DE102008039093A1

DE102008039093A1 - Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102008039093A1
Application number: DE200810039093
Authority: DE
Inventors: Florian Rentz; Andreas Dr. Prang
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2010-02-25

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, mit - einem Turbinenrad und einem Verdichterrad, die über eine gemeinsame Welle in einem Lagergehäuse gelagert sind, und - einem Leitschaufelkäfig, der das Turbinenrad mit einem definierten Spalt umgibt. Erfindungswesentlich ist dabei, dass der Leitschaufelkäfig (1) zweiteilig aufgebaut ist, nämlich aus einem Ringelement (2) und einem separat dazu ausgebildeten Käfigelement (3), wobei an einem der beiden Elemente (2, 3) zumindest zwei Arme (4) angeordnet sind, über welche diese fest miteinander verbunden sind.

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. Die Erfindung betrifft desweiteren ein Verfahren zur Herstellung eines Leitschaufelkäfigs für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Ein gattungsgemäßer Abgasturbolader ist bspw. aus der WO 2004/022926 A1 bekannt, bei welchem innerhalb eines Turbinengehäuses, ein, ein Turbinenrad mit geringem Spalt umgebender Leitschaufelkäfig angeordnet ist. Dieser Leitschaufelkäfig ist einteilig, bspw. als Gussteil, ausgebildet. Das Herstellen der für einen derartigen Leitschaufelkäfig erforderlichen Gussform ist dabei jedoch aufwendig und teuer.
Aus der WO 2007/046798 A1 ist ein weiterer Abgasturbolader bekannt, welcher im Gegensatz zu vorgenanntem Dokument, einen zweitteilig ausgebildeten Leitschaufelkäfig aufweist. Die beiden Teile des Leitschaufelkäfigs sind dabei jedoch sowohl thermisch als auch mechanisch voneinander getrennt und einzeln an den jeweiligen Gehäuseteilen des Abgasturboladers angebunden.
Insbesondere das Ausbilden eines einteiligen Leitschaufelkäfigs als Gussteil, ist aufgrund der aufwendigen und komplizierten Geometrie für die Gussform teuer. Gleichzeitig stellen filigrane Teile eines derartig einteilig hergestellten Leitschaufelkäfigs üblicherweise Schwachstellen dar, denen erhöhte Aufmerksamkeit hinsichtlich der Qualität gewidmet werden muss.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Abgasturbolader der gattungsgemäßen Art, eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, bei welcher insbesondere der Leitschaufelkäfig einfacher aufgebaut und zu montieren ist.
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 aufwendigen und teuren Gussformenbau zur Herstellung eines Leitschaufelkäfigs zu vermeiden, in dem der Leitschaufelkäfig nicht wie bisher üblich einteilig, sondern nunmehr zweiteilig ausgebildet wird. Prinzipiell besteht dabei der erfindungsgemäße Leitschaufelkäfig aus einem Ringelement und einem separat dazu ausgebildeten Käfigelement, wobei an einem der beiden Elemente, vorzugsweise am Käfigelement, zumindest zwei, vorzugsweise drei, Arme angeordnet sind, welche im zusammengebauten Zustand des Leitschaufelkäfigs eine Verbindung zwischen den beiden Elementen darstellen. Ein derartiger Leitschaufelkäfig wird üblicherweise benötigt, um einen definierten Spalt zu einem Turbinenrad des Abgasturboladers zu erzeugen, der einerseits so groß ist, dass auch Taumelbewegungen des Turbinenrads nicht zu einer Berührung mit dem Leitschaufelkäfig führen, der andererseits aber nur gerade so groß ist, dass die vorgenannten Taumelbewegungen vermieden werden können, ebenso wie eine unerwünschte Bypassströmung. Mit dem erfindungsgemäß zweiteilig aufgebauten Leitschaufelkäfig, kann bspw. das Käfigelement desselben zusammen mit den Armen als Gussteil ausgebildet werden, während das Ringelement bspw. als kostengünstiges und besonders exakt zu fertigendes Drehteil ausgebildet werden kann. Durch die Aufteilung des Leitschaufelkäfigs in zwei separat zu fertigende Elemente, nämlich das Ringelement und das Käfigelement, kann eine aufwendige und komplizierte Formengeometrie zur Herstellung des vorzugsweise aus Guss ausgebildeten Käfigelements vermieden werden, wodurch einerseits eine kostengünstige Herstellung des Leitschaufelkäfigs möglich ist, andererseits zu dem Qualitätsprobleme vermieden werden können, die bspw. im Bereich der Arme, also im Bereich der filigranen Bauteile des Leitschaufelkäfigs häufig auftreten.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, sind das Käfigelement und das Ringelement des Leitschaufelkäfigs über die Arme miteinander verschweißt bzw. vernietet. Eine Verschweißung bzw. Vernietung bietet dabei eine feste, insbesondere auch dauerfeste, Verbindung zwischen den beiden Elementen des Leitschaufelkäfigs, wobei sowohl das Nieten als auch das Schweißen lang erprobte Verbindungsverfahren sind, mit welchen sich Verbindungen höchster Qualität realisieren lassen. Insbesondere bei einer Verbindung der beiden Elemente des Leitschaufelkäfigs über Nieten, kann darüber hinaus eine zumindest geringe Wärmeentkopplung der beiden Elemente voneinander erreicht werden, was sich ebenfalls positiv auf die Lebensdauer des Abgasturboladers auswirkt. Selbstverständlich sind dabei auch weitere Verbindungsverfahren, wie bspw. Löten, Kleben, Schrauben, etc. denkbar, sofern diese die in einem Abgasturbolader auftretenden hohen Temperaturen aufnehmen 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 Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Leitschaufelkäfigs,
2 einen Leitschaufelkäfig aus unterschiedlichen Perspektiven,
3 eine Schnittdarstellung durch den gemäß der 2 dargestellten Leitschaufelkäfig,
4 eine Darstellung wie in 3, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
5 ebenfalls eine Darstellung wie in 3, jedoch bei einer weiteren Ausführungsform.
Entsprechend der 1, ist ein erfindungsgemäßer Leitschaufelkäfig 1 zweiteilig, nämlich aus einem Ringelement 2 und einem separat dazu hergestellten Käfigelement 3 ausgebildet bzw. aufgebaut. Ein derartiger Leitschaufelkäfig 1 wird in einem nicht gezeigten Abgasturbolader eingesetzt und umgibt ein Turbinenrad des Abgasturboladers mit einem zumindest geringen radialen Spalt.
Dieser Spalt muss einerseits so groß sein, dass evtl. Taumelbewegungen des Turbinenrads nicht zu einer Berührung zwischen demselben und dem Käfigelement 3 führen, andererseits darf dieser Spalt auch nicht zu groß sein, um eine unerwünschte und die Leistung des Abgasturboladers vermindernde Bypassströmung zu verhindern. Bisher wurden derartige Leitschaufelkäfige einteilig ausgebildet, was zu einer komplexen und damit teuren Gussgeometrie führte, sofern der Leitschaufelkäfig als Gussteil ausgebildet war. Um einerseits eine derartig komplexe Gussgeometrie vereinfachen zu können und andererseits einen Leitschaufelkäfig 1 herstellen zu können, welcher auch im Bereich seiner Arme 4 qualitativ hochwertig ist, ist der erfindungsgemäße Leitschaufelkäfig 1 zweiteilig ausgebildet, nämlich aus den vorher genannten Elementen 2 und 3.
An einem der beiden Elemente 2, 3, hier am Käfigelement 3, sind dabei zumindest zwei Arme 4, gemäß den Darstellungen in den 1 bis 5, jeweils drei Arme 4 vorgesehen, insbesondere einteilig mit dem Käfigelement 3 ausgebildet, wobei eine Verbindung des Käfigelements 3 mit dem Ringelement 2 über die Arme 4 erfolgt. Die Anordnung von insgesamt drei Armen, welche um ca. 120° versetzt zueinander angeordnet sind, bietet dabei eine statisch bestimmte Lagerung, bei gleichzeitig minimaler Anzahl an Armen 4. Eine Verbindung zwischen den Armen 4 und dem Ringelement 2 erfolgt dabei üblicherweise über eine Verschweißung oder eine Vernietung, wobei selbstverständlich auch weitere Verbindungsverfahren, wie bspw. ein Verschrauben, ein Verkleben oder ein Verlöten, denkbar sind. Selbstverständlich ist dabei auch denkbar, dass die Arme 4 nicht wie in den 1 bis 5 gezeigt, am Käfigelement 3, sondern am Ringelement 2 angeordnet sind.
Vorzugsweise ist das Käfigelement 3 als Gussteil und das Ringelement 2 als Drehteil ausgebildet und gewähren dadurch eine einerseits kostengünstige und andererseits besonders exakte Herstellbarkeit. Neben einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Armen 4 und dem Ringelement 2, wie diese bspw. beim Verschweißen erfolgt, ist auch eine formschlüssige Verbindung zwischen den Armen 4 und dem Ringelement 2 denkbar. Hierzu sind bspw. die Arme 4 des Käfigelements 3 und das Ringelement 2 jeweils gestuft ausgebildet, wobei die Stufen an den Armen 4 und am Ringelement 2 komplementär zueinander ausgebildet sind, so dass das Ringelement 2 formschlüssig an den Armen 4 des Käfigelements 3 anliegt. Auch hier gilt wiederum, dass selbstverständlich die Arme 4 auch am Ringelement 2 angeordnet sein können.
Betrachtet man die 1 bis 3, so erkennt man, dass das Ringelement 2 nach radial außen abgestuft ist, wobei die Arme 4 des Käfigelements 3 eine komplementär dazu ausgebildete Stufung aufweisen und dadurch sowohl an einer Trittfläche 5 als auch an einer Setzfläche 6 einer ringelementseitigen Stufe 7 formschlüssig anliegen.
Demgegenüber ist gemäß der 4 das Ringelement 2 nach radial innen abgestuft, wobei die Anne 4 des Käfigelements 3 auch hier sowohl an einer Trittfläche 5 als auch an einer Setzfläche 6 der ringelementseitigen Stufe 7 formschlüssig anliegen. Im Gegensatz dazu, sind bei einem Leitschaufelkäfig 1 gemäß der 5, die Arme 4 über deren radiale Außenseite an einer Innenseite des Ringelements 2 angebunden. Selbstverständlich ist dabei auch denkbar, dass die Arme 4 über deren radiale Innenseite an einer Außenseite des Ringelements 2 angebunden sind. Denkbar sind hierbei selbstverständlich weitere formschlüssige Verbindungen zwischen den Armen 4 und dem Ringelement 2, so dass bspw. am Ringelement 2 eine Axialnut angeordnet sein kann, in welche die am Käfigelement 3 angeordneten Arme 4 formschlüssig eingreifen.
Mit dem erfindungsgemäßen, zweiteilig aufgebauten Leitschaufelkäfig 1, lässt sich derselbe deutlich kostengünstiger und einfacher hinsichtlich der Bearbeitung herstellen, wodurch insbesondere ein aufgrund einer komplexen Gussgeometrie hoher Rohteilpreis vermieden werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2004/022926 A1 [0002]
- WO 2007/046798 A1 [0003]

Claims

Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, mit – einem Turbinenrad und einem Verdichterrad, die über eine gemeinsame Welle in einem Lagergehäuse gelagert sind, – einem Leitschaufelkäfig, der das Turbinenrad mit einem definierten Spalt umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufelkäfig (1) zweiteilig aufgebaut ist, nämlich aus einem Ringelement (2) und einem separat dazu ausgebildeten Käfigelement (3), wobei an einem der beiden Elemente (2, 3) zumindest zwei Arme (4) angeordnet sind, über welche diese fest miteinander verbunden sind.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Käfigelement (3) als Gussteil und das Ringelement (2) als Drehteil ausgebildet sind.
Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Käfigelement (3) und das Ringelement (2) über die Arme (4) miteinander verschweißt oder vernietet sind.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme (4) am Käfigelement (3) angeordnet sind und über deren radiale Außenseite an einer Innenseite des Ringelementes (2) angebunden sind.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme (4) des Käfigelementes (3) und das Ringelement (2) jeweils gestuft ausgebildet sind, wobei die Stufen (7) an den Armen (4) und am Ringelement (2) komplementär zueinander ausgebildet sind, so dass das Ringelement (2) formschlüssig an den Armen (2) des Käfigelements (3) anliegt, oder dass die Arme (4) des Ringelementes (2) und das Käfigelement (3) jeweils gestuft ausgebildet sind, wobei die Stufen (7) an den Armen (4) und am Käfigelement (3) komplementär zueinander ausgebildet sind, so dass das Käfigelement (3) formschlüssig an den Armen (4) des Ringelements (2) anliegt.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringelement (2) nach radial innen abgestuft ist, wobei die Arme (4) des Käfigelementes (3) sowohl an einer Trittfläche (5) als auch an einer Setzfläche (6) der ringelementseitigen Stufe (7) formschlüssig anliegen.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme (4) am Käfigelement (3) angeordnet sind und über deren radiale Innenseite an einer Außenseite des Ringelementes (2) angebunden sind.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme (4) am Käfigelement (3) oder am Ringelement (2) angeordnet sind und formschlüssig in eine am Ringelement (2) oder am Käfigelement (3) angeordnete Axialnut eingreifen.
Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 9.
Verfahren zum Herstellen eines Leitschaufelkäfigs (1) für einen Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Leitschaufelkäfig (1) aus einem Ringelement (2) und einem separaten Käfigelement (3) zusammengebaut, insbesondere verschweißt oder vernietet wird.