DE102021201821A1

DE102021201821A1 - Turboladereinrichtung für einen Abgasturbolader eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102021201821A1
Application number: DE102021201821.1A
Authority: DE
Inventors: Marco Speiger; Holger Fäth
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2022-09-01

Abstract

Turboladereinrichtung, insbesondere für einen Abgasturbolader eines Verbrennungsmotors, umfassend ein Lagergehäuse (1), eine im Lagergehäuse (1) drehbar gelagerte Welle (10) mit einem auf der Welle (10) angeordneten Turbinenrad (9), ein Turbinengehäuse (2) für das Turbinenrad (9), und einen zwischen einem Schaufellagerring (16) am Lagergehäuse (1) und einer Deckelscheibe (18) am Turbinengehäuse (2) angeordneten Leitapparat (12) mit einer Vielzahl verstellbarer Leitschaufeln (14) zur Realisierung einer variablen Turbinengeometrie, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckelscheibe (18) mindestens ein federnd wirkendes Zentrierelement (26, 26') zur Zentrierung der Deckelscheibe (18) gegenüber dem Turbinengehäuse (2) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turboladereinrichtung, insbesondere für einen Abgasturbolader eines Verbrennungsmotors, umfassend ein Lagergehäuse, eine im Lagergehäuse drehbar gelagerte Welle mit einem auf der Welle angeordneten Turbinenrad, ein Turbinengehäuse für das Turbinenrad, und einen zwischen einem Schaufellagerring am Lagergehäuse und einer Deckelscheibe am Turbinengehäuse angeordneten Leitapparat mit einer Vielzahl verstellbarer Leitschaufeln zur Realisierung einer variablen Turbinengeometrie.
In modernen Kraftfahrzeugen werden zunehmend Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie eingesetzt, wobei durch Veränderung der Turbinengeometrie eine Anpassung der Leistungsabgabe und des Ansprechverhaltens an unterschiedliche Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors ermöglicht wird. Diese Turbolader, auch VTG-Lader genannt, erlauben eine Veränderung der Turbinengeometrie durch Verstellen von am Turbineneingang angeordneten Leitschaufeln, was zu einer Beeinflussung des Abgasstroms führt. Der Leitapparat mit seinen Leitschaufeln, der die Leitschaufeln tragende Schaufellagerring sowie die gegenüberliegende Deckelscheibe werden nachfolgend auch als VTG-Kartusche bezeichnet. Der die Leitschaufeln umfassende Leitapparat ist über den Schaufellagerring derart am Lagergehäuse gelagert, dass die Leitschaufeln verstellbar sind. Die gesamte VTG-Kartusche ist über die Deckelscheibe am Turbinengehäuse und über den Schaufellagerring am Lagergehäuse befestigt. Von besonderer Bedeutung für die Funktion des VTG-Laders ist die korrekte Positionierung der VTG-Kartusche innerhalb der Gehäuse, insbesondere die Zentrierung der VTG-Kartusche über die Deckelscheibe innerhalb des Turbinengehäuses.
Im Betrieb der Turboladereinrichtung treten aufgrund des heißen Abgasstroms hohe Temperaturen von über 980°C auf, was zu einer starken Beanspruchung insbesondere der VTG-Kartusche führt. Gerade bei einem VTG-Lader muss die Konstruktion dem unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhalten aller Komponenten in der korrosiven Umgebung des Abgasstroms standhalten können, um eine präzise Einstellung der Turbinengeometrie über alle möglichen Betriebszustände und die gesamte Lebensdauer der Turboladereinrichtung zu gewährleisten. Im Allgemeinen sind hierfür enge Spaltmaße, ebene und glatte Flächen sowie gute tribologische Eigenschaften essenziell. Mit zunehmender Temperatur dehnen sich beispielsweise die Deckelscheibe und die sie tragenden Komponenten des Turbinengehäuses unterschiedlich stark aus, was zu einer Dezentrierung der VTG-Kartusche und damit einer Beeinträchtigung der Funktion führen kann. Dem unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhalten könnte zwar grundsätzlich durch eine Vergrößerung des Spiels zwischen den ineinandergreifenden Komponenten Rechnung getragen werden. Dies hat jedoch regelmäßig ebenfalls eine Dezentrierung der VTG-Kartusche zur Folge und somit einen negativen Einfluss auf die Funktion der Turbine.
Ein VTG-Lader ist beispielsweise bekannt aus DE 10 2017 218 303 A1 .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turboladereinrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die eine korrekte und zuverlässige Funktion der Turboladereinrichtung auch bei hohen Temperaturen über die gesamte Lebensdauer der Turboladereinrichtung ermöglicht.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Turboladereinrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Bei der erfindungsgemäßen Turboladereinrichtung weist die Deckelscheibe mindestens ein federnd wirkendes Zentrierelement auf zur Zentrierung der Deckelscheibe gegenüber dem Turbinengehäuse. Über das Zentrierelement kann die Deckelscheibe an dem Turbinengehäuse gelagert sein. So kann, wie eingangs erwähnt, die VTG-Kartusche über die Deckelscheibe am Turbinengehäuse befestigt sein. Das Zentrierelement wirkt zwischen dem Turbinengehäuse und der Deckelscheibe, kann insbesondere sich von der Deckelscheibe erstreckend in Anlage zu dem Turbinengehäuse kommen. Es können bevorzugt mehrere derartige Zentrierelemente vorgesehen sein, die beispielsweise gleichmäßig über den Umfang der Deckelscheibe verteilt angeordnet sein können. Insbesondere ist die Deckelscheibe über das oder die Zentrierelemente radial gegenüber dem Turbinengehäuse gefedert. Radial gefedert meint insbesondere eine Federung entlang des Radius der Deckelscheibe. Die Deckelscheibe ist durch das mindestens eine Zentrierelement derart gefedert gelagert, dass durch thermische Ausdehnung der Komponenten der Deckelscheibe bzw. der sie tragenden Komponenten des Turbinengehäuses auftretende mechanische Spannungen ausgeglichen werden. Das mindestens eine Zentrierelement kann gegen das Turbinengehäuse vorgespannt sein.
Eine Zentrierung der VTG-Kartusche im Turbinengehäuse ist, wie eingangs erläutert, von großer Bedeutung für die Funktion der Turboladereinrichtung. Hierzu wäre enges Radialspiel beispielsweise zwischen Innendurchmesser der Deckelscheibe und Außendurchmesser eines entsprechenden zylindrischen, die Deckelscheibe tragenden Absatzes im Turbinengehäuse sinnvoll. Dies führt aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung von Deckelscheibe und Turbinengehäuse allerdings zu Problemen insbesondere bei hohen Temperaturen. So kann es zu einer Spielreduzierung der Passung in der Zentrierung und damit zu Bauteilspannungen und -beschädigungen kommen. Es müsste daher im kalten Zustand ein umso größerer Durchmesserunterschied vorgehalten werden, was allerdings eine Dezentrierung der Kartusche und somit negativen Einfluss auf die Funktion des VTG-Laders zur Folge hätte. Das erfindungsgemäße Zentrierelement kann aufgrund seiner federnden Wirkung jedoch eine Zentrierung sowohl im kalten Zustand wie auch bei Betriebstemperatur gewährleisten. So kann über das Zentrierelement eine definierte Positionierung der Deckelscheibe gegenüber dem Turbinengehäuse über einen großen Temperaturbereich gewährleistet werden. Durch eine Vorspannung des oder der Zentrierelemente gegenüber dem die Deckelscheibe tragenden Turbinengehäuse kann über den gesamten Temperaturbereich zuverlässig eine Zentrierung erfolgen.
Nach einer Ausgestaltung besteht die Deckelscheibe aus einer Keramik. Insbesondere kann die Deckelscheibe aus einer technischen Keramik bestehen, also aus einem Keramikwerkstoff, der hinsichtlich seiner Eigenschaften auf technische Anwendungen hin optimiert ist, insbesondere auf die Anwendung auch als Federelement. Eine technische Keramik wird in der Regel bei Raumtemperatur aus einer aus Keramikpulver, organischem Binder und Flüssigkeit gebildeten Rohmasse geformt und erhält ihre typischen Werkstoffeigenschaften erst in einem Sintervorgang bei hohen Temperaturen. Bisher werden für die Deckelscheibe üblicherweise nickel- und chromhaltige Legierungen und/oder Nickelbasislegierungen eingesetzt, die die Anforderungen hinsichtlich Korrosion und Warmbeständigkeit jedoch insbesondere in Zukunft nur noch bedingt erfüllen können. So werden zukünftig umso höhere Abgastemperaturen auftreten. Grundsätzlich könnte den höheren Abgastemperaturen mit einem höheren Anteil an Legierungselementen, einer dickeren Materialstärke und/oder einer hitzebeständigen Beschichtung für die Deckelscheibe begegnet werden. All dies erhöht jedoch die Kosten.
Eine solche Keramik vereint positive Eigenschaften wie Verschleißbeständigkeit, hohe Festigkeit und geringe Reibung bei gleichzeitiger Minimierung negativer Eigenschaften wie Verformung, Festigkeitsverlust, Verschleiß und Korrosion. Aufgrund der relativ geringen Dichte ist zudem der Materialeinsatz des Keramikwerkstoffes gering. Da keramische Werkstoffe im Vergleich zu Metallen aber eine wesentlich kleinere Wärmeausdehnung aufweisen und aufgrund der geringen Duktilität unter Zug- bzw. Biegebelastung bruchgefährdet sind, sind technische Maßnahmen erforderlich. Die erwähnte unterschiedliche thermische Ausdehnung der Komponenten ist hierbei von besonderer Bedeutung. So dehnt sich eine solche Deckelscheibe aus Keramik beim Erhitzen wesentlich weniger stark aus als das üblicherweise aus Stahlguss bestehende Turbinengehäuse. Es kommt so zu der bereits angesprochenen Spielreduzierung der Passung in der Zentrierung zwischen Deckelscheibe und Gehäuse, was zu Bauteilspannungen und sogar zum Bruch der Keramik-Deckelscheibe führen könnte. Hier ist der Einsatz der erfindungsgemäßen federnd wirkenden Zentrierelemente daher besonders sinnvoll. Eine solche technische Keramik kann neben einer hohen Temperaturbeständigkeit, auch eine gewisse Elastizität aufweisen. Insbesondere kann die technische Keramik mit einstückig mit der Deckelscheibe ausgebildeten Zentrierelementen hinsichtlich der federnden Wirkung der Zentrierelemente optimiert sein. So kann trotz der Verwendung einer Keramik eine Federwirkung insbesondere durch einstückig mit der Deckelscheibe ausgebildete, erfindungsgemäße Zentrierelemente erreicht werden.
Bevorzugt ist das Zentrierelement dabei einstückig mit der Deckelscheibe ausgebildet. Das Zentrierelement kann beispielsweise in die Deckelscheibe eingebracht sein, beispielsweise durch Ausbildung eines Schlitzes oder einer Nut in der Deckelscheibe. Das Zentrierelement kann bei der Herstellung der Deckelscheibe in selbige eingebracht werden, beispielsweise in dem erwähnten Formverfahren, oder kann nachträglich eingebracht werden, beispielsweise durch Fräsen des Schlitzes. Eine solche Ausbildung ist besonders stabil und mit geringem Aufwand herzustellen. Bei einer Deckelscheibe aus Keramik kann die erfindungsgemäß vorgesehene Federwirkung des oder der Zentrierelemente direkt im keramischen Bauteil, also der Deckelscheibe, beispielsweise mittels Federarmen realisiert werden.
Nach einer Ausgestaltung ist das Zentrierelement am Innenumfang der Deckelscheibe angeordnet und wirkt mit einem sich zentral in die Deckelscheibe erstreckenden Zentrierabsatz des Turbinengehäuses zusammen, wie bereits angesprochen. Der Zentrierabsatz kann (hohl)zylinderförmig ausgebildet sein und kann in eine entsprechende Absatzaufnahme der Deckelscheibe hineinragen. Zwischen dem Außenumfang des Zentrierabsatzes und dem Innenumfang der Deckelscheibe kann ein definierter radialer Abstand ausgebildet sein, der durch das oder die Zentrierelemente überbrückt wird. So kann nach einer diesbezüglichen Ausgestaltung die Deckelscheibe über ihre Zentrierelemente mit dem Zentrierabsatz in Kontakt stehen. Die Zentrierelemente können beispielsweise freie Enden aufweisen, die mit dem Zentrierabsatz in Kontakt stehen. Die Zentrierelemente können als Federarme ausgebildet sein und unter einer definierten Vorspannung gegenüber dem Innenumfang der Deckelscheibe nach außen vorstehen. Somit wird die Deckelscheibe bereits im kalten Zustand zuverlässig zentriert. Mit steigender Temperatur kann es zu einer Ausdehnung der Deckelscheibe und damit zu einer Verringerung des Abstands zwischen dem Innenumfang der Deckelscheibe und dem Außenumfang des Zentrierabsatzes kommen, wobei aufgrund der federnd wirkenden Zentrierelemente eine exakte Zentrierung der Deckelscheibe relativ zu dem Zentrierabsatz jedoch gewährleistet ist.
Alternativ oder zusätzlich zu der erläuterten Innenzentrierung der Deckelscheibe kann auch eine Außenzentrierung der Deckelscheibe vorgesehen sein. So ist nach einer Ausgestaltung das Zentrierelement am Außenumfang der Deckelscheibe angeordnet und wirkt mit einem die Deckelscheibe umfangsseitig umgebenden Zentrierkörper des Turbinengehäuses zusammen. Auch bei dieser Ausgestaltung sind bevorzugt mehrere Zentrierelemente vorgesehen. Die Zentrierelemente können sich beispielsweise in Form von Federarmen unter einer definierten Vorspannung nach außen von der Deckelscheibe forterstrecken, wobei ein freies Ende der Zentrierelemente in Anlage zu dem Zentrierkörper kommen kann. Somit kann, ähnlich wie bei der zuvor erläuterten Ausgestaltung, ein Abstand zwischen dem Außenumfang der Deckelscheibe und dem Innenumfang des die Deckelscheibe umgebenden Zentrierkörpers überbrückt werden. Somit wird die Deckelscheibe bereits im kalten Zustand zuverlässig zentriert. Mit zunehmender Temperatur und damit Ausdehnung der Deckelscheibe kann dieser Abstand sich verringern, wobei aufgrund der federnden Wirkung der Zentrierelemente eine Zentrierung der Deckelscheibe relativ zum Turbinengehäuse gewährleistet ist.
Auch ist es denkbar, sowohl am Außenumfang der Deckelscheibe als auch am Innenumfang der Deckelscheibe wie oben erläuterte Zentrierelemente vorzusehen.
Wie bereits erwähnt, kann die Deckelscheibe mehrere über ihren Umfang verteilt angeordnete Zentrierelement aufweisen. Die Zentrierelemente können insbesondere gleichmäßig über den Umfang der Deckelscheibe verteilt sein. Dies erlaubt eine besonders exakte Zentrierung.
Nach einer Ausgestaltung erstreckt sich zwischen Schaufellagerring und Deckelscheibe mindestens ein Abstandshalter zur Beabstandung des Schaufellagerrings und der Deckelscheibe voneinander, wobei die Deckelscheibe und/oder der Schaufellagerring zumindest ein den mindestens einen Abstandshalter abstützendes Federelement aufweisen. Über das Federelement kann der Abstandshalter radial gefedert in Schaufellagerring bzw. Deckelscheibe gehalten werden. Radial gefedert meint insbesondere eine Federung parallel zu einem Radius des Schaufellagerrings bzw. der Deckelscheibe. Der mindestens eine Abstandshalter ist dadurch derart gefedert gelagert, dass durch thermische Ausdehnung der Komponenten der VTG-Kartusche auftretende mechanische Spannungen ausgeglichen werden. Das mindestens eine Federelement kann insbesondere gegen den Abstandshalter vorgespannt sein.
Es können mehrere Abstandshalter vorgesehen sein zur Beabstandung von Schaufellagerring und Deckelscheibe voneinander, wobei zumindest einer der Abstandshalter über ein erfindungsgemäßes Federelement an Deckelscheibe bzw. Schaufellagerring abgestützt sein kann. Bevorzugt sind alle Abstandshalter über entsprechende Federelemente abgestützt. Das erfindungsgemäße Federelement kann einstückig mit der Deckelscheibe bzw. dem Schaufellagerring ausgebildet oder in die Deckelscheibe bzw. den Schaufellagerring eingelassen sein, wie noch erläutert wird. Über das Federelement wird der Abstandshalter flexibel an Deckelscheibe bzw. Schaufellagerring gehalten. Beispielsweise kann der Abstandshalter in eine Aufnahme der Deckelscheibe bzw. des Schaufellagerrings eingreifen, welche das Federelement aufweist. Der mindestens eine Abstandshalter kann beispielsweise fest mit dem Schaufellagerring verbunden sein, wobei die Deckelscheibe dann das mindestens eine den Abstandshalter abstützende Federelement aufweist. Eine feste Verbindung meint insbesondere eine Verbindung, die keine Bewegung des Abstandshalters relativ zu dem Schaufellagerring ermöglicht, insbesondere keine axiale und/oder rotatorische Bewegung. Insbesondere kann der mindestens eine Abstandshalter nicht zerstörungsfrei lösbar mit dem Schaufellagerring verbunden sein. Auch kann der Abstandshalter in vergleichbarer Weise fest mit der Deckelscheibe verbunden sein und über ein Federelement des Schaufellagerrings am Schaufellagerring abgestützt sein. Grundsätzlich können auch sowohl Deckelscheibe als auch Schaufellagerring Federelemente aufweisen, sodass der Abstandshalter beidseitig über jeweils ein Federelement abgestützt ist.
Die Lagerung des Abstandshalters an Deckelscheibe bzw. Schaufellagerring über das Federelement erlaubt eine Kompensation der Bewegungen der Komponenten der VTG-Kartusche, insbesondere des oder der Abstandshalter, der Deckelscheibe und des Schaufellagerrings, im Betrieb auch bei unterschiedlichem thermischen Ausdehnungsverhalten der Komponenten. Dank der federnden Lagerung des oder der Abstandshalter kann eine exakte Positionierung des Leitapparats, also insbesondere der Leitschaufeln, über den gesamten Temperaturbereich beibehalten und damit die Funktion der Turboladereinrichtung gewährleistet werden. Dies trägt - neben dem erfindungsgemäßen Zentrierelement - dazu bei, dass die VTG-Kartusche exakt zur Turbine positioniert/zentriert wird, da dank des Federelements keine Vergrößerung des Spiels zwischen den einzelnen Komponenten im kalten Zustand vorgehalten werden muss. Es kann daher ein besonders enges Radialspiel zwischen einer das Federelement aufweisenden Aufnahme in der Deckelscheibe bzw. dem Schaufellagerring und dem Fügedurchmesser des Abstandshalters realisiert werden, was die Beibehaltung einer exakten Zentrierung der VTG-Kartusche sowohl im kalten wie auch im heißen Zustand erlaubt. Hierbei ist insbesondere eine Vorspannung des Federelements gegenüber dem Abstandshalter von Vorteil. Die Vorspannung kann derart gewählt sein, dass der Abstandshalter auch in kalten Zustand sicher gehalten ist. Mit steigender Temperatur und damit zunehmender thermischer Ausdehnung kann der Abstandshalter das Federelement entgegen der Vorspannung verstellen. Dank der Erfindung kann somit eine Zentrierung der VTG-Kartusche in allen Betriebsfällen gewährleistet werden.
Der mindestens eine Abstandshalter kann in einer Aufnahme der Deckelscheibe bzw. des Schaufelllagerrings aufgenommen sein. So weist nach einer Ausgestaltung der Abstandshalter einen Haltestift auf, der in einer korrespondierenden Aufnahme in dem Schaufellagerring oder in einer korrespondierenden Aufnahme in der Deckelscheibe aufgenommen ist, wobei der Haltestift innerhalb der Aufnahme über das Federelement abgestützt ist. Der Abstandshalter kann insbesondere einen zentralen Abstandsabschnitt aufweisen, der Schaufellagerring und Deckelscheibe voneinander beabstandet, und zwei sich von dem zentralen Abstandsabschnitt an gegenüberliegenden Seiten forterstreckende Haltestifte. Ein erster der Haltestifte kann in einer korrespondierenden Aufnahme in dem Schaufellagerring und ein zweiter der Haltestifte in einer korrespondierenden Aufnahme in der Deckelscheibe aufgenommen sein, wobei zumindest einer der Haltestifte innerhalb seiner korrespondierenden Aufnahme über ein erfindungsgemäßes Federelement radial abgestützt ist. So kann beispielsweise die Deckelscheibe das Federelement aufweisen zum Halten des zweiten Haltestifts in der Aufnahme der Deckelscheibe. Der erste Haltestift kann, wie ebenfalls bereits angesprochen, fest mit der Aufnahme im Schaufellagerring verbunden sein.
Nach einer Ausgestaltung ist das Federelement einstückig mit der Deckelscheibe und/oder dem Schaufellagerring ausgebildet. Das Federelement kann beispielsweise in die Deckelscheibe bzw. den Schaufellagerring eingebracht sein, beispielsweise durch Ausbildung eines Schlitzes oder einer Nut in der Deckelscheibe bzw. dem Schaufellagering. Das Federelement kann bei der Herstellung der Deckelscheibe bzw. des Schaufellagerings in selbige eingebracht werden, beispielsweise in einem Gussverfahren, oder kann nachträglich eingebracht werden, beispielsweise durch Fräsen des Schlitzes. Insbesondere ist nach einer Ausgestaltung das Federelement als Federarm am Außenumfang der Deckelscheibe und/oder des Leitschaufellagerrings angeordnet. Bei einstückiger Ausbildung kann der Federarm direkt in die Deckelscheibe bzw. den Schaufellagerring integriert sein. Eine derartige Ausgestaltung ist konstruktiv besonders einfach und stabil. Bei der Herstellung kann dabei eine Vorspannung des Federelements erzeugt werden.
Nach einer alternativen Ausgestaltung ist das Federelement in die Deckelscheibe und/oder den Schaufellagerring eingesetzt. Anstatt einer einstückigen Ausbildung des Federelements mit der Deckelscheibe bzw. dem Schaufellagerring kann das Federelement folglich als separates Bauteil in eine entsprechend vorgesehene Federaufnahme der Deckelscheibe bzw. des Schaufellagerrings aufgenommen sein. Nach einer diesbezüglichen Ausgestaltung ist das Federelement als Federhebel in die Deckelscheibe bzw. den Schaufellagering eingesetzt. Die den Federhebel aufnehmende Federaufnahme kann dabei derart ausgebildet sein, dass sie dem Federhebel einen gewissen Bewegungsspielraum gibt, um die Federwirkung zu realisieren. Ein solches eingesetztes Federelement ermöglicht es, für das Federelement einen anderen Werkstoff zu wählen als für die Deckelscheibe bzw. den Schaufellagerring. So kann durch entsprechende Materialwahl beispielsweise die Federkraft des Federelements eingestellt werden.
Die Turboladereinrichtung kann mehrere Abstandshalter aufweisen, wie bereits angesprochen. So können sich über einen Umfang von Deckelscheibe und Schaufellagerring verteilt mehrere Abstandshalter zwischen Deckelscheibe und Schaufellagerring befinden, was dem Einhalten eines exakten Abstands zwischen Deckelscheibe und Schaufellagerring förderlich ist. Die Abstandshalter können insbesondere gleichmäßig über den Umfang verteilt sein. Dabei können mehrere dieser Abstandshalter, insbesondere alle Abstandshalter, über jeweils ein Federelement abgestützt sein. So weisen nach einer diesbezüglichen Ausgestaltung die Deckelscheibe und/oder der Schaufellagerring mehrere über ihren Umfang verteilt angeordnete Federelemente auf, die jeweils einen Abstandshalter abstützen. Es können demnach auch entsprechende Aufnahmen in Deckelscheibe bzw. Schaufellagerring für die Abstandshalter vorgesehen sein.
Nach einer Ausgestaltung sind das Federelement und das erfindungsgemäße Zentrierelement mittels eines gemeinsamen, am Außenumfang der Deckelscheibe angeordneten, Federarms realisiert, wobei der gemeinsame Federarm einen ersten Armabschnitt einen zweiten Armabschnitt umfasst, wobei der erste Armabschnitt den Abstandshalter gegenüber der Deckelscheibe und/oder dem Zentrierkörper abstützt und der zweite Armabschnitt die Deckelscheibe gegenüber dem Zentrierkörper abstützt. In anderen Worten werden durch den gemeinsamen Federarm zwei Federn gebildet, wobei eine erste Feder als erster Armabschnitt den Abstandshalter gegenüber der Deckelscheibe abstützt und die zweite Feder als zweiter Armabschnitt die Deckelscheibe gegenüber dem Zentrierkörper und damit dem Turbinengehäuse abstützt. Gemäß dieser Ausgestaltung kann folglich sowohl die Positionierung von Deckelscheibe und Schaufellagerring und damit der Leitschaufeln relativ zueinander sowie auch die Positionierung der VTG-Kartusche relativ zum Turbinengehäuse über den gesamten Temperaturbereich sicher eingehalten werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:

1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Turboladereinrichtung mitsamt VTG-Kartusche,
2 eine Deckelscheibe mit einstückig mit der Deckelscheibe ausgebildeten Federelementen am Außenumfang und Zentrierelementen am Innenumfang,
3 ausschnittsweise eines der Federelemente aus 2,
4 ausschnittsweise eine Deckelscheibe mit einem eingesetztem Federelement,
5 ausschnittsweise eines der Zentrierelemente aus 2,
6 eine alternative Ausführung einer Deckelscheibe mit Federelementen Zentrierelementen am Außenumfang,
7 eine alternative Ausführung einer Deckelscheibe mit durch einen gemeinsamen Federarm am Außenumfang realisiertem Federelement und Zentrierelement, und
8 ausschnittsweise einen der Federarme aus 7.

Soweit nichts anderes angegeben ist, bezeichnen im Folgenden gleiche Bezugszeichen gleiche Gegenstände.
In 1 ist in einem Teilvertikalschnitt eine Turboladereinrichtung nach der Erfindung dargestellt, die ein Lagergehäuse 1 mit einer Axialbohrung umfasst, in der eine Welle 10 gelagert ist. An der Welle 10 ist ein Turbinenrad 9 angeordnet. Ein Hitzeschild 3 schirmt das Lagergehäuse 1 gegenüber dem Turbinenrad 9 ab. Ein Turbinengehäuse 2 umgibt das Turbinenrad 9.
Zwischen Lagergehäuse 1 und Turbinengehäuse 2 befindet sich eine VTG-Kartusche umfassend einen Leitapparat 12 mit einer Vielzahl von Leitschaufeln 14, über deren Verstellung eine variable Turbinengeometrie erreicht wird, ein die Leitschaufeln 14 tragender Schaufellagerring 16 und eine dem Schaufellagering 16 gegenüberliegende Deckelscheibe 18. Die VTG-Kartusche ist über die Deckelscheibe 18 mit dem Turbinengehäuse 2 und über den Schaufellagerring 16 mit dem Lagergehäuse 1 verbunden. Die Einstellung der Leitschaufeln 14 erfolgt über einen Verstellring 7. Ein Schaufelhebel ist mit Bezugszeichen 8 gekennzeichnet. Zwischen Schaufellagerring 16 und Deckelscheibe 18 erstrecken sich mehrere Abstandshalter 20, von denen in 1 lediglich einer dargestellt ist. Durch die Abstandshalter 20 wird ein definierter Abstand zwischen Schaufellagerring 16 und Deckelscheibe 18 beibehalten, was eine den Leitschaufeln 14 die nötige Bewegungsfreiheit gibt.
Der Abstandshalter 20 ist sowohl in der Deckelscheibe 18 als auch im Schaufellagerring 16 gehalten. Der Abstandshalter 20 weist hierfür einen ersten Haltestift 20a auf, der in einer korrespondierenden Aufnahme 17 in dem Schaufellagerring 16 aufgenommen ist und einen zweiten Haltestift 20b, der in einer korrespondierenden Aufnahme 19 der Deckelscheibe 18 aufgenommen ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Abstandshalter 20 über den ersten Haltestift 20a fest, insbesondere drehfest und axialfest, mit dem Schaufellagerring 16 verbunden. Die Deckelscheibe 18 hingegen weist in 2 ersichtliche Federelemente 24 auf, über welches der Abstandshalter 20 mittels seines zweiten Haltestifts 20b in der Aufnahme 19 abgestützt ist.
Die Deckelscheibe 18 weist vier über ihren Umfang verteilt angeordnete Federelemente 24 auf, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit in 2 nur eines der Federelemente mit Bezugszeichen versehen ist. Wie in 2 ersichtlich, sind die Federelemente 24 einstückig mit der Deckelscheibe 18 verbunden und als Federarme im Außenumfang der Deckelscheibe 18 ausgebildet. Die Federelemente 24 sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dadurch realisiert, dass ein Schlitz 24a in die Deckelscheibe 18 eingebracht wurde, die sich in Bezug auf 3, welche eines der Federelemente im Detail zeigt, von links nach rechts gesehen zunächst entlang eines Kreisbogens erstreckt, anschließend in die in der Deckelscheibe 18 eingelassene Aufnahme 19 übergeht und schließlich den Außenumfang der Deckelscheibe 18 durchbricht. Der Schlitz 24a bildet somit ein gewisses Spiel für den Federarm 24, der sich in einer federnden Bewegung relativ zu dem übrigen Teil der Deckelscheibe 18 bewegen kann. Der zylinderförmig ausgebildete zweite Haltestift 20b tritt hierbei in Kontakt mit einer korrespondierend zum Außenumfang des Haltestifts 20b geformten Fläche eines Federkopfs 24b des Federelements 24. Der Federarm 24 kann hierbei gegenüber der Deckelscheibe 18 vorgespannt sein.
Bei thermischer Ausdehnung der Deckelscheibe 18 kommt die federnde Wirkung des Federelements 24 zur Geltung. So kann eine Spaltgröße des Schlitzes 24a bei thermischer Ausdehnung der Deckelscheibe 18 variieren. Aufgrund der Vorspannung des Federarms 24 wird der zweite Haltestift 20b durch den Federkopf 24b in die Aufnahme 19 gedrückt. Der Federkopf 24b bleibt somit stets in Kontakt mit dem zweiten Haltestift 20b, sodass dank des Federelements 24 der Abstandshalter 20 stets zuverlässig und positionsgenau in der Deckelscheibe 18 gehalten ist. Somit ist auch die Positionierung der Deckelscheibe 18 relativ zum Schaufellagerring und damit wiederum die Positionierung der Leitschaufeln 14 über den gesamten Betriebstemperaturbereich, insbesondere auch über 980°C hinaus, gewährleistet. Dank des Bewegungsspielraums des Federelements 24 muss kein Spiel, also kein großes Spaltmaß, zwischen dem zweiten Haltestift 20b und der Wandung der korrespondierenden Aufnahme 19 in der Deckelscheibe 18 vorgesehen werden, was aufgrund des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens der Komponenten ansonsten zu einer Beeinträchtigung der Funktion der Turboladereinrichtung führen könnte.
4 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Federelements. Das in 4 ersichtliche Federelement 24' ist im Gegensatz zu dem zuvor erläuterten Federelement 24 nicht einstückig mit der Deckelscheibe 18 ausgebildet, sondern in Form eines Federhebels in eine entsprechende Federaufnahme 21 der Deckelscheibe 18 eingesetzt. In ähnlicher Weise wie bei dem zuvor erläuterten Federelement hält hier ein Federkopf 24b' unter Vorspannung den zweiten Haltestift 20b in der korrespondierenden Aufnahme 19 der Deckelscheibe 18. Eine Vorspannung des Federelements 24' kann bedingt durch die Anordnung in der Federaufnahme 21 erreicht werden. In dem Bereich, in dem das Federelement 24' aus der Federaufnahme 21 hinaustritt, ist ein sich vergrößernder Spalt 23 zwischen dem Federelement 24' und der Federaufnahme 21 ersichtlich. Der Spalt 23 bietet für das Federelement 24' einen gewissen Bewegungsspielraum. So kann bei thermischer Ausdehnung der Komponenten der Federkopf 24a' derart ausgelenkt werden, dass sich der Spalt 23 verkleinert. Aufgrund der Federvorspannung bleibt das Federelement 24' jedoch in Kontakt mit dem zweiten Haltestift 20b. Somit kann auch mit einem solchen Federelement der Abstandshalter 20 exakt über einen großen Temperaturbereich gehalten werden.
Zudem weist die Deckelscheibe aus 2 drei erfindungsgemäße, federnd wirkende Zentrierelemente 26 auf, die am Innenumfang der Deckelscheibe 18 einstückig mit dieser ausgebildet sind und jeweils mit einem sich zentral in die Deckelscheibe 18 erstreckendem Zentrierabsatz 28 des Turbinengehäuses 2 zusammenwirken. In 5 ist eines der Zentrierelemente in einer Detailansicht dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Zentrierelemente 26 durch Ausbildung eines Schlitzes 26a in der Deckelscheibe 18 realisiert und nach innen in Richtung des Zentrierabsatzes 28 gebogen sind, wobei die Zentrierelemente 26 jeweils mit einen freien Ende 26b mit dem Zentrierabsatz 28 in Kontakt stehen. Die Zentrierelemente 26 stehen somit unter Vorspannung und wirken wie Federelemente. Die Zentrierelemente 26 zentrieren die Deckelscheibe 18 und somit letztlich die gesamte VTG-Kartusche relativ zum Zentrierabsatz 28 und damit zum Turbinengehäuse 2. Bei thermischer Ausdehnung der Deckelscheibe 18 verringert sich ein Abstand zwischen dem Außenumfang des Zentrierabsatzes 28 und dem Innenumfang der Deckelscheibe 18 derart, dass die Zentrierelemente 26 entgegen ihrer Vorspannung in die Deckelscheibe 18 hineingedrückt werden. Aufgrund der federnd wirkenden Zentrierelemente kann jedoch auch dabei eine exakte Zentrierung der Deckelscheibe relativ zum Zentrierabsatz 28 beibehalten werden. Dies ist insbesondere bei einer Deckelscheibe aus einer technischen Keramik von Vorteil, da hier der Unterschied im thermischen Ausdehnungsverhalten im Vergleich zu dem Turbinengehäuse besonders groß ist.
In 6 ist eine Ausgestaltung einer Deckelscheibe 18 ersichtlich, bei der die Deckelscheibe selbst keine Federelemente aufweist. Es kann jedoch der Schaufellagerring derartige Federelemente aufweisen. Die ersichtliche Deckelscheibe 18 weist erfindungsgemäße Zentrierelemente 26` auf, die im Gegensatz zu den zuvor erläuterten Zentrierelementen 26 am Außenumfang der Deckelscheibe 18 angeordnet sind. Es sind im vorliegenden Fall vier Zentrierelemente 26' über den Außenumfang der Deckelscheibe 18 verteilt angeordnet und einstückig mit der Deckelscheibe ausgebildet. Ähnlich wie zuvor erläutert sind die Zentrierelemente 26' durch Ausbildung jeweils eines Schlitzes realisiert. Auch diese Zentrierelemente 26' können über einen großen Temperaturbereich zu einer Zentrierung der Deckelscheibe 18 innerhalb des Turbinengehäuses 2 führen, wobei die Zentrierelemente 26' mit einem die Deckelscheibe 18 umfangsseitig umgebenden Zentrierkörper 30 des Turbinengehäuses 2 zusammenwirken. In einem Zustand niedriger Temperatur können sich die vorliegend ebenfalls als Federarme ausgebildeten Zentrierelemente 26' flächig oder auch nur mit ihren freien Enden am Zentrierkörper 30 abstützen. Die Zentrierelemente 46' können gegen den Zentrierkörper 30 vorgespannt sein. Verringert sich nun aufgrund der thermischen Ausdehnung mit steigender Temperatur ein radialer Abstand zwischen der Deckelscheibe 18 und dem Zentrierkörper 30, so werden die Zentrierelemente 26' nach innen gebogen und zentrieren dabei weiterhin zuverlässig die Deckelscheibe relativ zum Turbinengehäuse.
In 7 und 8 ist Deckelscheibe 18 dargestellt, bei der das Federelement und das zuvor erläuterte Zentrierelement in einem gemeinsamen Federarm 32 integriert sind. Der Federarm 32 ist am Außenumfang der Deckelscheibe 18 angeordnet und einstückig mit dieser ausgebildet. Der Federarm 32 weist einen ersten Armabschnitt 32a und einen zweiten Armabschnitt 32b auf, wobei der erste Armabschnitt 32a den Abstandshalter 20 (über dessen Halteabschnitt 20b) gegenüber der Deckelscheibe 18 bzw. dem Zentrierkörper 30 abstützt und der zweite Armabschnitt 32b die Deckelscheibe 18 gegenüber dem Zentrierkörper 30 abstützt. Es werden somit zwei Federn realisiert, eine durch den ersten Armabschnitt 32a und eine durch den zweiten Armabschnitt 32b. Der zweite Federarm 32b ist dabei über eine Vorspannkraft gegenüber dem Zentrierkörper 30 vorgespannt und dient der Zentrierung der VTG-Kartusche. Der erste Armabschnitt 32a dient hingegen der Kompensation einer Verschiebung des Abstandshalters 20 in radialer Richtung nach außen.
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017218303 A1 [0004]

Claims

Turboladereinrichtung, insbesondere für einen Abgasturbolader eines Verbrennungsmotors, umfassend ein Lagergehäuse (1), eine im Lagergehäuse (1) drehbar gelagerte Welle (10) mit einem auf der Welle (10) angeordneten Turbinenrad (9), ein Turbinengehäuse (2) für das Turbinenrad (9), und einen zwischen einem Schaufellagerring (16) am Lagergehäuse (1) und einer Deckelscheibe (18) am Turbinengehäuse (2) angeordneten Leitapparat (12) mit einer Vielzahl verstellbarer Leitschaufeln (14) zur Realisierung einer variablen Turbinengeometrie, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckelscheibe (18) mindestens ein federnd wirkendes Zentrierelement (26, 26') zur Zentrierung der Deckelscheibe (18) gegenüber dem Turbinengehäuse (2) aufweist.
Turboladereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckelscheibe (18) aus einer Keramik besteht.
Turboladereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrierelement (26, 26') einstückig mit der Deckelscheibe (18) ausgebildet ist.
Turboladereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrierelement (26, 26') als Federarm ausgebildet ist.
Turboladereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrierelement (26) am Innenumfang der Deckelscheibe (18) angeordnet ist und mit einem sich zentral durch die Deckelscheibe (18) erstreckenden Zentrierabsatz (28) des Turbinengehäuses (2) zusammenwirkt.
Turboladereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrierelement (26') am Außenumfang der Deckelscheibe (18) angeordnet ist und mit einem die Deckelscheibe (18) umfangsseitig umgebenden Zentrierkörper (30) des Turbinengehäuses (2) zusammenwirkt.
Turboladereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckelscheibe (18) mehrere über ihren Umfang verteilt angeordnete Zentrierelement (26, 26') aufweist.
Turboladereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen Schaufellagerring (16) und Deckelscheibe (18) mindestens ein Abstandshalter (20) erstreckt zur Beabstandung des Schaufellagerrings (16) und der Deckelscheibe (18) voneinander, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckelscheibe (18) und/oder der Schaufellagerring (16) mindestens ein den Abstandshalter (20) abstützendes Federelement (24) aufweisen.
Turboladereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter (20) einen Haltestift (20a, 20b) aufweist, der in einer korrespondierenden Aufnahme (17) in dem Schaufellagerring (16) oder in einer korrespondierenden Aufnahme (19) in der Deckelscheibe (18) aufgenommen ist, wobei der Haltestift (20a, 20b) innerhalb der Aufnahme (17, 19) über das Federelement (24) abgestützt ist.
Turboladereinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (24) und das Zentrierelement (26) mittels eines gemeinsamen am Außenumfang der Deckelscheibe (18) angeordneten Federarms (32) realisiert sind, wobei der gemeinsame Federarm (32) einen ersten Armabschnitt (32a) und einen zweiten Armabschnitt (32b) umfasst, wobei der erste Armabschnitt (32a) den Abstandshalter (20) gegenüber der Deckelscheibe (18) und/oder dem Zentrierkörper (30) abstützt und der zweite Armabschnitt (32b) die Deckelscheibe (18) gegenüber dem Zentrierkörper (30) abstützt.