DE102013006369B4

DE102013006369B4 - Ringschiebervorrichtung für einen Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102013006369B4
Application number: DE102013006369.8A
Authority: DE
Inventors: Manuel Lorenz; Torsten Scherer; Sven Müller
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2017-06-01
Anticipated expiration: 2033-04-13
Also published as: DE102013006369A1

Abstract

Ringschiebervorrichtung (1) für einen Abgasturbolader zum Verschließen eines Überströmkanals (10), umfassend einen Ringschieber (2), welcher in einem Turbinengehäuse (3) drehbar und axial verschiebbar gelagert ist, eine am Turbinengehäuse (3) befestigte Betätigungseinrichtung (4), welche mit dem Ringschieber (2) in Wirkverbindung steht, und wenigstens zwei, über den Umfang des Ringschiebers (2) verteilte Übersetzungseinrichtungen (6), wobei die Übersetzungseinrichtung (6) aus einer in Umfangsrichtung verlaufenden Nut (7) mit axialem Versatz und einem darin geführten Pin (8) besteht, so dass der Ringschieber (2) mittels der Betätigungseinrichtung (4) verdrehbar und in Folge dessen mittels der Übersetzungseinrichtung (6) axial verschiebbar ist und durch die axiale Verschiebung des Ringschiebers (2) gegenüber dem Überströmkanal (10) der effektive Strömungsquerschnitt des Überströmkanals (10) beeinflusst wird, so dass der umgeleitete Abgasstrom im Überströmkanal (10) zwischen Turbineneintrittsbereich (11) und Turbinenaustrittsbereich (12) gesteuert werden kann, indem mittels der Betätigungseinrichtung (4) der Ringschieber (2) zwischen einer ersten Position, bei welcher der Überströmkanal (10) geöffnet ist, und einer zweiten Position, bei welcher der Überströmkanal (10) geschlossen ist, variabel verschiebbar ist und in der zweiten Position der Ringschieber (2) in einen Sitz (9) im Turbinengehäuse (3) gepresst wird, so dass eine Abdichtung zwischen Überströmkanal (10) und Turbinenaustrittsbereich (12) gewährleistet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ringschiebervorrichtung für einen Abgasturbolader gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
Zur Wirkungsgradsteigerung von Brennkraftmaschinen werden unter anderem Strömungsmaschinen, insbesondere Abgasturbolader mit einer Verdichter- und Turbineneinheit verwendet, welche der Brennkraftmaschine unter Nutzung der mit dem Abgas bereitgestellten Energie vorverdichtete Verbrennungsluft zuführen. Zur abgasseitigen Steuerung dieser Abgasturbolader werden verschließbare Überströmkanäle verwendet, um das Abgas an der Turbine vorbeizuleiten, ohne dass die Energie des Abgases genutzt wird. Die Überströmkanäle bilden dabei eine Strömungsverbindung zwischen einem Turbineneintritts- und Turbinenaustrittsbereich, um das Abgas umzuleiten. Solche als Bypass bezeichneten Kanäle werden häufig mittels eines als Klappe ausgeführten Wastegates verschließbar ausgeführt. Als alternative Ausführung des Wastegates sind Ringschieber zur Steuerung der Strömungsmaschinen bekannt.
Aus der Offenlegungsschrift DD 44684 A1 sind Ringschieber zur Steuerung von Dampfturbinen bekannt. Des Weiteren werden Stellmotoren benannt, welche zur Bewegung des Ringschiebers dienen. Aus der Patentschrift DE 26 33 587 C2 geht ein ringförmiger, ladeluftdruckgesteuerter Abblaseschieber für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine hervor, der entsprechend einem Ladedruck eine Abblaseregelung im oberen Lastbereich ermöglicht. Aus der Offenlegungsschrift DE 14 53 791 A geht eine Betätigung eines Ringschiebers hervor, bei welcher über einen drehbar gelagerten Verstellarm verdreht werden kann. Dazu wirkt der Verstellarm über ein Langloch auf einen Nocken des Ringschiebers ein. Die Rotationsachse des Ringschiebers und des Verstellarms sind dabei senkrecht zueinander angeordnet. Aus der Offenlegungsschrift US 2011/0 268 559 A1 geht eine Betätigung eines Ringschiebers hervor, bei welcher über einen drehbar gelagerten Verstellarm verdreht werden kann. Dazu greift der Verstellarm in Nasen auf dem Ringschieber ein. Die Rotationsachse des Ringschiebers und des Verstellarms sind dabei senkrecht zueinander.
Aus der Druckschrift DE 37 34 386 C2 geht eine Verstelleinrichtung zum Verschließen eines Spiralkanals eines Abgasturboladers hervor, welche eine Schiebemuffe, einen Mitnehmerring und einen Verstellantrieb umfasst. Die Schiebemuffe ist im Gehäuse des Abgasturboladers, insbesondere zwischen dem Gehäuse und einem Gehäusering beziehungsweise Konturring axial verschiebbar und verdrehbar gelagert. Der Mitnehmerring ist ebenfalls im Gehäuse des Abgasturboladers aufgenommen, jedoch über Mitnehmerstifte und eine äußere Umfangsnut im Gehäusering axial unverschiebbar und verdrehbar aufgenommen. Diese Mitnehmerstifte sind weitergeführt, um in Längsnuten der Schiebemuffe einzugreifen. Weiterhin ist die Schiebemuffe mit schräglaufenden Wendelnuten versehen, in welche Kulissenstifte des Konturrings eingreifen. Bei einer Verdrehung des Mitnehmerrings durch einen mit dem Mitnehmerring über ein Kegelradgetriebe verbundenen Verstellantrieb wird die Schiebemuffe im Gehäuse verdreht und über die Abstützung mittels der gehäusefesten Kulissenstifte in der Wendelnut axial verschoben.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2011 010 744 A1 geht ein Verstellring zur Bewegung wenigstens eines Versperrkörpers hervor, wobei Verstellring und Versperrkörper im Turbinengehäuse drehbar und axial verschiebbar gelagert sind. Durch Drehen des Verstellrings wird der Strömungsquerschnitt eines Umgehungskanals variabel eingestellt. Durch Verschieben des Verstellrings wird der Strömungsquerschnitt im Turbinenradeintrittsbereich variabel eingestellt. Aus der Patentschrift DE 198 16 645 B4 ist eine Betätigung zur axialen Verschiebung eines mit einem Leitgitter versehenen, ringförmigen Trägers bekannt. Die Betätigungseinrichtung weist wenigstens zwei sich gegenüberliegende Aussparungen in dem Träger auf, in welche Verstellnocken ragen. Die Verstellnocken werden über einen gemeinsamen Bügel betätigt. Die Drehbewegung des Bügels bewirkt eine Verdrehung der Verstellnocken und wird über die Aussparungen in eine axiale Verschiebung des Trägers übersetzt. Der Bügel wiederum wird mittels eines Pneumatikzylinders betätigt.
Mittels der aus dem Stand der Technik bekannten Betätigungseinrichtung kann keine für die aktuellen Anforderungen ausreichende Betriebssicherheit gewährleistet werden. Dies resultiert hauptsächlich aus der einseitigen Betätigung der Ringschieber und deren Führung gegenüber dem Turbinengehäuse. Durch die einseitige Betätigung unter dem vorherrschenden Temperatureinfluss kann es zur Blockierung des Ringschiebers und in Folge dessen zum Steuerungsverlust und sogar zur Zerstörung der Turbine kommen.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Ringschiebervorrichtung bereitzustellen.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird durch eine Ringschiebervorrichtung nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung stellt eine erfindungsgemäß vorteilhafte Ringschiebervorrichtung bereit, mittels derer eine betriebssichere Betätigung des Ringschiebers gewährleistet wird.
In einem Turbinengehäuse eines Abgasturboladers ist ein axial verschiebbarer und verdrehbarer Ringschieber gelagert, durch welchen ein Überströmkanal verschließbar ist. Durch die axiale Verschiebung des Ringschiebers gegenüber dem Überströmkanal wird der effektive Strömungsquerschnitt des Überströmkanals beeinflusst, so dass der umgeleitete Abgasstrom im Überströmkanal zwischen Turbineneintrittsbereich und Turbinenaustrittsbereich gesteuert werden kann. Der Überströmkanal kann dabei als radial umlaufender Kanal mit einem ringförmigen zusammenhängenden Überströmquerschnitt oder aus mehreren radial und/oder axial verlaufenden Kanälen gebildet werden.
Mittels einer außen am Turbinengehäuse gehalterten Betätigungseinrichtung wird der Ringschieber innerhalb des Turbinengehäuses verdreht. Dazu wirkt die Betätigungseinrichtung über eine Eingriffseinrichtung auf den Ringschieber. Dies kann beispielsweise über eine Geradverzahnung, über einen Ketten- oder Riementrieb oder auch über Pin-Langloch-Verbindungen erfolgen. Erfindungsgemäß vorteilhaft wird die Pin-Langloch-Verbindung als Eingriffselement gewählt.
Mittels wenigstens einer am Umfang des Ringschiebers angeordneten Übersetzungseinrichtung wird die von der Betätigungseinrichtung aufgebrachte Verdrehbewegung des Ringschiebers teilweise in eine axiale Verschiebung des Ringschiebers übersetzt, so dass der Ringschieber gleichzeitig verdreht und axial verschoben wird. Die Übersetzungseinrichtung wird durch eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut mit axialem Versatz und einem darin geführten Pin gebildet. Durch die relative Verdrehung zwischen Pin und Nut erfolgt eine relative Axialverschiebung zwischen Pin und Nut, da durch den Verlauf des Pins in der Nut ein axialer Hub aufgezwungen wird. Dabei können der Pin auf dem Ringschieber und die Nut im Turbinengehäuse positioniert sein. Durch die Verdrehung des Ringschiebers stützt sich der Pin in der Nut ab und bewirkt eine Axialverschiebung des Schieberrings gegenüber dem Turbinengehäuse. Alternativ können der Pin am Turbinengehäuse und die Nut im Ringschieber positioniert sein. Durch die Verdrehung des Ringschiebers stützt sich die Nut am Pin ab und bewirkt eine Axialverschiebung des Ringschiebers gegenüber dem Turbinengehäuse.
Um ein Blockieren des Ringschiebers während der Betätigung zu verhindern, sind wenigstens zwei Übersetzungseinrichtungen über den Umfang verteilt. Vorzugsweise sind drei Übersetzungseinrichtungen über den Umfang verteilt, wobei der Abstand zwischen zwei benachbarten Übersetzungseinrichtungen 180° nicht überschreiten sollte. Die Übersetzungseinrichtungen sind vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang verteilt.
Mittels der Betätigungseinrichtung ist der Ringschieber zwischen einer ersten Position, bei welcher der Überströmkanal geöffnet ist, und einer zweiten Position, bei welcher der Überströmkanal geschlossen ist, variabel verschiebbar. In der zweiten Position wird der Ringschieber in einen Sitz gepresst, so dass eine Abdichtung zwischen Überströmkanal und Turbinenaustrittsbereich gewährleistet ist. Durch eine Dichtfläche zwischen Ringschieber und Turbinengehäuse wird die Abdichtung zwischen Turbineneintrittsbereich und Turbinenaustrittsbereich weiter verbessert.
Über die Ausführung der Nut kann der effektive Strömungsquerschnitt, welcher den umgeleiteten Abgasstrom beeinflusst, in Abhängigkeit vom Verdrehwinkel des Ringschiebers ausgelegt werden. Der effektive Strömungsquerschnitt wird dabei maßgeblich durch die Axialverschiebung des Ringschiebers und diese Axialverschiebung wiederum durch den axialen Versatz der Nut in Abhängigkeit des Verdrehwinkels beeinflusst. Der Verlauf des axialen Versatzes in Abhängigkeit des Verdrehwinkels kann sich mit einem konstanten oder variablen Anstieg verändern. Innerhalb der Nut kann wenigstens ein Rastbereich vorgesehen sein, wobei kein axialer Versatz vorgesehen ist und somit bei einer Verdrehung des Ringschiebers innerhalb des Rastbereichs keine Axialverschiebung bewirkt wird. Ein solcher Rastbereich kann in vorteilhafter Weise im Endbereich der Nut vorgesehen sein, wenn sich der Ringschieber in seiner zweiten Position befindet. Dadurch wird eine Arretierung der zweiten Position erreicht, und der Überströmkanal kann mit einer geringen Betätigungskraft geschlossen gehalten werden.
Ausführungsbeispiel
Beispielhaft wird hier eine Ausführung der erfindungsgemäßen Ringschiebervorrichtung für einen Abgasturbolader dargestellt. In der dazugehörigen Figur zeigt:
1: schematische Darstellungen der Ringschiebervorrichtung für einen Abgasturbolader.
Die erfindungsgemäß vorteilhafte Ausführung einer Ringschiebervorrichtung 1 umfasst einen Ringschieber 2, welcher in einem mehrteiligen Turbinengehäuse 3 drehbar und axial verschiebbar gelagert ist, eine am Turbinengehäuse 3 befestigte Betätigungseinrichtung 4, welche über eine Pin-Langloch-Verbindung 5 mit dem Ringschieber 2 in Wirkverbindung steht und drei, über den Umfang des Ringschiebers 2 gleichmäßig verteilte Übersetzungseinrichtungen 6. Jede Übersetzungseinrichtung 6 besteht aus einer in Umfangsrichtung verlaufenden Nut 7 mit axialem Versatz und einem darin geführten Pin 8, wobei die Nut 7 im Ringschieber 2 eingebracht und der Pin 8 im Turbinengehäuse 3 gehaltert ist. Die Nut 7 weist einen in Abhängigkeit des Verdrehwinkels konstanten Anstieg auf. Im Turbinengehäuse 3 ist ein Sitz 9 vorgesehen, an welchem der Ringschieber 2 zum Verschließen eines Überströmkanals 10 gepresst wird. Der Sitz 9 ist als Dichtfläche ausgebildet, so dass eine Abdichtung zwischen Turbineneintrittsbereich 11 und Turbinenaustrittsbereich 12 gewährleistet ist. Durch eine weitere Dichtfläche 13 zwischen Ringschieber 2 und Turbinengehäuse 3 wird die Abdichtung zwischen Turbineneintrittsbereich 11 und Turbinenaustrittsbereich 12 verbessert.
Mittels der Pin-Langloch-Verbindung 5 wird der Ringschieber 2 gegenüber dem Turbinengehäuse 3 verdreht. Dazu ist an der Betätigungseinrichtung 4 ein Betätigungspin 14 vorgesehen, welcher in ein Langloch 15 im Ringschieber 2 eingreift. Durch die Betätigung der Betätigungseinrichtung 4 wird der Betätigungspin 14 in einem bestimmten Abstand um eine Betätigungsachse 16 der Betätigungseinrichtung 4 verdreht. Die Betätigungsachse 16 ist dabei senkrecht zu einer Ringschieberdrehachse 17 angeordnet, wodurch in Zusammenwirkung von Betätigungspin 14 und Langloch 15 eine Verdrehung des Ringschiebers 2 um die Ringschieberdrehachse 17 bewirkt wird. Die maximale Verdrehung ergibt sich dabei aus dem doppelten Abstand des Betätigungspins 14 gegenüber der Betätigungsachse 16. Mittels der Übersetzungseinrichtungen 6 wird die Verdrehung des Ringschiebers 2 in eine axiale Verschiebung übersetzt. Durch die Verdrehung des Ringschiebers 2 stützt sich die Nut 7 am Pin 8 ab und bewirkt eine Axialverschiebung des Ringschiebers 2 gegenüber dem Turbinengehäuse 3.
Bezugszeichenliste

1: Ringschiebervorrichtung
2: Ringschieber
3: Turbinengehäuse
4: Betätigungseinrichtung
5: Pin-Langloch-Verbindung
6: Übersetzungseinrichtung
7: Nut
8: Pin
9: Sitz
10: Überströmkanal
11: Turbineneintrittsbereich
12: Turbinenaustrittsbereich
13: Dichtfläche
14: Betätigungspin
15: Langloch
16: Betätigungsachse
17: Ringschieberdrehachse

Claims

Ringschiebervorrichtung (1) für einen Abgasturbolader zum Verschließen eines Überströmkanals (10), umfassend einen Ringschieber (2), welcher in einem Turbinengehäuse (3) drehbar und axial verschiebbar gelagert ist, eine am Turbinengehäuse (3) befestigte Betätigungseinrichtung (4), welche mit dem Ringschieber (2) in Wirkverbindung steht, und wenigstens zwei, über den Umfang des Ringschiebers (2) verteilte Übersetzungseinrichtungen (6), wobei die Übersetzungseinrichtung (6) aus einer in Umfangsrichtung verlaufenden Nut (7) mit axialem Versatz und einem darin geführten Pin (8) besteht, so dass der Ringschieber (2) mittels der Betätigungseinrichtung (4) verdrehbar und in Folge dessen mittels der Übersetzungseinrichtung (6) axial verschiebbar ist und durch die axiale Verschiebung des Ringschiebers (2) gegenüber dem Überströmkanal (10) der effektive Strömungsquerschnitt des Überströmkanals (10) beeinflusst wird, so dass der umgeleitete Abgasstrom im Überströmkanal (10) zwischen Turbineneintrittsbereich (11) und Turbinenaustrittsbereich (12) gesteuert werden kann, indem mittels der Betätigungseinrichtung (4) der Ringschieber (2) zwischen einer ersten Position, bei welcher der Überströmkanal (10) geöffnet ist, und einer zweiten Position, bei welcher der Überströmkanal (10) geschlossen ist, variabel verschiebbar ist und in der zweiten Position der Ringschieber (2) in einen Sitz (9) im Turbinengehäuse (3) gepresst wird, so dass eine Abdichtung zwischen Überströmkanal (10) und Turbinenaustrittsbereich (12) gewährleistet ist.
Ringschiebervorrichtung (1) nach Patentanspruch 1,, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (7) einen in Abhängigkeit des Verdrehwinkels konstanten oder variablen Anstieg aufweist.
Ringschiebervorrichtung (1) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (7) einen Rastbereich aufweist.