DE102008029080A1

DE102008029080A1 - Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102008029080A1
Application number: DE102008029080A
Authority: DE
Inventors: Patric Hoecker; Florian Rentz
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2008-06-19
Filing date: 2008-06-19
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2028-06-20
Also published as: DE102008029080B4; US8257027B2; US20090317247A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1) für ein Kraftfahrzeug, mit - einem Lagergehäuse (2) und einem Turbinengehäuse (3), - einem Turbinenrad (18) und einem Verdichterrad, die über eine gemeinsame Welle im Lagergehäuse (2) gelagert sind, - einem Leitschaufelkäfig (9), der das Turbinenrad (18) mit einem definierten Spalt umgibt. Erfindungswesentlich ist dabei, dass der Leitschaufelkäfig (9) zumindest zwei Arme (10) aufweist, über welche er ausschließlich in Radialrichtung beweglich zwischen dem Lagergehäuse (2) und dem Turbinengehäuse (3) eingeklemmt ist, so dass sich der Leitschaufelkäfig (9) in Radialrichtung (16) spannungslos ausdehnen kann.

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 beispielsweise 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.
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 sich dieser bei allen, während des Betriebs des Abgasturboladers auftretenden Temperaturen, spannungsarm, vorzugsweise sogar spannungslos ausdehnen kann. Aufgrund seiner direkten Position im Heißgas des Abgasturboladers, erwärmt sich der Leitschaufelkäfig üblicherweise sehr stark, wobei zu verhindern ist, dass sich der Leitschaufelkäfig einseitig ausdehnt und dadurch einen zwischen diesem und einem Turbinenrad vorgesehenen definierten Spalt unkontrolliert verringert. Insbesondere gilt es dabei zu verhindern, dass es aufgrund von behinderten Temperaturausdehnungen zu einer Berührung zwischen dem Turbinenrad und dem Leitschaufelkäfig und damit zu einer Beschädigung des Turbinenrads bzw. des Leitschaufelkäfigs kommt. Erfindungsgemäß weist deshalb der Leitschaufelkäfig zumindest zwei Arme, vorzugsweise drei Arme, auf, über welche er ausschließlich in Radialrichtung beweglich zwischen einem Lagergehäuse und einem Turbinengehäuse des Abgasturboladers eingeklemmt ist. Dies bedeutet, dass der Leitschaufelkäfig in Axialrichtung einerseits vom Turbinengehäuse und andererseits vom Lagergehäuse fixiert ist, ebenso wie gegen ein Verdrehen in Umfangsrichtung. Der radiale Freiheitsgrad der Arme des Leitschaufelkäfigs ermöglicht ein sich gleichmäßiges radiales Ausdehnen desselben bei einer Erwärmung sowie ein radiales Schrumpfen beim Abkühlen, wobei der radiale Freiheitsgrad stets gewährleistet, dass ein zwischen dem Leitschaufelkäfig und dem Turbinenrad vorzusehender Spalt in vordefinierter Größe bestehen bleibt. Mit dem radialen Freiheitsgrad des Leitschaufelkäfigs ergibt sich insbesondere eine geringe Montagetoleranzkette, bei welcher beispielsweise der Spalt zwischen dem Turbinenrad und den Leitschaufeln reduziert und dadurch die Effizienz auf der Turbinenseite des Abgasturboladers erhöht werden kann. Gleichfalls lassen sich nahezu sämtliche thermomechanische Spannungen im Leitschaufelkäfig eliminieren, wodurch einerseits die Lebensdauer desselben angehoben und andererseits Werkstoffe mit geringerer Festigkeit verwendet werden können. Letzterer Effekt schlägt sich dabei insbesondere in einer Reduktion der Kosten nieder. Denkbar ist dabei selbstverständlich auch, dass das erfindungsgemäße Prinzip des radialen Freiheitsgrads des Leitschaufelkäfigs auf andere Abgasturboladerbaureihen problemlos übertragbar ist.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, weist der Leitschaufelkäfig drei Arme auf, zwischen denen jeweils ein Winkel von ca. 120° vorgesehen ist. Hierdurch kann ähnlich eines dreibeinigen Stuhls ein statisch bestimmtes System geschaffen werden, welches eine besonders zuverlässige Lagerung des Leitschaufelkäfigs ermöglicht. Denkbar sind selbstverständlich auch vier Arme, wobei dann jedoch ein statisch überbestimmtes System entsteht, welches im Vergleich zu einem Leitschaufelkäfig mit lediglich drei Armen, schwieriger handzuhaben ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung, ist an jedem der Arme des Leitschaufelkäfigs eine radiale Führung und am Lagergehäuse ein jeweils zugehöriger und in der armseitigen Führung geführter Führungsstift vorgesehen, oder umgekehrt. Die radiale Führung kann beispielsweise in der Art eines nach radial außen offenen oder geschlossenen Langlochs ausgeführt sein, in welches ein lagergehäuseseitiger Führungsstift eingreift. Das Zusammenwirken zwischen dem lagergehäuseseitigen Führungsstift einerseits und armseitiger Führung andererseits, erlaubt eine unbehinderte Ausdehnung des Leitschaufelkäfigs in radialer Richtung, ermöglicht jedoch gleichzeitig eine Fixierung des Leitschaufelkäfigs gegen eine Verdrehung desselben um dessen Achse. Selbstverständlich sind dabei auch generell andere Arten von Lagerungen denkbar, wobei allen gemein ist, dass diese dem Leitschaufelkäfig jeweils einen radialen Freiheitsgrad geben, während sie diesen in Umfangsrichtung und in Axialrichtung fixieren.
Zweckmäßig ist der Leitschaufelkäfig als einteiliges Blechteil ausgebildet. Dies ermöglicht es, den Leitschaufelkäfig zusammen mit dessen Arme in einem gemeinsamen Stanz- bzw. Umformvorgang herzustellen, wodurch der Leitschaufelkäfig an sich äußerst kostengünstig hergestellt werden kann.
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 Explosionsdarstellung eines Abgasturboladers mit einem erfindungsgemäßen Leitschaufelkäfig,
2 eine Detaildarstellung eines gemäß der 1 gezeigten Leitschaufelkäfigs,
3 eine mögliche Ausdehnung des Leitschaufelkäfigs,
4 einen Leitschaufelkäfig im eingebauten Zustand, jedoch mit einer im Vergleich zu den 1 bis 3 unterschiedlichen Verstellmechanik,
5 eine Schnittdarstellung durch den Abgasturbolader im Bereich des Leitschaufelkäfigs.
Entsprechend der 1, weist ein Abgasturbolader 1 ein Lagergehäuse 2 sowie ein Turbinengehäuse 3 auf, in welchem ein Turbinenrad 18 (vgl. 4) rotiert. Zwischen dem Lagergehäuse 2 und dem Turbinengehäuse 3 kann darüber hinaus eine variable Turbinengeometrie 4 mit einem Leitschaufelträger 5 und darin drehbar angeordneten Leitschaufeln 6 vorgesehen sein. Verstellt werden dabei die Leitschaufeln 6 über einen Verstellring 7. Zwischen der variablen Turbinengeometrie 4 und dem Lagergehäuse 2 kann darüber hinaus noch ein Hitzeschild 8 angeordnet sein, während zwischen dem Leitschaufelträger 5, den Leitschaufeln 6 und dem Turbinengehäuse 3 ein Leitschaufelkäfig 9 angeordnet ist. Der Leitschaufelkäfig 9 ist dabei zusammen mit der variablen Turbinengeometrie 4 dem heißen Abgasstrom ausgesetzt und unterliegt dadurch erheblichen Temperatureinflüssen. Die Funktion des Leitschaufelkäfigs 9 besteht üblicherweise darin, einen möglichst geringen und homogenen Spalt zum Turbinenrad 18 darzustellen. Dieser Spalt muss dabei so groß sein, dass Taumelbewegungen des Läufers (Turbinenrad und Welle), Fertigungstoleranzen sowie Zusammenbautoleranzen möglich sind, ohne dass es zu einer Berührung zwischen dem Turbinenrad 18 und dem Leitschaufelkäfig 9 kommt. Eine Rotationsachse 14 des Läufers wird durch das Lagergehäuse 2 vorgegeben. Um darüber hinaus die Anzahl der Zusammenbautoleranzen minimieren zu können, ist es für den Leitschaufelkäfig 9 erforderlich, dass seine Position ebenfalls direkt vom Lagergehäuse 2 aus vorgegeben wird.
Um die thermischen Spannungen zwischen den einzelnen Bauteilen so gering wie möglich halten zu können, ist insbesondere eine ungehinderte Wärmedehnung des Leitschaufelkäfigs 9 notwendig. Dieser wird sich, aufgrund seines direkten Kontakts mit dem Heißgas, sehr schnell und sehr stark erwärmen, wodurch sich dieser in radialer Richtung möglichst gleichmäßig ausdehnen möchte. Betrachtet man nun den Leitschaufelkäfig gemäß den 1 und 2, so ist erkennbar, dass dieser drei Arme 10a, 10b und 10c aufweist, über welche er zwischen dem Lagergehäuse 2 und dem Turbinengehäuse 3 in Axialrichtung fixiert eingeklemmt ist. In Radialrichtung hingegen ist eine Bewegung der Arme 10 möglich. Generell sollte dabei der Leitschaufelkäfig 9 zumindest zwei Arme 10 aufweisen, die sich dann beispielsweise gegenüberliegen, wobei aufgrund der statischen Bestimmtheit vorzugsweise drei Arme 10a, 10b und 10c vorgesehen sind, zwischen denen ein Winkel von jeweils ca. 120° liegt.
Die radiale Beweglichkeit, dass heißt den Freiheitsgrad in radialer Richtung, ermöglichen beispielsweise jeweils an den Armen 10a, 10b und 10c angeordnete Führungen 11a, 11b und 11c, die insbesondere als in Radialrichtung geschlossene oder nach außen offene Langlöcher ausgebildet sind. Die Führungen 11 wirken dabei beispielsweise mit am Lagergehäuse 2 fixierten Führungsstiften 12a, 12b und 12c zusammen, die in die armseitigen Führungen 11a, 11b und 11c eingreifen. Denkbar ist selbstverständlich auch, dass anstelle der Führungen 11 bzw. der lagergehäuseseitigen Führungsstifte 12 die Arme 10a, 10b und 10c in lagergehäuseseitigen Führungsausnehmen 13a, 13b und 13c aufgenommen sind, die ausschließlich eine Führung bzw. eine Bewegung in radialer Richtung ermöglichen, eine Bewegung in Axialrichtung bzw. in Umfangsrichtung des Leitschaufelkäfigs 9 jedoch unterbinden (vgl. insbesondere 4).
Betrachtet man die 3, so kann man eine stark übertrieben dargestellte Ausdehnung des Leitschaufelkäfigs 9 im erwärmten Zustand im Vergleich zum kalten Zustand erkennen, wobei das Maß L1 einen Abstand von einer Rotationsachse 14 bis zu einer Erhebung 15 beschreibt. Demgegenüber beschreibt das Maß L1+ dL den Abstand von der Rotationsachse 14 von der Erhebung 15', wobei das Bezugszeichen 15' die Erhebung 15 in stark erwärmtem Zustand bezeichnet. Der Leitschaufelkäfig 9 dehnt sich dabei in radialer Richtung 16 von seinem kalten Zustand 9 bis zu seinem erwärmten Zustand 9' aus.
Generell kann der Leitschaufelkäfig 9 als einteiliges Blechteil ausgebildet sein und dadurch insbesondere einen kostengünstigen, da einfachen, Herstellungsvorgang ermöglichen, oder aber die Arme 10 des Leitschaufelkäfigs 9 sind beispielsweise als gesonderte Bauteile ausgebildet. Zwischen dem Leitschaufelkäfig 9 und dem Turbinengehäuse 3 ist darüber hinaus eine Dichtung 17, insbesondere in der Art einer metallischen Faltdichtung, angeordnet, um unerwünschte Bypassströmungen von Heißgas zu vermeiden. Selbstverständlich kann darüber hinaus zwischen dem Turbinengehäuse 3 und dem Lagergehäuse 2 eine weitere Dichtung 17' angeordnet sein, um auch hier ein unerwünschtes Abströmen von Heißgas zu verhindern.
Mit dem erfindungsgemäßen Leitschaufelkäfig 9 ist eine in Radialrichtung gleichmäßige und damit rotationssymmetrische Ausdehnung desselben aufgrund dessen Erwärmung beim Betrieb des Abgasturboladers 1 möglich, wodurch insbesondere ein Kontakt zwischen dem Leitschaufelkäfig 9 und einem Turbinenrad 18 wirkungsvoll unterbunden und damit Beschädigungen vermieden werden können und darüber hinaus ein zwischen dem Turbinengehäuse 3 und dem Turbinenrad 18 bestehender Spalt klein gehalten werden kann, was sich positiv auf den Wirkungsgrad das Abgasturboladers 1 auswirkt. Erfindungsgemäß weist somit der Leitschaufelkäfig 9 einen Freiheitsgrad und zwar in radialer Richtung auf, während er in axialer Richtung und in Umfangsrichtung fixiert ist. Eine Fixierung in axialer Richtung erfolgt dabei durch ein Verklemmen des Leitschaufelkäfigs zwischen dem Lagergehäuse 2 einerseits und dem Turbinengehäuse 3 andererseits, während eine Fixierung des Leitschaufelkäfigs 9 in Umfangsrichtung beispielsweise durch die Führungen 11 bzw. eine Führungsausnehmung 13 bewirkt wird. Durch die Möglichkeit der radialen Ausdehnung können auch Temperaturspannungen minimiert bzw. gänzlich vermieden werden, wodurch einerseits ein Werkstoff mit geringerer Festigkeit eingesetzt werden könnte und/oder die Lebensdauer des Leitschaufelkäfigs 9 an sich verlängert werden kann. Ein mit einem derartigen Leitschaufelkäfig 9 ausgestatteter Abgasturbolader 1, kann beispielsweise Bestandteil eines, in einem Kraftfahrzeug eingesetzten Verbrennungsmotor sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2004/022926 A1 [0002]

Claims

Abgasturbolader (1) für ein Kraftfahrzeug, mit – einem Lagergehäuse (2) und einem Turbinengehäuse (3), – einem Turbinenrad (18) und einem Verdichterrad, die über eine gemeinsame Welle im Lagergehäuse (2) gelagert sind, – einem Leitschaufelkäfig (9), der das Turbinenrad (18) mit einem definierten Spalt umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufelkäfig (9) zumindest zwei Arme (10) aufweist, über welche er ausschließlich in Radialrichtung beweglich zwischen dem Lagergehäuse (2) und dem Turbinengehäuse (3) eingeklemmt ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufelkäfig (9) drei Arme (10a, 10b, 10c) aufweist, zwischen denen ein Winkel von ca. 120° vorgesehen ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem der Arme (10a, 10b, 10c) eine radiale Führung (11a, 11b, 11c) und am Lagergehäuse (2) ein jeweils zugehöriger und in der armseitigen Führung (11a, 11b, 11c) geführter Führungsstift (12a, 12b, 12c) vorgesehen ist, oder umgekehrt.
Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Lagergehäuse (2) für jeden der Arme (10) des Leitschaufelkäfigs (9) eine Führungsausnehmung (13) aufweist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, – dass der Leitschaufelkäfig (9) als einteiliges Blechteil ausgebildet ist, oder – dass die Arme (10) des Leitschaufelkäfigs (9) als gesonderte Bauteile ausgebildet sind.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Leitschaufelkäfig (9) und dem Turbinengehäuse (3) eine Dichtung (17), insbesondere eine metallische Faltdichtung, angeordnet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (17) nicht direkt einem Heißgasstrom ausgesetzt ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader (1) eine Kartusche mit einer Konturhülse und einem Leitschaufelträger (5) aufweist, die über den Leitschaufelkäfig (9) und das Turbinengehäuse (3) gegen ein Hitzeschild (8) bzw. eine Tellerfeder vorgespannt ist.
Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 9.