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GEBIET DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen richten sich allgemein auf Turbolader und insbesondere auf die Grenzfläche zwischen einer Welle und einem Gehäuse in einem Turbolader.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Turbolader sind eine Art von Zwangsinduktionssystem. Sie führen Luft mit größerer Dichte, als dies in der normalen Ansaugkonfiguration möglich wäre, an den Motoreinlass und sorgen dafür, dass mehr Kraftstoff verbrannt werden kann, wodurch sie die Motorleistung verstärken, ohne das Motorgewicht erheblich zu erhöhen. Ein kleinerer turbogeladener Motor, der einen körperlich größeren Normalsaugmotor ersetzt, reduziert die Masse und kann die aerodynamische Frontfläche des Fahrzeugs vermindern.
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Ein Beispiel eines typischen Turboladers (10) ist in 1 dargestellt. Der Turbolader (10) nutzt den Abgasstrom aus dem Auspuffsammelrohr des Motors zum Antreiben eines Turbinenrads (12), das in einem Turbinengehäuse (14) untergebracht ist. Nachdem das Auspuffgas das Turbinenrad (12) passiert hat und das Turbinenrad (12) dem Auspuffgas Energie entzogen hat, verlässt das Restabgas das Turbinengehäuse (14) durch einen Auslass (Exducer) und wird zur Fallleitung des Fahrzeugs und gewöhnlich zu Nachbehandlungsvorrichtungen wie Katalysatoren, Partikelfilter und NOx-Filter geführt.
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In einem Wastegate-Turbolader ist das Turbinenspiralgehäuse über eine Bypassleitung strömungstechnisch mit dem Turbinenauslass verbunden. Die Durchströmung der Bypassleitung wird über ein Ladedruckregelventil (Wastegate-Ventil) (16) gesteuert. Da sich der Einlass der Bypassleitung auf der Einlassseite des Turbinenspiralgehäuses, also vor dem Turbinenrad (12), und der Auslass der Bypassleitung auf der Auslassseite des Spiralgehäuses, also hinter dem Turbinenrad (12), befindet, wird im Bypass-Modus der durch die Bypassleitung fließende Massenstrom am Turbinenrad (12) vorbei geleitet und trägt somit nicht zur vom Turbinenrad entzogenen Energie bei. Zum Betreiben des Wastegate muss eine Stell- oder Steuerkraft von der Außenseite des Turbinengehäuses (14) durch das Turbinengehäuse (14) an das Wastegate-Ventil (16) im Inneren des Turbinengehäuses (14) übertragen werden. Dazu erstreckt sich eine Wastegate-Schwenkwelle (18) durch das Turbinengehäuse (14).
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Außerhalb des Turbinengehäuses (14) ist ein Aktor (20) vorgesehen. Der Aktor (20) ist über ein Gestänge (24) mit einem Wastegate-Hebelarm (22) verbunden und der Wastegate-Hebelarm (22) ist mit der Wastegate-Schwenkwelle (18) verbunden. Im Turbinengehäuse (14) ist die Schwenkwelle (18) mit dem Wastegate-Ventil (16) verbunden. Die vom Aktor (20) ausgehende Stellkraft wird in Drehung der Schwenkwelle (18) übersetzt, die das Wastegate-Ventil (16) im Inneren des Turbinengehäuses (14) bewegt. In einigen Fällen rotiert die Wastegate-Schwenkwelle (18) in einer zylindrischen Buchse (26), die in einer Bohrung (28) im Turbinengehäuse (14) vorgesehen ist. In anderen Fällen rotiert die Wastegate-Schwenkwelle (18) ohne Buchse in einer Bohrung im Turbinengehäuse (14).
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Turbinengehäuse (14) sind während des Betriebs des Turboladers (5) großen Temperaturströmen ausgesetzt. Die Außenseite des Turbinengehäuses (14) ist der umgebenden Lufttemperatur ausgesetzt, während die Oberflächen des Turbinenspiralgehäuses mit Abgasen in Kontakt stehen, die 740°C bis 1050°C heiß sind, je nachdem, welchen Kraftstoff der Motor verwendet. Es ist also wesentlich, dass der Aktor (20) das Wastegate-Ventil (16) so ansteuern kann, dass der Zustrom zum Turbinenrad (12) exakt, wiederholbar und blockiersicher gesteuert wird.
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Ferner gibt es einen Ringraum (34) zwischen der äußeren Umfangsfläche (30) der Schwenkwelle (18) und der inneren Umfangsfläche (32) der Bohrung der Buchse (26), in der sich die Welle befindet. Durch diesen Ringspalt können heiße, toxische Abgase und Ruß aus dem druckbeaufschlagten Turbinengehäuse (14) austreten. Rußablagerungen sind aus ästhetischen Gründen unerwünscht und ein Austreten von Auspuffgasen mit CO, CO2 und anderer toxischer chemischer Inhaltsstoffe kann für die Fahrzeuginsassen gesundheitsgefährdend sein. Deshalb sind Abgaslecks in Fahrzeugen wie Krankenwagen und Bussen ein besonders heikles Problem. Aus Sicht der Emissionen werden die aus der Turbinenstufe austretenden Gase weder erfasst noch von den Nachbehandlungssystemen des Motors/Fahrzeugs behandelt.
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Es gab viele Versuche, das Austreten von Abgas und Ruß durch diesen Ringspalt (34) zu minimieren. Beispielsweise wurden Abdichtmittel wie Dichtringe (auch bezeichnet als Kolbenringe) verwendet. In 2 ist ein Dichtring (36) zwischen der Schwenkwelle (18) und der Buchse (26) vorgesehen. Der Dichtring (36) kann die innere Umfangsfläche (32) der Buchse (26) und die Welle (18) abdichten. Der Dichtring (36) kann teilweise in einer Ringnut (38) sitzen, die in der Welle (18) vorgesehen ist.
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Die Ringdichtung (36) kann zwar den Durchgang von Abgas und Ruß (40) zu einem gewissen Ausmaß minimieren, aber ein Zustand von im Wesentlichen vollständiger Abdichtung lässt sich nur erreichen, wenn der Dichtring in direktem Kontakt mit einer Seitenwand (42, 44) der Dichtringnut (38) steht. In den meisten Zuständen kann jedoch ein Leckweg bestehen, wie in 2 allgemein dargestellt. Es gab zwar zahlreiche Bemühungen zur Reduzierung dieser Leckage durch Vorsehen mehrerer Ringdichtungen und Ändern des Druckdifferentials über die mehreren Dichtringe hinweg durch Anlegen eines Drucks oder Vakuums zwischen den Ringen, aber das Leckpotenzial besteht fort, so lange nicht die Dichtringe (36) in direktem Kontakt mit der Seitenwand bzw. den Seitenwänden (42, 44) der Nut (38) stehen.
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Es gibt also einen Bedarf für ein wirksames Abdichtungssystem zur Minimierung des Durchgangs von Abgas und Ruß in einem Turbolader.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Hier beschriebene Ausführungsformen können ein wirksames Abdichtungssystem für einen Turbolader an der Grenzfläche zwischen einem rotationsfähigen Element und einer umgebenden Struktur bereitstellen, wie an der Grenzfläche, wo eine Schwenkwelle im Turbinengehäuse eines Wastegate- oder VTG-Turboladers aufgenommen wird. Das Abdichtungssystem kann ein federbelastetes, selbstzentrierendes komplementäres Paar sich verengender Dichtflächen einführen, die einander stumpfkugelig oder stumpfkegelig ergänzen können. Der Federdruck kann das Paar komplementärer Dichtflächen zusammendrücken und dabei einen Dichtkontakt erzeugen und diesen Kontakt aufrechterhalten. Damit kann eine durchgehende Gas- und Rußabdichtung zwischen einer innen mit Abgas und Ruß beaufschlagten Kammer und der äußeren Umgebung erreicht werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird beispielhaft und nicht beschränkend in den Begleitzeichnungen illustriert, in denen gleiche Bezugszeichen ähnliche Elemente bezeichnen, wobei:
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1 eine Querschnittsansicht eines typischen Wastegate-Turboladers ist;
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2 eine Schnittansicht einer Grenzfläche zwischen einer Welle und einer Buchse in einem typischen Turbolader ist und einen Gasleckweg zeigt;
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3A–B eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform eines Abdichtungssystems zeigen;
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4A eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform eines Abdichtungssystems ist, bei dem zwischen einem Einsatz und einer Welle eine nichtstarre Verbindung vorgesehen ist;
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4B eine Querschnittsansicht der zweiten Ausführungsform eines Abdichtungssystems ist, bei dem zwischen dem Einsatz und der Welle eine starre Verbindung vorgesehen ist;
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5 eine Querschnittsansicht einer alternativen Gestaltung der zweiten Ausführungsform eines Abdichtungssystems ist;
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6 eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform eines Abdichtungssystems ist;
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7 eine Querschnittsansicht einer alternativen Anordnung ist, bei der die Dichtflächen des Abdichtungssystems stumpfkegelig sind; und
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8 eine Querschnittsansicht einer alternativen Anordnung ist, bei der das Abdichtungssystem einen Kolbenring beinhaltet.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Hier beschriebene Anordnungen beziehen sich auf Geräteturbolader mit einem verbesserten Abdichtungssystem für die Grenzfläche zwischen einer Welle und einer umgebenden Struktur (z. B. zwischen einer Schwenkwelle und einer Schwenkwellenbuchse). Vorliegend werden detaillierte Ausführungsformen offengelegt; es versteht sich jedoch, dass die offengelegten Ausführungsformen nur als beispielhaft gedacht sind. Deshalb sind hier offenbarte spezielle strukturelle und funktionale Details nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern nur als Basis für die Ansprüche und als repräsentative Grundlage, um einen Fachmann zu lehren, die hier dargelegten Aspekte in praktisch jeder geeignet detaillierten Struktur auf verschiedene Weise zu nutzen. Ferner sind die hier verwendeten Ausdrücke und Sätze nicht als einschränkend gedacht, sondern sollen mögliche Realisierungen verständlich beschreiben. In den 3–8 sind Anordnungen dargestellt, aber die Ausführungsformen sind nicht auf die illustrierte Struktur oder Anwendung beschränkt.
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Ausführungsformen richten sich auf die Verwendung komplementärer verengender Dichtflächen, die an einem rotationsfähigen oder beweglichen Element (z. B. an einer Welle, an der Schwenkwelle oder an einem auf einer Schwenkwelle vorgesehenen Element) und einer umgebenden Struktur (z. B. der Schwenkwellenlaufbuchse) vorgesehen sind, zusammen mit einem System zum Halten des Eingriffs dieser Dichtflächen während des Betriebs des Turboladers.
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Die verengenden Dichtflächen können jede geeignete Form aufweisen. Der Durchmesser oder die Breite der verengenden Dichtflächen kann im Allgemeinen über die Länge der Welle oder des rotationsfähigen Elements abnehmen. In einer Ausführungsform kann eine Dichtfläche einen Bereich konkaver Verengung beinhalten und die andere Dichtfläche kann einen komplementären Bereich konvexer Verengung aufweisen.
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Beispiele geeigneter verengender Dichtflächen können Oberflächen umfassen, die allgemein stumpfkegelig, stumpfkugelig, teilkegelig, teilkugelig, gestuft, gleichmäßige Kombinationen von flach und kegelig oder flach und kugelig, oder Kombinationen unterschiedlich gewinkelter kegeliger Oberflächen oder Kombinationen unterschiedlich gekrümmter Oberflächen sind, die in der Grenzfläche von Welle und Buchse verwendet werden. Die kegeligen Oberflächen können in jedem geeigneten Winkel vorgesehen werden und die gekrümmten Oberflächen können in jeder geeigneten Krümmung vorgesehen werden. Die verengenden Dichtflächen können im Wesentlichen konzentrisch zur Wellenachse sein. Diese und andere verengende Dichtflächen sind in
WO 2011/149867 A2 beschrieben, auf deren Offenlegung hier Bezug genommen wird.
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Die folgende Erörterung wird im Zusammenhang mit einer Grenzfläche zwischen einem rotierenden Element (z. B. einer Wastegate-Schwenkwelle oder einer VTG-Steuerwelle) und einer umgebenden Struktur (z. B. einer Buchse oder dem Turbinengehäuse) beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass hier beschriebene Ausführungsformen in einem Turbolader an jeder geeigneten Stelle verwendet werden können, wo ein rotierendes Element wenigstens teilweise innerhalb einer anderen Struktur aufgenommen wird.
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Ein Beispiel einer ersten Ausführungsform eines Wellenabdichtungssystems (50) ist in den 3A–3B dargestellt. Das System (50) kann ein komplementäres Paar verengender Dichtflächen (52, 54) beinhalten, die auf der Schwenkwelle (18) und der Buchse (26) vorgesehen sind. Die Dichtflächen (52, 54) sind zwar stumpfkegelig dargestellt, aber es liegt auf der Hand, dass die Dichtflächen (52, 54) eine beliebige geeignete Konfiguration haben können, für die weiter oben einige Beispiele beschrieben sind. Die Dichtflächen (52, 54) sind als „stumpf”-kegelig bzw. „stumpf”-kugelig bezeichnet, da die Spitze der Form in dem Bereich liegen würde, die von der Schwenkwelle (18) eingenommen wird, und entsprechend „abgeschnitten” würde. Diese stumpfkegelige Schnittfläche kann ein Kippeln und Verkanten der Schwenkwelle (18) an der Buchse (26) verhindern, während die Welle (18) in der Buchse (26) zentriert wird.
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Die Buchse (26) kann axial durch einen Flansch (56) eingeschränkt werden. Die axiale und winklige Einschränkung der Buchse (26) kann durch einen Stift (nicht dargestellt) erfolgen, der zwischen einem Außendurchmesser der Schwenkwellenlaufbuchse (26) und dem Turbinengehäuse (14) eingesetzt wird, oder die axiale Einschränkung kann durch mechanischen Eingriff und/oder durch andere geeignete Mittel zum inneren Ende der Buchse (26) hin erfolgen.
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In einer Ausführungsform kann die Dichtfläche (54) von der Welle (18) selbst definiert werden, wie in 3A–3B dargestellt. In diesem Fall kann das Merkmal in die Welle (18) eingearbeitet werden, beispielsweise durch spanende Bearbeitung. Alternativ kann die Dichtfläche (54) durch ein separates Element (nicht dargestellt) definiert werden, das starr an der Welle (18) angebracht werden kann, wie durch Presspassung, mechanischen Eingriff, Befestigungsmittel, Klebemittel und/oder andere geeignete Anbringungsmittel. Obwohl 3 die Dichtfläche (54) an der Welle als konvex stumpfkegelig und die an der Buchse (26) vorgesehene Dichtfläche (52) als konkav stumpfkegelig zeigt, ist es ersichtlich, dass die entgegengesetzte Anordnung vorgesehen werden könnte, d. h. eine konvexe stumpfkegelige Dichtfläche kann an der Buchse (26) und eine konkave stumpfkegelige Dichtfläche kann an der Welle (18) vorgesehen werden.
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Das System (50) kann ferner ein Vorspannelement beinhalten. Das Vorspannelement kann zum Beispiel eine Feder (58) sein. Bei der Feder (58) kann es sich um jede geeignete Art von Feder handeln, wie um eine Spiralfeder oder eine Wellfeder. In der in den 3A und B dargestellten Anordnung kann die Feder (58) zwischen einer Struktur, die einen Abschnitt der Welle (18) umgibt, und einer Struktur, die an einem äußeren Endbereich (60) der Welle (18) angebracht ist, wirksam positioniert werden. Die Feder (58) kann beispielsweise zwischen der Schwenkwellenbuchse (26) und dem am Endbereich (60) der Welle (18) angebrachten Hebelarm (22) wirksam positioniert werden. Der Hebelarm (22) kann in geeigneter Weise wie durch ein oder mehr Befestigungsmittel, mechanischen Eingriff, Klebemittel, Schweißen und/oder andere Mittel mit der Welle (18) wirksam verbunden sein. Der Begriff „wirksam verbunden” kann nach vorliegendem Gebrauch direkte oder indirekte Verbindungen umfassen, also auch Verbindungen ohne unmittelbaren körperlichen Kontakt. Der Gebrauch der Ausdrücke „äußere” und „innere” erfolgt in Bezug auf die Schwenkwelle (18) zur vereinfachten Bezeichnung der allgemeinen Position eines Teilabschnitts der Welle (18) relativ zum Wastegate-Ventil (16) oder relativ zu einem anderen Element, das von der Bewegung der Welle (18) direkt oder indirekt beeinflusst wird. Somit befindet sich ein „innerer” Abschnitt der Welle (18) näher zum Wastegate-Ventil (16) als ein „äußerer” Abschnitt der Welle (18).
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Die Feder (58) kann in eine nach außen gerichtete Oberfläche (62) auf der Schwenkwellenbuchse (26) und in eine der Buchse zugewandte Oberfläche (64) des Hebelarms (22) wirksam eingreifen. Damit kann die Feder (58) allgemein in einer zweiten Richtung (68) eine Kraft auf die nach außen gerichtete Oberfläche (62) der Schwenkwellenbuchse (26) ausüben. Die Feder (58) kann gleichzeitig in einer ersten Richtung (66) eine Kraft auf die Oberfläche (64) des Hebelarms (22) ausüben. Die erste Richtung 66 kann der zweiten Richtung 68 entgegengesetzt sein. Dementsprechend kann die Dichtfläche (52) aufgrund der Kraft der Feder (58) in die zweite Richtung (68) (d. h. in der Anordnung von 3B nach unten) gedrückt werden. Die Dichtfläche (54) kann in die erste Richtung (66) (d. h. in der Anordnung von 3B nach oben) gezogen werden, wenn der Hebelarm (22) von der Feder (58) in die erste Richtung (66) gedrückt wird und dadurch die wirksam verbundene Schwenkwelle (18) mit sich zieht. So kann das Paar komplementärer Dichtflächen (52, 54) durch die Reaktion einer Feder (58) zusammengebracht werden und erzeugt dadurch eine Abdichtung, um zu vermeiden, dass ein Gas- und Rußstrom aus dem Turbinengehäuse (14) in die Umwelt austritt. Eine solche Abdichtung kann durch den Fortbestand der von der Feder (58) ausgeübten Kraft aufrechterhalten werden.
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Durch die Selbstzentrierungsaktion der Feder (58) zu den paarigen Dichtflächen (52, 54) kann die Schwenkwelle (18) so herangezogen werden, dass diese im Wesentlichen konzentrisch zur gewünschten Rotationsachse um die Achse (70) ist und der Spannaktion widersteht, die durch die Sitzdruckanforderung des Aktors verursacht wird. Im Ergebnis kann die Überlappung der Wastegate-Ventilfläche zu der von ihr abgedichteten Wastegate-Öffnung kleiner sein, woraus sich die Möglichkeit zur Größenreduzierung des Wastegate-Ventilkopfes ergibt.
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Eine zweite Ausführungsform eines Wellenabdichtungssystems (50') ist in den 4A–B dargestellt. In dieser Ausführungsform kann das Paar komplementärer verengender Dichtflächen (52, 54) zur Außenseite der Wastegate-Schwenkwelle (18) hin angeordnet sein, um eine „äußere Dichtung” herzustellen. Die obige Beschreibung der Dichtflächen (52, 54) gilt gleichermaßen für das System (50'). Die Dichtfläche (54) an der Welle (18) kann konvex stumpfkegelig und die an der Buchse (26) vorgesehene Dichtfläche (52) kann konkav stumpfkegelig sein. Die Dichtfläche (54) kann durch die Welle (18) definiert sein. In bestimmten Fällen ist jedoch eine solche Anordnung nicht möglich oder nicht praktisch. Da der Einbau des Hebelarms (22) typischerweise in einer Richtung vom Inneren des Turbinengehäuses (14) nach außen (das heißt für die bildliche Darstellung in 4A nach oben) erfolgt, kann die Dichtfläche (54) an einem separaten Einsatz (72) vorgesehen werden, der an die Wastegate-Schwenkwelle (18) angebaut wird, nachdem die Schwenkwelle (18) in die sie aufnehmende Buchse (26) eingeführt wird.
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Der Einsatz (72) kann in geeigneter Weise an der Welle (18) angebracht werden, darunter beispielsweise in nichtstarrer Weise, so dass die Welle (18) sich relativ zum Einsatz (72), z. B. auch in Axialrichtung (70), bewegen kann. In anderen Fällen kann der Einsatz (72) jedoch starr an dieser Welle (18) angebracht sein. „Starr angebracht” bedeutet, dass der Einsatz (72) mit der Welle (18) ausgebildet wird oder dass der Einsatz (72) so an der Welle (18) angebracht wird, dass die Welle (18) und der Einsatz (72) sich im Verhältnis zueinander, zumindest in Axialrichtung (70), im Wesentlichen nicht bewegen, das heißt, sie bewegen sich zusammen zumindest in Richtung der Achse (70). Beispiele starrer Anbringung sind unter anderem Presspassung, mechanischer Eingriff, Befestigungsmittel, Klebemittel und/oder andere geeignete Anbringungsmittel.
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Der Einsatz (72) kann aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein. Beispielsweise kann der Einsatz (72) aus einem hitzebeständigen Metall hergestellt werden, das mit der Welle (18) und/oder der Buchse (26) zumindest aus tribologischer Sicht und/oder aus Sicht der galvanischen Korrosion kompatibel ist.
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Das System (50') kann ferner ein Vorspannelement beinhalten. Das Vorspannelement kann zum Beispiel eine Feder (58) sein. Bei der Feder (58) kann es sich um jede geeignete Art von Feder handeln, wie um eine Spiralfeder oder eine Wellfeder. In der in 4A dargestellten Anordnung kann die Feder (58) zwischen dem Einsatz (72) (oder auch, falls die Dichtfläche (54) an der Welle (18) vorgesehen ist, zwischen der Welle (18) selbst) und einer Struktur, die an einem äußeren Endbereich (60) der Welle (18) angebracht ist, wie dem Hebelarm (22), wirksam positioniert werden. Eine solche Anordnung kann sich für Fälle eignen, in denen der Einsatz (72) nichtstarr an der Welle (18) angebracht ist, wie durch Spielpassung. In einer nichtstarren Anordnung können die Welle (18) und der Einsatz (72) sich im Verhältnis zueinander bewegen, zumindest in Axialrichtung (70).
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Die Feder (58) kann in eine nach außen gerichtete Oberfläche (74) am Einsatz (72) oder an der Welle (18) und in die der Buchse zugewandte Oberfläche (64) des Hebelarms (22) wirksam eingreifen. Die Feder (58) kann somit eine Kraft auf die Oberfläche (64) des Hebelarms (22) in einer ersten Richtung (66) ausüben. Die Feder (58) kann gleichzeitig in der zweiten Richtung (68) eine Kraft allgemein auf die nach außen gerichtete Oberfläche (74) des Einsatzes (72) ausüben. Dementsprechend kann die Dichtfläche (54) aufgrund der Kraft der Feder (58) in die zweite Richtung (68) (d. h. in der Anordnung von 4A nach unten) gedrückt werden. Die an der Buchse (26) vorgesehene Dichtfläche (52) kann in die erste Richtung (66) (d. h. in der Anordnung von 4A nach oben) gezogen werden, wenn der Hebelarm (22) von der Feder (58) in die erste Richtung (66) gedrückt wird und dadurch die wirksam verbundene Schwenkwelle (18) mit sich zieht. Die Schwenkwelle (18) kann aufgrund des Eingriffes zwischen der Buchse (26), wie einer Endfläche (65) der Buchse, und der Welle (18) (z. B. Schulterfläche (63)) ihrerseits die Buchse (26) ziehen. So kann das Paar komplementärer Dichtflächen (52, 54) durch die Reaktion einer Feder (58) zusammengebracht werden und erzeugt dadurch eine Abdichtung, um zu vermeiden, dass ein Gas- und Rußstrom aus dem Turbinengehäuse (14) in die Umwelt austritt. Eine solche Abdichtung kann durch den Fortbestand der von der Feder (58) ausgeübten Kraft aufrechterhalten werden.
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In Ausführungsformen, in denen der Einsatz (72) mit der Welle (18) ausgebildet wird oder, wie oben beschrieben, starr an der Welle (18) angebracht ist, kann die Feder (58) oder das andere Vorspannelement in einer Grenzfläche zwischen der Welle (18) (oder einer anderen mit der Welle (18) verbundenen Struktur) und einer Endfläche (65) der Buchse (26) wirksam positioniert werden. Ein Beispiel einer solchen Anordnung ist in 4B dargestellt.
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In diesem Falle kann die Feder (58) allgemein eine Kraft auf das Ende (65) der Buchse (26) in einer ersten Richtung (66) ausüben und drückt deren Dichtfläche (52) in die erste Richtung (66). Die Feder (58) kann gleichzeitig in einer zweiten Richtung (68) eine Kraft auf die Welle (18) (oder andere mit der Welle (18) verbundene Struktur) ausüben. Beispielsweise kann die Feder (58) eine Kraft auf die Schulterfläche (63) der Welle (18) ausüben. Die Schulterfläche (63) kann eine Aussparung (67) zur Aufnahme der Feder (58) beinhalten. Dementsprechend kann die Dichtfläche (54) aufgrund der Kraft, die die Feder (58) auf die am Einsatz (72) starr angebrachte Welle (18) ausübt, in die zweite Richtung (68) (d. h. in der Anordnung von 4B nach unten) gedrückt werden. Dadurch wird zwischen dem Paar komplementärer Dichtflächen (52, 54) eine Abdichtung hergestellt und aufrechterhalten.
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Ein weiteres Beispiel eines Abdichtungssystems ist in 5 dargestellt. In einer solchen Anordnung kann der Schnittbereich der stumpfkugeligen Fläche (52) mit dem Innendurchmesser des Einsatzes (72) verkürzt werden, um eine ebene Fläche (76) zu erzeugen. Die ebene Fläche (76) kann allgemein quer zur Rotationsachse (70) sein. In einer Ausführungsform kann die ebene Fläche (76) im Wesentlichen senkrecht zur Achse (70) sein. An der Welle (18) kann ein Absatz (78) ausgebildet werden, beispielsweise durch eine Verringerung des Außendurchmessers der Welle (18), wie in 5 dargestellt. In dieser Anordnung kann eine erste Feder (58) zwischen dem Einsatz (72) (oder auch, falls die Dichtfläche (54) an der Welle (18) vorgesehen ist, zwischen der Welle (18) selbst) und einer an der Welle (18) angebrachten Struktur (z. B. dem Hebelarm (22)) wirksam positioniert werden. Zusätzlich kann eine zweite Feder (58') oder ein anderes Vorspannelement zwischen der Welle (18) (oder einer anderen an der Welle (18) angebrachten Struktur) und der Endfläche (65) der Buchse (26) wirksam positioniert werden. Beispielsweise kann die zweite Feder (58') in eine Schulterfläche (63) der Welle (18) wirksam eingreifen. Die Schulterfläche (63) kann wiederum eine Aussparung (67) beinhalten.
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Die erste Feder (58) kann in den Hebelarm (22) und den Einsatz (72) wirksam eingreifen. Die erste Feder (58) kann somit eine Kraft allgemein in einer ersten Richtung (66) auf den Hebelarm (22) ausüben. Die erste Feder (58) kann auch eine Kraft allgemein in der zweiten Richtung (68) auf den Einsatz (72) ausüben. Damit können die Dichtfläche (54) und die ebene Fläche (76) aufgrund der Kraft der Feder (58) in die zweite Richtung (68) (d. h. in der Anordnung von 5 nach unten) gedrückt werden.
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Die zweite Feder (58') oder das andere Vorspannelement kann zwischen der Schulterfläche (63) der Welle (18) (oder einer anderen an der Welle (18) angebrachten Struktur) und einer Endfläche (65) der Buchse (26) wirksam positioniert werden. In diesem Falle kann die zweite Feder (58') allgemein in der ersten Richtung (66) eine Kraft auf das Ende (65) der Buchse (26) ausüben und drückt deren Dichtfläche (52) in die erste Richtung (66) (d. h. in der Anordnung von 5 nach oben).
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Die von der ersten Feder (58) ausgeübte Kraft kann den Einsatz (72) nach innen drücken und die ebene Fläche (76) und den Absatz (78) der Welle (18) aufeinander zu und in Kontakt miteinander bringen. Dieser Kontakt zwischen der ebenen Fläche (76) und dem Ansatz (78) kann zu einem wesentlichen Dichtschluss führen und erzeugt dadurch eine zusätzliche Dichtungsgrenzfläche zwischen der Welle (18) und dem Einsatz (72) zur Minimierung von Ruß- und Gasdurchtritten. Die Dichtungsgrenzfläche kann durch die von der ersten Feder (58) ausgeübte Kraft aufrechterhalten werden.
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Darüber hinaus kann die von der ersten Feder (58) ausgeübte Kraft die Dichtfläche (54) in die zweite Richtung (68) drücken und die von der zweiten Feder (58') ausgeübte Kraft kann die Dichtfläche (52) in die erste Richtung (66) drücken. Im Ergebnis können die Flächen (52, 54) miteinander in einen wesentlich abdichtenden Kontakt gebracht werden. Der wesentlich abdichtende Kontakt zwischen den Flächen (52, 54) kann von der ersten und zweiten Feder (58, 58') aufrechterhalten werden.
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Es ist anzumerken, dass der Einsatz (72) in einigen Fällen so gespannt werden kann, dass die ebene Fläche (76) und der Absatz (78) direkt aneinander anstoßen. Eine solche Anordnung kann durch Anschweißen des Hebelarms (22) an die Welle (18) aufrechterhalten werden. In diesem Fall können die Dichtflächen (52, 54) von der zweiten Feder (58') in Kontakt gebracht und gehalten werden, so dass die erste Feder (58) gegebenenfalls nicht notwendig ist.
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Eine dritte Ausführungsform eines Wellenabdichtungssystems (50'') ist in 6 dargestellt. In dieser Ausführungsform sind die Paare komplementärer stumpfkugeliger Flächen an zwei Stellen zur Ausbildung einer „inneren Dichtung” und einer „äußeren Dichtung” vorgesehen. 6 zeigt als Beispiel eine mögliche Kombination von Aspekten aus den 3A–B und 4. Die Feder (58) kann in den Einsatz (72) oder in die Welle (18) sowie in den Hebelarm (22) wirksam eingreifen. Die Feder (58) kann somit in einer ersten Richtung (66) eine Kraft auf den Hebelarm (22) ausüben. Die Feder (58) kann gleichzeitig eine Kraft allgemein in der zweiten Richtung (68) auf den Einsatz (72) ausüben. Dementsprechend kann die äußere Dichtfläche (54) aufgrund der Kraft der Feder (58) in die zweite Richtung (68) (d. h. in der Anordnung von 6 nach unten) gedrückt werden. Die äußere Dichtfläche (52) kann in die erste Richtung (66) (d. h. in der Anordnung von 6 nach oben) gezogen werden, wenn der Hebelarm (22) von der Feder (58) in die erste Richtung (66) gedrückt wird und dadurch die wirksam verbundene Schwenkwelle (18) und Buchse (26) mit sich zieht. So kann das Paar komplementärer Dichtflächen (52, 54) durch die Reaktion einer Feder (58) zusammengebracht werden und erzeugt dadurch eine Abdichtung, um zu vermeiden, dass ein Gas- und Rußstrom aus dem Turbinengehäuse (14) in die Umwelt austritt. Eine solche Abdichtung kann durch den Fortbestand der von der Feder (58) ausgeübten Kraft aufrechterhalten werden.
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In dieser Anordnung kann die von der Feder (58) ausgeübte Kraft die innere konvexe stumpfkugelige Fläche (54') in die innere konkave stumpfkugelige Fläche (52') hineinziehen. Die von der Feder (58) ausgeübte Kraft kann auch den Einsatz (72) nach innen (d. h. in 6 nach unten) drücken und drückt dadurch die äußere konvexe stumpfkugelige Fläche (54) in die äußere konkave stumpfkugelige Fläche (52) hinein und stellt somit doppelte Zentriermechanismen und doppelte Dichtungsgrenzflächen bereit. Die in 6 dargestellte Anordnung ist für Ausführungsformen geeignet, in denen der Einsatz (72) nichtstarr an der Welle (18) angebracht ist (z. B. Spielpassung).
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Wie oben angemerkt, können die verengenden Dichtflächen (52, 54) jede geeignete Form aufweisen. Es ist also davon auszugehen, dass die Ausführungsformen, auch wenn die Dichtflächen in den 3–6 als stumpfkugelige Flächen dargestellt sind, nicht auf stumpfkugelige Flächen beschränkt sind. Tatsächlich zeigt 7 eine alternative Anordnung, in der die Dichtflächen als stumpfkegelige Flächen konfiguriert sind. In dieser Konfiguration wird ein eine stumpfkegelige Dichtfläche (54) enthaltender Einsatz (72) in eine komplementäre stumpfkegelige Dichtfläche (52) in der Buchse (26) hineingedrückt, wodurch der Einsatz (72) und die Welle (18) in der Buchse (26) zentriert werden und eine Dichtungsgrenzfläche bereitgestellt wird, um zu verhindern, dass Ruß und Gas aus dem Inneren des Turbinengehäuses in die Umwelt austreten.
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8 stellt eine weitere alternative Anordnung des Abdichtungssystems dar. Es können eine oder mehr Ringdichtungen, wie ein Kolbenring (80), verwendet werden, um den Leckweg zwischen dem Innendurchmesser der Bohrungen im Einsatz (72) und der äußeren Umfangsfläche (30) der Schwenkwelle (18) abzudichten.
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Es ist ersichtlich, dass die obigen Anordnungen ein effektives Abdichtungssystem bereitstellen können. Durch Vorsehen einer Feder kann die Abdichtung in wesentlich allen Betriebsbedingungen des Turboladers aufrechterhalten werden. Die Abdichtungssysteme sind damit nicht von Betriebsbedingungen abhängig (z. B. vom Turbinengehäusedruck), um die Dichtflächen zusammenzuhalten. Ferner besitzen die hier vorgestellten Abdichtungssysteme eine weitaus größere Toleranz gegenüber Fehlausrichtungen der operativen Komponenten als Systeme mit Kolbenringdichtungen, die in der Vergangenheit verwendet wurden. Der unbestimmte Artikel „ein” ist im vorliegenden Gebrauch definiert als eins oder mehr als eins. Der Ausdruck „mehrere” ist im vorliegenden Gebrauch definiert als zwei oder mehr als zwei. Der Ausdruck „ein anderer” oder „ein weiterer” ist im vorliegenden Gebrauch definiert als wenigstens ein zweiter oder mehr. Die Ausdrücke „beinhalten” und/oder „aufweisen” und/oder „besitzen” sind im vorliegenden Gebrauch definiert als „umfassen” (d. h. offene Sprache).
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Hier beschriebene Aspekte können in anderen Formen und Kombinationen ausgeführt werden, ohne dass von deren Wesen oder deren wesentlichen Attributen abgewichen wird. Es ist also selbstverständlich, dass Ausführungsformen sich nicht auf hier beschriebene spezielle Details beschränken, die einzig als Beispiel gedacht sind, und dass innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche verschiedene Modifikationen und Änderungen möglich sind.
