DE102010021930A1 - turbocharger - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, aufweisend einen durchströmbaren Luftführungsabschnitt, einen durchströmbaren Abgasführungsabschnitt (2) und einen Lagerabschnitt (3), sowie ein drehbar im Lagerabschnitt (3) gelagertes Laufzeug (4) mit einem an einer Welle (5) des Laufzeugs (4) drehfest befestigten Turbinenrad (6), wobei der Abgasführungsabschnitt (2) mindestens einen Teilspiralkanal (11, 12), ein stromab des Teilspiralkanals (11, 12) positionierter Düsenkanal (8) sowie eine stromab des Düsenkanals (8) angeordnete Radkammer (9) zur Aufnahme des Turbinenrades (6) aufweist, wobei im Abgasführungsabschnitt (2) ein Verstellring (13) bewegbar angeordnet ist, und der Verstellring (13) mindestens einen undurchströmbaren, in den Düsenkanal (8) hineinragenden Versperrkörper (14) mit einer dem Turbinenrad (6) zugewandt angeordneten Zungenstirnfläche (16) aufweist. Erfindungsgemäß ist im Abgasführungsabschnitt eine axial verschiebbare Druckhülse (23) ausgebildet, welche eine Anlagefläche (21, 21') aufweist, wobei die Anlagefläche (21, 21') von der Zungenstirnfläche (16) abgewandt ausgebildet ist und zwischen der Druckhülse (23) und dem Verstellring (13) ein Kontakt herstellbar ist, wobei ein auf die Anlagefläche (21, 21') wirkender statischer erster Gasdruck (pAnl) größer ist als ein auf die Zungenstirnfläche (16) wirkender zweiter Gasdruck (pZung). Die Erfindung wird überwiegend im Kraftfahrzeugbau eingesetzt.The invention relates to an exhaust gas turbocharger, having an air duct section through which a flow can flow, an exhaust gas duct section (2) which can flow through, and a bearing section (3), as well as a rotating tool (4) mounted on a shaft (5) of the rotating tool (4) so that it can rotate in the bearing section (3). non-rotatably attached turbine wheel (6), wherein the exhaust gas guide section (2) has at least one partial spiral channel (11, 12), a nozzle channel (8) positioned downstream of the partial spiral channel (11, 12) and a wheel chamber (9) arranged downstream of the nozzle channel (8) for Receiving the turbine wheel (6), wherein an adjusting ring (13) is movably arranged in the exhaust gas duct section (2), and the adjusting ring (13) has at least one blocking element (14) which cannot flow through and protrudes into the nozzle channel (8) with a turbine wheel (6 ) facing arranged tongue end face (16). According to the invention, an axially displaceable pressure sleeve (23) is formed in the exhaust gas guide section, which has a contact surface (21, 21 '), the contact surface (21, 21') being designed facing away from the tongue face (16) and between the pressure sleeve (23) and a contact can be made with the adjusting ring (13), a static first gas pressure (pAnl) acting on the contact surface (21, 21 ') being greater than a second gas pressure (pZung) acting on the tongue face (16). The invention is mainly used in motor vehicle construction.
Description
Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.The invention relates to an exhaust gas turbocharger according to the specified in the preamble of
Aus der Offenlegungsschrift
Der Teilspiralkanal ist die Radkammer nur teilweise umfassend ausgebildet. Die teilweise Umfassung wird mit Hilfe eines Verstellringes realisiert, welcher im Abgasführungsabschnitt bewegbar gelagert ist. Der Verstellring weist mindestens einen undurchströmbaren, in den Düsenkanal hineinragend ausgebildeten Versperrkörper auf. Der Versperrkörper weist eine dem Turbinenrad zugewandt angeordnete Zungenstirnfläche auf. Insbesondere bei hohen Abgasdrücken im Teilspiralkanal kann eine Leckage im Bereich der Zungenstirnfläche zu einer Wirkungsgradreduzierung des Abgasturboladers führen, da, um ein Klemmen des Verstellringes im Betrieb zu verhindern, für den Verstellring in axialer Richtung ein Spiel bzw. ein Spalt vorgesehen werden muß, über welchen das Strömungsmedium unkontrolliert aus dem Teilspiralkanal in die Radkammer strömen kann.The partial spiral channel is the wheel chamber only partially formed. The partial enclosure is realized by means of an adjusting ring, which is movably mounted in the exhaust gas guide section. The adjusting ring has at least one impenetrable, projecting into the nozzle channel locking body. The Versperrkörper has a turbine wheel arranged facing tongue end face. In particular, at high exhaust gas pressures in the partial spiral channel leakage in the region of the tongue end surface can lead to a reduction in efficiency of the exhaust gas turbocharger, as to prevent jamming of the adjusting ring during operation, a clearance or gap must be provided for the adjusting ring in the axial direction over which the flow medium can flow uncontrollably from the Teilspiralkanal in the wheel chamber.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Abgasturbolader bereit zu stellen, dessen Leckage unter Berücksichtigung von Montage- und Herstellungskostengründen reduziert ist.The object of the present invention is to provide an exhaust gas turbocharger whose leakage is reduced taking into account assembly and manufacturing costs.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by an exhaust gas turbocharger with the features of
Zur Realisierung eines eine verminderte Leckage im Bereich der Zungenstirnfläche ist im Abgasführungsabschnitt des erfindungsgemäßen Abgasturboladers eine axial verschiebbare Druckhülse ausgebildet, welche eine Anlagefläche aufweist, wobei die Anlagefläche von der Zungenstirnfläche abgewandt ausgebildet ist und zwischen der Druckhülse und dem Verstellring ein Kontakt herstellbar ist, wobei ein auf die Anlagefläche wirkender statischer erster Gasdruck größer ist als ein auf die Zungenstirnfläche wirkender zweiter Gasdruck. Denn sofern ein höherer statischer erster Gasdruck an der Anlagefläche ausgebildet ist, als an der Zungenstirnfläche, wird die Druckhülse immer in Richtung auf die Zungenstirnfläche gedrückt werden, wodurch ein zwischen der Zungenstirnfläche und der der Zungenstirnfläche gegenüberliegend ausgebildeten Wandung ausgebildeter Spalt mindestens reduziert oder sogar vollständig aufgehoben wird, so dass eine Leckage mindestens reduziert wird.To realize a reduced leakage in the region of the tongue end surface, an axially displaceable pressure sleeve is formed in the exhaust gas guide section of the exhaust gas turbocharger, which has a contact surface, wherein the contact surface is remote from the tongue end face and between the pressure sleeve and the adjusting ring, a contact can be produced, wherein a acting on the contact surface static first gas pressure is greater than acting on the tongue end surface second gas pressure. For if a higher static first gas pressure is formed on the contact surface than on the end face of the tongue, the pressure sleeve will always be pressed in the direction of the front end of the tongue, whereby a gap formed between the end face of the tongue and that of the end face of the tongue is at least reduced or even completely eliminated so that leakage is at least reduced.
Durch die fortwährende Verschärfung von Emissionsgrenzwerten, insbesondere der Stickoxid- und Rußemissionen, ergibt sich einerseits eine massive Beeinflussung von Abgasturboladern zum Aufladen einer Verbrennungskraftmaschine. Daraus resultieren hohe Anforderungen hinsichtlich einer Ladedruckbereitstellung des Abgasturboladers aufgrund hoher, zu realisierender AGR-Raten (AGR – Abgasrückführung) in mittleren Lastbereichen bis hin zu Volllastbereichen der Verbrennungskraftmaschine. Eine Leckage bedeutet grundsätzlich einen Wirkungsgradverlust, da die aufgrund der Leckage auf das Turbinenrad unkontrolliert strömende Abgasmenge der gezielten Anströmung des Turbinenrades hinsichtlich der geforderten Turbinenleistung entgegenwirkt. Dies erfordert die Darstellung einer bezüglich ihres Wirkungsgrades verbesserten Turbine für einen solchen Abgasturbolader, wobei die geforderten hohen Turbinenleistungen durch eine Steigerung des Wirkungsgrades aufgrund der Reduzierung der Leckage im Zusammenwirken mit der Verbrennungskraftmaschine realisiert wird.The constant tightening of emission limit values, in particular the nitrogen oxide and soot emissions, on the one hand results in a massive influence on exhaust gas turbochargers for charging an internal combustion engine. This results in high demands in terms of boost pressure provision of the exhaust gas turbocharger due to high, to be realized EGR rates (EGR - exhaust gas recirculation) in medium load ranges up to full load ranges of the internal combustion engine. A leakage basically means a loss of efficiency, since the uncontrolled flowing due to the leakage of the turbine wheel exhaust gas counteracts the targeted flow of the turbine wheel with respect to the required turbine performance. This requires the representation of a turbine with respect to its efficiency for such an exhaust gas turbocharger, wherein the required high turbine performance is realized by increasing the efficiency due to the reduction of the leakage in cooperation with the internal combustion engine.
Ferner wird gegebenenfalls ein Eintrittsdruckniveau der Turbine erhöht durch den Gegendruck einer Abgasreinigungseinrichtung, insbesondere eines Rußfilters, welche in Strömungsrichtung des Abgases stromab der Turbine angeordnet ist, was eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades der Turbine erfordert.Further, an inlet pressure level of the turbine is optionally increased by the back pressure of an exhaust gas purification device, in particular a soot filter, which is arranged in the flow direction of the exhaust gas downstream of the turbine, which requires a further increase in the efficiency of the turbine.
Die erfindungsgemäße Turbine ermöglicht es, sie hinsichtlich ihres Wirkungsgradniveaus derart zu verbessern, um damit ein gewünschtes Aufstauverhalten darzustellen. Somit sind hohe AGR-Raten realisierbar. Mit anderen Worten kann eine besonders große Menge an Abgas von einer Abgasseite der Verbrennungskraftmaschine auf eine Luftseite derselbigen rückgeführt und einer von der Verbrennungskraftmaschine angesaugten Luft zugeführt werden, wodurch sich die Emissionen, insbesondere Stickoxid- und Rußemissionen, der Verbrennungskraftmaschine absenken lassen.The turbine according to the invention makes it possible to improve it in terms of its level of efficiency so as to represent a desired Aufstauverhalten. Thus, high EGR rates can be realized. In other words, a particularly large amount of exhaust gas may be returned from an exhaust side of the internal combustion engine to an air side thereof and one of the Are fed internal combustion engine sucked air, which can lower emissions, in particular nitrogen oxide and soot emissions, the internal combustion engine.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist mindestens die Druckhülse in einem Aufnahmeraum des Abgasführungsabschnitts gelagert, so dass unter Berücksichtigung einer Kostenniedrighaltung eine axiale Verschiebbarkeit der Druckhülse gewährleistet ist, da kein weiteres Gehäuseteil herzustellen ist, sondern der Abgasführungsabschnitt, welcher im Allgemeinen gußtechnisch hergestellt werden kann durch geringe konstruktive Änderungen nutzbar gemacht werden kann.In an advantageous embodiment of the exhaust gas turbocharger according to the invention, at least the pressure sleeve is mounted in a receiving space of the exhaust gas guide section, so that, taking into account a Kostiedriedrighaltung axial displacement of the pressure sleeve is ensured because no further housing part is to produce, but the exhaust gas guide section, which can be produced by casting technology in general can be harnessed by minor design changes.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist zwischen der Anlagefläche der Druckhülse und einer zur Anlagefläche korrespondierenden Wandung des Aufnahmeraumes eine Druckkammer ausbildbar ist, so dass eine gezielte und effektive Druckausbildung erwirkbar ist. Somit ist sichergestellt, dass der Gasdruck an der Anlagefläche gezielt einen höheren Wert annehmen kann als der Gasdruck an Zungenstirnfläche.In a further embodiment of the exhaust gas turbocharger according to the invention, a pressure chamber can be formed between the contact surface of the pressure sleeve and a wall corresponding to the contact surface of the receiving space, so that a targeted and effective pressure training can be obtained. This ensures that the gas pressure at the contact surface can specifically assume a higher value than the gas pressure at the end face of the tongue.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist zur gesicherten Ausbildung des statischen ersten Gasdruckes zwischen einer Außenwandung der Druckhülse und einer der Außenwandung zugewandt positionierten Wandung des Abgasführungsabschnitts ein durchströmbarer Spalt ausgebildet, so dass auf einfache und herstellungsfreundliche Weise eine Befüllung der Druckkammer mit dem Strömungsmedium erfolgen kann. Somit kann der herstellungstechnisch übliche Spalt zwischen zwei Bauteilen sinnvoll genutzt werden, wobei sogar eine mitunter notwendige Abdichtung des durchströmbaren Spaltes entfällt.In a further embodiment of the exhaust gas turbocharger according to the invention, a flow-through gap is formed for secure formation of the static first gas pressure between an outer wall of the pressure sleeve and a wall facing the outer wall, so that the pressure chamber can be filled with the flow medium in a simple and production-friendly manner , Thus, the manufacturing technology standard gap between two components can be used meaningful, with even a sometimes necessary sealing of the flow-through gap deleted.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist im Abgasführungsabschnitt der Aufnahmeraum zur Aufnahme der axial verschiebbaren Druckhülse im Bereich des Austrittskanals ausgebildet. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass ein sowieso vorhandener Raum, nämlich eine Aufnahmekammer zur Aufnahme eines Verstellapparates zur Verstellung des Verstellringes zusätzlich nutzbar gemacht werden kann und weitere unter Umständen aufwendige Bearbeitungen des Abgasführungsabschnittes entfallen.In a further embodiment of the exhaust gas turbocharger according to the invention the receiving space for receiving the axially displaceable pressure sleeve in the region of the outlet channel is formed in the exhaust gas guide portion. The advantage of this embodiment is that an existing space anyway, namely a receiving chamber for receiving an adjusting device for adjusting the adjusting ring can be additionally utilized and account for other possibly elaborate processing of the exhaust gas guide section.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Verstellring die Druckhülse auf, so dass ein direkter Einfluß einer aufgrund des an der Anlagefläche anliegenden Gasdruckes auf die Zungenstirnfläche des am Verstellring positionierten Versperrkörpers erzielbar ist. Idealerweise ist dabei die Druckhülse an dem von dem Versperrkörper abgewandten Ende des Verstellringes ausgebildet.In a further embodiment of the invention, the adjusting ring on the pressure sleeve, so that a direct influence of a voltage applied to the contact surface gas pressure on the tongue end face of the adjusting ring positioned on the locking body can be achieved. Ideally, the pressure sleeve is formed at the end facing away from the Versperrkörper the adjusting ring.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Verstellring mit der Druckhülse einteilig ausgebildet, wodurch neben reduzierten Herstellungskosten eine einfacherer Montage sowie eine Reduzierung von Reibverlusten, welche zwischen den in Kontakt tretenden Wandungen des Verstellringes und der Druckhülse in Erscheinung treten, realisierbar sind.In an advantageous embodiment of the invention, the adjusting ring is integrally formed with the pressure sleeve, which in addition to reduced manufacturing costs a simpler installation and a reduction of friction losses, which occur between the passing walls of the adjusting ring and the pressure sleeve in appearance, are feasible.
In einer alternativen Ausgestaltung ist im Abgasführungsabschnitt der Aufnahmeraum zur Aufnahme der axial verschiebbaren Druckhülse im Bereich der Zungenstirnfläche, dem Versperrkörper gegenüberliegend ausgebildet. In dieser Ausgestaltung kann die Druckhülse in Richtung der Zungenstirnfläche und somit auf die Zungenstirnfläche mit Hilfe des anliegenden statischen ersten Druckes gedrückt werden, so dass ein nahezu undurchströmbarer Kontakt zwischen der Zungenstirnfläche und der Drückhülse realisierbar ist. Da ausschließlich die Druckhülse in dieser Ausgestaltung mit Hilfe des anliegenden statischen ersten Gasdruckes zur Herstellung eines undurchströmbaren Kontaktes zwischen der Zungenstirnfläche und der Druckhülse zu bewegen ist, ist der Vorteil in einem notwendigen niedrigeren statischen ersten Gasdruck zu sehen. Im Gegensatz zu den vorangegangenen Ausgestaltungsformen bei denen zusätzlich zur Druckhülse der Verstellring mit dem Versperrkörper zu bewegen ist, ist in dieser Ausgestaltung das insgesamt vom statischen ersten Gasdruck zu bewegende Bauteil von geringerem Gewicht, so dass ein niedrigerer statischer erster Gasdruck zur Herstellung des Kontaktes ausreichend ist.In an alternative embodiment, the receiving space for receiving the axially displaceable pressure sleeve in the region of the tongue end surface, the Versperrkörper opposite is formed in the exhaust gas guide portion. In this embodiment, the pressure sleeve can be pressed in the direction of the tongue end face and thus on the tongue end face with the help of the adjacent static first pressure, so that a nearly impenetrable contact between the tongue end face and the pressure sleeve can be realized. Since only the pressure sleeve in this embodiment is to be moved by means of the applied static first gas pressure for producing an impenetrable contact between the tongue end face and the pressure sleeve, the advantage is to be seen in a necessary lower static first gas pressure. In contrast to the preceding embodiments, in which in addition to the pressure sleeve of the adjusting is to move with the Versperrkörper, in this embodiment, the total of the static first gas pressure to be moved component of lesser weight, so that a lower static first gas pressure to make the contact is sufficient ,
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist ein durchströmbarer Verbindungskanal im Abgasführungsabschnitt, den Teilspiralkanal mittelbar oder unmittelbar mit der Druckkammer verbindend, ausgebildet. Somit ist sichergestellt, dass mindestens ein im Teilspiralkanal wirkende statischer Gasdruck in der Druckkammer und somit auf die Anlagefläche wirkt.In a further embodiment of the exhaust gas turbocharger according to the invention, a flow-through connecting channel is formed in the exhaust gas guide section, connecting the partial spiral channel directly or indirectly to the pressure chamber. This ensures that at least one acting in the partial spiral channel static gas pressure in the pressure chamber and thus acts on the contact surface.
In einer weiteren, alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers weist die Druckhülse in einem Bereich zwischen der Druckkammer und dem Teilspiralkanal mindestens eine durchgehende Öffnung auf, so dass sich ein entsprechender statischer erster Gasdruck in der Druckkammer einstellen kann.In a further alternative embodiment of the exhaust gas turbocharger according to the invention, the pressure sleeve has at least one through opening in a region between the pressure chamber and the partial spiral channel, so that a corresponding static first gas pressure can be established in the pressure chamber.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibungen mehrerer Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following descriptions of several embodiments and from the drawings, in which the same or functionally identical elements are provided with identical reference numerals. Showing:
Die
Stromab eines nicht näher dargestellten Eintrittskanals des Abgasführungsabschnitts
Gemäß der Darstellung in
Zur Erzielung eines veränderbaren thermodynamischen Zustandes des Strömungsmediums bei einem Übertritt von dem ersten Teilspiralkanal
Der Sinn und Zweck des Versperrkörpers
Wie aus der
In
Sofern die Druckhülse
Zur Befüllung der Druckkammer
Optional, gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Abgasturboladers
Die Ausbildung eines Verbindungskanal
In einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Abgasturboladers
In
Eine vierte Variante des erfindungsgemäßen Abgasturboladers
In einer fünften Variante des erfindungsgemäßen Abgasturboladers
In
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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