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Die
Erfindung betrifft einen Turbolader für eine Brennkraftmaschine
mit einem Turbinengehäuse und einer darin befindlichen
Turbine mit einem Turbinenrad, wobei die Turbine mit einer verstellbaren
Turbinengeometrie aus verstellbaren Leitschaufeln zur veränderlichen
Einstellung eines Strömungseintrittsquerschnittes ausgestattet
ist, in den Abgas einströmt.
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Zur
Verbesserung der Leistung eines Abgasturboladers gehört
mittlerweile eine variable Turbinengeometrie wie sie zum Beispiel
in der
DE 100 29 640
A1 beschrieben wird, zum Stand der Technik. Die variable
Turbinengeometrie kann sowohl in der befeuerten Antriebsweise als
auch im Motorbremsbetrieb zur Leistungssteigerung eingesetzt werden.
Sie ist als verstellbares Leitgitter ausgebildet, welches einen
Trägering mit stirnseitig gehaltenen Leitschaufeln umfasst.
Die Leitschaufeln liegen im Strömungseintrittsquerschnitt
und können um die Drehachse zwischen einer minimalen Stauposition
und einer maximalen Öffnungsstellung verschwenkt werden.
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Ein
zur Gewährleistung der Funktion bei solchen Drehschaufel-Turbinengeometrien
notwendige Leitschaufelspalt wird bestimmt durch den Werkstoff und
die Geometrie der Leitschaufeln sowie durch die Position und den
Werkstoff von Distanzbuchsen, mit denen das Kaltspiel des Leitgitters
eingestellt wird. Eine weitere Einflussgröße ist
der durch thermische und mechanische Belastung entstehende Versatz zwischen
den beiden Laufflächen der Stirnseite des Leitschaufelträgers
und der bearbeiteten Gegenkontur des Turbinengehäuses,
zu denen die Leitschaufel stirnseitig mit möglichst kleinem
Spalt abschließen soll. Insbesondere bei großen
Abgasturbinen kann der Betriebsspalt von einer Leitschaufel zur
anderen merklich variieren. Um ein Klemmen der Leitschaufel mit
dem geringsten Spalt zu verhindern, ist man daher gezwungen, ein
relativ großes Kaltspiel vorzusehen und entsprechende Wirkungsgradeinbußen
in Kauf zu nehmen.
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Aus
der
DE 10 2004
038 748 A1 ist ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine
mit einer Abgasturbine im Abgasstrang und einem Verdichter im Ansaugtrakt
der Brennkraftmaschine bekannt. In dem Turbinengehäuse
der Abgasturbine ist ein dem Turbinenrad vorgelagerter Zuströmkanal
ausgebildet. Im Strömungseintrittsquerschnitt des Zuströmkanals
zum Turbinenrad ist eine variable Turbinengeometrie angeordnet,
welche als verstellbares Leitgitter ausgebildet ist. Das Leitgitter
umfasst einen Trägerring mit stirnseitig gehaltenen Leitschaufeln,
wobei der Trägering in einem Abschnitt des Gehäuses
aufgenommen ist. Erfindungsgemäß ist der Trägerring als
Bestandteil des Leitgitters in dem tragenden Wandabschnitt schwimmend
gelagert und die den Leitschaufeln abgewandte Rückseite
des Trägerrings ist mit dem Druck im Zuströmkanal
beaufschlagt. Da im Strömungseintrittsquerschnitt zum Turbinenrad aufgrund
der Strömungsbeschleunigung im Leitgitter ein geringerer
Druck als im Zuströmkanal herrscht, stellt sich eine auf
den Trägerring axial wirkende Kraftresultierende ein, die
den Trägerring in Richtung des den Strömungseintrittsquerschnitt
begrenzenden Wandabschnittes beaufschlagt. Die Leitschaufeln, welche
am Trägerring gehalten sind, werden durch diese Kraftresultierende
an die den Stirnseiten der Leitschaufeln benachbarte Wandung gedrückt,
wodurch Spaltmaße zuverlässig verhindert werden
und Leckageströme unterbunden werden. Dadurch wird der
Wirkungsgrad des Abgasturboladers erheblich verbessert und kann
insbesondere unter allen Betriebsbedingungen, also sowohl im kalten
als auch im warmen Betriebszustand aufrecht erhalten werden. Da
die Kraftresultierende allein aus der Druckdifferenz zwischen Vorderseite
und Rückseite des Trägerrings des Leitgitters
entsteht, sind keine aktiven, Energie konsumierenden Stellorgane
für die Verstellung des Leitgitters erforderlich. So können
aufwändige Steuerungen entfallen. Die Druckdifferenz zwischen
Rückseite des Trägerringes (hoher Druck) und Vorderseite
des Trägerringes (niedriger Druck) reicht aus, den Trägerring
einschließlich der Leitschaufeln in die gewünschte
Richtung zu verstellen. Die vorgeschlagene Lösung hat allerdings
auch Nachteile. Das heiße Abgas, das auf die Rückseite
des Trägerrings gelenkt wird, belastet das Gehäuse
für die Welle und insbesondere die Wellendichtung mit hohen
Temperaturen. Dadurch werden die Lagerung der Welle und das sie
umgebende Öl zusätzlich aufgeheizt. Außerdem
ist die durch gasdynamische Effekte zu bewegende Masse relativ groß.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
den Wirkungsgrad eines gattungsgemäßen Turboladers
mit variabler Turbinengeometrie mit einfachen Maßnahmen
zu verbessern und die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden.
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Diese
Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen von Anspruch
1. Demnach weist ein Turbolader für eine Brennkraftmaschine
ein Turbinengehäuse und eine darin befindliche Turbine
auf, wobei die Turbine mit einer verstellbaren Turbinengeometrie
aus verstellbaren Leitschaufeln zur veränderlichen Einstellung
eines Strömungseintrittsquerschnittes ausgestattet ist,
in den Abgas einströmt. Erfindungsgemäß ist
zwischen der verstellbaren Leitschaufel und dem Turbinengehäuse
ein schwimmend gelagerter Distanzring vorgesehen, welcher über
einen Druckkanal mit dem einströmenden Abgas verbunden
und rückwärtig von dem Abgas beaufschlagbar ist.
Dabei kann der Druckkanal in eine Wand des Turbinengehäuses
integriert sein. Diese Variante bietet sich insbesondere bei einem
gegossenen Turbinengehäuse an, da dann eine ausreichende
Wanddicke vorhanden ist. Alternativ wird der Druckkanal über
eine separate Rohrleitung geführt, was insbesondere bei
einem aus Blech gebauten Turbinengehäuse vorteilhaft ist.
Der Distanzring kann beispielsweise ein Gussteil sein. Kostengünstig
und leicht wird der Distanzring als Blechumformteil ausgeführt.
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Wahlweise
ist in dem Distanzring oder in der gegenüberliegenden Leitschaufel
eine lokale Ausprägung oder Erhebung angebracht, über
die abseits der Ausprägung ein Sollabstand zwischen Distanzring
und Leitschaufel definiert ist. Dadurch wird zum einen ein Leckagespalt
minimiert, gleichzeitig schabt das Leitgitter beim Verstellen aber
nicht über die gesamte Oberfläche des Distanzrings,
sondern nur über die lokale Ausprägung, was die
Reibung und die notwendigen Verstellkräfte reduziert. Der
Distanzring ist schwimmend gelagert, soll sich aber möglichst
nur in axialer Richtung zur Leitschaufel hin und weg bewegen. Der
Distanzring wird daher mindestens einseitig über eine Anlagefläche
geführt. Alternativ oder zusätzlich kann der Distanzring
beidseitig in einer Aufnahmenut des Turbinengehäuses geführt
sein, wodurch eine unkontrollierte Bewegung ausgeschlossen ist.
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In
einer weiteren bevorzugten Variante erstreckt sich der Distanzring
sowohl zwischen der verstellbaren Leitschaufel und dem Turbinengehäuse als
auch zumindest teilweise zwischen dem Turbinenrad und dem Turbinengehäuse.
Dies führt zu einer selbstdichtenden Fläche am
Turbinenrad selbst. Insbesondere wenn der Distanzring ein Blechumformteil
ist, kann auf das Blech des Distanzringes eine Verschleiß-
oder Einlaufschicht aufgebracht werden, die sich beim ersten Betrieb
des Turboladers am Turbinenrad durch die Rotation des Turbinenrades
abträgt und anschließend quasi mit Nullspalt am rotierenden
Turbinenrad anliegt ohne zu klemmen. Wahlweise kann der Distanzring
im Auslassbereich der Turbine schieben, oder der Distanzring ist
im Auslassbereich mit dem Turbinengehäuse beispielsweise
durch Schweißen verbunden.
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Nachfolgend
ist die Erfindung anhand der Figuren genauer beschrieben. Dabei
zeigen:
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1 einen
Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Turbolader 1 mit
einem gegossenen Turbinengehäuse 2,
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2 im
Detailausschnitt einen erfindungsgemäße Leitschaufel 60;
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3 im
Detailausschnitt einen erfindungsgemäßen Distanzring 13;
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4 einen
Schnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen
Turbolader 100 mit einem gegossenen Turbinengehäuse 20;
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5 einen
Schnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen
Turbolader 101 mit einem aus Blech gebauten Turbinengehäuse 200.
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Turbolader 1 mit
einem gegossenen Turbinengehäuse 2. Das Turbinengehäuse 2 ist
mit einem Lagergehäuse 3 verbunden, in dem eine
Welle 4 für ein Turbinenrad 5 befestigt
ist. Zudem sind an dem Lagergehäuse 3 Leitschaufeln 6 und 7 befestigt, die
verstellt werden können, um einen Strömungseintrittsquerschnitt
zu verändern. Abgas strömt durch den Abgaseinlassbereich 8 über
die Leitschaufeln 6 und 7 auf das Turbinenrad 5 und
treibt das Turbinenrad 5 an, bevor das Abgas das Turbinengehäuse 2 über
den Abgasaustrittsbereich 9 wieder verlässt. Den
Leitschaufeln 6 und 7 genau gegenüberliegend ist
ein umlaufender Distanzring 10 vorgesehen, der über
einen Druckkanal 11 mit dem einströmenden Abgas
im Abgaseintrittsbereich 8 verbunden ist. In dem hier dargestellten
Beispiel ist der Druckkanal 11 in die Gehäusewand
des Turbinengehäuses 2 integriert. Der Distanzring 10 ist
in einer Aufnahmenut 12 schwimmend gelagert, die wiederum
mit dem Druckkanal 11 in Verbindung steht. In dieser ebenfalls
umlaufenden Aufnahmenut 12 kann sich der Distanzring 10 axial
in Richtung Leitschaufeln 6 und 7 oder in Richtung
Turbinengehäuse 2 bewegen, nicht jedoch radial
in Richtung Turbinenrad 5. Da im Strömungseintrittsquerschnitt
zum Turbinenrad 5 aufgrund der Strömungsbeschleunigung
durch die Leitschaufeln 6 und 7 ein geringerer
Druck als im Abgaseinlassbereich 8 herrscht, stellt sich
eine auf den Distanzring 10 axial wirkende Kraftresultierende
ein, die den Distanzring 10 in Richtung der Leitschaufeln 6 und 7 beaufschlagt.
Der Distanzring 10 wird durch diese Kraftresultierende
an die Stirnseiten der Leitschaufeln 6 und 7 gedrückt,
wodurch Spaltmaße zuverlässig verhindert und Leckageströme
unterbunden werden. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Abgasturboladers
erheblich verbessert und kann insbesondere unter allen Betriebsbedingungen,
also sowohl im kalten als auch im warmen Betriebszustand aufrecht
erhalten werden. Da die Kraftresultierende allein aus der Druckdifferenz
zwischen Vorderseite und Rückseite des Distanzrings 10 entsteht,
sind keine aktiven, Energie konsumierenden Stellorgane für
die Verstellung des Distanzrings 10 erforderlich. So können
aufwändige Steuerungen entfallen. Die Druckdifferenz zwischen
Rückseite des Distanzrings 10 (hoher Druck) und
Vorderseite des Distanzrings 10 (niedriger Druck) reicht
aus, den Distanzring 10 in die gewünschte Richtung
zu verstellen. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird das Lagergehäuse 3 und
damit insbesondere die Dichtung der beweglich gelagerten Welle 4 nicht
zusätzlich thermisch belastet. Außerdem ist die
gasdynamisch zu bewegende Masse des Distanzrings 10 relativ
gering, dies gilt insbesondere dann, wenn der Distanzring aus einem
dünnen Blechumformteil gefertigt ist.
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2 zeigt
eine besonders ausgestaltete Leitschaufel 60. An der Leitschaufel 60 ist
auf ihrer Stirnseite gegenüber dem Distanzring 10 eine
lokale Erhebung 61 angebracht, über die abseits
der Erhebung 61 ein Sollabstand 62 zwischen Distanzring 10 und
Leitschaufel 60 definiert ist. Wird der Distanzring 10 rückwärtig
mit dem Druck des einströmenden Abgases aus dem Druckkanal 11 beaufschlagt,
legt sich der Distanzring 10 an die Erhebung 61 an.
Da der Distanzring 10 auf beiden Seiten in der Aufnahmenut 12 geführt
wird, ist eine unkontrollierte Bewegung des Distanzrings 10 ausgeschlossen.
Das verbliebene Spaltmaß 62 ist so gering, dass
die dadurch auftretende Leckage vernachlässigbar ist. Gleichzeitig sind
die Reibungskräfte, die die Leitschaufel 60 beim Verstellen
erfährt, auf den kleinen Bereich der Erhebung 61 beschränkt.
Diese erfindungsgemäße Lösung stimmt
die Parameter Leckage und Verstellkräfte optimal aufeinander
ab.
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3 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Variante. Diesmal
ist eine lokale Ausprägung 130 im Distanzring 13 angebracht.
Die Auswirkungen sind die gleichen wie in 2 beschrieben.
Wird der Distanzring 13 rückwärtig mit
dem Druck des einströmenden Abgases aus dem Druckkanal 11 beaufschlagt,
legt sich die Ausprägung 130 im Distanzring 13 an
die Leitschaufel 6 an. Da der Distanzring 13 auf beiden
Seiten in der Aufnahmenut 12 geführt wird, ist eine
unkontrollierte Bewegung des Distanzrings 13 ausgeschlossen.
Das verbliebene Spaltmaß 131 ist so gering, dass
die dadurch auftretende Leckage vernachlässigbar ist. Gleichzeitig
sind die Reibungskräfte, die die Leitschaufel 6 beim
Verstellen erfährt, auf den kleinen Bereich der Ausprägung 130 beschränkt. In
der 3 ist der Distanzring 13 ein ringförmiges umlaufendes
Blechformteil, in den relativ einfach durch Verprägen die
Ausprägung 130 eingebracht werden kann.
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4 zeigt
einen weiteren erfindungsgemäßen Turbolader 100.
Der Turbolader 100 besteht aus einem gegossenen Turbinengehäuse 20,
welches mit dem Lagergehäuse 3 verbunden ist.
Am Lagergehäuse 3 ist das Turbinenrad 5 befestigt,
welches im Turbinengehäuse 20 rotiert. Die Leitschaufeln 60 und 70 sind
jeweils mit lokalen Erhebungen versehen, um ein definiertes Spaltmaß sicherzustellen.
Der Druckkanal 11 ist in die Wand des Turbinengehäuses 20 integriert.
Der Distanzring 14 befindet sich in einer Ausnehmung 120 des
Turbinengehäuses 20 und kann rückwärtig
von dem durch den Druckkanal 11 aus dem Abgaseinlassbereich 8 einströmenden
Abgas beaufschlagt werden, wodurch sich der Distanzring 14 aufgrund
des geringeren Gegendrucks an die Ausprägungen der Leitschaufeln 60 und 70 anlegt und
dichtet. Über die Leitschaufel 60, 70 hinaus
erstreckt sich der Distanzring 14 über das Turbinenrad 5 in
den Abgasauslassbereich 9 des Turbinengehäuses 20.
Der Distanzring 14 legt sich durch den Anpressdruck des
einströmenden Abgases direkt an das Turbinenrad 5 an.
Da der Distanzring 14 aus einem im Verhältnis
zum Turbinenrad 5 weicheren Material besteht, wird der
Distanzring 14 gegebenenfalls beim ersten Anlaufen des
Turboladers 100 auf die Geometrie des rotierenden Turbinenrads 5 eingeschliffen.
In vorteilhafter Weise kann der Distanzring 14 dafür
mit einer Verschleiß- oder Einlaufschicht auf dem Blech
versehen sein. Vorteilhaft an der in 4 darge stellten
Ausführungsform ist die selbstdichtende Fläche
am Turbinenrad 5, wodurch nicht nur an den Leitschaufeln 60, 70,
sondern auch am Turbinenrad 5 die Leckagepfade minimiert
werden. Dies führt zu einem weiter verbesserten Gesamtwirkungsgrad des
Turboladers 100. Durch den optimalen Spalt und die minimierten
Verlustströmungen an den Leitschaufeln 60, 70 und
dem Turbinenrad 5 reduziert sich auch der Kraftstoffverbrauch.
Zudem wirkt der Distanzring 14 isolierend auf das Turbinengehäuse 20.
Durch den leichten Anpressdruck, der über die gasdynamischen
Effekte auf die Leitschaufeln 60 und 70 ausgeübt
wird, werden Vibrationen der Leitschaufeln 60 und 70 unterdrückt.
Beides wirkt sich positiv auf die Dauerhaltbarkeit des Turboladers 100 aus. Der
Distanzring 14 ist auf seiner Seite 141 unterhalb der
Leitschaufeln 60 und 70 an einer Anlagefläche 21 des
Turbinengehäuses 20 geführt. Er kann
sich in axialer Richtung zu den Leitschaufeln 60 und 70 bewegen.
An seinem anderen Ende 142 im Abgasauslassbereich 9 ist
der Distanzring 14 entweder mit dem Turbinengehäuse 20 fest
verbunden, beispielsweise verschweißt, oder aber der Distanzring 14 kann
im Auslassbereich 9 des Turbinengehäuses 20 schieben.
Dadurch kann der Distanzring 14 eine thermische Längenausdehnung
besser kompensieren. Gleichzeitig ist die Bewegungsmöglichkeit
des Distanzrings 14 durch das Turbinenrad 5 beschränkt. Der
Distanzring 14 kann daher nicht unkontrolliert wandern.
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In
der 5 ist ein Schnitt durch einen erfindungsgemäßen
Turbolader 101 mit einem aus Blech gebauten Turbinengehäuse 200 dargestellt.
Das gebaute Turbinengehäuse 200 ist dünnwandiger
und leichter als ein gegossenes Turbinengehäuse 2 oder 20.
Deshalb ist bei diesem Turbinengehäuse 200 der Druckkanal 110 in
einer separaten Rohrleitung außerhalb des eigentlichen
Turbinengehäuses 200 geführt. Der Distanzring 14 ist
an seiner einen Seite 141 unterhalb der Leitschaufeln 60 und 70 über
eine Anlagefläche 210 an einer Wand des Turboladergehäuses 200 über
einen Formschluss schwimmend gelagert. Da im Abgaseinlassbereich 8 und
im Druckraum 121 ein gleicher Druck herrscht, bewegt sich
der Distanzring 14 nur in axialer Richtung zu den Leitschaufeln 60 und 70,
wenn der Distanzring 14 über den Druckkanal 110 rückwärtig
mit dem einströmenden Abgas beaufschlagt wird. Ein Wandern
in den Abgaseinlassbereich 8 wird über den Gegendruck
des einströmenden Abgases unterbunden, ein Wandern in den
Abgasauslassbereich durch den Formschluss an der Anlagefläche 210 und
das Turbinenrad 5. Gegebenenfalls kann der Distanzring 14 auf
seiner Seite 142 im Abgasauslassbereich 9 des
Turbinengehäuses 200 mit dem Turbinengehäuse 200 fest
verbunden sein.
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Alle
dargestellten Varianten der Erfindung erhöhen den Gesamtwirkungsgrad
und die Dauerhaltbarkeit eines Turboladers 1, 100 und 101.
Als nachteilig kann nur die durch den Distanzring 10, 13 und 14 und
gegebenenfalls durch die separate Rohrleitung 110 erhöhte
Anzahl von Bauteilen angenommen werden. Dies fällt aber
gegenüber den Vorteilen nicht ins Gewicht.
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- 1
- Turbolader
- 2
- Turbinengehäuse
- 3
- Lagergehäuse
- 4
- Welle
- 5
- Turbinenrad
- 6
- Leitschaufel
- 7
- Leitschaufel
- 8
- Abgaseinlassbereich
- 9
- Abgasauslassbereich
- 10
- Distanzring
- 11
- Druckkanal
- 12
- Aufnahmenut
- 13
- Distanzring
- 14
- Distanzring
- 20
- Turbinengehäuse
- 21
- Anlagefläche
- 60
- Leitschaufel
- 61
- Erhebung
- 62
- Sollabstand
- 70
- Leitschaufel
- 100
- Turbolader
- 101
- Turbolader
- 110
- Druckkanal
- 120
- Ausnehmung
- 121
- Druckraum
- 130
- Ausprägung
- 131
- Sollabstand
- 141
- eine
Seite Distanzring
- 142
- andere
Seite Distanzring
- 200
- Turbinengehäuse
- 210
- Anlagefläche
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10029640
A1 [0002]
- - DE 102004038748 A1 [0004]