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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einer variablen Turbinengeometrie, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein gattungsgemäßer Abgasturbolader mit einer variablen Turbinengeometrie ist aus der
DE 10 2011 021 927 A1 bekannt. Dabei umfasst die variable Turbinengeometrie Leitschaufeln, die um ein Turbinenrad einer Turbine angeordnet sind und mit Hilfe eines ringförmig ausgebildeten Verstellelements verstellt werden können. Dabei ist eine Reduzierung des Gewichtes und/oder der Produktionskosten des Abgasturboladers erwünscht, um eine insgesamt bessere ökologische und/oder wirtschaftliche Bilanz des Abgasturboladers und damit einer zugehörigen Brennkraftmaschine bzw. eines zugehörigen Kraftfahrzeuges zu erreichen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Abgasturbolader der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine kostengünstige Herstellung und/oder durch eine leichtere Bauweise auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Verstellelement einer variablen Turbinengeometrie eines Abgasturboladers als Dünnblechbauteil auszubilden und somit eine kostengünstige Herstellung desselben zu erreichen. Zudem kann hierdurch das Gewicht der variablen Turbinengeometrie und somit des zugehörigen Abgasturboladers reduziert werden. Erfindungsgemäß weist der Abgasturbolader die variable Turbinengeometrie auf, welche mehrere Leitschaufeln besitzt, die jeweils in einem Schaufellagerring drehbar gelagert sind. Die Verstellung der Leitschaufeln erfolgt mit Hilfe des Verstellelements, wobei das Verstellelement hierzu Aufnahmen aufweist. Die jeweilige Leitschaufel ist über einen Stellhebel in einer solchen Aufnahme des Verstellelements angeordnet bzw. greift in eine solche zugehörige Aufnahme ein. Somit führt eine Bewegung des Verstellelements zu einer Bewegung des jeweiligen Stellhebels, womit die jeweilige Leitschaufel bewegt und somit verstellt wird. Die variable Turbinengeometrie dient dabei dem Zweck, einen für das ein Turbinenrad des Abgasturboladers antreibende Abgas passierbaren Querschnitt zu variieren. Dabei ist das Verstellelement auf einer von dem Turbinenrad abgewandten Seite des Schaufellagerrings angeordnet. Ferner weist das Verstellelement im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verstellelementen einen kleineren Außendurchmesser auf als der Schaufellagerring. Hiermit kann ebenfalls eine Gewichtsreduzierung des Verstellelements und eine Kostenreduzierung erreicht werden.
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Zweckmäßig umgeben die Leitschaufeln das Turbinenrad. Dementsprechend kann auch der Schaufellagerring die Turbine bzw. eine Welle oder ein zugehöriges Gehäuse umgeben. Entsprechendes gilt für das Verstellelement, welches ebenfalls die Turbine bzw. die Welle oder das entsprechende Gehäuse umgeben kann.
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Bei einer Ausgestaltung weist der Schaufellagerring im Bereich des Turbinenrades eine Schaufellagerringöffnung auf, wobei das Verstellelement bevorzugt zumindest bereichsweise im Bereich der Schaufellagerringöffnung angeordnet ist. Somit wird im Bereich des Verstellelements eine Trennung zwischen der Turbine bzw. dem Turbinenrad und auf der vom Verstellelement abgewandten Seite angeordneten Bauteilen des Abgasturboladers, beispielsweise von Gehäuse und dergleichen, erreicht. Bevorzugt ist das Verstellelement derart ausgebildet bzw. dimensioniert, dass es die Schaufellagerringöffnung gänzlich überdeckt. Somit ist eine komplette Trennung zwischen dem Turbinenrad bzw. der Turbine und besagten Bauteilen möglich.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das Verstellelement als Hitzeschild ausgebildet. Hierzu ist das Verstellelement beispielsweise aus hitzebeständigem Material hergestellt und/oder weist eine verhältnismäßig geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Damit können die auf der Turbinenseite des Abgasturboladers aufgrund der heißen Abgase herrschenden hohen Temperaturen nicht direkt oder abgeschwächt auf besagte Bauteile einwirken. Damit ist es beispielsweise möglich, besagte Bauteile aus günstigeren und/oder leichter herzustellenden Materialien mit einer verringerten Hitzebeständigkeit herzustellen. In diesem Fall dient das Verstellelement also einerseits der Verstellung der Leitschaufeln und andererseits als Hitzeschild.
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Die Übertragung der Bewegungen des Verstellelements auf den jeweiligen Stellhebel erfolgt mittels besagter Aufnahmen. Insbesondere um diese Übertragung zu verbessern bzw. zu verstärken und/oder eine Lebensdauer des Verstellelements zu verlängern, weist das Verstellelement im Bereich wenigstens einer solchen Aufnahme eine Verstärkung auf. Die Verstärkung kann beispielsweise in Form einer Materialanhäufung realisiert sein. Weitere Alternativen sind die Verstärkung zumindest einer solchen Aufnahme mit Hilfe einer Sicke bzw. einer Rippe.
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Prinzipiell kann die jeweilige Aufnahme beliebig realisiert sein. Insbesondere ist es vorstellbar zumindest eine solche Aufnahme durch eine radial nach außen gerichtete Ausnahme des Verstellelements auszubilden, in die ein solcher zugehöriger Verstellhebel eingreift.
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Bei weiteren Ausführungsformen ist zumindest eine solche Aufnahme mittels axial abstehender Aufnahmeelemente des Verstellelements ausgebildet. Als derartige Aufnahmeelemente kommen vorzugsweise Pins oder aus dem Material des Verstellelements ausgeformte Erhebungen zum Einsatz. Bevorzugt ist ein solcher zugehöriger Verstellhebel zwischen zumindest zwei solchen Aufnahmeelementen angeordnet und greift somit in die zugehörige Aufnahme ein, womit zumindest zwei solche Aufnahmeelemente eine solche Aufnahme ausbilden.
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Der jeweilige Verstellhebel kann auf beliebige Weise hergestellt bzw. ausgebildet sein. Beispielsweise kann zumindest ein Verstellhebel als Umformteil ausgestaltet sein. Auch kann die Verbindung zwischen dem jeweiligen Verstellhebel und der zugehörigen Leitschaufel mittels eines Leitschaufelzapfens realisiert sein, der drehfest mit der Leitschaufel verbunden ist. Zudem kann zumindest ein solcher Verstellhebel als Biegedrahtteil ausgebildet sein. Der als Biegedrahtteil ausgebildete Verstellhebel ist dabei vorzugsweise einstückig ausgestaltet und ist einenends mit der zugehörigen Leitschaufel verbunden und greift anderenends in eine solche zugehörige Aufnahme ein.
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Bei weiteren bevorzugten Ausgestaltungen ist ein in der Aufnahme angeordnetes erstes Ende des Verstellhebels und/oder die Aufnahme konturiert ausgebildet, um eine Verstellung der Leitschaufeln mittels des Verstellelements, insbesondere eine Bewegungsübertragung des Verstellelements auf den jeweiligen Verstellhebel, zu verbessern. Eine derartige Konturierung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die zugehörige Aufnahme ballig bzw. evolventisch ausgebildet ist.
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Prinzipiell kann die Verstellung der Leitschaufeln mit Hilfe des Verstellelements durch eine beliebige Bewegung des Verstellelements realisiert sein. So kann das Verstellelement beispielsweise drehbar verstellbar sein und dadurch eine entsprechende Drehung bzw. Verstellung der Leitschaufeln bewirken. In dem Fall ist das Verstellelement bevorzugt bezüglich der Drehung rotationssymmetrisch bzw. kreisförmig ausgebildet. In dem Fall können der Schaufellagerring und das Verstellelement und/oder das Turbinenrad und auch die Welle koaxial angeordnet sein. Eine weitere Variante zur Verstellung der Leitschaufeln mit Hilfe des Verstellelements ist die translatorische Bewegung des Verstellelements und somit eine entsprechende Verstellung der Leitschaufeln.
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Die vom Verstellelement axial abstehenden Aufnahmeelemente, insbesondere die Pins, können mit dem Verstellelement verschweißt, verklebt oder auf anderer Weise mit dem Verstellelement verbunden sein. Ferner kann auch der jeweilige Stellhebel zur erhöhten Stabilisierung eine Versteifung bzw. Verstärkung aufweisen, die beispielsweise mit Hilfe einer Sicke oder einer Rippe und/oder einer Materialanhäufung realisiert ist.
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Das als Dünnblechbauteil ausgebildete Verstellelement kann auf beliebige Weise hergestellt werden. Insbesondere kann das Verstellelement durch ein Umformverfahren und/oder durch ein Stanzverfahren hergestellt sein. Ebenso ist es vorstellbar, das Stellelement als eine tailored-blank herzustellen. Dementsprechend kann das Verstellelement unterschiedliche Dicken und/oder unterschiedliche Materialien aufweisen. Ferner ist es vorstellbar das als tailored-blank hergestellte Verstellelement durch ein Tiefziehverfahren umzuformen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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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.
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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 Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen Schnitt durch einen Abgasturbolader,
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2 eine räumliche Ansicht einer variablen Turbinengeometrie,
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3 und 4 räumliche Ansichten einer variablen Turbinengeometrie, jeweils unterschiedlicher Ausführungsform.
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Abgasturbolader 1 im Bereich einer Turbine 2 des Abgasturboladers 1. Die Turbine 2 weist ein Turbinenrad 3 auf, das in einem Turbinengehäuse 4 angeordnet ist. Im Turbinengehäuse 4 ist ein Zuführkanal 5, beispielsweise in Form einer Spirale, ausgebildet, das aus einer Brennkraftmaschine stammendes Abgas dem Turbinenrad 3 zuführt, welches hierdurch rotiert und einen hier nicht gezeigten Verdichter des Abgasturboladers 1 antreibt. Innerhalb des Zuführkanals 5 sind Leitschaufeln 6 einer variablen Turbinengeometrie 7 des Abgasturboladers 1 angeordnet, wobei im gezeigten Schnitt lediglich eine solche Leitschaufel 6 zu sehen ist. Die jeweilige Leitschaufel 6 ist verstellbar, um einen für das Abgas passierbaren Querschnitt des Zuführkanals 5 zu variieren. Hierzu ist die jeweilige Leitschaufel 6 in einem Schaufellagerring 8 drehbar gelagert und mit Hilfe eines Verstellelements 9 verstellbar. Dabei greift die jeweilige Leitschaufel 6 mit Hilfe eines Stellhebels 10 in eine zugehörige Aufnahme 11 (siehe 2) des Verstellelements 9. Das Verstellelement 9 ist ferner auf einer vom Turbinenrad 3 abgewandten Seite des Schaufellagerrings 8 angeordnet. Das Turbinenrad 3, der Schaufellagerring 8 sowie das Verstellelement 9 sind hierbei koaxial angeordnet. Erfindungsgemäß ist das Verstellelement 9 als Dünnblechbauteil ausgebildet.
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Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, weist das Verstellelement 9 einen kleineren Außendurchmesser 12' auf, als der Schaufellagerring 8. Das heißt, dass der Außendurchmesser 12' des Verstellelements 9 kleiner als ein Außendurchmesser 12'' des Schaufellagerrings 8 ist. Ferner ist zu beobachten, dass der Schaufellagerring 8 eine Schaufellagerringöffnung 13 aufweist, die im Wesentlichen vom Verstellelement 9 bedeckt ist, so dass das Verstellelement 9 im Bereich der Schaufellagerringöffnung 13 angeordnet ist. Das heißt, dass der Außendurchmesser 12' des Verstellelements 9 im Wesentlichen einem Innendurchmesser 14 des Schaufellagerringes 8 entsprechen kann. Ferner ist das Verstellelement 9 als Hitzeschild 15 ausgebildet und beispielsweise aus einem hitzebeständigen Metall hergestellt. Somit kann die auf der Turbinenseite durch das Abgas bedingte Hitze nicht direkt bzw. unvermindert auf Bauteile des Abgasturboladers einwirken, die auf der vom Turbinenrad 3 abgewandten Seite des Verstellelements 9 angeordnet sind. Ein solches Bauteil ist beispielsweise das in 1 gezeigte Lagergehäuse 16 des Abgasturboladers 1 in dem beispielsweise eine Welle des Abgasturboladers 1 gelagert ist.
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Insbesondere den 2 bis 4 ist des Weiteren zu entnehmen, dass das Verstellelement 9 eine zentrale Verstellelementöffnung 17 aufweist. Somit kann besagte Welle durch die Schaufellagerringöffnung 13 und durch die Verstellelementöffnung 17 verlaufen. Die Verstellelementöffnung 17 ist von einem vom Schaufellagerring 8 abgewandten und axial abstehenden Rand 18 umgeben, der durch Aufbiegen bzw. Umformen des Verstellelements 9 ausgebildet ist. Der Rand 18 dient dabei insbesondere als Versteifung bzw. Verstärkung des Verstellelements 9.
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Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform weist das Verstellelement 9 radial nach außen gerichtete bzw. offene Ausnehmungen 19 auf, die jeweils eine solche Aufnahme 11 ausbilden. Die jeweilige Ausnehmung 11 weist randseitig eine Verstärkung 20 auf, die als Materialanhäufung 20' realisiert ist. Somit können die mit dem zugehörigen Stellhebel 10 zusammenwirkenden Stellen des Verstellelements 9 langlebig gestaltet werden und eine bessere Kraftübertragung zwischen dem Verstellelement 9 und dem Stellhebel 10 gewährleisten.
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In 2 sind ferner im Schaufellagerring 8 ausgebildete Bohrungen 21 zur Lagerung von jeweils einer solchen Leitschaufel 6 gezeigt. Hierbei sind exemplarisch lediglich zwei Stellhebel 10 dargestellt, die jeweils eine solche zugehörige Leitschaufel 6 mit dem Verstellelement 9 verbinden. Einer dieser Verstellhebel 10 ist dabei als Umformteil 22 ausgestaltet und ist mit einem Schaufelzapfen 25 (siehe 3 und 4) der zugehörigen Leitschaufel 6 verbunden. Ferner greift ein Hebelkopf 23 des Verstellhebels 22 in eine solche zugehörige Aufnahme 11. Der andere gezeigte Verstellhebel 10 ist als einstückiges Biegedrahtteil 24 ausgebildet, das einenends mit der zugehörigen Leitschaufel 6 verbunden ist und anderenends in eine solche zugehörige Aufnahme 11 des Verstellelements 9 eingreift. Die Aufnahme 11, in den besagtes Biegedrahtteil 24 eingreift ist ferner konturiert ausgebildet und weist eine ballige Form auf.
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Die 3 und 4 zeigen jeweils eine räumliche Ansicht einer variablen Turbinengeometrie 7, bei denen der Schaufellagerring 8 nicht dargestellt ist. Ferner sind beispielhaft jeweils ein Stellhebel 10 und eine zugehörige Leitschaufel 6 gezeigt. Dabei ist zu beobachten, dass der als Umformteil 22 ausgebildete Stellhebel 10 mittels eines solchen Schaufelzapfens 25 mit der zugehörigen Leitschaufel 6 verbunden ist. Bei beiden gezeigten Ausführungsformen sind die Aufnahmen 11 mittels axial vom Verstellelement 9 abstehender Aufnahmeelemente 26 ausgebildet. Dabei bilden jeweils zwei solche Aufnahmeelemente 26 eine solche Aufnahme 11. Beim in 3 gezeigten Beispiel sind die Aufnahmeelemente 26 als insbesondere durch Verschweißen mit dem Verstellelement 9 verbundene Pins 27 ausgebildet. Beim in der 4 gezeigten Beispiel, bei der lediglich drei solche Aufnahmen 11 gezeigt sind, ist das jeweilige Aufnahmeelement 26 als aus dem Material des Verstellelements 9 ausgeformte Erhebung 28 realisiert.
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Bei den in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsformen erfolgt also die Verstellung der Leitschaufeln 6 durch eine Drehung des Verstellelements 9. Es ist jedoch auch vorstellbar, die Verstellung der Leitschaufel 6 durch eine translatorische Bewegung des Verstellelements 9 zu realisieren.
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Wie ferner der 1 zu entnehmen ist, kann zusätzlich zum als Hitzeschild 15 ausgestalteten Verstellelement 9 ein Hitzeschild 29 vorgesehen sein, das ebenfalls im Bereich der Schaufellagerringöffnung 13 angeordnet ist. Der Hitzeschild 29 kann beispielsweise als Tellerfeder ausgebildet sein und den Schaufellagerring 8 axial vorspannen. Ferner kann der Hitzeschild 29 am Schaufellagerring 8 und am Lagergehäuse 16 dicht anliegen und/oder derart ausgestaltet sein, dass heiße Abgase nicht durch die Schaufellagerringöffnung 13 bzw. den Verstellbereich strömen können.
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Ferner ist zu beobachten, dass das Verstellelement 9 das Lagergehäuse 16 des Abgasturboladers 11 im Bereich der Verstellelementöffnung 17 kontaktiert. Das Verstellelement 9 ist also am Lagergehäuse 16 gelagert, wobei dieser Bereich bevorzugt gasdicht und reibungsreduzierend, beispielsweise durch eine entsprechende Beschichtung, ausgestaltet ist. Auch der Kontaktbereich zwischen dem Verstellelement 9 und dem Schaufellagerring 8 ist bevorzugt gasdicht ausgestaltet und/oder reibungsreduzierend ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011021927 A1 [0002]
