DE102007022356A1

DE102007022356A1 - Ladeeinrichtung

Info

Publication number: DE102007022356A1
Application number: DE102007022356A
Authority: DE
Inventors: Thomas Ahrens; Rafael Dr. Weisz
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2007-05-12
Filing date: 2007-05-12
Publication date: 2008-11-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung mit einer variablen Turbinen- und/oder Verdichtergeometrie und einer Leitschaufeleinrichtung (1), welche einen Ring von Leitschaufeln (2) aufweist, die mittels Schaufelzapfen (3) an einem Schaufellagerring (4) drehbar gelagert sind. Die Schaufelzapfen (3) sind dabei einenends jeweils drehfest mit einer Leitschaufel (2) und anderenends mit einem Schaufelhebel (5) verbunden, der einen radial auswärts gerichteten Hebelkopf (7) trägt. Jeder Hebelkopf (7) greift in eine korrespondierende Ausnehmung (8) eines Verstellringes (9) ein, wobei der Hebelkopf (7) und die zugehörige Ausnehmung (8) derart geometrisch aufeinander abgestimmt sind, dass eine Achse (12) der Leitschaufeleinrichtung (1), eine Schaufelzapfenachse (13) sowie eine Kontaktzone (14) zwischen dem Hebelkopf (7) und der Ausnehmung (8) am Verstellring (9) unabhängig von der Stellung der Leitschaufeln (2) auf einer radialen Gerade (15) liegen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug.
Abgasturbolader dienen im allgemeinen zur Leistungssteigerung von Kolbenmotoren, indem sie einen Luftmengen- und Kraftstoffdurchsatz pro Arbeitstakt erhöhen. Bei einem derartigen Abgasturbolader wird eine einem Abgasstrom ausgesetzte Turbine zum Antrieb eines Verdichterrades verwendet, wobei es aufgrund unterschiedlicher Motordrehzahlen beziehungsweise Motorlasten von Vorteil sein kann, den in die Turbine strömenden Abgasstrom zu regeln, um den Wirkungsgrad, das Ansprechverhalten oder den Betriebsbereich des Abgasturboladers zu verbessern. Dies kann insbesondere durch eine variable Geometrie der zum Turbinenrad führenden Düsenkanäle erreicht werden. Eine derartige variable Geometrie kann über einen Ring von Leitschaufeln gebildet werden, welche drehbar gelagert sind und beispielsweise einen für das Abgas freien Querschnitt verringern können, sofern der Ladedruck geringer wird. Hierdurch erhöht sich die Abgasgeschwindigkeit und die für den Antrieb des Abgasturboladers zur Verfügung stehende Leistung, wodurch sich die Drehzahl und der Verdichterdruck erhöhen.
Üblicherweise wird dabei ein Verstellring einer Leitschaufeleinrichtung im allgemeinen durch Rollen geführt und dadurch zentriert.
Aus der EP 1 357 255 A1 ist ein gattungsgemäßer Abgasturbolader mit verstellbaren Leitschaufeln bekannt, wobei die Leitschaufeln drehfest an einem Ende eines Schaufelzapfens angeordnet sind, an dessen anderem Ende drehfest ein Schaufelhebel angeordnet ist. Der Schaufelhebel trägt dabei einen radial auswärts gerichteten Hebelkopf. Jeder der Hebelköpfe greift in eine korrespondierende Ausnehmung eines Verstellrings ein, wobei dieser in radialer Richtung unmittelbar an den Schaufelhebeln abgestützt ist. Hierdurch soll eine separate Lagerung in Form von Stiften, Rollen, Wälzlagern oder dergleichen ersetzt werden.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, eine verbesserte Ausführungsform für eine gattungsgemäße Ladeeinrichtung anzugeben, welche insbesondere eine zuverlässige Lagerung einer Leitschaufeleinrichtung ermöglicht und zwar unabhängig von einer Stellung der Leitschaufeln.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Hebelköpfe von an einem Schaufelzapfen angeordneten Schaufelhebeln geometrisch an eine Anlagefläche eines Verstellringes einer Leitschaufeleinrichtung anzupassen, sodass die Achse der Ladeeinrichtung, die Schaufelzapfenachse sowie eine Kontaktzone zwischen einer Abstützfläche des Hebelkopfes und einer zugehörige Anlagefläche am Verstellring auf einer radialen Geraden liegen und zwar unabhängig von der Stellung der Leitschaufeln. Der Verstellring ist dabei über die Anlagenflächen in radialer Richtung direkt an den zugehörigen Abstützflächen der Schaufelhebel abgestützt, so dass sich hieraus die radiale Lagerung des Verstellringes ergibt. Generell weist die Leitschaufeleinrichtung einen Ring von Leitschaufeln auf, welche mittels Schaufelzapfen an einem Schaufellagerring drehbar gelagert sind und wobei die Schaufelzapfen den Schaufellagerring axial durchsetzen. Die Schaufelzapfen sind dabei jeweils einenends drehfest mit der Leitschaufel und jeweils anderenends mit dem oben erwähnten Schaufelhebel verbunden, wobei letzterer einen radial auswärts gerichteten Hebelkopf aufweist. Jeder Hebelkopf greift dabei in eine korrespondierende Ausnehmung des Verstellringes ein, wobei der Verstellring koaxial zum Schaufellagerring angeordnet und gegenüber diesem zur Verstellung der Leitschaufeln rotierbar ist. Durch den Umstand, dass die Achse der Leitschaufeleinrichtung, der Schaufelzapfen und die Berührungszone zwischen Hebelkopf und Verstellring immer auf einer Geraden liegen, ist im Vergleich zum Stand der Technik eine besonders exakte und unabhängig von der Leitschaufelstellung mögliche Zentrierung des Verstellringes bezüglich der Achse der Ladeeinrichtung erreichbar.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind zumindest ein Hebelkopf, vorzugsweise drei Hebelköpfe, und die zugehörigen Ausnehmung(en) am Verstellring so aufeinander abgestimmt, dass der Hebelkopf an drei Seiten der zugehörigen Ausnehmung anliegt. Hierdurch wird eine besonders exakte Führung des Hebelkopfes in der am Verstellring angeordneten Ausnehmung bewirkt, wodurch ebenfalls eine besonders exakte Zentrierung des Verstellringes ermöglicht wird. Bei einer derartigen Ausführungsform wird eine Abstützung des Hebelkopfes zusätzlich zur radialen Abstützung des Hebelkopfes über seine Abstützfläche an einer zugehörigen Anlagefläche der Ausnehmung, auch über ein Anliegen an zwei seitlichen, sich an die radial äußere Abstützfläche anschließenden Abstützflächen in der Ausnehmung ermöglicht. Hierdurch wird der Verstellring nicht nur zentriert, sondern auch bezüglich einer Verdrehung relativ zum Schaufellagerring spielfrei gelagert. Insgesamt lässt sich dadurch eine besonders präzise und spielfreie Lagerung des Verstellringes am Schaufellagerring erreichen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1 eine erfindungsgemäße Leitschaufeleinrichtung an einer im übrigen nicht dargestellten Ladeeinrichtung,
2 eine Detailskizze von einem Schaufelhebel mit einem daran angeordneten Hebelkopf, welcher in eine korrespondierende Ausnehmung eines Verstellringes eingreift,
3a, b die erfindungsgemäße Leitschaufeleinrichtung bei unterschiedlichen Leitschaufelstellungen.
Entsprechend 1 weist eine nicht dargestellte Ladeeinrichtung, insbesondere ein Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, eine Leitschaufeleinrichtung 1 mit einem Ring von Leitschaufeln 2 auf, die mittels Schaufelzapfen 3 an einem Schaufellagerring 4 (vgl. 3a und b) gelagert sind. Der Schaufellagerring 4 ist dabei in 1 der besseren Darstellung halber weggelassen worden.
Um die Leistung der Ladeeinrichtung an eine jeweilige Motorlast beziehungsweise Motordrehzahl anpassen zu können, weist diese eine variable Turbinengeometrie auf, das heißt ein für einen Abgasstrom durchlässiger Querschnitt kann bezüglich seiner Größe verändert werden? Hierzu ist die erfindungsgemäße Leitschaufeleinrichtung 1 beispielsweise radial außerhalb um ein nicht gezeigtes Turbinenrad angeordnet und zur Führung der Abgase ausgebildet. Bei niedrigen Motordrehzahlen dreht sich das Turbinenrad aufgrund des reduzierten Abgasstromes ebenfalls mit reduzierter Geschwindigkeit, wodurch sich ein über eine Welle drehfest mit dem Turbinenrad verbundenes Verdichterrad ebenfalls nur langsam dreht. Aufgrund der geringen Drehzahl des Verdichterrades ist der Ladedruck ebenfalls reduziert und die Motorleistung beziehungsweise das Motordrehmoment gering. Um dem entgegenzuwirken, wird beispielsweise am Turbineneintritt die erfindungsgemäße Leitschaufeleinrichtung 1 angeordnet, die insbesondere bei geringen Motordrehzahlen und verbunden damit bei einem reduzierten Abgasstrom einen für das Abgas freien Querschnitt verringert, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases und damit die Drehzahl des Turbinenrades und auch die Drehzahl des damit drehfest verbundenen Verdichterrades erhöht.
Selbstverständlich ist auch denkbar, dass eine derartige Leitschaufeleinrichtung 1 zusätzlich oder alternativ auf einer Luftseite einer Ladeeinrichtung angeordnet ist und dadurch das Verdichterrad kranzförmig umgibt und einen einem Diffusor zugeleiteten Luftstrom bezüglich seiner Strömungsgeschwindigkeit und/oder bezüglich seines Druckes reguliert.
Die Schaufelzapfen 3 durchsetzen den Schaufellagerring 4 in axialer Richtung und sind jeweils drehfest einenends mit der Leitschaufel 2 und anderenends mit einem Schaufelhebel 5 verbunden. Jeder Schaufelhebel 5 weist seinerseits jeweils radial nach auswärts gerichteten Hebelkopf 7 auf. Jeder Hebelkopf 7 – gemäß der 1 insgesamt 8 Hebelköpfe – greift dabei in eine korrespondierende Ausnehmung 8 eines Verstellringes 9 ein, welcher koaxial zum Schaufellagerring 4 angeordnet und gegenüber diesem verdrehbar ist. Der Verstellring 9 ist dabei über Anlageflächen 10 in radialer Richtung direkt an Abstützflächen 11 der Schaufelhebel 5 abgestützt und dadurch zentral fixiert.
Erfindungsgemäß ist dabei jeder Hebelkopf 7 derart geometrisch ausgebildet, dass eine Achse 12 der Leitschaufeleinrichtung 1, eine Schaufelzapfenachse 13 sowie eine Kontaktzone 14 zwischen der Abstützfläche 11 des Hebelkopfes 7 und der zugehörigen Anlagefläche 10 am Verstellring 9 unabhängig von der Stellung der Leitschaufeln 2 auf einer radialen Geraden 15 liegen (vgl. 3a und b). Dabei weist jede Stelle der kreissegmentartigen Abstützfläche 11 den gleichen Abstand zur zugehörigen Schaufelzapfenachse 13 auf.
Hierbei ist der Hebelkopf 7, wie in den 1 bis 3 gezeigt, als Einzahnsegment ausgebildet und greift in lediglich eine zugehörige Ausnehmung 8 am Verstellring 9 ein.
Denkbar ist aber auch, dass der Hebelkopf 7 in der Art eines Mehrzahnsegmentes ausgebildet ist, welches über mehrere, nicht gezeigte Zähne, in mehrere in Umfangsrichtung nicht gezeigte und nebeneinander angeordnete Ausnehmungen am Verstellring 9 eingreift.
Gemäß der 2 sind der Hebelkopf 7 und die zugehörige Ausnehmung 8 am Verstellring 9 derart aufeinanderabgestimmt, dass sich der Hebelkopf 7 nicht nur über die Abstützfläche 11 an der Anlagefläche 10 der Ausnehmung 8 abstützt, sondern insgesamt an drei Seiten der Ausnehmung 8 anliegt. Hierzu weist der Hebelkopf 7 an seiner radial äußeren Seite die zur Radialabstützung erforderliche und vorzugsweise kreissegmentartige Abstützfläche 11 auf und seitlich an diese sich anschließend jeweils zwei seitliche Abstützflächen 11' und 11'' , wobei ein Abstand von einer beliebigen Stelle der kreissegmentartigen Abstützfläche 11 zur zugehörigen Schaufelzapfenachse 13 stets gleich ist, während jede Stelle der zwei seitlichen Abstützflächen 11' und 11'' den gleichen Abstand zu einem Umfangskreismittelpunkt 16 des Hebelkopfes 7 aufweist.
Zur Verstellung der einzelnen Leitschaufeln 2 wird der Verstellring 9 gegenüber dem Schaufellagerring 4 verdreht, indem ein Stellhebel 17, welcher über einen radial auswärts gerichteten Hebelkopf 7' in eine korrespondierende und in Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Ausnehmungen 8 gelegene Stellhebelausnehmung 8' des Verstellrings 9 eingreift, verdreht wird. Die Verdrehung des Stellhebels 17 kann dabei von einer nicht gezeigten Stelleinrichtung, welche insbesondere elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch betrieben ist, bewirkt werden. Beim Verdrehen des Stellhebels 17 um dessen Stellhebelachse 6 wird somit der Verstellring 9 relativ zum Schaufellagerring 4 verdreht, wodurch sich die Leitschaufeln 2 hinsichtlich ihrer Stellung verändern und einen freien Strömungsquerschnitt beeinflussen (vgl. 3a und b).
Des weiteren können nicht gezeigte Führungsflächen zu beiden Seiten des Verstellringes 9 unverlierbar angeordnet sein, wobei diese entweder Bestandteil des Verstellringes 9 oder Bestandteil des Hebelkopfes 7 sein können und bewirken, dass die Leitschaufeleinrichtung 1 einschließlich Verstellring 9 sowie Leitschaufeln 2, Schaufelzapfen 3 und Schaufelhebel 5 eine eigenständige, vormontierbare Baugruppe bilden.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Hebelköpfe 7 in Verbindung mit einer entsprechenden Ausgestaltung der zugehörigen Ausnehmungen 8 bewirkt eine besonders exakte Zentrierung des Verstellringes 9 bezüglich des Schaufellagerringes 4, wodurch eine Leitschaufeleinrichtung 1 mit besonders hoher Fertigungsgenauigkeit und damit auch mit besonders hoher Funktionssicherheit hergestellt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1357255 A1 [0004]

Claims

Ladeeinrichtung, insbesondere ein Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, – mit einer variablen Turbinen- und/oder Verdichtergeometrie, – mit einer Leitschaufeleinrichtung (1), aufweisend einen Ring von Leitschaufeln (2), die mittels Schaufelzapfen (3) an einem Schaufellagerring (4) drehbar gelagert sind, – wobei die Schaufelzapfen (3) den Schaufellagerring (4) axial durchsetzen und jeweils drehfest einenends mit der Leitschaufel (2) und anderenends mit einem Schaufelhebel (5) verbunden sind, – wobei jeder Schaufelhebel (5) jeweils einen radial nach auswärts gerichteten Hebelkopf (7) trägt, – wobei jeder Hebelkopf (7) in eine korrespondierende Ausnehmung (8) eines Verstellrings (9) eingreift, welcher koaxial zum Schaufellagerring (4) angeordnet und gegenüber diesem rotierbar ist, – wobei der Verstellring (9) über Anlageflächen (10) in radialer Richtung direkt an Abstützflächen (11) der Schaufelhebel (5) abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Hebelkopf (7) derart geometrisch ausgebildet ist, dass eine Achse (12) der Leitschaufeleinrichtung (1), eine Schaufelzapfenachse (13) und eine Kontaktzone (14) zwischen Abstützfläche (11) des Hebelkopfes (7) und zugehöriger Anlagefläche (10) am Verstellring (9) unabhängig von der Stellung der Leitschaufeln (2) auf einer radialen Geraden (15) liegen.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass der Hebelkopf (7) als Einzahnsegment ausgebildet ist, welches in lediglich eine zugehörige Ausnehmung (8) am Verstellring (9) eingreift, oder – dass der Hebelkopf (7) als Mehrzahnsegment ausgebildet ist, welches in mehrere in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete Ausnehmungen (8) am Verstellring (9) eingreift.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest drei Hebelköpfe (7) und die zugehörigen Ausnehmungen (8) am Verstellring (9) so aufeinander abgestimmt sind, dass der Hebelkopf (7) an drei Seiten der zugehörigen Ausnehmung (8) anliegt.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, – dass zumindest ein Hebelkopf (7) an seiner radial äußeren Seite eine kreissegmentartige Abstützfläche (11) aufweist, – dass jede Stelle der kreissegmentartigen Abstützfläche (11) den gleichen Abstand zur zugehörigen Schaufelzapfenachse (13) aufweist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, – dass zumindest ein Hebelkopf (7) zwei seitliche Abstützflächen (11', 11') aufweist, welche sich an die kreissegmentartige Abstützfläche (11) auf der radial äußeren Seite anschließen, – dass jede Stelle der zwei seitlichen Abstützflächen (11', 11'') den gleichen Abstand zu einem Umfangskreismittelpunkt (16) des Hebelkopfes (7) aufweist.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Anlageflächen (10) Umfangsabschnitte des Verstellringes (9) sind.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einem Schaufelhebel (5) eine axiale Führungsflächen für den Verstellring (9) vorgesehen ist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einem Schaufelhebel (5) zwei axiale Führungsflächen zu beiden Seiten des Verstellringes (9) unverlierbar angebracht sind, so dass die Leitschaufeleinrichtung (1) einschließlich Verstellring (9) eine eigenständige, vormontierbare Baugruppe bildet.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, – dass ein Stellhebel (17) vorgesehen ist, der über einen radial auswärts gerichteten Hebelkopf (7') in eine korrespondierende und in Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Ausnehmungen (8, 8) gelegene Stellhebelausnehmung (8') des Verstellrings (9) eingreift, – dass der Stellhebel (17) mit einer, insbesondere pneumatisch, elektrisch oder hydraulisch betriebenen Stelleinrichtung verbunden ist.