WO2011147511A1 - Abgasturbolader mit einem axialen verschiebaren versperrkörper - Google Patents

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WO2011147511A1
WO2011147511A1 PCT/EP2011/002019 EP2011002019W WO2011147511A1 WO 2011147511 A1 WO2011147511 A1 WO 2011147511A1 EP 2011002019 W EP2011002019 W EP 2011002019W WO 2011147511 A1 WO2011147511 A1 WO 2011147511A1
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WO
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exhaust gas
pressure
guide section
pressure sleeve
gas turbocharger
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PCT/EP2011/002019
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English (en)
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Torsten Hirth
Siegfried Sumser
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Daimler Ag
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/141—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas turbocharger according to the preamble of
  • Patent claim 1 specified type.
  • the publication WO 2010/020322 A1 discloses an exhaust-gas turbocharger which has a flow-through air guide section, a flow-through section
  • Exhaust gas guide portion and a bearing portion, and a rotatably mounted in the bearing portion running gear has.
  • the running gear is configured with a shaft and a turbine wheel connected non-rotatably to the shaft.
  • Exhaust duct section this downstream of an inlet channel at least a partial spiral channel, which is arranged downstream of a nozzle channel.
  • a wheel chamber is formed in the exhaust gas guide portion, so that the turbine wheel of the rotor tool is rotatably receivable therein.
  • an outlet channel is formed in the exhaust gas guide section, via which the flow medium, which flows through the exhaust gas guide section during operation of the exhaust gas turbocharger,
  • the partial spiral channel is the wheel chamber only partially formed.
  • the partial enclosure is realized by means of an adjusting ring, which in
  • Exhaust guide portion is movably mounted.
  • the adjusting ring has at least one impenetrable, projecting into the nozzle channel locking body.
  • the VersperrAvem has a turbine wheel arranged facing
  • Tongue end face on In particular, at high exhaust gas pressures in the partial spiral channel leakage in the region of the tongue end face can lead to a reduction in efficiency of the exhaust gas turbocharger, as to prevent jamming of the adjusting ring during operation, a clearance or gap must be provided for the adjusting ring in the axial direction, over which the flow medium uncontrolled from the Generalspiralkanal can flow into the wheel chamber.
  • the object of the present invention is to provide an exhaust gas turbocharger whose leakage is reduced taking into account assembly and manufacturing costs.
  • slidable pressure sleeve formed, which has a contact surface, wherein the contact surface is remote from the tongue end face and between the pressure sleeve and the adjusting ring, a contact can be produced, wherein one on the
  • Tongue face acting second gas pressure For if a higher static first gas pressure is formed on the contact surface than on the end face of the tongue, the pressure sleeve will always be pressed in the direction of the front end of the tongue, whereby a gap formed between the end face of the tongue and that of the end face of the tongue is at least reduced or even completely eliminated so that leakage is at least reduced.
  • the turbine according to the invention makes it possible to improve it in terms of its level of efficiency so as to represent a desired Aufstau .
  • high EGR rates can be realized.
  • a particularly large amount of exhaust gas from an exhaust gas side of the internal combustion engine can be returned to an air side derselbigen and supplied to a sucked by the internal combustion engine air, whereby the emissions, in particular nitrogen oxide and
  • At least the pressure sleeve is mounted in a receiving space of the exhaust gas guide section, so that taking into account a cost-lowering an axial
  • a pressure chamber can be formed, so that a targeted and effective pressure training is feasible. This ensures that the gas pressure at the contact surface can specifically assume a higher value than the gas pressure at the end face of the tongue.
  • Outer wall of the pressure sleeve and a wall of the exhaust gas guide portion facing the outer wall formed a through-flow gap, so that can be done in a simple and easy to manufacture a filling of the pressure chamber with the flow medium.
  • the manufacturing technology standard gap between two components can be used meaningfully, even a sometimes necessary Sealing of the flow-through gap is eliminated.
  • the receiving space for receiving the axially displaceable pressure sleeve is formed in the exhaust passage portion in the region of the outlet channel.
  • the adjusting ring on the pressure sleeve so that a direct influence of a voltage applied to the contact surface
  • Gas pressure on the tongue end face of the adjusting ring positioned on the locking body can be achieved.
  • the pressure sleeve is formed at the end facing away from the Versperrenia the adjusting ring.
  • the adjusting ring is integrally formed with the pressure sleeve, which in addition to reduced manufacturing costs a simpler installation and a reduction of friction losses, which occur between the passing walls of the adjusting ring and the pressure sleeve in appearance, are feasible.
  • the receiving space for receiving the axially displaceable pressure sleeve in the region of the tongue end surface, the Versperrenia opposite is formed in the exhaust gas guide portion.
  • Pressure sleeve are pressed in the direction of the tongue end face and thus on the tongue end face with the help of the applied static first pressure, so that a nearly impenetrable contact between the tongue end face and the pressure sleeve can be realized. Since only the pressure sleeve in this embodiment is to be moved by means of the applied static first gas pressure for producing an impenetrable contact between the tongue end face and the pressure sleeve, the advantage is to be seen in a necessary lower static first gas pressure. In contrast to the previous embodiments in which in addition to the pressure sleeve of the adjusting is to move with the Versperrêt is in this
  • a flow-through connecting channel is formed in the exhaust gas guide section, connecting the partial spiral channel directly or indirectly to the pressure chamber. This ensures that at least one acting in the partial spiral channel static gas pressure in the pressure chamber and thus acts on the contact surface.
  • Partial spiral channel at least one through opening, so that a
  • FIG. 2 shows a detailed view of an adjusting body of the exhaust gas turbocharger according to FIG. FIG.
  • FIG. 4 shows a detailed view of a section of the exhaust gas guide section of the exhaust gas turbocharger according to the invention in a second variant
  • 5 shows a detailed view of a section of the exhaust gas guide section of the exhaust gas turbocharger according to the invention in a third variant
  • 6 is a detail view of a detail of the exhaust gas guide portion of the exhaust gas turbocharger according to the invention in a fourth variant
  • FIG. 7 is a detail view of a detail of the exhaust gas guide portion of the exhaust gas turbocharger according to the invention in a fifth variant
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of a section of an exhaust gas turbocharger 1, this detail showing an exhaust gas guide section 2 of the exhaust gas turbocharger 1, a bearing section 3 shown in partial detail and a partially illustrated running tool 4 with a shaft 5 rotatably mounted in the bearing section 3 and a shaft
  • Turbine wheel 6 comprises, according to the prior art.
  • a first partial spiral channel 11 and a second partial spiral channel 12 is formed in the exhaust gas guide section 2.
  • a nozzle channel 8 is configured in the wheel chamber 9, so that a flow medium, at a
  • Combustion engine usually exhaust, from the inlet channel on the sub-spiral channels 11, 12 and the nozzle channel 8, the turbine wheel 6 can flow, whereupon the
  • Turbine 6 is offset due to the flow in a rotational movement. With the aid of an outlet channel 10 configured downstream of the wheel chamber 9, a complete flow through the exhaust gas guide section 2 can be achieved, wherein the
  • Flow medium is present in the outlet channel 10 in an expanded state.
  • the exhaust gas guide portion 2 is in the form of a
  • Multi-segment turbine formed, this multi-segment turbine, the first
  • Partial spiral channel 1 and the second partial spiral channel 12 has.
  • the multi-segment turbine could also have more than two sub-spiral channels.
  • the exhaust gas guide section 2 in addition to the sub-spiral channels and one or more Full spiral channels, that is spiral channels, which are the turbine wheel 6 completely formed over about 360 °, have.
  • Flow medium in a passage from the first part of the spiral channel 11 and / or from the second part of the spiral channel 12 to the turbine 6 is in the nozzle channel 8 a
  • Versperr moments 4 of an adjusting ring 13 is provided.
  • the sleeve-shaped adjusting ring 13 is movably mounted in a receiving space 26 of the exhaust gas guide section 2.
  • At its turbine wheel 6 facing the end positioned is the
  • Versperrites 14 arranged.
  • the number of Versperrites 14 corresponds to the number of Operaspiralkanäle.
  • the exhaust gas guide section 2 has two partial spiral channels 11, 12, thus the adjusting ring 13 formed in this embodiment has two locking bodies 14.
  • Versperranalysis 14 has at its, in the direction of the bearing portion 3 facing the end of a tongue end surface 16.
  • Versperr moments 14 acts as a so-called tongue end of the corresponding Partspiralkanals 11, 12. That is, with the help of the Versperr stressess 14 can be a flow inlet surface on the turbine 6 change in size. Likewise, an angle of attack, which is formed by means of the tongue end or the locking body 14, changeable. In contrast to the conditioning of the flow over the circumference of the turbine wheel 6 by means of a guide grid, which is either axially displaceable over the entire circumference of the
  • Turbine wheel 6 is designed acting, or with the help of provided in the nozzle channel 8 vanes, which are variable in terms of their radial positioning, is using the Versperr stressess 14 a flow or a stall on
  • Tongue end changeable or conditionable.
  • FIG. 2 a detailed view of the adjusting ring 13 in the region of
  • Verperr stresses 14 it can be seen, however, there is a risk of leakage in the region of the tongue end face 16 of the locking body 14, indicated by a
  • FIG. 3 an exhaust gas guide portion 2 of an exhaust gas turbocharger 1 according to the invention is shown.
  • the adjusting ring 13 At its other end, which faces away from the tongue end face 16 is formed, the adjusting ring 13 has an axially displaceable pressure sleeve 23, with which it is integrally formed.
  • the pressure sleeve 23 has, next to one
  • a contact between the pressure sleeve 23 and the adjusting ring 3 can be produced at the end facing away from the tongue end surface 16, wherein a contact surface of the pressure sleeve 23 facing away from the contact surface 21 trained , the end of the adjusting ring 13 is oppositely positioned surface.
  • the pressure sleeve 23 is movably received in the exhaust gas guide section 2.
  • the exhaust gas guide section 2 has a to
  • a pressure chamber 28 is formed between the contact surface 21 of the pressure sleeve 23 and a contact surface 21 opposite wall 27 of the receiving space 26, a pressure chamber 28 is formed.
  • a flow-through gap 20 is formed between the outer wall 18 and a wall 19 of the exhaust gas guide section 2 facing the outer wall 18, such that a static first gas pressure PANl can form on the contact surface 21, which is greater than a static one second gas pressure pZung on the tongue end surface 16.
  • a higher gas pressure pAnl acts as at the
  • Tongue face 16 ideally corresponds to an outer outer diameter of the outer wall 18 an outer diameter of the adjusting ring thirteenth
  • the first part spiral channel 11 has a throughflowable connecting channel 22, which is formed connecting the first part spiral channel 11 indirectly with the pressure chamber 28.
  • a sufficiently high static first gas pressure pAnl always acts in the pressure chamber 28.
  • the formation of a connecting channel 22 can be carried out in addition to a corresponding gap 20, but can also be configured independently of the formation of the gap 20 as the sole means for realizing a corresponding necessary gas pressure pAnl on the contact surface 21 in the exhaust duct section 2.
  • Fig. 4 is the receiving space 26 'for receiving the axially displaceable pressure sleeve 23 in
  • a third variant is shown, wherein the pressure chamber 28 'with the aid of the through-flow connection channel 22, which in this embodiment, the sub-coil 12 and the pressure chamber 28' is configured directly connecting, can be filled.
  • the adjusting ring 13 in the region of the partial spiral 12 at least one sealing element 29.
  • FIG. 1 A fourth variant of the exhaust gas turbocharger 1 according to the invention is shown in FIG.
  • the pressure sleeve 23 in a region between the pressure chamber 28 'and the partial spiral channel 12 at least one through opening 30.
  • the pressure sleeve 23 ' is formed integrally with the adjusting ring 13, in which case, in contrast to the above-mentioned embodiment, the pressure sleeve 23 on the locking body 14th is arranged.
  • the one-piece construction does not necessarily have to be realized by a casting process, for example a precision casting process, but can also be realized by the pressure sleeve 23 'being made by means of various joining methods, for example screwing, welding, friction welding, etc.
  • a further embodiment of the exhaust gas turbocharger 1 according to the invention is shown, with an alternative placement of the adjusting device 31 for adjusting the adjusting ring 3 shown schematically, with the aid of a displacement of the position position of the adjusting device 31 indicating arrow.
  • Receiving chamber 15 is not placed here in the region of the outlet channel 10 but in the region of the bearing section 3 in the exhaust gas guide section 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, aufweisend einen durchströmbaren Luftführungsabschnitt, einen durchströmbaren Abgasführungsabschnitt (2) und einen Lagerabschnitt (3), sowie ein drehbar im Lagerabschnitt (3) gelagertes Laufzeug (4) mit einem an einer Welle (5) des Laufzeugs (4) drehfest befestigten Turbinenrad (6), wobei der Abgasführungsabschnitt (2) mindestens einen Teilspiralkanal (11, 12), ein stromab des Teilspiralkanals (11, 12) positionierter Düsenkanal (8) sowie eine stromab des Düsenkanals (8) angeordnete Radkammer (9) zur Aufnahme des Turbinenrades (6) aufweist, wobei im Abgasführungsabschnitt (2) ein Verstellring (13) bewegbar angeordnet ist, und der Verstellring (13) mindestens einen undurchströmbaren, in den Düsenkanal (8) hineinragenden Versperrkörper (14) mit einer dem Turbinenrad (6) zugewandt angeordneten Zungenstirnfläche (16) aufweist. Erfindungsgemäß ist im Abgasführungsabschnitt eine axial verschiebbare Druckhülse (23) ausgebildet, welche eine Anlagefläche (21, 21') aufweist, wobei die Anlagefläche (21, 21') von der Zungenstirnfläche (16) abgewandt ausgebildet ist und zwischen der Druckhülse (23) und dem Verstellring (13) ein Kontakt herstellbar ist, wobei ein auf die Anlagefläche (21, 21') wirkender statischer erster Gasdruck (pAnl) größer ist als ein auf die Zungenstirnfläche (16) wirkender zweiter Gasdruck (pZung). Die Erfindung wird überwiegend im Kraftfahrzeugbau eingesetzt.

Description

ABGASTURBOLADER MIT EINEM AXIALEN VERSCHIEBAREN VERSPERRKÖRPER
Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader gemäß der im Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Aus der Offenlegungsschrift WO 2010/020322 A1 geht ein Abgasturbolader hervor, der einen durchströmbaren Luftführungsabschnitt, einen durchströmbaren
Abgasführungsabschnitt und einen Lagerabschnitt, sowie ein drehbar im Lagerabschnitt gelagertes Laufzeug aufweist. Das Laufzeug ist mit einer Welle und einem drehfest mit der Welle verbundenen Turbinenrad ausgestaltet. Zur Durchströmung des
Abgasführungsabschnitts weist dieser stromab eines Eintrittskanals mindestens einen Teilspiralkanal auf, welchem ein Düsenkanal nachgeordnet ist. Stromab des Düsenkanals ist eine Radkammer im Abgasführungsabschnitt ausgebildet, sodaß das Turbinenrad des Laufzeugs darin drehbar aufnehmbar ist. Stromab der Radkammer ist ein Austrittskanal im Abgasführungsabschnitt ausgebildet, über welchen das Strömungsmedium, welches im Betrieb des Abgasturboladers durch den Abgasführungsabschnitt strömt,
üblicherweise Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, expandiert den
Abgasführungsabschnitt verlassen kann.
Der Teilspiralkanal ist die Radkammer nur teilweise umfassend ausgebildet. Die teilweise Umfassung wird mit Hilfe eines Verstellringes realisiert, welcher im
Abgasführungsabschnitt bewegbar gelagert ist. Der Verstellring weist mindestens einen undurchströmbaren, in den Düsenkanal hineinragend ausgebildeten Versperrkörper auf. Der Versperrkörper weist eine dem Turbinenrad zugewandt angeordnete
Zungenstirnfläche auf. Insbesondere bei hohen Abgasdrücken im Teilspiralkanal kann eine Leckage im Bereich der Zungenstirnfläche zu einer Wirkungsgradreduzierung des Abgasturboladers führen, da, um ein Klemmen des Verstellringes im Betrieb zu verhindern, für den Verstellring in axialer Richtung ein Spiel bzw. ein Spalt vorgesehen werden muß, über welchen das Strömungsmedium unkontrolliert aus dem Teilspiralkanal in die Radkammer strömen kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Abgasturbolader bereit zu stellen, dessen Leckage unter Berücksichtigung von Montage- und Herstellungskostengründen reduziert ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Zur Realisierung eines eine verminderte Leckage im Bereich der Zungenstirnfläche ist im Abgasführungsabschnitt des erfindungsgemäßen Abgasturboladers eine axial
verschiebbare Druckhülse ausgebildet, welche eine Anlagefläche aufweist, wobei die Anlagefläche von der Zungenstirnfläche abgewandt ausgebildet ist und zwischen der Druckhülse und dem Verstellring ein Kontakt herstellbar ist, wobei ein auf die
Anlagefläche wirkender statischer erster Gasdruck größer ist als ein auf die
Zungenstirnfläche wirkender zweiter Gasdruck. Denn sofern ein höherer statischer erster Gasdruck an der Anlagefläche ausgebildet ist, als an der Zungenstirnfläche, wird die Druckhülse immer in Richtung auf die Zungenstirnfläche gedrückt werden, wodurch ein zwischen der Zungenstirnfläche und der der Zungenstirnfläche gegenüberliegend ausgebildeten Wandung ausgebildeter Spalt mindestens reduziert oder sogar vollständig aufgehoben wird, so dass eine Leckage mindestens reduziert wird.
Durch die fortwährende Verschärfung von Emissionsgrenzwerten, insbesondere der Stickoxid- und Rußemissionen, ergibt sich einerseits eine massive Beeinflussung von Abgasturboladern zum Aufladen einer Verbrennungskraftmaschine. Daraus resultieren hohe Anforderungen hinsichtlich einer Ladedruckbereitstellung des Abgasturboladers aufgrund hoher, zu realisierender AGR-Raten (AGR - Abgasrückführung) in mittleren Lastbereichen bis hin zu Volllastbereichen der Verbrennungskraftmaschine. Eine Leckage bedeutet grundsätzlich einen Wirkungsgradverlust, da die aufgrund der Leckage auf das Turbinenrad unkontrolliert strömende Abgasmenge der gezielten Anströmung des Turbinenrades hinsichtlich der geforderten Turbinenleistung entgegenwirkt. Dies erfordert die Darstellung einer bezüglich ihres Wirkungsgrades verbesserten Turbine für einen solchen Abgasturbolader, wobei die geforderten hohen Turbinenleistungen durch eine Steigerung des Wirkungsgrades aufgrund der Reduzierung der Leckage im
Zusammenwirken mit der Verbrennungskraftmaschine realisiert wird. Ferner wird gegebenenfalls ein Eintrittsdruckniveau der Turbine erhöht durch den
Gegendruck einer Abgasreinigungseinrichtung, insbesondere eines Rußfilters, welche in Strömungsrichtung des Abgases stromab der Turbine angeordnet ist, was eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades der Turbine erfordert.
Die erfindungsgemäße Turbine ermöglicht es, sie hinsichtlich ihres Wirkungsgradniveaus derart zu verbessern, um damit ein gewünschtes Aufstauverhalten darzustellen. Somit sind hohe AGR-Raten realisierbar. Mit anderen Worten kann eine besonders große Menge an Abgas von einer Abgasseite der Verbrennungskraftmaschine auf eine Luftseite derselbigen rückgeführt und einer von der Verbrennungskraftmaschine angesaugten Luft zugeführt werden, wodurch sich die Emissionen, insbesondere Stickoxid- und
Rußemissionen, der Verbrennungskraftmaschine absenken lassen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist mindestens die Druckhülse in einem Aufnahmeraum des Abgasführungsabschnitts gelagert, so dass unter Berücksichtigung einer Kostenniedrighaltung eine axiale
Verschiebbarkeit der Druckhülse gewährleistet ist, da kein weiteres Gehäuseteil herzustellen ist, sondern der Abgasführungsabschnitt, welcher im Allgemeinen
gußtechnisch hergestellt werden kann durch geringe konstruktive Änderungen nutzbar gemacht werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist zwischen der Anlagefläche der Druckhülse und einer zur Anlagefläche
korrespondierenden Wandung des Aufnahmeraumes eine Druckkammer ausbildbar ist, so dass eine gezielte und effektive Druckausbildung erwirkbar ist. Somit ist sichergestellt, dass der Gasdruck an der Anlagefläche gezielt einen höheren Wert annehmen kann als der Gasdruck an Zungenstirnfläche.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist zur gesicherten Ausbildung des statischen ersten Gasdruckes zwischen einer
Außenwandung der Druckhülse und einer der Außenwandung zugewandt positionierten Wandung des Abgasführungsabschnitts ein durchströmbarer Spalt ausgebildet, so dass auf einfache und herstellungsfreundliche Weise eine Befüllung der Druckkammer mit dem Strömungsmedium erfolgen kann. Somit kann der herstellungstechnisch übliche Spalt zwischen zwei Bauteilen sinnvoll genutzt werden, wobei sogar eine mitunter notwendige Abdichtung des durchströmbaren Spaltes entfällt.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist im Abgasführungsabschnitt der Aufnahmeraum zur Aufnahme der axial verschiebbaren Druckhülse im Bereich des Austrittskanals ausgebildet. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass ein sowieso vorhandener Raum, nämlich eine Aufnahmekammer zur Aufnahme eines Verstellapparates zur Verstellung des Verstellringes zusätzlich nutzbar gemacht werden kann und weitere unter Umständen aufwendige Bearbeitungen des
Abgasführungsabschnittes entfallen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Verstellring die Druckhülse auf, so dass ein direkter Einfluß einer aufgrund des an der Anlagefläche anliegenden
Gasdruckes auf die Zungenstirnfläche des am Verstellring positionierten Versperrkörpers erzielbar ist. Idealerweise ist dabei die Druckhülse an dem von dem Versperrkörper abgewandten Ende des Verstellringes ausgebildet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Verstellring mit der Druckhülse einteilig ausgebildet, wodurch neben reduzierten Herstellungskosten eine einfacherer Montage sowie eine Reduzierung von Reibverlusten, welche zwischen den in Kontakt tretenden Wandungen des Verstellringes und der Druckhülse in Erscheinung treten, realisierbar sind.
In einer alternativen Ausgestaltung ist im Abgasführungsabschnitt der Aufnahmeraum zur Aufnahme der axial verschiebbaren Druckhülse im Bereich der Zungenstirnfläche, dem Versperrkörper gegenüberliegend ausgebildet. In dieser Ausgestaltung kann die
Druckhülse in Richtung der Zungenstirnfläche und somit auf die Zungenstirnfläche mit Hilfe des anliegenden statischen ersten Druckes gedrückt werden, so dass ein nahezu undurchströmbarer Kontakt zwischen der Zungenstirnfläche und der Drückhülse realisierbar ist. Da ausschließlich die Druckhülse in dieser Ausgestaltung mit Hilfe des anliegenden statischen ersten Gasdruckes zur Herstellung eines undurchströmbaren Kontaktes zwischen der Zungenstirnfläche und der Druckhülse zu bewegen ist, ist der Vorteil in einem notwendigen niedrigeren statischen ersten Gasdruck zu sehen. Im Gegensatz zu den vorangegangenen Ausgestaltungsformen bei denen zusätzlich zur Druckhülse der Verstellring mit dem Versperrkörper zu bewegen ist, ist in dieser
Ausgestaltung das insgesamt vom statischen ersten Gasdruck zu bewegende Bauteil von geringerem Gewicht, so dass ein niedrigerer statischer erster Gasdruck zur Herstellung des Kontaktes ausreichend ist.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist ein durchströmbarer Verbindungskanal im Abgasführungsabschnitt, den Teilspiralkanal mittelbar oder unmittelbar mit der Druckkammer verbindend, ausgebildet. Somit ist sichergestellt, dass mindestens ein im Teilspiralkanal wirkende statischer Gasdruck in der Druckkammer und somit auf die Anlagefläche wirkt.
In einer weiteren, alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers weist die Druckhülse in einem Bereich zwischen der Druckkammer und dem
Teilspiralkanal mindestens eine durchgehende Öffnung auf, so dass sich ein
entsprechender statischer erster Gasdruck in der Druckkammer einstellen kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibungen mehrerer Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen
Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
Fig. 1 In einem Längsschnitt einen Ausschnitt eines
Abgasturboladers gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 in einer Detailansicht einen Verstellkörper des Abgasturboladers gem. Fig.
1.
Fig. 3 in einem Längsschnitt einen Abgasführungsabschnitt eines
erfindungsgemäßen Abgasturboladers,
Fig. 4 in einer Detailansicht einen Ausschnitt aus dem Abgasführungsabschnitt des erfindungsgemäßen Abgasturboladers in einer zweiten Variante,
Fig. 5 in einer Detailansicht einen Ausschnitt aus dem Abgasführungsabschnitt des erfindungsgemäßen Abgasturboladers in einer dritten Variante, Fig. 6 in einer Detailansicht einen Ausschnitt aus dem Abgasführungsabschnitt des erfindungsgemäßen Abgasturboladers in einer vierten Variante,
Fig. 7 in einer Detailansicht einen Ausschnitt aus dem Abgasführungsabschnitt des erfindungsgemäßen Abgasturboladers in einer fünften Variante und
Fig. 8 in einem Längsschnitt der Abgasführungsabschnitt des
erfindungsgemäßen Abgasturboladers gem. Fig. 3 mit einer alternativen Platzierung einer Verstellvorrichtung.
Die Fig. 1 zeigt in einem Längsschnitt einen Ausschnitt eines Abgasturboladers 1 , wobei dieser Ausschnitt einen Abgasführungsabschnitt 2 des Abgasturboladers 1 , einen ausschnittsweise dargestellten Lagerabschnitt 3 sowie ein ausschnittsweise dargestelltes Laufzeug 4 mit einer im Lagerabschnitt 3 drehbar gelagerten Welle 5 und einem
Turbinenrad 6 umfasst, gemäß dem Stand der Technik.
Stromab eines nicht näher dargestellten Eintrittskanals des Abgasführungsabschnitts 2 ist ein erster Teilspiralkanal 11 und ein zweiter Teilspiralkanal 12 im Abgasführungsabschnitt 2 ausgebildet. Zwischen einer stromab des ersten Teilspiralkanals 1 1 und des zweiten Teilspiralkanals 12 im Abgasführungsabschnitt 2 ausgebildeten Radkammer 9 ist ein Düsenkanal 8 ausgestaltet. In der Radkammer 9 ist im Abgasführungsabschnitt 2 das Turbinenrad 6 drehbar aufgenommen, so dass ein Strömungsmedium, bei einem
Verbrennungsmotor in der Regel Abgas, vom Eintrittskanal über die Teilspiralkanäle 11 , 12 und dem Düsenkanal 8 das Turbinenrad 6 anströmen kann, woraufhin das
Turbinenrad 6 aufgrund der Anströmung in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Mit Hilfe eines stromab der Radkammer 9 ausgestalteten Austrittskanals 10 ist eine vollständige Durchströmung des Abgasführungsabschnitts 2 erzielbar, wobei das
Strömungsmedium im Austrittskanal 10 in einem expandierten Zustand vorliegt.
Gemäß der Darstellung in Fig. 1 ist der Abgasführungsabschnitt 2 in Form einer
Mehrsegmentturbine ausgebildet, wobei diese Mehrsegmentturbine den ersten
Teilspiralkanal 1 und den zweiten Teilspiralkanal 12 aufweist. Die Mehrsegmentturbine könnte allerdings auch mehr als zwei Teilspiralkanäle aufweisen. Ebenso könnte der Abgasführungsabschnitt 2 neben den Teilspiralkanälen auch eine oder mehrere Vollspiralkanäle, das heißt Spiralkanäle, welche das Turbinenrad 6 vollständig über ca. 360° umfassend ausgebildet sind, aufweisen.
Zur Erzielung eines veränderbaren thermodynamischen Zustandes des
Strömungsmediums bei einem Übertritt von dem ersten Teilspiralkanal 11 und/oder von dem zweiten Teilspiralkanal 12 zum Turbinenrad 6 ist im Düsenkanal 8 ein
Versperrkörper 4 eines Verstellringes 13 vorgesehen. Der hülsenförmig ausgestaltete Verstellring 13 ist in einem Aufnahmeraum 26 des Abgasführungsabschnitts 2 bewegbar gelagert. An seinem dem Turbinenrad 6 zugewandt positionierten Ende ist der
Versperrkörper 14 angeordnet. Die Anzahl der Versperrkörper 14 entspricht der Anzahl der Teilspiralkanäle. In der hier dargestellten beispielhaften Ausführungsform weist der Abgasführungsabschnitt 2 zwei Teilspiralkanäle 11 , 12 auf, somit weist der in dieser Ausführungsform ausgebildete Verstellring 13 zwei Versperrkörper 14 auf. Der
Versperrkörper 14 weist an seinem, in Richtung des Lagerabschnitts 3 zugewandt positionierten Ende eine Zungenstirnfläche 16 auf.
Der Sinn und Zweck des Versperrkörpers 14 ist darin zu sehen, dass er als sogenanntes Zungenende des entsprechenden Teilspiralkanals 11 , 12 wirkt. Das heißt, mit Hilfe des Versperrkörpers 14 lässt sich eine Strömungseintrittsfläche auf das Turbinenrad 6 bezüglich einer Größe verändern. Ebenso ist ein Anströmwinkel, welcher mit Hilfe des Zungenendes bzw. des Versperrkörpers 14 ausgebildet ist, veränderbar. Im Gegensatz zur Konditionierung der Strömung über den Umfang des Turbinenrades 6 mit Hilfe eines Leitgitters, welches entweder axial verschiebbar über den gesamten Umfang des
Turbinenrades 6 wirkend ausgestaltet ist, oder mit Hilfe im Düsenkanal 8 vorgesehener Leitschaufeln, welche hinsichtlich ihrer radialen Positionierung veränderbar sind, ist mit Hilfe des Versperrkörpers 14 ein Strömungsverlauf bzw. ein Strömungsabriß am
Zungenende veränderbar bzw. konditionierbar.
Wie aus der Fig. 2, einer Detailansicht des Verstellringes 13 im Bereich des
Versperrkörpers 14, erkennbar ist, besteht allerdings im Bereich der Zungenstirnfläche 16 des Versperrkörpers 14 die Gefahr einer Leckage, angedeutet durch einen
Strömungspfeil.
In Fig. 3 ist ein Abgasführungsabschnitt 2 eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 dargestellt. An seinem anderen Ende, welches von der Zungenstirnfläche 16 abgewandt ausgebildet ist, weist der Verstellring 13 eine axial verschiebbare Druckhülse 23 auf, mit welcher er einstückig ausgebildet ist. Die Druckhülse 23 weist, neben einer
mantelförmigen Außenwandung 18, eine Anlagefläche 21 auf, wobei die Anlagefläche 21 von der Zungenstimfläche 16 abgewandt ausgebildet ist.
Sofern die Druckhülse 23 und der Verstellring 13 als zwei getrennte Bauteile ausgebildet sind, ist an dem von der Zungenstirnfläche 16 abgewandt ausgebildeten Ende ein Kontakt zwischen der Druckhülse 23 und dem Verstellring 3 herstellbar, wobei eine Kontaktfläche der Druckhülse 23 eine von der Anlagefläche 21 abgewandt ausgebildete, dem Ende des Verstellringes 13 gegenüberliegend positionierte Fläche ist.
Die Druckhülse 23 ist beweglich im Abgasführungsabschnitt 2 aufgenommen. Zur Aufnahme der Druckhülse 23 weist der Abgasführungsabschnitt 2 einen zur
Außenwandung 18 der Druckhülse 23 korrespondierenden Aufnahmeraum 26 auf.
Zwischen der Anlagefläche 21 der Druckhülse 23 und einer der Anlagefläche 21 gegenüberliegenden Wandung 27 des Aufnahmeraumes 26 ist eine Druckkammer 28 ausgebildet.
Zur Befüllung der Druckkammer 28 ist zwischen der Außenwandung 18 und einer der Außenwandung 18 zugewandt positionierten Wandung 19 des Abgasführungsabschnitts 2 ein durchströmbarer Spalt 20 ausgebildet, derart, dass sich ein statischer erster Gasdruck pAnl an der Anlagefläche 21 ausbilden kann, welcher größer ist als ein statischer zweiter Gasdruck pZung an der Zungenstirnfläche 16. Um Sicherzustellen, dass an der Anlagefläche 21 immer ein höherer Gasdruck pAnl wirkt als an der
Zungenstirnfläche 16 entspricht idealerweise ein äußerer Außendurchmesser der Außenwandung 18 einem Außendurchmesser des Verstellringes 13.
Optional, gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 , weist der erste Teilspiralkanal 11 einen durchströmbaren Verbindungskanal 22 auf, welcher den ersten Teilspiralkanal 11 mittelbar mit der Druckkammer 28 verbindend ausgebildet ist. Die mittelbare Verbindung der Druckkammer 28 erfolgt über eine im Abgasführungsabschnitt 2 ausgestaltete Aufnahmekammer 15 zur Aufnahme eines Verstellapparates 31 zur Verstellung des Verstell körpers 13 und den mit der
Aufnahmekammer 15 durchströmbar verbundenen Aufnahmeraum 26. Somit ist sichergestellt, dass in der Druckkammer 28 immer ein ausreichend hoher statischer erster Gasdruck pAnl wirkt. Die Ausbildung eines Verbindungskanal 22 kann zusätzlich zu einem entsprechenden Spalt 20 erfolgen, kann allerdings auch unabhängig von der Ausbildung des Spaltes 20 als alleiniges Mittel zur Realisierung eines entsprechenden notwendigen Gasdruckes pAnl an der Anlagefläche 21 im Abgasführungsabschnitt 2 ausgestaltet sein.
In einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 gem. Fig. 4 ist der Aufnahmeraum 26' zur Aufnahme der axial verschiebbaren Druckhülse 23 im
Abgasführungsabschnitt 2 im Bereich der Zungenstirnfläche 16, dem Versperrkörper 14 gegenüberliegend ausgebildet. Zwischen der Anlagefläche 21 ' der Druckhülse 23 und einer zur Anlagefläche 21 ' korrespondierenden Wandung 27' des Aufnahmeraumes 26' ist die Druckkammer 28' ausgebildet. Zur Befüllung der Druckkammer 28' ist zwischen der Außenwandung 18' und einer der Außenwandung 18' zugewandt positionierten Wandung 19' des Abgasführungsabschnitts 2 ein durchströmbarer Spalt 20' ausgebildet, derart, dass sich ein statischer erster Gasdruck pAnl an der Anlagefläche 21' ausbilden kann, welcher größer ist als ein statischer zweiter Gasdruck pZung an der
Zungenstirnfläche 16.
In Fig. 5 ist eine dritte Variante dargestellt, wobei die Druckkammer 28' mit Hilfe des durchströmbaren Verbindungskanals 22, welcher in diesem Ausführungsbeispiel die Teilspirale 12 und die Druckkammer 28' unmittelbar verbindend ausgestaltet ist, befüllbar ist. In dieser Variante weist die Druckhülse 23 im Bereich der Teilspirale 12 ein
Dichtelement 29 auf, so dass einem Druckverlust in der Druckkammer 28' aufgrund von zwischen der Wandung 27' des Aufnahmeraumes 26' und der Außenwandung 18' der Druckhülse 23 in die Teilspirale 12 zurückströmendem Strömungsmedium entgegen gewirkt werden kann. Ebenso weist der Verstellring 13 im Bereich der Teilspirale 12 mindestens ein Dichtelement 29 auf.
Eine vierte Variante des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 ist in Fig. 6 dargestellt. Hier weist die Druckhülse 23 in einem Bereich zwischen der Druckkammer 28' und dem Teilspiralkanal 12 mindestens ein durchgehende Öffnung 30 auf.
In einer fünften Variante des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 gem. Fig. 7 ist die Druckhülse 23' einteilig mit dem Verstellring 13 ausgestaltet, wobei hier, im Gegensatz zum oben genannten Ausführungsbeispiel die Druckhülse 23 am Versperrkörper 14 angeordnet ist. Die Einteiligkeit muß nicht zwingend durch ein Gußverfahren bspw. ein Feingußverfahren realisiert werden, sondern kann auch dadurch realisiert werden, dass die Druckhülse 23' mit Hilfe diverser Fügeverfahren, bspw. Schrauben, Schweißen, Reibschweißen, etc. erfolgt.
In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 dargestellt, wobei hier eine alternative Platzierung der Versteilvorrichtung 31 zur Verstellung des Verstellringes 3 schematisch, mit Hilfe des eine Verschiebung der Lageposition der Versteilvorrichtung 31 andeutenden Pfeiles dargestellt. Die
Aufnahmekammer 15 ist hier nicht im Bereich des Austrittskanals 10 sondern im Bereich des Lagerabschnitts 3 im Abgasführungsabschnitt 2 platziert.

Claims

Patentansprüche
1. Abgasturbolader, aufweisend einen durchströmbaren Luftführungsabschnitt, einen durchströmbaren Abgasführungsabschnitt (2) und einen Lagerabschnitt (3), sowie ein drehbar im Lagerabschnitt (3) gelagertes Laufzeug (4) mit einem an einer Welle
(5) des Laufzeugs (4) drehfest befestigten Turbinenrad (6), wobei der
Abgasführungsabschnitt (2) mindestens einen Teilspiralkanal (11 , 12), ein stromab des Teilspiralkanals (11 , 12) positionierter Düsenkanal (8) sowie eine stromab des Düsenkanals (8) angeordnete Radkammer (9) zur Aufnahme des Turbinenrades (6) aufweist, wobei im Abgasführungsabschnitt (2) ein Verstellring (13) bewegbar angeordnet ist, und der Verstellring (13) mindestens einen undurchströmbaren, in den Düsenkanal (8) hineinragenden Versperrkörper (14) mit einer dem Turbinenrad
(6) zugewandt angeordneten Zungenstirnfläche (16) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Abgasführungsabschnitt (2) eine axial verschiebbare Druckhülse (23)
ausgebildet ist, welche eine Anlagefläche (21 , 21 ') aufweist, wobei die Anlagefläche (21 , 21 ') von der Zungenstirnfläche (16) abgewandt ausgebildet ist und zwischen der Druckhülse (23) und dem Verstellring (13) ein Kontakt herstellbar ist, wobei ein auf die Anlagefläche (21 , 21 ') wirkender statischer erster Gasdruck (pAnl) größer ist als ein auf die Zungenstirnfläche (16) wirkender zweiter Gasdruck (pZung).
2. Abgasturbolader nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens die Druckhülse (23) in einem Aufnahmeraum (26, 26') des
Abgasführungsabschnitts (2) gelagert ist.
3. Abgasturbolader nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Anlagefläche (21 , 21 ') der Druckhülse (23) und einer zur Anlagefläche (21 , 21 ') korrespondierenden Wandung (27, 27') des Aufnahmeraumes (26, 26') eine Druckkammer (28, 28') ausbildbar ist.
4. Abgasturbolader nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Ausbildung des statischen ersten Gasdruckes (pAnl) zwischen einer
Außenwandung ( 8, 18') der Druckhülse (23) und einer der Außenwandung ( 8, 18') zugewandt positionierten Wandung (19, 19') des Abgasführungsabschnitts (2) ein durchströmbarer Spalt (20, 20') ausgebildet ist.
5. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Abgasführungsabschnitt (2) der Aufnahmeraum (26, 26') zur Aufnahme der axial verschiebbaren Druckhülse (23) im Bereich des Austrittskanals (10) ausgebildet ist.
6. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verstellring (13) die Druckhülse (23) aufweist.
7. Abgasturbolader nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verstellring (13) mit der Druckhülse (23) einstückig ausgebildet ist.
8. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Abgasführungsabschnitt (2) der Aufnahmeraum (26, 26') zur Aufnahme der axial verschiebbaren Druckhülse (23) im Bereich der Zungenstirnfläche (16), dem
Versperrkörper (14) gegenüberliegend ausgebildet ist.
9. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein durchströmbarer Verbindungskanal (22) im Abgasführungsabschnitt (2), den Teilspiralkanal (11 , 12) mittelbar oder unmittelbar mit der Druckkammer (28, 28') verbindend ausgebildet ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 3 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Druckhülse (23) in einem Bereich zwischen der Druckkammer (28, 28') und dem Teilspiralkanal (11 , 12) mindestens eine durchgehende Öffnung (30) aufweist.
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