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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/894,640, die am 23. Oktober 2013 eingereicht wurde und den Titel ”Drehbetätigungswellen-Gleitringdichtung mit U-Dichtung” trägt.
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HINTERGRUND
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Technisches Gebiet der Offenbarung
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Diese Offenbarung betrifft Dichtungskomponenten in Verbindung mit einer Drehbetätigungswelle für Turbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG). Insbesondere betrifft diese Offenbarung die Ausbildung einer Dichtung mit einem U-Dichtring zwischen einer Scheibe und einem Innenring, die auf die Drehbetätigungswelle aufgesetzt werden.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Die Vorteile der Turboaufladung umfassen erhöhte Leistungsabgabe, niedrigeren Kraftstoffverbrauch und verringerte Schadstoffemissionen. Die Turboaufladung von Motoren wird nicht mehr nur vom Gesichtspunkt der höheren Leistung her betrachtet, sondern als Mittel zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs und der Umweltverschmutzung durch niedrigere Kohlendioxidemissionen (CO2) gesehen. Derzeit besteht ein Hauptgrund für die Turboaufladung darin, Abgasenergie zu verwenden, um den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen zu verringern. In Motoren mit Turboaufladung wird die Verbrennungsluft vorverdichtet, bevor sie dem Motor zugeführt wird. Der Motor saugt dasselbe Volumen von Luft-Kraftstoff-Gemisch an wie ein normaler Saugmotor, aber auf Grund des höheren Drucks und damit der höheren Dichte wird eine größere Masse an Luft und Kraftstoff auf gesteuerte Weise in eine Verbrennungskammer zugeführt. In der Folge kann mehr Kraftstoff verbrannt werden, so dass die Leistungsabgabe des Motors relativ zur Drehzahl und zum Hubraum zunimmt.
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Bei der Abgasturboaufladung wird ein Teil der Abgasenergie, die normalerweise verloren gehen würde, dazu verwendet, eine Turbine anzutreiben. Die Turbine umfasst ein Turbinenrad, das an einer Welle montiert ist und durch den Abgasstrom drehbar angetrieben wird. Der Turbolader führt einen Teil dieser normalerweise verlorenen Abgasenergie in den Motor zurück, was zur Motoreffizienz beiträgt und Kraftstoff spart. Ein Kompressor, der durch die Turbine angetrieben wird, saugt gefilterte Umgebungsluft an, verdichtet sie und liefert sie an den Motor. Der Kompressor umfasst ein Kompressorrad, das an derselben Welle montiert ist, so dass die Drehung des Turbinenrads auch die Drehung des Kompressorrads verursacht.
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Turbolader umfassen typischerweise ein Turbinengehäuse, das mit der Abgassammelleitung des Motors verbunden ist, ein Kompressorgehäuse, das mit der Einlasssammelleitung des Motors verbunden ist, und ein zentrales Lagergehäuse, das das Turbinen- und das Kompressorgehäuse miteinander koppelt. Das Turbinengehäuse definiert eine Spirale, die das Turbinenrad umgibt und Abgas von dem Motor aufnimmt. Das Turbinenrad in dem Turbinengehäuse wird drehbar von einem gesteuert eingehenden Abgasstrom angetrieben, der von der Abgassammelleitung über die Spirale zugeführt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
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VTG-Turbolader ermöglichen es, einen Turbinenströmungsquerschnitt, der zu dem Turbinenrad führt, in Übereinstimmung mit Motorbetriebspunkten zu variieren. Dies erlaubt, die gesamte Abgasenergie auszunützen und den Strömungsquerschnitt optimal für jeden Betriebspunkt einzustellen. Als Ergebnis kann die Effizienz des Turboladers und damit des Motors höher sein als jene, die mit der Bypasssteuerung einer Wastegate-Ventilanordnung erzielt werden kann. Variable Leitschaufeln in der Turbine haben Auswirkungen auf das Druckaufbauverhalten und damit die Leistungsabgabe des Turboladers. Diese Offenbarung konzentriert sich auf den Aspekt der variablen Turbinengeometrie (VTG) in der Turbinenstufe von Turboladern; ein Beispiel dafür ist in dem
US-Patent 7,886,536 gezeigt, das durch Verweis hierin aufgenommen ist.
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VTG-Turbolader können einstellbare Leitschaufeln einsetzen, die schwenkbar mit einem unteren Ring und einem oberen Schaufellagerring, was auch verschiedene mögliche Ringe einschließt, und/oder einer Düsenwand verbunden sind. Diese Leitschaufeln werden eingestellt, um den Abgasrückdruck und die Turboladerdrehzahl durch Modulation der Abgasströmung zu dem Turbinenrad zu steuern. Die Leitschaufeln können durch Schaufelhebel geschwenkt werden, die über dem oberen Schaufellagerring angeordnet sein können. Die Leistung und die Strömung zu der Turbine werden durch Veränderungen des Strömungswinkels zu dem Turbinenrad durch Schwenken der Leitschaufeln beeinflusst.
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Ein Ziel von VTG-Turbolader ist es, den einsetzbaren Strömungsratenbereich in praktischen Anwendungen zu erweitern und dabei ein hohes Effizienzniveau aufrecht zu erhalten. Um dies zu erreichen, wird der Turbinenausgang durch Verändern eines Einströmwinkels und einer Einströmgeschwindigkeit des Abgasstroms an einem Turbinenradeinlass reguliert. Bei VTG-Turboladern wird dies durch Verwendung von Leitschaufeln vor dem Turbinenrad erreicht, die ihren Auftreffwinkel mit der Geschwindigkeit der Abgasströmung verändern. Dies verringert das Nacheilen bei niedrigen Geschwindigkeiten während des Öffnens, um einen Abgasrückstau bei höheren Geschwindigkeiten zu verhindern.
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Mit einer VTG können die Turboladerverhältnisse verändert werden, wenn sich die Bedingungen verändern. Sind die Leitschaufeln in einer geschlossenen Stellung, führen die hohen Umlaufkomponenten der Strömungsgeschwindigkeit und der steile Enthalpiegradient zu einem hohen Turbinenausgang und damit zu einem hohen Ladedruck. Sind die Leitschaufeln in einer vollständig offenen Stellung, erreicht die Turbine ihre maximale Strömungsrate, und der Geschwindigkeitsvektor der Strömung weist eine starke zentripetale Komponente auf. Ein Vorteil dieses Typs von Ausgabesteuerung gegenüber der Bypasssteuerung besteht darin, dass die gesamte Abgasströmung stets durch die Turbine geleitet wird und in eine Ausgabe umgewandelt werden kann. Einstellungen der Leitschaufeln können durch verschiedene pneumatische oder elektrische Regler gesteuert werden.
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Ein VTG-Turbolader kann eine Drehbetätigungswelle mit einem VTG-Hebel aufweisen, um die Bewegung der Leitschaufeln steuern zu helfen. Eine VTG-Drehbetätigungswelle ist typischerweise nicht direkt in eine Bohrung in dem Lagergehäuse eingesetzt, sondern meist in ein feststehendes Lager in einer Bohrung in dem Lagergehäuse. Die Drehbetätigungswelle ist oft radial in einem Lager angeordnet, das sich in Abhängigkeit von der Konstruktion entweder in einer Bohrung mit einer Zentrallinie innerhalb des Turbinengehäuses oder direkt in dem Lagergehäuse befinden kann. Das Drehbetätigungswellensystem erfordert typischerweise eine Abdichtung zwischen dem Turbinengasdruck und dem Atmosphärendruck.
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Das VTG-Drehbetätigungswellensystem ist jedoch schwierig abzudichten, zum Teil auf Grund des Spielraums zwischen der Welle und den Laufbuchsen. Dieser Spielraum ist bei der Laufbuchsenkonstruktion notwendig, um ein Feststecken zu verhindern, führt aber zu einer Fehlausrichtung der Welle mit der Laufbuchse bzw. dem Gehäuse.
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In einigen Aspekten wird eine Gleitringdichtungsanordnung geschaffen, die dazu ausgebildet ist, eine Dichtung zwischen einer Öffnung, die in einer Gehäuseoberfläche ausgebildet ist, wie etwa einer axialen Endfläche einer Laufbuchse, und einer drehenden Welle bereitzustellen, wie etwa einer Drehbetätigungswelle für einen VTG-Mechanismus, die sich durch die Öffnung erstreckt. Die Gleitringdichtungsanordnung umfasst einen Dichtring, vorzugsweise eine U-Dichtung aus Metall, in Kombination mit und zwischen einem inneren Ring und einer Scheibe, die drehfest an der Drehbetätigungswelle fixiert sind. In Verbindung mit der Scheibe wird ein innerer Ring auf die Drehbetätigungswelle aufgepresst, um eine Dichtung an der Drehbetätigungswelle auszubilden. Der innere Ring kann eine L-förmige Hülse oder ein im Querschnitt im Wesentlichen C-förmiger Ring sein, der dazu konstruiert ist, auf die Drehbetätigungswelle aufgepresst zu werden.
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Die Scheibe wird gegen eine Seitenfläche der Laufbuchse angelegt und wird an dem inneren Ring gesichert, um drehfest fixiert zu werden. Da die Scheibe und der innerere Ring sich zusammen drehen, wird der Verschleiß zwischen dem U-Dichtring und diesen Komponenten stark verringert. Als Ergebnis liegt die primäre Verschleißschnittstelle zwischen der Laufbuchse und der Scheibe. Aus diesem Grund wird die Scheibe robust gemacht, zum Beispiel indem sie aus einem Material hergestellt wird, das hohe Temperaturen und Verschleiß aufnehmen kann. Darüber hinaus, weist die Scheibe eine flache, glatte Seitenfläche auf, um die Gleitringdichtung an der Laufbuchse zu bilden.
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Zwischen den inneren Seitenflächen der Scheibe und des inneren Rings ist ein elastischer U-Dichtring (was auch andere Formen wie etwa C, E, M oder W umfassen kann), der eine Dichtschließkraft gegen die Scheibe ausübt. In einigen Ausführungsformen bewirkt der Turbinendruck, dass der U-Dichtring aktiviert wird, und übt ebenfalls eine Dichtschließkraft gegen die Scheibe aus. In vorteilhafter Weise dient der U-Dichtring als ein Dichtungselement zwischen inneren Oberflächen des inneren Rings und der Scheibe, und verleiht dem System auch Flexibilität, um eine Fehlausrichtung zu erlauben, während die Gleitringdichtung aufrecht erhalten wird. Dies kann mit einigen herkömmlichen, starren Gleitringdichtungen verglichen werden, die häufig ineffektiv zur Abdichtung der Drehbetätigungswelle sind, da die herkömmliche Gleitringdichtung ihren Sitz verlässt, wenn die Welle relativ zu der Laufbuchse kippt. Herkömmliche Metalldichtungen, die in dieser Anwendung eingesetzt werden können, sind dünne Metallringe mit verschiedenen Querschnitten (C, U, E etc.), die auf Grund der relativen Drehbewegung zwischen der Welle, der Dichtung und der Laufbuchse wahrscheinlich rasch verschleißen würden.
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Die Gleitringdichtungsanordnung kann in Abhängigkeit von der Position in Bezug auf die Laufbuchse entweder durch einen äußeren Druck auf den U-Dichtring oder einen inneren Druck auf den U-Dichtring aktiviert werden. Liegt er auf der zur Turbine weisenden Seite der Laufbuchse, kann der U-Dichtring durch äußeren Druck von Turbinengas außerhalb der Drehbetätigungswelle aktiviert werden. Liegt er auf der zum Kompressor weisenden Seite der Laufbuchse, z. B. benachbart zu dem VTG-Hebel, wird die Gleitringdichtung noch immer an der Laufbuchse bereitgestellt, jedoch auf der gegenüberliegende Seite. Der U-Dichtring würde aus der Innendruckrichtung durch Druck um die Drehbetätigungswelle aktiviert werden, der höher ist als der Atmosphärendruck. Unterschiedliche Formen der konkaven/konvexen U-Dichtungsringe und inneren Ringe werden auch für die äußeren und inneren unter Druck stehenden Gleitringdichtungen bevorzugt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden deutlich werden, wenn dieselbe unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verständlich gemacht wird. In diesen zeigen:
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1 eine Querschnittansicht eines VTG-Turboladers mit einer Gleitringdichtungsanordnung mit einer Außendruck-U-Dichtung, die an einer Drehbetätigungswelle angeordnet ist;
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2 eine Querschnittansicht eines vergrößerten Abschnitts eines VTG-Turboladers und zeigt die Gleitringdichtungsanordnung von 1 an der Drehbetätigungswelle angeordnet; und
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3 eine Querschnittansicht eines Abschnitts der Drehbetätigungswelle und zeigt die Gleitringdichtungsanordnung von 1.
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4 ist eine perspektivische Ansicht der Gleitringdichtungsanordnung von 1;
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5 ist eine auseinandergezogene Ansicht der Gleitringdichtungsanordnung von 1;
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6 ist eine Querschnittansicht der Gleitringdichtungsanordnung von 1, die an der Drehbetätigungswelle angeordnet ist;
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7 ist eine Seitenansicht der Gleitringdichtungsanordnung von 1, die an der Drehbetätigungswelle angeordnet ist;
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8 ist eine Endansicht der Gleitringdichtungsanordnung von 1, die an der Drehbetätigungswelle angeordnet ist;
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9 ist eine Querschnittansicht eines vergrößerten Abschnitts eines VTG-Turboladers und zeigt eine alternative Gleitringdichtungsanordnung mit einer Innendruck-U-Dichtung, die an der Drehbetätigungswelle angeordnet ist;
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10 ist eine Querschnittansicht eines Abschnitts der Drehbetätigungswelle und zeigt die Gleitringdichtungsanordnung von 9;
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11 ist eine perspektivische Ansicht der Gleitringdichtungsanordnung von 9.
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12 ist eine auseinandergezogene Ansicht der Gleitringdichtungsanordnung von 9;
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13 ist eine Querschnittansicht der Gleitringdichtungsanordnung von 9, die an der Drehbetätigungswelle angeordnet ist;
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14 ist eine Seitenansicht der Gleitringdichtungsanordnung von 9, die an der Drehbetätigungswelle angeordnet ist; und
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15 ist eine Endansicht der Gleitringdichtungsanordnung von 9, die an der Drehbetätigungswelle angeordnet ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf 1 umfasst ein Abgasturbolader 10 ein Gehäuse bestehend aus einem Lagergehäuse 2 und einem Turbinengehäuse 20, wobei eine Hauptdrehwelle 3 drehbar in dem Lagergehäuse 2 gelagert ist. Ein Kompressorrad 5 wird an einem Ende der Welle 3 getragen, und ein Turbinenrad 4 ist an ihrem anderen Ende fixiert. Das Kompressorrad 5 wird drehbar über die Welle 3 durch das Turbinenrad 4 angetrieben. Innerhalb des Turbinengehäuses 20 ist an der Seite des Turbinenrads 4 eine Spirale 6 ausgebildet, die sich in Radialrichtung in eine Kehle 7 fortsetzt. Eine VTG-Anordnung 8 mit einstellbaren Leitschaufeln 9 ist im Inneren der Kehle 7 angeordnet.
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Die Leitschaufeln 9 sind schwenkbar zwischen einem oberen Schaufellagerring 19 und einem unteren Schaufellagerring 11 gelagert, die durch Abstandshalter 15 beabstandet sind. Die Leitschaufeln 9 sind durch ein Stellglied (nicht dargestellt) einstellbar, das einen Einstellring 12 betätigt. Eine Drehbewegung des Einstellrings 12 in Bezug auf den oberen Schaufellagerring 19 wird auf die Leitschaufeln 9 übertragen, die durch diese Vorrichtung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zwischen der offenen und geschlossenen Position eingestellt werden kann. Die Beabstandung zwischen den Leitschaufeln 9 definiert die Strömungskanäle der kreisförmigen Kehle 7, in denen das Abgas radial zu dem Turbinenrad 4 hin strömt. Die Strömungskanäle sind durch Variation der Winkelstellung der Leitschaufeln 9 einstellbar.
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Insbesondere sind die Leitschaufeln 9 an dem oberen Schaufellagerring 19 mittels Schaufelzapfen 13 montiert, die den oberen Schaufellagerring 19 durchdringen und an dem den Leitschaufeln 9 gegenüberliegenden Ende einen Schaufelarm 14 tragen. Der Einstellring 12 befindet sich innerhalb der axialen Ebene der kreisförmig angeordneten Schaufelarme 14. Der Einstellring 12 greift in jeden der Schaufelarme 14 ein, so dass bei der Drehung des Einstellrings 12 in Bezug auf den oberen Schaufellagerring 19 alle Schaufelarme 14, und damit die Leitschaufeln 9, gleichzeitig gedreht werden. Der Einstellring 12 ist mit dem Stellglied über eine Drehbetätigungswelle 22 verbunden, was die Einstellung des Einstellrings 12 von außerhalb des Gehäuses ermöglicht. Zu diesem Zweck ist die Drehbetätigungswelle 22 über eine Laufbuchse 50, die in die Bohrung 16 eingepresst ist, drehbar innerhalb einer Bohrung 16 gelagert, die in dem Lagergehäuse 2 ausgebildet ist. Die Drehbetätigungswelle 22 ragt durch Öffnungen in dem Lagergehäuse 2 vor, so dass ein Ende 22a der Drehbetätigungswelle 22 mit einem VTG-Hebel 26 an einer Außenseite des Lagergehäuses 2 (z. B. an einer Position, die dem Atmosphärendruck ausgesetzt ist) in Eingriff steht, und das gegenüberliegende Ende 22b der Drehbetätigungswelle 22 mit der VTG-Anordnung 8 innerhalb des Turbinengehäuses 20 (z. B. an einer Position, die einem relativ höheren Druck entsprechend dem Abgasdruck ausgesetzt ist) in Eingriff steht. Auf Grund des Druckgradienten über das Lagergehäuse 2 erfordern die Drehbetätigungswelle 22 und/oder die Laufbuchse 50 eine Dichtung, um den Austritt von Abgas aus dem Lagergehäuse 2 über die Bohrung 16 zu verhindern.
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Unter Bezugnahme auf 2 bis 8 umfasst der Turbolader 10 eine Gleitringdichtungsanordnung 28, die zwischen einer Öffnung 53, die in einer inneren axialen Endfläche 54 der Laufbuchse 50 ausgebildet ist, und der Drehbetätigungswelle 22, die sich durch die Öffnung 53 erstreckt, angeordnet ist. Die Gleitringdichtungsanordnung 28 ist so an der inneren axialen Endfläche 54 der Laufbuchse 50 angeordnet, dass die Gleitringdichtungsanordnung 28 innerhalb des Lagergehäuses 2 in einem Bereich mit relativ hohem Druck und relativ hoher Temperatur liegt.
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Die Gleitringdichtungsanordnung 28 umfasst einen U-Dichtring 60, der eine Dichtung zwischen einer Scheibe 40 und einem inneren Ring 30 bildet. Der innere Ring 30 ist ringförmig und umfasst einen hohlen zylindrischen Basisabschnitt 32, der dazu ausgebildet ist, die Drehbetätigungswelle 22 mittels einer Einpressverbindung aufzunehmen, so dass der innere Ring 30 drehfest an der Drehbetätigungswelle 22 fixiert ist und eine Dichtung an der Drehbetätigungswelle 22 bildet. Der innere Ring 30 umfasst auch einen sich radial nach außen erstreckenden Arm 34, der an einem Ende des Basisabschnitts 32 ausgebildet ist, wodurch der innere Ring 30 einen L-förmigen Querschnitt aufweist. Der innere Ring 30 ist so an der Drehbetätigungswelle 22 angeordnet, dass das freie Ende der Basisabschnitts 32 an der Öffnung 53 angeordnet ist, und der Arm 34 axial von der axialen Endfläche 54 der Laufbuchse 50 bebstandet ist. Der Basisabschnitt 32 umfasst sich axial erstreckende Schlitze 36, die sich zu dem freien Ende des Basisabschnitts 32 hin öffnen.
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Die Scheibe 40 weist eine Gestalt auf, die einer Unterlegscheibe ähnelt und umfasst einen äußeren umlaufenden Rand 44, einen inneren umlaufenden Rand 43, der eine Zentralöffnung 45 definiert, und gegenüberliegende ebene Seitenflächen 41, 42, die sich zwischen dem äußeren umlaufenden Rand 44 und dem inneren umlaufenden Rand 43 erstrecken. Eine der Seitenflächen, d. h, die erste Seitenfläche 41, ist so angeordnet, dass sie eine Dichtung mit der axialen Endfläche 54 der Laufbuchse 50 bildet, wobei die andere der ebenen Seitenflächen, d. h. die zweite Seitenfläche 42, zu dem Arm 34 des inneren Rings 30 hin weist. Zum Beispiel sitzt die Scheibe 40 gegen die axiale Endfläche 54 der Laufbuchse 50, und die Scheibe 40 weist eine haltbare, flache und glatte erste Seitenfläche 41 auf, um eine Gleitringdichtung an der Laufbuchse 50 zu bilden. Die Scheibe 40 umfasst gleichmäßig beabstandete, radial nach innen vorragende rechteckige Laschen 46, die an dem inneren umlaufenden Rand 43 gebildet sind. Der Basisabschnitt 32 des inneren Rings 30 ist innerhalb der Zentralöffnung 45 aufgenommen, und die Laschen 46 sind dazu ausgebildet, in den Schlitzen 36 des Basisabschnitts 32 aufgenommen zu werden, wodurch die Scheibe 40 daran gehindert wird, sich relativ zu dem inneren Ring 30 zu drehen, wodurch die Scheibe 40 an dem inneren Ring 30 "verkeilt" wird. Als Ergebnis dreht sich die Scheibe 40 mit dem inneren Ring 30, ist jedoch in der Lage, sich axial innerhalb der Schlitze 36 zu bewegen. Die Scheibe 40 kann vier in gleichen Abständen angeordnete Laschen 46 aufweisen, wie etwa in 4 und 5 gezeigt, ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt.
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Die Scheibe 40 ist aus einem Material gebildet, das die hohen Temperaturen in Verbindung mit Motorabgasen (in der Größenordnung von 700 Grad Celsius) aushält, und ist hoch verschleißfest, um dem Verschleiß durch die relative Drehbewegung zwischen der ersten Seitenfläche 41 und der Laufbuchse 50 zu widerstehen. Solche Materialien umfassen Metalle wie Inconel oder Ferrochrome-Legierungen und Keramikmaterialien, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
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Der U-Dichtring 60 ist ringförmig und umfasst einen radial äußeren umlaufenden Rand 62 mit einer umlaufenden Nut 64. Als Ergebnis weist der U-Dichtring 60 einen U-förmigen Querschnitt auf, der sich nach außen öffnet. Der U-Dichtring 60 ist zwischen der zweiten Seitenfläche 42 der Scheibe und der zur Laufbuchse weisenden Oberfläche des inneren Ringarms 34 angeordnet, und ist dazu ausgebildet, als eine Feder zu wirken, die die Scheibe 40 von dem Arm 34 weg vorspannt, so dass ein dichter Kontakt zwischen dem U-Dichtring 60 und den inneren Oberflächen sowohl des inneren Ringarms 34 als auch der Scheibe 40 gebildet wird. Gleichzeitig ist der U-Dichtring 60 dazu ausgebildet, der Scheibe 40 zu ermöglichen, axial nach innen zu dem inneren Ring 30 elastisch zu kollabieren, um ein Kippen der Drehbetätigungswelle 22 relativ zu der Laufbuchse 50 aufzufangen. Darüber hinaus übt Druck an dem U-Dichtring 60 von Abgas innerhalb des Gehäuses 2 eine Dichtschließkraft gegen die Scheibe 40 aus, die die Dichtkraft durch die Elastizität des U-Dichtrings 60 selbst ergänzt.
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Der U-Dichtring 60 ist vorzugsweise aus Metall gebildet, ist jedoch nicht auf dieses Material begrenzt. ”U-Dichtung” kann die äußere Gestalt des Metallrings definieren, kann jedoch auch andere Formen umfassen, wie etwa C oder E (mit einem zusätzlichen Mittelsteg für zusätzliche Verstärkung oder Stabilität), M oder W.
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Der U-Dichtring 60 verleiht dem Dichtungssystem Flexibilität, um eine Fehlausrichtung zu erlauben, während die Gleitringdichtung aufrecht erhalten wird. Die Metall-U-Dichtring 60 übt eine Dichtschließkraft gegen die Scheibe 40 aus. Der Turbinendruck außerhalb der Gleitringdichtungsanordnung 28 setzt den U-Dichtring 60 unter Druck und übt ebenfalls die Dichtschließkraft gegen die Scheibe 40 aus. Aus diesem Grund wird die Gleitringdichtungsanordnung 28 als Gleitringdichtung mit einer Außendruckdichtung bezeichnet. Da die Scheibe und der innere Ring sich zusammen drehen, wird der Verschleiß zwischen dem U-Dichtring und diesen Komponenten stark verringert. Die primäre Verschleißschnittstelle liegt zwischen der Laufbuchse 50 und der Scheibe 40.
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Unter Bezugnahme auf 9 bis 15 kann eine alternative Ausführungsform der Gleitringdichtungsanordnung 128 in dem Turbolader 10 verwendet werden. Die Gleitringdichtungsanordnung 128 ist zwischen einer Öffnung 51, die in einer äußeren axialen Endfläche 52 der Laufbuchse 50 ausgebildet ist, und der Drehbetätigungswelle 22, die sich durch die Öffnung 51 erstreckt, angeordnet. Die Gleitringdichtungsanordnung 128 ist so an der äußeren axialen Endfläche 52 der Laufbuchse 50 angeordnet, dass sich die Gleitringdichtungsanordnung 128 außerhalb der Turbine und des Lagergehäuses 2, 20 befindet, in einem Bereich mit Atmosphärendruck und relativ niedrigerer Temperatur als im Inneren des Turbinengehäuses 20.
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Die Gleitringdichtungsanordnung 128 umfasst einen U-Dichtring 160, der eine Dichtung zwischen einer Scheibe 40 und einem inneren Ring 130 bildet. Der innere Ring 130 ist ringförmig und umfasst einen hohlen zylindrischen Basisabschnitt 132, der dazu ausgebildet ist, die Drehbetätigungswelle 22 mittels einer Einpressverbindung aufzunehmen, so dass der innere Ring 130 drehfest an der Drehbetätigungswelle 22 fixiert ist und eine Dichtung an der Drehbetätigungswelle 22 bildet. Darüber hinaus umfasst der innere Ring 130 einen sich radial nach außen erstreckenden Arm 134, der an einem Ende des Basisabschnitts 132 ausgebildet ist, sowie einen Flansch 138, der an dem radial äußeren Ende 134 ausgebildet ist. Der Flansch 138 erstreckt sich parallel zu dem Basisabschnitt 132 und zu der Laufbuchse 50 hin. Der Flansch 138 dient dazu, den U-Dichtring 160 radial relativ zu der Scheibe 40 zu positionieren, und dient auch als Anschlag, um eine Überkompression der Gleitringdichtungsanordnung 128 in einer axialen Richtung zu verhindern, zum Beispiel durch Kippen der Drehbetätigungswelle 22 relativ zu der Laufbuchse 50.
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Somit weist der innere Ring 130 einen allgemein U-förmigen Querschnitt auf, der sich zu der Laufbuchse 50 weisend öffnet. Der innere Ring 130 ist so an der Drehbetätigungswelle 22 angeordnet, dass das freie Ende des Basisabschnitts 32 an der Öffnung 51 angeordnet ist, und der Arm 34 axial in einem Abstand von der äußeren axialen Endfläche 52 der Laufbuchse 50 angeordnet ist. Der Basisabschnitt 132 umfasst sich axial erstreckende Schlitze 136, die sich zu dem freien Ende des Basisabschnitts 132 hin öffnen.
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Die Scheibe 40 ist im Wesentlichen ähnlich der oben in Bezug auf die 2 bis 8 beschriebenen Scheibe. Aus diesem Grund werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Teile zu bezeichnen, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
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Der U-Dichtring 160 ist ringförmig und umfasst einen inneren umlaufenden Rand 166 mit einer umlaufenden Nut 168. Als Ergebnis weist der U-Dichtring 160 einen U-förmigen Querschnitt auf, der sich radial nach innen öffnet. Der U-Dichtring 160 ist in einem Raum angeordnet, der zwischen der zweiten Seitenfläche 42 der Scheibe, der zur Laufbuchse weisenden Oberfläche des inneren Ringarms 134 und der zur Welle weisenden Innenfläche des Flanschs 138 definiert wird. Die U-Ringdichtung 160 ist dazu ausgebildet, als eine Feder zu wirken, die die Scheibe 40 von dem Arm 134 weg vorspannt. Der U-Dichtring 160 bildet eine Dichtung zwischen dem inneren Ring 130 und der Scheibe 40. Darüber hinaus übt Druck an dem U-Dichtring 60 von Abgas, das aus dem Gehäuse 2 über die Bohrung 16 austritt, eine Dichtschließkraft gegen die Scheibe 40 aus.
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Der U-Dichtring 160 ist vorzugsweise aus Metall gebildet, ist jedoch nicht auf dieses Material begrenzt. ”U-Dichtung” kann die äußere Gestalt des Metallrings definieren, kann jedoch auch andere Formen umfassen, wie etwa C oder E (mit einem zusätzlichen Mittelsteg für zusätzliche Verstärkung oder Stabilität), M oder W.
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Der U-Dichtring 160 verleiht dem Dichtungssystem Flexibilität, um eine Fehlausrichtung zu erlauben, während die Gleitringdichtung aufrecht erhalten wird. Die Metall-U-Dichtring 160 übt eine Dichtschließkraft gegen die Scheibe 40 aus. Der Turbinendruck innerhalb der Gleitringdichtungsanordnung 128 setzt den U-Dichtring 160 unter Druck und übt ebenfalls die Dichtschließkraft gegen die Scheibe 40 aus. Aus diesem Grund wird die Gleitringdichtungsanordnung 128 als Gleitringdichtung mit einer Innendruckdichtung bezeichnet. Da die Scheibe und der innere Ring sich zusammen drehen, wird der Verschleiß zwischen dem U-Dichtring und diesen Komponenten stark verringert. Die primäre Verschleißschnittstelle liegt zwischen der Laufbuchse 50 und der Scheibe 40.
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Die Innendruck-Gleitringdichtungsanordnung 128 kann einen verbesserten Halt an der Drehbetätigungswelle 22 aufweisen, indem sie einen kritischen, nach außen gerichteten Laufbuchsen-Kontaktbereich hält. Ein geringerer Bereich an der Scheibe 40, auf den der Druck wirken kann, verringert jedoch den aktivierenden Effekt des Drucks auf die Gleitringdichtung. Die Innendruck-Gleitringdichtungsanordnung 128 kann also bevorzugt werden, wenn eine niedrigere Dichtungstemperatur wichtig ist, da sie weiter von dem Turbinengehäuse 20 entfernt ist.
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Die Gleitringdichtungsanordnung 28, 128 kann in Abhängigkeit von ihrer Position in Bezug auf die Laufbuchse 50 entweder durch einen äußeren Druck auf den U-Dichtring 60 oder einen inneren Druck auf den U-Dichtring 160 aktiviert werden. Liegt er auf der Turbinenseite der Laufbuchse 50, wie oben in Bezug auf die 2 bis 8 beschrieben, kann der U-Dichtring 60 durch äußeren Druck von Turbinengas außerhalb der Drehbetätigungswelle 22 aktiviert werden. Liegt er auf gegenüberliegenden Seite der Laufbuchse 50, um benachbart zu dem VTG-Hebel 26 und auf der Seite des Gehäuses 2, 20 mit Atmosphärendruck zu liegen, wie oben in Bezug auf die 9 bis 15 beschrieben, liegt die Gleitringdichtungsanordnung 128 noch immer an einer axialen Endfläche 52 der Laufbuchse 50, wird aber aus der Innendruckrichtung (z. B. von innerhalb der Laufbuchsenbohrung 56) durch Druck um die Drehbetätigungswelle 22 aktiviert, der höher ist als der Atmosphärendruck.
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Obwohl sie hierin zur Verwendung bei der Bereitstellung einer Dichtung zwischen einer drehenden Welle und einer Öffnung, die in einer axialen Endfläche einer Laufbuchse ausgebildet ist, beschrieben wurde, wobei die Laufbuchse in einer Öffnung in einem Turboladergehäuse angeordnet ist, ist die Gleitringdichtungsanordnung 28, 128 nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel kann die Gleitringdichtungsanordnung 28, 128 allgemein verwendet werden, um eine Dichtung zwischen einer Öffnung, die in einer Gehäuseoberfläche ausgebildet ist, und einer drehenden Welle, die sich aus der Öffnung heraus erstreckt, bereitzustellen.
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Die Drehbetätigungswelle 22 kann optional eine zusätzliche Dichtung 24 umfassen, die zwischen einer Außenfläche der Drehbetätigungswelle 22 und einer Innenfläche der Laufbuchse 50 angeordnet ist. Zum Beispiel kann die Dichtung 24 einen oder mehrere Kolbenringe 25 umfassen, die in Nuten 27 angeordnet sind, die in der Außenfläche der Drehbetätigungswelle 22 angeordnet sind.
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Die Erfindung wurde rein zur Veranschaulichung beschrieben; dabei sollte klar sein, dass die verwendete Terminologie rein deskriptiv und keinesfalls einschränkend gemeint ist. Im Licht der oben angeführten Lehren sind verschiedene Abwandlungen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Daher sollte klar sein, dass die Erfindung innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche auf andere Weise praktisch umgesetzt werden kann, als dies in der Beschreibung angeführt wurde.
