DE112012000911T5 - Gas pressure-biased sealing method for an actuating shaft - Google Patents

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Abstract

Die Neigung für eine Gasleckage um eine Welle herum, die sich durch eine Bohrung erstreckt, die Volumen unterschiedlicher Drücke verbindet, z. B. ein Turboladerturbinengehäuse und die Umgebungsluft, wird durch den Zusatz eines Paars von Abdichtringen minimiert, die durch einen Gasdruck vorgespannt werden, um eine durchgehende Gas- und Rußabdichtung bereitzustellen.The propensity for gas leakage around a shaft extending through a bore connecting volumes of different pressures, e.g. A turbocharger turbine housing and the ambient air is minimized by the addition of a pair of sealing rings which are biased by a gas pressure to provide a continuous gas and soot seal.

Description

ERFINDUNGSGEBIETFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft die Notwendigkeit für ein verbessertes Wellenabdichtdesign für Turboladerwellen, die durch die Wände des Turboladergehäuses verlaufen.The present invention addresses the need for an improved shaft sealing design for turbocharger shafts that pass through the walls of the turbocharger housing.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Turbolader sind eine Art von Zwangsbeatmungssystem. Sie liefern Luft mit einer größeren Dichte, als dies bei der normal angesaugten Konfiguration möglich wäre, an den Motoreinlass, was gestattet, dass mehr Kraftstoffverbrannt wird, wodurch die Motorleistung verstärkt wird, ohne das Motorgewicht signifikant zu vergrößern. Ein kleinerer turboaufgeladener Motor, der einen normal angesaugten Motor mit einer größeren physischen Größe ersetzt, reduziert die Masse und kann den aerodynamischen Frontbereich des Fahrzeugs reduzieren.Turbochargers are a type of forced ventilation system. They deliver air to the engine intake at a higher density than would be possible with the normally aspirated configuration, allowing more fuel to burn, thereby boosting engine performance without significantly increasing engine weight. A smaller turbocharged engine that replaces a normally aspirated engine of a larger physical size reduces mass and can reduce the aerodynamic frontal area of the vehicle.

Turbolader verwenden den Abgasstrom von dem Motorabgaskrümmer zum Antreiben eines Turbinenrads (21), das sich in dem Turboladergehäuse (2) befindet. Nachdem das Abgas durch das Turbinenrad hindurchgetreten ist und das Turbinenrad Energie aus dem Abgas extrahiert hat, verlässt das verbrauchte Abgas das Turboladerturbinengehäuse durch den Exducer und wird zu dem Fahrzeugvorrohr und üblicherweise zu Nachbehandlungseinrichtungen wie etwa Katalysatoren, Partikelfallen und NOx-Fallen geleitet.Turbochargers use the exhaust flow from the engine exhaust manifold to drive a turbine wheel ( 21 ) located in the turbocharger housing ( 2 ) is located. After the exhaust gas has passed through the turbine wheel and the turbine wheel has extracted energy from the exhaust gas, the spent exhaust gas exits the turbocharger turbine housing through the exducer and is routed to the vehicle front pipe and usually to aftertreatment devices such as catalytic converters, particulate traps and NO x traps.

In einem Turbolader mit Wastegate ist die Turbinenschnecke fluidisch mit dem Turbinen-Exducer durch einen Bypasskanal verbunden. Die Strömung durch den Bypasskanal wird durch ein Wastegate-Ventil (61) gesteuert. Da der Einlass des Bypasskanals sich auf der Einlassseite der Schnecke befindet, die sich vor dem Turbinenrad befindet, und der Auslass des Bypasskanals sich auf der Exducer-Seite der Schnecke befindet, die sich hinter dem Turbinenrad befindet, umgeht eine Strömung durch den Bypasskanal im Bypassmodus das Turbinenrad, wodurch das Turbinenrad nicht angetrieben wird. Zum Betreiben des Wastegate muss eine Betätigungs- oder Steuerkraft von außerhalb des Turbinengehäuses durch das Turbinengehäuse zu dem Wastegate-Ventil in dem Turbinengehäuse übertragen werden. Eine Wastegate-Drehwelle erstreckt sich durch das Turbinengehäuse. Außerhalb des Turbinengehäuses ist ein Aktuator (73) über ein Gestänge (74) mit einem Wastegate-Arm (62) verbunden, und der Wastegate-Arm (62) ist mit der Wastegate-Drehwelle (63) verbunden. Innerhalb des Turbinengehäuses ist die Drehwelle (63) mit dem Wastegate-Ventil (61) verbunden. Eine Betätigungskraft von dem Aktuator wird in eine Drehung der Drehwelle (63) umgesetzt, wodurch das Wastegate-Ventil (61) innerhalb des Turbinengehäuses bewegt wird. Die Wastegate-Drehwelle dreht sich in einer zylindrischen Buchse (68) oder kontaktiert das Turbinengehäuse direkt. Da zwischen der Welle und der Bohrung der Buchse, in der sich die Welle befindet, ein ringförmiger Spielraum vorliegt, ist das Entweichen von heißem, toxischem Abgas und Ruß aus dem unter Druck stehenden Turbinengehäuse durch diesen Spielraum möglich.In a turbocharger with wastegate, the turbine screw is fluidly connected to the turbine exducer through a bypass passage. The flow through the bypass channel is controlled by a wastegate valve ( 61 ) controlled. Since the inlet of the bypass passage is on the inlet side of the worm which is in front of the turbine wheel and the outlet of the bypass passage is on the exducer side of the worm located behind the turbine wheel bypasses a flow through the bypass passage in the bypass mode the turbine wheel, whereby the turbine wheel is not driven. To operate the wastegate, an actuating or control force must be transmitted from outside the turbine housing through the turbine housing to the wastegate valve in the turbine housing. A wastegate rotating shaft extends through the turbine housing. Outside the turbine housing is an actuator ( 73 ) via a linkage ( 74 ) with a wastegate arm ( 62 ), and the wastegate arm ( 62 ) is connected to the wastegate rotary shaft ( 63 ) connected. Within the turbine housing is the rotary shaft ( 63 ) with the wastegate valve ( 61 ) connected. An actuating force from the actuator is converted into a rotation of the rotary shaft (FIG. 63 ), whereby the wastegate valve ( 61 ) is moved within the turbine housing. The wastegate rotating shaft rotates in a cylindrical bushing ( 68 ) or contacts the turbine housing directly. Since there is an annular clearance between the shaft and the bore of the bush in which the shaft is located, the escape of hot, toxic exhaust gas and soot from the pressurized turbine housing is possible by this clearance.

Turbinengehäuse erfahren große Temperaturgradienten und einen großen Temperaturfluss. Die Außenseite des Turbinengehäuses ist Umgebungstemperatur zugewandt, während die Schneckenoberflächen je nach dem in dem Motor verwendeten Kraftstoff Abgase im Bereich zwischen 740°C und 1050°C kontaktieren. Es ist wesentlich, dass der Aktuator über die oben beschriebenen umgesetzten Bewegungen in der Lage ist, das Wastegate zu steuern, um dadurch den Strom zu dem Turbinenrad auf eine präzise, wiederholbare störungsfreie Weise zu steuern.Turbine housings experience large temperature gradients and a large temperature flow. The outside of the turbine housing faces ambient temperature while the screw surfaces contact exhaust gases in the range between 740 ° C and 1050 ° C, depending on the fuel used in the engine. It is essential that the actuator, via the translated movements described above, be able to control the wastegate, thereby controlling the flow to the turbine wheel in a precise, repeatable, trouble-free manner.

Ein Mechanismus mit verstellbarer Turbinengeometrie (VTG – Variable Turbine Geometry) wird nicht nur zum Steuern des Stroms von Abgas zu dem Turbinenrad verwendet, sondern auch zum Steuern des Turbinengegendrucks, der erforderlich ist, um ein AGR-Abgas gegen einen Druckgradienten in das Verdichtersystem zu treiben, um wieder in die Brennkammer eingelassen zu werden. Der Gegendruck innerhalb des Turbinensystems kann im Bereich von bis zu 500 kPa liegen. Dieser Hochdruck innerhalb der Turbinenstufe kann zum Entweichen von Abgas in die Atmosphäre durch etwaige Öffnungen oder Spalte führen. Die Passage von Abgas durch diese Öffnungen wird üblicherweise von einem schwarzen Rußrest auf der Austrittseite des Gasentweichungswegs begleitet. Diese Rußabscheidung ist unter einem kosmetischen Standpunkt unerwünscht. Dadurch werden Abgaslecks zu einem besonders empfindlichen Problem bei Fahrzeugen wie etwa Krankenwagen und Bussen. Unter einem Emissionsstandpunkt werden diese Gase, die aus der Turbinenstufe entweichen, nicht durch die Nachbehandlungssysteme des Motors/Fahrzeugs eingefangen und behandelt.A Variable Turbine Geometry (VTG) mechanism is used not only to control the flow of exhaust gas to the turbine wheel, but also to control the turbine back pressure required to drive EGR exhaust against a pressure gradient into the compressor system to be recessed in the combustion chamber. The back pressure within the turbine system may be in the range of up to 500 kPa. This high pressure within the turbine stage can lead to the escape of exhaust gas into the atmosphere through any openings or gaps. The passage of exhaust gas through these openings is usually accompanied by a black soot residue on the exit side of the gas escape path. This soot deposit is undesirable from a cosmetic standpoint. This makes exhaust leaks a particularly sensitive problem in vehicles such as ambulances and buses. From an emissions point of view, these gases that escape from the turbine stage are not captured and treated by the engine / vehicle aftertreatment systems.

In der Regel wurde ein Teil der Leckage von Gas und Ruß durch den durch eine sich in einer zylindrischen Bohrung drehende Welle ausgebildeten Ring toleriert, da die Stirnflächen der Buchsen üblicherweise entweder mit dem inneren Flansch des Ventilarms oder dem äußeren Flansch oder Oberfläche des antreibenden Arms des Wastegate-Steuermechanismus in Kontakt stehen, wodurch die Leckage zeitweise blockiert wird.In general, part of the leakage of gas and soot has been tolerated by the ring formed by a shaft rotating in a cylindrical bore because the end faces of the bushings are usually either connected to the inner flange of the valve arm or the outer flange or surface of the driving arm of the Wastegate control mechanism in contact, whereby the leakage is temporarily blocked.

Abdichtmittel wie etwa Abdichtringe, manchmal als Kolbenringe bezeichnet, werden üblicherweise innerhalb eines Turboladers verwendet, um zwischen dem statischen Lagergehäuse und der dynamischen, sich drehenden Baugruppe (d. h. Turbinenrad, Verdichterrad und Welle) eine Abdichtung zu erzeugen, um die Passage von Öl und Gas aus dem Lagergehäuse sowohl zur Verdichter- als auch Turbinenstufe und umgekehrt zu steuern. BorgWarner produziert Abdichtringe für diesen Zweck mindestens seit 1954, als die ersten Turbolader in Massenproduktion gingen. Für eine Welle mit einer Abdichtringnabe mit einem Durchmesser von 19 mm, die sich mit 150 000 min–1 dreht, liegt die Reibgeschwindigkeit zwischen der Abdichtringwange und der Seitenwand der Abdichtringnut in der Größenordnung von 149 225 mm/s.Sealing means such as sealing rings, sometimes referred to as piston rings are Typically used within a turbocharger to create a seal between the static bearing housing and the dynamic rotating assembly (ie turbine wheel, compressor wheel and shaft) to prevent the passage of oil and gas from the bearing housing to both the compressor and turbine stages and vice versa to control. BorgWarner has been producing gaskets for this purpose since at least 1954, when the first turbochargers went into mass production. For a shaft having a Abdichtringnabe with a diameter of 19 mm rotating at 000 min -1 with 150, the sliding speed between the Abdichtringwange and the side wall of the seal ring groove of the order of 149 225 mm / s.

Abdichtringe von der Art, die wie oben beschrieben verwendet werden, werden manchmal als eine Abdichteinrichtung für sich relativ langsam drehende Wellen verwendet (im Vergleich zu den sich mit 150 000 min–1 drehenden Abdichtungen der Turboladerbaugruppe). Diese sich langsam drehenden Wellen bewegen sich mit Drehzahlen der Größenordnung von 15 min–1, was einer relativen Reibgeschwindigkeit von 7 bis 8 mm/s gleich ist.Sealing rings of the type used as described above are sometimes used as a sealer for relatively slow rotating shafts (as compared to the turbocharger assemblies rotating at 150,000 rpm). These slowly rotating waves travel at speeds of the order of 15 min -1 , which is equal to a relative friction speed of 7 to 8 mm / s.

Abdichtringe, wie sie in Turboladern verwendet werden, erzeugen optimal eine Abdichtung durch Kontaktieren eines Teils der Seitenwand des Abdichtrings gegen eine Seitenwand der Abdichtringnut und Kontaktieren des Außendurchmessers des Abdichtrings gegen den Innendurchmesser der Bohrung, in der sich die Welle befindet. Damit der Ring an der Welle montiert werden kann und dann die Welle und der Ring in einer Bohrung montiert werden können, muss die Tiefe der Abdichtringnut derart sein, dass der Ring im Außendurchmesser (und somit dem effektiven Umfang und dem Innendurchmesser) kollabieren kann, sodass der Außendurchmesser des Abdichtrings etwa dem Innendurchmesser der Bohrung, in der er arbeitet, annehmen kann. 2A zeigt einen Abdichtring (80) in dem natürlich ausgedehnten Zustand, wenngleich an der Welle montiert, indem der Ring zwangsweise über den Durchmesser der Welle (63) ausgedehnt wird und dann sich der Ring wieder in die Nut entspannen kann. Während die Welle mit dem auf ihr montierten Ring in die Bohrung der Buchse (68) gedrückt wird, komprimiert eine Fase (69) den Ring, bis der Außendurchmesser des Rings in den Innendurchmesser (70) der Buchse gleiten kann. Der nun komprimierte Ring dichtet gegen den Innendurchmesser der Buchse an jeder axialen Position der Welle ab.Sealing rings, as used in turbochargers, optimally create a seal by contacting a portion of the side wall of the sealing ring against a side wall of the Abdichtringnut and contacting the outer diameter of the Abdichtrings against the inner diameter of the bore in which the shaft is located. In order for the ring to be mounted on the shaft and then the shaft and ring to be mounted in a bore, the depth of the seal ring groove must be such that the ring can collapse in outside diameter (and therefore effective circumference and inside diameter), so the outer diameter of the Abdichtrings can accept about the inner diameter of the bore in which he works. 2A shows a sealing ring ( 80 ) in the naturally expanded state, albeit mounted on the shaft, by forcing the ring over the diameter of the shaft ( 63 ) and then the ring can relax back into the groove. While the shaft with the mounted on her ring in the bore of the socket ( 68 ), compresses a chamfer ( 69 ) the ring until the outer diameter of the ring in the inner diameter ( 70 ) of the socket can slide. The now compressed ring seals against the inner diameter of the bush at each axial position of the shaft.

In diesem Zustand kann der Abdichtring (80), wie in 3 gezeigt, sich axial an einer beliebigen axialen Position innerhalb der Begrenzungen der Ringnut befinden, wobei die Abdichtringnut definiert ist als das Volumen zwischen den radialen Elementen des Außendurchmessers der Welle (86) und dem Durchmesser des Bodens (82) der Abdichtringnut und der Abstand zwischen der Innenwand (83) und Außenwand (81) der Abdichtringnut. Mit dieser Definition der Abdichtringnut ist ersichtlich, dass unter dem Ring immer ein Volumen existiert (d. h. zwischen dem Innendurchmesser (84) des komprimierten Kolbenrings und dem Durchmesser des Bodens (82) der Abdichtringnut). Es kann auch ein Volumen zwischen der Innenwand (83) der Abdichtringnut und der nahen Wand des Abdichtrings existieren. Auf der gegenüberliegenden Seite der Abdichtringnut kann auch ein Volumen zwischen der Außenwand (81) der Abdichtringnut und der nahen Wand des Abdichtrings existieren. 3 zeigt einen Zustand, in dem der Abdichtring (80) ungefähr zwischen der Innenwand und Außenwand (83 und 81) der Abdichtringnut zentriert ist, was die Passage von Gas und Ruß (86) um den Abdichtring herum gestattet. Da die axiale Position des Abdichtrings durch die Reibung zwischen dem Innendurchmesser der Bohrung in der Buchse gesteuert wird, bewegt durch einen etwaigen Kontakt mit einer Seitenwand einer Nut, existiert ein optimierter Abdichtzustand nur, wenn die Abdichtringseitenwand in direktem Kontakt mit einer Abdichtringnutseitenwand steht. In einem beliebigen anderen axialen Zustand existiert der in 3 gezeigte Leckpfad.In this condition, the sealing ring ( 80 ), as in 3 are shown axially located at any axial position within the boundaries of the annular groove, the Abdichtringnut is defined as the volume between the radial elements of the outer diameter of the shaft ( 86 ) and the diameter of the soil ( 82 ) of the Abdichtringnut and the distance between the inner wall ( 83 ) and outer wall ( 81 ) of the Abdichtringnut. With this definition of Abdichtringnut can be seen that under the ring always a volume exists (ie between the inner diameter ( 84 ) of the compressed piston ring and the diameter of the bottom ( 82 ) the Abdichtringnut). It can also be a volume between the inner wall ( 83 ) of Abdichtringnut and the near wall of the Abdichtrings exist. On the opposite side of the Abdichtringnut also a volume between the outer wall ( 81 ) of Abdichtringnut and the near wall of the Abdichtrings exist. 3 shows a state in which the sealing ring ( 80 ) approximately between the inner wall and outer wall ( 83 and 81 ) of the Abdichtringnut is centered, which the passage of gas and soot ( 86 ) around the sealing ring. Since the axial position of the sealing ring is controlled by the friction between the inner diameter of the bore in the bush, moved by any contact with a side wall of a groove, an optimized sealing condition exists only when the sealing ring side wall is in direct contact with a Abdichtringnutseitenwand. In any other axial state, the in 3 shown leak path.

Es gibt eine Anzahl von Patenten, die Designs zum Reduzieren dieser Leckage lehren, indem die Druckdifferenz über mehrere Abdichtringe hinweg modifiziert wird, indem zwischen den Ringen ein Druck oder Vakuum eingeleitet wird, doch existiert eine potentielle Leckage immer, sofern nicht die Ringe in direktem Kontakt mit der oder den Seitenwänden der Nut stehen.There are a number of patents that teach designs for reducing this leakage by modifying the pressure differential across multiple sealing rings by introducing pressure or vacuum between the rings, but potential leakage always exists unless the rings are in direct contact stand with the side walls or the groove.

Somit ist ersichtlich, dass es eine Notwendigkeit für ein Design gibt, um eine vollständige Gasabdichtung für „sich langsam drehende” Wastegate- und VTG-Drehwellen in Turboladern herzustellen.Thus, it can be seen that there is a need for a design to make a complete gas seal for "slow rotating" wastegate and VTG rotary shafts in turbochargers.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNGBRIEF SUMMARY OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung löst die obigen Probleme durch Einleiten von Gasdruck zwischen einem ersten und zweiten Abdichtring für eine Aktuatorwelle in einem Turbolader, wobei der Gasdruck mehrere Abdichtringe zwingt, einen abdichtenden Kontakt herzustellen, um eine durchgehende Gas- und Rußabdichtung zwischen einer intern mit Abgas und Ruß druckbeaufschlagten Kammer und der Umgebung außen bereitzustellen.The present invention solves the above problems by introducing gas pressure between a first and second seal ring for an actuator shaft in a turbocharger, the gas pressure forcing multiple seal rings to make a sealing contact to provide a continuous gas and soot seal between an internally with exhaust and soot pressurized chamber and the outside environment.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Die vorliegende Erfindung wird beispielhaft und nicht als Beschränkung in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt, in denen gleiche Bezugszahlen ähnliche Teile anzeigen. Es zeigen:The present invention is illustrated by way of example and not limitation in the accompanying drawings, in which like reference numerals indicate like parts. Show it:

1 einen Schnitt für einen typischen Wastegate-Turbolader; 1 a section for a typical wastegate turbocharger;

2A, B zwei Schnitte, die eine Abdichtringkomprimierung zeigen; 2A B shows two sections showing a sealing ring compression;

3 eine Schnittansicht, die eine Gasleckagepassage zeigt; 3 a sectional view showing a gas leakage passage;

4 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung und 4 a sectional view of a first embodiment of the invention and

5 eine vergrößerte Ansicht der ersten Ausführungsform der Erfindung. 5 an enlarged view of the first embodiment of the invention.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Gas- und Rußleckage von innerhalb eines Turboladers zur sauberen Umgebungsluft, die einen Turbolader umgibt, wird von Motorherstellern nicht gestattet. Turboladerhersteller verwenden Kolbenringe oder Abdichtringe, um Abgase und Öl vor einem Kommunizieren zwischen dem Lagergehäusehohlraum und der Turbinen- und/oder Verdichterstufe abzudichten, seit Turbolader in den 1950ger Jahren zuerst in die Massenproduktion in Dieselmotoren gingen. Somit ist die Entwicklung und Anwendung einer derartigen Abdichtung für jede Gas- und Materialabdichtung an weniger anspruchsvollen Stellen an einem Turbolader logisch.Gas and soot leakage from within a turbocharger to the clean ambient air surrounding a turbocharger is not permitted by engine manufacturers. Turbocharger manufacturers use piston rings or sealing rings to seal exhaust gases and oil from communicating between the bearing housing cavity and the turbine and / or compressor stages since turbochargers first went into mass production in diesel engines in the 1950's. Thus, the design and application of such a seal is logical for any gas and fluid seal in less demanding locations on a turbocharger.

Ein Schnitt durch einen typischen montierten Abdichtring, wie in 2 und 3 dargestellt, senkrecht zu der Achse der Welle betrachtet, auf der er montiert ist, weist einen schmalen rechteckigen Querschnitt auf, der teilweise entweder in einer Ringnut in der Welle oder in der Bohrung, in der sich die Welle dreht, angeordnet ist, wobei beide Verfahren einen Grad an Abdichtung zwischen der Welle und ihrer Bohrung bereitstellen. Axial ist der Abdichtring bevorzugt zu einer der Seitenwände der Abdichtringnut hin positioniert; jedoch gibt es kein mechanisches Mittel, um eine derartige Vorspannung zu bewirken. Die Nut ist im Wesentlichen von rechteckigem Schnitt, wobei die radiale Tiefe der Nut größer ist als die Länge der entsprechenden Seite des Abdichtrings. Falls sich die Abdichtringnut in der Bohrung befindet, gestattet dies eine Montage des Abdichtrings in der Abdichtringnut durch Ausdehnung des Abdichtrings, wobei die passende Welle durch die Bohrung der Komponente hindurch gehen kann. Falls sich die Abdichtringnut in der Welle befindet, gestattet dies eine Montage des Abdichtrings in der Abdichtringnut in der Welle durch Zusammenziehen des Abdichtrings, wodurch die passende Welle und der zusammengezogene Abdichtring durch die Bohrung der Komponente hindurchgehen können, bis sich der Abdichtring in seiner montierten Konfiguration ausdehnen kann, wie in 2A und 2B gezeigt. Die Breite der rechteckigen Nut liegt im Idealfall nahe an der Breite des Abdichtrings, um eine optimale Abdichtung bereitzustellen. Je näher die Breiten der Nut und des Abdichtrings liegen, umso besser ist in der Regel die Abdichtfähigkeit, umso größer aber auch die Neigung, dass sich der Abdichtring in der Nut festsetzt.A section through a typical mounted sealing ring, as in 2 and 3 As viewed perpendicular to the axis of the shaft on which it is mounted, it has a narrow rectangular cross-section which is partially disposed either in an annular groove in the shaft or in the bore in which the shaft rotates, both methods provide a degree of seal between the shaft and its bore. Axially, the sealing ring is preferably positioned towards one of the side walls of the Abdichtringnut out; however, there is no mechanical means to effect such bias. The groove is substantially rectangular in section, the radial depth of the groove being greater than the length of the corresponding side of the sealing ring. If the Abdichtringnut is in the bore, this allows a mounting of the Abdichtrings in the Abdichtringnut by expansion of the Abdichtrings, wherein the matching shaft can pass through the bore of the component. If the Abdichtringnut is in the shaft, this allows mounting of the Abdichtrings in the Abdichtringnut in the shaft by contraction of the Abdichtrings, whereby the matching shaft and the contracted Abdichtring can pass through the bore of the component until the Abdichtring in its assembled configuration can stretch, as in 2A and 2 B shown. The width of the rectangular groove is ideally close to the width of the sealing ring to provide optimum sealing. The closer the widths of the groove and the Abdichtrings are, the better the sealing ability, the greater but also the tendency that the Abdichtring sets in the groove.

Das Design des Abdichtrings in 2B ist derart, dass der ungefähre Durchmesser der entspannten Form des Rings in Ruhe größer ist als der Durchmesser der Bohrung (70), in die er montiert wird, weshalb im montierten Zustand die Federkraft des zusammengezogenen Rings die nach außen weisende Oberfläche des Teilumfangs des Abdichtrings gegen die nach innen weisende Oberfläche der Bohrung drückt, in der er sich befindet. Die resultierende Abdichtung ist eine Kontaktabdichtung, die das Entweichen von Abgas nicht nur durch die zylinderförmige Grenzfläche zwischen der Bohrung (70) und dem Ring (80) verhindert, sondern auch durch die radiale Grenzfläche zwischen der Nutenwand (81) und dem Ring (80). Dieses Verfahren des Abdichtens ist somit von einer „Luftabdichtung” verschieden, bei der unter Druck stehendes Gas ständig zugeführt werden muss, um einen „Luftdamm” auszubilden, um den Übergang von Abgas über die Zone hohen Drucks zu verhindern. Da gemäß der vorliegenden Erfindung weniger Leckage von Druckmedium vorliegt, kann das Druckmedium durch statische Mittel wie etwa einem Druckspeicher bereitgestellt werden, oder es kann durch ein aktives Mittel wie etwa eine kleine pneumatische Pumpe oder über eine Kopplung an den Verdichterauslass bereitgestellt werden.The design of the sealing ring in 2 B is such that the approximate diameter of the relaxed shape of the ring at rest is greater than the diameter of the bore ( 70 ), in which it is mounted, which is why in the assembled state, the spring force of the contracted ring presses the outwardly facing surface of the partial circumference of the sealing ring against the inwardly facing surface of the bore in which it is located. The resulting seal is a contact seal that prevents the escape of exhaust gas not only through the cylindrical interface between the bore (FIG. 70 ) and the ring ( 80 ) but also by the radial interface between the groove wall ( 81 ) and the ring ( 80 ). This method of sealing is thus different from an "air seal" in which pressurized gas must be constantly supplied to form an "air dam" to prevent the passage of exhaust gas across the high pressure zone. Because there is less leakage of pressure medium according to the present invention, the pressure medium may be provided by static means such as a pressure accumulator, or may be provided by an active means such as a small pneumatic pump or via a coupling to the compressor outlet.

Wegen der feindlichen thermischen und chemischen Umgebung ist die Drehwelle in der Regel nicht direkt an eine Bohrung angepasst, die direkt in das Turbinengehäuse eingearbeitet ist, häufiger aber an eine stationäre Buchse oder an ein stationäres Lager (68), die sich in einer Bohrung in dem Turbinengehäuse (2) befinden. Dies soll Wärmeausdehnungskoeffizienten besser anpassen (um enge Spielräume aufrechtzuerhalten) und das Potential zum Festfressen, das stark ist, zwischen dem Material der Drehwelle und dem Material des Turbinengehäuses blockieren. Die Buchse ist in der Regel axial durch einen Stift (59) durch eine Bohrung senkrecht zu der Achse der Buchse eingeschränkt, die sowohl den Außendurchmesser der Buchse als auch die Bohrung in dem Turbinengehäuse durchdringt, wodurch die Buchse in dem Turbinengehäuse festgelegt wird.Because of the hostile thermal and chemical environment, the rotary shaft is usually not directly adapted to a bore which is incorporated directly into the turbine housing, but more often to a stationary bush or to a stationary bearing ( 68 ) located in a bore in the turbine housing ( 2 ) are located. This is to better match coefficients of thermal expansion (to maintain tight margins) and block the seizure potential, which is strong, between the material of the rotating shaft and the material of the turbine housing. The bushing is usually axially by a pin ( 59 ) is constrained by a bore perpendicular to the axis of the sleeve which penetrates both the outer diameter of the bushing and the bore in the turbine housing, thereby securing the bushing in the turbine housing.

In der erfindungsgemäßen Konfiguration, die mehrere Abdichtringe auf einer langsamen Wastegate- oder VTG-Drehwelle verwendet, wobei jeder Abdichtring in seiner Abdichtringnut montiert ist, haben die Erfinder ein Design entwickelt, das mindestens zwei Abdichtringe verwendet, wobei sich ein Ring auf jeder Seite eines Kreisrings befindet, der zwischen den (mindestens) zwei Ringen definiert ist, in dem ein Gas unter Druck eingeleitet wird. Jeder Abdichtring besitzt somit eine Seitenfläche nahe dem gasgefüllten Kreisring und eine Seitenfläche entfernt von dem gasgefüllten Kreisring, in dem die Abdichtringe durch den Gasdruck axial auseinander gedrückt werden, der in den Kreisring eingeleitet wird, um einen direkten Kontakt zwischen einer distalen Kreisring-Seitenfläche auf jedem der Abdichtringe und einer kontaktierenden Kreisring-Seitenfläche an jeder der Abdichtringnuten zu erzeugen.In the inventive configuration employing multiple seal rings on a slow wastegate or VTG rotary shaft, with each seal ring mounted in its seal ring groove, the inventors have developed a design employing at least two seal rings, one ring on each side of a circle is defined between the (at least) two rings in which a gas is introduced under pressure. Each sealing ring thus has a side surface near the gas filled annulus and a side surface remote from the gas filled annulus in which the sealing rings are axially forced apart by the gas pressure introduced into the annulus to provide direct contact between a distal annulus side surface on each of the sealing rings and a contacting annular side surface on each of the Abdichtringnuten to produce.

Der Druck des in den Kreisring eingeleiteten Gases muss den Druck innerhalb des Turbinengehäuses übersteigen, um den inneren Abdichtring gegen die Seite der Nut zu drücken. Der erforderliche Druck hängt deshalb von dem Druck des Gases innerhalb des Turbinengehäuses für eine gegebene Anwendung ab und kann leicht bestimmt werden.The pressure of the gas introduced into the annulus must exceed the pressure within the turbine housing to urge the inner sealing ring against the side of the groove. The required pressure therefore depends on the pressure of the gas within the turbine housing for a given application and can be easily determined.

Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung, wie in 4 gezeigt und in 5 als eine vergrößerte Ansicht dargestellt, sind zwei Abdichtringe (80) um eine drehbare Drehwelle (63) herum angeordnet und befinden sich axial bei den Seitenwänden der Abdichtringnuten, in die sie eingepasst sind.In the first embodiment of the invention, as in 4 shown and in 5 shown as an enlarged view, two sealing rings ( 80 ) about a rotatable rotary shaft ( 63 ) and are located axially at the side walls of the Abdichtringnuten in which they are fitted.

Unter Druck stehendes Gas (91) wird zu einem Anschluss (90) geleitet, der das unter Druck stehende Gas fluidisch mit einem ringförmigen Volumen verbindet, das durch den Außendurchmesser der Drehwelle (63) und den Innendurchmesser der Bohrung (70) in der Buchse (68) radial begrenzt ist und axial durch die nahen Flächen des inneren und äußeren Abdichtrings (80) begrenzt ist. Der zwischen den Abdichtringen ausgeübte Gasdruck zwingt die Abdichtringe axial auseinander, bis die nach außen weisenden Oberflächen der Abdichtringe (80) die komplementären ringförmigen Abdichtoberflächen (64 und 66) der Abdichtringnuten der Welle (63) kontaktieren, während in Umfangskontakt mit der nach innen weisenden Oberfläche der Bohrung (70) der Buchse (68), wodurch eine Gas- und Rußabdichtung um die Drehwelle und die Bohrung, in der sie montiert ist, herum bereitgestellt wird. Diese erfindungsgemäße Abdichtung liefert eine Gas- und Rußabdichtung zwischen der Innenseite des Turboladers und der Umgebung außerhalb des Turboladers.Pressurized gas ( 91 ) becomes a port ( 90 ) which fluidly connects the pressurized gas to an annular volume defined by the outer diameter of the rotary shaft (10). 63 ) and the inner diameter of the bore ( 70 ) in the socket ( 68 ) is radially limited and axially by the proximal surfaces of the inner and outer sealing ring ( 80 ) is limited. The gas pressure applied between the sealing rings forces the sealing rings apart axially until the outwardly facing surfaces of the sealing rings ( 80 ) the complementary annular sealing surfaces ( 64 and 66 ) of the Abdichtringnuten the shaft ( 63 ) while in circumferential contact with the inwardly facing surface of the bore (FIG. 70 ) of the socket ( 68 ), thereby providing a gas and soot seal around the rotary shaft and the bore in which it is mounted. This seal according to the invention provides a gas and soot seal between the inside of the turbocharger and the environment outside the turbocharger.

In einer Variation der ersten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Abdichtringe in einer angemessen breiteren Nut anstelle des einzelnen Abdichtrings pro Nut wie in der ersten Ausführungsform der Erfindung installiert.In a variation of the first embodiment of the invention, a plurality of sealing rings are installed in a suitably wider groove instead of the single sealing ring per groove as in the first embodiment of the invention.

Somit ist ersichtlich, dass in den erfindungsgemäßen Lösungen Gasdruck verwendet wird, um die Abdichtringe physisch zu bewegen, bis sie die komplementären ringförmigen Abdichtoberflächen ihrer Abdichtringnuten kontaktieren, wodurch die Passage von Abgas und Ruß zu der Umgebung außerhalb des Turboladers blockiert wird.Thus, it can be seen that gas pressure is used in the inventive solutions to physically move the sealing rings until they contact the complementary annular sealing surfaces of their sealing ring grooves, thereby blocking the passage of exhaust and soot to the environment outside the turbocharger.

Die Erfindung wird nun durch die folgenden Ansprüche beschrieben.The invention will now be described by the following claims.

Claims (9)

Turbolader mit einer Turbine in einem Turboladergehäuse (2), einer Einrichtung innerhalb des Turboladergehäuses, einem Aktuator (73), der sich außerhalb des Turboladers zum Betätigen der Einrichtung innerhalb des Turboladergehäuses befindet, einer Drehwelle (63), die drehbar in einer Bohrung (70) montiert ist, die sich durch das Turboladergehäuse erstreckt, um eine Betätigungsbewegung von dem Betätigungsmechanismus zu der Einrichtung zu übertragen, einem ersten und zweiten Abdichtring (80), die in mindestens einer Umfangsnut in der Drehwelle und/oder der Bohrung bereitgestellt sind, und Mittel zum Einleiten von ausreichendem Druck zwischen den Abdichtringen, um die Abdichtringe unter Arbeitsbedingungen axial auseinander zu drücken, jeden gegen eine jeweilige Abdichtnutwand (81, 83).Turbocharger with a turbine in a turbocharger housing ( 2 ), a device within the turbocharger housing, an actuator ( 73 ), which is located outside of the turbocharger for actuating the device within the turbocharger housing, a rotary shaft ( 63 ) rotatable in a bore ( 70 ) extending through the turbocharger housing to transmit actuation movement from the actuation mechanism to the device, a first and second sealing ring (14) 80 ) provided in at least one circumferential groove in the rotary shaft and / or the bore and means for introducing sufficient pressure between the sealing rings to axially force the sealing rings apart under working conditions against each respective sealing groove wall ( 81 . 83 ). Turbolader nach Anspruch 1, wobei beide Abdichtringe in der gleichen Nut vorgesehen sind.Turbocharger according to claim 1, wherein both sealing rings are provided in the same groove. Turbolader nach Anspruch 1, wobei jeder Abdichtring in einer separaten Nut vorgesehen ist.A turbocharger according to claim 1, wherein each sealing ring is provided in a separate groove. Turbolader nach Anspruch 1, wobei mindestens eine Umfangsnut in der Drehwelle vorgesehen ist.A turbocharger according to claim 1, wherein at least one circumferential groove is provided in the rotary shaft. Turbolader nach Anspruch 1, wobei mindestens eine Umfangsnut in der Bohrung vorgesehen ist.Turbocharger according to claim 1, wherein at least one circumferential groove is provided in the bore. Turbolader nach Anspruch 5, wobei die Bohrung in einer Buchse vorgesehen ist und wobei die Buchse in dem Turboladergehäuse sitzt.The turbocharger of claim 5, wherein the bore is provided in a sleeve and wherein the sleeve is seated in the turbocharger housing. Turbolader nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung ein Wastegate-Ventil (61) ist.A turbocharger according to claim 1, wherein the device is a wastegate valve ( 61 ). Turbolader nach Anspruch 1, wobei der Turbolader mit einem Mechanismus mit einer Turbine mit verstellbarer Geometrie (VTG – Variable Geometry Turbine) ausgestattet ist und wobei die Einrichtung der VTG-Mechanismus ist.The turbocharger of claim 1, wherein the turbocharger is equipped with a variable geometry turbine (VTG) mechanism and wherein the device is the VTG mechanism. Verfahren zum Betreiben eines Turboladers mit einer Turbine in einem Turboladergehäuse (2), einer Einrichtung innerhalb des Turboladergehäuses, einem Aktuator (73), der sich außerhalb des Turboladers befindet, um die Einrichtung innerhalb des Turboladergehäuses zu betätigen, einer Drehwelle (63), die drehbar in einer Bohrung (70) montiert ist, die sich durch das Turboladergehäuse erstreckt, um eine Betätigungsbewegung von dem Betätigungsmechanismus zu der Einrichtung zu übertragen, einem ersten und zweiten Abdichtring (80), die in mindestens einer Umfangsnut in der Drehwelle und/oder der Bohrung bereitgestellt sind, wobei das Verfahren Folgendes um fasst: Einleiten von ausreichendem Druck zwischen den Abdichtringen, um die Abdichtringe unter Arbeitsbedingungen axial auseinander zu drücken, jeden gegen eine jeweilige Abdichtnutwand (81, 83).Method for operating a turbocharger with a turbine in a turbocharger housing ( 2 ), a device within the turbocharger housing, an actuator ( 73 ), which is located outside of the turbocharger to actuate the device within the turbocharger housing, a rotary shaft ( 63 ) rotatable in a bore ( 70 ), which extends through the turbocharger housing to a To transmit actuating movement of the actuating mechanism to the device, a first and second sealing ring ( 80 ) provided in at least one circumferential groove in the rotating shaft and / or the bore, the method comprising: introducing sufficient pressure between the sealing rings to axially force the sealing rings apart under working conditions against each respective sealing groove wall ( 81 . 83 ).
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