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HINTERGRUND DER OFFENBARUNG
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Technisches Gebiet der Offenbarung
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Diese Erfindung betrifft ein Turboaufladungssystem für einen Verbrennungsmotor, und insbesondere eine Schaufelpaket-Anordnung für eine variable Turbinengeometrie (VGT), mit einem einachsigen, selbstzentrierenden Schwenkmerkmal, das der VTG-Schaufelpaket-Anordnung eine Bremsfähigkeit und Haltbarkeit verleiht, während gleichzeitig thermische Verwindungen zugelassen werden.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Ein Turbolader ist ein Typ von Aufladesystem, wie es mit Verbrennungsmotoren verwendet wird. Turbolader liefern verdichtete Luft an einen Motoreinlass, was ermöglicht, dass mehr Kraftstoff verbrannt werden kann, wodurch die PS-Leistung des Motors verstärkt werden kann, ohne dass das Motorgewicht signifikant erhöht wird. Somit erlauben Turbolader die Verwendung kleinerer Motoren, die dieselbe Menge an PS-Leistung entwickeln wie größere normale Saugmotoren. Die Verwendung eines kleineren Motors in einem Fahrzeug zeigt den gewünschten Effekt der Verringerung der Fahrzeugmasse, der Leistungssteigerung und der Verbesserung der Kraftstoffökonomie. Darüber hinaus erlaubt die Verwendung von Turboladern eine vollständigere Verbrennung des an den Motor gelieferten Kraftstoffs, was einen Beitrag zu dem besonders wünschenswerten Ziel einer saubereren Umwelt leistet.
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Turbolader umfassen typischerweise ein Turbinengehäuse, das mit der Abgassammelleitung des Motors verbunden ist, ein Kompressorgehäuse, das mit der Einlasssammelleitung des Motors verbunden ist, sowie ein zentrales Lagergehäuse, das zwischen dem Turbinengehäuse und dem Kompressorgehäuse angeordnet ist und diese miteinander koppelt. Das Turbinengehäuse definiert eine im Wesentlichen ringförmige Kammer, die aus einer Schnecke oder Spirale besteht, umgibt das Turbinenrad und empfängt Abgas von einem Abgaszufuhr-Strömungskanal, der von der Abgassammelleitung des Motors zugeleitet wird. Die Turbinenanordnung umfasst im Wesentlichen eine Kehle, die von der Kammer in das Turbinenrad führt. Das Turbinenrad in dem Turbinengehäuse wird drehbar von einem eingehenden Abgasstrom angetrieben, der von der Abgassammelleitung zugeführt wird. Eine drehbar in dem Zentrallagergehäuse getragene Welle verbindet das Turbinenrad mit einem Kompressorlaufrad in dem Kompressorgehäuse, so dass die Drehung des Turbinenrads die Drehung des Kompressorlaufrades verursacht. Die Welle, die das Turbinenrad und das Kompressorlaufrad verbindet, definiert eine Linie, die der Drehachse entspricht. Abgas strömt durch die ringförmige Turbinenkammer, die aus einer Schnecke oder Spirale besteht, und durch die Kehle zu dem Turbinenrad, wo das Turbinenrad von dem Abgas angetrieben wird, um sich mit extrem hohen Drehzahlen zu drehen. Ein Turbinenströmungs- und -drucksteuerungsmittel wird verwendet, um den Abgasrückdruck und die Turboladerdrehzahl einzustellen. Während sich das Turbinenrad mit extrem hohen Drehzahlen dreht, entzieht die Turbine dem Abgas Leistung, um den Kompressor anzutreiben. Der Kompressor saugt durch einen Einlass des Kompressorgehäuses Umgebungsluft an, und die Umgebungsluft wird durch das Kompressorrad verdichtet und dann von dem Kompressorgehäuse an den Motorlufteinlass abgegeben. Die Drehung des Kompressorlaufrades erhöht die Rate des Luftmassendurchsatzes, die Luftdichte und den Luftdruck, die an die Motorzylinder durch die Einlasssammelleitung des Motors geliefert werden, wodurch die Leistungsausgabe des Motors verstärkt wird, und weiter eine hohe Motorleistung bereitgestellt, der Kraftstoffverbrauch verringert und Umweltschadstoffe durch Reduktion von Kohlendioxidemissionen (CO2) gesenkt werden.
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Bauartbedingt arbeiten Turbolader nur in einem eingeschränkten Bereich von Betriebsbedingungen optimal. Eine große Turbine kann bei hohen Luftmassendurchsatzraten optimal arbeiten. Bei niedrigen Luftmassendurchsatzraten ist eine große Turbine jedoch nicht effizient, und ist nicht in der Lage, schnell hochzudrehen, um die Anforderung nach einer Verstärkung zu erfüllen; dieses Phänomen wird als Turboloch bezeichnet. Andererseits kann eine kleine Turbine eine gute Verstärkung bei niedrigen Luftmassendurchsatzraten bereitstellen. Aber eine kleine Turbine kann abgewürgt werden, wenn sie höheren Luftmassendurchsatzraten unterworfen ist. Aus diesem Grund können kleine Turbinen mit einem Bypass als einfache Form der Verstärkungsdrucksteuerung ausgestattet sein. Für eine mit einem Bypass ausgestattete Turbine wird die Turbinengröße so gewählt, dass die Anforderungen bezüglich der Drehmomentcharakteristik bei niedrigen Motordrehzahlen erfüllt werden und ein gutes Fahrverhalten des Fahrzeugs erreicht werden kann. Mit dieser Konstruktion wird, kurz bevor das maximale Drehmoment erreicht wird, mehr Abgas an die Turbine geliefert, als zur Erzeugung des notwendigen Verstärkungsdrucks erforderlich ist. Sobald ein spezifischer Verstärkungsdruck erreicht ist, wird ein Teil des überschüssigen Abgasstroms über einen Bypass an der Turbine vorbei geleitet. Das Wastegate, das den Bypass öffnet oder schließt, wird üblicherweise durch eine federbelastete Membran in Ansprechen auf den Verstärkungsdruck betätigt. Das Umgehen der Turbine bedeutet jedoch auch, dass ein Teil der Abgasenergie verloren geht und nicht zurückgewonnen wird.
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Eine variable Turbinengeometrie erlaubt es, den Strömungsquerschnitt der Turbine in Übereinstimmung mit dem Motorbetriebspunkt zu variieren. Dies erlaubt, die gesamte Abgasenergie auszunützen und den Strömungsquerschnitt optimal für jeden Betriebspunkt einzustellen. Als Ergebnis ist die Effizienz des Turboladers und damit des Motors höher, als jene, die mit der Bypasssteuerung erzielt werden kann. Vgl.
Mayer "Turbochargers, Effective Use of Exhaust Gas Energy", Verlag Moderne Industrie, überarbeitete 2. Auflage, 2001. Variable Leitschaufeln zwischen dem Spiralgehäuse und dem Turbinenrad haben Auswirkungen auf das Druckaufbauverhalten und damit die Leistungsabgabe der Turbine. Bei niedrigen Motordrehzahlen wird der Strömungsquerschnitt verringert, indem die Leitschaufeln geschlossen werden. Der Verstärkungsdruck und damit das Motordrehmoment steigen als Ergebnis des höheren Druckabfalls zwischen Turbineneinlass und -auslass an. Bei hohen Motordrehzahlen öffnen sich die Leitschaufeln allmählich. Der erforderliche Verstärkungsdruck wird bei einem niedrigen Turbinendruckverhältnis erreicht, und der Kraftstoffverbrauch des Motors wird verringert. Während der Fahrzeugbeschleunigung aus niedrigen Drehzahlen schließen die Leitschaufeln, um die maximale Energie aus dem Abgas zu gewinnen. Mit steigender Drehzahl öffnen die Schaufeln und passen sich an den entsprechenden Betriebspunkt an.
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Heute erreicht die Abgastemperatur moderner Hochleistungs-Dieselmotoren bis zu 830 °C. Die präzise und zuverlässige Leitschaufelbewegung in dem heißen Abgasstrom stellt hohe Anforderungen an die Materialien und erfordert exakt definierte Toleranzen innerhalb der Turbine. Unabhängig von der Rahmengröße des Turboladers benötigen die Leitschaufeln einen Mindestspielraum, um den zuverlässigen Betrieb über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs sicherzustellen.
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Typischerweise sind die einstellbaren Leitschaufeln einer VTG schwenkbar innerhalb des Turbinengehäuse zwischen einem Paar von Schaufellagerringen (einem oberen und einem unteren) und/oder einer Düsenwand montiert. Die einstellbaren Leitschaufeln werden geschwenkt, um den Abgasrückdruck und die Turboladerdrehzahl zu steuern, indem die Geschwindigkeit und die Richtung des Abgasstroms zum Turbinenrad modifiziert werden. Bei niedrigen Abgas-Luftmassendurchsatzraten können die einstellbaren Leitschaufeln in eine relativ geschlossene Stellung bewegt werden, wodurch ein kleinerer Durchgang für den Abgasstrom geschaffen wird. Dadurch simuliert die VTG eine kleine Turbine, die sogar bei niedrigerer Abgasverfügbarkeit in der Lage ist, höhere Drehzahlen zu erreichen. Andererseits ist die Abgas-Luftmassendurchsatzrate hoch, wenn der Motor mit höherer Drehzahl läuft. Daher können die einstellbaren Leitschaufeln geöffnet werden, wodurch ein größerer Durchgang für den Abgasstrom und je nach Anforderung ein geeignetes Ausmaß an Verstärkung geschaffen wird. Die Fähigkeit der einstellbare Leitschaufeln, zu öffnen und zu schließen, erlaubt dem Turbolader, in einem weiten Bereich von Bedingungen zu arbeiten, um die Motoranforderungen zu erfüllen. Im Vergleich zu der Bypasssteuerung nützt die VTG die gesamte Abgasenergie aus, so dass die Effizienz des Abgasturboladers und damit des Motors verbessert wird.
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VTG-Turbolader setzen im Wesentlichen zumindest drei Befestigungselemente wie etwa Bolzen, Schrauben oder Bolzen mit Muttern ein, um das Paar von Schaufellagerringen (d. h. einen oberen Schaufellagerring und einen unteren Schaufellagerring) an dem Turbinengehäuse zu sichern, so dass die Turbinengehäuseanordnung das Paar von Schaufellagerringen umgibt. Die Befestigungselemente laufen durch beide Schaufellagerringe, um den oberen Schaufellagerring an dem unteren Schaufellagerring und den unteren Schaufellagerring an dem Turbinengehäuse festzuklemmen. Jegliches Abgas, das die Schaufel umgeht und durch den Spalt zwischen Schaufel und den Schaufellagerringen strömt, verringert die Effizienz der VTG. Somit muss der Spalt zwischen den Schaufeln und den Schaufellagerringen sehr klein sein, damit die Schaufeln die Abgasströmung optimal steuern können. Damit die Schaufeln mit derart geringem Spiel schwenken können, muss die VTG-Schaufelanordnung in hohem Umfang geometrisch parallel an dem Turbinengehäuse montiert werden. Diese Parallelität muss aufrecht erhalten werden, während die Turbine einem sehr weiten Temperaturbereich unterworfen ist. Unterschiedliche Komponenten werden aus unterschiedlichen Metallen hergestellt, die auch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Das Turbinengehäuse unterliegt auf Grund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung einem bestimmten Ausmaß der Verformung über die Temperaturbereiche. Die Verformung des Turbinengehäuses kann verursachen, dass die Sicherungsmechanismen/Befestigungselemente die geometrische Parallelität verlieren, so dass die Schaufeln und die beweglichen Komponenten nicht länger frei schwenken können und damit stecken bleiben oder festsitzen können. Der Verlust der Parallelität der Sicherungsmechanismen/Befestigungselemente erzeugt auch hohe Belastungen in den Sicherungsmechanismen/Befestigungselementen, die zum Versagen oder Bruch der Sicherungsmechanismen/Befestigungselemente führen können. Eine Verwindung der Schaufellagerringe kann zu ungewöhnlichen Verschleißmustern führen oder unerwünschte Zwischenräume schaffen, die die aerodynamische Effizienz des Turboladers weiter verringern.
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Somit herrscht Bedarf nach einer VTG-Anordnung, die es erlaubt, dass die Schaufellagerring-Anordnung innerhalb der Turbinengehäuse positioniert und arbeitet. Weiters herrscht Bedarf danach, die thermische Ausdehnung und Verwindung des Turbinengehäuses und/oder der Schaufellagerring-Anordnung zu berücksichtigen, während die Stellung der Komponenten der Schaufelanordnung in Bezug aufeinander aufrecht erhalten wird und die Spitzeneffizienz optimiert wird. Auch herrscht zusätzlich Bedarf nach einem derartigen System und Verfahren, das kostengünstig und zuverlässig ist und die Herstellung, den Zusammenbau und/oder die Zerlegung vereinfacht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese Ziele werden durch einen Turbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG) erreicht, der eine Schaufelpaket-Anordnung mit einer Vielzahl von einachsigen, selbstzentrierenden und einstellbaren Leitschaufeln umfasst. Die Schaufelpaket-Anordnung kann einen im Wesentlichen ringförmigen ersten oder oberen Schaufellagerring und einen im Wesentlichen ringförmigen zweiten oder unteren Schaufellagerring umfassen. Die Vielzahl von Abstandshaltern ist zwischen dem oberen Schaufellagerring und dem unteren Schaufellagerring angeordnet, so dass der obere Schaufellagerring von dem unteren Schaufellagerring beabstandet ist, wodurch ein ringförmiger Raum geschaffen wird. Innerhalb dieses ringförmigen Raums sind mehrere einachsige, selbstzentrierende und einstellbare Leitschaufeln schwenkbar montiert. Die Leitschaufeln sind schwenkbar zwischen dem oberen Schaufellagerring und dem unteren Schaufellagerring montiert. Die Leitschaufeln können einen Zapfen mit einem selbstzentrierenden Merkmal umfassen. Vorzugsweise sind ein oder beide Enden des Zapfens sphärisch und in einer ”U”-förmigen Ausnehmung in der Scheibe aufgenommen. Der Zapfen passt in die Ausnehmung in der Art eines Kugelzapfens. Im Vergleich zu einem herkömmlichen zylindrischen Zapfen in einer zylindrischen Bohrung, der im Fall einer Fehlausrichtung zwischen den Scheiben oder zwischen aufeinander folgenden Zapfen, oder im Fall der Drehung einer Scheibe relativ zu der anderen Scheibe, steckenbleiben kann, wird bei Kugelzapfen eine Fehlausrichtung der Zapfen leicht toleriert und führt daher nicht zum Steckenbleiben. Das selbstzentrierende Schwenkmerkmal des Zapfens erlaubt es, dass die Schaufelpaket-Anordnung trotz einer Verschiebung/Verformung des Turbinengehäuses als Ergebnis einer Exposition gegenüber einem weiten Bereich von Temperaturen funktioniert. Um die Schwenkbewegung der Leitschaufeln zu steuern und dabei die Geschwindigkeit und den Rückdruck durch Öffnen und Schließen der Leitschaufeln zu steuern, wird ein Betätigungsmechanismus verwendet.
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Die Vielzahl von einachsigen, selbstzentrierenden und einstellbaren Leitschaufeln erlaubt es, dass die Schaufellagerring-Anordnung innerhalb des Turbinengehäuses angeordnet werden kann, wobei die Wirkung der thermischen Ausdehnung, oder die Auswirkungen von unterschiedlicher thermischer Ausdehnung des Gehäuses und/oder der Schaufellagerring-Anordnung ignoriert werden, während die Effizienz des Turboladers aufrecht erhalten wird. Darüber hinaus verleiht das selbstzentrierende Schwenkmerkmal der Vielzahl von Leitschaufeln dem Leitschaufelpaket Haltbarkeit und eine Bremsfähigkeit, indem das Biegemoment, das aerodynamische Kräfte tendenziell darauf ausüben, begrenzt wird. Die Vielzahl von Leitschaufeln ist kostengünstig, zuverlässig und für einen leichten Zusammenbau ausgelegt. Die selbstzentrierende Schwenkoberfläche erlaubt es, dass die Schaufeln weiter innerhalb des einachsigen Gelenks schwenken, wenn eine Verformung des unteren Schaufellagerrings oder des Gehäuses auftritt. Somit kann ein weiterer Bereich von Materialien für den unteren Schaufellagerring oder das Turbinengehäuse in Betracht gezogen werden. Über die Lebensdauer des Systems fährt die selbstzentrierende Oberfläche fort, den Schaufelzapfen zu führen, so dass dieser in der konstruktionsgemäßen Weise schwenkt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Details, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen auf der Grundlage der Zeichnungen, in welchen:
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1 eine Querschnittsansicht eines Aspekts eines Turboladers mit variabler Turbinengeometrie (VTG) ist,
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2 eine Schnittansicht eines Aspekts der Schaufelpaket-Anordnung ist,
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3 eine Vorderansicht eines Aspekts der einachsigen, selbstzentrierenden und einstellbaren Leitschaufel in 2 ist,
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4 eine Schnittansicht eines weiteren Aspekts der Schaufelpaket-Anordnung ist,
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5 eine Vorderansicht eines Aspekts der einachsigen, selbstzentrierenden und einstellbaren Leitschaufel in 4 ist,
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6 eine Schnittansicht eines Aspekts der VTG-Turbolader-Schaufelpaket-Anordnung ist, die Befestigungselement und Abstandshalter zeigt, und
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7 eine Draufsicht der VTG-Turbolader-Schaufelpaket-Anordnung in 6 ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt im Detail einen Aspekt eines Turboladers (10) mit einer Kompressorstufe (12) und einer Turbinenstufe (14). Die Kompressorstufe (12) umfasst ein Kompressorgehäuse (16) und ein Kompressorrad (18). Die Turbinenstufe (14) umfasst ein Turbinengehäuse (20) und ein Turbinenrad (22). Das Kompressorgehäuse (16) ist von dem Turbinengehäuse (20) durch ein Lagergehäuse (23) beabstandet. Eine Welle (24) erstreckt sich durch das Lagergehäuse (23) und verbindet das Kompressorrad (18) mit dem Turbinenrad (22). Eine Schaufelpaket-Anordnung (25) (in 2 in größerem Detail gezeigt) umfasst eine Vielzahl von einachsigen, selbstzentrierenden und einstellbaren Leitschaufeln (26), die zwischen einem im Wesentlichen ringförmigen ersten oder oberen Schaufellagerring (28) und einem im Wesentlichen ringförmigen zweiten oder unteren Schaufellagerring (30) angeordnet sind. Jede der Vielzahl von Leitschaufeln (26) wird durch einen Betätigungsmechanismus (27) zu schwenken veranlasst. Der Betätigungsmechanismus (27) kann einen pneumatischen Aktuator, einen Zahntriebaktuator, einen elektrischen Aktuator oder einen beliebigen ähnlichen Mechanismus, der im Stand der Technik bekannt ist, umfassen.
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Die Schaufelpaket-Anordnung (25) ist in 2 im Detail dargestellt. In einigen Aspekten umfassen die grundlegenden Komponenten der Schaufelpaket-Anordnung (25) die Vielzahl von Leitschaufeln (26) (3), den oberen Schaufellagerring (28), den unteren Schaufellagerring (30), zwischen dem oberen Schaufellagerring (28) und dem unteren Schaufellagerring (30) eingebrachte Abstandshalter (70) sowie eine Vielzahl von Schaufeleinstellhebeln (74). Die Kreuzschraffur ist im rechten Teil der Figur weggelassen worden, damit die Schattenlinien, die die Zapfen (50) andeuten, sichtbar sind. Der obere Schaufellagerring (28) umfasst eine Vielzahl von in ungefähr gleichen Abständen angeordneten Öffnungen (38), die sich durch den oberen Schaufellagerring (28) von einer oberen Oberfläche (40) zu einer unteren Oberfläche (42) davon erstrecken. Der untere Schaufellagerring (30) umfasst eine obere Oberfläche (44) und eine untere Oberfläche (46). Die obere Oberfläche (44) des unteren Schaufellagerrings (30) umfasst eine Vielzahl von in ungefähr gleichen Abständen angeordneten selbstzentrierenden Schwenkausnehmungen (48). Die Schwenkausnehmungen (48) erstrecken sich von der oberen Oberfläche (44) des unteren Schaufellagerrings (30) zum Teil in den unteren Schaufellagerring (30). Die Schwenkausnehmungen (48) erstrecken sich nicht vollständig bis zu der unteren Oberfläche (46) des unteren Schaufellagerrings (30).
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In einem Aspekt umfasst jede Leitschaufel der in 3 gezeigten Vielzahl von Leitschaufeln (26) einen Zapfen (50) mit einer einteilig damit ausgebildeten Schaufel (52). Der Zapfen (50) umfasst ein erstes Ende (54) und ein zweites Ende mit einem selbstzentrierenden Schwenkmerkmal (56a). Das erste Ende (54) des Zapfens (50) kann sich ganz durch und geringfügig über die obere Oberfläche (40) des oberen Schaufellagerrings (28) hinaus erstrecken. Die Vielzahl von Schaufeleinstellhebeln (74) umfasst eine Vielzahl von Durchgangslöchern (33), durch die sich das erste Ende (54) des Zapfens (50) der Leitschaufel (26) erstreckt. Der Zapfen (50), der sich durch die Vielzahl von Schaufeleinstellhebeln (74) erstreckt, befestigt die Vielzahl von Schaufeleinstellhebeln (74) gleitend und schwenkbar bündig an dem oberen Schaufellagerring (28). Das selbstzentrierende Schwenkmerkmal (56a) des zweiten Endes des Zapfens (50) wird innerhalb einer entsprechenden selbstzentrierenden Schwenkausnehmung (48) aufgenommen, um die Leitschaufel (26) relativ zu dem unteren Schaufellagerring (30) zu positionieren und zu zentrieren. Das Abgas strömt mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit durch den ringförmigen Spalt zwischen der unteren Oberfläche des oberen Schaufellagerrings und der oberen Oberfläche des unteren Schaufellagerrings. Um das Entweichen von Abgas durch die Öffnung (38) zu verhindern, umfasst die Leitschaufel (26) des Weiteren einen Flansch (58) in dem ringförmigen Raum, der die Öffnung (38) an der unteren Oberfläche des oberen Schaufellagerrings überdeckt. Die Leitschaufel kann mit einem zweiten Flansch (60) versehen sein, der die selbstzentrierenden Schwenkausnehmungen (48) an der oberen Oberfläche des unteren Schaufellagerrings überdeckt. Die Flansche (58, 60) stellen auch einen präzisen Abstand zwischen der Schaufel (52) und der unteren Oberfläche des oberen Schaufellagerrings und der oberen Oberfläche des unteren Schaufellagerrings sicher.
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Das selbstzentrierende Schwenkmerkmal (56a) kann sphärisch geformt sein. Obwohl das selbstzentrierende Schwenkmerkmal (56a) von 2 und 3 sphärisch geformt ist, sind bekanntermaßen auch andere Formen gut geeignet.
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In einigen Aspekten, die in 4 und 5 dargestellt sind, kann das selbstzentrierende Schwenkmerkmal (56b) konisch geformt sein. Alle übrigen Aspekte der Erfindung sind ähnlich jenen, die zuvor in 1 bis 3 im Detail dargestellt wurden. Obwohl im Detail sphärische und konische Formen für die selbstzentrierenden Schwenkmerkmale (56a, 56b) gezeigt werden, können die selbstzentrierenden Schwenkmerkmale (56a, 56b) kegelstumpfförmig, kugelstumpfförmig, teilkonisch, teilsphärisch oder eine beliebige Kombination davon sein.
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In einem weiteren Aspekt kann der untere Schaufellagerring (30) auch entfallen (nicht dargestellt). In diesem Aspekt ist die Vielzahl von in einem gleichen Abstand angeordneten selbstzentrierenden Schwenkausnehmungen (48) in dem Turbinengehäuse (20) ausgebildet. Die selbstzentrierenden Schwenkmerkmale (56a, 56b) sind in der Vielzahl von in gleichen Abständen angeordneten selbstzentrierenden Schwenkausnehmungen (48) aufgenommen, die in dem Turbinengehäuse (20) ausgebildet sind. Die Vielzahl von Leitschaufeln (26) unterstützt zusammen mit anderen Komponenten der Schaufelpaket-Anordnung (25) wie etwa Abstandshalter (70) das Halten der Schaufelpaket-Anordnung (25) relativ zu dem Turbinengehäuse (20). Somit kann die Schaufelpaket-Anordnung (25) schwenken, um Verschiebungen oder Verformungen des Turbinengehäuses (20) auf Grund der Auswirkungen der thermischen Ausdehnung, oder durch die Auswirkungen unterschiedlicher thermischer Ausdehnung zu kompensieren. Diese Art der Bewegung wäre andernfalls mit herkömmlichen zweiachsigen und/oder anderen üblicherweise bekannten Turboladeranordnungen nicht möglich.
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Am meisten bevorzugt sind ein oder beide Enden des Zapfens sphärisch und in einer ”U”-förmigen Ausnehmung in der Scheibe aufgenommen. Der Zapfen passt in die Ausnehmung in der Art eines Kugelzapfens. Im Vergleich zu einem herkömmlichen zylindrischen Zapfen in einer zylindrischen Bohrung, der im Fall einer Fehlausrichtung zwischen den Scheiben oder zwischen aufeinander folgenden Zapfen, oder im Fall der Drehung einer Scheibe relativ zu der anderen Scheibe, steckenbleiben kann, wird bei Kugelzapfen eine Fehlausrichtung der Zapfen leicht toleriert und führt daher nicht zum Steckenbleiben.
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Der Turbolader (10) arbeitet bei sehr hochfrequenten Drehzahlbereichen von 150.000 bis 300.000 U/min und kann Temperaturen von mehr als 1050 °C ausgesetzt sein. Diese Bedingungen erzeugen Wärmeprofile und unterschiedliche thermische Ausdehnungen, die für Komponenten mit engen Toleranzen nicht förderlich sind, die eine minimale Verformung benötigen, um ein Steckenbleiben oder übermäßigen Verschleiß der Komponenten zu verhindern. Somit können die bestimmte Größe, Gestalt, Anzahl und das bestimmte Material der Vielzahl von einachsigen, selbstzentrierenden und einstellbaren Leitschaufeln (26) auf der Grundlage dieser Eigenschaften ausgewählt werden, werden aber auch auf der Grundlage einer Anzahl von weiteren Faktoren ausgewählt, die einfache Anordnung, Größe und Anregung des Turbinenrads, Steuerung der gewünschten Steifigkeit und thermischen Verformung, thermischer Ausdehnungskoeffizient, Korrosionsfestigkeit, Kosten, Festigkeit und Haltbarkeit umfassen. Da die Schaufelpaket-Anordnung (25) und ihre Komponenten hohen Temperaturen und extremen Expositionen gegenüber korrosiven Nebenprodukten der Motorverbrennung widerstehen müssen, haben sich Materialien wie etwa Nickel, rostfreier Stahl oder andere ähnliche Materialien als gut geeignet erwiesen.
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6 zeigt im Detail einen Aspekt der spezifischen Anordnung der Schaufelpaket-Baugruppe (25). Der obere Schaufellagerring (28) und der untere Schaufellagerring (30) werden durch Befestigungsmittel (68) zusammengehalten. Eine Vielzahl von Abstandshaltern (70), von denen drei in 7 dargestellt sind, sind zwischen dem oberen Schaufellagerring (28) und dem unteren Schaufellagerring (30) eingebracht, entweder um die Befestigungsmittel (68) herum, wie hier gezeigt, oder an anderen Stellen zwischen dem oberen Schaufellagerring (28) und dem unteren Schaufellagerring (30). Abstandshalter (70) bestimmen den Abstand zwischen dem im Wesentlichen ringförmigen oberen Schaufellagerring (28) und dem im Wesentlichen ringförmigen unteren Schaufellagerring (30), und halten den Abstand dazwischen aufrecht. Somit legen die Abstandshalter (70) das Spiel (nicht dargestellt) zwischen den Flanschen (58, 60) und der unteren Oberfläche (42) des oberen Schaufellagerrings (28) und der oberen Oberfläche (44) des unteren Schaufellagerrings (30) fest. Muttern (72), die an den Befestigungsmitteln (68) angebracht sind, dienen dazu, eine Klemmkraft auszuüben, die den oberen Schaufellagerring (28) und den unteren Schaufellagerring (30) an der Vielzahl von Abstandshaltern (70) fixiert. Die Befestigungsmittel (68) erstrecken sich durch den oberen Schaufellagerring (28) und den unteren Schaufellagerring (30), um eine Schaufelpaket-Anordnung (25) zu bilden, die leicht in das Turbinengehäuse (20) eingebaut werden kann. Im Wesentlichen sind Indexiermittel vorgesehen, um die Schaufelpaket-Anordnung zu orientieren und gegen Verdrehen zu sichern.
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Im Betrieb strömt Abgas von dem Motor durch den Turbolader (10), um das Turbinenrad (22) anzutreiben, das dann wiederum das Kompressorrad (18) antreibt. Das Kompressorrad (18) saugt Luft in den Turbolader (10), verdichtet diese Luft und gibt sie an die Einlassseite des Motors (nicht dargestellt) ab. Bei diesem Verfahren kann die Vielzahl von Leitschaufeln (26) verwendet werden, um die Abgasströmung zu steuern, die auf das Turbinenrad (22) trifft und die Leistung der Turbinenstufe (14) steuert. Die Vielzahl von Leitschaufeln (26) steuert damit auch das Druckverhältnis, das durch die Kompressorstufe (12) erzeugt wird.
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Weitere Aspekte des Betriebs des VTG-Turboladers (10) sind in 7 im Detail dargestellt. Ein Gleichlaufring (71) steuert die Vielzahl von Leitschaufeln (26). Der Gleichlaufring (71) sitzt auf einer bogenförmigen Oberfläche (32) an einer oberen Oberfläche der Schaufeleinstellhebel (74) auf. Eine Drehbewegung des Gleichlaufrings (71) wird durch den Steuerarm (27) gesteuert, der mit dem Betätigungsmechanismus verbunden ist; dieser Steuerarm (27) ist mit dem Gleichlaufring (71) über einen Hebelarm (74) und einen Schlitten (75) verbunden.
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Der Hebelarm (27) des Betätigungsmechanismus verursacht eine Bewegung des Steuerarms (74), die über den Schlitten (75) auf den Gleichlaufring (71) übertragen wird. Wenn sich der Gleichlaufring (71) dreht, bewegen sich mehrere kleinere Schlitten (76), die drehbar an dem Gleichlaufring montiert sind, zusammen mit dem Gleichlaufring. Die Bewegung der mehreren kleineren Schlitten (76), die zwischen den Armen einer Gabel der Schaufeleinstellhebel (74) in Kontakt stehen, führt zu einer Drehung der Vielzahl von Schaufeleinstellhebeln (74). Diese Bewegung verursacht die Drehbewegung der Vielzahl von Leitschaufeln (26), die die Winkelstellung der Schaufeln (52) verändert, um den Abgasstrom zu variieren und damit zu steuern.
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Wenn der Turbolader (10) in Betrieb ist und den extremen Temperaturschwankungen in der Turbinenstufe (14) ausgesetzt ist, kann sich das Turbinengehäuse (20) verformen, was eine Fehlausrichtung der Schaufelpaket-Anordnung (25) verursacht. Bei Andeutung jeglicher geringfügiger Bewegung können die selbstzentrierenden Merkmale (56a, 56b) innerhalb der in gleichmäßigen Abständen angeordneten selbstzentrierenden Schwenkausnehmungen (48) schwenken, die entweder in dem unteren Schaufellagerring (30) oder dem Turbinengehäuse (20) ausgebildet sind. Die Schwenkbewegung erlaubt damit eine gesteuerte Positionierung der Schaufelpaket-Anordnung (25) innerhalb des Turbinengehäuses (20), während das Turbinengehäuse (20) einer Bewegung/Verformung in Ansprechen auf die thermische Ausdehnung unterworfen ist.
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Somit wird eine Verwindung des oberen Schaufellagerrings (28) und des unteren Schaufellagerrings (30) verhindert, die veranlasst, dass die Schaufeln (52) und andere bewegliche Komponenten steckenbleiben oder festsitzen. Außerdem werden ungewöhnliche Verschleißmuster, die auf Grund von Verwindungen der Schaufel (52) entstehen können, beseitigt, wodurch die Bildung unerwünschter Zwischenräume verringert und die aerodynamische Effizienz des Turboladers (10) erhöht wird.
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Es ist klar, dass die hierin beschriebenen Aspekte einer Schaufelpaket-Anordnung (25) zahlreiche Vorteile bereitstellen können. Zum Beispiel kann die Konfiguration eine einfache Endmontage erlauben. Weiters kann die Schaufelpaket-Anordnung (25) relativ günstige Teile verwenden und vermeidet die Verwendung von Teilen aus ausgefallenen Materialien. Die Schaufelpaket-Anordnung (25) ist dazu ausgebildet, die Notwendigkeit des Verschweißens von Teilen der Anordnung zu vermeiden.
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Eine beispielhafte Schaufelpaket-Anordnung (25) mit einem einachsigen, selbstzentrierenden Schwenkmerkmal (56a, 56b) wurde beschrieben. Die hierin verwendete Terminologie soll beschreibend und keinesfalls einschränkend verstanden werden. Es ist klar, dass zahlreiche Modifikationen im Licht der obigen Lehren möglich sein können. Daher ist klar, dass die erfinderischen Konzepte und Vorrichtungen innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche auch anders als ausdrücklich in der Beschreibung angeführt praktiziert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Mayer ”Turbochargers, Effective Use of Exhaust Gas Energy”, Verlag Moderne Industrie, überarbeitete 2. Auflage, 2001 [0005]
