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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung, insbesondere
einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem
einen, mit einer derartigen Ladeeinrichtung ausgestatteten Verbrennungsmotor
sowie ein, mit einem derartigen Verbrennungsmotor ausgestattetes
Kraftfahrzeug.
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In
modernen Kraftfahrzeugen werden zunehmend Abgasturbolader mit sogenannten
variablen Turbinengeometrien eingesetzt, bei welchen die Leistungsabgabe
und das Ansprechverhalten an unterschiedliche Betriebsbedingungen
(zum Beispiel Lastwechsel) angepasst werden können. Um
das zu erreichen, befinden sich verstellbare, nicht rotierende Leitschaufeln
im Turbineneintritt oder im Turbinengehäuse. Eine Verstellung
der einzelnen Leitschaufeln erfolgt dabei über einen so
genannten Verstellring, welcher abtriebsseitig mit Stellhebeln der
Leitschaufeln und antriebsseitig mit einer Steileinrichtung wirkungsverbunden
ist.
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Aus
der
EP 1 816 317 A2 ist
eine gattungsgemäße Ladeeinrichtung mit einer
variablen Turbinengeometrie bekannt. Zwischen der variablen Turbinengeometrie
und einem Lagergehäuse der Ladeeinrichtung ist dabei ein
Hitzeschild angeordnet, welches die von der Heißgasströmung
resultierenden hohen Temperaturen vom Lagergehäuse fernhalten soll.
Sowohl die Leitschaufeln als auch die gesamte Stellmechanik zum
Bewegen derselben, sind dabei jedoch dem Heißgasstrom und
damit hohen thermischen Belastungen ausgesetzt und unterliegen dadurch
einem nicht zu unterschätzenden Verschleiß.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
für eine Ladeeinrichtung der gattungsgemäßen
Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, welche
insbesondere eine höhere Lebenserwartung zumindest einzelner
Komponenten der Ladeeinrichtung aufweist.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände
der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Hitzeschild nicht
wie aus dem Stand der Technik bekannt lediglich zur Abschirmung
eines Lagergehäuses einer Ladeeinrichtung, bspw. eines Abgasturboladers,
zu verwenden, sondern ein derartiges Hitzeschild so zu positionieren,
dass auch eine relativ temperaturempfindliche Verstellmechanik einer
variablen Turbinengeometrie wirksam vor einem unerwünschten
Heißgaszutritt geschützt werden kann. Eine derartige
Ladeeinrichtung weist dabei in üblicher Weise ein Lagergehäuse
sowie ein damit verbundenes, bspw. verschraubtes, Turbinengehäuse
auf, wobei zwischen diesen beiden Gehäuseteilen die variable
Turbinengeometrie vorgesehen ist. Die variable Turbinengeometrie
umfasst dabei in einem Schaufellagerring über Leitschaufelzapfen
drehbar gelagerte Leitschaufeln sowie ein Verstellring zum Verstellen
der einzelnen Leitschaufeln. Abtriebseitig ist somit der Verstellring
mit den Leitschaufeln antriebsverbunden, während er antriebsseitig
mit einem Stellgestänge einer Stelleinrichtung, bspw. einer Druckdose
oder eines elektrischen Stellers, verbunden ist. Erfindungsgemäß ist
nun zwischen dem Verstellring und dem Schaufellagerring der Hitzeschild angeordnet,
welches lediglich von den Leitschaufelzapfen der Leitschaufeln durchbrochen
ist und welches zusammen mit dem Lagergehäuse einen, den
Verstellring aufnehmenden Stellraum begrenzt. Das Hitzeschild ist
somit als Trennwand zwischen dem Stellraum und einem das heiße
Abgas führenden Kanal zu sehen, so dass ein direkter Kontakt
der Verstellmechanik, dass heißt insbesondere des Verstellrings
und der in den Verstellraum ragenden Enden der Leitschaufelzapfen
mit Heißgas vermieden werden kann. Da insbesondere der
Verschleiß auch von hochwertigen Edelstählen ab
ca. 500°C signifikant ansteigt, kann durch das Vorsehen
des erfindungsgemäßen Hitzeschilds ein deutlich
kühlerer Stellraum abgeteilt werden, in welchem die Verstellmechanik
der variablen Turbinengeometrie angeordnet und vor einem übermäßigen
Verschleiß aufgrund der dort herrschenden geringeren Temperaturen
zuverlässig geschützt werden kann. Lediglich die
im Hitzeschild vorgesehenen Durchgangsöffnungen, durch
welche die Leitschaufelzapfen der Leitschaufeln hindurchragen, ermöglichen
einen geringeren Wärmeaustausch zwischen dem Heißgaskanal
einerseits und dem Stellraum andererseits. Darüber hinaus
ist durch die mittels des Hitzeschilds realisierte Trennung zwischen
dem Stellraum und dem Heißgaskanal eine allseitig gleiche
und damit gleichmäßige Erwärmung der
dem Heißgasstrom ausgesetzten Leitschaufeln möglich,
wodurch diese geringeren inneren thermischen Spannungen ausgesetzt
sind.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Lösung, durchgreifen die Laderschaufelzapfen der Leitschaufeln
mit Spiel die zugehörigen Öffnungen im Hitzeschild.
Eine derartige Lagerung mit einem gewissen Spiel zwischen den Leitschaufelzapfen
und den zugehörigen Durchgangsöffnung im Hitzeschild
ist erforderlich, um unterschiedliche Temperaturausdehnungen der
Leitschaufelzapfen und des Hitzeschilds zu kompensieren und bspw. ein
Verklemmen der Leitschaufelzapfen in den Durchgangsöffnungen
des Hitzeschilds zuverlässig auszuschließen. Selbstverständlich
ist dabei das Spiel der Durchgangsöffnungen lediglich gerade
so groß, dass sämtliche im Betrieb des Abgasturboladers
bzw. der Ladeeinrichtung auftretende Temperaturdehnungen problemlos
aufgenommen werden können, ohne dass es dabei zu einem
Verklemmen der Leitschaufelzapfen in den Durchgangsöffnungen kommt.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Lösung, ist der Hitzeschild am Lagergehäuse befestigt,
insbesondere verklemmt.
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Eine
derartige Verklemmung bietet eine besonders kostengünstige,
jedoch effektive, Befestigung des Hitzeschilds am Lagergehäuse,
ohne dass hierfür zusätzliche Montagemittel, wie
bspw. Schrauben, verwendet werden müssen. Eine Klemmbefestigung
des Hitzeschilds am Lagergehäuse, kommt somit vorzugsweise
gänzlich ohne weitere Befestigungsmittel aus, wodurch auch
die Teilevielfalt und verbunden damit die Lager- und Logistikkosten,
sowie ein Fertigungsaufwand bei der Montage der Ladeeinrichtung,
reduziert werden können.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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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.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den
Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Die
einzige 1 zeigt einen Längsschnitt durch
eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung.
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Entsprechend
der 1, weist eine erfindungsgemäße
Ladeeinrichtung 1, bspw. einen Abgasturbolader für
einen Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle, ein Lagergehäuse 2 sowie
ein damit verbundenes Turbinengehäuse 3 auf. Im
Lagergehäuse 2 ist eine, ein Turbinenrad 4 tragende Welle 5 drehbar
gelagert. Um eine Leistungsabgabe und ein Ansprechverhalten des
Abgasturboladers, respektive der Ladeeinrichtung 1, an
unterschiedlichste Betriebsbedingungen, bspw. ein Lastwechsel, anpassen
zu können, ist hierbei eine so genannte variable Turbinengeometrie
vorgesehen, die zwischen dem Lagergehäuse 2 und
dem Turbinengehäuse 3 angeordnet ist. Diese variable
Turbinengeometrie umfasst einen Schaufellagerring 6 sowie
darin über jeweilige Leitschaufelzapfen 7 drehbar
gelagerte Leitschaufeln 8 und zumindest einen Verstellring 9 zum
Verstellen der einzelnen Leitschaufeln 8. Die Leitschaufeln 8 durchdringen
somit mit ihren Leitschaufelzapfen 7 den Schaufellagerring 6.
Erfindungsgemäß ist nun zwischen dem Verstellring 9 und dem
Schaufellagerring 6 ein Hitzeschild 10 vorgesehen,
welcher von den Leitschaufelzapfen 7 der Leitschaufeln 8 durchbrochen
ist und welcher zusammen mit dem Lagergehäuse 2 einen
den Verstellring 9 aufnehmenden Stellraum 11 begrenzt.
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Der
Hitzeschild 10 schützt somit nicht nur das Lagergehäuse 2 vor
einem unerwünschten direkten Kontakt mit einem Heißgasstrom 12,
sondern zusätzlich auch eine Verstellmechanik der variablen Turbinengeometrie,
hauptsächlich bestehend aus dem Verstellring 9 und
den mit diesem zusammenwirkenden abgewinkelten Enden 13 der
Leitschaufelzapfen 7. Durch den Hitzeschild 10 wird
somit der Heißgasstrom wirkungsvoll von der Verstellmechanik ferngehalten,
so dass diese geschützt und damit verschleißarm
im Stellraum 11 bei deutlich geringeren Temperaturen arbeiten
kann. Der Schaufellagerring 6 sowie die Leitschaufeln 8 sind
dabei dem Heißgasstrom 12 ausgesetzt, ebenso wie
eine Deckscheibe 14, welche einen durch den Schaufellagerring 6 einerseits
und die Deckscheibe 14 andererseits begrenzten Heißgaskanal
einfasst. Die Deckscheibe 14 kann dabei bspw. über
entsprechende Abstandselemente 15 am Schaufellagerring 6 gelagert
werden, wobei die Abstandselemente 15 bzw. deren Axialerstreckung
in etwa die Axialerstreckung der Leitschaufeln 8 plus einem
möglichst geringen Spiel aufweisen. Selbstverständlich
ist auch eine direkte Lagerung der Deckscheibe 14 am Turbinengehäuse 3 denkbar.
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Um
ein, bspw. temperaturbedingtes, Verklemmen der Leitschaufelzapfen 7 in
den Durchgangsöffnungen des Hitzeschilds 10 bzw.
des Schaufellagerrings 6 zu vermeiden, sind die Schaufellagerzapfen 7 mit
Spiel in den jeweiligen Öffnungen des Hitzeschilds 10 bzw.
des Schaufellagerrings 6 geführt.
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Um
eine Montage des Hitzeschilds 10 am Lagergehäuse 2 möglichst
einfach zu gestaltet, kann dieses bspw. lediglich am Lagergehäuse 2 verklemmt
werden. Hierzu kann der Hitzeschild 10 eine radial äußere
Abkantung 16 und/oder eine radial innere Abkantung 17 aufweisen, über
welche es sich am Lagergehäuse 2 abstützt.
Gemäß der 1 zeigt dabei
die radial äußere Abkantung 16 in Richtung
der Leitschaufeln 8, während die radial innere
Abkantung 17 in die entgegengesetzte Richtung zeigt. Denkbar ist
selbstverständlich auch eine gleichgerichtete Ausrichtung
der Abkantungen 16 und 17 oder eine gemäß der 1 umgekehrt
dargestellte Abkantung.
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Um
eine möglichst hohe Verschleißbeständigkeit
des Hitzeschilds 10 bewirken zu können, ist dieses üblicherweise
aus Stahl, insbesondere aus Edelstahl ausgebildet. Erfindungswesentlich
ist generell, dass vorzugsweise die komplette Verstellmechanik,
umfassend bspw. den Verstellring 9, die abgebogenen Enden 13 der
Leitschaufelzapfen 7 sowie einen nicht gezeigten und mit
einer Stelleinrichtung verbundenen Stellhebel, im relativ kühlen
Stellraum 11 und damit geschützt angeordnet ist.
Da insbesondere die Verschleißerscheinungen oberhalb 500°C stark
zunehmen, kann mit dem erfindungsgemäßen Hitzeschild 10 die
Verschleißneigung der Verstellmechanik deutlich reduziert
werden, da üblicherweise davon auszugehen ist, dass die
Temperatur im Stellraum 11 vorzugsweise nie 500°C
erreicht bzw. übersteigt. Zu einem weiteren Schutz vor
einem unerwünschten Heißgaszutritt ins Lagergehäuse 2,
kann bspw. ein Dichtelement 18 vorgesehen sein, welches sich
in der Art eines Kolbenrings in eine Umfangsnut der Welle 5 bzw.
des Turbinenrads 4 einlegt und dadurch eine Labyrinthdichtung
zusammen mit der Welle 5 bzw. dem Turbinenrad 4 bildet,
die einen unerwünschten Heißgasdurchtritt zuverlässig
verhindert bzw. zumindest reduziert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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