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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 100 61 846 A1 ist ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine bekannt. Der Abgasturbolader ist turbinenradseitig mit einem Auslasskanal versehen, der über Verbindungselemente mit dem Lagergehäuse verbunden und in dem das Turbinenrad drehbar gelagert ist. Der Auslasskanal zusammen mit den Verbindungselementen bilden eine Art Käfigstruktur aus, wobei die Verbindungselemente als feststehendes Leitgitter fungieren. Zusätzlich zu diesem feststehenden Leitgitter kann in einem Strömungspfad des Abgases auf das Turbinenrad noch eine variable Turbinengeometrie angeordnet sein. Die Käfigstruktur wird von einer doppelwandigen Schalenstruktur umgeben, die einerseits am Lagergehäuse und andererseits am Auslasskanal angebunden ist.
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Der Abgasturbolader der
US 2006/0133931 A1 ist ebenfalls mit einer Käfigstruktur ausgestattet, die zumindest teilweise das Turbinenrad strömungsbegünstigt umgibt. Die gasführende Schalenstruktur, die spiralförmige Abgasströmungskanäle ausbildet, ist an der Käfigstruktur angebunden und aus Blech ausgebildet. Durch die aus Blech ausgebildete Schalenstruktur ist eine mögliche Gewichtsreduzierung des Abgasturboladers möglich. Aufgrund einer solchen gasführenden Schalenstruktur aus Blech ist jedoch die Belastbarkeit des Turbinengehäuses im Vergleich zu einer Ausbildung des Turbinengehäuses als Gussbauteil, die wesentlich schwerer ist, deutlich verringert.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Abgasturbolader eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine höhere mechanische Belastbarkeit des Abgasturboladers auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Abgasturbolader mit einem Lagergehäuse, insbesondere aus einem Gussmaterial, und einem eine tragende Käfigstruktur und eine gasführende Schalenstruktur umfassenden Turbinengehäuse mit einer an die tragende Käfigstruktur und zu dem Lagergehäuse orientierten Schutzeinrichtung auszustatten, sodass insbesondere ein Containmentschutz (Umgebungsschutz), ein Hitzeschutz des Lagergehäuses und/oder ein Schutz der Schalenstruktur, zumindest gegen äußere Einwirkungen geschützt ist, wobei das Turbinengehäuse über die Käfigstruktur an eine Abgasanlage angebunden wird. Die Schutzeinrichtung wird dabei im Wesentlichen durch einen radial nach außen gezogenen Flansch gebildet, der die Schalenstruktur zumindest teilweise umgibt. Vorteilhaft an dieser Ausbildung ist die Aufteilung der Gasführungsfunktion und der Anbindungsfunktion des Turbinengehäuses auf unterschiedliche Komponenten des Turbinengehäuses. So übernimmt die Käfigstruktur des Turbinengehäuses, die zum einen mit dem Lagergehäuse und zum anderen mit der Abgasanlage verbunden ist, die tragende, kraftbelastete Anbindungsfunktion, während die Schalenstruktur für die Gasführungsfunktion zur Strömungsführung des Abgases auf das Turbinenrad vorgesehen ist. Dadurch kann die gasführende Schalenstruktur leichter, z. B. aus Blech, ausgebildet werden, sodass insgesamt bzgl. des Abgasturboladers eine Gewichtsreduktion möglich ist. Zudem können Materialkosten aufgrund einer Reduktion der Materialmenge eingespart werden. Damit der Abgasturbolader aber weiterhin hohen Belastungen Stand halten kann, ist an der Käfigstruktur die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung ausgebildet, die beispielsweise die leichte Schalenstruktur vor äußeren Einwirkungen, das Lagergehäuse vor einer zu hohen Temperaturbelastung oder ganz allgemein die Umgebung, schützt. Die Hitzeschutzwirkung wird hierbei insbesondere durch die mehrschalige Bauweise mit dazwischen liegender isolierender Luftschicht erreicht. Damit ist, obwohl die Schalenstruktur weniger stabil ausgebildet ist, die Belastbarkeit eines solchen Abgasturboladers deutlich verbessert. Ein Abgasturbolader ist in der Regel mit einem zwischen einem Turbinengehäuse und einem Verdichtergehäuse angeordneten Lagergehäuse ausgestattet, wobei das Lagergehäuse eine zwischen dem Verdichterrad und einem Turbinenrad angeordnete Rotorwelle rotatorisch lagert. In der Regel ist das Lagergehäuse aus einem Gussmaterial und damit stabil hergestellt, so dass das Lagergehäuse belastbar ausgebildet ist. Wird nun das Turbinengehäuse aus einer gasführenden Schalenstruktur und einer belastbaren, tragenden Käfigstruktur ausgebildet, so werden alle auf die Käfigstruktur wirkenden Belastungen ebenfalls auf das Lagergehäuse übertragen. Andererseits werden sämtliche von dem Lagergehäuse auf die an die Käfigstruktur angebundene Abgasanlage übertragenen Belastungen ebenfalls über die Käfigstruktur geleitet. Somit ist die Käfigstruktur bzgl. der auf die Abgasanlage und das Lagergehäuse einwirkenden, belastenden Kräfte auszulegen. Da nun die Käfigstruktur sämtliche tragenden Anbindungsfunktionen übernimmt, kann die Schalenstruktur deutlich leichter, z. B. aus Blech, ausgebildet sein, sodass die Schalenstruktur im Wesentlichen die Gasführungsfunktion übernimmt und nicht mit Belastungen aus der Anbindungsfunktion beaufschlagt wird. Damit eine Kraftübertragung von dem Lagergehäuse auf die Abgasanlage unterbunden wird, ist es vorteilhaft, in einer speziellen Ausführungsform die Schalenstruktur ausschließlich an der Käfigstruktur anzubinden.
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Die Käfigstruktur ist im Wesentlichen aus vier Bauteilgruppen aufgebaut. Dabei kann die Käfigstruktur bzgl. ihrer Bauteilgruppen einstückig ausgebildet sein oder mehrteilig, wobei im Falle einer mehrteiligen Ausbildung beliebige Kombinationen von Bauteilgruppen einstückig ausgebildet sein können. Die Bauteilgruppen der Käfigstruktur umfassen einen Anschlussflansch und eine Konturhülse, die über Stege verbunden sind, wobei als vierte Bauteilgruppe die Schutzeinrichtung (Hitzeschutz/Containmentschutz) an der Käfigstruktur angebunden ist. Diese kann prinzipiell durch einen erweiterten Radialflansch ausgebildet sein. Mit dem Anschlussflansch wird die Käfigstruktur an das Lagergehäuse angebunden und mit der Konturhülse an die Abgasanlage. Der Anschlussflansch ist im Wesentlichen als ein scheiben- oder ringförmiger Körper ausgebildet, dessen Innenbohrung größer, kleiner oder gleich dem Außendurchmesser des Turbinenrads sein kann. Der Außendurchmesser des Anschlussflansches ist größer als der Außendurchmesser des Turbinenrades.
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Die Konturhülse ist in einer weiteren Ausführungsform mit Befestigungseinrichtungen wie z. B. Flanschen versehen, damit die Abgasanlage komfortabel mit der Konturhülse und damit mit dem Abgasturbolader verbunden werden kann. Die zwischen dem Anschlussflansch und der Konturhülse angeordneten Stege können der Turbinenradströmung ausgesetzt sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform bilden zumindest einige der Stege eine feste Turbinenradgeometrie aus und steuern somit den Abgasströmungspfad auf das Turbinenrad. Des Weiteren können einige der Stege die belastungsgarantierende und -übertragende Funktion übernehmen, sodass zumindest einige Stege die Stabilisierung der Käfigstruktur übernehmen, während andere die Funktion einer festen Turbinenradgeometrie ausüben können. Es ist auch denkbar, dass alle der zwischen dem Anschlussflansch und der Konturhülse angeordneten Stege ausschließlich eine stabilisierende Funktion übernehmen.
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Des Weiteren ist es denkbar, dass zusätzlich zu den Stegen, die auch zumindest teilweise als feste Turbinenradgeometrie fungieren können, zwischen den Stegen und dem Turbinenrad noch eine variable Turbinengeometrie angeordnet ist. Allgemein können die Stege als Blechlaschen, Rohre oder Wellen bzw. Spacer ausgeführt sein. Durch ein so an dem Abgasturbolader ausgebildetes Turbinengehäuse ist es möglich, die Länge der Lastpfade der Aufhängung des Abgasturboladers zu verkürzen. Unter anderem dadurch ist es vereinfacht, die Abstände von sich bewegenden Komponenten des Abgasturboladers zu anderen Komponenten in allen Betriebszuständen des Abgasturboladers einzuhalten. Des Weiteren ist die Verformung des Turbinengehäuses aufgrund der hohen Abgastemperatur reduziert, da die tragende Käfigstruktur über kurze Lastpfade der Abgastemperatur ausgesetzt ist.
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Auch kann die Ausbildung der gasführenden Schalenstruktur auf Aspekte der Gasführung beschränkt werden, da bei einem solchen Turbinengehäuse die Schalenstruktur keine tragende Funktion mehr übernehmen muss. Weiterhin ist im Falle der Ausbildung der Schalenstruktur aus Blech durch die Anbindung an die stabile Käfigstruktur eine Verformung der dünnwandigen Blechteile aufgrund der hohen Temperaturunterschiede weitestgehend verringert. Somit wird der Blechstruktur eine form- und maßhaltige Geometrie durch die Käfigstruktur aufgezwungen. Ebenfalls ist eine Kostensenkung durch einen reduzierten Bedarf an Hochtemperaturwerkstoff, durch verminderte Formkomplexität und durch Auslegung des tragenden Skeletts als Ausgangskomponente für eine Bauteilfamilie möglich. Des Weiteren gehen mit einer solchen Ausbildung des Turbinengehäuses eine Gewichtsreduzierung, eine Bauraumreduzierung und eine einfache Anpassbarkeit des Turbinengehäuses an Applikationsparameter durch modular austauschbare Gasführungsgeometrien, einher. Zudem ist die Formtreue der Turbinenradgegenkontur durch kurze Lastpfade und verringerte Temperaturdehnung gesteigert.
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Die vier Bauteilgruppen der Käfigstruktur, der Anschlussflansch, die Konturhülse, die den Anschlussflansch mit der Konturhülse verbindenden Stege und die Schutzeinrichtung, können einstückig oder mehrteilig ausgebildet sein. Im Falle einer mehrteiligen Ausbildung, sind die Bauteilgruppen in beliebiger Kombination zueinander einstückig ausbildbar. Im Falle einer aus mehreren Bauteilen bestehenden Käfigstruktur, können die unterschiedlichen Bauteile unterschiedliche Werkstoffe aufweisen. So sind die Bauteile untereinander bevorzugt durch Schweißen miteinander verbunden. Es ist allerdings auch denkbar, die Bauteile untereinander durch Löten, Klemmen oder Verschrauben oder anderweitige optionale Fügeverfahren, miteinander zu verbinden. Die Schutzeinrichtung kann ebenfalls einstückig mit der Käfigstruktur ausgebildet sein oder als ein separates Bauteil mit der Käfigstruktur verbunden sein, wobei in diesem Fall die Käfigstruktur, umfassend den Anschlussflansch, die Konturhülse und die Stege, als separates Bauteil ausgebildet sein kann. Die Schutzeinrichtung kann aus einem Gussmaterial oder als ein Tiefzieh-, Biege- oder Stanzbauteil ausgebildet sein. Ebenfalls ist die Ausbildung aus einem Blech denkbar, wobei sich die Schutzeinrichtung im Falle einer äußeren Krafteinwirkung für die Schalenstruktur opfert, damit die Schalenstruktur nicht verletzt wird. Es ist allerdings auch denkbar, die Schutzeinrichtung deutlich stabiler als die Schalenstruktur, z. B. aus einem Gussmaterial, herzustellen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
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1 eine Käfigstruktur für ein Turbinengehäuse,
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2 die Käfigstruktur mit einer Schutzeinrichtung,
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3 einen Längsschnitt durch eine Käfigstruktur mit der Schutzeinrichtung in Einbaulage an einem Abgasturbolader,
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4 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform der Käfigstruktur in Einbaulage an dem Abgasturbolader,
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5 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform der Käfigstruktur mit Kühlfunktion.
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Wie in 1 dargestellt, ist bei einer Käfigstruktur 1 ein Anschlussflansch 2 über mehrere Stege 3 mit einer Konturhülse 4 verbunden. Gemäß 2 kann an eine solche Käfigstruktur 1 eine Schutzeinrichtung 5 angebunden oder mit der Käfigstruktur 1 einstückig ausgebildet sein. Generell kann eine solche Käfigstruktur 1 in einem Abgasturbolader 6 eingesetzt werden. Wie in 3 gezeigt ist, umgibt die Konturhülse 4 in Einbaulage ein Turbinenrad 7 unter Ausbildung eines Spaltes 8 zwischen dem Turbinenrad 7 und der Konturhülse 4. Dieser Spalt 8 ist zum einen für den Wirkungsgrad der Turbinenseite verantwortlich und zum anderen muss bei Konstruktion der Turbinenseite berücksichtigt werden, dass in Folge der hohen Temperaturunterschiede der Spalt 8 so bemessen ist, dass über alle Lastbereiche eine Berührung des Turbinenrades 7 und der Konturhülse 4 vermieden werden.
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Die Käfigstruktur 1 ist mit ihrem Anschlussflansch 2 an ein Lagergehäuse 9 des Abgasturboladers 6 angebunden. Die Stege 3 sind in einem Abgasströmungspfad 10 des Abgases auf das Turbinenrad 7 angeordnet. Eine blechartige Schalenstruktur 11, die mehrere Spiralkanäle 12 zur optimalen Ausbildung der Abgasanströmrichtung auf das Turbinenrad 7 ausbildet, ist an der Käfigstruktur 1 druckdicht angebunden. Dabei wird die Schalenstruktur 11 in diesem Ausführungsbeispiel zumindest teilweise von der Schutzeinrichtung 5 umgeben.
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Des Weiteren kann die Schalenstruktur 11 von der Schutzeinrichtung 5 beabstandet sein, wie in 3 gezeigt, oder an die Schutzeinrichtung 5 angebunden sein, sodass die Schutzeinrichtung 5 zusätzlich zu ihrer Schutzfunktion auch eine Stabilisierungsfunktion übernimmt. Durch eine Beabstandung wird insbesondere eine Wärmeübertragung auf das Lagergehäuse 9 erschwert und dadurch der Hitzschutz für das Lagergehäuse 9 verbessert.
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Die in 4 dargestellte Ausführungsform eines Turbinengehäuses 13, weist eine Schutzeinrichtung 5 auf, die ebenfalls einstückig mit dem Anschlussflansch 2 ausgebildet ist. An diese als Lochscheibe ausgebildete Schutzeinrichtung 5 ist die Schalenstruktur 11 angebunden. Des Weiteren ist die Schalenstruktur 11 an die Konturhülse 4 angebunden, wobei die Konturhülse 4 über als Spacer ausgebildete Stege 3 mit der Schutzeinrichtung 5 fest angebunden ist.
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Betrachtet man die 5, so kann man erkennen, dass in den Stegen 3 Kühlkanäle 15 ausgebildet sind, die einen Kühlmitteltransport von einem Wassermantel 16 im Lagergehäuse 9 in einen Wassermantel 17 der Konturhülse 4 ermöglichen. Der Wassermantel 16, 17 kann beispielsweise durch ein entsprechend gebogenes (Winkel-)Blech 14 gebildet sein. Der Wassermantel 17 befindet sich dabei vorzugsweise an einem Außenumfang der Konturhülse 4 und kann beispielsweise durch einen Gusskern gebildet werden, sofern die Konturhülse 4 gegossen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Käfigstruktur
- 2
- Anschlussflansch
- 3
- Steg
- 4
- Konturhülse
- 5
- Schutzeinrichtung
- 6
- Abgasturbolader
- 7
- Turbinenrad
- 8
- Konturspalt
- 9
- Lagergehäuse
- 10
- Abgasströmungspfad
- 11
- Schalenstruktur
- 12
- Spiralkanal
- 13
- Turbinengehäuse
- 14
- Winkelblech
- 15
- Kühlkanal
- 16
- Wassermantel
- 17
- Wassermantel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10061846 A1 [0002]
- US 2006/0133931 A1 [0003]
