DE102008061687A1

DE102008061687A1 - Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102008061687A1
Application number: DE102008061687A
Authority: DE
Inventors: Ben Ferguson; Oliver-Hermann Frie; Roland Schiefele
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: 2008-12-11
Publication date: 2009-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1) für ein Kraftfahrzeug, mit - einem Lagergehäuse (2) und einem Turbinengehäuse (3), - einem Turbinenrad (4) und einem Verdichterrad, die über eine gemeinsame Welle im Lagergehäuse (2) gelagert sind, - einem Leitschaufelkäfig (11), der das Turbinenrad (4) mit einem definierten Spalt umgibt. Erfindungswesentlich ist dabei, dass der Leitschaufelkäfig (11) zumindest zwei Arme (14) aufweist, über welche er sich direkt oder indirekt am Lagergehäuse (2) und/oder am Turbinengehäuse (3) abstützt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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 vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Leitschaufelkäfig in einem Abgasturbolader, welcher üblicherweise dazu da ist, einen Ringspalt zu einem Turbinenrad möglichst gering zu halten, über zumindest zwei Arme direkt oder indirekt an einem Lagergehäuse und/oder an einem Turbinengehäuse des Abgasturboladers abzustützen. Im Vergleich zu herkömmlichen Leitschaufelkäfigen, bei welchen üblicherweise drei Arme beiderends in einem Ring eingefangen sind, weist der erfindungsgemäße Leitschaufelkäfig lediglich zumindest zwei, vorzugsweise auch drei, Arme auf, die jedoch nur einenends in einem Ring eingefangen sind, während sie anderenends frei auslaufen und dadurch äußerst unempfindlich gegenüber thermischen Belastungen sind. Die thermische Unempfindlichkeit resultiert dabei insbesondere aus dem einenends freien Auslaufen der Arme, wodurch diese gegebenenfalls auftretenden Temperaturspannungen einfacher nachgeben können. Die Arme können dabei entweder an den Leitschaufelkäfig angebaut oder einteilig mit diesem ausgebildet, insbesondere angeformt sein. Mit dem erfindungsgemäßen Leitschaufelkäfig ist eine darüber hinaus exakte Zentrierung desselben bezüglich des Turbinenrads ohne kritische mechanische Spannungen in den Armen und umgebenden Bauteilen möglich. Hierdurch wird insbesondere die Gefahr einer Rissbildung deutlich reduziert. Auch ist die gusstechnische Herstellung eines derartigen Leitschaufelkäfigs deutlich einfacher, da der flüssige Gusswerkstoff in Fließrichtung lediglich von einem großen zu einem kleiner werdenden Volumen fließen muss. Von weiterem besonderen Vorteil ist dabei, dass teurer Werkstoff, wie bspw. hochwarmfester Stahl, weitestgehend auf die thermisch hochbelasteten und unmittelbar am/im Abgasstrom liegenden Bereiche des Leitschaufelkäfigs reduziert wird, wodurch sich insgesamt geringere Herstellkosten ergeben.
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 vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, weist das Turbinengehäuse eine dem Verdichtergehäuse zugewandte und als Dichtung wirkende Beißkante auf. Eine solche Beißkante gräbt sich beim Verbinden des Verdichtergehäuses mit dem Turbinengehäuse in eine Verbindungsfläche des Verdichtergehäuses ein und verbindet somit das Turbinengehäuse dicht mit dem Verdichtergehäuse. Eine zusätzliche Dichtung, wie sie bspw. bisher erforderlich war, kann dadurch entfallen. Selbstverständlich kann eine derart als Beißkante ausgebildete Dichtung auch anderenorts in einer Ladeeinrichtung, insbesondere in einem Abgasturbolader eingesetzt werden, wobei als Einsatzgebiet insbesondere ein zwischen einem Turbinengehäuse und einem Lagergehäuse eingeklemmter Schaufellagerring denkbar ist. Die Ausbildung der Beißkante selbst kann dabei unterschiedlichste Formen annehmen, wobei zur Erzielung der gewünschten Dichtwirkung lediglich erforderlich ist, dass sich die Beißkante dicht in die gegenüberliegende Verbindungsfläche eingräbt. Im Vergleich zu herkömmlichen Dichtungen, lässt sich eine derartige Beißkante äußerst rationell und kostengünstig herstellen und erleichtert darüber hinaus die Montage, da das Montieren einer zusätzlichen Dichtung nicht mehr erforderlich ist.
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 Längsschnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader,
2 eine andere Ausführungsform eines Abgasturboladers mit einem auf jeder Stirnseite eine Beißkante aufweisenden Schaufellagerring,
3a–i unterschiedlichste Ausgestaltungsformen einer derartigen Beißkante.
Entsprechend der 1, weist ein Abgasturbolader 1 ein Lagergehäuse 2 sowie ein damit verbundenes Turbinengehäuse 3 auf, wobei im letzteren ein Turbinenrad 4 drehbar angeordnet ist. Das Turbinenrad 4 ist drehfest mit einer Welle 5 verbunden, welche im Lagergehäuse 2 drehbar gelagert ist. Von dem gesamten Abgasturbolader 1 ist gemäß der 1 lediglich eine obere Hälfte dargestellt. Um die Leistung des Abgasturboladers 1 verbessern zu können, weist dieser eine variable Turbinengeometrie auf, die im Wesentlichen einen Schaufellagerring 6, Leitschaufeln 7 sowie einen Verstellring 8 umfasst. Die Leitschaufeln 7 sind dabei über einen Schaufellagerzapfen 9 drehbar im Schaufellagerring 6 gelagert und weisen jeweils einen mit dem Verstellring 8 zusammenwirkenden Verstellhebel 10 auf.
Darüber hinaus besitzt der Abgasturbolader 1 einen Leitschaufelkäfig 11, der eine kreisförmige Deckscheibenkontur 12 und optional eine ebenfalls kreisförmige Turbinenradkontur 13 umfasst. Die Turbinenradkontur 13 umgibt dabei das Turbinenrad 4 mit einem definierten Spalt, der zur Leistungssteigerung so klein als möglich gehalten werden sollte. Erfindungsgemäß ist nun der Leitschaufelkäfig 11 über zumindest zwei Arme 14, vorzugsweise über drei Arme 14, direkt am Lagergehäuse 2 abgestützt. Dabei ist denkbar, dass die Deckscheibenkontur 12 und die Arme 14 einstückig ausgebildet sind oder aber dass die Arme 14 an einer Verbindungsfläche 15 mit der Deckscheibenkontur 12 verbunden sind. Erfindungswesentlich ist dabei, dass die Arme 14 zwar einenends in die ringförmige Deckscheibenkontur 12 eingebunden sind, anderenends jedoch frei auslaufen und sich dadurch aufgrund ihrer Länge spannungsarm an entsprechend auftretende Temperaturspannungen anpassen können. Dabei kann sich der Leitschaufelkäfig 11, wie dies in 1 gezeigt ist, am Lagergehäuse 2 abstützen, wobei auch denkbar ist, dass er bei einer entsprechenden anderen Ausbildung sich am Turbinengehäuse 3 oder alternativ an beiden Gehäuseteilen 2, 3 abstützt.
Mit dem erfindungsgemäßen Leitschaufelkäfig 11 kann somit ein Leitschaufelkäfig realisiert werden, welcher äußerst robust gegenüber Temperaturspannungen ist und welcher aufgrund seiner relativ elastischen Arme 14 deutlich weniger zu einer Rissbildung neigt als herkömmliche Leitschaufelkäfige, bei welchen die Arme 14 beidenends in einen Ring eingespannt sind.
Um den Leitschaufelkäfig 11 möglichst exakt ausrichten zu können, kann am Lagergehäuse 2 ein für die Arme 14 entsprechender Einpass vorgesehen sein, in welche die Arme 14 eingreifen und dadurch den Leitschaufelkäfig ausrichten. Vorzugsweise sind dabei die Arme 14 des Leitschaufelkäfigs 11 umfangsmäßig gleichmäßig verteilt, so dass bspw. bei drei Armen 14 zwischen diesen jeweils ein Winkel von 120° vorgesehen ist. Betrachtet man die 1 weiter, so kann man erkennen, dass im Bereich der Arme 14 ein Axial-/Radialanschlag 16 für den Schaufellagerring 6 vorgesehen ist, wodurch zusätzlich eine Positionierhilfe gegeben ist. Selbstverständlich kann ein derartiger Axial-/Radialanschlag auch an der Deckscheibenkontur 12 des Leitschaufelkäfigs 11 vorgesehen sein. Um dabei den Schaufellagerring 6 zuverlässig am Axial-/Radialanschlag 16 fixieren zu können, kann zusätzlich eine nicht gezeigte Federeinrichtung vorgesehen sein, welche bspw. als Tellerfeder ausgebildet ist, und welche den Schaufellagerring 6 gegen den Axial-/Radialanschlag 16 der Deckscheibenkontur 12 bzw. der Arme 14 vorspannt.
Um insbesondere die variable Turbinengeometrie, das heißt bspw. den Verstellring 8, vor einer übermäßigen Temperaturbelastung schützen zu können, kann eine ringartige Scheibe 17 vorgesehen sein, die von den Armen 14 des Leitschaufelkäfigs 11 durchdrungen ist und die einen Hitzeschutzschild für die variable Turbinengeometrie bzw. für das Lagergehäuse 2 bildet.
Mit dem erfindungsgemäßen Leitschaufelkäfig 11 kann eine exakte Positionierung desselben relativ zum Lagergehäuse 2 und zum Turbinenrad 4 erreicht werden, wobei bei einer thermischen Dehnung des Leitschaufelkäfigs 11 relativ zum Lagergehäuse 2 die Arme 14, welche vorzugsweise in gleichmäßiger Teilung am Umfang angeordnet sind, gleichmäßig elastisch verformt werden, wobei infolge der Länge bzw. der Schlankheit der Arme 14 die sich aufbauenden• Spannungen gering bleiben und üblicherweise ohne Rissbildungen ertragen werden können. Dies bedeutet, dass die Zentrier-/Positionierfunktion der Arme 14 über den gesamten Temperaturbereich erhalten bleibt. Falls es erforderlich erscheint, ist durch eine geeignete Gestaltung der Arme 14 auch erreichbar, dass ein elastischer Ausgleich in radialer Richtung ohne Verschiebungen in axialer Richtung erfolgen kann. Darüber hinaus lässt sich ein derartiger Leitschaufelkäfig 11 deutlich einfacher herstellen, als bisher bekannte Leitschaufelkäfige, da bei einem Gussverfahren einfach von einem größeren Volumen ausgehend in einem kleineren Volumen hin gegossen bzw. gespritzt werden kann. Darüber hinaus ist für den erfindungsgemäßen Leitschaufelkäfig 11 ein deutlich reduzierter Materialaufwand erforderlich, so dass dieser bezüglich der Werkstoffkosten günstiger hergestellt werden kann. Denkbar ist dabei auch, dass ein sehr teurer Werkstoff, bspw. ein hochwarmfester Stahl, ausschließlich die Turbinenradkontur 13 bzw. die Deckscheibenkontur 12 des Leitschaufelkäfigs 11 verwendet wird, während die Arme 14 aus einem anderen, insbesondere kostengünstigeren Material gefertigt sind.
Gemäß der 2 ist ein Schaufellagerring 6 gezeigt, welcher zwischen dem Turbinengehäuse 3 und dem Lagergehäuse 2 eingespannt ist und welcher jeweils dem Turbinengehäuse 3 und dem Lagergehäuse 2 zugewandt eine Beißkante 18 (vgl. Detaildarstellung a in 2) aufweist, mit welcher er sich beim Zusammenbau des Abgasturboladers 1 in die ihm zugewandten Flächen des Lagergehäuses 2 bzw. des Turbinengehäuses 3 eingräbt und dadurch eine dichte Verbindung zwischen diesen Bauteilen herstellt. Denkbar ist dabei auch, dass das Turbinengehäuse 3 eine dem Lagergehäuse 2 oder einem Verdichtergehäuse zugewandte und als Dichtung wirkende Beißkante 18 aufweist, welche darüber hinaus vorzugsweise ringförmig ausgebildet ist. Mögliche Ausführungsformen für derartige Beißkanten sind gemäß der 3 dargestellt. So ist gemäß 3c bspw. eine tannenbaumartige Beißkantenstruktur zu erkennen, die zudem zweireihig ausgebildet ist. Denkbar sind auch keilförmige Beißkanten 18, wie dies bspw. gemäß der 3c und 3d dargestellt ist. Die Beißkanten 18 müssen dabei nicht nur im zwischenliegenden Bauteil angeordnet sein, sondern können rein theoretisch in jedem der miteinander zu verbindenden Bauteile angeordnet werden. Eine derartige Beißkante 18 kann bspw. durch eine Paarung einer Schräge mit einer senkrechten, stufenartigen Beißkante 18, gebildet werden, wie dies bspw. gemäß der 3h dargestellt ist. Gemäß der 3i ist eine versenkte und dadurch schüttgutsichere Beißkante 18 dargestellt.
Generell weisen derartige Beißkanten 18 den großen Vorteil auf, dass diese kostengünstig und vorzugsweise sogar in einem einzigen Herstellungsschritt zusammen mit dem Bauteil, an welchem sie angebracht sind, hergestellt werden können und dadurch eine äußerst kostengünstige Alternative für eine herkömmliche Dichtung darstellen. Darüber hinaus vereinfacht sich auch ein Montageaufwand, sofern Bauteile mit derartigen als Dichtungen ausgebildeten Beißkanten 18 zum Einsatz gelangen.
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 (4) und einem Verdichterrad, die über eine gemeinsame Welle im Lagergehäuse (2) gelagert sind, – einem Leitschaufelkäfig (11), der eine kreisförmige Deckscheibenkontur (12) und optional eine ebenfalls kreisförmige Turbinenradkontur (13) aufweist, die das Turbinenrad (4) mit einem definierten Spalt umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufelkäfig (11) zumindest zwei Arme (14) aufweist, über welche er sich direkt oder indirekt am Lagergehäuse (2) und/oder am Turbinengehäuse (3) abstützt.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufelkäfig (11) drei Arme (14) aufweist, zwischen denen ein Winkel von ca. 120° vorgesehen ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Arme (14) oder der Deckscheibenkontur (12) ein Axial-/Radialanschlag (16) für einen Schaufellagerring (6) vorgesehen ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Lagergehäuse (2) für jeden der Arme (14) des Leitschaufelkäfigs (11) eine Ausnehmung bzw. ein Einpass vorgesehen ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Federeinrichtung, insbesondere eine Tellerfeder vorgesehen ist, die den Schaufellagerring (6) gegen den Axial-/Radialanschlag (16) des Leitschaufelkäfigs (11) vorspannt.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine ringartige Scheibe (17) vorgesehen ist, die von den Armen (14) des Leitschaufelkäfigs (11) durchdrungen ist und die ein Hitzeschutzschild für das Lagergehäuse (2) bildet.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (3) eine dem Verdichtergehäuse zugewandte und als Dichtung wirkende Beißkante (18) aufweist.
Abgasturbolader nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beißkante (18) ringförmig ausgebildet ist.