten Nut positioniert ist und gegen die Innenbohrung des Lagers abdichtet, ergab, dass ein Kippwinkel von nur 1/4 Grad ausreichte, den Ring in seiner Bohrung einzuklemmen. Je größer die axialen Zwischenräume zwischen den Seiten des Kolbenrings und den Wangen der Nut, desto geringer das Potenzial für durch ”Einklemmen” erzeugte Beschädigung, aber desto größer der Leckageweg.
Eine Ansicht von außerhalb des betreffenden Turboladers wird in 2 dargestellt. In dieser Darstellung gewährleistet ein Aktuator eine gesteuerte Verschiebung einer Steuerwelle (23), die einen Drehwellenarm (24) zur Drehung der Drehwelle (29) antreibt. Innerhalb des Turboladers ist die Drehwelle (29), wie in 3 dargestellt, radial in einem Lager (40) positioniert, das in Abhängigkeit von der Ausführung entweder in einer Bohrung, mit einer Mittellinie (71) in dem Turbinengehäuse (2), oder direkt in dem Lagergehäuse positioniert ist. Das in der Figur untere (innenseitige) Ende der Drehwelle (29) weist eine an der Drehwelle hergestellte Gabel (35) auf. Diese Gabel steuert die Position des großen Drehblocks (37), wie in 1 dargestellt.
Ein Kolbenring (39) ist in einer Kolbenringnut in der Drehwelle (29) positioniert. In dem dargestellten Stand der Technik stellt die Form der unteren Gabel eine axiale Anlagestelle (44) bereit, die keine Positionierung um volle 360° gegen die Anlauffläche (43) des Lagers (40) bereitstellt, das die axiale Position der Welle zur Außenseite des Turboladers steuert. Zur Außenseite des Turboladers stellt die Oberseite (50) des Lagers (40) eine Anlauffläche bereit, die gegen eine Anlagestelle am Drehwellenarm (24) wirkt, um eine axiale Steuerung der Drehwelle zum Inneren des Turboladers bereitzustellen. Diese Ausführung gestattet einen Leckageweg nicht nur zwischen der Anlagestelle (44) und der Anlauffläche (43), sondern auch um den Dichtungsring (39) herum, wenn die Drehwelle (29) gekippt wird.
Wie in 4 dargestellt, ermöglichte eine Änderung der Ausführung der Dreharmgabel einen vollen 360°-Kontakt zwischen der Anlauffläche (43) des Lagers und der Anlagestelle (44) der Drehwelle. Obgleich diese Ausführungsänderung das Gasdichtungsproblem verminderte, gestattete sie immer noch nicht nur einen Leckageweg um die Anlaufgrenzfläche (43, 44) herum, sondern auch um den Kolbenring (39) herum, wenn die Welle von der Mittellinie (71) der Bohrung des Lagers weg kippte.
Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß der Darstellung in den 5A und 5B fügten die Erfinder zum kosteneffektiven Verhindern eines Kippens der Drehwelle (29), während eine Axialdruckbeschränkung bereitgestellt wurde, der Drehwelle und der Buchse ein Paar selbstzentrierender, komplementärer, Gegen-Kontaktflächen hinzu, zum Beispiel eine kegelstumpfförmige Außenfläche (46) im Lager (40) und der Drehwelle (29) eine kegelstumpfförmige Innenfläche (47). Die Flächen werden als ”kegelstumpf”-förmig bezeichnet, da sich der Scheitel der Form in dem durch die Drehwelle eingenommenen Bereich befinden würde und somit ”abgeschnitten” wäre. Diese kegelstumpfförmige Grenzfläche verhindert, dass die Drehwelle an der Buchse schwenkt und kippt, während die Welle in dem Lager zentriert wird. Eine Nettowirkung der kegelstumpfförmigen Grenzfläche ist, dass der Dichtungsring nicht mehr einem Kippen der relativen Ausrichtung zwischen den Seiten des Dichtungsrings zu den Wangen der Dichtungsringnut und auch jegliches relative Kippen zwischen dem Außendurchmesser des Dichtungsrings und dem Innendurchmesser seiner Gegen-Bohrung in dem Lager ausgesetzt ist. Eine weitere Nettowirkung der kegelstumpfförmigen Grenzfläche ist, da die Welle nun immer fast um 360° Kontakt mit der konischen Gegen-Form im Lager hat, dass diese Grenzfläche als eine Dichtung wirkt und das Gas- und Materialdichtungsvermögen des Dichtungsrings komplettiert.
Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung fügten die Erfinder, wie in den 6A und 6B dargestellt, zum kosteneffektiven Verhindern eines Kippens der Drehwelle (29), während eine Axialdruckbeschränkung bereitgestellt wurde, der Drehwelle und dem Lager ein Paar selbstzentrierender, komplementärer, Gegen-Kontaktflächen hinzu, zum Beispiel eine kugelstumpfförmige Außenfläche (48) im Lager (40) und der Drehwelle (29) eine kegelstumpfförmige Innenfläche (47). Die Flächen werden als ”kugelstumpf”-förmig bezeichnet, da sich der Scheitel der Form in dem durch die Drehwelle eingenommenen Bereich befinden würde und somit ”abgeschnitten” wäre. Diese kugelstumpfförmige Grenzfläche verhindert, dass die Drehwelle an dem Lager schwenkt und kippt, während die Welle in der Buchse zentriert wird. Eine Nettowirkung der kugelstumpfförmigen Grenzfläche ist, dass der Kolbenring nicht mehr einem Kippen der relativen Positionen der Wangen des Dichtungsrings zu den Seiten der Dichtungsringnut und auch jegliches relative Kippen zwischen dem Außendurchmesser des Dichtungsrings und dem Innendurchmesser seiner Gegen-Bohrung in dem Lager ausgesetzt ist. Eine weitere Nettowirkung der kugelstumpfförmigen Grenzfläche ist, da die Welle nun immer fast um 360° Kontakt mit der konischen Gegen-Form im Lager hat, dass diese Grenzfläche als eine Dichtung wirkt und das Gas- und Materialdichtungsvermögen des Dichtungsrings komplettiert.
Für das Definieren der selbstzentrierenden Gegen-Flächen der Welle und der Buchse ist allein erforderlich, dass eine Fläche einen ringförmigen Bereich mit sich verschmälernder Konkavität enthält und die komplementäre Fläche, in der gleichen Richtung betrachtet, einen Bereich mit sich verschmälernder Konvexität enthält, die so zusammenwirken, dass, wenn die beiden Flächen zusammengebracht werden, die sich verschmälernde Konkavität und die komplementäre sich verschmälernde Konvexität bewirken, dass die Welle in dem Lager zentriert wird. Die Flächen können zum Beispiel kegelstumpfförmig, kugelstumpfförmig, teilkonisch und teilkugelförmig, sogar Mischungen aus flach und konisch oder flach und sphärisch (”abgestuft”) oder Kombinationen aus verschieden abgewinkelten konischen Flächen oder Kombinationen aus Flächen mit unterschiedlicher Krümmung sein, die bei der Grenzfläche der Welle und Buchse verwendet werden; es wird angenommen, dass die konischen Flächen einen beliebigen Winkel aufweisen können und die Kurve eine beliebige Krümmung aufweisen kann, solange die Gegen-Flächen eine Konzentrizität mit der Wellenachse aufweisen und zum Zentrieren der Welle auf der Achse des Lagers zusammenwirken. Die Grenzflächenform kann sogar die Form einer rotationssymmetrischen Fläche einer Bézierkurve oder die rotationssymmetrische Form einer Bahn von Bézierkurven annehmen, solange die sich berührenden Flächen zum Zentrieren des unteren Endes der Welle zusammenwirken. Die zusammenwirkenden Flächen könnten sogar mit einer oder mehreren konzentrischen seitenverkehrten ”Wellungen” versehen sein. Da alle Konstruktionen einen ähnlichen Wirksamkeitsgrad haben, würden jedoch Herstellungskosten eine Präferenz für einfachere, leichter herzustellende Flächen vorgeben.
Wie in 1B dargestellt, weist die typische Drehwelle zwei Lager auf: ein unteres Lager (40), das oben beschrieben wird; und ein oberes Lager (41), das für das außen liegende Ende der Welle eine radiale Beschränkung bereitstellt. Da sich das obere Lager bereits außerhalb des Abgasaufnahmeteils des Turboladers befindet, erfordert es kein gasförmiges/flüssiges/massives Dichtungsmedium. Bei dieser Konfiguration sind für die gleiche Kraft und die gleichen Bedingungen, die von dem Drehwellenarm (24) ausgeübt werden, die Momente um die Lager auf ein Minimum reduziert; somit sind die Lagerlasten auf ein Minimum reduziert. Wenn (ähnlich wie bei einem typischen Wastegate) sich außerhalb des Drehwellenarms (24) kein Lager befindet (das heißt eine freitragende Welle), dann wirken die Kräfte durch die Lager im Sinne von am Freiträger wirkenden Kräften, und die auf die Lager übertragenen Kräfte sind viel größer (ein einfacher Fall eines freitragenden Trägers gegenüber dem Fall einer teilweise verteilten Last). Da es viele Faktoren gibt, die die Ausführung eines Turboladers beeinflussen, haben die Erfinder erkannt, dass zur Maximierung der Wirksamkeit des Dichtungsrings bei einer freitragenden Drehwelle die Oberseite des inneren Lagers (40) (in diesem Fall des einzigen Lagers) auch als ein komplementäres Paar kegelstumpfförmiger oder kugelstumpfförmiger Flächen zur Verhinderung von Kippen, Biegen oder Verdrehen der Welle verwenden könnte.
Bei einer Turboladerkonfiguration mit Wastegate ähnelt die Funktion bezüglich der Beschränkungen der Wastegate-Drehwelle stark der der VTG-Drehwelle. Wie in den 7A und 7B dargestellt, ist ein Wastegate-Ventil (61) auf eine Art und Weise mit einem Wastegate-Arm (62) verbunden, die dem Wastegate-Ventil gestattet, an den Befestigungspunkten zu ”wackeln”, so dass das Ventil kippen kann, wenn es in die geschlossene Stellung gleitet. In der Regel ist der Wastegate-Arm (62) entweder mit der Wastegate-Drehwelle (63) verschweißt oder als ein einziges Gussstück vergossen. Der zylindrische Wellenabschnitt der Wastegate-Armanordnung (Welle, Arm, Ventil, Ventilbefestigung) schwenkt um eine Achse (71), die mit der Achse der Bohrung in dem Turbinengehäuse (2) und Lager (60) zusammenfällt.
Die axiale Position der Wastegate-Armanordnung wird in der Regel durch die Flächen der inneren Anlauffläche (64) und der Anlagefläche (65) zu der Innenseite des Turbinengehäuses beschränkt und durch die äußere Anlauffläche (67) und Anlagefläche (66) zur Außenseite des Turbinengehäuses beschränkt. Oftmals wird die Anlagefunktion der Außenseite des Turbinengehäuses durch die Innenfläche des Wastegate-Steuerarms (74) bereitgestellt, der erst nach Montage der Wastegate-Drehwelle (63) an dem Turbinengehäuse montiert und an der Wastegate-Drehwelle (63) befestigt wird. Diese Anordnung wird in der Regel an der eigentlichen Turbinengehäuseanordnung durchgeführt statt bandfern und anschließend in das Turbinengehäuse montiert, somit gibt es kein oberes Lager, und die Nichtdrehkräfte an dem Wastegate-Arm (74) wirken im Sinne von an einem sich von dem unteren und einzigen Lager (60) erstreckenden Freiträger wirkenden Kräften.
Aufgrund der abträglichen thermischen und chemischen Umgebung, wird der Wastegate-Dreharm in der Regel nicht direkt an einer Bohrung im Turbinengehäuse angebracht, sondern öfter an einem Lager (60), das in einer Bohrung im Turbinengehäuse positioniert ist, um Wärmeausdehnungskoeffizienten besser Rechnung zu tragen (um enge Zwischenräume aufrechtzuerhalten) und um das potenzielle Festfressen zwischen dem Material der Drehwelle und dem Material des Turbinengehäuses zu unterbinden. Viele Wastegate-Produktionskonfigurationen verwenden in der Regel einen Kolbenring als eine Dichtungsvorrichtung zwischen der Drehwelle und der zylindrischen Bohrung in dem Lager oder Turbinengehäuse, um die Leckage von Abgas zu begrenzen, obgleich dieses Dichtungsprotokoll bei früheren Turboladern mit Wastegate nicht verwendet wurde.
Bei der dritten Ausführungsform der Erfindung gemäß der Darstellung in den 8A, 8B fügten die Erfinder der Drehwelle und dem Lager ein Paar selbstzentrierender, komplementärer, Gegen-Kontaktflächen hinzu, zum Beispiel eine kugelstumpfförmige Außenfläche (69) im Lager (60) und der Wastegate-Drehwelle (63) eine kugelstumpfförmige Innenfläche (68). Die Flächen werden als ”kugelstumpf”-förmig bezeichnet, da sich der Scheitel der Form in dem durch die Drehwelle eingenommenen Bereich befinden würde und somit ”abgeschnitten” wäre. Diese kugelstumpfförmige Grenzfläche verhindert, dass die Drehwelle an dem Lager schwenkt und kippt, während die Welle in der Buchse zentriert wird. Eine Nettowirkung der kugelstumpfförmigen Grenzfläche ist, dass der Kolbenring nicht mehr einem Kippen der relativen Positionen der Wangen des Dichtungsrings zu den Seiten der Dichtungsringnut und darüber hinaus jegliches relative Kippen zwischen dem Außendurchmesser des Dichtungsrings und dem Innendurchmesser seiner Gegen-Bohrung in dem Lager ausgesetzt ist. Eine weitere Nettowirkung der kugelstumpfförmigen Grenzfläche ist, da die Welle nun immer fast um 360° Kontakt mit der konischen Gegen-Form im Lager hat, dass diese Grenzfläche auch als eine Dichtung wirkt und das Gas- und Materialdichtungsvermögen des Dichtungsrings komplettiert.
Bei einer vierten Ausführungsform der Erfinding, bei der eine sogar noch bessere Dichtung erforderlich ist, wie in den 9A, 9B dargestellt, fügten die Erfinder der Drehwelle und dem Lager ein Paar selbstzentrierender, komplementärer, Gegen-Kontaktflächen hinzu, zum Beispiel eine kugelstumpfförmige Außenfläche (73) im Lager (60) und dem Wastegate-Dreharm (63) eine kugelstumpfförmige Innenfläche (72). Die Flächen werden als ”kugelstumpf”-förmig bezeichnet, da sich der Scheitel der Form in dem durch die Drehwelle eingenommenen Bereich befinden würde und somit ”abgeschnitten” wäre. Diese kugelstumpfförmige Grenzfläche verhindert, dass die Drehwelle an dem Lager schwenkt und kippt, während die Welle in der Buchse zentriert wird, wenn einwärts zum Turbolader Kräfte angelegt werden. Bei typischen Wastegate-Aktuatoren wird Luftdruck (Über- oder Unterdruck) an eine Membran angelegt, die eine Kraft an eine (oder mit einer) Feder ausübt. Die Federn sind in der Regel Schraubenfedern mit abgeschliffenen Endflächen. Die belastete Höhe der Feder wird durch Abschleifen der Länge der Feder so eingestellt, dass die durch die Feder ausgeübten Sitzkräfte von Feder zu Feder nahezu gleich sind. Dieses Protokoll führt oftmals dazu, dass die Feder keine Kraft ausübt, die mit der Mittellinie der Aktuatorausgangsstange zusammenfällt. Dieses Phänomen bewirkt, dass die Aktuatorausgangsstange in einer Position in einem versetzten Winkel von der Sollmittellinienposition sitzt. Nach Montage an dem Wastegate-Steuerarm (74) bewirkt der unerwünschte Versatz, dass eine Kraft axial an der Wastegate-Drehwelle (63) wirkt. In Abhängigkeit von dem Versatzwinkel (der sich irgendwo im 360°-Spektrum befinden kann), könnte der Versatz der Aktuatorstange bewirken, dass eine axial nach innen verlaufende Kraft an der Wastegate-Drehwelle vorliegt, die die innen liegende kegelstumpfförmige/kugelstumpfförmige Fläche von ihrer Gegen-Außenfläche abhebt und einen Leckageweg öffnet. Durch Anlegen eines Paars kugelstumpfförmiger/konischer Flächen (72, 73) an das außen liegende Ende des Lagers neben der bereits bestehenden innen liegenden kugelstumpfförmigen/kegelstumpfförmigen Grenzfläche liegt nicht nur Beschränkung gegen die nach innen verlaufende Kraft vor, sondern es besteht auch eine komplementäre Dichtungsgrenzfläche.
Des Weiteren ist es nicht erforderlich, dass der Innenraum des Behälters oder der Strömungsleitung auf einem erhöhten Druck bezüglich Atmosphäre liegt. Es ist möglich, dass der Innenraum des Behälters oder der Strömungsleitung einen subatmosphärischen Druck hat oder sogar dass der Innenraum zwischen Über- und Unterdruck schwankt. Zum Beispiel enthalten sowohl die Einlass- als auch die Auslasssysteme eines Motors viele Ventile und dergleichen zur Handhabung von Druckdifferenzen von einem Teil des Systems zum anderen, um zu ermöglichen, dass spezielle oder vorübergehende Ereignisse stattfinden, Ereignisse, wie zum Beispiel EGR-Einlass, Turboladerüberdrehzahlverhinderung, Turboladerverzögerungszeitverhinderung, Abgasbremsung, Gegendruckhandhabung. Mindestens ein Merkmal, dass diese Ventile gemein haben, ist, dass die Betätigung der Ventile von außerhalb des Leitungskanals angesteuert wird, um Bewegung/Drehung einer Vorrichtung, wie zum Beispiel eines Ventils oder einer Klappe, innerhalb des Leitungskanals bereitzustellen. In der Regel herrscht Umgebungsdruck außerhalb des Leitungskanals, und innen herrscht ein anderer Druck, sei er positiv, negativ (zum Beispiel Kompressoreinlass im Sperr- oder Pumpzustand), vorübergehend oder eine zeitbasierende Kombination von allem. In jedem dieser Fälle besteht das Erfordernis einer kosteneffektiven, zentrierenden, dichtenden Wellendichtungsausführung.
Obgleich die Wellendichtung hier unter Bezugnahme auf VTG- und Wastegate-Ausführungsformen, die für einen Turbolader geeignet sind, ausführlichst beschrieben worden ist, geht leicht hervor, dass die Wellendichtung zur Verwendung bei mehreren anderen Anwendungen, wie zum Beispiel einem AGR-Klappenventil, einem Ventil oder Schieber zur Steuerung von Strömung in einem geteilten Turbinengehäuse oder einem Abgasstrombypassventil, geeignet ist. Die vorliegende Offenbarung der bevorzugten Ausführungsformen erfolgte beispielhaft, und es können zahlreiche Änderungen der Details von Strukturen und der Zusammensetzung der Kombination durchgeführt werden, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
Schlüssel zu den Figuren

1A
Prior Art → Stand der Technik
1B
Prior Art → Stand der Technik
2
Prior Art → Stand der Technik
3A
Prior Art → Stand der Technik
3B
Prior Art → Stand der Technik
7A
Prior Art → Stand der Technik
7B
Prior Art → Stand der Technik

Claims

Turbolader mit: einem Turboladergehäuse, einem Betätigungsmechanismus (35) zur Betätigung einer Vorrichtung (22) in dem Turbolader, und einer Drehwelle (29) mit einem innen liegenden Ende innerhalb des Turbinengehäuses und einem außen liegenden Ende außerhalb des Turbinengehäuses, und die drehbar in einer Bohrung im Turboladergehäuse zur Übertragung einer Betätigungsbewegung von außerhalb des Turboladergehäuses zu dem Betätigungsmechanismus (35) angebracht ist, wobei die Welle oder die Bohrung mit einer Dichtung (39) versehen ist, und wobei die Welle und die Bohrung mit komplementären, konzentrischen, selbstzentrierenden Gegen-Kontaktflächen für (a) Zentrierung und Verhinderung von Kippen der Dichtung und (b) weitere Abdichtung gegen Leckage versehen sind.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei sich ein Durchmesser (47, 49) eines Segments der sich durch die Bohrung erstreckenden Welle verschmälert und sich ein Durchmesser (46, 48) eines Segments der Bohrung komplementär zu dem sich verschmälernden Durchmesser der Welle verschmälert.
Turbolader nach Anspruch 2, wobei die Form der sich verschmälernden Konvexität und Konkavität kegelstumpfförmig, kugelstumpfförmig, teilkonisch, teilkugelförmig, Mischungen aus flach und konisch oder flach und sphärisch (”abgestuft”), Kombinationen aus verschieden abgewinkelten konischen Flächen oder Kombinationen aus Flächen mit unterschiedlicher Krümmung ist.
Turbolader nach Anspruch 3, wobei die Welle und die Bohrung eine 360°-Konzentrizität an den Gegen-Kontaktflächen aufweisen.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei der Dichtungsteil eine Umfangsnut umfasst, in der ein Dichtungsring untergebracht ist.
Turbolader nach Anspruch 5, wobei der Dichtungsring und die Nut einen rechteckigen Querschnitt haben.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung eine variable Düsenvorrichtung ist, die einen Betätigungsring zur Betätigung von Düsendurchgänge bildenden Schaufeln umfasst.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ein Wastegate ist.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei die Bohrung durch das Turboladergehäuse durch eine Buchse mit einem innen liegenden Ende und einem außen liegenden Ende gebildet wird.
Turbolader nach Anspruch 9, wobei die selbstzentrierenden, komplementären, konzentrischen Gegen-Kontaktflächen in der Buchse am innen liegenden Ende gebildet sind.
Turbolader nach Anspruch 9, wobei die selbstzentrierenden, komplementären, konzentrischen Gegen-Kontaktflächen in der Buchse am innen liegenden Ende und am außen liegenden Ende gebildet sind.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei der Turbolader ein Kompressorgehäuse, ein Lagergehäuse und ein Turbinengehäuse aufweist und wobei die Bohrung durch das Turbinengehäuse verläuft.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei der Turbolader ein Kompressorgehäuse, ein Lagergehäuse und ein Turbinengehäuse aufweist und wobei die Bohrung durch das Lagergehäuse verläuft.
Vorrichtung zur Übertragung einer Drehkraft durch eine eine Druckdifferenz trennende Wand, umfassend: eine Wand mit einer ersten und einer zweiten Seite, wobei ein erster Druck auf einer Seite der Wand und ein zweiter Druck auf der anderen Seite der Wand herrscht, eine Drehwelle (29) mit einem ersten Ende auf einer Seite der Wand und einem zweiten Ende auf der anderen Seite der Wand und die drehbar in einer durch die Wand verlaufenden Bohrung angebracht ist, um eine Betätigungsbewegung von einer Seite der Wand auf die andere Seite der Wand zu übertragen, wobei die Welle oder die Bohrung mit einer Dichtung (39) versehen ist, und wobei die Welle und die Bohrung mit komplementären, konzentrischen, selbstzentrierenden Gegen-Kontaktflächen für (a) Zentrierung und Verhinderung von Kippen der Dichtung und (b) weitere Abdichtung gegen Leckage versehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Wand einen Druck- oder Vakuumraum einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Wand der Strömungskanal eines Motoreinlasses ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei der Strömungskanal einen inneren Raum einschließt, der während des Betriebs eines Motors manchmal auf subatmosphärischem Druck und manchmal auf überatmosphärischem Druck liegt.