DE10209172A1 - Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine weist einen Verdichter und eine Abgasturbine auf, die mit variabler Turbinengeometrie zur veränderlichen Einstellung des Querschnitts im Zuströmkanal zum Turbinenrad ausgestattet ist. Die variable Turbinengeometrie weist zumindest eine drehbar gelagerte Leitschaufel mit einer Leitschaufelwelle im Zuströmkanal auf. Die Leitschaufelwelle besitzt zwei Lagerstellen im Turbinengehäuse. DOLLAR A Die beiden Lagerstellen der Leitschaufelwelle befinden sich auf der gleichen Seite des Zuströmkanals im Turbinengehäuse. Auf der gegenüberliegenden Seite des Zuströmkanals liegt die Leitschaufelwelle lagerfrei an der Wandung des Zuströmkanals an.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• Die Druckschrift DE 35 41 508 C1 offenbart einen derartigen Abgasturbolader, welcher einen Verdichter im Ansaugtrakt und eine Abgasturbine im Abgasstrang umfasst, wobei die Abgasturbine mit variabler Turbinengeometrie zur veränderlichen Einstellung des Querschnitts im Zuströmkanal zum Turbinenrad ausgestattet ist. Die variable Turbinengeometrie ist als Leitgitter im ringförmigen Zuströmkanal mit einer Mehrzahl über den Umfang verteilter Leitschaufeln ausgebildet, welche jeweils an einer Leitschaufelwelle drehbar gelagert sind und zwischen einer den Zuströmquerschnitt reduzierenden Staustellung und einer den Querschnitt öffnenden Freigabestellung zu verschwenken sind. Das Leitgitter umfasst zwei die Stirnseiten der Leitschaufeln einfassende Lagerringe, in die Ausnehmungen zur Aufnahme der Leitschaufelwellen eingebracht sind. Die Lagerringe sind im Turbinengehäuse zu beiden Seiten des Zuströmkanals aufgenommen. Da das Abgas der Brennkraftmaschine unter einem Drall in das Turbinengehäuse eingeführt wird, wird der Zuströmbereich zum Turbinenrad nicht gleichmäßig, sondern asymmetrisch erwärmt, mit der Folge, dass die gegenüberliegenden Wandbereiche des Zuströmkanals und damit auch die Lagerstellen in den die Leitschaufeln einfassenden Lagerringen sich unterschiedlich stark erwärmen und dementsprechend auch eine unterschiedlich starke Wärmedehnung erfahren, was zu einem Verklemmen der Leitschaufelwelle in den Lagerringen und zu einem Ausfall der Funktionsfähigkeit der variablen Turbinengeometrie führen kann.
• Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen gattungsgemäßen Abgasturbolader mit geringem konstruktiven Aufwand funktionssicher auszubilden. Der Abgasturbolader soll insbesondere bei einer starken Erwärmung im Turbinenbereich funktionssicher bleiben.
• Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
• Bei der Turbine des erfindungsgemäßen Abgasturboladers befinden sich beide Lagerstellen der Leitschaufelwelle auf der gleichen Seite des Zuströmkanals im Turbinengehäuse, wohingegen die gegenüberliegende Seite der variablen Turbinengeometrie lagerfrei an der Wandung des Zuströmkanals anliegt. Die Lagerstellen sind im Unterschied zum Stand der Technik nicht mehr auf gegenüberliegenden Seiten in den Wandungen des Zuströmkanals angeordnet, sondern nur noch auf einer Seite des Zuströmkanals, wodurch beide Lagerstellen annähernd die gleiche Temperatur annehmen und dadurch gleiche Wärmedehnungen erfahren. Spannungen und Dehnungen, die auf unterschiedlich hohe Erwärmungen zurückzuführen sind, werden vermieden. Auf Grund der doppelten Lagerung wird trotz der einseitigen Anordnung der Lagerstellen eine sichere Führung der Leitschaufelwelle erreicht, so dass die Gefahr eines Verkantens oder Verklemmens als Folge von Lagerspiel reduziert ist. Der hohe Temperaturgradient zwischen gegenüberliegenden Wandbereichen des Zuströmkanals kann sich wegen der einseitigen Lagerung nicht auf die beiden Lagerstellen auswirken.
• Als weiterer Vorteil wird auch eine konstruktive Vereinfachung erzielt, da nur in einem Wandbereich des Zuströmkanals konstruktive Anpassungen für die Aufnahme der Lager vorgesehen sein müssen. Der gegenüberliegende Wandbereich kann dagegen völlig frei von Einrichtungen zur Aufnahme oder Halterung der variablen Turbinengeometrie gehalten werden. Grundsätzlich reicht es aus, die Stirnseiten der Leitschaufeln an diesen Wandabschnitt angrenzen zu lassen bzw. an dieser Position einen minimalen Spalt vorzusehen, welcher eine optimale Bewegungsfreiheit der Leitschaufel ermöglicht.
• In einer bevorzugten Ausführung bilden die Leitschaufel einschließlich Leitschaufelwelle, die beiden Lagerstellen der Leitschaufelwelle sowie eine Stelleinrichtung zur Verstellung der Leitschaufel ein zusammengesetztes bzw. vorgefertigtes und austauschbares Modul im Abgasturbolader, welches als vormontierte Einheit in die Turbine eingesetzt bzw. aus dieser herausgenommen werden kann. In der modularen Ausführung ist insbesondere der Einbau in die Abgasturbine vereinfacht.
• Die Stelleinrichtung, über die die Leitschaufeln zu verstellen sind, kann einen Verstellhebel umfassen, welcher in einer vorteilhaften Weiterbildung zwischen den beiden Lagerstellen der Leitschaufelwelle angeordnet ist und diese beaufschlagt. Hierdurch kann der zwischenliegende Raum zwischen den beiden Lagerstellen in optimaler Weise ausgenutzt werden. Der Verstellhebel ist insbesondere drehfest mit der Leitschaufelwelle verbunden, so dass die Verstellhebel-Schwenkachse mit der Drehachse der Leitschaufelwelle zusammenfällt und jede auf den Verstellhebel wirkende Schwenkbewegung unmittelbar auf die Leitschaufel übertragen wird.
• Der Verstellhebel wird zweckmäßig von einem drehbaren Verstellring beaufschlagt, dessen Drehachse koaxial zur Laderachse liegt. Insbesondere in Kombination mit der Ausführung, dass der Verstellhebel drehfest mit der Leitschaufelwelle verbunden ist, erhält man hierdurch eine Konfiguration, bei der zwei bewegliche Bauteile auf unterschiedlichen Bewegungskreisen zusammenwirken. Die zweifache Lagerung der Leitschaufelwelle verhindert ein Verklemmen auf Grund von Kräften, welche aus den unterschiedlichen Bewegungskreisen resultieren können.
• Der drehbare, koaxial zur Laderachse liegende Verstellring beaufschlagt vorzugsweise eine Mehrzahl von über den Umfang verteilter Leitschaufeln, die jeweils mit einem Verstellhebel gekoppelt sind, der insbesondere koaxial zur jeweiligen Leitschaufelwelle gehalten ist. Über diese Konfiguration ist es möglich, mit nur einer Stelleinheit - dem Verstellring - eine Mehrzahl von Leitschaufeln synchron zu betätigen.
• Die beiden Lagerstellen jeder Leitschaufelwelle sind bevorzugt in jeweils einem Lagerring ausgebildet, wobei die Ringachse jedes Lagerringes koaxial zur Laderachse liegt. Auch diese Ausführung eignet sich in besonderer Weise für eine Mehrzahl über den Umfang verteilter Leitschaufeln, die allesamt von den beiden beabstandeten Lagerringen gehalten werden.
• Es kann vorteilhaft sein, in den beiden Lagerstellen jeweils eine Lagerbuchse vorzusehen, in denen die Leitschaufelwelle drehbar aufgenommen ist. Die Lagerbuchse besteht insbesondere aus einem reibungsarmen Material und kann in den Lagerring eingegossen oder eingesteckt sein.
• Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
• Fig. 1 einen Schnitt durch einen Abgasturbolader, dessen Turbine mit variabler Turbinengeometrie in Form von verstellbaren Leitschaufeln ausgeführt ist, welche auf einer Seite des Zuströmkanals doppelt gelagert sind,
• Fig. 2 einen Schnitt durch eine Abgasturbine mit variabler Turbinengeometrie in einer weiteren Ausführung,
• Fig. 3 ein Schnitt durch noch eine weitere Ausführung einer Abgasturbine mit variabler Turbinengeometrie.
• In den folgenden Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
• Der in Fig. 1 dargestellte Abgasturbolader 1 für eine Brennkraftmaschine, die sowohl als Ottomotor als auch als Dieselmotor ausgeführt sein kann, umfasst einen Verdichter 2 mit einem drehbar um eine Laderachse 5 gelagerten Turbinenrad 3, welches über eine Welle 4 mit einem Verdichterrad gekoppelt ist und dieses antreibt. Der Turbine 2 wird über eine Abgasflut 6, die zweckmäßig als Spiralkanal ausgeführt ist, in einem Turbinengehäuse 7 Abgas der Brennkraftmaschine zugeführt. Das Abgas wird in der Abgasflut 6 über einen ringförmigen Zuströmkanal 8 auf das Turbinenrad 3 geleitet, das von den unter Druck stehenden Abgasen angetrieben wird. Die Drehbewegung wird über die Welle 4 auf das Verdichterrad übertragen, wodurch Frischluft unter Atmosphärendruck angesaugt und auf einen erhöhten Ladedruck komprimiert wird, unter dem die Verbrennungsluft den Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
• Im Zuströmkanal 8 ist eine variable Turbinengeometrie angeordnet, über die der Querschnitt des Zuströmkanals variabel eingestellt werden kann. Die variable Turbinengeometrie ist zwischen einer den Querschnitt minimierenden Staustellung und einer den Querschnitt maximal freigebenden Öffnungsstellung zu verstellen. Die variable Turbinengeometrie umfasst eine Mehrzahl von über den Umfang des Zuströmkanals 8 verteilt angeordneten Leitschaufeln 9, die an Leitschaufelwellen 10 drehbar im Turbinengehäuse gelagert sind. Jede Leitschaufelwelle 10 ist in zwei gehäusefesten Lagerstellen drehbar aufgenommen, welche in Lagerringen 11 und 12 ausgebildet sind. Die Lagerringe 11 und 12 sind fest im Turbinengehäuse 7 verankert und sind koaxial zur Laderachse 5 angeordnet. Die beiden Lagerringe 11 und 12 liegen parallel zueinander und befinden sich beide auf der gleichen Seite des Zuströmkanals 8 im axialen Bereich zwischen Turbinenrad 3 und dem Verdichter. Auf diese Weise wird eine einseitig doppelte Lagerung der Leitschaufelwelle 10 erreicht, bei der beide Lagerstellen sich auf der gleichen Seite des Zuströmkanals 8 befinden. Die den Lagerstellen abgewandte Stirnseite der Leitschaufel 9 grenzt an die gegenüberliegende Wandung 13 des Zuströmkanals 8 an; auf der der Wandung 13 zugewandten Seite besitzen die Leitschaufeln 9 kein Lager. Da die Lagerstellen in den Lagerringen 11 und 12 sich beide auf der gleichen Seite des Zuströmkanals 8 befinden, nehmen diese in etwa auch die gleiche Temperatur ein, wodurch Temperaturdifferenzen in den Lagerstellen und dadurch bedingte unterschiedliche thermische Dehnungen weitgehend vermieden werden.
• Zwischen den beiden Lagerringen 11 und 12 befindet sich ein Verstellhebel 14, welcher fest mit der Leitschaufelwelle 10 verbunden ist und über einen Verstellring 15 verschwenkt wird, der von einem Antriebshebel 19 an einer Antriebswelle 20 beaufschlagt wird. Über ein Verstellelement, welches beispielsweise pneumatisch oder elektrisch ausgeführt sein kann, wird die Antriebswelle 20 sowie der daran gehaltene Antriebshebel 19 verschwenkt, wobei diese Schwenkbewegung über einen Kulissenstein 21 auf den Verstellring 15 übertragen wird, der drehbar um die Laderachse 5 im Turbinengehäuse 7 gelagert ist. Über ein Übertragungsteil 17 am Verstellring 15 wird dessen Drehbewegung mittels eines weiteren Kulissensteins 18 auf den Verstellhebel 14 an der Leitschaufelwelle 10 übertragen, die daraufhin eine Schwenkbewegung ausführt, wodurch die Position der Leitschaufel 9 im Zuströmkanal 8 geändert und der Querschnitt des Zuströmkanals variiert wird. Über den Verstellring sind sämtliche Leitschaufeln im Zuströmkanal simultan zu verstellen.
• Der Verstellring 15 ist über seinen Umfang an seiner radialen Außenseite drehbar über Zentrierkugeln 16 gelagert, welche sich auf der radialen Innenseite des Lagerringes 11 abstützen. Der Lagerring 11 übernimmt somit zusätzlich zur Aufnahme der Leitschaufelwelle 10 die weitere Aufgabe, den Verstellring 15 im Turbinengehäuse drehbar abzustützen.
• Die Leitschaufeln 9 einschließlich Leitschaufelwellen 10, die beiden Lagerringe 11 und 12 sowie der gesamte Stellapparat für die Verstellung der Leitschaufeln - Antriebswelle 20, Antriebshebel 19, Kulissenstein 21, Verstellring 15, Übertragungsteil 17, Kulissenstein 18, Verstellhebel 14 und Zentrierkugeln 16 - können ein vorgefertigtes, austauschbares Modul bilden, das in das Turbinengehäuse einsetzbar bzw. aus diesem herausnehmbar ist.
• Der Aufbau der in Fig. 2 dargestellten variablen Turbinengeometrie entspricht weitgehend dem Aufbau der in Fig. 1 dargestellten variablen Turbinengeometrie, jedoch mit dem Unterschied, dass der Verstellring 15 im Bereich seines radial außen liegenden Umfanges an Zentrierrollen 22 gelagert ist, welche über ein Befestigungselement 23 mit den Lagerringen 11 und 12 verbunden ist. Die gesamte Einrichtung der variablen Turbinengeometrie einschließlich der Verstelleinrichtung ist über Schrauben 26 mit dem Turbinengehäuse 7 verbunden.
• Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist der Verstellring 15 an seinem Außenumfang an den Zentrierrollen 22 gelagert, wobei die Zentrierrollen 22 drehbar am Turbinengehäuse 7 gelagert sind. Des Weiteren ist in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Leitschaufelwelle 10 in Lagerbuchsen 24 und 25 aufgenommen ist, welche Teil der Lagerstellen sind und die in den Lagerringen 11 und 12 aufgenommen sind. Die Lagerbuchsen 24 und 25 können aus einem anderen Material als die Lagerringe 11 und 12 bestehen und sind insbesondere aus einem reibungsarmen Material gefertigt.

Claims (9)

1. Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einem Verdichter und einer Abgasturbine (2), die mit variabler Turbinengeometrie zur veränderlichen Einstellung des Querschnitts in einem Zuströmkanal (8) zum Turbinenrad (3) ausgestattet ist, wobei die variable Turbinengeometrie zumindest eine drehbar gelagerte Leitschaufel (9) mit einer Leitschaufelwelle (10) im Zuströmkanal (8) aufweist und die Leitschaufelwelle (10) zwei Lagerstellen im Turbinengehäuse (7) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerstellen (Lagerringe 11, 12) der Leitschaufelwelle (10) sich beide auf der gleichen Seite des Zuströmkanals (8) im Turbinengehäuse (7) befinden und die Leitschaufel (9) auf der gegenüberliegenden Seite des Zuströmkanals (8) lagerfrei an der Wandung (13) des Zuströmkanals (8) anliegt.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufel (9) mit Leitschaufelwelle (10), die beiden Lagerstellen (Lagerringe 11, 12) und eine Stelleinrichtung zur Verstellung der Leitschaufel (9) ein vorgefertigtes, austauschbares Modul bilden.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Lagerstellen (Lagerringe 11, 12) ein Verstellhebel (14) zur Verstellung der Leitschaufel (9) angeordnet ist.

4. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellhebel (14) drehfest mit der Leitschaufelwelle (10) verbunden ist.

5. Abgasturbolader nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein drehbarer Verstellring (15) vorgesehen ist, der den Verstellhebel (14) beaufschlagt, wobei die Drehachse des Verstellringes (15) koaxial zur Laderachse (5) liegt.

6. Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellring (15) an seinem Außenumfang über Abrollelemente (Zentrierkugel 16, Zentrierrolle 22) drehbar gelagert ist.

7. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Lagerstellen in jeweils einem Lagerring (11, 12) ausgebildet sind, dessen Ringachse koaxial zur Laderachse (5) liegt.

8. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelwelle (10) in Lagerbuchsen (24, 25) drehbar aufgenommen ist.

9. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass über den Umfang verteilt eine Mehrzahl an Leitschaufeln (9) angeordnet sind, die jeweils zwei Lagerstellen besitzen.