DE102008000724B4 - Exhaust gas turbocharger with adjustable turbine geometry - Google Patents
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Abstract
Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit verstellbaren Leitschaufeln (13), wobei die Leitschaufeln (13) miteinander gekoppelt und in einem ersten Trägerring (17) des Abgasturboladers drehbar gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens bei voll geöffneten Leitschaufeln (13) die Nasen (21) der Leitschaufeln in radialer Richtung über den Außendurchmesser (Da) des ersten Trägerrings (17) hinausragen.Exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine with adjustable guide vanes (13), the guide vanes (13) being coupled to one another and rotatably mounted in a first carrier ring (17) of the exhaust gas turbocharger, characterized in that at least when the guide vanes (13) are fully open, the lugs (21) of the guide vanes protrude in the radial direction beyond the outer diameter (Da) of the first carrier ring (17).
Description
Stand der TechnikState of the art
Abgasturbolader mit verstellbarer Turbinengeometrie sind aus dem Stand der Technik für Dieselbrennkraftmaschinen und Ottomotoren bekannt. Die verstellbare Turbinengeometrie ermöglicht es, den Strömungsquerschnitt der Turbine in Abhängigkeit des Motorbetriebs zu verstellen und dadurch den Wirkungsgrad des Turboladers und infolgedessen auch der Brennkraftmaschine zu verbessern.Exhaust gas turbochargers with adjustable turbine geometry are known from the prior art for diesel internal combustion engines and Otto engines. The adjustable turbine geometry makes it possible to adjust the flow cross-section of the turbine depending on engine operation, thereby improving the efficiency of the turbocharger and consequently also of the internal combustion engine.
Zu diesem Zweck sind drehbare gelagerte Leitschaufeln zwischen dem Spiralgehäuse und dem Turbinenrad vorgesehen. Bei niedrigen Motordrehzahlen wird der Strömungsquerschnitt der Turbine durch Schließen der Leitschaufeln verkleinert. Aufgrund des dadurch steigenden Druckgefälles beziehungsweise der zunehmenden kinetischen Energie erhöht sich der Ladedruck und infolgedessen das Drehmoment der Brennkraftmaschine.For this purpose rotatably mounted guide vanes are provided between the volute housing and the turbine wheel. At low engine speeds, the flow cross section of the turbine is reduced by closing the guide vanes. Due to the resulting increase in pressure drop or the increasing kinetic energy, the boost pressure increases and, as a result, the torque of the internal combustion engine.
Bei hohen Motordrehzahlen wird der Apparat geöffnet, so dass der gewünschte Ladedruck bei einem niedrigen Turbinendruckverhältnis erreicht wird und der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine dadurch verringert wird.At high engine speeds, the apparatus is opened so that the desired boost pressure is achieved at a low turbine pressure ratio, thereby reducing the fuel consumption of the internal combustion engine.
Die Leitschaufeln sind bei den aus dem Stand der Technik bekannten Abgasturboladern mit einem Verstellring gekoppelt, der wiederum über einen pneumatisch oder elektrisch betätigten Aktuator vom Steuergerät der Brennkraftmaschine angesteuert wird.In the exhaust gas turbochargers known from the prior art, the guide vanes are coupled to an adjustment ring, which in turn is controlled by the control unit of the internal combustion engine via a pneumatically or electrically actuated actuator.
Aus der
Wegen der extrem hohen Temperaturbeanspruchung des Trägerrings, insbesondere im Bereich der Lagerung der Leitschaufeln ist es erforderlich, diesen Trägerring aus einem warmfesten und teuren Werkstoff zu machen, der außerdem nur relativ schwer zu bearbeiten ist. Infolgedessen sind die Material- und Bearbeitungskosten dieses Trägerrings relativ hoch.Because of the extremely high thermal stress on the carrier ring, particularly in the area of the bearing of the vanes, it is necessary to make this carrier ring from a heat-resistant and expensive material, which is also relatively difficult to machine. As a result, the material and machining costs of this carrier ring are relatively high.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader mit verstellbarer Turbinengeometrie bereitzustellen, dessen Herstellungskosten gegenüber herkömmlichen Abgasturboladern verringert sind und der außerdem hinsichtlich Bauraumbedarf und Gewicht Vorteile gegenüber dem Stand der Technik aufweist.The invention is based on the object of providing an exhaust gas turbocharger with adjustable turbine geometry, the production costs of which are lower than conventional exhaust gas turbochargers and which also has advantages over the prior art in terms of installation space requirement and weight.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit verstellbaren Leitschaufeln, wobei die Leitschaufeln miteinander gekoppelt und in einem ersten Trägerring des Abgasturboladers drehbar gelagert sind, dadurch gelöst, dass mindestens bei voll geöffneten Leitschaufeln die Nasen der Leitschaufeln in radialer Richtung über den Außendurchmesser des ersten Trägerrings hinausragen.This object is achieved according to the invention in an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine with adjustable guide vanes, the guide vanes being coupled to one another and rotatably mounted in a first carrier ring of the exhaust gas turbocharger, in that at least when the guide vanes are fully open, the noses of the guide vanes extend in the radial direction over the outer diameter of the protrude first carrier ring.
Durch diese Maßnahme wird der Außendurchmesser des ersten Trägerrings reduziert, was sich naturgemäß in einem geringeren Gewicht und einem geringeren Materialbedarf niederschlägt. In gleicher Weise ist es ebenfalls möglich, den Innendurchmesser des Trägerrings so weit zu vergrößern, dass mindestens bei voll geöffneten Leitschaufeln die Enden der Leitschaufeln in radialer Richtung nach innen über den Innendurchmesser des ersten Trägerrings hinausragen.This measure reduces the outer diameter of the first carrier ring, which naturally results in a lower weight and a lower material requirement. In the same way, it is also possible to increase the inside diameter of the carrier ring so much that at least when the guide vanes are fully open, the ends of the guide vanes protrude in the radial direction inwards beyond the inner diameter of the first carrier ring.
Jede der genannten Maßnahmen alleine oder besonders bevorzugt in Kombination miteinander, führt zu einer erheblichen Reduzierung des für den ersten Trägerring einzusetzenden Materials und infolgedessen zu Gewichts- und Kosteneinsparungen sowie, wegen der verkleinerten zu bearbeitenden Flächen, auch zu einer Verringerung der Herstellungskosten.Each of the measures mentioned, alone or particularly preferably in combination with one another, leads to a considerable reduction in the material to be used for the first carrier ring and consequently to weight and cost savings and also to a reduction in manufacturing costs due to the smaller areas to be machined.
Die Montierbarkeit des erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit verstellbarer Turbinengeometrie ist trotzdem gewährleistet, wenn der Leitapparat mit geschlossenen Leitschaufeln in das Gehäuse des Abgasturboladers eingesetzt wird.The mountability of the exhaust-gas turbocharger according to the invention with adjustable turbine geometry is nevertheless ensured if the diffuser with closed guide vanes is inserted into the housing of the exhaust-gas turbocharger.
Da der erfindungsgemäße erste Trägerring nur eine kleine Oberfläche aufweist, wird die Wärmeübertragung vom ersten Trägerring auf den Rest des Abgasturboladers und in den Motorraum reduziert, was sich positiv auf die Peripherie des Abgasturboladers, insbesondere die Brennkraftmaschine, auswirkt.Since the first carrier ring according to the invention has only a small surface, the heat transfer from the first carrier ring to the rest of the exhaust gas turbocharger and into the engine compartment is reduced, which has a positive effect on the periphery of the exhaust gas turbocharger, in particular the internal combustion engine.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist an den dem ersten Trägerring abgewandten Stirnseiten der Leitschaufeln ein zweiter Trägerring vorgesehen. Der zweite Trägerring dient dazu, die vom ersten Trägerring und den Leitschaufeln gebildeten Kanäle abzuschließen und ist daher den gleichen Temperaturbelastungen wie der erste Trägerring und die Leitschaufeln, ausgesetzt. Aus diesem Grund ist er bevorzugt auch aus einem hochwarmfesten Werkstoff herzustellen und daher ebenfalls sehr teuer in der Herstellung.In a further advantageous embodiment of the invention, a second carrier ring is provided on the end faces of the guide vanes facing away from the first carrier ring. The second support ring serves to close off the channels formed by the first support ring and the vanes and is therefore exposed to the same thermal stresses as the first support ring and vanes. For this reason, it is preferably also made from a highly heat-resistant material and is therefore also very expensive to manufacture.
Um den Werkstoffbedarf für den zweiten Trägerring zu reduzieren, ist weiter vorgesehen, dass mindestens bei voll geöffneten Leitschaufeln die Nasen der Leitschaufeln in radialer Richtung über den Außendurchmesser des zweiten Trägerrings hinausragen und/oder die Enden der Leitschaufeln in radialer Richtung über den Innendurchmesser des zweiten Trägerrings hinausragen. Auch dadurch wird der erfindungsgemäße Vorteil erreicht, nämlich ein geringerer Werkstoffbedarf und geringere Herstellungskosten. Es liegt auf der Hand, dass es auch möglich ist, nur den zweiten Trägerring hinsichtlich seines Außendurchmessers und seines Innendurchmessers erfindungsgemäß auszugestalten, wenn in seltenen Fällen es unverzichtbar sein sollte, dass der erste Trägerring hinsichtlich Außendurchmesser und/oder Innendurchmesser so bemessen werden muss, dass auch bei voll geöffneten Leitschaufeln diese nicht über den ersten Trägerring in radialer Richtung hinausragen. Kurz gesagt: Die erfindungsgemäße Dimensionierung des zweiten Trägerrings hinsichtlich Außendurchmesser und Innendurchmesser in Bezug auf die Leitschaufeln kann unabhängig von der Gestaltung des ersten Trägerrings erfolgen.In order to reduce the material requirements for the second carrier ring, it is further provided that, at least when the guide vanes are fully open, the noses of the guide vanes protrude in the radial direction beyond the outer diameter of the second carrier ring and/or the ends of the guide vanes protrude in the radial direction beyond the inner diameter of the second carrier ring protrude. This also achieves the advantage according to the invention, namely a lower material requirement and lower production costs. It is obvious that it is also possible to design only the second carrier ring according to the invention with regard to its outer diameter and its inner diameter, if in rare cases it should be indispensable that the first carrier ring has to be dimensioned with regard to outer diameter and/or inner diameter in such a way that even when the guide vanes are fully open, they do not protrude beyond the first carrier ring in the radial direction. In short: the dimensioning according to the invention of the second support ring with regard to the outside diameter and inside diameter in relation to the guide vanes can be carried out independently of the design of the first support ring.
Um die Lagerung der Leitschaufeln zu verbessern, ist in weiterer erfinderischer Ausgestaltung vorgesehen, die Leitschaufeln an ihren dem Verstellring abgewandten Stirnseiten in dem zweiten Trägerring drehbar zu lagern.In order to improve the mounting of the guide vanes, a further embodiment of the invention provides for the guide vanes to be rotatably mounted in the second support ring on their end faces facing away from the adjustment ring.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Leitschaufeln oberhalb einer Öffnung von 60% , bevorzugt oberhalb von 70°, besonders bevorzugt oberhalb von 80% und ganz besonders bevorzugt oberhalb von 90%, die Nasen der Leitschaufeln in radialer Richtung über den Außendurchmesser des ersten Trägerrings und/oder des zweiten Trägerrings hinausragen. Entsprechendes gilt auch für die Enden der Leitschaufeln und in Bezug auf den Innendurchmesser des ersten Trägerrings und/oder des zweiten Trägerrings.It has proven to be advantageous if the guide vanes above an opening of 60%, preferably above 70°, particularly preferably above 80% and very particularly preferably above 90%, the lugs of the guide vanes in the radial direction over the outer diameter of the first Protrude carrier ring and / or the second carrier ring. The same also applies to the ends of the guide vanes and in relation to the inside diameter of the first carrier ring and/or the second carrier ring.
Damit einerseits die Leitschaufeln sich frei zwischen erstem und zweitem Trägerring drehen können, und andererseits auch kein unnötig großer Spalt zwischen den Stirnseiten der Leitschaufeln und den genannten Trägerringen entsteht, ist vorgesehen, zwischen ersten und zweiten Trägerring Distanzstücke anzuordnen.To ensure that the guide vanes can rotate freely between the first and second carrier rings and that there is no unnecessarily large gap between the end faces of the guide vanes and the carrier rings, spacers are provided between the first and second carrier rings.
Diese Distanzstücke dienen als Abstandshalter zwischen erstem und zweitem Trägerring. Durch die Wahl des Werkstoffs, aus dem diese Distanzstücke hergestellt werden, kann sichergestellt werden, dass der Spalt zwischen den Leitschaufeln und den Trägerringen bei allen Betriebstemperaturen stets innerhalb enger Grenzen liegt. Es ist zum Beispiel möglich, die Distanzstücke und die Leitschaufeln aus dem gleichen Werkstoff herzustellen.These spacers serve as spacers between the first and second carrier rings. The choice of material from which these spacers are made ensures that the gap between the vanes and the support rings is always within tight limits at all operating temperatures. For example, it is possible to make the spacers and vanes from the same material.
Es ist selbstverständlich möglich, die Distanzstücke lösbar oder unlösbar an dem ersten Trägerring und/oder dem zweiten Trägerring zu befestigen. So können beispielsweise die Distanzstücke mit den beiden Trägerringen verschraubt werden. Es ist auch möglich, dass die Distanzstücke als röhrenförmige Hülsen ausgebildet sind und innerhalb dieser Hülsen jeweils eine Schraube verläuft, die ersten Trägerring und zweiten Trägerring miteinander verspannt. Alternativ können die Distanzstücke auch als gestufte Schraube ausgebildet sein, die einerseits die Verbindungsfunktion und andererseits auch die Funktion eines Abstandshalters übernimmt. Alternativ können die Distanzstücke auch als Stift ausgebildet sein und beispielsweise durch Schweißen mit den Trägerringen verbunden werden.It is of course possible to attach the spacers to the first carrier ring and/or the second carrier ring in a detachable or non-detachable manner. For example, the spacers can be screwed to the two carrier rings. It is also possible for the spacers to be in the form of tubular sleeves and for a screw to run inside these sleeves, which clamps the first carrier ring and the second carrier ring together. Alternatively, the spacers can also be designed as a stepped screw, which on the one hand assumes the connection function and on the other hand also the function of a spacer. Alternatively, the spacers can also be in the form of pins and can be connected to the carrier rings, for example by welding.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen beschriebenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.Further advantages and advantageous configurations of the invention can be found in the following drawing, its description and the patent claims. All of the features described in the drawing, its description and the patent claims can be essential to the invention both individually and in any combination with one another.
Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit geöffneten Leitschaufeln, -
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit geschlossenen Leitschaufeln,3 Ansicht vorn vorne auf einen erfindungsgemäßen ersten Trägerring und -
4A und4B Ausführungsbeispiele von Distanzstücken.
-
1 a schematic representation of a first exemplary embodiment of an exhaust gas turbocharger according to the invention with open guide vanes, -
2 a schematic representation of a second embodiment of an exhaust gas turbocharger according to the invention with closed guide vanes,3 Front view of a first carrier ring according to the invention and -
4A and4B Embodiments of spacers.
In
Wie hinlänglich bekannt, weisen Abgasturbolader einen Turbinenteil, der in
An dem linken Ende der Welle 5 ist ein Verdichterlaufrad 7 angebracht. Die zu verdichtende Verbrennungsluft strömt dem Verdichterlaufrad 7 in axialer Richtung zu und verlässt es in radialer Richtung. Die Bewegungsrichtung der zu verdichtenden Verbrennungsluft ist in
In einem Bereich zwischen der Einlaufspirale 11 und dem Turbinenlaufrad 3 sind über den Umfang des Abgasturboladers mehrere Leitschaufeln 13 verteilt angeordnet, von denen in
Die Drehbewegung der Leitschaufeln 13 um die Längsachse der Lagerbolzen 15 ist in
Der erste Trägerring 17 und, falls vorhanden, ein zweiter Trägerring 19, sowie die Leitschaufeln 13 bilden Strömungskanäle für das heiße Abgas, das von der Einlaufspirale 11 in Richtung des Turbinenlaufrads 3 strömt. Wegen der sehr großen Temperaturbelastung müssen der erste Trägerring 17 und, falls vorhanden, der zweite Trägerring 19 (siehe
Die Nasen 21 der Leitschaufeln 13 befinden sich in der Nähe der Einlaufspirale 11, während sich die Enden 23 der Leitschaufeln 13 in der Nähe des Turbinenrads 3 befinden. In
Der erste Trägerring 17 und der zweite Trägerring 19 werden vorteilhafterweise durch Distanzstücke 33 beabstandet. Diese Distanzstücke 33 können beispielsweise als Hülsen mit innen verlaufender Schraube, als Schraube mit gestuften Durchmessern, als Stifte oder durch eine Kombination derselben ausgebildet sein (siehe
Der Leitapparat, umfassend den ersten Trägerring 17, den zweiten Trägerring 19, die Leitschaufeln 13 und die Distanzstücke (ohne Bezugszeichen) werden von einem Federelement 27 in Anlage an dem Gehäuseteil 1c gehalten. Dieses Federelement 27 kann gleichzeitig auch noch die Funktion eines Hitzeschilds und/oder einer Dichtung übernehmen.The diffuser, comprising the
In
Bei dem in
Bei dem in
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass durch die erfindungsgemäß beanspruchte Geometrie des ersten Trägerrings 17 und/oder des zweiten Trägerrings 19 eine erhebliche Einsparung an Werkstoff- und Bearbeitungskosten realisiert wird, was sich vor allem wegen der hohen Werkstoffpreise günstig auf die Gesamtkosten des Abgasturboladers auswirkt. Ein weiterer Vorteil dieser schmalen Trägerringe 17 und 19 ist, dass die Wärmeübertragung von den Trägerringen 17 und 19, die ja während des Betriebs extrem hohen Temperaturen ausgesetzt sind, auf das Gehäuse 1 des erfindungsgemäßen Abgasturboladers reduziert wird.In summary, it can be stated that the geometry of the
Bei dem in
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß
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