DE102008029342A1

DE102008029342A1 - Turbinengehäuse für einen Abgasturbolader und Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102008029342A1
Application number: DE102008029342A
Authority: DE
Inventors: Paul Dipl.-Ing. Löffler
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2009-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Turbinengehäuse (10) für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, mit zumindest einem mit einer Abgasflut eines Abgastrakts der Brennkraftmaschine koppelbaren Spiralkanal (12), einem stromab des zumindest einen Spiralkanals (12) angeordneten Aufnahmeraum (14) für ein Turbinenrad (18), welches mit dem durch den zumindest einen Spiralkanal (12) führbaren Abgas beaufschlagbar ist, und mit einem Bypasssystem (22), welches einen sich zwischen dem Spiralkanal (12) und einem stromab des Aufnahmeraums (14) angeordneten Abgasaustritt (16) erstreckenden Bypasskanal (24) zum Vorbeileiten von Abgas am Turbinenrad (18) sowie eine Bypassklappe (26) umfasst, die zwischen einer ersten Stellung, in welcher sie an einer Dichtfläche (28) auf Seiten des Bypasskanals (24) anliegt, und einer den Bypasskanal (24) freigebenden zweiten Stellung bewegbar ist, wobei dem Bypasskanal (24) ein Einsetzelement (30) zugeordnet ist, welches die Dichtfläche (28) umfasst und bei in die erste Stellung bewegter Bypassklappe (26) zum Abdichten des Bypasskanals (24) mit dieser zusammenwirkt. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit einem derartigen Turbinengehäuse (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Turbinengehäuse für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 9 angegebenen Art.
Ein derartiges Turbinengehäuse bzw. ein derartiger Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine sind dabei bereits aus dem Stand der Technik als bekannt zu entnehmen. Das Turbinengehäuse des Abgasturboladers umfasst zumindest einen mit einer Abgasflut eines Abgastrakts der Brennkraftmaschine koppelbaren Spiralkanal, einen stromab des zumindest einen Spiralkanals angeordneten Aufnahmeraum für ein Turbinenrad sowie ein Bypasssystem. Das Bypasssystem weist seinerseits einen sich zwischen dem Spiralkanal und einem stromab des Aufnahmeraums angeordneten Abgasaustritt erstreckenden Bypasskanal zum Vorbeileiten von Abgas am Turbinenrad sowie eine Bypassklappe auf, die zwischen einer ersten Stellung, in welcher sie an einer Dichtfläche auf Seiten des Bypasskanals anliegt, und einer den Bypasskanal freigebenden zweiten Stellung bewegbar ist. Das Bypasssystem erlaubt somit eine Ladedruckregelung, so dass bedarfsweise Abgas am Turbinenrad vorbei direkt zum Abgasaustritt geleitet werden kann, wodurch insbesondere in hohen Drehzahlbereichen der Brennkraftmaschine ein unerwünscht hohes Ansteigen der Drehzahl des Turbinenrads unterbunden werden kann.
Als nachteilig an den bekannten Turbinengehäusen bzw. Abgasturboladern ist dabei der Umstand anzusehen, dass es aufgrund von Temperaturschwankungen und Krafteinleitungen am Turbinengehäuse zu einem unzureichenden Anliegen der Bypassklappe an der Dichtfläche kommt. Hierdurch entstehen auch bei in die erste Stellung bewegter Bypassklappe unerwünschte Leckagen, die unabhängig von der Güte der Bearbeitung der Dichtfläche oder der Geometrie des Turbinengehäuses sind. Dies führt zu einer erheblichen Verringerung des Wirkungsgrads des mit dem Turbinengehäuse versehenen Abgasturboladers, da stets ein Teil der im Abgas vorhandenen Energie ungenutzt am Turbinenrad vorbeigeleitet wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Turbinengehäuse sowie einen Abgasturbolader mit einem derartigen Turbinengehäuse zu schaffen, welche einen erhöhten Wirkungsgrad ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Turbinengehäuse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. durch einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Turbinengehäuses als vorteilhafte Ausgestaltungen des Abgasturboladers und umgekehrt anzusehen sind.
Ein Turbinengehäuse, welches einen erhöhten Wirkungsgrad seines zugeordneten Abgasturboladers ermöglicht, ist erfindungsgemäß dadurch geschaffen, dass dem Bypasskanal ein Einsetzelement zugeordnet ist, welches die Dichtfläche umfasst und bei in die erste Stellung bewegter Bypassklappe zum Abdichten des Bypasskanals mit dieser zusammenwirkt. Mit Hilfe eines derartigen Einsetzelements ist es im Gegensatz zum Stand der Technik möglich, eine zuverlässige Abdichtung des Bypasskanals bei in die erste Stellung bewegter Bypassklappe sicherzustellen. Dabei kann das Material des Einsetzelements unabhängig vom Material des Turbinengehäuses gewählt werden, so dass auch bei hoher thermischer Belastung eine zuverlässige Abdichtung des Bypasskanals ermöglicht ist. Das erfindungsgemäße Turbinengehäuse kann beispielsweise als Gehäuse einer sogenannte Wastegate-Turbine ausgebildet sein und eignet sich grundsätzlich für alle Bautypen von Brennkraftmaschinen. Das Turbinengehäuse kann insbesondere auch für als Otto-Motoren ausgebildete Brennkraftmaschinen verwendet werden, bei denen vergleichsweise hohe Abgastemperaturen mit entsprechenden thermischen Belastungen des Turbinengehäuses auftreten können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dichtfläche des Einsetzelements als zumindest überwiegend verzugsfreie Planfläche ausgebildet ist. Hierdurch ist unter allen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine bzw. des zugeordneten Abgasturboladers sichergestellt, dass die Bypassklappe in der ersten Stellung stets bündig an der Dichtfläche anliegen und damit den Bypasskanal gasdicht verschließen kann.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem der Bypasskanal einen vergrößerten Querschnittsbereich umfasst, in welchem das Einsetzelement zumindest abschnittsweise angeordnet ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Montage des Einsetzelements, welches beispielsweise in den vergrößerten Querschnittsbereich des Bypasskanals eingepresst werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Einsetzelement zumindest einen Innenwandbereich des Bypasskanals bildet. Hierdurch werden eine möglichst gleichmäßige Erwärmung des Einsetzelements während des Betriebs des Turbinengehäuses bzw. des Abgasturboladers sowie eine erhöhte mechanische Stabilität erzielt.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem das Einsetzelement mittels eines Dichtelements, insbesondere eines Kolbenrings, gegenüber einem Wandbereich des Bypasssignals abgedichtet ist. Auf diese Weise wird unabhängig vom Betriebszustand des Turbinengehäuses bzw. des Abgasturboladers eine zuverlässige Gasdichtigkeit sichergestellt. Zudem können in Abhängigkeit der geometrischen und werkstoffseitigen Auslegung von Turbinengehäuse und Einsetzelement während des Betriebs des zugeordneten Abgasturboladers auftretende thermische Relativbewegungen konstruktiv einfach und ohne Druckverluste kompensiert werden.
Eine konstruktiv einfache, kostengünstige und betriebssichere Festlegung des Einsetzelements ist in weiterer Ausgestaltung dadurch ermöglicht, dass das Einsetzelement mittels zumindest eines Sicherungsstifts lagegesichert am Turbinengehäuse gehalten ist.
Dabei hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, wenn der zumindest eine Sicherungsstift zwischen dem Dichtelement und der Dichtfläche angeordnet ist. Auf diese Weise kann der zumindest eine Sicherungsstift einerseits selbst als zusätzliches Dichtelement wirken und erlaubt andererseits einen temperatur- und betriebskraftbedingten Längenspielausgleich des Einsetzelements entlang einer Längenerstreckung des Einsetzelements.
In einer weiteren vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Einsetzelement mittels eines vorzugsweise ringförmigen Halteelements am Turbinengehäuse gehalten ist. Dies ermöglicht die Bereitstellung einer zuverlässigen und einfach montierbaren Lagesicherung des Einsetzelements. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Halteelement derart an das Einsetzelement angepasst ist, dass es einen Ausgleich eines thermisch bedingten Spiels zwischen dem Einsetzelement und dem Turbinengehäuse erlaubt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, wobei ein erhöhter Wirkungsgrad erfindungsgemäß dadurch ermöglicht ist, dass ein Turbinengehäuse des Abgasturboladers gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiel ausgebildet ist. Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind aus den entsprechenden, vorstehend erläuterten Beschreibungen zu entnehmen.
Ein besonders hoher Wirkungsgrad ist dabei in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch geschaffen, dass der Abgasturbolader als Hochdruckstufe eines mehrstufigen Aufladungssystems ausgebildet ist. Insbesondere bei zwei- oder mehrstufigen Aufladungen wird somit ein besonders hoher Wirkungsgrad ermöglicht, da Hochdruckstufen besonders leckagesensitiv sind. Aufgrund der zuverlässigen und betriebssicheren Verschließbarkeit des Bypasskanals ist mit Hilfe des erfindungsgemäßen Abgasturboladers bzw. des Turbinengehäuses eine besonders zuverlässige Ladedruckregelung bei hohem Wirkungsgrad ermöglicht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
1 eine schematische seitliche Schnittansicht eines Turbinengehäuses eines Abgasturboladers gemäß dem Stand der Technik;
2 eine schematische seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Turbinengehäuses eines Abgasturboladers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und
3 eine schematische seitliche Schnittansicht eines Bypasskanals des erfindungsgemäßen Turbinengehäuses gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht eines Turbinengehäuses 10 eines Abgasturboladers (nicht gezeigt) gemäß dem Stand der Technik. Das Turbinengehäuse 10 umfasst einen mit einer Abgasflut eines Abgastrakts einer Brennkraftmaschine koppelbaren Spiralkanal 12, einen stromab des Spiralkanals 12 angeordneten Aufnahmeraum 14 sowie einen stromab des Aufnahmeraums 14 angeordneten Abgasaustritt 16. Innerhalb des Aufnahmeraums 14 ist dabei ein Turbinenrad 18 angeordnet, welches mit dem durch den Spiralkanal 12 führbaren Abgas beaufschlagbar ist und hierdurch über eine Welle 20 in an sich bekannter Weise ein Verdichterrad auf Seiten eines Verdichters des Abgasturboladers antreiben kann. Das Turbinengehäuse 10 umfasst weiterhin ein Bypasssystem 22, welches einen sich zwischen dem Spiralkanal 12 und dem Abgasaustritt 16 erstreckenden Bypasskanal 24 sowie eine Bypassklappe 26 aufweist, die gemäß Doppelpfeil I zwischen einer ersten Stellung, in welcher sie an einer Dichtfläche 28 auf Seiten des Bypasskanals 24 anliegt, und einer den Bypasskanal 24 freigebenden zweiten Stellung bewegbar ist. Durch ein Bewegen der Bypassklappe 26 in die zweite Stellung kann mit anderen Worten Abgas am Turbinenrad vorbeigeleitet werden, wodurch ein unerwünscht hohes Ansteigen einer Drehzahl des Turbinenrads 18 verhindert werden kann. Das Bypasssystem 22 ist jedoch aufgrund seiner Position im heißen Abgasstrom thermisch hoch belastet, so dass aufgrund des Temperatureinflusses und Krafteinleitungen am Turbinengehäuse 10 Leckagen bei in die erste Stellung bewegter Bypassklappe 26 auftreten. Diese sind weitgehend unabhängig von der Güte der Bearbeitung oder der geometrischen Ausgestaltung des Bypasssystems 22 bzw. des Turbinengehäuses 10.
2 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Turbinengehäuses 10 eines Abgasturboladers (nicht gezeigt) gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Der grundsätzliche Aufbau des Turbinengehäuses 10 ist dabei bereits aus der vorhergehenden Beschreibung bekannt. Im Unterschied zum Stand der Technik ist jedoch dem Bypasskanal 24 ein Einsetzelement 30 zugeordnet, welches die Dichtfläche 28 umfasst und bei in die erste Stellung bewegter Bypassklappe 26 zum Abdichten des Bypasskanals 24 mit dieser zusammenwirkt. Auf diese Weise kann ein zuverlässiges Verschließen des Bypasskanals 24 auch unter extremen Temperaturbedingungen oder Krafteinleitungen in das Turbinengehäuse 10 sichergestellt werden. Hierdurch wird zuverlässig verhindert, dass Abgas unerwünschterweise durch den Bypasskanal 24 am Turbinenrad 18 vorbeigeleitet wird, wodurch der Wirkungsgrad des mit dem erfindungsgemäßen Turbinengehäuse 10 versehenen Abgasturboladers signifikant gesteigert wird. Die Dichtfläche 28 des Einsetzelements 30 ist dabei als verzugsfreie Planfläche ausgebildet, so dass ein zuverlässiges Anliegen der Bypassklappe 26 an der Dichtfläche 28 gewährleistet ist, wenn sie in die erste Stellung bewegt ist. Der Bypasskanal 24 weist einen vergrößerten Querschnittsbereich 32 auf, in welchem das Einsetzelement 30 abschnittsweise angeordnet ist. Der vergrößerte Querschnittsbereich 32 und das Einsetzelement 30 sind dabei derart aneinander angepasst, dass eine Bohrung des Einsetzelements 30 einen Innenwandbereich des Bypasskanals 24 bildet und bündig an dessen kleineren Querschnittsbereich 36 anschließt. Das Einsetzelement 30 (Insert) ist dabei mittels eines als Kolbenring ausgebildeten Dichtelements 38 gegenüber dem angrenzenden Wandbereich des Bypasskanals 24 abgedichtet. Zum betriebssicheren Lagefixieren des Einsetzelements 30 am Turbinengehäuse 10 ist ein ringförmiges Halteelement 40 vorgesehen, mittels welchem das Einsetzelement 30 auf Seiten des Abgasaustritts 16 am Turbinengehäuse 10 festgelegt ist. Hierzu weisen das Halteelement 40 und das Einsetzelement 30 miteinander korrespondierende Anschläge 42 auf, wobei diese spielbehaftet ausgebildet sind und eine insbesondere thermisch induzierte Relativbewegung zwischen dem Einsetzelement 30 und dem Turbinengehäuse 10 erlauben. Hierdurch ist es möglich, dass sich das Einsetzelement 30 bei wechselnden Betriebsbedingungen im Wesentlichen senkrecht zu einer Achse A des Bypasskanals ausdehnen bzw. zusammenziehen kann, wodurch für das Turbinengehäuse 10 und das Einsetzelement 30 unterschiedliche und optimal an die jeweiligen Anforderungen anpassbare Materialien verwendet werden können. Das gezeigte Turbinengehäuse 10 kann beispielsweise als Gehäuse einer sogenannten Wastegate-Turbine verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der mit dem Turbinengehäuse 10 versehene Abgasturbolader als Stufe eines mehrstufigen Aufladungssystems ausgebildet ist. Aufgrund der hohen Leckagesicherheit des erfindungsgemäßen Turbinengehäuses 10 ist dabei eine Verwendung des Abgasturboladers als Hochdruckstufe besonders vorteilhaft.
3 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht des Bypasskanals 24 des erfindungsgemäßen Turbinengehäuses 10 gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels. Im Unterschied zum in 2 gezeigten Einsetzelement 30 sind vorliegend zwei Sicherungsstifte 44 vorgesehen, mittels welchen das Einsetzelement 30 lagegesichert am Bypasskanal 24 bzw. am Turbinengehäuse 10 gehalten ist. Alternativ können auch nur ein oder mehr Sicherungsstifte 44 oder zusätzlich das in 2 gezeigte Halteelement 40 vorgesehen sein. Die Sicherungsstifte 44 sind dabei zwischen dem Dichtelement 38 und der Dichtfläche 28 angeordnet. Das Einsetzelement 30 ist im vergrößerten Querschnittsbereich 32 des Bypasskanals 24 mit einem Spiel 46a gegenüber dem kleineren Querschnittsbereich 36 und im Endbereich des Bypasskanals 24 mit einem Spiel 46b zwischen dem Turbinengehäuse 10 und der Dichtfläche 28 angeordnet, wodurch während des Betriebs auftretende Relativbewegungen und unterschiedliche Ausdehnungen zwischen dem Turbinengehäuse 10 und dem Einsetzelement 30 ausgeglichen und das Auftreten von Verspannungen vermieden werden können.

Claims

Turbinengehäuse (10) für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, mit zumindest einem mit einer Abgasflut eines Abgastrakts der Brennkraftmaschine koppelbaren Spiralkanal (12), einem stromab des zumindest einen Spiralkanals (12) angeordneten Aufnahmeraum (14) für ein Turbinenrad (18), welches mit dem durch den zumindest einen Spiralkanal (12) führbaren Abgas beaufschlagbar ist, und mit einem Bypasssystem (22), welches einen sich zwischen dem Spiralkanal (12) und einem stromab des Aufnahmeraums (14) angeordneten Abgasaustritt (16) erstreckenden Bypasskanal (24) zum Vorbeileiten von Abgas am Turbinenrad (18) sowie eine Bypassklappe (26) umfasst, die zwischen einer ersten Stellung, in welcher sie an einer Dichtfläche (28) auf Seiten des Bypasskanals (24) anliegt, und einer den Bypasskanal (24) freigebenden zweiten Stellung bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bypasskanal (24) ein Einsetzelement (30) zugeordnet ist, welches die Dichtfläche (28) umfasst und bei in die erste Stellung bewegter Bypassklappe (26) zum Abdichten des Bypasskanals (24) mit dieser zusammenwirkt.
Turbinengehäuse (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche (28) des Einsetzelements (30) als zumindest überwiegend verzugsfreie Planfläche ausgebildet ist.
Turbinengehäuse (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (24) einen vergrößerten Querschnittsbereich (32) umfasst, in welchem das Einsetzelement (30) zumindest abschnittsweise angeordnet ist.
Turbinengehäuse (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsetzelement (30) zumindest einen Innenwandbereich des Bypasskanals (24) bildet.
Turbinengehäuse (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsetzelement (30) mittels eines Dichtelements (38), insbesondere eines Kolbenrings, gegenüber einem Wandbereich des Bypasskanals (24) abgedichtet ist.
Turbinengehäuse (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsetzelement (30) mittels zumindest eines Sicherungsstifts (44) lagegesichert am Turbinengehäuse (10) gehalten ist.
Turbinengehäuse (10) nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sicherungsstift (44) zwischen dem Dichtelement (38) und der Dichtfläche (28) angeordnet ist.
Turbinengehäuse (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsetzelement (30) mittels eines vorzugsweise ringförmigen Halteelements (40) am Turbinengehäuse (10) gehalten ist.
Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, umfassend ein Turbinengehäuse (10) mit zumindest einem mit einer Abgasflut eines Abgastrakts der Brennkraftmaschine koppelbaren Spiralkanal (12), einem stromab des zumindest einen Spiralkanals (12) in einem Aufnahmeraum (14) angeordneten Turbinenrad (18), welches mit dem durch den zumindest einen Spiralkanal (12) führbaren Abgas beaufschlagbar ist, und mit einem Bypasssystem (22), welches einen sich zwischen dem Spiralkanal (12) und einem stromab des Aufnahmeraums (14) angeordneten Abgasaustritt (16) erstreckenden Bypasskanal (24) zum Vorbeileiten von Abgas am Turbinenrad (18) sowie eine Bypassklappe (26) umfasst, die zwischen einer ersten Stellung, in welcher sie an einer Dichtfläche (28) auf Seiten des Bypasskanals (24) anliegt, und einer den Bypasskanal (24) freigebenden zweiten Stellung bewegbar ist dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Hochdruckstufe eines mehrstufigen Aufladungssystems ausgebildet ist.