Einrichtung zur Verstellung des Turbinenzuströmquerschnittes eines Abgasturboladers

Abstract

 © Bei einer Einrichtung zur Verstellung des Turbinenzuströmquerschnittes eines Abgasturboladers ist das Verstellorgan (6) in zwei konzentrisch zur Turbinenachse angeordneten Ringgelenkhebeln (7, 8) aufgehängt. Der Hebelarm (R,) des der Turbine näher gelegenen ersten Ringgelenkhebels (7) ist länger als derjenige (R₂) des zweiten Ringgelenkhebels (8). Hierbei entsteht ein in einer in der Turbinenachse gelegenen Ebene angeordnetes trapezförmiges Gelenkviereck. Die Längen der Hebelarme (R,, R₂), ihr gegenseitiger Abstand (C), sowie die Entfernung (D) des ersten Ringgelenkhebels (7) von der zu dichtenden Stelle des Verstellorgans (6) sind derart abgestimmt, daß eine minimale Abweichung des Wegs des Verstellorgans (6) von dessen translatorischer Geradführung erreicht wird. Die Ringgelenkhebel (7, 8) und das Verstellorgan (6) sind vorzugsweise im Druckraum eines Druckgehäuses (5) angeordnet. Ein wichtiger Vorteil dieser Einrichtung besteht darin, daß eine für die Abdichtung sehr geeignete, quasi lineare Führung des Verstellorgans (6) erreicht ist, wobei die reibungsarmen Gelenke der Ringgelenkhebel im Gebiete tieferer Temperatur angeordnet sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Verstellung des Turbinenzuströmquerschnittes eines Abgasturboladers gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Bei Teillast des Motors verringert sich die Abgasmenge, was bei unverändertem Turbinenzuströmquerschnitt zu einem Absinken des Ladedruckes führt. Dadurch erhält der Motor zu wenig Luft, wobei die Abgastemperatur und die Gefahr der unvollkommenen Verbrennung steigen. Um diesen Zustand störungsfrei fahren zu können, ist es erforderlich, dass der Turbinenzuströmquerschnitt während des Betriebes angepasst werden kann, was einen einigermassen konstanten Ladedruck und einen rauchfreien Betrieb im ganzen Regelbereich zur Folge hat.

[0003] Eine derartige Einrichtung zur Verstellung des Strömungsquerschnittes ist Gegenstand der CH-Patentanmeldung Nr. 2609/82 vom 29.4.82.

[0004] Ein verstellbarer Ringschieber ermöglicht hier eine stufenlose Aenderung des Turbinenzuströmquerschnittes. Die Verstellung des Ringschiebers erfolgt hier durch axiale Verschiebung. Der Ringschieber wird in einer zylindrischen Bohrung im Gasgehäuse geführt, wobei zwischen ihm und dem Gehäuse ein Radialspiel vorhanden sein muss. Um ein Entweichen des Abgases zu verhindern, ist die Führung des Ringschiebers mit einer Labyrinthdichtung versehen.

[0005] Die Führung eines relativ kurzen zylindrischen Schiebers in einer Gehäusebohrung kann Schwierigkeiten in bezug auf Einklemmen des Schiebers verursachen. Ausserdem sind wegen der hohen Temperatur der aufeinander reibenden Teile Reibungsverluste und Verschleisserscheinungen unvermeidbar.

[0006] Die Erfindungsaufgabe besteht in der Schaffung einer Einrichtung zur Verstellung des Turbinenzuströmquerschnittes, bei welcher das Verstellorgan möglichst leichtgängig verschiebbar und präzise geführt ist.

[0007] Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0008] Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen in einer für eine berührungsfreie Abdichtung günstigen, quasi translatorischen Führung des Verstellorgans zu sehen, wobei die reibungsarmen Gelenke der Ringgelenkhebel im Gebiete tieferer Temperatur angeordnet sind.

[0009] Wenn die Ringgelenkhebel und das Verstellorgan im Druckraum eines Druckgehäuses angeordnet sind, erreicht man den Vorteil, dass eine einzige dynamisch beanspruchte Dichtungsstelle gegen die Umgebung an der Durchführung der Antriebswelle liegt. Damit ist das Problem der Abdichtung weitgehend entschärft.

[0010] Durch richtige Dimensionierung des Hebelarmes des zweiten Ringgelenkhebels wird eine nur unwesentliche Abweichung des Weges des Verstellorgans von dessen translatorischer Geradführung erreicht.

[0011] In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt.

[0012] Es zeigen:

Fig. 1 die Radialturbine eines Abgasturboladers mit einem zylindrischen Verstellorgan im Längsschnitt;

Fig. 2 einen Querschnitt nach Linie A-A in Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt nach Linie B-B in Fig. 1;

Fig. 4 eine weitere Radialturbine mit einer in Axialrichtung verstellbaren Begrenzungswand des spiralförmigen Zuströmkanals;

Fig. 5 einen Querschnitt nach Linie X-X in Fig. 4.

[0013] Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtungen des Arbeitsmittels sind mit Pfeilen bezeichnet.

[0014] Die in Fig. 1 dargestellte Radialturbine ist über eine Gaseintrittsöffnung 9 an eine nicht dargestellte Motorabgasleitung angeschlossen. Die Turbinenwelle 1 ist im Turbinengehäuse 4 gelagert und trägt die mit Laufschaufeln 3 versehene Turbinennabe 2. Vor der Radialturbine ist ein in axialer Richtung verschiebbares Verstellorgan 6 zur Veränderung des Turbinenzuströmquerschnittes angeordnet. Die in den Turbinenströmungskanal hineinragende Stirnfläche des Verstellorgans 6 ist strömungskonform abgerundet. Die vollkommen offene Lage des Verstellorgans 6 entspricht der maximalen Breite E des Turbinenzuströmkanals.

[0015] Die maximale Axialverschiebung S des Verstellorgans 6 ist durch die Breite des Motorregelbereichs bestimmt. Wesentlich ist hierbei, dass die Verkleinerung des Turbinenzuströmquerschnittes derart abgestimmt wird, dass die absolute Gaseintrittsgeschwindigkeit in die Turbine im ganzen Drehzahlbereich annähernd konstant bleibt.

[0016] Gemäss der Erfindung ist das Verstellorgan 6 in zwei konzentrisch zur Turbinenachse angeordneten Ringgelenkhebeln 7, 8 aufgehängt. Der Hebelarm R₁ des der Turbine nähergelegenen ersten Ringgelenkhebels 7 ist länger als derjenige R₂ des zweiten Ringgelenkhebels 8. Hierbei entsteht ein in einer in der Turbinenachse gelegenen Ebene angeordnetes trapezförmiges Gelenkviereck. Die Längen der Hebelarme R₁ und R₂₁ ihr gegenseitiger axialer Abstand C sowie die Entfernung D des ersten Ringgelenkhebels 7 von der zu dichtenden Stelle des Verstellorgans 6 sind derart abgestimmt, dass eine minimale Abweichung des Weges des Verstellorgans 6 von dessen translatorischer Geradführung erreicht wird. An das Turbinengehäuse 4 ist ein Druckgehäuse 5 angeschlossen, welches eine Gasaustrittsöffnung 10 aufweist. Der rotationssymmetrische Innenteil 5' des Druckgehäuses 5 ist als ein hohler, koaxial angeordneter Zylinder ausgeführt. Seine der Turbine zugewandte Stirnseite ist strömungskonform profiliert und bestimmt die Breite E des Turbinenzuströmkanals. Das Druckgehäuse 5 schliesst einen Druckraum 5" ein.

[0017] Die Ringgelenkhebel 7, 8 und das Verstellorgan 6 sind im Druckraum 5" des Druckgehäuses 5 angeordnet, wo sie sich im Bereich tieferer Temperaturen befinden.

[0018] Diese Anordnung der Ringgelenkhebel 7, 8 und des Verstellorgans 6 im Druckraum 5" des Druckgehäuses 5 weist den Vorteil auf, dass die zu dichtenden Durchführungen zwischen dem unter dem Gasdruck stehenden Turbinenströmungskanal und der Atmosphäre auf ein Minimum beschränkt sind. Nur das Lager des Gelenkbolzens 14 muss abgedichtet werden. Diese Rolle übernimmte eine einfache Wellendichtung 16.

[0019] Der Hebelarm R₂ des Ringgelenkhebels 8 kann vorzugsweise in Abhängigkeit von anderen Einflussgrössen folgendermassen bestimmt werden: - 1

[0020] Die Formel ist näherungsweise für

gültig.

[0021] Die Symbole bedeuten:

D Axialabstand des Ringgelenkhebels 7 von der zu dichtenden Stelle

S maximale Axialverschiebung des Verstellorgans 6

C Axialabstand der Ringgelenkhebel

R₁ Hebelarm des Ringgelenkhebels 7

[0022] Das Verstellorgan 6 verschiebt sich mit seiner zylindrischen, nach innen offenen Fläche entlang der äusseren zylindrischen Fläche des Innenteils 5' des Druckgehäuses 5 berührungsfrei. Ebenso berührungsfrei verschiebt sich das Verstellorgan 6 mit seiner zylindrischen, nach aussen offenen Fläche entlang der zylindrischen Fläche der im Turbinengehäuse 4 angeordneten Axialbohrung. Der Radialspalt zwischen dem Innenteil 5' des Druckgehäuses 5 und dem Verstellorgan 6 sowie der Radialspalt zwischen dem Turbinengehäuse 4 und dem Verstellorgan 6 müssen möglichst gering sein, da sonst infolge des in der Umfangsrichtung des Turbinenzuströmkanals vorhandenen Druckgradienten und der Druckdifferenz über dem Verstellorgan 6 Strömungsverluste und eine intensive Wirbelung des Motorabgases im Druckraum 5" entstehen würden. Die Wirbelung des heissen Motorabgases im Druckraum 5" könnte negative Folgen auf die Wirkung der Gelenke des trapezförmigen Gelenkvierecks haben.

[0023] Auf dem in Fig. 2 dargestellten Querschnitt ist der längere Ringgelenkhebel 7 dargestellt. Dieser Ringgelenkhebel 7 ist unten mittels eines Gelenkbolzens 12 im Druckgehäuse 5 gelagert. Oben auf dem Ringgelenkhebel 7 ist das Verstellorgan 6 mittels eines Gelenkbolzens 11 drehbar aufgehängt.

[0024] In Fig. 3 ist ein Querschnitt nach Linie B-B in Fig. 1 dargestellt. Hier ist der zweite Ringgelenkhebel 8 wiederum im Druckgehäuse 5 gelagert und zwar mittels eines zweiteiligen Gelenkbolzens 14, auf welchem ein Antriebshebel 15 fest angeordnet ist. Der Gelenkbolzen 14 weist in seinem dem Antriebshebel 15 zugewandten Lager eine wellendichtung 16 auf. Das Verstellorgan 6 ist oben auf dem Ringgelenkhebel 8 mittels eines Gelenkbolzens 13 drehbar aufgehängt.

[0025] Die Wirkungsweise der Einrichtung geht aus folgendem hervor: Bei Vollast des Motors befindet sich das Verstellorgan 6 in offener Stellung, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Wird die Last des Motors reduziert, so sinkt der Abgasdruck vor der Turbine. Das Verstellorgan 6 wird nun automatisch oder manuell in den Strömungskanal hinein verschoben, wobei sich der Abstand E zwischen dem Verstellorgan 6 und dem Gehäuse 4 und damit der Turbinenzuströmquerschnitt verkleinert. Als Steuergrösse im Falle einer automatischen Steuerung des Verstellorgans 6 kann beispielsweise der Motorabgasdruck verwendet werden.

[0026] Die Verschiebung des Verstellorgans 6 ist bei Mindestlast des Motors in Fig. 1 strichliert eingezeichnet und mit S bezeichnet.

[0027] Der Mechanismus zur Betätigung des Verstellorgans 6 ist ein trapezförmiges räumliches Gelenkviereck dessen Drehpunkte von zwei gehäusefesten, im Gehäuse 5 angeordneten, Gelenkbolzen 12, 14 und von je einem in den beiden Ringgelenkhebeln 7, 8 angeordneten Bolzen 11, 13 gebildet sind. Durch die Schwenkung des Antriebshebels 15 der mit dem Bolzen 14 und dieser wiederum mit dem Ringgelenkhebel 8 fest verbunden ist, schwenkt der Ringgelenkhebel 8 nun den Bolzen 14, um den gleichen Schwenkwinkel wie der Antriebshebel 15. Der Bolzen 13 bewegt sich dabei an einer kreisbogenartigen Bahn mit einem Radius R₂ um den Gelenkbolzen 14. Diese Bewegung wird an das Verstellorgan 6 übertragen, wobei das Verstellorgan 6 in annähernd axialer Richtung geschoben wird. Da das Verstellorgan 6 mittels dem Bolzen 11 im Ringgelenkhebel 7 gelenkig aufgehängt ist, schwenkt auch der Ringgelenkhebel 7 in gleicher Richtung wie der Ringgelenkhebel 8, allerdings um einen etwas geringeren winkel, wobei sich der Gelenkbolzen 11 an einer kreisbogenartigen Bahn mit einem Radius R₁ um den Gelenkbolzen 12 bewegt. Da der Radius R₂ kleiner ist als R₁ wird bei einer Schwenkbewegung der beiden Ringgelenkhebel 7, 8 in Richtung des Turbinenrotors 2, 3, die der Turbine zugewandte Stirnseite des Verstellorgans 6, aus seiner heruntergehenden Kreisbahn nach oben gehoben, so dass die Bewegung des Verstellorgans 6 von einer reinen Translatation nur wenig abweicht. Die Verschiebung des Verstellorgans kann daher als quasi geradlinig betrachtet werden.

[0028] Die Radialturbine nach Fig. 4 unterscheidet sich von jener nach Fig. 1 dadurch, dass das Verstellorgan 6 in Form einer verschiebbaren Begrenzungswand des im Turbinengehäuse 4 angeordneten spiralförmigen Strömungskanals ausgeführt ist. Die zum spiralförmigen Strömungskanal passende Form des Verstellorgans 6 ist in Fig. 5 mit einer Strich-Punkt-Linie eingezeichnet. Der Verstellmechanismus ist hier mit jenem in Fig. 1 vollkommen identisch.

[0029] Der Vorteil der Erfindung wird insbesondere darin gesehen, dass eine präzise und reibungsarme, quasi translatorische Führung des Verstellorgans 6 mit berührungsfreier Abdichtung geschaffen ist, bei welcher die Verschleisserscheinungen und Betriebsstörungen weitgehend eliminiert und die Lebensdauer der Einrichtung positiv beeinflusst ist.

[0030] Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das in der Zeichnung Gezeigte und das Beschriebene beschränkt. Sie umfasst auch andere Typen von Turbinen, welche beispielsweise mit einem teilweise radial durchströmten Turbinenleitapparat, sowie mit einem in Axialrichtung verschiebbaren Verstellorgan versehen sind.

Ansprüche

1. Einrichtung zur Verstellung des Turbinenzuströmquerschnittes eines Abgasturboladers, im wesentlichen bestehend aus einem in Axialrichtung um den Wert (S) beweglichen Verstellorgan (6), welches im Turbinenströmungskanal stromaufwärts der Laufschaufeln (3) angeordnet ist, sowie einem Mechanismus zur Betätigung des Verstellorgans (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellorgan (6) in zwei konzentrisch zur Turbinenachse angeordneten Ringgelenkhebeln (7, 8) aufgehängt ist, wobei der Hebelarm (R₁) des der Turbine näher gelegenen ersten Ringgelenkhebels (7) länger ist als derjenige (R₂) des zweiten Ringgelenkhebels (8) und hierbei ein in einer in der Turbinenachse gelegenen Ebene angeordnetes trapezförmiges Gelenkviereck entsteht, wobei die Längen der Hebelarme (R₁, R₂), ihr gegenseitiger axialer Abstand (C) sowie die Entfernung (D) des ersten Ringgelenkhebels (7) von der zu dichtenden Stelle des Verstellorgans (6) derart abgestimmt sind, dass eine minimale Abweichung des Weges des Verstellorgans (6) von dessen translatorischer Geradführung erreicht wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringgelenkhebel (7, 8) und das Verstellorgan (6) im Druckraum eines Druckgehäuses (5) angeordnet sind.

3. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelarm (R₂) des Ringgelenkhebels (8), in Abhängigkeit von anderen Einflussgrössen, folgendermassen bestimmt wird:

wobei die Formel näherungsweise für

gültig ist.

Zeichnung