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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 8. Oktober 2014 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/061,431 mit dem Titel „Variable Turbine Geometry Turbocharger with a Fixed Vane Flow Control Device“, auf die hier Bezug genommen wird.
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HINTERGRUND
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Gebiet der Offenbarung
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Abgasstromsteuervorrichtung für einen Turbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG), die Stromsteuerschaufeln umfasst, die bezüglich des Turbinengehäuses fixiert sind.
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Beschreibung der verwandten Technik
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Bei der Abgasturboaufladung von Fahrzeugmotoren wird ein Teil der Abgasenergie, die normalerweise verlorenginge, zum Antreiben einer Turbine verwendet. Die Turbine umfasst ein Turbinenrad, das auf einer Welle befestigt ist und durch den Abgasstrom drehangetrieben wird. Der Turbolader führt einen Teil dieser normalerweise verlorengehenden Abgasenergie zurück in den Motor, was dem Wirkungsgrad eines Motors und dem Kraftstoffverbrauch zuträglich ist. Ein Verdichter, der durch die Turbine angetrieben wird, saugt gefilterte Umgebungsluft an, verdichtet die Luft und führt die verdichtete Luft dann dem Motor zu. Der Verdichter umfasst ein Verdichterrad, das auf derselben Welle befestigt ist, so dass eine Drehung des Turbinenrads eine Drehung des Verdichterrads bewirkt.
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Vorteile von Turboaufladung umfassen erhöhte Leistungsabgabe, geringeren Kraftstoffverbrauch und reduzierte Schadstoffemissionen. Die Turboaufladung von Motoren wird nicht mehr primär unter dem Blickwinkel einer hohen Leistung betrachtet, sondern wird stattdessen als ein Mittel zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Umweltverschmutzung aufgrund niedrigerer Kohlendioxid(CO2)-Emissionen angesehen. Bei turboaufgeladenen Motoren wird Verbrennungsluft vor der Zufuhr zum Motor vorverdichtet. Der Motor saugt das gleiche Volumen an Luft-Kraftstoff-Gemisch wie ein selbstsaugender Motor, jedoch wird aufgrund des höheren Drucks und somit der höheren Dichte mehr Luft- und Kraftstoffmasse auf gesteuerte Weise in eine Brennkammer zugeführt. Dadurch kann mehr Kraftstoff verbrannt werden, so dass die Leistungsabgabe des Motors in Bezug auf die Drehzahl und den Hubraum erhöht wird.
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Ein Turbolader stellt lediglich in einem begrenzten Bereich von Bedingungen eine ideale Aufladung bereit. So stellt eine größere Turbine für einen gegebenen Motor eine gute Aufladung bei hohen Drehzahlen bereit, wirkt jedoch nicht so gut bei niedrigen Drehzahlen, da sie mit dem Turboloch zu kämpfen hat und somit nicht in der Lage ist, Aufladung bereitzustellen, wenn diese benötigt wird. Eine kleine Turbine stellt eine gute Aufladung bei niedrigen Drehzahlen bereit, kann jedoch den Motor bei hohen Drehzahlen drosseln. Bei einigen Turboladern umfasst der Turbolader mit VTG bewegliche Schaufeln in dem Turbinengehäuse, um eine Aufladung über einen weiteren Bereich von Bedingungen bereitzustellen. Bei niedrigen Drehzahlen, wenn schnell eine Aufladung benötigt wird, können die Schaufeln geschlossen sein, um einen engeren Durchgang für den Abgasstrom zu erzeugen. Der enge Durchgang beschleunigt das Abgas zu den Turbinenradschaufeln, wodurch gestattet wird, dass der Turbolader eine Leistungsverstärkung für den Motor bereitstellt, wenn diese benötigt wird. Andererseits können die Schaufeln, wenn der Motor bei einer hohen Drehzahl läuft und der Druck des Abgases hoch ist, geöffnet sein, und der Turbolader stellt ein für die zugeordnete Drehzahl angemessenes Maß an Aufladung für den Motor bereit. Dadurch, dass ein Öffnen und Schließen der Schaufeln gestattet wird, kann der Turbolader unter vielfältigsten Fahrbedingungen je nach der Leistungsanforderung des Motors betrieben werden. Jedoch enthalten einige VTG-Turbolader mit beweglichen Schaufeln eine große Anzahl kleiner Teile, von denen viele unter Einsatz von Präzisionsschweißen verschweißt werden, wodurch die Herstellungskosten erhöht werden. Durch die große Anzahl an zu verbauenden beweglichen Teilen steigen die Herstellungskosten weiter. Darüber hinaus werden VTG-Turbinen, sobald sie installiert sind und sich im Betrieb befinden, in einer Umgebung mit sehr hohen Temperaturen betrieben, wodurch es zu einem Verzug der VTG-Anordnung kommen kann. In einigen Fällen reicht der Wärmeverzug der VTG-Anordnung dazu aus, eine Blockierung der Anordnung zu bewirken.
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KURZDARSTELLUNG
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Eine Stromsteuervorrichtung mit fixierten Schaufeln wird zur Bereitstellung eines VTG-Turboladers und einer Steuerung von Abgasstrom durch eine Turboladerturbine verwendet. Die Stromsteuervorrichtung mit fixierten Schaufeln ist in einem Turbinengehäuse angeordnet und umfasst eine Schaufelanordnung, die an dem Turbinengehäuse fixiert ist, und eine Einstellringanordnung, die auf der Schaufelanordnung gestützt wird und bezüglich dieser drehbar ist. Die Schaufelanordnung umfasst fixierte Schaufeln, die in einen sich radial erstreckenden Hals vorragen, der sich zwischen der Spirale und dem Turbinenrad erstreckt. Die Einstellringanordnung umfasst ein zylinderförmiges Stromsteuerglied, das eine Reihe von optimierten radialen Öffnungen zur Steuerung des Ausmaßes an Gasstrom durch die Schaufelanordnung aufweist. Das Stromsteuerglied ist derart in einer mittleren Öffnung der Schaufelanordnung angeordnet, dass die radialen Öffnungen radial auf die Schaufeln ausgerichtet sind. Die radialen Öffnungen sind auf den VTG-Bereich des Turbinengehäuses ausgerichtet und drehen sich in der fixierten Schaufelanordnung. Durch die Drehung des Stromsteuerglieds bezüglich der Schaufelanordnung kann die Position der radialen Öffnungen bezüglich der Schaufeln gesteuert werden, und somit kann das Ausmaß an Abgasstrom durch das VTG-Turbinengehäuse auch gesteuert werden.
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Die Stromsteuervorrichtung mit fixierten Schaufeln gestattet eine Drosselung des Abgasstroms durch die Turbine, wodurch wiederum die Drehzahl des Turbinenrads erhöht oder verringert wird, wodurch eine Steuerung der Aufladung in dem Turbolader gestattet wird. Insbesondere gestattet die Stromsteuervorrichtung mit fixierten Schaufeln das Variieren eines Turbinendurchflussquerschnitts zum Turbinenrad gemäß Motorbetriebspunkten. Dadurch wird eine Nutzung der gesamten Abgasenergie und eine optimale Einstellung des Turbinendurchflussquerschnitts für jeden Betriebspunkt gestattet. Somit können der Wirkungsgrad des Turboladers und somit der des Motors verbessert werden, während weniger verschweißte und rotierende Teile im Vergleich zu einigen herkömmlichen VTG-Turboladern mit beweglichen Schaufeln eingesetzt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen mit besserem Verständnis der Offenbarung durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung bei Betrachtung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne Weiteres hervor, in denen:
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1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems, das einen Abgasturbolader umfasst, ist;
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2 eine perspektivische Ansicht des Turbinenbereichs des Turboladers von 1, der eine Stromsteuervorrichtung mit fixierten Schaufeln umfasst, ist;
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3 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der Schaufelanordnung der Stromsteuervorrichtung mit fixierten Schaufeln ist;
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4 eine perspektivische Ansicht der Schaufelanordnung der Stromsteuervorrichtung mit fixierten Schaufeln ist;
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5 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der Einstellringanordnung der Stromsteuervorrichtung mit fixierten Schaufeln ist;
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6 eine perspektivische Ansicht der Einstellringanordnung der Stromsteuervorrichtung mit fixierten Schaufeln ist;
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7 eine perspektivische Schnittansicht des Turbinenbereichs, der die Stromsteuervorrichtung mit fixierten Schaufeln umfasst, ist;
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8 eine Querschnittseitenansicht des Turbinenbereichs, der die Stromsteuervorrichtung mit fixierten Schaufeln umfasst, ist;
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9 eine perspektivische Ansicht der Stromsteuervorrichtung mit fixierten Schaufeln ist;
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10 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der Stromsteuervorrichtung mit fixierten Schaufeln von 9 ist, die die Vorrichtung in einer geöffneten Stellung veranschaulicht;
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11 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der Stromsteuervorrichtung mit fixierten Schaufeln von 9 ist, die die Vorrichtung in einer teilweise geschlossenen Stellung veranschaulicht; und
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12 eine perspektivische Ansicht des Turbinenbereichs, der die Stromsteuervorrichtung mit fixierten Schaufeln umfasst, und eines Abschnitts des Gestänges, das zur Verbindung der Vorrichtung mit einem Aktuator verwendet wird, ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Wie in 1 gezeigt wird, umfasst ein Abgasturbolader 1 einen Turbinenbereich 20, einen Verdichterbereich 10 und ein mittleres Lagergehäuse 8, das zwischen dem Verdichterbereich 10 und dem Turbinenbereich 20 angeordnet ist und diese verbindet. Der Turbinenbereich 20 umfasst ein Turbinengehäuse 22 und eine darin ausgebildete Turbinenspirale 26. Der Turbinenbereich umfasst ferner ein Turbinenrad 30, das in dem Turbinengehäuse 22 angeordnet ist. Das Turbinenrad 30 steht mit einem Turbineneinlass 24 und einem Abgasauslass 28 in Strömungsverbindung. Der Verdichterbereich 10 umfasst ein Verdichtergehäuse 12 und eine darin ausgebildete Verdichterspirale 19. Der Verdichterbereich umfasst ferner ein Verdichterrad 14, das in dem Verdichtergehäuse 12 angeordnet ist. Das Verdichterrad 14 steht mit einem Verdichtereinlass 16 und einem Verdichterauslass 18 in Strömungsverbindung. Das Turbinenrad 30 ist über eine Welle 2 mit dem Verdichterrad 14 verbunden. Die Welle 2 wird zur Drehung um eine Drehachse R in dem Lagergehäuse 8 durch Lager (nicht gezeigt) gestützt.
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Im Gebrauch nutzt der Turbolader 1 Abgasstrom aus einem Auslasskrümmer 5 eines Motors 3 zum Antrieb des Turbinenrads 30. Abgasstrom tritt in den Turbineneinlass 24 ein, bewegt sich durch die Turbinenspirale 26 und wird über das Turbinenrad 30 geleitet. Sobald das Abgas durch das Turbinenrad 30 geströmt ist und das Turbinenrad 30 Energie aus dem Abgas gewonnen hat, tritt das verbrauchte Abgas aus dem Turbinengehäuse 22 durch den Abgasauslass 28 aus und wird zu dem Flammrohr des Fahrzeugs und gewöhnlich zu Nachbehandlungsvorrichtungen, wie z. B. Katalysatoren, Partikelfiltern und NOx-Speichern (nicht gezeigt), geleitet. Die durch das Turbinenrad 30 gewonnene Energie wird in eine Drehbewegung umgewandelt, die zum Antreiben eines Verdichterrads 14 verwendet wird. Mit Drehung des Verdichterrads 14 nehmen der/die den Zylindern 6 des Motors 3 über eine Ausströmung aus dem Verdichterauslass 18 des Verdichterbereichs 10, der mit dem Lufteinlasskrümmer 4 des Motors 3 verbunden ist, zugeführte Luftmassendurchsatz, Luftmassendichte und Luftdruck zu.
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Mit Bezug auf 2 wird eine Stromsteuervorrichtung 100 mit fixierten Schaufeln zur Steuerung des Abgasstroms durch den Turboladerturbinenbereich 20 verwendet. Die Stromsteuervorrichtung 100 mit fixierten Schaufeln ist in dem Turbinengehäuse 22 angeordnet und umfasst eine Schaufelanordnung 101, die an dem Turbinengehäuse 22 fixiert ist, und eine Einstellringanordnung 150, die auf der Schaufelanordnung 101 gestützt wird und bezüglich dieser drehbar ist. Durch die Steuerung der Drehrichtung der Einstellringanordnung 150 bezüglich der Schaufelanordnung 101 kann das Ausmaß an von der Turbinenspirale 26 zu dem Turbinenrad 30 gerichtetem Abgasstrom gesteuert werden, wodurch eine Steuerung der durch den Turbolader 1 bereitgestellten Aufladung gestattet wird.
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Mit Bezug auf 3 umfasst die Schaufelanordnung 101 einen Schaufelring 102, einen Haltering 132 und Schrauben 103, die dazu verwendet werden, den Schaufelring 102 zusammen mit dem Haltering 132 fest an dem Turbinengehäuse 22 zu sichern, wie im Folgenden genauer erörtert wird.
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Der Schaufelring 102 ist eine ringförmige Platte, die eine zum Lagergehäuse weisende Seite 104 und eine zum Turbinengehäuse weisende Seite 106 umfasst. Der Schaufelring 102 umfasst einen inneren Rand 110, der eine mittlere Öffnung 112 des Schaufelrings definiert, und einen radial nach außen weisenden äußeren Rand 108. Der Schaufelring 102 umfasst des Weiteren Schaufeln 114, die auf der zum Turbinengehäuse weisenden Seite 106 angeordnet sind. Die Schaufeln 114 sind mit dem Schaufelring 102 integral ausgebildet und ragen in einer senkrecht zu der zum Turbinengehäuse weisenden Seite 106 verlaufenden Richtung vor. Die Schaufeln 114 sind dreiseitig, so dass jede Schaufel 114 eine Basis 122, die mit einem Abschnitt des inneren Rands 110 zusammenfällt, eine lange Seite 118, die sich zwischen einem Ende 125 der Basis 122 und dem radial nach außen weisenden äußeren Rand 108 des Schaufelrings 102 erstreckt, und eine kurze Seite 120, die sich zwischen einem gegenüberliegenden Ende 126 der Basis 122 und dem radial nach außen weisenden äußeren Rand 108 des Schaufelrings 102 erstreckt, umfasst. Die lange Seite 118 und die kurze Seite 120 schneiden sich an dem radial nach außen weisenden äußeren Rand 108 unter Bildung einer Spitze 124 der Schaufel 114. Darüber hinaus sind die lange Seite 118 und die kurze Seite 120 gekrümmt, so dass jede Schaufel 114 zu dem radial nach außen weisenden äußeren Rand 108 hin konvex und zu dem inneren Rand 110 und der mittleren Öffnung 112 hin konkav ist.
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Die Schaufeln 114, die in 3 beispielsweise als eine erste Schaufel 114a und eine zweite Schaufel 114b genauer dargestellt werden, sind um die mittlere Öffnung 112 des Schaufelrings herum gleichmäßig beabstandet. Sowohl die erste Schaufel 114a als auch die zweite Schaufel 114b umfassen eine erste Basis 122a und eine zweite Basis 122b. Die erste Basis 122a fällt mit einem Abschnitt des inneren Rands 110 zusammen und erstreckt sich zwischen einer langen Seite 118a und einer kurzen Seite 120a an einem ersten Ende 125a und einem zweiten Ende 126a. Gleichermaßen fällt die zweite Basis 122b mit einem Abschnitt des inneren Rands 110 zusammen und erstreckt sich zwischen einer langen Seite 118b und einer kurzen Seite 120b an einem ersten Ende 125b und einem zweiten Ende 126b. Ein innerer Spalt 121a existiert zwischen dem ersten Ende 125a der ersten Basis 122a der ersten Schaufel 114a und dem zweiten Ende 126b der zweiten Basis 122b der benachbarten zweiten Schaufel 114b. Darüber hinaus existiert ein äußerer Spalt 121b zwischen einer Spitze 124a der ersten Schaufel 114a und einer Spitze 124b der benachbarten zweiten Schaufel 114b. Aufgrund der Form der ersten und der zweiten Schaufel 114a, b beträgt die Länge des äußeren Spalts 121b mehr als die Länge des inneren Spalts 121a.
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Darüber hinaus umfasst der Schaufelring 102 einen ersten Satz aus drei Durchgangslöchern 116, die um einen Umfang des Schaufelrings 102 herum gleichmäßig beabstandet sind und sich zwischen der zum Lagergehäuse weisenden Seite 104 und der zum Turbinengehäuse weisenden Seite 106 erstrecken. Jedes Durchgangsloch 116 verläuft durch eine Schaufel 114, und die Durchgangslöcher 116 des ersten Satzes sind dahingehend geformt und dimensioniert, eine der Schrauben 103 darin aufzunehmen.
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Der Haltering 132 ist eine ringförmige Platte, die eine zum Lagergehäuse weisende Seite 134 und eine zum Turbinengehäuse weisende Seite 136 umfasst. Der Haltering 132 umfasst einen inneren Rand 140, der eine mittlere Öffnung 142 des Halterings definiert, und einen radial nach außen weisenden äußeren Rand 138. Der Durchmesser des inneren Rands 140 des Halterings 132 ist gleich dem Durchmesser des inneren Rands 110 des Schaufelrings, und der Durchmesser des äußeren Rands 138 des Halterings ist gleich dem Durchmesser des radial nach außen weisenden äußeren Rands 108 des Schaufelrings. Jedoch beträgt die Dicke des Halterings 132 mehr als die Dicke des Schaufelrings 102, wobei sich Dicke auf den Abstand zwischen der zum Lagergehäuse weisenden Seite und der zum Turbinengehäuse weisenden Seite bezieht. Beispielsweise kann der Haltering 132 3–6 mal dicker als der Schaufelring 102 sein. Darüber hinaus umfasst der Haltering 132 einen zweiten Satz von drei Durchgangslöchern 144, die um einen Umfang des Halterings 132 herum gleichmäßig beabstandet sind und sich zwischen der zum Lagergehäuse weisenden Seite 134 und der zum Turbinengehäuse weisenden Seite 136 erstrecken. Die Durchgangslöcher 144 sind dahingehend geformt und dimensioniert, eine der Schrauben 103 darin aufzunehmen.
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Mit Bezug auf 4 ist der Schaufelring 102 zur Bildung der Schaufelanordnung 101 derart mit dem Haltering 132 gestapelt, dass die zum Lagergehäuse weisende Seite 104 des Schaufelrings 102 an der zum Turbinengehäuse weisenden Seite 136 des Halterings 132 anliegt und die jeweiligen mittleren Öffnungen 112, 142 aufeinander ausgerichtet sind. Darüber hinaus sind der erste und der zweite Satz von Durchgangslöchern 116 bzw. 144 auch aufeinander ausgerichtet, so dass sich die Schrauben 103 durch sowohl den ersten als auch den zweiten Satz von Durchgangslöchern 116, 144 erstrecken können. Die Schrauben 103 umfassen Schraubenköpfe 103a, die auf der zum Lagergehäuse weisenden Seite 134 des Halterings 132 positioniert sind und die Sicherung des Schaufelrings 102 in der gestapelten Position bezüglich des Halterings 132 unterstützen.
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Mit erneutem Bezug auf 2 und nun auf 5 umfasst die Einstellringanordnung 150 einen Einstellring 180 und ein Stromsteuerglied 152, das an einer zum Turbinengehäuse weisenden Seite 186 des Einstellrings 180 fixiert ist.
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Das Stromsteuerglied 152 umfasst eine hohle zylinderförmige Seitenwand 160 mit einem offenen ersten Ende 154 und einem offenen zweiten Ende 155, das dem offenen ersten Ende 154 gegenüberliegt. Die Seitenwand 160 definiert eine Längsachse 158, die sich zwischen dem offenen ersten und dem offenen zweiten Ende 154, 155 der Seitenwand 160 erstreckt. Sich radial erstreckende Öffnungen 162 der Seitenwand sind in der Seitenwand 160 an dem offenen ersten Ende 154 der Seitenwand 160 ausgebildet und stellen einen Fluidstromdurchgang zwischen einer radial nach außen weisenden äußeren Fläche 156 und einer inneren Fläche 157 der Seitenwand 160 bereit. Die sich radial erstreckenden Öffnungen 162 der Seitenwand sind um einen Umfang der Seitenwand 160 herum gleichmäßig beabstandet, wobei Stege 163 zwischen benachbarten sich radial erstreckenden Öffnungen 162 der Seitenwand vorgesehen sind. Die sich radial erstreckenden Öffnungen 162 der Seitenwand werden durch Flächen (162a–d) definiert, die ein rechteckiges Profil aufweisen und in der Umfangsrichtung länglich sind. Weiterhin sind zwei der Flächen (162a, 162b), die die Definition der sich radial erstreckenden Öffnungen 162 der Seitenwand unterstützen, in einem vorbestimmten Winkel zu der äußeren und der inneren Fläche 156, 157 ausgebildet. Der vorbestimmte Winkel entspricht einem Fluideintrittssollwinkel zum Turbinenrad und ist beispielsweise dahingehend eingestellt, die Antriebswirkung des auf das Turbinenrad 30 strömenden Abgases zu maximieren. Die sich radial erstreckenden Öffnungen 162 der Seitenwand weisen eine Umfangsdimension, die der Länge des inneren Spalts 121a zwischen den Basen 122 benachbarter Schaufeln 114 entspricht, und eine axiale Dimension, die einer axialen Dimension der Schaufeln 114 entspricht, auf.
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Das offene zweite Ende 155 der Seitenwand 160 ist dahingehend geformt, dass es einen radial nach außen vorragenden Flansch 164 aufweist. Der radial nach außen vorragende Flansch 164 umgibt das offene zweite Ende 155 und wird dazu verwendet, das Stromsteuerglied 152 derart an der zum Turbinengehäuse weisenden Seite 186 des Einstellrings 180 zu sichern, dass sich die Längsachse 158 der Seitenwand in einer senkrecht zu der zum Turbinengehäuse weisenden Seite 186 des Einstellrings 180 verlaufenden Richtung erstreckt. Der radial nach außen vorragende Flansch 164 umfasst drei Durchgangslöcher 166, die um einen Umfang des radial nach außen vorragenden Flanschs 164 herum gleichmäßig beabstandet sind und sich zwischen einer zum Lagergehäuse weisenden Seite 168 und einer zum Turbinengehäuse weisenden Seite 167 des radial nach außen vorragenden Flanschs 164 erstrecken. Die Durchgangslöcher 166 sind dahingehend geformt und dimensioniert, einen Zapfen 195 darin aufzunehmen.
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Der Einstellring 180 ist eine ringförmige Platte, die eine zum Lagergehäuse weisende Seite 184 und die zum Turbinengehäuse weisende Seite 186 umfasst. Der Einstellring 180 umfasst einen inneren Rand 190, der eine mittlere Öffnung 192 des Einstellrings definiert, und einen kreisförmigen radial nach außen weisenden äußeren Rand 188. Der Durchmesser des inneren Rands 190 des Einstellrings beträgt etwas mehr als der Durchmesser der inneren Fläche 157 des Stromsteuerglieds, und der Durchmesser des äußeren Rands 188 des Einstellrings beträgt mehr als der Durchmesser des radial nach außen vorragenden Flanschs 164 des Stromsteuerglieds 152. Der Einstellring 180 umfasst Nasen 194, die von dem äußeren Rand 188 radial nach außen vorragen. Bei der dargestellten Ausführungsform sind drei gleichmäßig beabstandete Nasen 194 entlang dem äußeren Rand 188 ausgebildet. Im mit dem Turbinengehäuse 22 verbauten Zustand liegt die zum Turbinengehäuse weisende Seite 186 der Nasen 194 an einer zum Lagergehäuse weisenden Schulter 22a des Turbinengehäuses 22 an, wodurch die axiale Position des Einstellrings 180 bezüglich des Turbinengehäuses aufrechterhalten wird. Darüber hinaus ist der Einstellring 180 mit einem Aktuator (nicht gezeigt) über einen Block 197 verbunden, der über einen Gelenkbolzen 198 mit einer der Nasen 194 verbunden ist.
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Der Einstellring 180 umfasst drei Durchgangslöcher 196, die um einen Umfang des Einstellrings 180 herum gleichmäßig beabstandet sind und sich zwischen der zum Lagergehäuse weisenden Seite 184 und der zum Turbinengehäuse weisenden Seite 186 erstrecken. Die Durchgangslöcher 196 sind dahingehend geformt und dimensioniert, den Zapfen 195 darin aufzunehmen.
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Mit Bezug auf 6 wird das Stromsteuerglied 152 zur Bildung der Einstellringanordnung 150 derart mit dem Einstellring 180 verbaut, dass die zum Lagergehäuse weisende Seite 168 des radial nach außen vorragenden Flanschs 164 an der zum Turbinengehäuse weisenden Seite 186 des Einstellrings 180 anliegt und die mittlere Öffnung 192 des Einstellrings auf der Längsachse 158 der Seitenwand zentriert ist. Die jeweiligen Durchgangslöcher 166, 196 des radial nach außen vorragenden Flanschs 164 und des Einstellrings 180 sind axial ausgerichtet, und der Zapfen 195 ist in jedem axial ausgerichteten Durchgangsloch 166, 196 angeordnet und erstreckt sich dort hindurch, so dass sich das Stromsteuerglied 152 gemeinsam mit dem Einstellring 180 dreht.
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Mit Bezug auf 7 und 8 sind die Schaufelanordnung 101, einschließlich des Schaufelrings 102 und des Halterings 132 zusammen in der gestapelten Anordnung, durch die Schrauben 103 an dem Turbinengehäuse 22 gesichert. Insbesondere erstrecken sich die Schrauben 103 durch den jeweiligen ersten und zweiten Satz von Durchgangslöchern 116, 144 und werden in einem mit einem Gewinde versehenen Schraubenloch 32 aufgenommen, das in dem Turbinengehäuse 22 ausgebildet ist. Das Bolzenloch 32 ist axial auf einer außen liegenden Seite des sich radial erstreckenden Halses 34, der sich zwischen der Turbinenspirale 26 und dem Turbinenrad 30 (hier der Einfachheit halber entfernt) erstreckt, positioniert. Das Schraubenloch 32 ist radial zwischen der Turbinenspirale 26 und dem Abgasauslass 28 positioniert. Da die Schraube 103 durch die Schaufel 114 anstatt zwischen benachbarten Schaufeln 114 hindurchgeht, unterbricht die Schraube 103 nicht den Abgasstrom durch die Stromsteuervorrichtung 100 mit fixierten Schaufeln. Wie zuvor genauer dargestellt wird, ist die Schraube 103 derart angeordnet, dass sich der Kopf 103a der Schraube 103 auf der zum Lagergehäuse weisenden Seite 134 des Halterings 132 befindet. In dieser Position dient der Schraubenkopf 103a als ein Abstandshalter, der einen axialen Sollabstand zwischen der Schaufelanordnung 101 und der Einstellringanordnung 150 aufrechterhält, wie im Folgenden genauer erörtert wird.
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Wenn die Schaufelanordnung 101 an dem Turbinengehäuse 22 gesichert ist, ist der Haltering 132 in einer Bohrung 22b des Turbinengehäuses aufgenommen. Insbesondere weist der radial nach außen weisende äußere Rand 138 des Halterings 132 zu einer radial nach innen weisenden Fläche 22d der Bohrung 22b des Turbinengehäuses, und die mittlere Öffnung 142 des Halterings ist auf der Drehachse R der Welle 2 zentriert. Bei dieser Konfiguration ragen die Schaufeln 114 in den Hals 34 vor und liegen an einer zum Lagergehäuse weisenden Wand 22c des Turbinengehäuses 22 an. Die zum Lagergehäuse weisende Wand 22c definiert einen Abschnitt des Halses 34.
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Die Einstellringanordnung 150 ist in dem Turbinengehäuse 22 angeordnet, wobei sich die Seitenwand 160 des Stromsteuerglieds 152 durch die mittleren Öffnungen 112, 142 des Schaufelrings 102 und des Halterings 132 erstreckt, so dass der radial nach außen vorragende Flansch 164 des Stromsteuerglieds 152 an den Köpfen 103a der Schrauben 103 anliegt. Bei dieser Konfiguration liegt die äußere Fläche 156 der Seitenwand an dem inneren Rand 140 des Halterings 132 an und die sich radial erstreckenden Öffnungen 162 der Seitenwand sind in dem Hals 34 positioniert. Insbesondere befinden sich die sich radial erstreckenden Öffnungen 162 der Seitenwand und die Schaufeln 114 in einer gemeinsamen Ebene P, die quer zur Drehachse ist und durch den Hals 34 verläuft.
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Obgleich die Schaufelanordnung 101 an dem Turbinengehäuse 22 fixiert ist, ist die Einstellringanordnung 150 um die Längsachse 158 der Seitenwand 160 der Einstellringanordnung 150 bezüglich der Schaufelanordnung 101 drehbar. Die Längsachse 158 der Seitenwand 160 der Einstellringanordnung 150 entspricht der Drehachse R der Welle 2 des Turboladers 1. Somit ist die Einstellringanordnung 150 radial an dem inneren Rand 110 des Schaufelrings positioniert, und der innere Rand 110 des Schaufelrings stellt allgemein eine Lagerfläche für die Einstellringanordnung 150 und besonders die Seitenwand 160 bereit.
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Mit Bezug auf 9–11 wird die Stromsteuervorrichtung 100 mit fixierten Schaufeln zur Steuerung des Abgasstroms durch den Turbinenbereich 20 des Turboladers 1 gemäß den folgenden Parametern verwendet: a) die Einstellringanordnung 150, die das Stromsteuerglied 152 umfasst, ist um die Längsachse 158 bezüglich des Schaufelrings 102 in einer durch den Pfeil in 9 angegebenen Richtung und somit auch des Turbinengehäuses 22 drehbar; b) die Einstellringanordnung 150, die das Stromsteuerglied 152 umfasst, dreht sich in einer durch den Pfeil in 9 angegebenen Richtung zwischen einer ersten Drehrichtung und einer zweiten Drehrichtung sowie gemäß Zwischendrehrichtungen zwischen der ersten Drehrichtung und der zweiten Drehrichtung; c) in der ersten Drehrichtung sind die sich radial erstreckenden Öffnungen 162 der Seitenwand radial auf den inneren Spalt 121a zwischen benachbarten Schaufeln 114 ausgerichtet, und die Stege 163 sind radial auf eine Basis 122 einer Schaufel 114 ausgerichtet (10); d) in dieser Position ist der innere Spalt 121a nicht versperrt und Abgas strömt in einer Höchstmenge zwischen den Schaufeln 114 zu dem Turbinenrad; e) in der zweiten Drehrichtung ist jede der sich radial erstreckenden Öffnungen 162 der Seitenwand durch eine entsprechende Schaufel 114 zumindest teilweise versperrt, und die Stege 163 versperren zumindest teilweise den inneren Spalt 121a (11); und f) dadurch wird der Abgasstrom durch das Turbinengehäuse 22 bezüglich des Stroms der ersten Position reduziert (z. B. liegt der Abgasstrom unter der Höchstmenge). Bei einigen Ausführungsformen kann die zweite Drehrichtung einer Konfiguration entsprechen, bei der der innere Spalt 121a vollständig durch die Stege 163 versperrt wird, wodurch das Strömen von Abgas durch das Turbinengehäuse 22 verhindert wird. Bei anderen Ausführungsformen kann unabhängig von den Relativdrehrichtungen der Einstellringanordnung 150 und der Schaufelanordnung 101 zumindest etwas Abgasstrom durch das Turbinengehäuse 22 gestattet werden.
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Eine Drehung der Einstellringanordnung 150 bezüglich des Turbinengehäuses 22 wird über eine Drehung des Einstellrings 180 erzielt. Wie zuvor erörtert wurde, ist der Einstellring 180 mit einem Aktuator (nicht gezeigt) über den schwenkbaren Block 197, der mit einer der Nasen 194 verbunden ist, verbunden. Bei einigen Ausführungsformen ist der schwenkbare Block 197 unter Verwendung einer herkömmlichen VTG-Gestängeanordnung, einschließlich der Verwendung einer Betätigungsschwenkwelle 199 zum Einrücken des schwenkbaren Blocks 197, mit dem Aktuator (nicht gezeigt) verbunden.
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Die Stromsteuervorrichtung 100 mit fixierten Schaufeln gestattet eine Drosselung des Abgasstroms durch die Turbine 1 zur Erhöhung oder Verringerung der Drehzahl des Turbinenrads, wodurch eine Steuerung der Aufladung in dem Turbolader gestattet wird. Insbesondere gestattet die Stromsteuervorrichtung 100 mit fixierten Schaufeln das Variieren eines Turbinendurchflussquerschnitts zum Turbinenrad gemäß Motorbetriebspunkten. Dadurch wird eine Nutzung der gesamten Abgasenergie und eine optimale Einstellung des Turbinendurchflussquerschnitts für jeden Betriebspunkt gestattet. Somit können der Wirkungsgrad des Turboladers 1 und somit der des Motors verbessert werden.
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Bei der dargestellten Ausführungsform weisen die Schaufeln 114 ein dreiseitiges gekrümmtes Profil gemäß obiger Beschreibung auf, jedoch sind die Schaufeln 114 nicht auf diese Form beschränkt. Insbesondere können die Schaufeln 114 in einer beliebigen Form, die ein/e Sollabgasströmungsprofil und/oder -richtung bereitstellt, vorgesehen sein. Beispielsweise können die Schaufeln 114 ein dreiseitiges gerades Profil aufweisen. In einem anderen Beispiel können die Schaufeln 114 zweiseitig sein und ein Tragflächenprofil aufweisen.
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Bei der dargestellten Ausführungsform umfasst der Schaufelring 102 neun Schaufeln 114. Jedoch versteht sich, dass die Anzahl an Schaufeln 114 nicht auf neun beschränkt ist und in Abhängigkeit von den Anforderungen der spezifischen Anwendung erhöht oder verringert werden kann. Die Anzahl an sich radial erstreckenden Öffnungen 162 der Seitenwand entspricht der Anzahl an Schaufeln 114.
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Bei der dargestellten Ausführungsform werden drei Schrauben 103 dazu verwendet, die Schaufelanordnung 101 an dem Turbinengehäuse 22 zu sichern. Es versteht sich jedoch, dass eine größere oder geringere Anzahl an Schrauben 103 verwendet werden kann. Die Verwendung von mindestens drei Schrauben 103 soll für die Reduzierung und/oder Minimierung des Wärmeverzugs der Anordnung gut funktionieren.
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Bei der dargestellten Ausführungsform umfasst das Stromsteuerglied 152 sich radial erstreckende Öffnungen 162 der Seitenwand mit einer rechteckigen Form. Jedoch sind die sich radial erstreckenden Öffnungen 162 der Seitenwand nicht auf eine rechteckige Form beschränkt, und die Form der sich radial erstreckenden Öffnungen 162 der Seitenwand kann eine beliebige Form, die die Anforderungen der spezifischen Anwendung erfüllt, sein. Beispielsweise kann die Form der Seitenwandöffnungen quadratisch sein oder eine andere polygonale Form aufweisen, kreisförmig sein, oval sein oder eine andere gekrümmte Form aufweisen, oder unregelmäßig geformt sein, wie z. B. katzenaugenförmig.
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Weiterhin kann die Größe der sich radial erstreckenden Öffnungen 162 der Seitenwand dahingehend geändert werden (z. B. länger oder kürzer als die Länge des inneren Spalts 121a gestaltet werden), die Funktion der Stromsteuervorrichtung 100 mit fixierten Schaufeln zu optimieren und/oder die Anforderungen einer spezifischen Anwendung zu erfüllen.
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Eine beispielhafte Stromsteuervorrichtung ist auf veranschaulichende Weise beschrieben worden und es versteht sich, dass die verwendete Terminologie beschreibend und nicht als Einschränkung verstanden werden soll. Es sind angesichts der obigen Lehren viele Modifikationen und Variationen der beschriebenen Vorrichtung möglich. Deshalb versteht sich, dass die erfinderischen Konzepte und Vorrichtungen innerhalb des Schutzbereichs der angehängten Ansprüche auf andere Weise als in der Beschreibung speziell angeführt ausgeführt sein können.
