DE102010004897A1

DE102010004897A1 - Exhaust turbocharger for internal combustion engine for motor vehicle, comprises variable turbine or compressor geometry and guide vane device with rotated guide vane, where guide vane retainer comprises covering disk area

Info

Publication number: DE102010004897A1
Application number: DE201010004897
Authority: DE
Inventors: Peter 70469 Bauer; Michael 70191 Just; Timo 71701 Tries; Kamal Dwarakanath; Tobias 19303 Dettmann
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2010-01-19
Filing date: 2010-01-19
Publication date: 2011-07-21

Abstract

The exhaust turbocharger comprises a variable turbine or compressor geometry and a guide vane device with a rotated guide vane. A guide vane retainer (1) comprises a covering disk area (2) which is connected with a contact area (4) over a distancing element (3) that is formed as an end stop for the guide vane.

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.The present invention relates to an exhaust gas turbocharger for a motor vehicle according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a combustion engine equipped with such an exhaust gas turbocharger.

Ein gattungsgemäßer Abgasturbolader ist bspw. 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.A generic exhaust gas turbocharger is, for example, from the WO 2004/022926 A1 known, in which a housing of the exhaust gas turbocharger and their variable variable turbine and / or compressor geometry are mechanically and / or thermally decoupled from each other. As a result, in particular thermally induced strains should be better absorbed. A cartridge is screwed to a bearing housing and has the turbine housing towards an axial gap for thermal decoupling.

Ein weiterer gattungsgemäßer Abgasturbolader ist zudem aus der EP 1 925 784 A1 bekannt, ebenso wie aus der EP 2 093 379 A2 .Another generic exhaust gas turbocharger is also from the EP 1 925 784 A1 known as well as from the EP 2 093 379 A2 ,

Nachteilig bei den bekannten Abgasturboladern ist jedoch, dass diese üblicherweise einen Leitschaufelkäfig aufweisen, der die auf ein Turbinen- oder Verdichterrad treffenden Strömungen negativ beeinflusst. Die negative Beeinflussung wird dabei von Abstandselementen des Leitschaufelkäfigs bewirkt, welche einen Deckscheibenbereich des Leitschaufelkäfigs von einem Anlagebereich des Leitschaufelkäfigs beabstanden. Beispielsweise sind bei bekannten Leitschaufelkäfigen drei oder fünf Abstandselemente vorgesehen, wogegen insgesamt zwölf dahinter angeordnete Leitschaufeln vorgesehen sind. Dies bedeutet, dass die Strömungsverhältnisse im Bereich der hinter den jeweiligen Abstandselementen angeordneten Leitschaufeln unterschiedlich zu anderen Leitschaufeln sind, an welchen stromauf kein Abstandselement angeordnet ist. Bei den bekannten Leitschaufelkäfigen liegt somit oftmals das Problem einer inhomogenen Anströmung der variablen Turbinengeometrie, d. h. der Leitschaufeln auf.A disadvantage of the known exhaust gas turbochargers, however, is that they usually have a guide vane cage which adversely affects the flows impinging on a turbine or compressor wheel. The negative influence is effected by spacer elements of the guide blade cage, which space a cover disk region of the guide blade cage from an abutment region of the guide blade cage. For example, in known stator cages three or five spacer elements are provided, whereas a total of twelve arranged behind the vanes are provided. This means that the flow conditions in the region of the vanes arranged behind the respective spacer elements are different from other vanes, on which no spacer element is arranged upstream. The known guide vane cages thus often have the problem of an inhomogeneous flow of the variable turbine geometry, i. H. of the vanes.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Abgasturbolader der gattungsgemäßen Art, eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine homogene Anströmung einer variablen Turbinen- oder Verdichtergeometrie und damit einen verbesserten Wirkungsgrad auszeichnet.The present invention therefore deals with the problem of providing for an exhaust gas turbocharger of the generic type, an improved or at least one alternative embodiment, which is characterized in particular by a homogeneous flow of a variable turbine or compressor geometry and thus improved efficiency.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This problem is solved according to the invention by the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine homogene Anströmung einer variablen Turbinen- und/oder Verdichtergeometrie eines Abgasturboladers dadurch zu erreichen, dass ein Leitschaufelkäfig verwendet wird, dessen Anzahl an Abstandselementen der Anzahl von Leitschaufeln der variablen Turbinen-Verdichtergeometrie entspricht. Die Leitschaufeln sind dabei üblicherweise an einem Schaufellagerring drehbar gelagert und von dem Leitschaufelkäfig zumindest teilweise umgeben, wobei der Leitschaufelkäfig zugleich ein Lager für den Schaufellagerring bilden kann. Erfindungsgemäß weist der Leitschaufelkäfig nun einen Deckscheibenbereich auf, der über vorher erwähnte Abstandselemente mit einem Anlagebereich verbunden ist. Die Anzahl der Abstandselemente entspricht dabei erfindungsgemäß der Anzahl der Leitschaufeln exakt oder mit einer Toleranz von +/–1 oder +/–2, so dass gemäß der ersten Variante stromauf jeder Leitschaufel ein zugehöriges Abstandselement angeordnet ist und dadurch eine homogene, das heißt bei allen Leitschaufeln gleiche, Anströmung der Leitschaufeln bzw. der variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie erreicht werden kann. Auch mit einer annähernd gleichen Anzahl von Abstandselementen im Hinblick auf die Leitschaufeln, das heißt beispielsweise ein oder zwei mehr oder weniger Abstandselemente als Leitschaufeln, lässt sich im Vergleich zu den bisher bekannten, üblicherweise drei Abstandselementen, eine verbesserte, homogenere Abströmung erreichen. Der Leitschaufelkäfig bildet zumindest einen Teil eines Strömungskanals, in dessen Bereich die Abstandselemente angeordnet sind. Die Positionierung des Leitschaufelkäfigs bezüglich der Leitschaufel ist dabei erfindungsgemäß so gewählt, dass sich ein homogenes Strömungsfeld auf die Leitschaufeln mit vorzugsweise öffnendem Charakter für die Leitschaufeln ergibt. Durch die homogene Anströmung können besondere Druckspitzen oder Drucksenken vermieden oder zumindest reduziert werden, wodurch die Leistungsfähigkeit und/oder die Regelbarkeit des Abgasturboladers insgesamt gesteigert bzw. verbessert werden kann.The present invention is based on the general idea of achieving a homogenous flow of a variable turbine and / or compressor geometry of an exhaust gas turbocharger by using a guide vane cage whose number of spacers corresponds to the number of vanes of the variable turbine compressor geometry. The guide vanes are usually mounted rotatably on a vane bearing ring and at least partially surrounded by the vane cage, wherein the vane cage can also form a bearing for the vane bearing ring. According to the invention, the guide blade cage now has a cover disk region which is connected to a contact region via previously mentioned spacer elements. The number of spacers according to the invention corresponds to the number of vanes exactly or with a tolerance of +/- 1 or +/- 2, so that according to the first variant upstream of each vane an associated spacer element is arranged and thereby a homogeneous, that is at all Guide vanes same, flow of the vanes or the variable turbine / compressor geometry can be achieved. Even with an approximately equal number of spacer elements in terms of the guide vanes, that is, for example, one or two more or fewer spacers as vanes, can be compared to the previously known, usually three spacers, achieve an improved, more homogeneous outflow. The vane cage forms at least a part of a flow channel, in the region of which the spacer elements are arranged. The positioning of the guide vane cage with respect to the guide vane is chosen according to the invention such that a homogeneous flow field results on the guide vanes with a preferably opening character for the guide vanes. Due to the homogeneous flow, special pressure peaks or pressure drops can be avoided or at least reduced, whereby the performance and / or the controllability of the exhaust gas turbocharger can be increased or improved overall.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, sind die Abstandselemente gleichzeitig als Endanschlag für die Leitschaufeln ausgebildet. Die Leitschaufeln einer variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie sind üblicherweise drehbar am Schaufellagerring verstellt und beispielsweise mittels eines Verstellrings verstellbar. Ein Endanschlag wird dabei üblicherweise als Anschlag für den Verstellring ausgebildet, so dass über eine Begrenzung der Verstellbewegung des Verstellrings gleichzeitig auch eine Begrenzung der Verstellbewegung der Leitschaufeln erreicht werden kann. Erfindungsgemäß sind nun die Abstandselemente als Endanschläge für die Leitschaufeln ausgebildet, so dass auf den bisher erforderlichen Anschlag für den Verstellring verzichtet werden kann. Die Abstandselemente übernehmen somit nicht nur die Aufgabe der Beabstandung des Deckscheibenbereichs vom Anlagebereich sowie der homogenen Strömungsführung, sondern zudem auch die Aufgabe, die Verstellbewegung der Leitschaufeln zu begrenzen. Die erfindungsgemäß ausgebildeten Abstandselemente weisen somit im Vergleich zu bisher bekannten Abstandselementen eine deutlich gesteigerte Funktionalität auf.In an advantageous development of the solution according to the invention, the spacer elements are simultaneously formed as an end stop for the guide vanes. The guide vanes of a variable turbine / compressor geometry are usually rotatably adjusted on the blade bearing ring and adjustable, for example by means of an adjusting ring. An end stop is usually formed as a stop for the adjusting ring, so that at the same time a limitation of the adjustment movement of the guide vanes can be achieved by limiting the adjustment of the adjusting ring. According to the invention, the spacer elements are designed as end stops for the guide vanes, so that it is possible to dispense with the previously required stop for the adjusting ring. The Spacer elements thus not only take on the task of spacing the cover disk area from the contact area and the homogeneous flow guide, but also the task of limiting the adjustment movement of the guide vanes. The spacer elements formed according to the invention thus have a significantly increased functionality in comparison to previously known spacer elements.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.

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.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

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.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.

Dabei zeigen, jeweils schematisch,Show, in each case schematically,

1 einen Leitschaufelkäfig für einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader, 1 a guide vane cage for an exhaust gas turbocharger according to the invention,

2 eine weitere Ausführungsform eines Leitschaufelkäfigs, 2 another embodiment of a vane cage,

3 ein Strömungsprofil eines Abstandselementes des Leitschaufelkäfigs, 3 a flow profile of a spacer element of the guide blade cage,

4 ein Vergleich zwischen einem erfindungsgemäß aerodynamisch optimierten Strömungsprofil eines Abstandselementes und einem herkömmlichen Strömungsprofil eines herkömmlichen Abstandselementes. 4 a comparison between an inventive aerodynamically optimized flow profile of a spacer element and a conventional flow profile of a conventional spacer element.

Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßer Leitschaufelkäfig 1 einen Deckscheibenbereich 2 auf, der über Abstandselemente 3 mit einem Anlagebereich 4 verbunden ist. Eingesetzt wird der erfindungsgemäße Leitschaufelkäfig 1 im Bereich einer variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie eines Abgasturboladers, wobei der Anlagebereich 4 üblicherweise dazu dient, eine Anlage für einen nicht dargestellten Schaufellagerring zu bilden. An diesem Schaufellagerring sind drehbar gelagert Leitschaufeln angeordnet, wobei über deren Verdrehung die Leistung des Abgasturboladers gesteuert wird. Der Leitschaufelkäfig 1 bildet darüber hinaus zumindest einen Teil eines Strömungskanals innerhalb des Abgasturboladers. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, die Anzahl der Abstandselemente 3 des Leitschaufelkäfigs 1 entweder exakt der Anzahl der Leitschaufeln der variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie zu wählen oder aber mit einer Toleranz von +/–1 oder +/–2, wodurch eine besonders homogene Anströmung der Leitschaufeln erreicht und dadurch insbesondere Druckspitzen bzw. Drucksenken zuverlässig vermieden werden können. Insgesamt kann durch die an die Anzahl der Leitschaufeln angepasste Anzahl an Abstandselementen die Leistungsfähigkeit des Abgasturboladers gesteigert werden, da gemäß der ersten Variante jeder Leitschaufel nunmehr ein Abstandselement zugeordnet und dadurch Inhomogenitäten bezüglich der Anströmung der Leitschaufeln vermieden werden können.According to the 1 , Has a guide vane cage according to the invention 1 a cover disk area 2 on, over spacer elements 3 with an investment area 4 connected is. The guide vane cage according to the invention is used 1 in the range of a variable turbine / compressor geometry of an exhaust gas turbocharger, wherein the contact area 4 Usually serves to form a system for a blade bearing ring, not shown. On this blade bearing ring rotatably mounted vanes are arranged, over the rotation of which the power of the exhaust gas turbocharger is controlled. The vane cage 1 moreover forms at least a part of a flow channel within the exhaust gas turbocharger. According to the invention, the number of spacer elements is now provided 3 of the vane cage 1 either to choose exactly the number of guide vanes of the variable turbine / compressor geometry or with a tolerance of +/- 1 or +/- 2, whereby a particularly homogeneous flow of the guide vanes achieved and thus pressure peaks or pressure sinks can be reliably avoided. Overall, the efficiency of the exhaust-gas turbocharger can be increased by the number of spacer elements adapted to the number of guide vanes, since, according to the first variant, each guide vane can now be allocated a spacer element and inhomogeneities with respect to the flow of the guide vanes can be avoided.

Der Leitschaufelkäfig 1 kann beispielsweise als Blechstanz- bzw. Blechformteil ausgebildet sein oder aber aus mehreren einzelnen Teilen, insbesondere Blechbauteilen, gebaut werden. Bezüglich der Leitschaufeln sind die Abstandselemente 3 vorzugsweise derart ausgebildet bzw. bezüglich der Leitschaufeln positioniert, dass sie ein für die Leitschaufeln öffnendes Moment erzeugen. Hierdurch soll insbesondere ein ungewolltes sich Schließen der variablen Turbinen-/Verdichtergeometrie aufgrund der Strömungskräfte vermieden werden.The vane cage 1 For example, it can be formed as a stamped sheet metal or sheet metal part or it can be constructed from a plurality of individual parts, in particular sheet metal components. Regarding the vanes are the spacers 3 Preferably, such are formed or positioned with respect to the vanes that they produce a moment opening for the vanes. As a result, in particular an unwanted closing of the variable turbine / compressor geometry due to the flow forces is to be avoided.

Generell kann der Leitschaufelkäfig 1 als kostengünstig in einem Stanzwerkzeug herstellbares Bauteil ausgebildet sein, wobei die Abstandselemente 3 einfach gestanzt werden. Alternativ ist auch eine gebogene Form der Abstandselemente 3 als Vorleitgitter denkbar, wobei hier das Stanzwerkzeug zusätzliche Schieber aufweist. Die Stege der gebogenen Form der Abstandselemente 3 können dabei nach außen und/oder innen gerichtet sein wie diese beispielsweise gemäß der 1 dargestellt ist. Denkbar ist auch, dass die Abstandselemente 3 als Endanschlag für die Leitschaufeln ausgebildet sind, so dass ein bisher erforderlicher separater Endanschlag, beispielsweise zur Begrenzung der Verstellbewegung eines Verstellrings, entfallen kann. Derartig ausgebildete Abstandselemente 3 bilden dabei vorzugsweise einen Maximalanschlag für die Leitschaufeln, d. h. für eine volle Öffnung der variablen Turbinengeometrie.Generally, the vane cage 1 be formed as cost producible in a punching tool component, wherein the spacer elements 3 easy to be punched. Alternatively, a curved shape of the spacer elements 3 conceivable as Vorleitgitter, in which case the punching tool has additional slide. The webs of the curved shape of the spacer elements 3 can be directed to the outside and / or inside as this example, according to the 1 is shown. It is also conceivable that the spacer elements 3 are formed as an end stop for the guide vanes, so that a previously required separate end stop, for example, to limit the adjustment of an adjusting ring, can be omitted. Such trained spacers 3 preferably form a maximum stop for the guide vanes, ie for a full opening of the variable turbine geometry.

Gemäß den 2 bis 4 ist ein Leitschaufelkäfig 1' mit speziell aerodynamisch angepassten Abstandselementen 3' gezeigt, wobei der aerodynamisch optimierte Querschnitt des Abstandselementes 3' insbesondere in der 4 in der Gegenüberstellung eines Querschnitts eines herkömmlichen Abstandselementes 3'' deutlich wird. Mit einem derart aerodynamisch optimierten Querschnitt ist es insbesondere möglich, Sekundärwirbel an den nachfolgenden Leitschaufeln zu vermeiden und dadurch ebenfalls die Leistungsfähigkeit zu steigern. Gemäß dem Leitschaufelkäfig 1' in der 2 sind dabei lediglich sechs Abstandselemente 3' gezeigt, wobei selbstverständlich klar ist, dass eine hierzu erfindungsgemäße variable Turbinengeometrie dann vier bis acht, insbesondere sechs Leitschaufeln umfasst. Durch das optimierte Querschnittsdesign lässt sich insbesondere auch die Regelbarkeit und der Wirkungsgrad des Abgasturboladers verbessern und gleichzeitig erreichen, dass auf die nachfolgend angeordneten Leitschaufeln ein öffnendes Moment wirkt.According to the 2 to 4 is a vane cage 1' with specially aerodynamically adjusted spacers 3 ' shown, wherein the aerodynamically optimized cross-section of the spacer element 3 ' especially in the 4 in the comparison of a cross section of a conventional spacer 3 '' becomes clear. With such an aerodynamically optimized cross-section, it is possible, in particular, to avoid secondary vortices on the downstream guide vanes and thereby likewise to increase the performance. According to the vane cage 1' in the 2 are only six spacers 3 ' shown, where Of course, it is clear that a variable turbine geometry according to the invention then comprises four to eight, in particular six vanes. The optimized cross-sectional design also makes it possible, in particular, to improve the controllability and the efficiency of the exhaust-gas turbocharger, and at the same time to ensure that an opening moment acts on the subsequently arranged guide vanes.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2004/022926 A1 [0002]
EP 1925784 A1 [0003]
EP 2093379 A2 [0003]

Claims

Exhaust gas turbocharger for a motor vehicle, having - a variable turbine and / or compressor geometry, - a vane bearing ring with guide vanes rotatably mounted thereon, - a vane cage (at least part of a flow duct) ( 1 ), which at the same time forms a bearing for the vane bearing ring, characterized in that the vane cage ( 1 ) a cover disk area ( 2 ), which via spacer elements ( 3 ) with an investment area ( 4 ), the number of spacer elements ( 3 ) corresponds to the number of guide vanes exactly or with a tolerance of +/- 1 or +/- 2.

Exhaust gas turbocharger according to claim 1, characterized in that the guide vane cage ( 1 ) as a one-piece sheet metal part / stamped part or as a built-up vane cage ( 1 ) is trained.

Exhaust gas turbocharger according to claim 1 or 2, characterized in that the spacer elements ( 3 ) are positioned or positioned relative to the guide vanes so as to provide an opening moment for the vanes.

Exhaust gas turbocharger according to one of claims 1 to 3, characterized in that the spacer elements ( 3 ) are formed as Vorleitgitter.

Exhaust gas turbocharger according to one of claims 1 to 4, characterized in that the spacer elements ( 3 ) are punched.

Exhaust gas turbocharger according to one of claims 1 to 5, characterized in that the spacer elements ( 3 ) are designed as an end stop for the guide vanes.

Exhaust gas turbocharger according to one of claims 1 to 6, characterized in that the spacer elements ( 3 ) are formed such that secondary vortices are avoided on the subsequent vanes.

Exhaust gas turbocharger according to one of claims 1 to 7, characterized in that at least six spacer elements ( 3 ) are provided.

Internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger according to one of claims 1 to 8.