DE102008023552B4

DE102008023552B4 - Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102008023552B4
Application number: DE102008023552.0A
Authority: DE
Inventors: Nikolay Dilovski; Patric Hoecker; Aurelia Kraemer; Dr. Wein Michael
Original assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2008-05-14
Filing date: 2008-05-14
Publication date: 2018-12-20
Anticipated expiration: 2028-05-15
Also published as: US8322978B2; US20090290977A1; DE102008023552A1

Abstract

Abgasturbolader (1) für ein Kraftfahrzeug,
- mit einer variablen Turbinen- und/oder Verdichtergeometrie,
- mit einem Schaufellagerring (8) mit drehbar daran gelagerten Leitschaufeln (9),
- mit einem, zumindest einen Teil eines Strömungskanals (5) bildenden Leitschaufelkäfig (10), der gleichzeitig ein Lager für den Schaufellagerring (8) bildet,
- wobei sich der Leitschaufelkäfig (10) über Abstandselemente (11) unter Erzeugung eines Axialspaltes (12) derart an einem Gehäuse (13) des Abgasturboladers (1) abstützt, dass eine Hinterströmung des Leitschaufelkäfigs (10) mit Heißgas möglich ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Leitschaufelkäfig (10) lediglich zwischen einem Turbinengehäuse und einem Lagergehäuse des Abgasturboladers (1) eingeklemmt ist, ohne an einem der beiden Gehäuse, beispielsweise mittels Schrauben, fest angebunden zu sein.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen, mit einem derartigen Abgasturbolader ausgestatteten Verbrennungsmotor sowie ein, mit einem derartigen Verbrennungsmotor ausgestattetes Kraftfahrzeug.
Ein gattungsgemäßer Abgasturbolader ist bspw. aus der WO 2004/022926 A1 bekannt, bei welchem ein Gehäuse des Abgasturboladers sowie deren verstellbare variable Turbinen- und/oder Verdichtergeometrie mechanisch und/oder thermisch voneinander entkoppelt sind. Hierdurch sollen insbesondere thermisch bedingte Dehnungen besser aufgenommen werden können. Eine Kartusche ist dabei an ein Lagergehäuse angeschraubt und weist zum Turbinengehäuse hin einen Axialspalt zur thermischen Entkopplung auf.
Aus der WO 2006 046 892 A1 ist ein Abgasturbolader für eine Verbrennungsmaschine mit einem, zwischen einem Turbinenrad und einem Lagegehäuse angeordneten Hitzeschild bekannt, der ein Lagergehäuse vor heißen Abgasen schützt.
Generell unterliegen üblicherweise sämtliche Bauteile eines Abgasturboladers während des Betriebs starken Temperaturschwankungen und bedingt durch die Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe sowie unterschiedlicher Geometrien, unterschiedlich starken Ausdehnungen, so dass diese Bauteile, sofern sie fest miteinander verbunden sind, unter großen thermischen Spannungen stehen können, was im ungünstigsten Fall zum Versagen der eigentlichen Funktion oder zu einer Zerstörung des Bauteils führen kann. Der Leitschaufelkäfig ist dabei dazu da, einen möglichst geringen und homogenen Spalt zu einem Turbinenrad der Ladeeinrichtung darzustellen, wobei der Spalt so groß sein muss, dass Taumelbewegungen eines Läufers, der sich aus dem Turbinenrad und einer Welle zusammensetzt, sowie Fertigungs- und Zusammenbautoleranzen möglich sind, ohne dass es dabei zu einer Berührung zwischen dem Turbinenrad und dem Leitschaufelkäfig kommt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Abgasturbolader der gattungsgemäßen Art, eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, mit welcher insbesondere Temperaturbelastungen besser aufgenommen werden können.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Leitschaufelkäfig innerhalb eines Abgasturboladers so zu lagern, dass diese allseitig von heißem Abgas umströmt werden kann, so dass Temperaturspannungen innerhalb des Leitschaufelkäfigs aufgrund unterschiedlicher Temperaturbelastungen nahezu gänzlich ausgeschlossen werden können. Der Abgasturbolader kann dabei in bekannter Weise eine variable Turbinen- und/oder Verdichtergeometrie aufweisen, insbesondere einen Schaufellagerring mit drehbar daran gelagerten Leitschaufeln. Der Leitschaufelkäfig bildet üblicherweise zumindest einen Teil eines Strömungskanals und gleichzeitig ein Lager für den Schaufellagerring. Erfindungsgemäß stützt sich nun der Leitschaufelkäfig über Abstandselemente unter Erzeugung eines Axialspaltes derart am Gehäuse des Abgasturboladers ab, dass auch eine Hinterströmung des Leitschaufelkäfigs mit heißem Abgas und dadurch eine gleichmäßige Temperaturbeaufschlagung des Leitschaufelkäfigs möglich ist. Hierdurch soll ein Temperaturgradient innerhalb des Leitschaufelkäfigs so gering wie möglich gehalten, vorzugsweise gänzlich vermieden, werden, wodurch die aufgrund von unterschiedlichen Temperaturbelastungen hervorgerufenen mechanischen Belastungen innerhalb des Leitschaufelkäfigs auf einem äußerst geringen Niveau gehalten werden können. Gleichzeitig ist es dadurch möglich, den Leitschaufelkäfig lediglich zwischen einem Turbinengehäuse und einem Lagergehäuse des Abgasturboladers einzuklemmen, ohne ihn an einem der beiden Gehäuse, beispielsweise mittels Schrauben, fest anzubinden. Bisher waren eine derartige Hinterströmung sowie ein einfaches Verklemmen nicht möglich, woraus eine nicht unerhebliche thermische Belastung des Leitschaufelkäfigs resultierte. Mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Leitschaufelkäfig, das heißt mit den erfindungsgemäß vorgesehenen Abstandselementen, ist nun eine nahezu gleichmäßige Temperaturbeaufschlagung des Leitschaufelkäfigs möglich, so dass die thermische Belastung äußerst gleichmäßig auf den Leitschaufelkäfig einwirken kann. Dies wird noch dadurch begünstigt, dass der Leitschaufelkäfig nunmehr zwischen dem Turbinengehäuse und dem Lagergehäuse des Abgasturboladers eingeklemmt und nicht an einem der beiden Gehäuse, beispielsweise mittels Schrauben, befestigt ist.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, sind die Abstandselemente und der Leitschaufelkäfig aus einem einzigen Stück hergestellt. Dabei kann der Leitschaufelkäfig bspw. als Blechformteil ausgebildet sein, so dass die Abstandselemente zusammen mit dem Leitschaufelkäfig in einem gemeinsamen Stanz- bzw. Umformvorgang hergestellt werden können, wodurch der Leitschaufelkäfig an sich äußerst kostengünstig herstellbar ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung, sind insgesamt drei Abstandselemente vorgesehen, zwischen welchen ein Winkel von ca. 120° vorgesehen ist. Über die insgesamt drei Abstandselemente ist dabei eine statisch bestimmte Lagerung des Leitschaufelkäfigs, das heißt eine statisch bestimmte Abstützung des Leitschaufelkäfigs, am Gehäuse des Abgasturboladers möglich, wodurch ebenfalls die von den Temperatureinwirkungen herrührenden Spannungen bzw. Belastungen, auf einem äußerst geringen Niveau gehalten werden können.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,

1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader,
2 unterschiedliche Ansichten eines erfindungsgemäßen Leitschaufelkäfigs.

Entsprechend der 1, weist eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung, welche in diesem Fall als Abgasturbolader 1 ausgebildet ist, eine Turbinenseite 2 sowie eine Verdichterseite 3 auf. Auf der Turbinenseite 2 ist ein Turbinenrad 4 drehbar in einem Turbinenaustritt 5 angeordnet, wobei dieses über eine Welle 6 mit einem auf der Verdichterseite 3 angeordneten Verdichterrad 7 drehfest verbunden ist. Zur Beeinflussung der Leistung des Abgasturboladers 1, weist dieser eine variable Turbinengeometrie auf, welche im Wesentlichen von einem Schaufellagerring 8 mit drehbar daran gelagerten Leitschaufeln 9 gebildet wird. Gelagert ist der Schaufellagerring 8 in einem Leitschaufelkäfig 10 (vgl. 2), welcher gleichzeitig zumindest einen Teil des Turbinenaustritts 5 bildet. Da der Leitschaufelkäfig 10 den heißen Abgasen direkt ausgesetzt ist, unterliegt er einer nicht zu unterschätzenden Wärmeausdehnung. Ebenfalls unterliegt der Leitschaufelkäfig 10 der aus den Temperaturänderungen resultierenden mechanischen Spannungen, welche umso größer sind, je größer ein Temperaturgradient innerhalb des Leitschaufelkäfigs 10 ist. Um dabei den Temperaturgradienten auf einem möglichst geringen Niveau halten zu können, stützt sich der Leitschaufelkäfig 10 über Abstandselemente 11 unter Erzeugung eines Axialspaltes 12 derart an einem Gehäuse 13, insbesondere an einem Turbinengehäuse, des Abgasturboladers 1 ab, dass eine Hinterströmung des Leitschaufelkäfigs 10 mit heißem Abgas und dadurch eine gleichmäßige Erwärmung desselben möglich ist. Die Abstandselemente 11 sind dabei besonders gut an dem Leitschaufelkäfig 10 gemäß der 2 zu erkennen. Generell überragen die Abstandselemente 11 den Leitschaufelkäfig 10 in dessen Anordnungsbereich zumindest geringfügig axial, so dass der Leitschaufelkäfig 10 am Gehäuse 13 des Abgasturboladers 1 ausschließlich über die Abstandselemente 11 anliegt und neben, das heißt in Umfangsrichtung zwischen diesen, ein Axialspalt verbleibt, der ein Umströmen des Leitschaufelkäfigs 10 mit heißem Abgas und dadurch eine nahezu gleichmäßige Erwärmung desselben ermöglicht. Gleichzeitig ist es dadurch möglich, den Leitschaufelkäfig 10 lediglich zwischen dem Turbinengehäuse und dem Lagergehäuse des Abgasturboladers 1 einzuklemmen, ohne ihn an einem der beiden Gehäuse, beispielsweise mittels Schrauben, fest anzubinden.
Generell kann dabei der Leitschaufelkäfig 10 als einteiliges, kostengünstiges Blechformteil ausgebildet sein, wobei darüber hinaus denkbar ist, dass die Abstandselemente 11 und der Leitschaufelkäfig 10 aus einem Stück hergestellt sind. Eine derartige Herstellung ist bspw. mittels eines kombinierten Stanz-/Form- und/oder Prägeprozesses möglich. Gemäß der 2 sind dabei an dem Leitschaufelkäfig 10 insgesamt drei Abstandselemente vorgesehen, zwischen welchen ein Winkel von ca. 120° besteht. Denkbar sind selbstverständlich auch mehr als drei Abstandselemente 11, wobei insbesondere bei drei Abstandselementen 11 eine statisch bestimmte Lagerung ermöglicht wird.
Wie der 2 zu entnehmen ist, ist der Leitschaufelkäfig 10 radial gestuft ausgebildet und zwar mit einer ersten Ringstufe 14, welche das Turbinenrad 4 umschließt und mit einer zweiten Ringstufe 15, welche den Schaufellagerring 8 lagert. Die Abstandselemente 11 sind dabei gemäß der 2 im Bereich der zweiten Ringstufe 15 angeordnet bzw. angeformt.
Mit dem erfindungsgemäßen Leitschaufelkäfig 10, ist es möglich, dass während des Betriebs des Abgasturboladers 1 heißes Abgas in einen Raum 16 und damit hinter den Leitschaufelkäfig 10 gelangt, so dass dieser durch das heiße Abgas gleichmäßig, das heißt insbesondere spannungsarm, erwärmt werden kann. Bei einer bisher aus dem Stand der Technik vollflächigen Anlage des Leitschaufelkäfig 10 am Gehäuse 13 des Abgasturboladers 1, ist eine derartige Hinterströmung des Leitschaufelkäfigs 10 mit heißem Abgas nicht möglich, da der Axialspalt 12 in diesem Fall verschlossen ist. Dies erzeugt einen nicht zu unterschätzenden Temperaturgradienten innerhalb des Leitschaufelkäfigs 10, wodurch dieser nicht unerheblichen mechanischen Belastungen, hervorgerufen durch die Temperaturdehnungen, ausgesetzt ist. Mit dem erfindungsgemäßen Leitschaufelkäfig 10 hingegen, ist es möglich, diesen nahezu gleichmäßig zu erwärmen, wodurch der Temperaturgradient innerhalb des Leitschaufelkäfigs 10 stark reduziert werden kann. Gleichzeitig ist es dadurch möglich, den Leitschaufelkäfig 10 lediglich zwischen dem Turbinengehäuse und dem Lagergehäuse des Abgasturboladers 1 einzuklemmen, ohne ihn an einem der beiden Gehäuse, beispielsweise mittels Schrauben, fest anzubinden. Die Verringerung der auf den Leitschaufelkäfig 10 wirkenden mechanischen Belastungen, ermöglicht es, diese entsprechend schwächer auszubilden oder aber bei einer gleichen Ausbildung, eine höhere Lebenserwartung zu erreichen. Da das Anformen bzw. Vorsehen der Abstandselemente 11 äußerst einfach ist, insbesondere in einem gemeinsamen Fertigungsschritt mit Leitschaufelkäfig 10 hergestellt werden kann, kann die erzielte Wirkung mit vergleichsweise geringem Kostenaufwand erzielt werden.
Ein mit einem derartigen Leitschaufelkäfig 10 ausgestatteter Abgasturbolader 1, kann bspw. Bestandteil eines, in einem Kraftfahrzeug eingesetzten Verbrennungsmotor sein.

Claims

Abgasturbolader (1) für ein Kraftfahrzeug, - mit einer variablen Turbinen- und/oder Verdichtergeometrie, - mit einem Schaufellagerring (8) mit drehbar daran gelagerten Leitschaufeln (9), - mit einem, zumindest einen Teil eines Strömungskanals (5) bildenden Leitschaufelkäfig (10), der gleichzeitig ein Lager für den Schaufellagerring (8) bildet, - wobei sich der Leitschaufelkäfig (10) über Abstandselemente (11) unter Erzeugung eines Axialspaltes (12) derart an einem Gehäuse (13) des Abgasturboladers (1) abstützt, dass eine Hinterströmung des Leitschaufelkäfigs (10) mit Heißgas möglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufelkäfig (10) lediglich zwischen einem Turbinengehäuse und einem Lagergehäuse des Abgasturboladers (1) eingeklemmt ist, ohne an einem der beiden Gehäuse, beispielsweise mittels Schrauben, fest angebunden zu sein.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufelkäfig (10) als einteiliges Blechformteil ausgebildet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandselemente (11) und der Leitschaufelkäfig (10) aus einem Stück hergestellt sind.
Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass drei Abstandelemente (11) vorgesehen sind, zwischen denen ein Winkel von ca. 120° vorgesehen ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufelkäfig (10) radial gestuft ausgebildet ist und mit einer ersten Ringstufe (14) ein Turbinenrad (9) umschließt und mit einer zweiten Ringstufe (15) den Schaufellagerring (8) lagert.
Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandselemente (11) im Bereich der zweiten Ringstufe (15) angeordnet sind.
Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 7.