EP1672178B1 - Turbinengehäuse eines Abgasturboladers mit verstellbarer Turbinengeometrie - Google Patents

Turbinengehäuse eines Abgasturboladers mit verstellbarer Turbinengeometrie Download PDF

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EP1672178B1
EP1672178B1 EP05024051A EP05024051A EP1672178B1 EP 1672178 B1 EP1672178 B1 EP 1672178B1 EP 05024051 A EP05024051 A EP 05024051A EP 05024051 A EP05024051 A EP 05024051A EP 1672178 B1 EP1672178 B1 EP 1672178B1
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recesses
turbine
turbine casing
spacer elements
carrier
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Andreas Sterner
Ralph Ronneburger
Günther Weinland
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Dr Ing HCF Porsche AG
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Dr Ing HCF Porsche AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/243—Flange connections; Bolting arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/165—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for radial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially parallel to the rotor centre line
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/12—Cooling

Definitions

  • the invention relates to a EP 1 099 838 known turbine housing of an exhaust gas turbocharger with adjustable turbine geometry according to the features of the preamble of patent claim 1.
  • Exhaust gas turbocharger where by means of adjustable vanes of the boost pressure is controlled, for example, from DE 103 12 324 B3 known.
  • a Leitschaufelapparat In the turbine housing such VTG loader while a Leitschaufelapparat is attached, which consists of a support ring for the vanes and a cover, which is opposite to the support ring while maintaining a Leitschaufel- gap distance.
  • spacer elements for example in the form of spacers, provided, which are held or penetrated by corresponding fasteners, eg in the form of mounting screws.
  • the spacer elements which are penetrated by the holding elements. If the spacer elements are acted upon by the hot exhaust gas flow, they expand accordingly in the longitudinal direction, while the retaining elements are still relatively cold. This can lead to an inadmissible elongation of the holding elements beyond their elastic limit. In a subsequent load jump (full load direction lower part load), conversely, first the spacer element is cooled by the exhaust gas flow, while the holding element is still relatively hot. This leads to temporally faster shrinkage of the spacer element relative to the holding element; If the retaining element is designed as a fastening screw, this leads to a loss of preload force. Due to the loss of prestressing force, the fixing screw must now absorb all lateral forces that occur due to engine operation, which may lead to component failure of the fastening screw.
  • the object of the invention is to overcome the disadvantages described above, so that a safe continuous operation of the VTG supercharger is guaranteed.
  • the recesses provided in the spacer elements ensure that the retaining element is also acted upon directly by the exhaust gas mass flow. This leads - with the same or similar material properties - to a uniform expansion and shrinkage behavior of both components, so that a durable fixation is ensured.
  • the recesses which allow a direct loading of the holding elements by the exhaust gas flow are introduced in an advantageous manner in the lateral surface of the spacer elements.
  • the recesses are in a simple manner as holes - for example, four pieces, each offset by 90 ° radially to each other introduced into the lateral surface - executed.
  • the recesses are formed as slots, which are introduced from the end face of the spacer elements ago.
  • the spacer elements engage positively with their end faces. This creates a fit, are taken over the transverse forces, so that the holding elements are substantially free of lateral forces at this point.
  • a Leitschaufelapparates 4 is arranged in the turbine housing 2 of a so-called VTG exhaust gas turbocharger.
  • the Leitschaufelapparat 4 consists of a support ring 6, are attached to the adjustable to control the boost pressure guide vanes 8.
  • the guide vanes 8 are limited on their exhaust gas outlet 10 associated end face by a cover ring 12.
  • spacer elements which are formed in the present case as spacers 14 and distributed radially on the circumference of the carrier and cover ring 6, 12, the axial vane gap is defined.
  • the spacers 14 are held by means of fastening elements which are formed in the present embodiment as fastening screws 16.
  • fastening elements for the spacers 14 bolts, pins or the like would alternatively be conceivable.
  • a first embodiment of a spacer sleeve 14 is shown in the four radially offset by 90 ° to each other arranged recesses in the form of holes 20a to 20d (in the sectional view Fig. 2 each only two holes are visible) are provided.
  • the four holes 20a to 20d are in communication with the passage opening 18 of the spacer sleeve 14, so that during operation of the exhaust gas turbocharger, the exhaust gas flow via the bores 20a to 20d directly to the Fixing screws 16 passes.
  • recesses - which are adapted in their shape and number according to the specific embodiment - possible.
  • a second possible embodiment of a spacer sleeve 14 ' is shown, in which the recesses are designed as two cross-shaped mutually arranged slots 22a to 22d. These slots 22a to 22d are respectively at the left and right end side of the spacer sleeve 14 '- for example, with a milling tool - introduced.
  • the circular arc-shaped slots 22 have a depth which, analogous to the embodiment according to Fig. 2 allow direct loading of the mounting screws 16 with the exhaust stream.
  • the diameter of the through hole 18 of the spacer sleeve 14 ' is selected to be greater than the outer diameter of the fastening screws 16, so that the exhaust gas flow through the slots 22a to 22d on the mounting screw 16 along.
  • the spacers 14, 14 'at the end in circular recesses 24 of the carrier and cover ring 6, 12 are added.
  • the recesses 24 are dimensioned so that the spacers 14 are held in a form-fitting manner therein. By this play-free fit shear forces can be absorbed, so that the screw itself remains free of transverse force.
  • the circular recesses 24 can be introduced, for example, in a die sinking process in carrier and cover ring 6, 12.
  • a tool with, for example, three pins is provided, by means of which the lowering process can be performed in one operation.
  • the circular recesses 24 can also be made by means of a casting process, e.g. in the MIM (Metal Injection Molding) method or by investment casting.
  • the spacer sleeves 14, 14 ' are optionally aligned with the aid of corresponding positioning pins in such a way that optimum and uniform admission to the exhaust-gas mass flow is ensured.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein aus EP 1 099 838 bekanntes Turbinengehäuse eines Abgasturboladers mit verstellbarer Turbinengeometrie gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
  • Abgasturbolader, bei denen mittels verstellbarer Leitschaufeln der Ladedruck regelbar ist, sind beispielsweise aus der DE 103 12 324 B3 bekannt. Im Turbinengehäuse derartiger VTG-Lader ist dabei ein Leitschaufelapparat befestigt, der aus einem Trägerring für die Leitschaufeln sowie einem Abdeckring besteht, der unter Einhaltung eines Leitschaufel- Spaltabstandes dem Trägerring gegenüberliegt. Zur Beabstandung von Träger- und Abdeckring sind radial um den Umfang beider Ringe verteilt angeordnete Distanzelemente, z.B. in Form von Distanzhülsen, vorgesehen, die von entsprechenden Befestigungselementen, z.B. in Form von Befestigungsschrauben, gehalten bzw. durchdrungen sind. Insbesondere beim Einsatz dieser VTG-Lader bei Otto-Motoren sind diese Bauteile hohen Abgastemperaturen ausgesetzt. Besonders kritisch sind hierbei die Distanzelemente, die von den Halteelementen durchgriffen sind. Werden die Distanzelemente vom heißen Abgasstrom beaufschlagt, dehnen sich diese in Längsrichtung entsprechend aus, während die Halteelemente noch relativ kalt sind. Dies kann zu einer unzulässigen Längendehnung der Halteelemente über ihre Elastizitätsgrenze hinaus führen. Bei einem nachfolgenden Lastsprung (Volllast Richtung untere Teillast) wird umgekehrt zunächst das Distanzelement durch den Abgasstrom gekühlt, während das Halteelement noch relativ heiß ist. Dies führt zum zeitlich schnelleren Schrumpfen des Distanzelementes gegenüber dem Halteelement; ist das Halteelement als Befestigungsschraube ausgeführt, führt dies zu einem Vorspannkraftverlust. Bedingt durch den Vorspannkraftverlust muss nun die Befestigungsschraube sämtliche durch den Motorbetrieb auftretenden Querkräfte aufnehmen, was unter Umständen zu einem Bauteilversagen der Befestigungsschraube führt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die zuvor beschriebenen Nachteile zu überwinden, damit ein sicherer Dauerbetrieb des VTG-Laders gewährleistet ist.
  • Die Erfindung wird in den beigefügten Ansprüchen definiert.
  • Durch die in den Distanzelementen vorgesehenen Ausnehmungen ist sichergestellt, dass auch das Halteelement direkt vom Abgasmassenstrom beaufschlagt ist. Dies führt - bei gleichen oder ähnlichen stofflichen Eigenschaften - zu einem einheitlichen Ausdehnungs- bzw. Schrumpfverhalten beider Bauteile, so dass eine dauerhaltbare Befestigung sichergestellt ist.
  • Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Turbinengehäuses bzw. des Leitschaufelapparates für einen VTG-Lader möglich.
  • Die Ausnehmungen, die eine direkte Beaufschlagung der Halteelemente durch den Abgasstrom ermöglichen, sind auf vorteilhafte Art und Weise in der Mantelfläche der Distanzelemente eingebracht.
  • Die Ausnehmungen sind dabei auf einfache Art und Weise als Bohrungen - beispielsweise vier Stück, die jeweils um 90° radial versetzt zueinander in die Mantelfläche eingebracht sind - ausgeführt.
  • Als zweite mögliche Ausführungsform sind die Ausnehmungen als Schlitze ausgebildet, die von der Stirnseite der Distanzelemente her eingebracht sind.
  • Im Träger- und Abdeckring sind Ausnehmungen vorgesehen, in die die Distanzelemente mit ihren Stirnseiten formschlüssig eingreifen. Damit entsteht eine Passung, über die Querkräfte aufgenommen werden, so dass die Halteelemente an dieser Stelle im wesentlichen querkraftfrei sind.
  • Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im nachfolgenden näher beschrieben.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Querschnitt durch ein Turbinengehäuse eines Abgasturboladers,
    Fig. 2
    einen vergrößerten Ausschnitt X gemäß Fig. 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
    Fig. 3
    einen vergrößerten Ausschnitt X gemäß Fig. 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel und
    Fig. 4
    eine Stirnansicht eines Distanzelementes gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • Im Turbinengehäuse 2 eines so genannten VTG-Abgasturboladers ist ein Leitschaufelapparates 4 angeordnet. Der Leitschaufelapparat 4 besteht aus einem Trägerring 6, an dem zur Regelung des Ladedrucks verstellbare Leitschaufeln 8 befestigt sind. Die Leitschaufeln 8 werden auf ihrer dem Abgasaustritt 10 zugeordneten Stirnseite durch einen Abdeckring 12 begrenzt. Mit Hilfe von Distanzelementen, die im vorliegenden Fall als Distanzhülsen 14 ausgebildet und radial auf dem Umfang von Träger- und Abdeckring 6, 12 verteilt sind, wird der axiale Leitschaufelspalt definiert. Die Distanzhülsen 14 sind mit Hilfe von Befestigungselementen, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Befestigungsschrauben 16 ausgebildet sind, gehalten. Als Befestigungselemente für die Distanzhülsen 14 wären alternativ auch Bolzen, Stifte o.ä denkbar.
  • In Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Distanzhülse 14 dargestellt, bei der vier um 90° radial versetzt zueinander angeordnete Ausnehmungen in Form von Bohrungen 20a bis 20d (in der Schnittdarstellung gemäß Fig. 2 sind jeweils nur zwei Bohrungen erkennbar) vorgesehen sind. Die vier Bohrungen 20a bis 20d stehen dabei mit der Durchgangsöffnung 18 der Distanzhülse 14 in Verbindung, so dass im Betrieb des Abgasturboladers der Abgasstrom über die Bohrungen 20a bis 20d direkt zu den Befestigungsschrauben 16 gelangt. Selbstverständlich sind andere Ausführungsformen von Ausnehmungen - die in ihrer Form und Anzahl entsprechend dem konkreten Ausführungsbeispiel angepasst sind - möglich.
  • So ist in Fig. 3 eine zweite mögliche Ausführungsform einer Distanzhülse 14' dargestellt, bei der die Ausnehmungen als zwei kreuzförmig zueinander angeordnete Schlitze 22a bis 22d ausgeführt sind. Diese Schlitze 22a bis 22d werden jeweils an der linken und rechten Stirnseite der Distanzhülse 14' - beispielsweise mit einem Fräswerkzeug - eingebracht. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, weisen die kreisbogenförmig ausgebildeten Schlitze 22 eine Tiefe auf, die analog zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 eine direkte Beaufschlagung der Befestigungsschrauben 16 mit dem Abgasstrom ermöglichen. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser der Durchgangsöffnung 18 der Distanzhülse 14' größer gewählt als der Außendurchmesser der Befestigungsschrauben 16, so dass der Abgasstrom über die Schlitze 22a bis 22d an der Befestigungsschraube 16 entlang strömen kann.
  • Sowohl im ersten als auch im zweiten dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Distanzhülsen 14, 14' stirnseitig in kreisförmige Ausnehmungen 24 des Träger- und Abdeckringes 6, 12 aufgenommen. Die Ausnehmungen 24 sind so dimensioniert, dass die Distanzhülsen 14 formschlüssig darin gehalten sind. Durch diese spielfreie Passung können Querkräfte aufgenommen werden, so dass die Schraubverbindung selbst querkraftfrei bleibt. Die kreisförmigen Ausnehmungen 24 sind beispielsweise in einem Senkerodier-Verfahren in Träger- und Abdeckring 6, 12 einbringbar. Dazu ist ein Werkzeug mit beispielsweise drei Zapfen vorgesehen, mittels derer der Senkprozess in einem Arbeitsgang durchgeführt werden kann. Alternativ lassen sich die kreisförmigen Ausnehmungen 24 auch mittels eines Gießprozesses, z.B. im MIM (Metal Injection Moulding)-Verfahren oder im Feingussverfahren, herstellen.
  • Bei der Herstellung bzw. der Montage des Abgasturboladers werden die Distanzhülsen 14, 14' ggf. mit Hilfe entsprechender Positionierstifte so ausgerichtet, dass eine optimale und gleichmäßige Beaufschlagung mit dem Abgasmassenstrom sichergestellt ist.

Claims (6)

  1. Turbinengehäuse eines Abgasturboladers mit verstellbarer Turbinengeometrie, so genannter VTG-Lader, mit einem Trägerring (6), an dem zur Regelung des Ladedrucks verstellbare Leitschaufeln (8) befestigt sind, sowie mit einem Abdeckring (12) für die Leitschaufeln (8), wobei Träger- und Abdeckring (6, 12) zur Ausbildung eines Leitschaufelspaltes durch Distanzelemente (14, 14') beabstandet sind, die jeweils von einem Halteelement (16) durchgriffen sind, das im Träger- und/oder Abdeckring (6, 12) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzelemente (14, 14') jeweils Ausnehmungen (20a bis 20d, 22a bis 22h) aufweisen, die während des Betriebs des Abgasturboladers eine direkte Beaufschlagung der Halteelemente (16) mit dem Abgasstrom ermöglichen.
  2. Turbinengehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (20a bis 20d, 22a bis 22d) in der Mantelfläche der Distanzelemente (14, 14') eingebracht sind.
  3. Turbinengehäuse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen als Bohrungen (20a bis 20d) ausgeführt sind.
  4. Turbinengehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen als Schlitze (22a bis 22d) ausgebildet sind, die stirnseitig in die Distanzelemente (14, 14') eingebracht sind.
  5. Turbinengehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Träger- und Abdeckring (6, 12) Ausnehmungen (24) vorgesehen sind, in die die Distanzelemente (14, 14') mit ihrer Stirnseite formschlüssig eingreifen.
  6. Turbinengehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Durchgangsöffnung (18) der Distanzhülse (14, 14') größer gewählt ist als der Außendurchmesser der Befestigungsschraube (16).
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