-
Die Erfindung betrifft ein Turbinengehäuse für einen Abgasturbolader.
-
Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO2-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen um den Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken und somit mehr Treibstoff, Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
-
Ein herkömmlicher Abgasturbolader, wie in 1 dargestellt weist dazu eine im Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnete Abgasturbine 101 mit einem durch den Abgasstrom angetriebenen, in einem Turbinengehäuse 1 angeordneten Turbinenrad 11 und einen im Ansaugtrakt angeordneten Frischluftverdichter 102 mit einem den Druck aufbauenden, in einem Verdichtergehäuse 15 angeordneten Verdichterrad 16 auf. Turbinenrad 11 und Verdichterrad 16 sind drehfest an den gegenüberliegenden Enden einer Rotorwelle 17 befestigt und bilden so die hier als Turborotor bezeichnete Läufereinheit des Abgasturboladers. Die Rotorwelle 17 ist in einer zwischen Abgasturbine 101 und Frischluftverdichter 102 angeordneten Lagereinheit im Lagergehäuse 100 drehgelagert. Somit wird mit Hilfe des Abgasmassenstroms AM (mit Pfeilen angedeutet), das Turbinenrad 11 und über die Rotorwelle 17 wiederum das Verdichterrad 16 angetrieben und die Abgasenergie so zum Druckaufbau im Ansaugtrakt genutzt, wo der Frischluft-Massenstrom FM (ebenfalls durch Pfeile angedeutet) auf erhöhten Druck gebracht wird.
-
Durch das Turbinengehäuse 1 wird der heiße Abgas-Massenstrom AM auf das Turbinenrad 11 geleitet. Das Turbinengehäuse 1 und das Turbinenrad 11 befinden sich so im Betrieb in direktem Kontakt mit dem heißen Abgas-Massenstrom AM und sind somit sehr großen Temperaturschwankungen ausgesetzt wobei Spitzentemperaturen bis über 1000°C erreicht werden. Gleichzeitig rotiert der Turborotor mit sehr hohen Drehzahlen von bis zu 300.000 U/min wodurch insbesondere das Turbinenrad 11 und das Turbinengehäuse 1 sehr hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen ausgesetzt sind.
-
Bei herkömmlich aufgebauten Abgasturboladern, wie in 1 dargestellt, ist das Turbinengehäuse 1 mittels eines Lagergehäuseanschlussflansches 4a mit dem zentral angeordneten Lagergehäuse 100 des Abgasturboladers verbunden. Weiterhin weist das Turbinengehäuse 1 ein einen Abgaseintrittskanal 2 bildendes Abgaseintrittsrohr 2b mit einem Abgaseintrittsflansch 2a zum Anschluss des Abgasturboladers an den Abgaskrümmer (nicht dargestellt) eines Verbrennungsmotors auf. Durch den Abgaseintrittskanal 2 tritt das heiße Abgas in das Turbinengehäuse 1 ein, wie mittels des durch Pfeile dargestellten Abgas-Massenstroms AM verdeutlicht ist. Weiterhin weist das Turbinengehäuse 1 einen sich an den Abgaseintrittskanal 2 anschließenden Spiralkanal 5 auf, der sich verjüngend um einen konzentrisch um das Turbinenrad angeordneten Abgaseintrittsspalt 5a verläuft und zu diesem hin geöffnet ist, so dass der Abgas-Massenstrom AM durch den Spiralkanal 5 in zumindest anteilig radialer/tangentialer Richtung durch den Abgaseintrittsspalt 5a auf das Turbinenrad 11 geführt wird. Durch das Turbinenrad 11 wird der Abgasstrom AM in axiale Richtung in einen Abgasaustrittsstutzen 7 umgelenkt, durch den der Abgas-Massenstrom AM in das Abgasaustrittsrohr 3b und weiter in ein sich anschließendes Abgassystem, das an einem Abgasaustrittsflansch 3a anschließt, abgeleitet wird. Im Übergang zwischen dem Abgaseintrittsspalt 5a und dem Abgasaustrittsstutzen 7 ist die Innenkontur des Turbinengehäuses der Außenkontur der Beschaufelung 10 des Turbinenrades 11 angepasst. Um zu gewährleisten, dass ein möglichst großer Anteil des Abgas-Massenstromes durch die Beschaufelung 10 des Turbinenrades 11 strömt, und somit das Turbinenrad 11 antreibt, muss der Konturspalt 12 zwischen Innenkontur des Turbinengehäuses und der Außenkontur der Beschaufelung 10 des Turbinenrades 11 möglichst klein gehalten werden. Der Konturspalt beeinflusst die strömungstechnischen und die thermodynamischen Eigenschaften der Abgasturbine wesentlich. Dieser Bereich der Innenkontur des Turbinengehäuses dichtet also quasi die Beschaufelung 10 des Turbinenrades über den Umfang ab, weshalb dieser Bereich der Innenkontur des Turbinengehäuses im Weiteren als Dichtkonturbereich 9 oder kurz als Dichtkontur 9 bezeichnet wird.
-
Aufgrund des oben genannten möglichst klein auszulegenden Konturspalts 12 ist die Form- und Lagestabilität der Dichtkontur 9 von großer Bedeutung, da eine Berührung des im Betrieb schnell drehenden Turbinenrades 11 mit der Dichtkontur 9 unweigerlich zur Zerstörung der Abgasturbine führen würde.
-
Weiterhin weisen Abgasturbinen moderner Konzeption eine sogenannte Wastegate-Einrichtung 13 auf, die eine bessere Regelung der Turbinenleistung bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen ermöglichen. Eine solche Wastegate-Einrichtung besteht aus einem Verbindungskanal, dem Wastegatekanal 8, zwischen dem Abgaseintrittskanal 2 oder dem Spiralkanal 5 und dem Abgasaustrittskanal 3 sowie aus einer dazugehörigen Wastegate-Ventilklappe 14 mit der dieser Wastegatekanal 8 nach Bedarf geschlossen oder geöffnet werden kann. Um mögliche Verluste möglichst gering zu halten, muss auch hier gewährleistet sein, dass die Wastegate-Ventilklappe 14 im Bedarfsfall mit einem Ventilsitz 8a am oder im Wastegatekanal 8 möglichst dicht schließt.
-
Um den hohen Anforderungen an Form und Lagegenauigkeit bei gleichzeitig hohen thermischen und mechanischen Belastungen gerecht werden zu können und auch Aufgrund der komplexen Innen- und Außengeometrien der Turbinengehäuse, sind herkömmliche Turbinengehäuse deshalb als sehr massive Gussteile ausgelegt und hergestellt. Diese Ausführung der Turbinengehäuse hat neben dem hohen Gewicht und der hohen Wärmekapazität auch hohe Material- und Herstellkosten zur Folge, was sich nachteilig auf den Einsatz, den Betrieb und die Kosten solcher Abgasturbolader auswirkt. Es bestehen deshalb Bestrebungen die Turbinengehäuse aus vergleichsweise dünnen, leichten Form-Blechteilen aufzubauen.
-
Bei in Abgasturboladern verwendeten, aus Blechteilen zusammengesetzten Turbinengehäusen kommt es, aufgrund der oben genannten anspruchsvollen Einsatzbedingungen, im Betrieb leicht zu unerwünschten Verformungen des ebenfalls aus Blech bestehenden Dichtkonturbereiches. Unerwünschte Verformungen des Dichtkonturbereiches des Turbinengehäuses führen zu einer Verschlechterung des thermodynamischen Wirkungsgrades oder schlimmstenfalls auch zu einem Anstreifen des sich im Betrieb mit hoher Drehzahl drehenden Turbinenrades an das Blech im Dichtkonturbereich des Turbinengehäuses.
-
Ein derartiges Anstreifen des Turbinenrades an das Blech kann durch eine Vergrößerung des Konturspaltes in radialer und axialer Richtung verhindert werden. Eine derartige Vergrößerung des Konturspaltes wirkt sich jedoch negativ auf den thermodynamischen Wirkungsgrad der Turbine aus. Des Weiteren kann, aufgrund des Herstellungsverfahrens, die Maßhaltigkeit der Dichtkontur gegenüber dem Turbinenrad nachteilig sein, da sich die Toleranzen der einzelnen miteinander verbundenen Blechteile gegebenenfalls ungünstig addieren, was wiederum einer konstruktiven Vergrößerung des Konturspaltes aus Sicherheitsgründen bedarf und mit negativen Auswirkungen auf den thermodynamischen Wirkungsgrad einhergeht.
-
Einem Anstreifen des Turbinenrades an das Blech im Dichtkonturbereich kann auch dadurch entgegengewirkt werden, dass das Blech im diesem Bereich des Turbinengehäuses entsprechend dickwandig ausgebildet wird. Dies wirkt zwar einer Verformung des Konturbereiches entgegen, erhöht jedoch wiederum die Herstellungskosten des Turbinengehäuses.
-
Des Weiteren ist es zu einer Reduzierung der Verformungen des den Dichtkonturbereich bildenden Blechteiles bereits bekannt, doppelwandige Turbinengehäuse mit Schiebesitzen herzustellen, die die auftretenden Lasten aufnehmen. Auch ein derartiges Vorgehen erhöht die Herstellungskosten des Turbinengehäuses.
-
Aus der
DE 100 22 052 C2 ist bereits ein Turbinengehäuse für einen Abgasturbolader bekannt. Dieses Turbinengehäuse umfasst einen Einlasstrichter, ein Laufradgehäuse mit einem Gaskanal, der sich vom Einlasstrichter ausgehend schneckenförmig verengt, einen Flansch zur Verbindung mit dem Lagergehäuse des Abgasturboladers und ein zentrales Auslassrohr. Im Laufradgehäuse rotiert ein Turbinenrad. Der schneckenförmige Gaskanal endet im Bereich des Einlasstrichters an einer Dichtkante. Der Einlasstrichter, das Laufradgehäuse und das Auslassrohr bestehen aus spanlos umgeformtem, beispielsweise geprägtem oder tiefgezogenem Blech. Das Laufradgehäuse besteht aus zwei Halbschalen und ist mit dem Auslassrohr verschweißt. Der Einlasstrichter und das Laufradgehäuse sind von einem zusätzlichen Außengehäuse aus Blech umgeben. Zwischen dem Laufradgehäuse und dem zusätzlichen Außengehäuse liegt ein Luftspalt vor.
-
Weiterhin ist aus Dokument
WO 2011 045521 A1 ein Turbolader bekannt, bei dem mehrere Gehäuseteile mit unterschiedlichen Materialstärken kombiniert sind und bei dem das Turbinengehäuse aus Stahlblech geformt ist.
-
Eine weitere Ausführung eines Turboladers ist aus Dokument
DE 10 2011 009 634 A1 bekannt, wobei das Schneckengehäuse als separates einteiliges Gussteil mit integriertem Einlasstrichter ausgebildet ist und das Abgasgehäuse mit einem Ausgangsflansch, der Eingangsflansch sowie der Lagerbockflansch an das Schneckengehäuse angebaut sind.
-
Auch aus Dokument
US 2012 0047 887 A1 ist eine Abgasturbine bekannt, die aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt ist. Dabei weist ein als Gussteil ausgeführtes Basiselement eine Grundplatte, ein Zylinderteil mit einem Zargenbereich und einen Abgaskanal mit Wastegateöffnung und einer ebene Oberfläche auf. Ein Deckelteil bildet zusammen mit der ebenen Oberfläche eine Wastegate-Kammer.
-
Schließlich zeigt auch das Dokument
EP 2 441 924 A1 ein Turbinengehäuse, das Blech-Formteile aufweist. Dabei ist das Spiralgehäuse aus zwei miteinander verbundenen Blechschalen gebildet. Das Spiralgehäuse ist einerseits mit einem Lagergehäuse-Anschlussteil und andererseits mit einem abgasseitigen Zargen- oder Konturbauteil verbunden, wobei das Lagergehäuse-Anschlussteil und das Zargenteil mittels Stützstegen in axialer Richtung verbunden sind.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein insofern weiter verbessertes Turbinengehäuse für einen Abgasturbolader anzubieten, dass bei vergleichsweise geringen Herstellungskosten des Turbinengehäuses ein hoher thermodynamischer Wirkungsgrad der Abgasturbine gewährleistet ist.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Turbinengehäuse mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Das erfindungsgemäße Turbinengehäuse für einen Abgasturbolader weist, unter Anderem, einen Lagergehäuseanschlussflansch, einen Abgaseintrittskanal, einen Spiralkanal, einen Abgaseintrittsspalt, einen Dichtkonturbereich, bei dem es sich um den dem Außenkonturbereich der Schaufeln des Turbinenrades gegenüberliegenden Innenkonturbereich des Turbinengehäuses handelt, und einen Abgasaustrittsstutzen auf. Das Turbinengehäuse ist aus mehreren miteinander verbundenen Gehäuseteilen aufgebaut, zu denen ein zentrales, einstückiges, als Gussbauteil oder als Schmiedebauteil ausgeführtes Konturbauteil gehört, welches mit seinen benachbarten Gehäuseteilen, die zumindest zum Teil als Blech-Formteile ausgebildet sind, verbunden ist, wobei der Lagergehäuseanschlussflansch ein Blech-Formteil ist. Das Turbinengehäuse ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Lagergehäuseanschlussflansch zugewandter Teil des den Spiralkanal ausbildenden Spiralgehäuses eine Halbschale des Spiralgehäuses bildet und als Blech-Formteil ausgebildet ist. Dabei ist das zentrale, einstückige Konturbauteil auf der vom Lagergehäuseanschlussflansch abgewandten Seite des Spiralkanals im Turbinengehäuse vorgesehen und bildet eine weitere Halbschale des Spiralgehäuses. Weiterhin weist das zentrale, einstückige Konturbauteil einen auf der vom Lagergehäuseanschlussflansch abgewandten Seite liegenden Wandbereich des Spiralkanals, eine an diesen Wandbereich anschließende eine Begrenzungswand des Abgaseintrittsspalts und den an diesen Wandbereich anschließenden Dichtkonturbereich auf.
-
Das Konturbauteil ist also als Gussbauteil oder als Schmiedebauteil ausgeführt, welches mit seinen benachbarten Gehäuseteilen, die zumindest zu einem Teil als Blech-Formteile ausgeführt sind, verbunden ist.
-
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass durch eine vom Anwendungsfall abhängige Wahl der Geometrie, des Werkstoffes, der Materialdicke und/oder der Materialverteilung des Konturbauteils die Formbeständigkeit und Genauigkeit der Gehäusekontur gezielt beeinflusst und somit der thermodynamische Wirkungsgrad der Turbine gezielt verbessert werden kann. Gleichwohl werden die Materialkosten und damit die Herstellungskosten des Turbinengehäuses niedrig gehalten, da die weiteren Gehäuseteile je nach Beanspruchung und Erfordernis schwächer, zum Teil als Blechteile ausgelegt werden können. So wird ein Mix an nach Bedarf stärker und schwächer dimensionierten Gehäusebauteilen ermöglicht, ohne den Wirkungsgrad der Abgasturbine negativ zu beeinflussen. Weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass durch eine Bearbeitung des den Konturbereich bildenden Bauteils und des Lagergehäusesitzes des Turbinengehäuses, nach dem Zusammenbau der einzelnen Gehäuseteile, in einer Aufspannung der Konturbereich relativ zum Turbinenrad präzise vorgefertigt werden kann. Dies trägt zur weiteren Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades bei. Des Weiteren können mit demselben Bauteil verschiedene Gehäusekonturen durch eine mechanische Nachbearbeitung des Bauteils dargestellt werden. Dies hat den Vorteil einer deutlichen Reduzierung der Teilekosten und der benötigten Teilevielfalt. Ferner können Gewichts- und Materialeinsparungen erreicht werden.
-
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Turbinengehäuses weist dass das Konturbauteil auch einen Abgasaustrittsstutzen auf, der sich stromabwärts, in Bezug auf den Abgas-Massenstrom, an den Dichtkonturbereich anschließt und einen Austrittsquerschnitt der Turbine definiert. Der Austrittsquerschnitt ist neben dem Abgaseintrittsspalt und dem Konturspalt ein weiterer Parameter, der den thermodynamischen Wirkungsgrad der Turbine beeinflusst. Durch die Integration des Abgasaustrittsstutzens in das formstabile Konturbauteil kann ein genau definierter Austrittsquerschnitt auf einfache Weise gewährleistet werden, der zum Beispiel im Zuge einer Bearbeitung der weiteren Konturflächen des Konturbauteils hergestellt werden kann. Dies trägt ebenfalls zur weiteren Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades bei
-
Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Turbinengehäuses ist dadurch gekennzeichnet, dass das Konturbauteil auch zumindest einen Teil einer Wandung des Abgaseintrittskanals aufweist. Mit anderen Worten ist am Konturbauteil zumindest ein Teil des Abgaseintrittsrohrs integriert ausgebildet. Das Abgaseintrittsrohr steht mittels des Abgaseintrittsflansches in Verbindung mit dem Abgaskrümmer eines Verbrennungsmotors und stellt so die Positionierung des Abgasturboladers relativ zum Verbrennungsmotor sicher. In dieser Funktion wird zumindest ein Teil der auf den Abgasturbolader wirkenden Massenkräfte über das Abgaseintrittsrohr auf den Verbrennungsmotor übertragen. Mit anderen Worten stellt diese Verbindung zumindest einen Teil der Befestigung des Abgasturboladers am Verbrennungsmotor dar, die Aufgrund des Gewichts des Abgasturboladers und der im Betrieb auftretenden Vibrationen hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist. Die zumindest teilweise Ausführung des Abgaseintrittsrohres als integrierter Teil des formstabilen, als Gussbauteil oder als Schmiedebauteil ausgelegten Konturbauteils erhöht die Stabilität und Belastbarkeit der Verbindung zwischen Abgaskrümmer des Verbrennungsmotors und dem Abgasturbolader.
-
Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Turbinengehäuses ist dadurch gekennzeichnet, dass das Konturbauteil auch einen Wastegatekanal einer Wastegateeinrichtung mit einem Ventilklappensitz aufweist. Die Genauigkeit und Formhaltigkeit des Wastegatekanals und insbesondere des Ventilklappensitzes, auf dem im Betrieb einen geschlossene Wastegate-Ventilklappe dichtend aufsitzt, beeinflusst den Wirkungsgrad der Turbine. Die Integration des Wastegatekanals und des Ventilklappensitzes in das Konturbauteil trägt dazu bei, einen sich negativ auf den Wirkungsgrad auswirkenden Leckage-Abgasstrom bei geschlossener Wastegate-Ventilklappe gering zu halten und so einen hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten.
-
In Weiterbildung der vorgenannten Ausführung des Turbinengehäuses weist das Konturbauteil auch eine Lageraufnahme für ein Antriebsgestänge einer Wastegate-Ventileinrichtung auf. Mit Hilfe des genannten Antriebsgestänges wird im Betrieb die im Turbinengehäuse angeordnete Wastegate-Ventilklappe von einem außerhalb des Turbinengehäuses angeordneten Aktuator betätigt. Dies macht eine Durchführung des Antriebsgestänges durch die Gehäusewand und eine Lagerung des Antriebsgestänges in der Gehäusewand des Turbinengehäuses erforderlich. Die Integration einer Lageraufnahme für das genannte Antriebsgestänge im Konturbauteil ermöglicht eine genau definierte Positionierung der Lagerung und somit des Antriebsgestänges und der daran befestigten Wastegate-Ventilklappe und trägt so ebenfalls dazu bei, einen sich negativ auf den Wirkungsgrad auswirkenden Leckage-Abgasstrom bei geschlossener Wastegate-Ventilklappe gering zu halten und so einen hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten. Darüber hinaus können auf diese Weise die Herstellungskosten eines Turbinengehäuses niedrig gehalten werden und gleichwohl die Maßhaltigkeit des Turbinengehäuses weiter verbessert werden.
-
Bei der erfindungsgemäßen Ausführung des Turbinengehäuses hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Wandstärke des Konturbauteils größer ist als die Wandstärke der als Blech-Formteil ausgeführten benachbarten Gehäuseteile, oder zumindest die doppelte Wandstärke der benachbarten Blech-Formteil-Gehäuseteile aufweist. Dies gewährleistet eine ausreichend stabile, den bevorzugten Herstellverfahren angemessene Ausführung des Konturbauteils.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turbinengehäuses ist das Konturbauteil mit seinen benachbarten Gehäuseteilen verschweißt. Dies Art der Verbindung ermöglicht eine hoch belastbare und sichere Verbindung zwischen den einzelnen Gehäuseteilen unterschiedlicher Materialstärke und ist geeignet eine gasdichte Gehäuseschale zu erzeugen durch eine Materialschlüssige Verbindung entlang der entstehenden Nahtlinien zwischen den einzelnen Gehäuseteilen.
-
In einer weiteren Ausführung ist das Turbinengehäuse dadurch gekennzeichnet, dass das Konturbauteil mit seinen benachbarten Gehäuseteilen ein einschaliges Turbinengehäuse bildet. Das Konturbauteil verleiht dem einschaligen Aufbau die erforderliche Stabilität und ermöglicht so einen besonders leichten Aufbau des Turbinengehäuses durch die Verwendung verhältnismäßig dünnwandiger Gehäusebauteile neben dem Konturbauteil.
-
In einer weiteren Ausführung ist das Turbinengehäuse dadurch gekennzeichnet, dass am Konturbauteil ein Wastegatekanal mittels benachbarter, als Blech-Formteile ausgebildeter Wastegategehäuseteile ausgebildet oder zumindest erweitert ist. Hier ist also alternativ zu der vorgenannten Ausführung, bei der der komplette Wastegatekanal einschließlich Ventilklappensitz mit dem Konturbauteil einstückig integriert ausgebildet ist, nicht der komplette Wastegatekanal durch das Konturbauteil ausgebildet. So kann beispielsweise nur eine entsprechende Öffnung im Konturbauteil vorgesehen sein, an die sich dann ein aus einem Blech-Formteil oder mehreren Blech-Formteilen, die am Konturbauteil befestigt sind, gestalteter Wastegatekanal anschließt. Dieser Aufbau ermöglicht eine weitere Gewichtsreduzierung eines erfindungsgemäßen Turbinengehäuses mit Wastegatevorrichtung.
-
Bei weiterer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Turbinengehäuses ist zumindest einer der folgenden Gehäuseteile des Turbinengehäuses zumindest zum Teil aus Blech-Formteilen aufgebaut:
- – ein Abgaseintrittsrohr, das den Abgaseintrittskanal bildet,
- – ein Abgaseintrittsflansch, der am Abgaseintrittsrohr anschließt und mit dem das Turbinengehäuse mit einem Abgasrohr eines Verbrennungsmotors verbunden ist,
- – ein Abgasaustrittsrohr, das den Abgasaustrittsstutzen umfasst und das den Abgasaustrittskanal ausbildet, durch den das Abgas stromabwärts der Abgasturbine in Richtung eines Abgassystems einer Verbrennungsmaschine geleitet wird,
- – ein Abgasaustrittsflansch, der am Abgasaustrittsrohr anschließt und mit dem die Verbindung zwischen Abgasaustrittsrohr des Turbinengehäuses und einem Abgassystem einer Verbrennungsmaschine hergestellt werden kann,
- – ein dem Lagergehäuseanschlussflansch zugewandter Teil des den Spiralkanal ausbildenden Spiralgehäuses, der beispielsweise als Halb-Schalenelement ausgebildet ist und zusammen mit dem Konturbauteil das Spiralgehäuse ergibt und
- – der Lagergehäuseanschlussflansch über den das Turbinengehäuse mit einem Lagergehäuse des Abgasturboladers verbunden ist. Dabei können die genannten Gehäuseteile selbst wiederum aus mehreren Einzelteilen aufgebaut sein, die alle oder nur zum Teil als Blech-Formteile ausgebildet sind. Je mehr dieser einzelnen Gehäuseteile als dünnwandige Blech-Formteile ausgebildet sind, desto größer ist die Gewichtsreduzierung gegenüber herkömmlichen Turbinengehäuse-Konzepten.
-
Die Merkmale der vorgenannten Ausführungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind, soweit diese nicht alternativ anwendbar sind oder sich gar gegenseitig ausschließen, zum Teil oder insgesamt auch in Kombination oder gegenseitiger Ergänzung anzuwenden.
-
Anhand der Figuren werden im Folgenden besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, obgleich der Gegenstand der Erfindung nicht auf diese Beispiele begrenzt ist. Es zeigt:
-
1 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Abgasturboladers nach dem Stand der Technik
-
2 eine perspektivische Schnittdarstellung eines Turbinengehäuses gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und
-
3 eine perspektivische Schnittdarstellung eines Turbinengehäuses gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
Funktions- und Benennungsgleiche Komponenten sind in den Figuren durchgehend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
Der in 1 dargestellte Abgasturbolader gemäß Stand der Technik wurde bereits einleitend beschrieben und zeigt den prinzipiellen Aufbau und die Anordnung der einzelnen Komponenten Abgasturbine 101, Frischluftverdichter 102 und Lagergehäuse 100. Insbesondere wurde dabei auf die für die Erfindung wesentlichen Bauteile des Abgasturboladers, nämlich die Abgasturbine 101 mit Turbinengehäuse 1 und Turbinenlaufrad 11, das eine Beschaufelung 10 aufweist. Das dargestellte, konventionell als Gussteil ausgelegte Turbinengehäuse 1 für einen Abgasturbolader weist, unter Anderem, einen Abgaseintrittskanal 2, einen Spiralkanal 5, einen Abgaseintrittsspalt 5a, einen Dichtkonturbereich 9 und einen Abgasaustrittsstutzen 7 auf. Auch die Anordnung des Wastegatekanals 8 und der Wastegate-Ventilklappe 14 mit Antriebsgestänge 14a ist in 1 dargestellt.
-
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Turbinengehäuse, zur besseren Übersicht, isoliert von den übrigen Komponenten des Abgasturboladers und in geschnittener, perspektivischer Ansicht. Das Turbinengehäuse weist mehrere miteinander verbundene Gehäuseteile auf, wobei das Konturbauteil 6 des Turbinengehäuses 1, welches einen Dichtkonturbereich 9 aufweist, als Gussbauteil oder als Schmiedebauteil ausgeführt ist, welches mit seinen benachbarten Gehäuseteilen, die als Blech-Formteile ausgeführt sind, verbunden, insbesondere verschweißt ist. Die Gehäuseteile bilden zusammen mit dem Konturbauteil 6 ein einschaliges Gehäuse.
-
Vorzugsweise ist die Wandstärke des Konturbauteils 6 größer als die Wandstärke seiner benachbarten Gehäuseteile. Diese Maßnahmen tragen dazu bei, die Formstabilität des Turbinengehäuses 1 eines Abgasturboladers zu erhöhen und damit im Betrieb des Abgasturboladers die thermodynamischen Eigenschaften der Turbine zu verbessern. Die im Betrieb des Abgasturboladers auftretenden Verformungen des Turbinengehäuses 1, insbesondere im Bereich der Dichtkontur 9, sind im Vergleich zum Stand der Technik reduziert, wobei gleichzeitig die Herstellkosten des Turbinengehäuses 1 und dessen Gewicht niedrig gehalten werden.
-
Das dargestellte Turbinengehäuse 1 weist einen Abgaseintrittsflansch 2a zum Beispiel zum Anschluss an einen Abgaskrümmer einer Verbrennungskraftmaschine, einen Abgasaustrittsflansch 3a zum Anschluss an ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine und einen Lagergehäuseanschlussflansch 4a zum Anschluss des Turbinengehäuses 1 an das Lagergehäuse 100 eines Abgasturboladers auf. Der Lagergehäuseanschlussflansch 4a und der Abgasaustrittsflansch 3a sind als Blech-Formteile ausgelegt, im Gegensatz zum Abgaseintrittsflansch 2a, der als massives Guss-, Schmiede- oder spanend hergestelltes Formteil ausgelegt ist. Weiterhin zeigt 2 eine als Blech-Formteil ausgebildete Halbschale des Spiralgehäuses 4, auf der dem Lagergehäuseanschlussflansch 4a zugewandten Seite des Spiralgehäuses 4 und ein erfindungsgemäß als massives Guss- oder Schmiedeteil ausgelegtes Konturbauteil 6, auf der vom Lagergehäuseanschlussflansch 4a abgewandten Seite des Spiralgehäuses 4, wobei das Spiralgehäuse 4 jeweils zur Hälfte durch eine als Blech-Formteil ausgebildete Halbschale des Spiralgehäuses 4 und das, als massives Guss- oder Schmiedeteil ausgelegte, Konturbauteil 6 gebildet ist. Die beiden, jeweils eine Halbschale des Spiralgehäuses 4 bildenden Gehäuseteile des Spiralgehäuses 4 sind beispielsweise entlang ihrer Berührungslinie mit einer durchgehenden Schweißnaht gasdicht miteinander verschweißt. Darüber hinaus weist das in 2 gezeigte Turbinengehäuse 1 einen Wastegatekanal 8 auf der durch am Konturbauteil 6 befestigte, vorzugsweise angeschweißte und miteinander verschweißte, als Blech-Formteile ausgebildete Wastegatgehäuseteile 8b gestaltet ist. Zwischen dem Konturbauteil 6 und dem Abgasaustrittsflansch 3a ist das Abgasaustrittsrohr 3b angeordnet, das in diesem Beispiel aus zumindest zwei Blech-Formteilen zusammengesetzt ist. Das Abgasaustrittsrohr 3b sitzt auf einem Absatz im Außenbereich des Konturbauteils 6 auf und ist mit dem Konturbauteil 6 auf dem gesamten Umfang entlang der Berührungslinie durchgehend gasdicht verbunden, beispielsweise verschweißt. Am gegenüberliegenden Ende des Abgasaustrittsrohrs 3b ist der Abgasaustrittsflasch 3a ebenfalls auf dem gesamten Umfang entlang der Berührungslinie durchgehend gasdicht mit dem Abgasaustrittsrohr 3b verbunden, beispielsweise verschweißt. Zwischen dem Abgaseintrittsflansch 2a und dem Konturbauteil 6 ist das Abgaseintrittsrohr 2b angeordnet. Das Abgaseintrittsrohr 2b ist ebenfalls aus zumindest zwei schalenförmigen Blech-Formteilen zusammengesetzt und einerseits mit dem Abgasaustrittsflansch 2a und andererseits mit dem Konturbauteil 6 gasdicht, beispielsweise durch Schweißnähte, verbunden. Darüber hinaus weist das in 2 gezeigte Turbinengehäuse 1 einen Wastegatekanal 8 auf, der durch am Konturbauteil 6 befestigte, vorzugsweise angeschweißte und miteinander verschweißte, als Blech-Formteile ausgebildete Wastegategehäuseteile 8b gestaltet ist.
-
Das Konturbauteil 6, das den stabilisierenden Kern des Turbinengehäuses 1 bildet, weist neben der Kontur für den Spiralkanal 5 eine sich daran anschließende Wand des Abgaseintrittsspalts 5a und sich wiederum daran anschließend einen Dichtkonturbereich 9 auf, der in den Abgasaustrittsstutzen 7 übergeht. Sowohl der Abgaseintrittsspalt 5a als auch der Dichtkonturbereich 9, der den Konturspalt 12 (siehe 1) definiert, als auch der Durchmesser des Abgasaustrittsstutzens 7 prägen die strömungstechnischen Eigenschaften bzw. den thermodynamischen Wirkungsgrad des Turbinengehäuses maßgeblich. Der Konturspalt 12 entspricht dem Abstand der Dichtkontur von der Außenkontur der Beschaufelung 10 des sich im Betrieb des Abgasturboladers drehenden Turbinenrads 11. Dieser Abstand muss im Betrieb des Abgasturboladers in allen Betriebspunkten möglichst genau eingehalten werden, um einerseits zu verhindern, dass das Turbinenrad am Turbinengehäuse anstreift und um andererseits zu verhindern, dass durch eine Verformung des Turbinengehäuses der Abstand der Dichtkontur 9 vom Turbinenrad und damit der Konturspalt zu groß wird, was einer unerwünschten Verschlechterung der thermodynamischen Eigenschaften der Turbine gleichkäme.
-
Um derartige unerwünschte Verformungen des Turbinengehäuses 1 im Betrieb des Abgasturboladers zu vermeiden, ist bei einem Turbinengehäuse gemäß der Erfindung das den Dichtkonturbereich 9 des Turbinengehäuses 1 bildende Konturbauteil 6 als Gussbauteil oder als Schmiedebauteil ausgeführt, welches mit seinen benachbarten Gehäusebauteilen beispielsweise verschweißt ist und zusammen mit diesen ein einschaliges Turbinengehäuse bildet. Um das Gewicht des Turbinengehäuses und damit des gesamten Abgasturboladers möglichst gering zu halten, sind die dem Konturbauteil 6 benachbarten Gehäuseteile in Form von Blechteilen realisiert. Vorzugsweise sind bei diesem Ausführungsbeispiel alle Bauteile des Turbinengehäuses mit Ausnahme des Konturbauteils 6 und des Abgaseintrittsflansches 2a in Form von Blech-Formteilen ausgeführt, während das Konturbauteil 6 – wie bereits oben dargestellt – als Gussbauteil oder als Schmiedebauteil ausgeführt ist. Alle bereits oben genannten, für die Funktion und den Wirkungsgrad maßgeblichen Kontur- und Maßbereiche werden so durch das Konturbauteil definiert, und können durch hochgenaue Bearbeitung nur dieses einen Bauteils kostengünstig hergestellt und über den gesamten Betriebsbereich des Abgasturboladers stabil gewährleistet werden.
-
Als Werkstoff für das Konturbauteil 6 wird vorzugsweise ein hochwarmfester Werkstoff, beispielsweise ein GGV-Werkstoff, ein E5S-Werkstoff, ein Stahlguss oder ein Stahlschmiedeteil verwendet. Vorzugsweise ist die Wandstärke des Konturbauteils 6 größer als die Wandstärke seiner benachbarten, als Blech-Formteile ausgeführten Gehäuseteile, so kann das Konturbauteil zumindest die doppelte Wandstärke aufweisen. Diese Maßnahmen tragen dazu bei, die Formstabilität des Turbinengehäuses 1 eines Abgasturboladers zu gewährleisten und damit im Betrieb des Abgasturboladers den thermodynamischen Wirkungsgrad der Turbine zu verbessern. Die im Betrieb des Abgasturboladers auftretenden Verformungen des Turbinengehäuses, insbesondere im Bereich der Dichtkontur des Konturbauteils, sind im Vergleich zum Stand der Technik reduziert, wobei gleichzeitig die Herstellkosten des Turbinengehäuses 1 und dessen Gewicht niedrig gehalten werden.
-
Bei dem in der 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel handelt es sich also um ein einschaliges Turbinengehäuse 1, bei welchem das Abgaseintrittsrohr 2b, der Abgasaustrittsflansch 3a und das Abgasaustrittsrohr 3b, der Lagergehäuseanschlussflansch 4a und eine Halbschale des Spiralgehäuses 4, sowie das Wastegategehäuseteil 8b als Blech-Formteile ausgeführt sind, während der Abgaseintrittsflansch 2a und vor allem das Konturbauteil 6 als massives Gussbauteil oder als Schmiedebauteil ausgeführt ist.
-
Die 3 zeigt eine perspektivische Skizze einer Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Turbinengehäuses gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das in der 3 dargestellte Turbinengehäuse 1 stimmt mit dem Ausführungsbeispiel aus 2 in wesentlichen Teilen überein, die hier nicht wiederholt beschrieben werden sollen.
-
Auch bei diesem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Konturbauteil 6, das den stabilen Kern des Turbinengehäuses 1 bildet und vor allem den Abgaseintrittsspalt 5a sowie die Dichtkontur 9 definiert, als Gussbauteil oder als Schmiedebauteil ausgeführt, welches mit seinen benachbarten, als Blech-Formteile ausgeführten weiteren Gehäuseteilen verbunden, vorzugsweise verschweißt ist.
-
Dieses weitere Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in der 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dadurch, dass ein Wastegatekanal 8 inklusive eines Ventilklappensitzes 8a und auch eine Lageraufnahme 8c für ein Antriebsgestänge 14a einer Wastegate-Ventilklappe 14 einstückig in das als Guss- oder Schmiedebauteil ausgeführte Konturbauteil 6 integriert ist. Als weiterer Unterschied ist in 3 auch das Abgaseintrittsrohr zumindest zum Teil einstückig in das Konturbauteil 6 integriert. Beispielsweise ist der in der 3 dargestellte obere Teil der Wandung 2b' des Abgaseintrittskanals als integraler Bestandteil des Konturbauteils 6 ausgeführt wogegen der in der 3 untere Teil des Abgaseintrittsrohrs 2b als Blech-Formteil mit einer geringeren Wandstärke ausgeführt und mit dem oberen Teil der Wandung 2b' des Abgaseintrittskanals verbunden, beispielsweise verschweißt ist. Auch der Abgasaustrittsflansch 3a ist in dieser Ausführung des Turbinengehäuses als massives Guss- oder Schmiede- oder spanend hergestelltes Formteil ausgeführt.
-
Bei einem Turbinengehäuse gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Grad der Integration von funktionswichtigen Konturen, Flächen, Maßen und Komponenten gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel weiter erhöht. Dadurch können die Herstellungskosten weiter reduziert und die Maßhaltigkeit des Turbinengehäuses weiter verbessert und dadurch der Wirkungsgrad und die Funktionssicherheit weiter verbessert werden.
