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Die
Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug,
mit einem Gehäuse, in das ein Leitschaufelmodul zentriert
zu einer Drehachse einer Turbine eingesetzt ist.
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Stand der Technik
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Zur
Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen, insbesondere in Fahrzeugen,
werden Abgasturbolader eingesetzt, die über aus dem Abgas gewonnene
Energie eine Verdichtung von Verbrennungsluft und damit eine Aufladung
der Brennkraftmaschine zur Leistungssteigerung ermöglichen.
Bevorzugt werden Turbinen mit variabler Turbinengeometrie eingesetzt,
die beispielsweise durch eine umlaufende Leitbeschaufelung in einer
aus Gründen vereinfachter Montage sogenannten Kassettenbauweise
oder Modulbauweise verwirklicht wird. Um den Wirkungsgrad der Turbine
möglichst hoch einstellen zu können, ist es erwünscht,
den Spalt zwischen der Turbine (dem eigentlichen Turbinenlaufrad)
und dem diese umgebenden Gehäuse so klein als möglich
zu halten. Durch die meist einseitige thermische Belastung der Elemente
des Turbinengehäuses tritt eine ungleichmäßige
thermische Verformung aufgrund von Wärmeausdehnung der
jeweils hierbei beaufschlagten Bestandteile auf, wodurch sich der
Spalt zwischen dem Turbinenrad und dem Turbinengehäuse
verändern kann. Ergibt sich durch diese Erwärmung
eine Spaltverengung, kann dies im ungünstigsten Fall zu
einem Verklemmen der Turbine oder zu einem Streifen derselben führen,
weswegen der Spalt ursprünglich größer
ausgeführt werden muss, was aber für den Wirkungsgrad
der Turbine nachteilig ist; ein Streifen oder die Gefahr eines Verklemmens
jedoch hindert die Rotordynamik in unzulässiger Weise.
Durch Veränderungen gegenüber nicht oder nicht so
stark wärmebeaufschlagten Komponenten kann auch eine Erweiterung
des Spalts eintreten, was eine Verschlechterung des Wirkungsgrades
mit sich bringt. Aus der
EP
1 398 463 B1 ist ein Leitgitter variabler Geometrie und
ein Turbolader mit einem solchen Leitgitter bekannt. Die Turbine
wird hierbei in Kassettenbauweise mit einem variablen Leitgitter
zur veränderbaren Beaufschlagung der Turbine mit dem Abgas
der Brennkraftmaschine ausgerüstet, wobei die das variable
Leitgitter aufnehmende Kassette und das Austrittsrohr im Turbinengehäuse
durch eine Verstiftung gehalten werden. Hieran ist nachteilig, dass
die Verstiftung zu einer ungleichmäßigen Wärmeausdehnung
von Komponenten der Kassette relativ zum übrigen Turbinengehäuse
mit den oben beschriebenen Nachteilen führt, weiter unerwünschte Schwingungen übertragen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine (Wärme-)entkoppelung innerhalb
des Turbinengehäuses bereitzustellen, wodurch Verformungen
und unerwünschte Schwingungen des Turbinengehäuses
reduziert beziehungsweise verhindert werden.
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Hierzu
wird ein Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen,
mit einem Gehäuse, in das ein Leitschaufelmodul zentriert
zu einer Drehachse einer Turbine eingesetzt ist. Hierbei ist vorgesehen, dass
die Zentrierung mittels einer Mittenzentriereinrichtung erfolgt,
die eine nur radiales Temperaturspiel zulassende Führungseinrichtung
aufweist. Das Leitschaufelmodul (die „Kassette”)
muss für eine einwandfreie Funktion zentriert zur Drehachse
der Turbine eingebracht sein, was eine hohe Montagegenauigkeit erfordert.
Erfindungsgemäß wird die Zentrierung mittels einer
Mittenzentriereinrichtung bewirkt, die eine solche Führungseinrichtung
aufweist, dass nur ein radiales Temperaturspiel möglich ist.
Hierdurch wird verhindert, dass es zu einem seitlichen Versatz zwischen
einzelnen Komponenten des Abgasturboladers kommt, insbesondere zwischen dem
Leitschaufelmodul und dem Gehäuse. Gleichzeitig wird aber
das Temperaturspiel erlaubt, so dass Verzug ausgeschlossen ist.
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Bevorzugt
weist die Führungseinrichtung mehrere Radialführungen
auf. Hierdurch wird gewährleistet, dass eine sichere Führung
bei thermischer Ausdehnung gegeben ist.
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Die
Radialführung wird bevorzugt von einer Vorsprung-/Schlitz-Anordnung
gebildet. Hiermit ist gemeint, dass zur Ausbildung der Radialführung
ein Vorsprung in einen Schlitz eingreift, der Vorsprung in dem Schlitz
demzufolge verschieblich lagert.
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Die
Führungseinrichtung weist bevorzugt mindestens zwei zueinander
bezüglich des Zentrums winkelbeabstandete Radialführungen
auf. Ganz besonders bevorzugt sind drei, insbesondere gleichmäßig
zueinander winkelbeabstandete, Radialführungen. Hierdurch
lässt sich eine hinreichend bestimmte und zwangszentrierte
Fixierung und Lagerung ausbilden. Die Schlitze der jeweils zugehörigen
Vorsprung-/Schlitzanordnungen sind hierbei beispielsweise auf Radien
angeordnet, wobei diese Radien zueinander gleich winkelbeabstandet
sind. Beispielsweise weist die Führungseinrichtung drei
Radialführungen auf, die zueinander jeweils einen Winkel
von 120° einschließen. Bei thermischer Beanspruchung erfolgt
demzufolge die Führung bei Wärmeausdehnung in
die drei durch die Radialführungen vorgegebenen Richtungen,
wobei durch die Ausbildung jeweils im 120° Winkelabstand
zueinander sichergestellt ist, dass die Wärmeausdehnung
sich auf einen Vollkreisumfang gleichmäßig erstreckt,
also eine gleichmäßige Wärmeausdehnung
bezüglich des Zentrums erfolgt.
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In
einer weiteren Ausführungsform weist das Leitschaufelmodul
eine Bodenplatte auf, zu der mit Abstand eine Deckplatte angeordnet
ist, wobei zwischen Bodenplatte und Deckplatte mindestens eine Leitschaufel
des Leitschaufelmoduls, vorzugsweise verstellbar, angeordnet ist.
Diese Bauform bezeichnet die sogenannte Modul- oder Kassettenbauweise, in
der eine verstellbare Leitschaufel oder eine verstellbare Leitschaufelanordnung
zwischen der Bodenplatte und der Deckplatte gehalten ist. Bodenplatte
beziehungsweise Deckplatte stellen hierbei jeweils den Kontakt zum
Gehäuse des Abgasturboladers her beziehungsweise werden
am Gehäuse des Abgasturboladers gehalten, so dass das Leitschaufelmodul eine
definierte, zentrierte Lage einnimmt.
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Bevorzugt
ist die Führungseinrichtung zwischen Bodenplatte und Gehäuse
angeordnet. Die Wärmeausdehnung der Bodenplatte relativ
zum Gehäuse wird also durch die Führungseinrichtung
in solche gewünschte Bahnen gelenkt, dass die gewünschte
Zentrierung erhalten bleibt.
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Bevorzugt
weist die Bodenplatte hierzu mindestens einen Schlitz, insbesondere
Radialschlitz, und das Gehäuse mindestens einen Vorsprung
auf und/oder die Bodenplatte weist mindestens einen Vorsprung und
das Gehäuse mindestens einen Schlitz, insbesondere Radialschlitz,
auf. Die bereits vorstehend beschriebene Vorsprung-/Schlitz-Anordnung
findet ihre Ausbildung folglich zwischen der Bodenplatte und dem
Gehäuse, wobei einmal die Bodenplatte den Schlitz und entsprechend
das Gehäuse den zugehörigen Vorsprung aufweist
oder die Bodenplatte den Vorsprung und das Gehäuse den
entsprechenden Radialschlitz.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist der Vorsprung als
teilweise in einer Aufnahmebohrung angeordneter Stift ausgebildet.
Diese Bohrung kann beispielsweise als Sackloch ausgeführt
sein, in das der Stift zumindest teilweise eingebracht ist, so dass
er von dem Sackloch gehalten ist. Mit dem nicht im Sackloch befindlichen
Teil greift der Stift in den Radialschlitz ein.
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In
einer weiteren Ausführungsform weist die Deckplatte an
ihrem Rand eine Dichtung, insbesondere Labyrinthdichtung, zum Gehäuse
auf. Durch diese Labyrinthdichtung wird vermieden, dass Abgas in
unerwünschter Weise aus dem Bereich der gehäuseinneren
Abgasführung und aus dem Bereich des Leitschaufelmoduls
sich in andere, abgasfreie Bereiche wie beispielsweise in eine Steuermechanik
verschleicht, beziehungsweise eine solche Leckageströmung
wird verhindert. Die Labyrinthdichtung bewirkt somit ein im Wesentlichen
abgasdichtes Einpassen der Deckplatte in das Gehäuse.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist stromabwärts
der Turbine ein Austrittsrohr in die Bodenplatte eingebracht. Das
Austrittsrohr dient der Führung der Abgase nach deren Beaufschlagung
der Turbine und zu deren strömungsgünstig geführter Ableitung.
Das Austrittsrohr durchdringt die Bodenplatte zumindest bereichsweise,
wozu die Bodenplatte einen Durchbruch beziehungsweise eine Ausnehmung,
bevorzugt zentrisch zur Drehachse der Turbine, aufweist.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist das Austrittsrohr mittels
einer Gewindeverbindung in oder an der Bodenplatte gehalten. Das
Austrittsrohr wird also im weitesten Sinne mittels einer Verschraubung, die
mindestens ein Gewinde aufweist, an seinem Platz in oder an der
Bodenplatte gehalten.
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Die
Gewindeverbindung weist bevorzugt eine dem Austrittsrohr zugeordnete
Nutmutter und eine der Turbine zugewandte Dichtkante zur klemmenden
Fixierung in der Bodenplatte auf. Das Austrittsrohr durchdringt
hierbei die Bodenplatte durch deren Durchbruch, und weist an seiner
der Turbine zugewandten Seite eine Dichtkante und/oder Haltekante
auf, die die Bodenplatte turbinenseitig beaufschlagt. Auf der dieser
Dichtkante abgewandten, anderen Seite der Bodenplatte ist eine Nutmutter
vorgesehen, bei deren Anziehen das Austrittsrohr im Durchbruch der
Bodenplatte klemmend gehalten wird.
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In
einer anderen Ausführungsform ist das Austrittsrohr mittels
(Feder-)kraftbeaufschlagung an der Bodenplatte gehalten. Anders
als vorstehend beschrieben wird das Halten des Austrittsrohrs nicht über
eine Gewindeverbindung bewirkt, sondern durch (Feder-)kraftbeaufschlagung,
wobei diese in einer solchen Art und Weise erfolgt, dass im Betrieb des
Abgasturboladers das Austrittsrohr sicher im Durchbruch der Bodenplatte
gehalten ist.
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Bevorzugt
erfolgt die (Feder-)beaufschlagung durch einen Keilring.
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Ganz
besonders bevorzugt ist der Keilring in einer außenumfangsseitig
am Austrittsrohr im Bereich der Bodenplatte umlaufenden Nut einerseits und
innenumfangsseitig des Durchbruchs der Bodenplatte andererseits
gehalten. Sowohl die Bodenplatte als auch das Austrittsrohr weisen
Zumindest abschnittsweise umlaufende Nuten auf, nämlich
das Austrittsrohr außenumfangsseitig in einer solchen Art und
Weise, dass die Nut im Bereich des Durchbruchs der Bodenplatte angeordnet
ist, und die Bodenplatte innenumfangsseitig des Durchbruchs, so
dass der Keilring in beide Nuten eingreifen kann und die beiden
Nuten in Gegenüberlage gebracht werden. Der Keilring greift
in beide umlaufende Nuten zumindest abschnittsweise ein, so dass
das Austrittsrohr über den Keilring in der Bodenplatte
gehalten wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen
und aus Kombinationen derselben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
erläutert, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein.
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Es
zeigen
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1 einen
Schnitt durch einen Abgasturbolader auf Höhe der Turbinenachse;
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2 eine
eine Führungseinrichtung aufweisende Mittenzentriereinrichtung;
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3 einen
vereinfachten Schnitt durch eine Bodenplatte mit einem über
eine Gewindeverbindung verbundenen Austrittsrohr und
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4 einen
vereinfachten Schnitt durch eine Bodenplatte mit einem über
einen Keilring verbundenen Austrittsrohr.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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1 zeigt
einen Abgasturbolader 1 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine
für ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug. Der Abgasturbolader 1 weist
innerhalb eines Gehäuses 2 eine um eine Drehachse 3 rotierbare
Turbine 4 auf, die über eine Abgaszuführung 46 von
Abgas der nicht dargestellten Brennkraftmaschine beaufschlagt und
in Rotation versetzt wird. Das Gehäuseinnere weist eine
Abgasführung und dieser stromabwärts angeordnete,
die Turbine 4 umlaufend beaufschlagende Leitschaufeln 5 auf.
Die Leitschaufeln 5 sind in einem die Turbine 4 umgreifenden,
aus einer Deckplatte 6 einerseits und einer Bodenplatte 7 andererseits,
die von Abstandsstiften 8 in Position gehalten werden,
gebildeten Leitschaufelmodul 9 in Bauweise einer Kassette 10 angeordnet.
Die Deckplatte 6 wird von dem Leitschaufelmodul 9 zugeordneten
Betätigungswellen 11 durchdrungen, die von einer
Steuermechanik 12 zur Verstellung der Leitschaufeln 5 betätigt
werden. In oder an der Deckplatte 6 ist, axial zur Turbine 4 versetzt,
ein Hitzeschutzschild 13 vorgesehen, der beispielsweise
umlaufend um eine Turbinenwelle 14 ausgebildet ist und
beispielsweise über eine Tellerfeder 15 in seiner
Position in einer Turbinenradsausnehmung 16 der Deckplatte 6 gehalten
ist. Durch seine Halterung über die Tellerfeder 15 ist
eine wirksame Abdichtung bei gleichzeitig großer Unempfindlichkeit
gegenüber Temperaturbeaufschlagung innerhalb der Gesamtkonstruktion
des Abgasturboladers gegeben. Die Deckplatte 6 weist außenumfangsseitig
an ihrer Schnittstelle zum Gehäuse 2 eine umlaufende
Dichtung, nämlich eine Labyrinthdichtung 45, auf,
die das Verschleichen von Abgas aus der Abgaszuführung 46 verhindert
oder reduziert. Die Bodenplatte 7 weist einen Durchbruch 17 auf,
durch den die Turbine 4 zumindest bereichsweise mit einem
Ende 18 der Turbinenwelle 14 beziehungsweise Teilen
der Turbine 4 selbst hindurch tritt. Der Durchbruch 17 wird
von einem Austrittsrohr 19 durchgriffen, dergestalt, dass
das Austrittsrohr sich in Richtung der der Bodenplatte 7 gegenüberliegenden
Deckplatte 6 konisch erweitert und hierbei an der der Deckplatte 6 beziehungsweise
der Turbine 4 zugewandten Seite eine umlaufende Dichtkante 20 aufweist,
die gleichzeitig eine Haltekante 21 ist. Das Austrittsrohr 19 dient
der Führung und strömungsgünstigen Ableitung der
Abgase nach Beaufschlagung der Turbine 4; es mündet
in einen Auslasstrichter 22, dem stromabwärts
die hier nicht dargestellte Abgasanlage der nicht dargestellten
Brennkraftmaschine folgt. Die Bodenplatte 7 wird in dem
Gehäuse 2, insbesondere in einer ihr zugewandten,
quer zur Drehachse 3 verlaufenden und die Turbine 4 umgreifenden
Gehäuseinnenwand 23 mittels einer Mittenzentriereinrichtung 24 gehalten,
die aus in der Gehäuseinnenwand 23 angeordneten
Vorsprüngen 25, nämlich Stiften 26 und
in der Bodenplatte 7 eingebrachten, entsprechenden Schlitzen 27 gebildet
wird.
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2 zeigt
die Mittenzentriereinrichtung 24, wie sie an der Bodenplatte 7 über
eine Anordnung aus den Vorsprüngen 25, nämlich
den Stiften 26 und den Schlitzen 27 gebildet ist.
Die Bodenplatte 7 weist den Durchbruch 17 zum
Durchtritt der nicht dargestellten Turbine 4, des nicht
dargestellten Austrittsrohrs 19 und des nicht dargestellten
Abgases auf. In einem Zentrum 28, das auf der Drehachse 3 liegt,
abgehend sind drei zueinander gleich winkelbeabstandete Radien r
dargestellt, die untereinander einen Winkel α von 120° einnehmen.
Die Vorsprünge 25 bilden jeweils mit dem ihnen
zugehörigen Schlitz 27 eine Vorsprung-/Schlitz-Anordnung 29 aus,
die jeweils eine Radialführung 30 bildet. Durch
die Radialführung 30 ist es durch die Anordnung
des Schlitzes 27 auf dem Radius r dem darin verlagerbar
gelagerten Vorsprung 25, nämlich dem Stift 26,
nur möglich, eine Bewegung in Radialrichtung innerhalb
des Schlitzes 27 auszuführen, beziehungsweise
ist der Bodenplatte 7 als wärmebeaufschlagtes
Bauteil innerhalb des Abgasturboladers 1 (vergleiche 1) eine
Wärmeausdehnung durch die Radialführung 30 in
den Schlitzen 27 um die relativ hierzu feststehenden Stifte 26 möglich,
die gleichmäßig und durch die Radialführung 30 zwangsgeführt
erfolgt. Die Zentrierung der Bodenplatte 7 und insbesondere
des Durchbruchs 17 relativ zur Drehachse 3 bleibt
also auch bei Wärmeausdehnung der Bodenplatte 7 durch
Beaufschlagung mit heißem Abgas im Betrieb des nicht dargestellten
Abgasturboladers gewährleistet. Die Radialführungen 30 bilden
zusammen eine Führungseinrichtung 31, die nur
ein radiales Temperaturspiel 32 zulässt.
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3 zeigt
die Bodenplatte 7 mit in den Durchbruch 17 eingesetztem
Austrittsrohr 19 und einer Radialführung 30 zwischen
Bodenplatte 7 und Gehäuse 2, nämlich
Gehäuseinnenwand 23. Das Austrittsrohr 19 weist
eine Trompetenerweiterung 33 auf, die der Turbine (nicht
dargestellt) zugewandt ist, und die außenumfangsseitig
die Dichtkante 20 beziehungsweise Haltekante 21 aufweist.
Diese greift in eine entsprechend formangepasste, umlaufende Dichtausnehmung 34 der
Bodenplatte 7 ein und hält das Austrittsrohr 19 in
Richtung von der Turbine weg in Axialfixierung. Auf das Austrittsrohr
ist an der der Turbine 4 (nicht dargestellt) abgewandten
Seite der Bodenplatte 7 ein Gewinde 35 eingebracht,
in das eine Nutmutter 36 eingeschraubt ist, die eine der nicht
dargestellten Turbine abgewandte Seite 37 der Bodenplatte 7 nach
Anziehen klemmend beaufschlagt und hierdurch die Bodenplatte 7 beaufschlagt und
hierdurch das Austrittsrohr 19 in Richtung zur Turbine 4 (nicht
dargestellt) hin axial fixiert. Über die so gebildete Gewindeverbindung 38 wird
das Austrittsrohr in und an der Bodenplatte 7 gehalten.
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4 zeigt
die Bodenplatte 7 mit einer Radialführung 30 als
Bestandteil der hier nicht vollständig dargestellten Mittenzentriereinrichtung,
wobei der Stift 26 in einem Sackloch 39 der Gehäuseinnenwand 23 gehalten
ist und in den Schlitz 27 in der Bodenplatte 7 eingreift.
Es ist hierbei im Übrigen nicht erforderlich, dass der
Schlitz durchgehend durch die Bodenplatte 7 ausgebildet
wird, diese also durchbricht. Es reicht aus, dass er auf der der
Gehäusewand 23 zugewandten Bodenplattenseite 40 so
tief eingebracht ist, dass der Stift 26 darin geführt
werden kann, insbesondere also hinsichtlich der Schlitztiefe mit
leichtem Übermaß. An der Gehäuseinnenwand 23 liegt
die Bodenplatte über Auflagenocken 41 an, die
bevorzugt nur außenumfangsseitig der Bodenplatte 7 ausgebildet
sind und einen Luftspalt 42 zwischen Bodenplatte 7 und
Gehäuse 2, insbesondere Gehäuseinnenwand 23,
belassen, um thermische Ausdehnung auch hinsichtlich der Bodenplattenstärke
zu erlauben und überdies eine unerwünschte Wärmeübertragung
von der Bodenplatte 7 auf das Gehäuse 2 vorteilhaft
zu vermeiden. Gleichzeitig können auf diese Weise in die
Bodenplatte 7 insbesondere durch vorbeiströmendes
Abgas und den Lauf der nicht dargestellten Turbine 4 eingetragene
Vibrationen vorteilhaft durch nur wenige Auflagenocken 41 vom
Gehäuse 2 entkoppelt werden. Außenumfangsseitig
des Austrittsrohrs 19 ist im Bereich der Bodenplatte 7 eine
umlaufende Nut 43 eingebracht, in die ein Keilring 44 mit
einem teil ihrer Ausdehnung zumindest abschnittsweise eingreift.
Der Keilring 44 ist in einer innenumfangsseitig des Durchbruchs 17 der Bodenplatte 7 umlaufenden
Nut 43 gelagert, wodurch sie das Austrittsrohr 19 einerseits
und die Bodenplatte 7 andererseits federbeaufschlagt. Das Austrittsrohr 19 wird
durch den Keilring 44 und der hiermit erfolgenden Zwangsgegenüberlage
der Nuten 43 im Durchbruch 17 der Bodenplatte 7 fixiert, wobei
die Trompetenerweiterung 33 außenumfangsseitig
wiederum die Dichtkante 20 zur Anlage des Austrittsrohrs 19 turbinenseitig
der Bodenplatte 7 im Durchbruch 17 ausgebildet
ist. Auf diese Weise wird eine sehr gute Axialsicherung des Austrittsrohrs 19 in der
Bodenplatte 7 erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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