DE102009054403A1

DE102009054403A1 - Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102009054403A1
Application number: DE102009054403A
Authority: DE
Inventors: Klaus Czerwinski; Martin Dr. Schlegl
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2009-11-24
Filing date: 2009-11-24
Publication date: 2011-05-26
Also published as: US20110120124A1; BR112012012337A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Straßenfahrzeugs, mit einem Turbinenrad (2) zum Entspannen von Abgas der Brennkraftmaschine, das um eine Rotationsachse (5) drehbar gelagert ist, einem Turbinengehäuse (3), in dem das Turbinenrad (2) zwischen einem Hochdruckbereich (6) des Turbinengehäuses (3) und einem Niederdruckbereich (7) des Turbinengehäuses (3) angeordnet ist. Ein verbesserter Wärmehaushalt lässt sich realisieren, wenn das Turbinengehäuse (3) im Niederdruckbereich (7) eine das Abgas führende Innenschale (9) und eine Außenschale (10) aufweist, die zur Ausbildung einer Luftspaltisolation angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Straßenfahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus der WO 2005/042927 A1 ist ein Abgasturbolader bekannt, der ein Turbinenrad zum Entspannen von Abgas der Brennkraftmaschine aufweist, das um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Ferner besitzt der Abgasturbolader ein Turbinengehäuse, in dem das Turbinenrad zwischen einem Hochdruckbereich des Turbinengehäuses und einem Niederdruckbereich des Turbinengehäuses angeordnet ist.
Beim bekannten Turbolader umfasst das Turbinengehäuse einen Hauptteil, in dem das Turbinenrad angeordnet ist und an den ein den Niederdruckbereich bildendes Auslassrohr sowie eine den Hochdruckbereich bildende Volute angebaut sind.
Weitere Abgasturbolader, bei denen eine Volute an ein Hauptgehäuse angebaut ist, sind aus der US 2002/0085932 A1 und aus der US 2006/0133931 A1 bekannt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Abgasturbolader der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine verbesserte Hitzebeständigkeit und/oder eine reduzierte Wärmeabstrahlung in die Umgebung des Turboladers auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Niederdruckbereich des Turbinengehäuses mit einer Luftspaltisolation auszustatten. Hierzu wird der Niederdruckbereich mit einer das Abgas führenden Innenschale und einer die Innenschale umhüllenden Außenschale ausgestattet, die relativ zueinander so angeordnet sind, dass zwischen den Schalen ein Spalt entsteht, der die gewünschte Isolationswirkung ermöglicht. Durch die Luftspaltisolation im Niederdruckbereich kann die Wärmeabstrahlung in die Umgebung des Turboladers in diesem Niederdruckbereich signifikant reduziert werden. Gleichzeitig lässt sich die thermische Belastung der Außenschale reduzieren, was je nach Ausgestaltung der Außenschale vorteilhaft sein kann.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher das Turbinengehäuse einen Austrittsflansch zum Anschließen des Abgasturboladers an eine Abgasanlage der Brennkraftmaschine aufweist, der bzgl. der Innenschale und der Außenschale ein separates Bauteil ist. Die Innenschale und die Außenschale können nun stoffschlüssig mit diesem Austrittsflansch verbunden werden, was die Realisierung der Luftspaltisolation vereinfacht. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausgestaltung, bei welcher auch die Innenschale und die Außenschale am Anschlussflansch stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Insbesondere kann somit eine einzige Stoffschlussverbindung, insbesondere Schweißverbindung, ausreichen, sowohl die Innenschale als auch die Außenschale aneinander und am Austrittsflansch zu befestigen. Diese Bauweise reduziert außerdem thermisch bedingte Spannungen im Bereich der Stoffschlussverbindung, insbesondere wenn für den Austrittsflansch und die Schalen unterschiedliche Materialien verwendet werden, die sich insbesondere durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten voneinander unterscheiden.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform können im Hochdruckbereich des Turbinengehäuses Leitschaufeln angeordnet sein, die zwischen zwei sich gegenüberliegenden, das Abgas führende Wänden, angeordnet sind. Die Innenschale kann sich nun bis zu diesen Leitschaufeln erstrecken und dabei eine der Abgas führenden Wände bilden. Hierdurch erhält die Innenschale eine Zusatzfunktion, was den Aufbau des Turbinengehäuses vereinfacht.
Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann das Turbinengehäuse im Hochdruckbereich eine Volute aufweisen. Diese bildet bzgl. der Innenschale bevorzugt ein separates Bauteil, wobei die Innenschale mit der Volute stoffschlüssig verbunden ist. Mit anderen Worten, die Innenschale erstreckt sich bei dieser Ausführungsform bis zur Volute. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann auch die Außenschale mit der Volute stoffschlüssig verbunden sein. Dies kann insbesondere derart erfolgen, dass die Außenschale an der gleichen Stelle mit der Innenschale und mit der Volute stoffschlüssig verbunden ist. Alternativ kann auch vorgesehen sein, die Außenschale integral an der Volute auszuformen. Mit anderen Worten, die Volute erstreckt sich mit einem die Außenschale bildenden Abschnitt bis in den Niederdruckbereich des Turbinengehäuses.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass sich die Innenschale bis zu einem Eintritt des Turbinenrads erstreckt und einen Turbinenradkonturspalt definiert, der sich zwischen dem Turbinenrad und der Innenschale vom Eintritt des Turbinenrads bis zum Austritt des Turbinenrads erstreckt. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass sich die Innenschale bis zu einem Eintritt von stromauf des Turbinenrads angeordneten Leitschaufeln erstreckt und einen Leitschaufelkonturspalt definiert, der sich zwischen den Leitschaufeln und der Innenschale vom Eintritt der Leitschaufeln bis zum Austritt der Leitschaufeln erstreckt. Durch diese Maßnahmen erhält die Innenschale Zusatzfunktionen, die den Aufbau des Turbinengehäuses vereinfachen.
Besonders vorteilhaft sind dabei Weiterbildungen, bei denen die Innenschale und das Turbinenrad oder die Innenschale, das Turbinenrad und die Leitschaufeln aus Materialien hergestellt sind, die ähnliche oder gleiche Wärmedehnungskoeffizienten aufweisen. Ähnliche Wärmedehnungskoeffizienten sollen dann vorliegen, wenn die einzelnen Wärmedehnungskoeffizienten um maximal 10% voneinander abweichen. Gleiche Wärmedehnungskoeffizienten sollen dann vorliegen, wenn die einzelnen Wärmedehnungskoeffizienten um maximal 1% voneinander abweichen. Die hier vorgeschlagene Materialauswahl für die Innenschale und das Turbinenrad und ggf. für die Leitschaufeln führt dazu, dass in dem Bereich, in dem sich die Innenschale erstreckt, der jeweilige Konturspalt auch bei variierenden Temperaturen vergleichsweise konstant bleibt, da sich die den jeweiligen Spalt definierenden Komponenten gleichartig dehnen.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass sich die Innenschale bis zu einem Eintritt des Turbinenrads oder bis zu einem Eintritt von stromauf des Turbinenrads angeordneten Leitschaufeln erstreckt, wobei die Innenschale stromab des Turbinenrads eine kleinere Wandstärke aufweist als im Bereich des Turbinenrads oder als im Bereich des Turbinenrads und der Leitschaufeln. Hierdurch ist es insbesondere möglich, im Bereich höherer Belastungen der Innenschale die Wandstärke größer zu wählen, nämlich im Bereich der Leitschaufeln bzw. im Bereich des Turbinenrads, als in Bereichen, die geringeren Belastungen ausgesetzt sind, nämlich im Niederdruckbereich. Zweckmäßig ist dabei die Innenschale aus einem Stück hergestellt, insbesondere als Blechformteil. Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung eines Tailored-Blanks zum Herstellen der Innenschale bzw. die Verwendung eines Tailored-Tubes zur Herstellung der Innenschale. Bei diesen „maßgeschneiderten” Blechen bzw. Rohren lassen sich Bereiche unterschiedlicher Wandstärken besonders einfach realisieren, die bei entsprechender Umformung dann die Innenschale mit den Bereichen unterschiedlicher Wandstärke erzeugen.
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.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1 bis 4 jeweils eine stark vereinfachte Schnittansicht eines Abgasturboladers im Bereich eines Turbinengehäuses, jeweils mit zwei Ausführungsformen a und b,
5 und 6 weitere Ausführungsformen im Längsschnitt wie in den 1 bis 4,
7 und 8 wieder Ansichten wie in den 1 bis 4, jedoch bei anderen Ausführungsformen, jeweils mit zwei Ausführungsformen a und b.
Entsprechend den 1 bis 8 umfasst ein nur teilweise dargestellter Abgasturbolader 1 ein Turbinenrad 2 und ein Turbinengehäuse 3. Der Abgasturbolader 1 oder kurz Turbolader 1 dient zum Aufladen von Frischluft einer Brennkraftmaschine, die sich insbesondere in einem Straßenfahrzeug befinden kann. Er umfasst hierzu in üblicher Weise ein – hier nicht gezeigtes – Verdichterrad, das über eine gemeinsame Antriebswelle 4 mit dem Turbinenrad 2 verbunden ist. Das Turbinenrad 2 dient zum Entspannen von Abgas der Brennkraftmaschine und ist um eine Rotationsachse 5 drehbar gelagert. Die Rotationsachse 5 bildet gleichzeitig eine Symmetrieachse oder liegt in einer Trennebene, die innerhalb derselben Darstellung eine linke Ausführungsform (a) von einer rechten Ausführungsform (b) trennt.
Im Turbinengehäuse 3 ist das Turbinenrad 2 angeordnet, und zwar zwischen einem stromauf des Turbinenrads 2 liegenden Hochdruckbereich 6 des Turbinengehäuses 3 und einem stromab des Turbinenrads 2 liegenden Niederdruckbereich 7 des Turbinengehäuses 3. Die Abgasströmungsrichtung im Turbinengehäuse 3 ist durch Pfeile 8 angedeutet.
Das Turbinengehäuse 3 ist im Niederdruckbereich 7 doppelwandig ausgeführt, um eine Luftspaltisolation zu realisieren. Hierzu ist das Turbinengehäuse 3 im Niederdruckbereich 7 mit einer Innenschale 9 und mit einer Außenschale 10 ausgestattet. Die Innenschale 9 führt das Abgas, während die Außenschale 10 die Innenschale 9 so umhüllt, dass sich zwischen den Schalen 9, 10 ein Isolationsspalt 11 einstellt. Mit anderen Worten, die beiden Schalen 9, 10 sind zur Ausbildung einer Luftspaltisolation angeordnet. Hierdurch kann im Niederdruckbereich 7 die Abstrahlung von Wärme nach außen in eine Umgebung 12 des Turboladers 1 erheblich reduziert werden.
Das Turbinengehäuse 3 besitzt zweckmäßig einen Austrittsflansch 13, mit dessen Hilfe der Abgasturbolader 1 an eine – hier nicht gezeigte – Abgasanlage der Brennkraftmaschine anschließbar ist. Dieser Austrittsflansch 13 bildet bzgl. der Innenschale 9 und der Außenschale 10 ein separates Bauteil und ist auf geeignete Weise mit den beiden Schalen 9, 10 verbunden. Entsprechend den 1 bis 4 wird dabei eine stoffschlüssige Verbindung 14 bevorzugt, welche die Innenschale 9 und die Außenschale 10 mit dem Austrittsflansch 13 verbindet. Eine derartige stoffschlüssige Verbindung 14 ist bevorzugt eine Schweißverbindung, und zwar insbesondere eine geschlossen umlaufende Schweißnaht. Alternativ ist grundsätzlich auch eine Lötverbindung denkbar. Bei den hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsformen ist die Stoffschlussverbindung 14 so gestaltet, dass dabei auch die Innenschale 9 und die Außenschale 10 stoffschlüssig miteinander verbunden sind, und zwar unmittelbar am Austrittsflansch 13. Somit ist nur eine einzige Stoffschlussverbindung erforderlich, um die beiden Schalen 9, 10 aneinander und am Austrittsflansch 13 zu befestigen.
Bei der Innenschale 9 handelt es sich bevorzugt um ein Blechformteil, wodurch die Innenschale 9 durch Umformung vergleichsweise preiswert und mit einer hohen Oberflächengüte hergestellt werden kann. Bei der Außenschale 10 kann es sich grundsätzlich ebenfalls um ein Blechformteil handeln. Alternativ ist für die Realisierung der Außenschale 10 auch eine Konzeption als Gussbauteil möglich.
Wie den 1 bis 8 zu entnehmen ist, kann entsprechend bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen sein, im Hochdruckbereich 6 Leitschaufeln 15 anzuordnen, wobei diese Leitschaufeln 15 entlang eines Eintritts 16 des Turbinenrads 2 in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind. Die Leitschaufeln 15 sind dabei zwischen zwei sich gegenüberliegenden Wänden 17 und 18 angeordnet, die das Abgas führen. Die Leitschaufeln 15 können grundsätzlich feststehend sein. Bevorzugt werden jedoch verstellbare Leitschaufeln 15, die jeweils um eine eigene Schwenkachse 19 verdrehbar sind, um den Umlenkwinkel bzw. die Anströmung des Turbinenrads 2 zu variieren. Gleichzeitig kann dadurch auch der im Bereich der Leitschaufeln 15 vorhandene, durchströmbare Querschnitt des Turbinengehäuses 3 im Hochdruckbereich 6 verändert werden. Durch die verstellbaren Leitschaufeln 15 wird eine variable Turbinengeometrie 20 realisiert, mit deren Hilfe abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine die Zuströmung zum Turbinenrad 2 und somit die Leistung des Turboladers 1 eingestellt werden kann.
Entsprechend den 1 bis 8 kann sich die Innenschale 9 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bis zu den Leitschaufeln 15 erstrecken, und zwar bis zu einem Eintritt 21 der Leitschaufeln 15, so dass die Innenschale 9 die Wand 18 der beiden Abgas führenden Wände 17, 18 bildet.
Gemäß 1a kann die Innenschale 9 zumindest einen Schiebesitz 22 aufweisen, in dem zwei Innenschalenabschnitte 23, 24 relativ zueinander axial, also parallel zur Rotationsachse 5 verstellbar sind. Hierdurch können insbesondere thermisch bedingte Dehnungseffekte ausgeglichen werden. Dies kann erforderlich sein, da sich die Innenschale 9 im Betrieb des Turboladers 1 schneller aufwärmt als die Außenschale 10 und auch eine höhere Endtemperatur erreichen kann. Der eine Innenschalenabschnitt 23 ist stromauf des Schiebesitzes 22 fest mit der Außenschale 10 verbunden. Entsprechende Verbindungsstellen sind dabei mit 25 bezeichnet. Die Verbindung dieses anströmseitigen Innenschalenabschnitts 23 mit der Außenschale 10 kann bspw. über stegartige Verbindungsstellen 25 realisiert werden, wobei entsprechende Verbindungsstege stoffschlüssig mit dem anströmseitigen Innenschalenabschnitt 23 und mit der Außenschale 10 verbunden sein können. Der andere Innenschalenabschnitt 24 ist stromab des Schiebesitzes 22 mit der Außenschale 10 und/oder mit dem Austrittsflansch 13 verbunden, nämlich insbesondere durch die Stoffschlussverbindung 14. Dementsprechend handelt es sich hierbei um einen abströmseitigen Innenschalenabschnitt 24.
Entsprechendes kann auch für die Außenschale 10 realisiert werden. Dementsprechend zeigt 4a beispielhaft eine Ausführungsform, bei welcher die Außenschale 10 mit einem Schiebesitz 26 ausgestattet ist, in dem ein stromauf dieses Schiebesitzes 26 fest mit dem übrigen Turbinengehäuse 3 verbundener anströmseitiger Außenschalenabschnitt 27 relativ zu einem stromab des Schiebesitzes 26 fest mit der Innenschale 9 und/oder mit dem Austrittsflansch 13 verbundenen abströmseitigen Außenschalenabschnitt 28 verstellbar ist. Eine Verbindungsstelle zwischen dem anströmseitigen Außenschalenabschnitt 27 und dem übrigen Turbinengehäuse 3 ist dabei mit 29 bezeichnet. Auch hier handelt es sich bevorzugt um eine Schweißnaht.
Entsprechend den 2a und 3a kann die Innenschale 9 im Niederdruckbereich 7 zumindest eine Sicke 30 aufweisen, die so angebracht ist, dass sie zur Außenschale 10 vorsteht. Dabei steht diese Sicke 30 so weit über die Innenschale 9 vor, dass sie die Innenschale 9 an der Außenschale 10 abstützt. Dabei ist es grundsätzlich möglich, dass die Innenschale 9 gemäß 2a im Bereich der jeweiligen Sicke 30 stoffschlüssig mit der Außenschale 10 verbunden ist. Eine entsprechende Stoffschlussverbindung ist in 2a mit 31 bezeichnet. Alternativ dazu ist es ebenso möglich, die Abstützung der Innenschale 9 über die jeweilige Sicke 30 an der Außenschale 10 gemäß 3a so zu realisieren, dass die Innenschale 9 im Bereich der jeweiligen Sicke 30 lose an der Außenschale 10 zur Anlage kommt. Hierdurch wird wieder ein Schiebesitz realisiert, der in 3a mit 32 bezeichnet ist. Unabhängig davon, ob im Bereich der innenschalenseitigen Sicke 30 ein Schiebesitz 32 oder eine Stoffschlussverbindung 31 zur Außenschale 10 realisiert wird, kann die Außenschale 10 gemäß 3a im Bereich der jeweiligen Sicke 30 der Innenschale 9 selbst auch eine Sicke 33 aufweisen, die zur Innenschale 9 vorsteht, und zwar derart, dass sich letztlich die Sicke 30 der Innenschale 9 an der Sicke 33 der Außenschale 10 abstützt.
Die jeweiligen Sicken 30 bzw. 33 können dabei punktförmig oder warzenförmig gestaltet sein, wobei dann mehrere derartige Sicken 30, 33 bzgl. der Rotationsachse 5 in Umfangsrichtung zueinander beabstandet verteilt angeordnet sind. Alternativ ist es ebenso möglich, die jeweilige Sicke 30 bzw. 33 ringförmig auszugestalten.
Entsprechend den 1 bis 4 und 8 kann das Turbinengehäuse 3 vorzugsweise eine Volute 34 aufweisen. Hierbei handelt es sich um eine Art spiralförmiges Gehäuse mit in Strömungsrichtung abnehmendem durchströmbaren Querschnitt, wodurch dieses Gehäuse wie ein Schneckenhaus aussieht. Die Formgebung dient zur Realisierung einer gleichmäßigen Anströmung des Turbinenrads 2. Die Volute 34 befindet sich dementsprechend im Hochdruckbereich 6 des Turbinengehäuses 3. Sie bildet bzgl. der Innenschale 9 ein separates Bauteil. Entsprechend den 1 bis 3 und 8 kann die Volute 34 zusammen mit der Außenschale 10 ein Integralbauteil bilden, sodass die Außenschale 10 integral an der Volute 34 ausgeformt ist. Alternativ dazu ist es gemäß 4 ebenso möglich, die Außenschale 10 bzgl. der Volute 34 als separates Bauteil auszugestalten, das dann auf geeignete Weise mit der Volute 34 verbunden ist. Insbesondere kann die Außenschale 10 gemäß 4a über die Verbindungsstelle 29 oder gemäß 4b über eine Verbindungsstelle 35 mit der Volute 34 stoffschlüssig verbunden sein.
Die Volute 34 kann dabei ein Blechformteil oder ein Gussteil sein.
Die Innenschale 9 kann entsprechend den 1 bis 3 und 8 weitgehend unabhängig von der Volute 34 im Turbinengehäuse 3 positioniert sein, sodass insbesondere kein unmittelbarer Kontakt zwischen Innenschale 9 und Volute 34 auftritt. Alternativ dazu zeigen die 4a und 4b Ausführungsformen, bei denen die Innenschale 9 jeweils mit der Volute 34 stoffschlüssig verbunden ist. Eine entsprechende Verbindungsstelle ist dabei mit 35 bezeichnet. Diese kann gemäß 4b zweckmäßig mit der Verbindungsstelle zusammenfallen, über die auch die Außenschale 10 mit der Volute 34 und somit letztlich auch mit der Innenschale 9 verbunden ist.
Bei den hier gezeigten Ausführungsformen erstreckt sich die Innenschale 9 bis zum Eintritt 16 des Turbinenrads 2. Ebenso erstreckt sich die Innenschale 9 über den Eintritt 16 des Turbinenrads 2 hinaus bis zu einem Eintritt 21 der Leitschaufeln 15. Besonders zweckmäßig ist dabei eine Ausgestaltungsform, bei welcher die Innenschale 9 einen Turbinenradkonturspalt 36 und optional zusätzlich einen Leitschaufelkonturspalt 37 definiert. Der Turbinenradkonturspalt 36 erstreckt sich zwischen dem Turbinenrad 2 und der Innenschale 9 vom Eintritt 16 des Turbinenrads 2 bis zu einem Austritt 38 des Turbinenrads 2. Im Unterschied dazu erstreckt sich der Leitschaufelkonturspalt 37 zwischen den Leitschaufeln 15 und der Innenschale 9 vom Eintritt 21 der Leitschaufeln 15 bis zu einem Austritt 39 der Leitschaufeln 15. Durch die gezielte Formgebung der Innenschale 9 lassen sich qualitativ hochwertige Konturspalte 36, 37 realisieren, die sich insbesondere durch vergleichsweise geringe Abmessungen und in der Folge durch reduzierte Leckagen bzw. Bypassströmungen auszeichnen.
Besonders vorteilhaft ist nun eine Ausführungsform, bei welcher die Innenschale 9 und das Turbinenrad 2 aus Materialien hergestellt sind, die ähnliche oder gleiche Wärmedehnungskoeffizienten aufweisen. Sofern Leitschaufeln 15 vorhanden sind, können vorzugsweise auch die Leitschaufeln 15 aus einem Material hergestellt werden, das einen ähnlichen oder gleichen Wärmedehnungskoeffizienten wie die Materialien der Innenschale 9 und des Turbinenrads 2 besitzt. Gleiche Wärmedehnungskoeffizienten sollen im vorliegenden Zusammenhang dann vorliegen, wenn sich im relevanten Temperaturbereich die einzelnen Wärmedehnungskoeffizienten um maximal 1% voneinander unterscheiden. Ähnliche Wärmedehnungskoeffizienten sollen im vorliegenden Zusammenhang dann vorliegen, wenn im relevanten Temperaturbereich die einzelnen Wärmedehnungskoeffizienten maximal um 10% voneinander abweichen. Ähnliche oder gleiche Wärmedehnungskoeffizienten für das Turbinenrad 2 und die Innenschale 9 sowie ggf. für die Leitschaufeln 15 führen dazu, dass sich im relevanten Temperaturbereich der jeweilige Konturspalt 36 aufgrund thermischer Dehnungseffekte nicht oder nicht wesentlich ändert.
Bei der in 5 gezeigten speziellen Ausführungsform besitzt die Innenschale 9, die sich vom Niederdruckbereich 7 bis zum Eintritt 16 des Turbinenrads 2 bzw. bis zum Eintritt 21 der Leitschaufeln 15 erstreckt, stromab des Turbinenrads 2 eine Wandstärke 40, die kleiner ist als eine Wandstärke 41, welche die Innenschale 9 im Bereich des Turbinenrads 2 bzw. im Bereich der Leitschaufeln 15 aufweist. Dies kann für die Maßhaltigkeit der Konturspalte 36, 37 im gesamten Temperaturbereich des Turboladers 1 von Vorteil sein. Realisiert wird dies bevorzugt mit einer integral hergestellten Innenschale 9, sodass die Bereiche mit unterschiedlichen Wandstärken 40, 41 integral aneinander ausgeformt sind. Zur Realisierung einer derartigen Innenschale 9 kann bspw. ein sog. Tailored-Blank oder ein sog. Tailored-Tube verwendet werden. Ein Tailored-Blank ist ein Blechrohling, der zumindest zwei Zonen aufweist, die aus verschiedenen Blechen bestehen, die an einem Stoß miteinander verschweißt sind. Entsprechendes gilt für eine Tailored-Tube, bei dem verschiedene Rohrstücke auf Stoß miteinander verschweißt sind. Hierdurch werden Rohlinge bereitgestellt, die dann für den Umformvorgang zum Herstellen der Innenschale 9 verwendet werden können.
Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform erstreckt sich die Innenschale 9 wieder bis zum Eintritt 21 der Leitschaufeln 15. Erkennbar besitzt die Innenschale 9 bei dieser Ausführungsform im Bereich der Leitschaufeln 15 zumindest eine Sicke 42, die in Richtung Leitschaufeln 15 vorsteht. Dabei steht die jeweilige Sicke 42 zu einer einzigen Leitschaufel 15 oder gleichzeitig zu mehreren Leitschaufeln 15 vor. Dabei kann die jeweilige Sicke 42 so dimensioniert sein, dass sich die Innenschale 9 über die jeweilige Sicke 42 an der jeweiligen Leitschaufel 15 direkt abstützt. Je nach Geometrie der Sicke 42 kann dabei eine Kontaktstelle 43 zwischen Innenschale 9 und Leitschaufel 15 punktförmig gestaltet sein. Ebenso ist eine linienförmige Kontaktierung denkbar. Auch ist eine flächige Kontaktierung möglich. Sofern eine variable Turbinengeometrie 20 zum Einsatz kommt, stützt sich die Innenschale 9 über die jeweilige Sicke 42 bevorzugt im Bereich der Schwenkachse 19 an der jeweiligen Leitschaufel 15 ab. Bevorzugt ist dabei eine punktförmige Abstützung, wobei die Schwenkachse 19 zweckmäßig durch die punktförmige Kontaktstelle 43 verläuft.
Die Leitschaufeln 15 sind zweckmäßig an einem Leitschaufelträger 44 angebracht, der bzgl. des Turbinengehäuses 3 ein separates Bauteil ist und insbesondere zusammen mit den Leitschaufeln 15 eine vormontierbare Einheit 45 bildet, die auch als Kartusche 45 bezeichnet werden kann. Der Leitschaufelträger 44 kann gemäß 7b und 8b mehrere Distanzelemente 46 aufweisen, an denen die Innenschale 9 im Bereich der Leitschaufeln 15 bzw. im Hochdruckbereich 6 abgestützt ist. Dabei liegt die Innenschale 9 zweckmäßig lose auf den Distanzelementen 46 auf, sodass die Innenschale 9 quer zur Abstützrichtung, die in 7b durch einen Pfeil 47 angedeutet ist, zu den Distanzelementen 46 beweglich ist. Insoweit ergibt sich für die Innenschale 9 eine schwimmende Lagerung am Leitschaufelträger 44. Die Distanzelemente 46 sind bei einer variablen Turbinengeometrie 20 parallel zur Schwenkachse 19, die sich zweckmäßig parallel zur Rotationsachse 5 erstreckt, länger als die Leitschaufeln 15, wodurch eine Spaltweite 48 des Leitschaufelkonturspalts 37 definiert wird.
Entsprechend den 7a und 8a kann sich die Innenschale 9 über den Eintritt 21 der Leitschaufeln 15 hinaus bis zum Leitschaufelträger 44 erstrecken, derart, dass die Innenschale 9 den Hochdruckbereich 6 des Turbinengehäuses 3 durchquert. Um dennoch eine Zuströmung zu den Leitschaufeln 15 bzw. zum Turbinenrad 2 zu ermöglichen, weist die Innenschale 9 am Eintritt 21 der Leitschaufeln 15 Zuströmöffnungen 49 auf. Das Abgas strömt durch diese Zuströmöffnungen 49 zu den Leitschaufeln 15. Bei dieser Ausführungsform kann der Leitschaufelträger 44 bzgl. der Rotationsachse 5 radial durch die Innenschale 9 positioniert sein. Hierzu berührt die Innenschale 9 bei 50 den Leitschaufelträger 44 radial. Zu diesem Zweck kann die Innenschale 9 im Bereich dieser Kontaktstelle 50 eine Sicke 51 aufweisen, die in Richtung Leitschaufelträger 44 radial von der Innenschale 9 absteht. Außerdem kann die Innenschale 9 eine Stufe 52 aufweisen, die eine axiale Positionierung des Leitschaufelträgers 44 an der Innenschale 9 ermöglicht. Eine entsprechende axiale Kontaktstelle ist dabei mit 53 bezeichnet, in welcher die Innenschale 9 axial am Leitschaufelträger 44 zur Anlage kommt.
Entsprechend den 8a und 8b kann der Turbolader 1 außerdem ein nur teilweise dargestelltes Lagergehäuse 54 aufweisen, in dem die Antriebswelle 4 um die Rotationsachse 5 drehbar gelagert ist. Der Leitschaufelträger 44 ist bzgl. der Rotationsachse 5 axial zwischen diesem Lagergehäuse 54 und dem Turbinenrad 2 angeordnet. An dem Lagergehäuse 54 ist die Außenschale 10 oder – je nach Ausführungsform – die Volute 34 befestigt. Hierzu ist ein Ende 55 der Volute 34 mittels eines Befestigungsrings 56 am Lagergehäuse 54 festgelegt, insbesondere verschraubt. Entsprechende Verschraubungsstellen sind in den 8a und 8b durch strichpunktierte Linien angedeutet und mit 57 bezeichnet.
Bei der in 8a gezeigten Ausführungsform erstreckt sich analog zu 7a die Innenschale 9 wieder durch den Hochdruckpfad hindurch bis zum Leitschaufelträger 44 und außerdem mit einem Endabschnitt 58 bis in den Befestigungsbereich hinein, sodass mit Hilfe des Befestigungsrings 56 gleichzeitig auch die Innenschale 9 am Lagergehäuse 54 befestigt werden kann. Die radiale Positionierung des Leitschaufelträgers 44 erfolgt hierbei über die Innenschale 9, insbesondere in Verbindung mit der wenigstens einen Sicke 51.
Im Unterschied dazu zeigt 8b eine Ausführungsform entsprechend 7b, bei welcher die Innenschale 9 im Bereich des Leitschaufelträgers 44 endet, also innerhalb des Hochdruckbereichs 6 endet. Die radiale Positionierung des Leitschaufelträgers 44 erfolgt hierbei über die Volute 34 bzw. über die Außenschale 10. Dabei kann die Außenschale 10 bzw. die Volute 34 zumindest eine Sicke 59 aufweisen, die über zumindest eine radiale Kontaktstelle 60 eine radiale Positionierung des Leitschaufelträgers 44 bewirkt. Hierzu ist die Außenschale 10 bzw. die Volute 34 axial am Leitschaufelträger 44 vorbeigeführt, derart, dass die Außenschale 10 bzw. die Volute 34 den Leitschaufelträger 44 bzgl. der Rotationsachse 5 einfasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2005/042927 A1 [0002]
US 2002/0085932 A1 [0004]
US 2006/0133931 A1 [0004]

Claims

Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Straßenfahrzeugs, – mit einem Turbinenrad (2) zum Entspannen von Abgas der Brennkraftmaschine, das um eine Rotationsachse (5) drehbar gelagert ist, – mit einem Turbinengehäuse (3), in dem das Turbinenrad (2) zwischen einem Hochdruckbereich (6) des Turbinengehäuses (3) und einem Niederdruckbereich (7) des Turbinengehäuses (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (3) im Niederdruckbereich (7) eine das Abgas führende Innenschale (9) und eine Außenschale (10) aufweist, die zur Ausbildung einer Luftspaltisolation angeordnet sind.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass das Turbinengehäuse (3) einen Austrittsflansch (13) zum Anschließen des Abgasturboladers (1) an eine Abgasanlage der Brennkraftmaschine aufweist, der bzgl. der Innenschale (9) und der Außenschale (10) ein separates Bauteil ist, – dass die Innenschale (9) und die Außenschale (10) stoffschlüssig mit dem Austrittsflansch (13) verbunden sind, – wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass auch die Innenschale (9) und die Außenschale (10) am Austrittsflansch (13) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass die Innenschale (9) und die Außenschale (10) Blechformteile sind, oder – dass die Innenschale (9) ein Blechformteil ist, während die Außenschale (10) ein Gussbauteil ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, – dass im Hochdruckbereich (6) Leitschaufeln (15) angeordnet sind, die zwischen zwei sich gegenüberliegenden, das Abgas führenden Wänden (17, 18) angeordnet sind, – dass sich die Innenschale (9) bis zu den Leitschaufeln (15) erstreckt und eine der Abgas führenden Wände (18) bildet.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschale (9) einen Schiebesitz (22) aufweist, in dem ein stromauf des Schiebesitzes (22) fest mit der Außenschale (10) verbundener anströmseitiger Innenschalenabschnitt (23) relativ zu einem stromab des Schiebesitzes (22) fest mit der Außenschale (10) und/oder mit dem Austrittsflansch (13) verbundenen abströmseitigen Innenschalenabschnitt (24) verstellbar ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, – dass die Innenschale (9) zumindest eine Sicke (30) aufweist, die zur Außenschale (10) vorsteht, sodass sich die Innenschale (9) im Bereich der wenigstens einen Sicke (30) an der Außenschale (10) abstützt, – wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass die Innenschale (9) im Bereich der wenigstens einen Sicke (30) stoffschlüssig mit der Außenschale (10) verbunden ist, – wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass die Außenschale (10) im Bereich der wenigstens einen Sicke (30) der Innenschale (9) selbst zumindest eine Sicke (33) aufweist, die zur Innenschale (9) vorsteht, sodass sich die Sicke (30) der Innenschale (9) an der Sicke (33) der Außenschale (10) abstützt.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, – dass das Turbinengehäuse (3) im Hochdruckbereich (6) eine Volute (34) aufweist, die bzgl. der Innenschale (9) ein separates Bauteil ist, – dass die Innenschale (9) mit der Volute (34) stoffschlüssig verbunden ist, – wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass die Außenschale (10) ebenfalls mit der Volute (34) oder an der gleichen Stelle mit der Innenschale (9) und der Volute (34) stoffschlüssig verbunden ist oder integral an der Volute (34) ausgeformt ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, – dass sich die Innenschale (9) bis zu einem Eintritt (16) des Turbinenrads (2) erstreckt und einen Turbinenradkonturspalt (36) definiert, der sich zwischen dem Turbinenrad (2) und der Innenschale (9) vom Eintritt (16) des Turbinenrads (2) bis zum Austritt (38) des Turbinenrads (2) erstreckt, und/oder – dass sich die Innenschale (9) bis zu einem Eintritt (21) von stromauf des Turbinenrads (2) angeordneten Leitschaufeln (15) erstreckt und einen Leitschaufelkonturspalt (37) definiert, der sich zwischen den Leitschaufeln (15) und der Innenschale (9) vom Eintritt (21) der Leitschaufeln (15) bis zum Austritt (39) der Leitschaufeln (15) erstreckt, – wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass die Innenschale (9) und das Turbinenrad (2) oder die Innenschale (9), das Turbinenrad (2) und die Leitschaufeln (15) aus Materialien hergestellt sind, die ähnliche oder gleiche Wärmedehnungskoeffizienten aufweisen.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, – dass sich die Innenschale (9) bis zu einem Eintritt (16) des Turbinenrads (2) oder bis zu einem Eintritt (21) von stromauf des Turbinenrads (2) angeordneten Leitschaufeln (15) erstreckt, – dass die Innenschale (9) stromab des Turbinenrads (2) eine kleinere Wandstärke aufweist als im Bereich des Turbinenrads (2) oder als im Bereich des Turbinenrads (2) und der Leitschaufeln (15).
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, – dass sich die Innenschale (9) bis zum Eintritt (21) von stromauf des Turbinenrads (2) angeordneten Leitschaufeln (15) erstreckt, – dass die Innenschale (9) im Bereich der Leitschaufeln (15) zumindest eine Sicke (42) aufweist, die zu einer Leitschaufel (15) oder zu mehreren Leitschaufeln (15) vorsteht, – wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass sich die jeweilige Sicke (42) an der jeweiligen Leitschaufel (15) abstützt, insbesondere punktförmig, – wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass die Leitschaufeln (15) zur Realisierung einer variablen Turbinengeometrie (20) jeweils um eine Schwenkachse (19) verstellbar sind, wobei sich die jeweilige Sicke (42) im Bereich der Schwenkachse (19) an der jeweiligen Leitschaufel (15), insbesondere punktförmig, abstützt.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, – dass stromauf des Turbinenrads (2) Leitschaufeln (15) angeordnet sind, – dass sich die Innenschale (9) bis zu einem Eintritt (21) der Leitschaufeln (15) erstreckt, – dass die Leitschaufeln (15) an einem Leitschaufelträger (44) angebracht sind, der mehrere Distanzelemente (46) aufweist, an denen die Innenschale (9) im Bereich der Leitschaufeln (15) abgestützt und quer zur Abstützrichtung (47) zu den Distanzelementen (46) beweglich ist, – wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass die Leitschaufeln (15) zur Realisierung einer variablen Turbinengeometrie (20) jeweils um eine Schwenkachse (19) verstellbar am Leitschaufelträger (44) angeordnet sind, wobei das jeweilige Distanzelement (46) parallel zu den Schwenkachsen (19) länger ist als die Leitschaufeln (15).
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, – dass stromauf des Turbinenrads (2) Leitschaufeln (15) angeordnet sind, die an einem Leitschaufelträger (44) angebracht sind, – dass sich die Innenschale (9) über den Eintritt (21) der Leitschaufeln (15) hinaus bis zum Leitschaufelträger (44) erstreckt und am Eintritt (21) der Leitschaufeln (15) Zuströmöffnungen (49) enthält, durch die das Abgas zu den Leitschaufeln (15) gelangt, – wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass der Leitschaufelträger (44) bzgl. der Rotationsachse (5) radial durch die Innenschale (9) positioniert ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, – dass ein Leitschaufelträger (44) mehrere stromauf des Turbinenrads (2) angeordnete Leitschaufeln (15) trägt und bzgl. der Rotationsachse (5) axial zwischen dem Turbinenrad (2) und einem Lagergehäuse (54) angeordnet ist, in dem eine das Turbinenrad (2) aufweisende Antriebswelle (4) um die Rotationsachse (5) drehbar gelagert ist, – dass die Außenschale (10) oder eine Volute (34) des Turbinengehäuses (3) am Lagergehäuse (54) befestigt ist, – wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass die Außenschale (10) oder die Volute (34) den Leitschaufelträger (44) bzgl. der Rotationsachse (5) einfasst, – wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass die Außenschale (10) oder die Volute (34) den Leitschaufelträger (44) bzgl. der Rotationsachse (5), insbesondere mittels wenigstens einer zum Leitschaufelträger (44) vorstehenden Sicke (59), radial positioniert oder dass die Innenschale (9) sich bis zum Lagergehäuse (54) erstreckt, dort zusammen mit der Außenschale (10) oder mit der Volute (34) am Lagergehäuse (54) befestigt ist, den Leitschaufelträger (44) bzgl. der Rotationsachse (5) einfasst und, insbesondere mittels wenigstens einer zum Leitschaufelträger (44) vorstehenden Sicke (51), radial positioniert.