DE102013215193A1

DE102013215193A1 - Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102013215193A1
Application number: DE102013215193.4A
Authority: DE
Inventors: Jan Velthuis; Thomas Sailer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2015-02-05

Abstract

Abgasturbolader mit einem Verdichtergehäuse und einem Turbinengehäuse, wobei in dem Verdichtergehäuse ein Verdichterrad und in dem Turbinengehäuse ein mit dem Verdichterrad über eine Welle drehfest verbundenes Turbinenrad drehbar in einem Lagerstuhl zwischen dem Verdichtergehäuse und dem Turbinengehäuse gelagert sind, wobei das Verdichterrad Verdichterschaufeln und das Turbinenrad Turbinenschaufeln aufweisen, die lagerstuhlseitig jeweils in eine Hinterwand übergehen, wobei ein Durchmesser der Hinterwand des Verdichterrades kleiner ist als ein Durchmesser der Verdichterschaufeln und/oder ein Durchmesser der Hinterwand des Turbinenrades kleiner ist als ein Durchmesser der Turbinenschaufeln.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird das Massenträgheitsmoment von Verdichter- und/oder Turbinenrad reduziert und somit das Ansprechverhalten des Abgasturboladers verbessert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einem Verdichtergehäuse und einem Turbinengehäuse mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2010 047 612 A1 hingewiesen, aus der ein Laufrad als Verdichter oder Turbinenrad bekannt ist. Das Laufrad als Verdichterrad oder Turbinenrad ist für einen Turbolader vorgesehen und weist eine Beschaufelung auf, die aus wenigstens zwei in axialer Richtung aufeinander folgenden Teilelementen besteht. In Richtung der Lagerung münden die Schaufeln in eine Hinterwand, die den gleichen Außendurchmesser aufweist wie die Beschaufelung selbst.
Um ein Turbinenrad gewichtsmäßig leichter zu machen, ist es beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DE 28 45 715 C2 bekannt, das Turbinenrad aus einer Keramik zu fertigen, wobei auf der der Lagerung abgewandten Seite eine axiale Bohrung in der Turbinenradwelle angeordnet ist, um das Gewicht des Turbinenrades noch weiter zu senken. Durch diese Massenreduzierung wird das Ansprechverhalten eines Abgasturboladers deutlich verbessert.
Nachteilig an dieser bekannten Ausführungsform sind die hohen Herstellkosten für ein keramisches Turbinenrad.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine das Ansprechverhalten eines Abgasturboladers verbessernde Maßnahme aufzuzeigen, die in der Fertigung deutlich kostengünstiger ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Durch die Reduzierung des Massenträgheitsmoments des Verdichterrades bzw. Turbinenrades ergibt sich eine günstigere Wellenlaufbahn des Drehgeschirrs (Verdichterrad mit Turbinenrad und Laufwelle) im Lagerstuhl des Abgasturboladers. Des Weiteren wird sehr teures Verdichterrad- bzw. Turbinenradmaterial (Inconel oder MARM @ Hr. Velthuis: was ist das?) gespart, wodurch zusätzlich die Kosten reduziert werden. Ein ganz wichtiger, vorteilhafter Punkt ist die Verbesserung des transienten Responses, sprich das Ansprechverhalten des Abgasturboladers, welcher eine wesentliche kundenrelevante Größe darstellt.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ist eine erste besonders bevorzugte Ausführungsform.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 ist eine zweite besonders bevorzugte Ausführungsform.
Gemäß Patentanspruch 4 ist das separate Bauteil bevorzugt ein Blechteil, welches in vorteilhafter Weise Gewicht spart. In vorteilhafter Weise kann man den Lagerstuhl mit dieser Ausgestaltung zugunsten der Bauraumanforderungen in der Abmessung reduzieren.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und einem Turbinenrad gemäß dem Stand der Technik in drei Figuren näher erläutert.
1 zeigt eine Aufsicht auf ein aufgeschnittenes, dreidimensional dargestelltes Turbinengehäuse mit Lagerstuhl.
2 zeigt eine Aufsicht auf ein Verdichter- bzw. Turbinenrad gemäß dem Stand der Technik (2a) und gemäß der Erfindung (2b).
3 zeigt eine Aufsicht auf ein halbgeschnittenes Turbinenrad.
1 zeigt eine Aufsicht auf ein aufgeschnittenes, dreidimensional dargestelltes Turbinengehäuse 1 eines Twin-Scroll Abgasturboladers. Das Turbinengehäuse 1 ist für den Twin-Scroll Abgasturbolader mit einem nicht dargestellten Verdichtergehäuse vorgesehen. In dem nicht dargestellten Verdichtergehäuse ist ein ebenfalls nicht dargestelltes Verdichterrad angeordnet. In dem Turbinengehäuse 1 ist ein mit dem Verdichterrad über eine Welle 2 drehfest verbundenes Turbinenrad 3 drehbar in einem Lagerstuhl 4 zwischen dem Verdichtergehäuse und dem Turbinengehäuse 1 gelagert. Das Verdichterrad sowie das Turbinenrad weisen jeweils Schaufeln auf, die sog. „Verdichterschaufeln” bzw. Turbinenschaufeln 5. Die Turbinenschaufeln 5 gehen, wie auch die Verdichterschaufeln lagerstuhlseitig jeweils in eine Hinterwand 6 über.
Ein solcher Abgasturbolader ist beispielsweise für Brennkraftmaschinen der Diesel-Bauart oder der Otto-Bauart in stationären oder instationären Anwendungen einsetzbar. Das erfindungsgemäße Verdichterrad oder Turbinenrad 3 ist für jeden Abgasturbolader einsetzbar, nicht nur für Twin-Scroll Abgasturbolader.
Erfindungsgemäß ist ein Durchmesser der Hinterwand 6 des Verdichterrades kleiner als ein Durchmesser der Verdichterschaufeln und/oder ein Durchmesser der Hinterwand 6 des Turbinenrades 3 ist kleiner als ein Durchmesser der Turbinenschaufeln 5.
In einer ersten besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein Ringabschnitt radial außerhalb vom Durchmesser der Hinterwand 6 zumindest bis zum Durchmesser der Verdichterschaufeln und/oder Turbinenschaufeln 5 von dem Verdichtergehäuse oder dem Turbinengehäuse 1 gebildet.
In einem zweiten besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Ringabschnitt radial außerhalb vom Durchmesser der Hinterwand 6 zumindest bis zum Durchmesser der Verdichterschaufeln und/oder Turbinenschaufeln 5 von einem in das Verdichtergehäuse oder in das Turbinengehäuse 1 separat eingebrachtem Bauteil 7 gebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist dieses Bauteil 7 ein Blechteil.
Durch die Reduzierung des Massenträgheitsmoments des Verdichterrades bzw. Turbinenrades ergibt sich eine günstigere Wellenlaufbahn des Drehgeschirrs (Verdichterrad mit Turbinenrad und Laufwelle) im Lagerstuhl des Abgasturboladers. Des Weiteren wird sehr teures Verdichterrad- bzw. Turbinenradmaterial (Inconel oder MARM) gespart, wodurch zusätzlich die Kosten reduziert werden. Ein ganz wichtiger, vorteilhafter Punkt ist die Verbesserung des transienten Responses, sprich das Ansprechverhalten des Abgasturboladers, welcher eine wesentliche kundenrelevante Größe darstellt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung lässt sich je nach Dimensionierung des Turbinenrades oder Verdichterrades die Massenträgheit zwischen 12 und 30% reduzieren.
2 zeigt die Aufsicht auf zwei Turbinenräder 3, wobei das untere Turbinenrad 3 in 2a gemäß dem Stand der Technik und das obere Turbinenrad 3 in 2b gemäß der Erfindung ausgebildet ist. Beide Turbinenräder weisen eine Welle 2 auf, an die das eigentliche Turbinenrad 3 mit seinen Schaufeln 5 angeordnet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind je Turbinenrad neun Schaufeln 5 vorgesehen, die Schaufelanzahl kann jedoch auch größer oder kleiner sein. Die Turbinenschaufeln 5 erstrecken sich jeweils in Richtung zum Lagergehäuse 4 bis an eine Hinterwand 6. Erfindungsgemäß ist im oberen, erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel die Hinterwand 6 radial außen zu einem kleineren Durchmesser hin zurückgezogen, so dass das Massenträgheitsmoment, wie bereits erwähnt, in vorteilhafter Weise reduziert wird.
3 zeigt eine Aufsicht auf ein halb geschnittenes Turbinenrad 3. Wie 3 zu entnehmen ist, ist in diesem Fall das Bauteil 7 gleichzeitig der Ringabschnitt 8 und somit als separates Bauteil ausgeführt, welches in das Turbinengehäuse 1 einsetzbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Turbinengehäuse
2: Welle
3: Turbinenrad
4: Lagerstuhl
5: Turbinenschaufel
6: Hinterwand
7: Bauteil
8: Ringabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010047612 A1 [0002]
DE 2845715 C2 [0003]

Claims

Abgasturbolader mit einem Verdichtergehäuse und einem Turbinengehäuse (1), wobei in dem Verdichtergehäuse ein Verdichterrad und in dem Turbinengehäuse (1) ein mit dem Verdichterrad über eine Welle (2) verbundenes Turbinenrad (3) drehbar in einem Lagerstuhl (4) zwischen dem Verdichtergehäuse und dem Turbinengehäuse (1) gelagert sind, wobei das Verdichterrad Verdichterschaufeln und das Turbinenrad (3) Turbinenschaufeln (5) aufweisen, die lagerstuhlseitig jeweils in eine Hinterwand (6) übergehen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser der Hinterwand (6) des Verdichterrades kleiner ist als ein Durchmesser der Verdichterschaufeln und/oder ein Durchmesser der Hinterwand (6) des Turbinenrades (3) kleiner ist als ein Durchmesser der Turbinenschaufeln (5).
Abgasturbolader nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ringabschnitt (8) radial außerhalb vom Durchmesser der Hinterwand (6) zumindest bis zum Durchmesser der Verdichterschaufeln und/oder Turbinenschaufeln (5) von dem Verdichtergehäuse oder dem Turbinengehäuse (1) gebildet ist.
Abgasturbolader nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringabschnitt radial außerhalb vom Durchmesser der Hinterwand (6) zumindest bis zum Durchmesser der Verdichterschaufeln und/oder Turbinenschaufeln (5) von einem in das Verdichtergehäuse und/oder in das Turbinengehäuse (1) eingebrachten, separatem Bauteil (7) gebildet ist.
Abgasturbolader nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (7) ein Blechteil ist.