WO2008095568A1 - Leitschaufelverstellvorrichtung für ein turbinenteil einer aufladeeinrichtung - Google Patents

Leitschaufelverstellvorrichtung für ein turbinenteil einer aufladeeinrichtung Download PDF

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WO2008095568A1
WO2008095568A1 PCT/EP2007/063770 EP2007063770W WO2008095568A1 WO 2008095568 A1 WO2008095568 A1 WO 2008095568A1 EP 2007063770 W EP2007063770 W EP 2007063770W WO 2008095568 A1 WO2008095568 A1 WO 2008095568A1
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WO
WIPO (PCT)
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guide
slots
adjusting element
leitschaufelverstellvorrichtung
vanes
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/063770
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Baeuerle
Gunter Winkler
Claus Fleig
Thanh-Hung Nguyen-Schaefer
Martin Rauscher
Martin Knopf
Original Assignee
Bosch Mahle Turbo Systems Gmbh & Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bosch Mahle Turbo Systems Gmbh & Co. Kg filed Critical Bosch Mahle Turbo Systems Gmbh & Co. Kg
Publication of WO2008095568A1 publication Critical patent/WO2008095568A1/de

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/04Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
    • F02C6/10Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output supplying working fluid to a user, e.g. a chemical process, which returns working fluid to a turbine of the plant
    • F02C6/12Turbochargers, i.e. plants for augmenting mechanical power output of internal-combustion piston engines by increase of charge pressure
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10Final actuators
    • F01D17/12Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00Application
    • F05D2220/40Application in turbochargers

Definitions

  • the invention is based on a vane adjusting device according to the preamble of the independent claim 1.
  • exhaust gas turbochargers for internal combustion engines of passenger cars, trucks or large engines consist of two turbomachines: a turbine and a compressor, which are mounted on a common shaft.
  • the turbine uses the energy contained in the exhaust gas to drive the compressor, which sucks fresh air and supplies pre-compressed air to the cylinders of the internal combustion engine.
  • a regulation of the exhaust gas turbocharger is required to achieve a nearly constant boost pressure in a wide engine speed range.
  • solutions are known in which a part of the exhaust gas is led around the turbine by means of a bypass channel.
  • An energetically favorable solution allows the so-called variable turbine geometry, in which the Aufstau the turbine continuously changed and thus each of the exhaust gas can be used.
  • adjustable vanes have prevailed because of their large control range at the same time good efficiencies. To adjust the vanes different adjustment mechanisms are known.
  • a Leitschaufelverstellvoroplasty with the features of the preamble of claim 1 is known for example from EP 1 234 950 Bl.
  • the guide vanes are arranged pivotably via a respective shaft on a flange used as a guide blade carrier and are pivoted collectively by means of a rotatable adjusting element.
  • the guide vanes each have an integrally formed on the shaft pivot arm which is provided at the end with a protruding from the arm arm projection which engages in an associated control slot of the adjusting element.
  • the control slots associated with the projections of the pivot arms extend in a straight line in the radial direction and are U-shaped with open ends.
  • the adjusting element has a circular réelleausneh- tion with an angled inner edge, which is pushed to form a pivot bearing on a cylindrical flange.
  • Such Leitschaufelverstellvorraumen be used in turbochargers with so-called variable turbine geometry.
  • the vane adjusting device according to the invention with the features of independent claim 1 has over the known from the prior art devices the advantage of a very cost-effective construction associated with the advantages of robustness and Schmutzu- nempfmdige of the moving parts.
  • the adjusting element has control slots which cooperate with the pivot arms of the guide vanes and guide slots, which serve for the storage of the adjusting element.
  • the control slots and guide slots can advantageously be introduced into the adjustment element in a common manufacturing process. Apart from the guide slots and control slots, no further complicated bearing structures need to be formed on the adjusting element.
  • the adjusting element can be manufactured inexpensively as a flat annular disc.
  • the assembly of the adjusting element is considerably simplified in that during assembly, only the projections of the pivot arms are inserted into the control slots and the other projections in the guide slots.
  • the guide slots have a curved contour extending in the circumferential direction with closed ends, wherein the radius of curvature of the guide slots preferably corresponds to the radial distance of the guide slots to the axis of rotation.
  • two diametrically opposite guide slots or else three guide slots can be formed at an angle of 120 ° distributed over the circumference on the disc-shaped adjusting element.
  • the guide slots can advantageously be formed together with the control slots on the adjusting element. The adjusting element can then be produced cost-effectively as a simple annular disc-shaped stamped part.
  • the vanes are adjustable in the flow channel between a first open position and a second closed position. It is particularly advantageous if the arc length of the guide slots limits the maximum adjustable angle of rotation of the adjusting element and thus also the pivot angle range of the guide vanes.
  • the length of the control slots can advantageously be made larger than the distance traveled by the projection of the Leitschaufelschwenkarme at an adjustment between the first position and the second position of the vanes in the associated control slot, thereby ensuring that contaminants in the control slots, the preferably accumulate at the ends, not affect the pivotal movement of the vanes.
  • the further projections can advantageously be formed on the guide blade carrier or a housing part or an attached part of the guide vane adjustment device.
  • the further projections are cylindrical and in each case a sleeve is slidably slid onto it, which engages in the associated guide slot.
  • the adjusting element is provided on its outside and / or inside with slots open on one side, which extend, for example, in the radial direction. This advantageously counteracts a warping of the adjusting element in the event of severe heating.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a turbocharger according to the invention, - A -
  • FIG. 2 shows a schematic view of a plan view of the vane adjusting device
  • FIG. 3 shows a detail of the guide vane adjusting device
  • FIG. 6 shows a second exemplary embodiment of the guide vane adjusting device shown in FIG.
  • FIG. 1 shows a schematic and simplified cross-sectional view of a turbocharger for an internal combustion engine, which is usable with the inventive Leitschaufelverstellvorraum.
  • the turbocharger 1 comprises a compressor part 2 with a compressor housing 4, in which a compressor wheel 6 is arranged, and a turbine part 3 with a turbine housing 5, in which a turbine runner 7 with turbine blades 17 is arranged.
  • Compressor 6 and turbine runner 7 are arranged on a common shaft 8, which is arranged rotatably, for example, in a oil-filled bearing housing 14 about an axis of rotation 9 extending in an axial direction.
  • the direction of the exhaust gas flow through the turbine housing 5 is from an inlet 10 to an outlet 11 and the flow through the compressor part is indicated by arrows.
  • the turbine uses the energy contained in the exhaust gas to drive via the shaft 8, the compressor 6, whereby fresh air is compressed and the cylinders of the internal combustion engine is supplied.
  • a flow channel 12 is formed in the turbine housing 5.
  • the exhaust gas flowing into the inlet 10 first flows into a bent section of the flow channel 12 and from there through an annular gap 18 to the turbine runner 7 and further to the outlet 11.
  • a plurality of guide vanes 30 are arranged, each non-rotatably connected to a respective shaft 31 are.
  • the guide vanes are pivotally mounted on a fixed in the turbine part 3 common vane support 32.
  • the vane support 32 may be formed, for example, annular and forms in the embodiment shown here at the same time a boundary wall of the flow channel 12.
  • the individual shafts 31 of the guide vanes 30 penetrate the guide blade carrier 32 and are rotatably arranged relative to the guide blade carrier in each case in a feedthrough opening forming a bearing.
  • the waves are each connected to a projecting from the waves pivot arm 33 rotationally secure.
  • each pivot arm 33 has at its end not connected to the shaft 31 a projection 35 which projects perpendicularly from the longitudinal axis of the pivot arm and parallel to the central axis of the shaft 31.
  • the projection 35 is preferably cylindrical. Between the projection 35 and the pivot arm 33 may still be provided a shoulder 38, which serves to reduce the friction between an adjusting element 34 and the pivot arm 33.
  • Each projection 35 engages in a control slot 36 associated with this projection, which is formed on the adjusting element 34, as shown in FIG. In Figure 2, the exact course of the control slots 36, in which engage the projections 35, not shown. This will be described in more detail below in connection with FIG. 4.
  • the adjusting element 34 is preferably designed as a flat annular disk, which is rotatably mounted about an axis of rotation 9.
  • the axis of rotation 9 preferably coincides with the axis of rotation of the shaft 8 of the turbocharger.
  • the adjusting element 34 is rotatable by means of an actuating element 19 in an angular range, wherein an actuation element 19 actuating, for example, pneumatic or electrical adjusting mechanism is not shown in FIGS. 1 to 6 for the sake of simplicity.
  • the rotational movement is transmitted via the guided in the control slots 36 projections 35 on the pivot arms 33 and the shafts 31 of the vanes 30, whereby the shafts 31 rotate in the respective through holes of the guide vane carrier 32.
  • the guide vanes 30 arranged on the side of the guide blade carrier 32 facing away from the adjusting element 34 are pivoted jointly and similarly continuously.
  • the swivel angle ß of the vanes depends on the rotation angle ⁇ of the adjusting element 34 via the relationship
  • a pivoting angle of the guide vanes is uniquely associated with each angle of rotation of the adjusting element.
  • the guide vanes 30 are arranged between a first position I, in which the guide vanes largely open the flow channel through the annular gap 18, and a second position II, in which the guide vanes block the flow channel through the annular gap. close, swiveling.
  • first position I in which the guide vanes largely open the flow channel through the annular gap 18
  • second position II in which the guide vanes block the flow channel through the annular gap. close, swiveling.
  • the open position is shown hatched, the closed position is drawn throughout.
  • the maximum pivoting angle of the guide vanes is preferably not limited in the illustrated embodiment by the length of the control slots 36, but by the length of guide slots 40 which are formed on the adjusting element and cooperate with further projections 41.
  • the guide slots 40 form a pivot bearing for the adjusting element 34.
  • 3 guide slots 40 are distributed uniformly over the circumference of the adjusting element 34, which have a correspondingly curved according to their radial distance from the axis of rotation 9 of the Ver adjusting element.
  • the guide slots 40 for example, together with the control slots 36 introduced as a continuous recesses in the annular disk-shaped adjusting element 34 by punching.
  • the adjustment can then be produced inexpensively as a flat annular disc in the stamping process. But it is also possible that the slots are not completely penetrate the adjustment and groove-like formed on the adjustment.
  • a further projection 41 which is preferably fixedly fixed to the Leitschaufelverstellvorraum.
  • each further projection 41 may be cylindrical in shape and have a rotatable sleeve 42 pushed thereon, which rolls on the inner contour of the guide slots 40.
  • these have, in a particularly preferred embodiment, further recesses 43 which merge into the contour of the guide slots or which are arranged directly adjacent to the guide slots. Dirt and impurities can be absorbed by these further recesses 43.
  • Projection 35 is for example cylindrical.
  • the respective control slot is not rectilinear and has a deviating from the radial course curved course.
  • the control slot 36 has a straight section 38, to which a further curved section 39 adjoins. But it is also possible to form the entire control slot 36 curved.
  • the curved portion 39 is curved in such a way that a transmitted from the vane 30 on the projection 35 force F is substantially perpendicular to the Control slot 36 is supported as long as the Vorsprang moves in the curved portion 39.
  • Substantially perpendicular in this context means that the force F occupies an angle between approximately 85 ° and 95 ° relative to the tangent to the force-loaded inner contour 36a of the control slot 36.
  • the force F is always directed for different positions of the pre-jump 35 within the curved portion 39 is substantially perpendicular to the inner contour of the control slot.
  • the force F is directed for two different layers of the Vorsprangs 35 in the curved portion 39 of the control slot substantially perpendicular to the inner contour of the control slot, wherein the two different layers of the Vorsprangs preferably two by an arbitrary angle interval between an angle greater than 0 ° and less than 50 ° different pivoting angle positions of the Vorsprang 35 associated vanes.
  • the Vorsprang 35 slides along the contour of the control slot 36, wherein the ends of the control slot are not reached.
  • the length of the control slots 36 is therefore designed to be greater than the distance traveled by the Vorsprang 35 during complete pivoting in the control slots.
  • the length of the guide slots 40 advantageously limits the maximum adjustable angle of rotation of the adjusting element 34 and thus automatically the maximum pivoting range of the guide vanes between the open position and the closed position.
  • Contaminants and Schmutzablagerangen by soot contained in the exhaust gas then accumulate preferably in the end regions of the control slots, where they do not affect the mobility of the vanes. From there, the impurities can be burnt out at high exhaust gas temperatures in the turbine part.
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment, which differs from the exemplary embodiment shown in FIG. 2 in that the annular flat adjusting element 34 is provided on its outside 45 and / or inside 44 with slots 47 open on one side, which preferably extend in the radial direction.
  • the slots 47 may be regularly or irregularly distributed over the circumference introduced into the adjustment. In principle, different slot contours can be used, for example straight, oblique or curved. The depth and number of slots is sized to counteract warpage while not compromising the stability and ruggedness of the adjustment member.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leitschaufelverstellvorrichtung mit mehreren verstellbaren Leitschaufeln (30) zur Beeinflussung der Strömung in einem Strömungskanal (12, 18) eines Turbinenteils einer Aufladeeinrichtung, insbesondere eines Turboladers (1), umfassend mehrere an einem Leitschaufelträger (32) schwenkbar angeordnete Leitschaufeln, die jeweils einen Schwenkarm (33) aufweisen, der mit einem daran ausgebildeten Vorsprung (35) in jeweils einen zugeordneten Steuerschlitz (36) eines um eine Drehachse (9) drehbaren Verstellelementes (34) eingreift. Es wird vorgeschlagen, dass zur Lagerung des drehbaren Verstellelementes (34) wenigstens zwei Führungsschlitze (40) über den Umfang verteilt an dem Verstellelement (34) vorgesehen sind, in die jeweils ein weiterer Vorsprung (41) eingreift, der ortsfest an der Leitschaufelverstellvorrichtung festgelegt ist.

Description

Beschreibung
Titel
LeitschauferversteHvorrichtung für ein Turbinenteil einer Aufladeeinrichtung
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Leitschaufelverstellvorrichtung nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1.
Bekanntlich bestehen Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen von Personenkraftwagen, Lastkraftwagen oder Großmotoren aus zwei Strömungsmaschinen: einer Turbine und einem Verdichter, die auf einer gemeinsamen Welle angebracht sind. Die Turbine nutzt die im Abgas enthaltene Energie zum Antrieb des Verdichters, der Frischluft ansaugt und vorverdichtete Luft den Zylindern der Brennkraftmaschine zuführt. Wegen des großen Drehzahlbereichs der Pkw-Motoren ist eine Regelung des Abgasturboladers erforderlich, um einen nahezu konstanten Ladedruck in einem weiten Motordrehzahlbereich zu erzielen. Hierzu sind Lösungen bekannt, bei denen ein Teil des Abgasstro- mes mittels eines Bypasskanals um die Turbine herumgeführt wird. Eine energetisch günstige Lösung ermöglicht die sogenannte variable Turbinengeometrie, bei der das Aufstauverhalten der Turbine kontinuierlich verändert und damit jeweils das gesamte Abgas genutzt werden kann. Von den dafür denkbaren Ausführungsformen haben sich verstellbare Leitschaufeln wegen ihres großen Regelbereiches bei gleichzeitig guten Wirkungsgraden durchgesetzt. Zur Verstellung der Leitschaufeln sind unterschiedliche Verstellmechanismen bekannt.
Eine Leitschaufelverstellvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus der EP 1 234 950 Bl bekannt. Die Leitschaufeln sind über jeweils eine Welle schwenkbar an einem als Leitschaufelträger eingesetzten Flansch angeordnet und werden kollektiv mittels eines drehbeweglichen Verstellelementes geschwenkt. Zu diesem Zweck weisen die Leitschaufeln jeweils einen an die Welle angeformten Schwenkarm auf, der endseitig mit einem von dem Schwankarm abstehenden Vorsprung versehen ist, der in einen zugeordneten Steuerschlitz des Verstellelementes eingreift. Die den Vorsprüngen der Schwenkarme zugeordneten Steuerschlitze erstrecken sich geradlinig in radialer Richtung und sind U- förmig ausgebildet mit offenen Enden. Durch Drehung des Verstellelementes werden die in das Verstellelement eingreifenden Leitschaufeln über die Schwenkarme kollektiv verschwenkt. Das Verstellelement weist eine kreisförmige Innenausneh- mung mit einer abgewinkelten Innenkante auf, die zur Bildung eines Drehlagers auf einen zylindrischen Flansch aufgeschoben ist. Derartige Leitschaufelverstellvorrichtungen werden in Turboladern mit sogenannter variabler Turbinengeometrie eingesetzt.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Leitschaufelverstellvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen An- spruchs 1 weist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen den Vorteil eines sehr kostengünstigen Aufbaus verbunden mit den Vorteilen der Robustheit und Schmutzu- nempfmdlichkeit der beweglichen Teile auf. Das Verstellelement weist Steuerschlitze auf, die mit den Schwenkarmen der Leitschaufeln zusammenwirken und Führungsschlitze, die zur Lagerung des Verstellelementes dienen. Die Steuerschlitze und Führungsschlitze können vorteilhaft in einem ge- meinsamen Fertigungsverfahren in das Verstellelement eingebracht werden. Außer den Führungsschlitzen und Steuerschlitzen müssen keine weiteren komplizierten Lagerstrukturen an dem Verstellelement ausgebildet werden. Besonders vorteilhaft kann das Verstellelement als flache Ringscheibe kostengünstig gefertigt werden. Die Montage des Verstellelementes wird dadurch erheblich vereinfacht, dass bei der Montage lediglich die Vorsprünge der Schwenkarme in die Steuerschlitze und die weiteren Vorsprünge in die Führungsschlitze eingeschoben werden.
Vorteilhafte Ausbildungen und Weiterentwicklungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen ermöglicht.
Zur sicheren Lagerung des Verstellelementes weisen die Führungsschlitze eine in Umfangsrichtung gekrümmt verlaufende Kontur mit geschlossenen Enden auf, wobei der Krümmungsradius der Führungsschlitze vorzugsweise dem radialen Abstand der Führungsschlitze zur Drehachse entspricht. Es können beispielsweise zwei sich diametral gegenüber liegende Führungsschlitze oder auch drei Führungsschlitze im Winkel von 120° über den Umfang verteilt an dem scheibenförmigen Verstellele- ment ausgebildet werden. An dem Verstellelement müssen zur Lagerung nur die Führungsschlitze ausgebildet werden, so dass das Verstellelement beispielsweise als einfaches Stanzteil ausgebildet werden kann. Die Führungsschlitze können vorteilhaft zusammen mit den Steuerschlitzen an dem Verstellelement ausgebildet werden. Das Verstellelement ist dann als einfaches ringscheibenförmigen Stanzteil kostengünstig herstellbar. Die Leitschaufeln sind in dem Strömungskanal zwischen einer ersten offenen Position und einer zweiten geschlossenen Position verstellbar. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Bogenlänge der Führungsschlitze den maximal einstellbaren Drehwinkel des Verstellelementes und damit auch den Schwenkwinkelbereich der Leitschaufeln begrenzt. In diesem Fall kann die Länge der Steuerschlitze vorteilhaft größer ausgebildet werden als der Weg den der Vorsprung der Leitschaufelschwenkarme bei einer Verstellung zwischen der ersten Position und der zweiten Position der Leitschaufeln in dem zugeordneten Steuerschlitz zurücklegt, wodurch erreicht wird, dass Verunreinigungen in den Steuerschlitzen, die sich bevorzugt an den Enden ansammeln, die Schwenkbewegung der Leitschaufeln nicht beinträchtigen.
Die weiteren Vorsprünge können vorteilhaft an dem Leitschaufelträger oder einem Gehäuseteil oder einem daran befestigten Teil der Leitschaufelverstellvorrichtung ausgebildet werden. In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist vorgesehen, dass die weiteren Vorsprünge zylindrisch ausgebildet sind und jeweils eine Hülse darauf drehbeweglich aufgeschoben ist, die in den zugeordneten Füh- rungsschlitz eingreift.
Als Schutz gegen Verunreinigungen ist es vorteilhaft, an dem Verstellelement direkt benachbart zu den Führungsschlitzen und/oder Steuerschlitzen weitere Ausnehmungen auszubilden, welche Verschmutzungen aufnehmen, die sich beispielsweise bei niedrigen Abgastemperaturen bevorzugt dort ansammeln anstatt sich in den Führungsschlitzen oder Steuerschlitzen abzusetzen. Die Verschmutzungen können dann bei höheren Abgastemperaturen ausgebrannt werden. Vorzugsweise sind diese weiteren Ausnehmungen benachbart zu den Enden der Führungsschlitze und/oder der Steuerschlitze ausgebildet.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Verstellelement an seiner Außenseite und/oder Innenseite mit einseitig offenen Schlitzen versehen ist, die sich beispielsweise in radialer Richtung erstrecken. Hierdurch wird vorteilhaft einer Verwölbung des Verstellelementes im Falle einer starken Erwärmung entgegengewirkt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Turbolader, - A -
Figur 2 eine schematische Ansicht einer Draufsicht auf die Leitschaufelverstellvorrich- tung,
Figur 3 bis Figur 5 jeweils eine Einzelheit der Leitschaufelverstellvorrichtung, Figur 6 ein zweites Ausführungsbeispiel für die in Figur 2 dargestellte Leitschaufel- Verstellvorrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine schematische und vereinfachte Querschnittsdarstellung eines Turboladers für eine Brennkraftmaschine, der mit der erfmdungsgemäßen Leitschaufelverstellvorrichtung verwendbar ist. Der Turbolader 1 umfasst einen Verdichterteil 2 mit einem Verdichtergehäuse 4, in dem ein Verdichterrad 6 angeordnet ist, und einen Turbinenteil 3 mit einem Turbinengehäuse 5, in dem ein Turbinenlaufrad 7 mit Turbinenschaufeln 17 angeordnet ist. Verdichterrad 6 und Turbinenlaufrad 7 sind auf einer gemeinsamen Welle 8 angeordnet, die beispielsweise in einem öldurchfluteten Lagergehäuse 14 um eine sich in einer axialen Richtung erstreckende Drehachse 9 rotierbar angeordnet ist. In Figur 1 ist die Richtung des Abgasstromes durch das Turbinengehäuse 5 von einem Einlass 10 zu einem Auslass 11 und die Strömung durch den Verdichterteil mit Pfeilen darstellt. Die Turbine nutzt die im Abgas enthaltene Energie, um über die Welle 8 das Verdichterrad 6 anzutreiben, wodurch Frischluft verdichtet wird und den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
In dem Turbinengehäuse 5 ist ein Strömungskanal 12 ausgebildet. Das in den Einlass 10 einströmende Abgas strömt zunächst in einen gebogenen Abschnitt des Strömungskanals 12 und von dort durch einen Ringspalt 18 zum Turbinenlaufrad 7 und weiter zum Auslass 11. In dem Ringspalt 18 sind mehrer Leitschaufeln 30 angeordnet, die drehfest mit jeweils einer Welle 31 verbunden sind. Über die Wellen 31 sind die Leitschaufeln an einem in dem Turbinenteil 3 feststehend angeordneten gemeinsamen Leitschaufelträger 32 schwenkbar gelagert. Der Leitschaufelträger 32 kann beispielsweise ringförmig ausgebildet sein und bildet in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel zugleich eine Begrenzungswand des Strömungskanals 12 aus. Die einzelnen Wellen 31 der Leitschaufeln 30 durchdringen den Leitschaufelträger 32 und sind in jeweils einer ein Lager bildenden Durchfüh- rungsöffhung relativ zu dem Leitschaufelträger drehbar angeordnet. Auf der von dem Strömungskanal 12 und den Leitschaufeln 30 abgewandten Seite des Leitschaufelträgers 32 sind die Wellen mit jeweils einem von den Wellen abstehenden Schwenkarm 33 drehsicher verbunden.
Wie am besten in Fig. 2 und Fig. 3 zu erkennen ist, stehen die Schwenkarme 33 senkrecht zur Mit- telachse der jeweiligen Welle 31 ab, wobei die Schwenkarme 33 mit den Leitflächen der Leitschaufeln 30 in etwa vorzugsweise einen stumpfen Winkel von beispielsweise 130° bilden, wie in Fig. 2 zu erkennen ist. Wie am besten in Fig. 3 zu sehen ist, weist jeder Schwenkarm 33 an seinem nicht mit der Welle 31 verbundenen Ende einen Vorsprung 35 auf, der senkrecht von der Längsachse des Schwenkarms und parallel zu Mittelachse der Welle 31 absteht. Der Vorsprung 35 ist vorzugsweise zylindrisch ausgebildet. Zwischen dem Vorsprung 35 und dem Schwenkarm 33 kann noch ein Absatz 38 vorgesehen sein, der zur Reduzierung der Reibung zwischen einem Verstellelement 34 und dem Schwenkarm 33 dient. Jeder Vorsprung 35 greift in einen diesem Vorsprung zugeordneten Steuerschlitz 36 ein, der an dem Verstellelement 34 ausgebildet ist, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. In Figur 2 ist der genaue Verlauf der Steuerschlitze 36, in die die Vorsprünge 35 eingreifen, nicht dargestellt. Dieser wird noch weiter unten in Verbindung mit Fig. 4 genauer beschrieben werden.
Wie in Fig. 2 noch zu erkennen ist, ist das Verstellelement 34 vorzugsweise als flache Ringscheibe ausgebildet, die um eine Drehachse 9 drehbar gelagert ist. Die Drehachse 9 fällt vorzugsweise mit der Drehachse der Welle 8 des Turboladers zusammen. Das Verstellelement 34 ist mittels eines Betätigungselementes 19 in einem Winkelbereich drehbar, wobei ein das Betätigungselement 19 betäti- gender, beispielsweise pneumatischer oder elektrischer Stellmechanismus in den Figuren 1 bis 6 der Einfachheit wegen nicht dargestellt ist. Bei einer Drehung des ringförmigen Verstellelementes in Fig. 2 wird die Drehbewegung über die in den Steuerschlitzen 36 geführten Vorsprünge 35 auf die Schwenkarme 33 und die Wellen 31 der Leitschaufeln 30 übertragen, wodurch sich die Wellen 31 in den jeweiligen Durchgangsöffnungen des Leitschaufelträgers 32 drehen. Durch Drehung der Wellen 31 werden die auf der von dem Verstellelement 34 abgewandten Seite des Leitschaufelträgers 32 angeordneten Leitschaufeln 30 gemeinsam und gleichartig stufenlos geschwenkt. Durch Schwenken der Leitschaufeln kann der Strömungsquerschnitt und die Richtung der Strömung zu dem Turbinenlaufrad verändert werden, wodurch das Aufstauverhalten der Turbine vorteilhaft beeinflussbar ist. Der Schwenkwinkel ß der Leitschaufeln hängt dabei mit dem Drehwinkel θ des Verstellelementes 34 über die Beziehung
Figure imgf000007_0001
zusammen, wobei 1 die Länge des Schwenkarmes und r der radiale Abstand der Mittelachse der WeI- len 31 von der Drehachse 9 ist. Somit ist jedem Drehwinkel des Verstellelementes ein Schwenkwin- kel der Leitschaufeln eindeutig zugeordnet.
Wie in Figur 2 weiterhin zu erkennen ist, sind die Leitschaufeln 30 zwischen einer ersten Position I, in welcher die Leitschaufeln den Strömungskanal durch den Ringspalt 18 weitgehend öffnen, und einer zweiten Position II, in der die Leitschaufeln den Strömungskanal durch den Ringspalt ver- schließen, schwenkbar. In Figur 2 ist die geöffnete Position schraffiert dargestellt, die geschlossene Position ist durchgehend gezeichnet. Der maximale Schwenkwinkel der Leitschaufeln wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vorzugsweise nicht durch die Länge der Steuerschlitze 36 begrenzt, sondern durch die Länge von Führungsschlitzen 40, die an dem Verstellelement ausgebildet sind und mit weiteren Vorsprüngen 41 zusammenwirken.
Die Führungsschlitze 40 bilden ein Drehlager für das Verstellelement 34 aus. Wie in Fig. 2 darstellt ist, sind beispielsweise 3 Führungsschlitze 40 über den Umfang gleichmäßig verteilt an dem Verstellelement 34 angeordnet, die einen entsprechend ihrem radialen Abstand zur Drehachse 9 des Ver- Stellelementes gekrümmten Verlauf aufweisen. Die Führungsschlitze 40 können beispielsweise zusammen mit den Steuerschlitzen 36 als durchgehende Ausnehmungen in das ringscheibenförmige Verstellelement 34 durch Stanzen eingebracht werde. Das Verstellelement kann dann als flache Ringscheibe im Stanzverfahren kostengünstig hergestellt werden. Es ist aber auch möglich, dass die Schlitze das Verstellelement nicht vollständig durchdringen und nutartig an dem Verstellelement ausgebildet werden. In jeden Führungsschlitz 40 greift jeweils ein weiterer Vorsprung 41 ein, der vorzugsweise ortsfest an der Leitschaufelverstellvorrichtung festgelegt ist. Die Vorsprünge 41 können beispielsweise an dem Leitschaufelträger 32, oder an einer Wand 52 eines Gehäuseteils 51 der Leitschaufelverstellvorrichtung oder an einem damit verbundenen Bauteil befestigt sein, wobei das Verstellelement 34 auf die weiteren Vorsprünge 41 einfach aufsetzbar ist. Wie in Figur 5 dargestellt, kann jeder weitere Vorsprung 41 zylinderförmig ausgebildet sein und eine darauf aufgeschobene, drehbewegliche Hülse 42 aufweisen, die an der Innenkontur der Führungsschlitze 40 abrollt.
In den Endbereichen der Führungsschlitze 40 weisen diese in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel weitere Ausnehmungen 43 auf, die in die Kontur der Führungsschlitze übergehen oder die direkt benachbart zu den Führungsschlitzen angeordnet sind. Schmutz und Verunreinigungen können von diesen weiteren Ausnehmungen 43 aufgenommen werden.
Die Kontur der mit den Vorsprüngen 35 der Leitschaufelschwenkarme 33 zusammenwirkenden Steuerschlitze 36 ist beispielhaft in Figur 4 dargestellt. Dabei repräsentiert die mit R bezeichnete Linie eine radiale Richtung, die senkrecht zur Drehachse 9 durch den Vorsprung 35 verläuft. Der
Vorsprung 35 ist beispielsweise zylindrisch ausgebildet. Der jeweilige Steuerschlitz ist nicht geradlinig ausgebildet und weist einen vom radialen Verlauf abweichenden gekrümmten Verlauf auf. In dem hier dargestellten Beispiel weist der Steuerschlitz 36 einen geraden Abschnitt 38 auf, an den sich ein weiterer gekrümmter Abschnitt 39 anschließt. Es ist aber auch möglich den ganzen Steuerschlitz 36 gekrümmt auszubilden. Der gekrümmte Abschnitt 39 ist dabei derart gekrümmt, dass sich eine von der Leitschaufel 30 auf den Vorsprung 35 übertragene Kraft F im wesentlichen senkrecht an dem Steuerschlitz 36 abstützt, solange sich der Vorsprang in dem gekrümmten Abschnitt 39 bewegt. Im wesentlichen senkrecht bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Kraft F einen Winkel zwischen etwa 85° und 95° relativ zur Tangente an die kraftbeaufschlagte Innenkontur 36a des Steuerschlitzes 36 einnimmt. Wie in Figur 4 dargestellt, ist damit die Kraft F für unterschiedliche Lagen des Vor- Sprungs 35 innerhalb des gekrümmten Abschnitts 39 immer im wesentlichen senkrecht auf die Innenkontur des Steuerschlitzes gerichtet. Insbesondere ist die Kraft F für zwei unterschiedliche Lagen des Vorsprangs 35 in dem gekrümmten Abschnitt 39 des Steuerschlitzes im wesentlichen senkrecht auf die Innenkontur des Steuerschlitzes gerichtet, wobei die beiden unterschiedlichen Lagen des Vorsprangs vorzugsweise zwei sich um ein beliebiges Winkelintervall zwischen einem Winkel größer als 0° und kleiner als 50° unterscheidenden Schwenkwinkelstellungen der dem Vorsprang 35 zugeordneten Leitschaufeln entsprechen.
Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass unabhängig vom Schwenkwinkel keine Kraftkomponente der Kraft F über das Lager der Welle 31 abgestützt werden muss, da sich die ganze Kraft an der Kon- tur des Steuerschlitzes abstützt. Umgekehrt wird bei einer Verstellung des Verstellelementes erreicht, dass ein möglichst großes Drehmoment auf die Wellen 31 der Leitschaufeln einwirkt. Die Leitschau- felverstellvorrichtung ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass sich die Vorsprünge 35 zumindest in der geschlossenen Position II der Leitschaufeln innerhalb des gekrümmten Abschnitts 39 des zugeordneten Steuerschlitzes aufhalten, da in dieser Position ein großes Drehmoment zum Schwenken der Leitschaufeln aufgebraucht werden muss. Beim Schwenken der Leitschaufeln von der geöffneten Position in die geschlossene Position und umgekehrt gleitet der Vorsprang 35 an der Kontur des Steuerschlitzes 36 entlang, wobei die Enden des Steuerschlitzes nicht erreicht werden. Die Länge der Steuerschlitze 36 ist also größer ausgebildet als der Weg, den der Vorsprang 35 beim vollständigen Verschwenken in den Steuerschlitzen zurücklegt. Die Länge der Führungsschlitze 40 begrenzt dabei vorteilhaft den maximal einstellbaren Drehwinkel des Verstellelementes 34 und damit automatisch den maximalen Schwenkbereich der Leitschaufeln zwischen der offenen Position und der geschlossenen Position. Verunreinigungen und Schmutzablagerangen durch im Abgas enthaltenen Ruß sammeln sich dann vorzugsweise in den Endbereichen der Steuerschlitze an, wo sie die Beweglichkeit der Leitschaufeln nicht beeinträchtigen. Von dort können die Verunreinigungen bei hohen Abgas- temperaturen im Turbinenteil ausgebrannt werden.
Die Abgastemperatur beträgt im Turbinenteil ca. 8500C bis 9000C für Dieselmotoren und 10500C für Benzinmotoren. Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das sich von dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass das ringförmige flache Verstellelement 34 an seiner Außenseite 45 und/oder Innenseite 44 mit einseitig offenen Schlitzen 47 versehen ist, die sich vorzugsweise in radialer Richtung erstrecken. Durch die Schlitze 47 wird einer Verwölbung des fla- chen Verstellelementes 34 im Falle einer starken Erwärmung aus der in Figur 6 dargestellten Ebene entgegengewirkt. Die Schlitze 47 können regelmäßig oder unregelmäßig verteilt über den Umfang in das Verstellelement eingebracht sein. Prinzipiell sind unterschiedliche Schlitzkonturen einsetzbar, beispielsweise geradlinig, schräg oder gekrümmt. Die Tiefe und Anzahl der Schlitze ist so bemessen, dass einer Verwölbung entgegengewirkt wird und gleichzeitig die Stabilität und Robustheit des Verstellelementes nicht verschlechtert wird.

Claims

Ansprüche
1. Leitschaufelverstellvorrichtung mit mehreren verstellbaren Leitschaufeln (30) zur Beeinflussung der Strömung in einem Strömungskanal (12, 18) eines Turbinenteils einer Aufladeeinrichtung, insbesondere eines Turboladers (1), umfassend mehrere an einem Leitschaufelträger (32) schwenkbar angeordnete Leitschaufeln, die jeweils einen Schwenkarm (33) aufweisen, der mit einem daran ausgebildeten Vorsprung (35) in jeweils einen zugeordneten Steuerschlitz (36) eines um eine Drehachse (9) drehbaren Verstellelementes (34) eingreift, dadurch gekennzeichnet, dass zur Lagerung des drehbaren Verstellelementes (34) wenigstens zwei Führungsschlitze (40) über den Umfang verteilt an dem Verstellelement (34) vorgesehen sind, in die jeweils ein weiterer Vorsprung (41) eingreift, der ortsfest an der Leitschaufelverstellvorrichtung festgelegt ist.
2. Leitschaufelverstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsschlitze (40) eine in Umfangsrichtung gekrümmt verlaufende Kontur mit geschlossenen Enden aufweisen, wobei der Krümmungsradius der Führungsschlitze (40) vorzugsweise dem radialen Abstand der Führungsschlitze (40) zur Drehachse entspricht.
3. Leitschaufelverstellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln in dem Strömungskanal (12, 18) zwischen einer ersten offenen Position (I) und einer zweiten geschlossenen Position (II) verstellbar sind und die Länge der Führungsschlitze (40) den maximal einstellbaren Drehwinkel des Verstellelementes (34) begrenzt.
4. Leitschaufelverstellvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der
Steuerschlitze größer ausgebildet ist, als der Weg den der Vorsprung (35) bei einer Verstellung zwischen der ersten Position und der zweiten Position der Leitschaufeln in dem zugeordneten Steuerschlitz (36) zurücklegt.
5. Leitschaufelverstellvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Vorsprünge (41) an dem Leitschaufelträger (32) oder einem Gehäuseteil (52) oder einem daran befestigten Teil der Leitschaufelverstellvorrichtung ausgebildet sind.
6. Leitschaufelverstellvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Vorsprünge (41) zylindrisch ausgebildet sind und jeweils eine Hülse (42) darauf drehbeweglich aufgeschoben ist, die in den zugeordneten Führungsschlitz (40) eingreift.
7. Leitschaufelverstellvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement (34) als flache Ringscheibe mit Steuerschlitzen (36) und Führungsschlitzen (40) und insbesondere als Stanzteil ausgebildet ist.
8. Leitschaufelverstellvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Verstellelement (34) direkt benachbart zu den Führungsschlitzen (40) und/oder Steuerschlitzen oder damit verbunden weitere Ausnehmungen (43) ausgebildet sind.
9. Leitschaufelverstellvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Ausnehmungen (43) benachbart zu den Enden der Führungsschlitze (40) und/oder Steuerschlitze oder damit verbunden ausgebildet sind.
10. Leitschaufelverstellvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass das Verstellelement (34) an seiner Außenseite (45) und/oder Innenseite (44) mit einseitig offenen vorzugsweise radialen Schlitzen (47) versehen ist.
11. Aufladeeinrichtung, insbesondere Turbolader, mit einem Turbinenteil mit einer Leitschaufelver- stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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