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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft eine verbesserte Dichtung für eine z. B. das Turbinengehäuse eines Turboladers durchdringende Welle und den diese Dichtung aufweisenden Turbolader.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bei Turboladern handelt es sich um eine Art Zwangsbeatmungssystem. Sie versorgen den Motoreinlass mit Luft von höherer Dichte als dies bei normaler Ansaugung möglich wäre, was die Verbrennung von mehr Kraftstoff gestattet, wodurch die Motorleistung ohne wesentliche Erhöhung des Motorgewichts gesteigert wird. Durch einen kleinen turboaufgeladenen Motor, der einen Saugmotor mit größeren physischen Abmessungen ersetzt, wird die Masse reduziert und kann die aerodynamisch wirksame Fahrzeugstirnfläche verkleinert werden.
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Turbolader verwenden den Abgasstrom aus dem Motorabgaskrümmer zum Antreiben eines Turbinenrads (21), das im Turbinengehäuse (2) angeordnet ist. Sobald das Abgas durch das Turbinenrad hindurch geströmt ist und das Turbinenrad dem Abgas Energie entzogen hat, tritt das verbrauchte Abgas aus dem Turbinengehäuse heraus und wird zum Fahrzeugflammrohr sowie in der Regel zu Nachbehandlungsvorrichtungen, wie Katalysatoren, Partikelfiltern und Stickstoffoxidfiltern, geleitet.
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Bei Turboladern mit Wastegate steht der Turbinendiffusor über einen Umgehungskanal in Fluidverbindung mit dem Turbinen-Exducer. Die Strömung durch den Umgehungskanal wird durch ein Wastegate-Ventil (61) geregelt. Da sich der Einlass des Umgehungskanals auf der Einlassseite des Diffusors und damit stromaufwärts des Turbinenrads befindet und sich der Auslass des Umgehungskanals auf der Exducer-Seite des Diffusors und damit stromabwärts des Turbinenrads befindet, umgeht die Strömung durch den Umgehungskanal im Umgehungsbetrieb das Turbinenrad, sodass jenes nicht angetrieben wird. Zum Betrieb des Wastegates muss eine Betätigungs- oder Regelkraft von außerhalb des Turbinengehäuses durch das Turbinengehäuse hindurch zum Wastegate-Ventil, das sich innerhalb des Turbinengehäuses befindet, übertragen werden. Beispielsweise kann sich eine Wastegate-Drehwelle durch das Turbinengehäuse hindurch erstrecken. Außerhalb des Turbinengehäuses ist eine Betätigungseinrichtung (73) über ein Gestänge (74) mit einem Wastegate-Hebel (62) verbunden, und der Wastegate-Hebel (62) ist mit der Wastegate-Drehwelle (63) verbunden. Innerhalb des Turbinengehäuses ist die Drehwelle (63) mit dem Wastegate-Ventil (61) verbunden. Die von der Betätigungseinrichtung ausgehende Betätigungskraft wird in eine Drehbewegung der Drehwelle (63), die das Wastegate-Ventil (61) innerhalb des Turbinengehäuses verschwenkt, umgesetzt. Die Wastegate-Drehwelle dreht sich in einer zylindrischen Büchse (68) oder steht in direkter Berührung mit dem Turbinengehäuse. Da sich zwischen der Welle und der Büchsenbohrung, in der die Welle angeordnet ist, ein ringförmiger Spalt befindet, wird das Entweichen von heißem, giftigem Abgas und von Ruß aus dem unter Druck stehenden Turbinengehäuse durch diese Öffnung ermöglicht.
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Turbinengehäuse unterliegen einem großen Temperaturdurchsatz. Die Außenseite des Turbinengehäuses ist der Umgebungslufttemperatur ausgesetzt, während die Diffusoroberflächen, je nach dem im Motor verwendeten Kraftstoff, mit Abgasen von 740°C bis 1050°C in Berührung stehen. Die Temperatur, die um die Wastegate-Drehwelle herum herrscht, liegt in der Regel bei etwa 400°C bis 450°C. Es ist wesentlich, dass die Betätigungseinrichtung über die oben beschriebenen Übertragungsbewegungen das Wastegate genau, reproduzierbar und klemmungsfrei zur Steuerung des Stroms zum Turbinenrad hin steuern kann.
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Eine VTG wird nicht nur zur Steuerung des Abgasstroms zum Turbinenrad verwendet, sondern auch zur Steuerung des Turbinengegendrucks, der zum Antrieb von AGR-Abgas gegen einen Druckgradienten in das Verdichtersystem zum Wiedereintritt in die Brennkammer erforderlich ist. Der Gegendruck innerhalb des Turbinensystems kann im Bereich von bis zu 500 kPa liegen. Ein hoher Druck innerhalb der Turbinenstufe kann zum Entweichen von Abgas durch irgendwelche Durchlässe oder Spalte in die Atmosphäre führen. Der Durchfluss von Abgas durch diese Durchlässe wird gewöhnlich von schwarzen Rußrückständen auf der Austrittsseite des Gasentweichungswegs begleitet. Diese Rußablagerungen, die vom Verbrennungsvorgang des Motors erzeugt werden, sind vom kosmetischen Standpunkt her betrachtet unerwünscht. Daher sind Abgasundichtheiten in Fahrzeugen wie Krankenwagen und Omnibussen ein besonders heikles Thema. Vom Emissionsstandpunkt aus betrachtet wird der aus der Turbinenstufe entweichende Ruß von den Motor-/Fahrzeug-Nachbehandlungssystemen weder aufgefangen noch behandelt. Die Prüfung, ob Partikel entweichen, besteht lediglich darin, dass die Turbinenstufe in Aluminiumfolie gewickelt wird, der Motor für eine gewisse Zeit laufen gelassen wird und die Folie dann auf Spuren von aus der Turbinenstufe des Turboladers entwichenem Ruß untersucht wird.
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Der Ruß, den man aus dem Auspuffrohr eines Dieselmotors austreten sieht, besteht aus seiner Mischung von Abgasnebenprodukten in drei Grundphasen: Grobphase, Sammelphase, und Keimphase. Der Hauptanteil der Partikelmasse besteht aus kohlenstoffhaltigen Agglomeraten und verwandten adsorbierten Stoffen und wird in der Sammelphase, die Durchmessergrößen im Bereich von 0,05 μm bis 1,0 μm aufweist, ausgeschieden. Die Partikel der Keimphase sind in der Regel flüchtige organische und schwefelhaltige Verbindungen, die Durchmessergrößen im Bereich von 0,005 μm bis 0,05 μm aufweisen. Obschon die Partikel in der Keimphase zahlenmäßig überwiegen, stellen sie nur etwa 20% der Masse dar. Partikel in der Grobphase sind im Bereich von 0,1 μm bis 8 μm und tragen weitere 5–20% zur Partikelmasse bei. Partikel in der Grobphase lagern sich in der Regel an den Wänden von Verbrennungs- und Abgasbehältern ab und werden dann vom Abgasstrom mitgenommen.
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In der Regel wurde ein Teil des durch die ringförmige Öffnung, die von einer in einer zylindrischen Bohrung drehenden Welle gebildet wird, entweichenden Gases und Rußes toleriert, da eine bzw. beide Stirnflächen der Büchse entweder mit dem innenliegenden Flansch des Ventilhebels oder dem außenliegenden Flansch des Steuerhebels (oder einer Fläche desselben) des Wastegate-Steuermechanismus in Berührung stehen, und so zeitweise ein Verschließen der Undichtheit erreicht wird.
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Dichtungsmittel, wie z. B. Dichtungsringe, manchmal auch als Kolbenringe bezeichnet, werden gewöhnlich innerhalb eines Turboladers verwendet, um eine Dichtung zwischen dem stillstehenden Lagergehäuse und der dynamischen, sich drehenden Anordnung (d. h. Turbinenrad, Verdichterrad und Welle) zur Steuerung des Durchflusses von Öl und Gas vom Lagergehäuse sowohl zum Verdichter als auch zu den Turbinenstufen hin und umgekehrt zu erzielen. BorgWarner Inc. stellt seit mindestens 1954, als die ersten Turbolader in Massenfertigung hergestellt wurden, Dichtungsringe für diesen Zweck her. Bei einer Welle mit einer Dichtungsringnabe von 19 mm Durchmesser, die mit 150000 U/min dreht, liegt die relative Reibungsgeschwindigkeit zwischen der Dichtungsringwange und der Seitenwand der Dichtungsringnut in der Größenordnung von 149225 mm/s.
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Dichtungsringe der Art, die wie oben beschrieben verwendet wird, finden manchmal Verwendung als Dichtungsvorrichtung für verhältnismäßig langsam drehende Wellen (im Vergleich zu den mit 150000 U/min schnell drehenden Turboladeranordnungsdichtungen). Diese langsam drehenden Wellen drehen sich im Drehzahlbereich von 15 U/min, was einer relativen Reibungsgeschwindigkeit von 7 bis 8 mm/s entspricht.
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Dichtungsringe, wie sie in Turboladern verwendet werden, erzeugen eine Abdichtung, indem sie mit einem Teil der Seitenwand des Dichtungsrings eine Seitenwand einer Dichtungsringnut und mit dem Außendurchmesser des Dichtungsrings den Innendurchmesser der Bohrung, in der die Welle lagert, berühren. Damit der Ring auf der Welle und die Welle und der Ring anschließend in einer Bohrung montiert werden können, muss die Tiefe der Dichtungsringnut so bemessen sein, dass der Ring in seinem Außendurchmesser (und somit in seinem effektiven Umfang und Innendurchmesser) zusammenfallen kann, so dass der Außendurchmesser des Dichtungsrings ungefähr den Innendurchmesser der Bohrung, in der er läuft, annehmen kann. 2A zeigt einen Dichtungsring (80) im natürlich ausgedehnten Zustand, der allerdings durch Ausdehnen des Rings mit Kraftanwendung über den Durchmesser der Welle (63) hinaus und anschließendes Ermöglichen eines Entspannens des Rings in der Nut auf der Welle montiert ist. Beim Einschieben der Welle mit dem aufmontierten Ring in die Bohrung der Büchse (68) drückt eine Anschrägung (60) den Ring zusammen, bis sich der Außendurchmesser des Rings in den Innendurchmesser (70) der Büchse einschieben lässt. Der nun zusammengedrückte Ring dichtet nun in jeder beliebigen axialen Stellung der Welle gegen den Innendurchmesser der Büchse ab.
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In diesem Zustand kann sich der Dichtungsring (80), wie in 3 gezeigt, axial in jeder beliebigen axialen Stellung innerhalb der Grenzen der Ringnut befinden, wobei die Dichtungsringnut radial als der zwischen dem Außendurchmesser der Welle (63) und dem Durchmesser des Bodens (82) der Dichtungsringnut befindliche Raum und axial als die Distanz zwischen den Innen- (83) und Außenwänden der Dichtungsringnut definiert ist. Auf der Grundlage dieser Definition der Dichtungsringnut ist ersichtlich, dass sich unter dem Ring (d. h. zwischen dem Innendurchmesser (84) des zusammengedrückten Kolbenrings und dem Durchmessers des Bodens (82) der Dichtungsringnut) immer ein Raum befindet. Ein Raum kann sich auch zwischen der Innenwand (83) der Dichtungsringnut und der benachbarten Wand des Dichtungsrings befinden. Auf der gegenüberliegenden Seite der Dichtungsringnut kann sich auch ein Raum zwischen der Außenwand (81) der Dichtungsringnut und der benachbarten Wand des Dichtungsrings befinden. 3 zeigt einen Zustand, in dem sich der Dichtungsring (80) etwa zentriert zwischen den Innen- und Außenwänden (83 und 81) der Dichtungsringnut befindet und somit eine Umströmung des Dichtungsrings mit Gas und Ruß zulasst. Da die axiale Stellung des Dichtungsrings von der Reibung zwischen dem Innendurchmesser der Bohrung in der Büchse bestimmt wird und sich der Ring nur durch eine Berührung mit einer Seitenwand einer Nut bewegen lässt, besteht ein nahezu vollständig abdichtender Zustand nur dann, wenn sich die Seitenwand des Dichtungsrings in direkter Berührung mit einer Seitenwand der Dichtungsringnut befindet. In jedem anderen beliebigen axialen Zustand besteht der in 3 gezeigte Undichtheitspfad, und Gas sowie Partikel können durch den Wellenbereich aus der Turbinenstufe entweichen.
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Es besteht eine Anzahl von Patenten, die Ausgestaltungen zur Verminderung dieser Undichtheit bei schnell drehenden Wellen durch den Einsatz mehrerer Dichtungsringe und durch Verändern des Druckdifferenzials über die mehreren Dichtungsringe hinweg durch Einleiten eines Drucks oder Vakuums zwischen den Ringen lehren; die Möglichkeit einer Undichtheit von Gas oder Ruß besteht jedoch immer, es sei denn, die Ringe stehen in direkter Berührung mit der/den Seitenwand/wänden der Nut. In der Praxis stellt sich immer eine gewisse Undichtheit ein, so dass die Ästhetik des Motorraums durch den Durchfluss von mit dieser Undichtheit in Zusammenhang stehenden Ruß oder Partikeln leiden kann.
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Somit wird ersichtlich, dass ein Bedarf an einer Dichtungsausgestaltung besteht, die den Durchfluss von Partikeln unabhängig von der Abgasundichtheit minimiert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung löst die oben beschriebenen Probleme, indem ein halbdurchlässiges Dichtungsmedium in die die drehenden oder verschiebbaren, die Wand eines Turboladergehäuses durchdringenden Wellenanordnungen begrenzenden und abstützenden Elemente eingearbeitet wird und somit das Entweichen von potentiell ästhetisch nachteiligem oder potentiell schädlichem Ruß oder solchen Partikeln minimiert wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird beispielhaft und nicht einschränkend in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, in denen gleiche Bezugszahlen ähnliche Teile bezeichnen und in denen:
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1 einen Schnitt durch einen typischen Wastegate-Turbolader darstellt;
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2A, B zwei Schnitte, die das Zusammendrücken des Dichtungsrings zeigen, darstellen;
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3 eine Schnittansicht, die den Durchfluss durch die Gasundichtheit zeigt, darstellt;
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4 eine Schnittansicht der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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5 eine Schnittansicht einer Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt; und
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6 eine Ansicht der zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Undichtheit gegenüber Gas und Ruß, die von innerhalb eines Turboladers in die reine Umgebungsluft des Turboladers entweichen, wird von Motorenherstellern nicht zugelassen. Seit Anbeginn der Massenproduktion von Turboladern in Dieselmotoren in den fünfziger Jahren verwenden Turboladerhersteller feste Kolbenringe oder Dichtungsringe zum Abdichten gegenüber dem Übertritt von Gasen, Ruß und Öl vom Hohlraum des Lagergehäuses zur Turbine und/oder den Verdichterstufen. Es wäre deshalb logisch, eine solche Dichtung zum Absperren von jeglichem Gas oder jeglichen Stoffen an weniger anspruchsvollen Einsatzorten an einem Turbolader zu entwickeln und anzuwenden.
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Dichtungsringe der Art, die wie oben beschrieben verwendet wird, finden manchmal Verwendung als Dichtungsvorrichtung für verhältnismäßig langsam drehende Wellen (im Vergleich zu den mit 150000 U/min schnell drehenden Turboladeranordnungsdichtungen). Diese langsam drehenden Wellen drehen sich im Drehzahlbereich von 15 U/min, was einer relativen Reibungsgeschwindigkeit von 7 bis 8 mm/s entspricht. Selbst bei den oben beschriebenen Dichtungsmitteln kann sowohl bei schnell als auch verhältnismäßig langsam drehenden Wellen ein Entweichen kleiner Mengen von Gas, Ruß und anderen Partikeln auftreten, was sich negativ auf die Ästhetik eines Motorraums auswirken kann.
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Der Erfinder hat sich mit vielen komplizierten Verfahren zur Verminderung des Entweichens von Gas, Ruß und anderen Partikeln auseinandergesetzt und ist zum Schluss gelangt, dass Ruß und andere Partikel, selbst bei stark verminderten Leckageraten, noch immer entwichen und sich auf der Folie, die während des Versuchs um die Turbinenstufe gewickelt worden war, ansammelten. Somit wurde ein Verfahren zur Minimierung der Undichtheit gegenüber Ruß und anderen Partikeln, das unabhängig von jedem gemessenen Leckagedurchsatz ist, entwickelt.
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Dazu würde der Erfinder eine Dichtung, die durchlässig gegenüber Gas aber undurchlässig gegenüber Ruß wäre, bereitstellen. Für den Zweck dieser Erfindung wird die Definition einer solchen Dichtung als gasdurchlässige-rußundurchlässige Dichtung, abgekürzt GPNSP-Dichtung (gas-permeable-non-soot-permeable (GPNSP) seal), bezeichnet.
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Mehrere Versuche wurden mit einer einfachen, um die drehbare Welle herum gelegten Glasfaserpackung, die Temperaturen von bis zu 650°C widerstehen kann, durchgeführt, und die Versuche zeigten wünschenswerte Resultate. Zu Produktionszwecken, d. h. um Schwankungen des Mediums zu steuern, um den Grad des Rußrückhaltevermögens zu quantifizieren und zur Vereinfachung der Montage, wurden Versuche mit mehreren verschiedenen Materialien in mehreren verschiedenen Präsentationsformen gefahren. Materialien wie Glasfaser, Stahlwolle, Keramikgeflecht und PTFE wurden in Strukturen wie harzgetränkten Fasern, gewebten Fasern und mit verschiedenen Versteifungsmitteln ausgerüsteten Fasern ausgewertet.
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In einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform, wie in 4 abgebildet, wurde an dem dem (äußeren) Ventilhebel (62) zugewandten Ende der Büchse ein ringförmiger Raum der Büchse (68) entweder durch Erweiterung des Innendurchmessers der Büchse oder, wie in 4 gezeigt, durch Verjüngung des Wellendurchmessers zur Schaffung von Platz für das GPNSP-Medium bereitgestellt. Der von der GPSNP-Dichtung beanspruchte ringförmige Raum weist einen Innendurchmesser auf, der annähernd dem der durch sie abgedichteten Welle entspricht, einen Außendurchmesser, der die Bohrung in der Büchse, in welcher das GPNSP-Medium radial begrenzt wird, berührt, und eine Länge, die den zur Verfügung stehenden Raum ausfüllt. Gas kann sich frei durch die GPNSP-Dichtung hindurch bewegen, Partikel werden sich jedoch in dem vorerwähnten ringförmigen Raum hochbewegen und im GPNSP-Medium eingeschlossen.
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In einer wie in 5 abgebildeten Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung ist das GPNSP-Medium so nahe wie möglich beim dem (inneren) Wastegate-Ventil (61) zugewandten Ende der Büchse (68) angeordnet.
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In einer, wie in 6 abgebildeten, zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die gesamte Lange der Bohrung (70) der Büchse (68) zur Bestimmung der Stellung der Drehwelle (63) verwendet, und eine Aufbohrung bzw. zylindrische Verlängerung (66) ist im Ventilhebel (63) zur Aufnahme eines torischen Stücks des GPNSP-Mediums (34) vorgesehen. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Abdichtung gegenüber dem Turbinengehäuse durch die Berührung des GPNSP-Mediums (37) mit der unteren Oberfläche (67) des Ventilhebels (62) und der oberen Oberfläche (65) des Büchsenendes (68) gegeben. Als Dichtungsmaterial der vorliegenden Erfindung kann fast jedes Material, das in einem Dieselrußfilter verwendet wird, Verwendung finden. Katalysatoren, die bei der Regenerierung von Dieselfiltern Verwendung finden, werden in der vorliegenden Erfindung zwar nicht benötigt, können jedoch hinsichtlich der Aufrechterhaltung bzw. Verlängerung der Gasdurchlässigkeit der Dichtung gewisse Vorteile bringen. Bei den bevorzugten Materialien handelt es sich um Materialien, die mechanischen Schwingungen standhalten können. Somit sind Materialien auf Metallbasis, wie z. B. Stahlwolle, und auf Glasbasis, wie z. B. Glasfasern, gegenüber Materialien auf Keramikbasis bevorzugt.
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Bei der innerhalb des Turbinengehäuses befindlichen, von einem außerhalb des Turbinengehäuses befindlichen Betätigungseinrichtung betätigten Vorrichtung handelt es sich vorzugsweise um ein Wastegate, wobei es sich bei der Welle um eine Wastegate-Drehwelle handelt und wobei die Betätigungseinrichtung mit einem Wastegate-Hebel verbunden ist und der Wastegate-Hebel mit der Wastegate-Drehwelle verbunden ist, und wobei sich die Wastegate-Drehwelle durch das Turbinengehäuse erstreckt und mit dem Wastegate-Ventil verbunden ist. Der Wastegate-Hebel (62) ist vorzugsweise mit einer Aufbohrung bzw. zylindrischen Verlängerung (66) zum Festhalten eines torischen Stücks des Dichtungsmaterials in Gegenlage zur Außenseite des Turbinengehäuses oder zum Büchsenende versehen.
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Alternativ dazu handelt es sich bei der innerhalb des Turbinengehäuses befindlichen, von einem außerhalb des Turbinengehäuses befindlichen Betätigungsmechanismus betätigten Vorrichtung um eine Vorrichtung mit variabler Turbinengeometrie (VTG), die einen Verstellring zur Betätigung der Düsendurchgänge bildenden Leitschaufeln umfasst, wobei eine VTG-Betätigungseinrichtung mit einem Hebel an der Welle der Betätigungseinrichtung verbunden ist, und wobei sich die Welle der Betätigungseinrichtung durch das Turbinengehäuse oder das Lagergehäuse hindurch erstreckt und mit einem mit dem Verstellring verbundenen Verbindungshebel verbunden ist.
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Beim Dichtungsmaterial handelt es sich vorzugsweise um gewebte und ringförmig gepresste Glasfasern. Das Dichtungsmaterial liegt vorzugsweise in der Form von Glasfasern, Stahlwolle oder Keramikgeflecht vor.
