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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einer variablen Turbinengeometrie.
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Abgasturbolader, die eine variable Turbinengeometrie aufweisen, sind bekannt. Die genannte variable Turbinengeometrie weist auf der Abgasseite verstellbare Leitschaufeln auf. Diese sind mit ihren Wellen auf einem Schaufellagerring befestigt. Auf der Rückseite dieses Schaufellagerrings haben die Wellen der Leitschaufeln einen Führungszapfen, der mit einem Hebel verbunden ist, der in einen Verstellring eingreift, über welchen alle Leitschaufeln gleichzeitig verdrehbar sind. Dabei wird der Verstellring mittels eines Stellmotors oder durch eine Unterdruckdose bewegt. Je nach Stellung der Leitschaufeln strömen die Abgase langsamer oder schneller zum Turbinenrad, so dass die Turbinenleistung je nach Bedarf entsprechend ab- oder zunimmt.
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Aus der
DE 10 2008 014 680 A1 ist eine Leitgitteranordnung eines Abgasturboladers mit variabler Turbinengeometrie bekannt. Diese variable Turbinengeometrie weist zumindest einen aus mindestens einem Blechteil gebildeten Trägerring zur Lagerung von Leitschaufeln auf. Diese sind in Ausnehmungen des Trägerrings drehbar gelagert.
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Aus der
DE 10 2008 020 932 A1 ist ein Turbolader mit einer variablen Turbinengeometrie bekannt. Zu dieser variablen Turbinengeometrie gehören ein Verstellring, ein Wälzkörperelement, zwei Schaufellagerringe, ein zwischen den Schaufellagerringen vorgesehenes Distanzelement, zwischen den Schaufellagerringen vorgesehene Leitschaufeln und ein Befestigungselement. Ein Kopfabschnitt des Befestigungselementes ist in einen Haltebereich des Lagergehäuses des Turboladers beweglich aufgenommen. In dem dem Kopfabschnitt entgegengesetzten Endbereich des Befestigungselementes sind eine am äußeren Schaufellagerring anliegende Tellerfeder und eine Mutter vorgesehen, mittels derer das Befestigungselement die variable Turbinengeometrie am Gehäuse des Turboladers befestigt. Zwischen dem äußeren Schaufellagerring und einer Wand des Turboladergehäuses ist ein Dichtelement vorgesehen, bei dem es sich um eine Schraubenfederdichtung, eine C-Ringdichtung oder eine G-Richtdichtung handelt.
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Aus der
EP 2 226 484 A1 ist ein Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie bekannt, die am Lagergehäuse des Abgasturboladers befestigt ist. Auch diese variable Turbinengeometrie weist zwei Schaufellagerringe auf, zwischen denen Leitschaufeln drehbar angeordnet sind. Zwischen dem äußeren Schaufellagerring und dem Turbinengehäuse ist zur Abdichtung des Spalts zwischen der variablen Turbinengeometrie und dem Turbinengehäuse eine Tellerfeder vorgesehen, die mit ihrem Innendurchmesser bzw. inneren Randbereich an einer Stufe des Turbinengehäuses und mit ihrem Außendurchmesser bzw. äußeren Randbereich am äußeren Schaufellagerring anliegt. Bei dieser bekannten Anordnung wirkt aufgrund des Druckunterschieds zwischen dem Innenbereich zwischen den beiden Schaufellagerringen und dem Bereich zwischen dem äußeren Schaufellagerring und dem Turbinengehäuse eine axiale Kraft in Richtung des turbinengehäuseseitigen Schaufellagerrings. Dadurch wird durch einen am Schaufelschaft vorgesehenen Bund die Bohrung im turbinengehäuseseitigen Schaufellagerring abgedichtet und eine Leckage durch die Schaufellagerbohrung vermieden. Ein Nachteil dieser Anordnung besteht jedoch darin, dass im Falle eines großen Temperaturunterschiedes zwischen dem Innenbereich zwischen den beiden Schaufellagerringen und dem Bereich zwischen dem turbinengehäuseseitigen Schaufellagerring und dem Turbinengehäuse eine unerwünschte Verformung des turbinengehäuseseitigen Schaufellagerrings auftreten kann. Diese Verformung kann dazu führen, dass die Vorder- und die Hinterkanten der Schaufelblätter auf dem turbinengehäuseseitigen Schaufellagerring kratzen und es zu einem Verklemmen einer oder mehrerer der Leitschaufeln kommt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie und einer zur Abdichtung des Spalts zwischen dem Turbinengehäuse und dem dem Turbinengehäuse benachbarten Schaufellagerring vorgesehenen Tellerfeder derart auszugestalten, dass ein Verklemmen der Leitschaufeln der variablen Turbinengeometrie vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bei diesem Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse und einer variablen Turbinengeometrie, welche zwei Schaufellagerringe aufweist, zwischen denen drehbar angeordnete Leitschaufeln vorgesehen sind, wobei die Leitschaufeln jeweils ein Schaufelblatt und durch Schaufelbohrungen in den Schaufellagerringen geführte Schaufelwellen aufweisen, und bei welcher zwischen dem Turbinengehäuse und der variablen Turbinengeometrie ein Spalt vorgesehen ist, der mittels einer Tellerfeder abgedichtet ist, ist der Außendurchmesser der Tellerfeder kleiner als der Durchmesser des Kreises, den die Schaufelbohrungen in den Schaufellagerringen oder die Drehachsen der Leitschaufeln beschreiben.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen eines Abgasturboladers mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sind in den abhängigen Ansprüchen 2–4 angegeben.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass bei einem Abgasturbolader mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen die Wahrscheinlichkeit eines Verklemmens einer oder mehrerer der Leitschaufeln der variablen Turbinengeometrie reduziert ist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der dem Turbinengehäuse benachbarte Schaufellagerring im Vergleich zum Stand der Technik weniger stark durch Temperaturunterschiede zwischen dem Bereich zwischen den beiden Schaufellagerringen und dem Bereich zwischen dem Turbinengehäuse und dem dem Turbinengehäuse benachbarten Schaufellagerring verformt wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Wärmeeintrag auf beiden Seiten des dem Turbinengehäuse benachbarten Schaufellagerrings gleichmäßiger ist als beim Stand der Technik. Es tritt aufgrund der reduzierten Abmessungen der Tellerfeder eine geringere Wärmeabschirmung durch die Feder auf. Auch dies führt zu einer verringerten Wahrscheinlichkeit eines Auftretens eines Verklemmens einer oder mehrerer der Leitschaufeln der variablen Turbinengeometrie.
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Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Dabei zeigt
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1 eine Skizze zur Veranschaulichung der zum Verständnis der Erfindung notwendigen Bestandteile eines Abgasturboladers und
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2 eine Skizze einer Leitschaufelanordnung.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Abgasturbolader mit einem Turbinengehäuse und einer variablen Turbinengeometrie bereitgestellt, wobei die variable Turbinengeometrie zwei Schaufellagerringe aufweist, zwischen denen drehbar angeordnete Leitschaufeln vorgesehen sind. Die Leitschaufeln weisen jeweils ein Schaufelblatt und durch Schaufelbohrungen in den Schaufellagerringen geführte Schaufelwellen auf. Des Weiteren weist die variable Turbinengeometrie zwischen dem Turbinengehäuse und der variablen Turbinengeometrie einen Spalt auf, der mittels einer Tellerfeder abgedichtet ist. Der Außendurchmesser dieser Tellerfeder ist kleiner als der Durchmesser des Kreises, den die Schaufelbohrungen in den Schaufellagerringen oder die Drehachsen der Leitschaufeln beschreiben.
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Die 1 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der zum Verständnis der Erfindung notwendigen Bestandteile eines Abgasturboladers.
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Dieser Abgasturbolader 1 weist ein Turbinengehäuse 2 und eine an einem nicht gezeichneten Lagergehäuse befestigte variable Turbinengeometrie 3 auf. Im Turbinengehäuse ist ein Turbinenrad 9 angeordnet, das mit Turbinenschaufeln 18 versehen ist. Das Turbinenrad 9 ist auf einer Welle befestigt, die im Lagergehäuse gelagert ist und sich bis in ein Verdichtergehäuse erstreckt, in welchem ein Verdichterrad auf der Welle befestigt ist. Das Turbinenrad 9 wird vom Abgasstrom eines Kraftfahrzeugs angetrieben und setzt über die genannte Welle das Verdichterrad in Bewegung. Das Verdichterrad stellt verdichtete Frischluft bereit, die dem Motor des Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt wird.
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Die variable Turbinengeometrie 3 dient dazu, die Leistungsabgabe und das Ansprechverhalten der Turbine und damit des gesamten Abgasturboladers an unterschiedliche Betriebsbedingungen, beispielsweise an auftretende Lastwechsel, besser anpassen zu können.
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Zu diesem Zweck weist die variable Turbinengeometrie 3 im Abgasstrom angeordnete Leitschaufeln 6 auf, die verstellbar bzw. drehbar sind. Der Anstellwinkel dieser Leitschaufeln wird dabei derart geregelt, dass bei wenig Abgasdurchsatz, aber hohem Leistungsbedarf das Abgas durch verkleinerte Strömungsquerschnitte beschleunigt auf die Turbinenschaufeln geleitet wird. Dadurch werden die Drehzahl des Turbinenrades und die Leistung des Verdichters des Abgasturboladers erhöht. Bei hohem Abgasdurchsatz, aber geringem Leistungsbedarf wird hingegen der Anstellwinkel der Leitschaufeln so eingestellt, dass das Abgas durch vergrößerte Strömungsquerschnitte verlangsamt auf die Turbinenschaufeln geleitet und die Leistung des Verdichters verringert wird.
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Die Leitschaufeln 6 der variablen Turbinengeometrie 3 weisen jeweils ein Schaufelblatt 6a auf und sind jeweils zwischen zwei Schaufellagerringen 4, 5 drehbar gelagert. Diese Schaufellagerringe weisen Schaufelbohrungen 4a, 5a auf, durch welche Schaufelwellen 6b der Leitschaufeln 6 geführt sind. Die Drehachse der Leitschaufeln ist mit dem Bezugszeichen 6c versehen.
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Des Weiteren weist die variable Turbinengeometrie 3 einen Schaufelhebel 6d auf, mittels welchem die variable Turbinengeometrie 3 verstellbar ist, wie noch unten erläutert wird.
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Die Turbinengehäuseseite des in der 1 gezeigten Abgasturboladers ist mit der Bezugszahl 11, die Lagergehäuseseite mit der Bezugszahl 10 bezeichnet.
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Bei dem in der 1 gezeigten Abgasturbolader 1 liegt fertigungs- und damit toleranzbedingt ein Spalt 12 zwischen der variablen Turbinengeometrie 3 und dem Turbinengehäuse 2 vor. Wäre dieser Spalte 12 nicht abgedichtet, dann würde durch diesen Spalt 12 ein Teil des Abgases strömen, ohne dass dieser Teil des Abgases durch die Leitschaufeln 6 beschleunigt wird. Stromabwärts der variablen Turbinengeometrie 3 würde dieser Teil des Abgases quer zum durch die Leitschaufeln beschleunigten Abgas zurückströmen und dadurch eine Störung der Strömung bezüglich deren Geschwindigkeit und Richtung hervorrufen. Zusätzlich entstünde bei einer variablen Turbinengeometrie mit beidseitiger Schaufellagerung durch die Druckdifferenz zwischen dem Schaufelkanal und dem Spalt eine axiale Kraft auf die Leitschaufeln und somit eine Verschiebung dieser Leitschaufeln in axialer Richtung.
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In der bereits oben genannten
EP 2 226 484 A1 wurde zur Reduzierung dieser Turbulenzen vorgeschlagen, den Spalt zwischen der variablen Turbinengeometrie und dem Turbinengehäuse mittels einer Tellerfeder abzudichten. Durch die dort beschriebene Lösung kann jedoch nicht vermieden werden, dass aufgrund der ungleichen Temperaturverteilung, die zwischen dem Spalt und dem Schaufelkanal vorliegt, eine Verformung des dem Turbinengehäuse benachbarten Schaufellagerringes auftritt, die ihrerseits zu einem Verklemmen einer oder mehrerer der Leitschaufeln der variablen Turbinengeometrie führen kann.
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Dies wird bei der vorliegenden Erfindung dadurch vermieden, dass die Abmessungen der zur Abdichtung des Spalts 12 vorgesehenen Tellerfeder 8 derart gewählt werden, dass der Außendurchmesser dTF2 der Tellerfeder 8 kleiner ist als der Durchmesser dK eines
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Kreises K, den die Schaufelbohrungen 4a, 5a in den Schaufellagerringen 4, 5 und damit auch die Drehachsen 6c der Leitschaufeln 6 beschreiben.
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Wie aus der 1 ersichtlich ist, gilt die folgende Beziehung: dTF1 < dTF2 < dK.
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Dabei ist dTF1 der Innendurchmesser der Tellerfeder 8, dTF2 der Außendurchmesser der Tellerfeder 8 und dK der Durchmesser des Kreises K, den die Schaufelbohrungen 4a, 5a in den Schaufellagerringen 4, 5 und damit auch die Drehachsen 6c der Leitschaufeln 6 beschreiben.
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Wie aus der 1 des Weiteren ersichtlich ist, wird beim gezeigten Abgasturbolader durch die Strömung mit hohem Druck p3 im Spalt 12 zum geringeren Druck p3‘ im Schaufelkanal zwischen den beiden Schaufellagerringen 4, 5 ebenfalls eine axiale Kraft auf die Leitschaufeln 6 erzeugt. Diese wirkt in Richtung des lagergehäuseseitigen Schaufellagerrings 5. Dadurch wird ein kleiner Spalt 7 zwischen dem turbingehäuseseitigen Schaufellagerring und den Leitschaufeln 6 erzeugt, der bei einer Verformung des Schaufellagerrings durch Temperatureinflüsse ein Berühren und damit punktuelles Reiben der Schaufelblattspitze an der Oberfläche des Schaufellagerrings verhindert und so ein Fressen an dieser Stelle vermeidet.
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Dadurch kann die Wahrscheinlichkeit eines Verklemmens einer oder mehrerer der Leitschaufeln, das bei bekannten Abgasturboladern mit variabler Turbinengeometrie vergleichsweise häufig auftritt, deutlich reduziert werden.
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Des Weiteren wird der turbinengehäuseseitige Schaufellagerring 4 durch Temperatureffekte weniger stark verformt als dies bei bekannten Abgasturboladern der Fall ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Wärmeeintrag auf die beiden Seiten dieses Schaufellagerringes aufgrund einer reduzierten Wärmeabschirmung durch die verkleinerte Tellerfeder gleichmäßiger erfolgt als bei bekannten Abgasturboladern. Auch dies führt zu einer robusteren variablen Turbinengeometrie, die einem Klemmen der Leitschaufeln gegenüber weniger anfällig ist.
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Die 2 zeigt eine Skizze einer Leitschaufelanordnung 13, in welcher unter anderem der Kreis K, den die Schaufelbohrungen in einem der Schaufellagerringe bzw. die Drehachsen der Leitschaufeln beschreiben, veranschaulicht ist. In der 2 ist zur Erhöhung der Übersichtlichkeit nur einer der beiden Schaufellagerringe dargestellt.
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Die in der 2 gezeigte Leitschaufelanordnung 13 weist den genannten Schaufellagerring 4 auf, welcher entlang eines Kreises K äquidistant verteilte Schaufelbohrungen 4a aufweist. Dieser Kreis K ist derjenige Kreis, dessen Durchmesser dK größer ist als der Außendurchmesser dTF2 der Tellerfeder, welcher in der 1 gezeigt ist. In diese Schaufelbohrungen ist jeweils die Schaufelwelle 6b einer Leitschaufel eingesetzt, wobei in der 2 zur Vereinfachung der Darstellung nur eine dieser Leitschaufeln 6 gezeigt ist. Diese Leitschaufeln 6 weisen einen in ihrer Drehachse 6c angeordneten Lagerzapfen auf, wobei sich die Drehachse 6c mittig in der jeweiligen Schaufelbohrung befindet.
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Des Weiteren ist in der 2 ein Stellglied 14 gezeigt, bei dem es sich beispielsweise um einen elektrischen Aktuator oder um einen Pneumatikzylinder handelt. Das Stellglied 14 ist über eine Kopplung 15 und einen in der 2 nicht dargestellten Verstellring mit den Leitschaufeln 6 gekoppelt. Zwecks einer vereinfachten Darstellung ist in der 2 die Kopplung 15 direkt mit der Leitschaufel 6 verbunden. Das Stellglied 14 ist über eine Datenleitung 16 mit einer Motorsteuerung 17 verbunden.
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Mittig in der Leitschaufelanordnung 13 ist das Turbinenrad 9 abgebildet, das mit Turbinenschaufeln 18 versehen ist. Wie aus der 2 ersichtlich ist, umgeben die Leitschaufeln 6 der variablen Turbinengeometrie 3 das Turbinenrad 9 radial.
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Die Funktionsweise der Leitschaufelanordnung 13 und der Leitschaufeln 6 wird im Folgenden dargestellt.
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Mittels des genannten Stellringes können alle Leitschaufeln 6 gleichzeitig um ihre Drehachse 6c verschwenkt werden. Da die Leitschaufeln 6 das Turbinenrad 9 radial umgeben, kann durch die Anstellung der Leitschaufeln 6 der Strömungsquerschnitt variiert werden, welcher dem auf das Turbinenrad 9 zuströmende Abgas zur Verfügung steht. Über die Motorsteuerung 17 wird je nach Betriebszustand des zugehörigen Verbrennungsmotors und je nach Stellung des Gaspedals des Verbrennungsmotors an das Stellglied 14 der Befehl erteilt, die Leitschaufeln 6 in Richtung 20, d. h. in Schließrichtung, oder in Richtung 21, d. h. in Öffnungsrichtung, zu verstellen.
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Bei geschlossenen Leitschaufeln 6 verringert sich der dem Abgas zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt. Damit jedoch der gleiche Abgasmassenstrom durch einen verringerten Strömungsquerschnitt strömen kann, erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit. Weiterhin wird bei einer geschlossenen Stellung der Leitschaufeln 6 ein steiler Aufprallwinkel des Abgases auf die Turbinenschaufeln 18 erreicht. Dadurch steigt die Drehzahl des Turbinenrades 9 und damit auch die Drehzahl eines Verdichterrades des Turboladers des Verbrennungsmotors. Dadurch erhöhen sich der Ladedruck und die Leistung des Verbrennungsmotors. Dieser Betriebszustand der Leitschaufelanordnung 13 liegt beispielsweise bei einem Beschleunigen des Kraftfahrzeugs vor.
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Bei einem Schwenken der Leitschaufeln 6 in Richtung 21, d. h. einem Öffnen der Leitschaufeln 6, wird der dem Abgas zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt vergrößert. Die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases verringert sich und der Anströmwinkel, mit dem das Abgas auf die Turbinenschaufeln trifft, wird flacher. Die Drehzahl des Turbinenrades 9 und damit die Drehzahl des Verdichterrades und der Ladedruck des Verbrennungsmotors sinken. Dieser Betriebszustand liegt beispielsweise bei einer schnellen konstanten Fahrt des Kraftfahrzeugs unter Volllast vor.
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Durch die im Zusammenhang mit der 1 beschriebenen spezielle Dimensionierung der Tellerfeder 8 wird in allen vorstehend beschriebenen Betriebszuständen die Wahrscheinlichkeit eines Auftretens eines Verklemmens einer oder mehrerer der Leitschaufeln 6 deutlich verringert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008014680 A1 [0003]
- DE 102008020932 A1 [0004]
- EP 2226484 A1 [0005, 0022]
