DE102010051359A1

DE102010051359A1 - Einsatzelement für eine Turbine eines Abgasturboladers, Abgasturbolader sowie Turbine für einen Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102010051359A1
Application number: DE102010051359A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Hirth Torsten; Benjamin Schaal; Dipl.-Ing. Sumser Siegfried
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-11-13
Filing date: 2010-11-13
Publication date: 2012-05-16
Also published as: JP2013542372A; WO2012062407A1; JP6025737B2; US20130330178A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Einsatzelement (36, 36I, 36II, 36III, 36IV, 36V, 36VI) für eine Turbine (12) eines Abgasturboladers (10, 10I, 10II, 10III, 10IV, 10V, 10VI, 10VI) welches zumindest bereichsweise in ein Gehäuse (14) der Turbine (12) einsetzbar ist, und welches zumindest einen in Umfangsrichtung (48) des Einsatzelements (36, 36I, 36II, 36III, 36IV, 36V, 36VI) zumindest bereichsweise über dessen Umfang verlaufenden und von die Turbine (12) durchströmendem Abgas durchströmbaren Spiralkanal (38, 40, 42, 44) aufweist, welcher in axialer Richtung (49) auf wenigstens einer Stirnseite (82, 84) des Einsatzelements (36, 36I, 36II, 36III, 36IV, 36V, 36VI) zumindest bereichsweise offen ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Einsatzelement für eine Turbine eines Abgasturboladers gemäß Patentanspruch 1, einen Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß Patentanspruch 4, eine Turbine für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 7 angegebenen Art, einen Abgasturbolader gemäß Patentanspruch 8 sowie eine Turbine für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 9 angegebenen Art.
Die DE 25 39 711 offenbart ein Spiralgehäuse für Strömungsmaschinen, insbesondere in einem Abgasturbolader mit wenigstens bereichsweise einstellbarem Querschnitt, wobei wenigstens eine an der radial inneren Wand des Spiralgehäuses gleitend geführte im Anschluss an diese Wand in Umfangsrichtung verschiebbare Zunge vorgesehen ist.
Der DE 10 2008 039 085 A1 ist eine Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug als bekannt zu entnehmen, welche einen Abgasturbolader umfasst. Der Abgasturbolader umfasst einen Verdichter in einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine und eine Turbine in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine, wobei die Turbine ein Turbinengehäuse aufweist, das einen mit einer Abgasleitung des Abgastrakts gekoppelten Spiralkanal und ein Turbinenrad umfasst. Das Turbinenrad ist innerhalb eines Aufnahmeraums des Turbinenrads angeordnet und zum Antreiben eines über eine Welle drehfest mit dem Turbinenrad verbundenen Verdichterrads des Verdichters mit durch den Spiralkanal führbarem Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagbar. Die Turbine umfasst eine Verstelleinrichtung, mittels welcher ein Spiraleintrittsquerschnitt des Spiralkanals sowie ein Düsenquerschnitt des Spiralkanals zum Aufnahmeraum gemeinsam einstellbar sind.
Die bekannten Abgasturbolader weisen weiteres Potential auf, ihre Kosten zur Herstellung zu reduzieren.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Einsatzelement für eine Turbine eines Abgasturboladers, einen Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine sowie eine Turbine für einen Abgasturbolader bereitzustellen, welche geringere Herstellkosten für den Abgasturbolader ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Einsatzelement für eine Turbine eines Abgasturboladers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch einen Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4, durch eine Turbine für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7, durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patenanspruch 8 sowie durch eine Turbine für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der erste Aspekt der Erfindung betrifft ein Einsatzelement für eine Turbine eines Abgasturboladers, welches zumindest bereichsweise, insbesondere komplett, in ein Gehäuse der Turbine einsetzbar ist, und welches zumindest einen in Umfangsrichtung des Einsatzelements zumindest bereichsweise über dessen Umfang verlaufenden und von die Turbine durchströmendem Abgas durchströmbaren Spiralkanal aufweist. Der Spiralkanal ist in axialer Richtung des Einsatzelements und damit der Turbine auf wenigstens einer Stirnseite des Einsatzelements zumindest bereichsweise offen ausgebildet.
Das Einsatzelement ist besonders zeit- und kostengünstig herstellbar, was insbesondere durch die offene Ausbildung des Spiralkanals bedingt ist. Das Einsatzelement ist beispielsweise als Drehteil und/oder als Frästeil, d. h. durch Drehen und/oder Fräsen, oder durch ein anderweitiges, insbesondere spanendes, Fertigungsverfahren hergestellt. Ebenso möglich ist es, dass das Einsatzelement als Feingussteil durch ein Feingussverfahren ausgebildet ist. Darüber hinaus kann das Einsatzelement durch eine Kombination von Fertigungsverfahren, insbesondere der geschilderten Fertigungsverfahren, hergestellt sein. Aufwändige und kostenintensive Gießverfahren, beispielsweise mit verlorenem Kern, sind insbesondere aufgrund der offenen Ausgestaltung des Spiralkanals nicht vonnöten. Dies hält die Fertigungskosten für das Einsatzelement und damit für die Turbine gering, was sich vorteilhaft auf besonders geringe Fertigungskosten für den Abgasturbolader auswirkt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Spiralkanal auf der wenigstens einen Stirnseite in Umfangsrichtung des Einsatzelements und damit der Turbine umlaufend komplett offen ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders zeit- und kostengünstige Herstellung des Einsatzelements, woraus geringe Fertigungskosten für den Abgasturbolader resultieren. Bei Abgasturboladern handelt es sich im Rahmen eines Serienbaus von Kraftwagen um eine Komponente, welche in besonders hoher Stückzahl zu fertigen ist. Damit wirken sich die durch das erfindungsgemäße Einsatzelement ermöglichten geringen Fertigungskosten aufgrund von Skaleneffekten besonders vorteilhaft auf geringe Kosten für die Kraftwagen aus.
Das erfindungsgemäße Einsatzelement ermöglicht auch eine besonders strömungsgünstige Führung des die Turbine, welche beispielsweise als Radialturbine ausgebildet ist, durchströmenden Abgases zu einem Turbinenrad der Turbine, welches im zusammengebauten Zustand des Abgasturboladers in radialer Richtung des beispielsweise zumindest im Wesentlichen ringförmigen Einsatzelements innenseitig des Einsatzelements angeordnet ist. Der Spiralkanal weist eine Austrittsöffnung auf, über welche der Spiralkanal in radialer Richtung des Einsatzelements innenseitig des Einsatzelements einmündet und über welche das Turbinenrad mit dem Spiralkanal durchströmenden Abgas zu beaufschlagen ist. Mit anderen Worten ermöglicht der Spiralkanal ein Führen des Abgases derart, dass dieses das Turbinenrad zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung des Einsatzelements bzw. des Turbinenrads anströmen und damit antreiben kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung weist das Einsatzelement zumindest einen weiteren in Umfangsrichtung des Einsatzelements zumindest bereichsweise über dessen Umfang verlaufenden und von die Turbine durchströmendem Abgas durchströmbaren Spiralkanal auf, wobei der weitere Spiralkanal in axialer Richtung auf wenigstens einer Stirnseite des Einsatzelements zumindest bereichsweise offen ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass das Einsatzelement auch dann besonders zeit- und kostengünstig herstellbar ist, wenn mehrere, d. h. zumindest zwei, drei oder mehr, Spiralkanäle vorgesehen sind. Darüber hinaus ermöglicht das Einsatzelement mit der Mehrzahl an Spiralkanälen ein besonders günstiges Anströmen des Turbinenrads, so dass die Turbine besonders effizient betreibbar ist. Dieser effiziente Betrieb der Turbine infolge der günstigen Strömungsbedingungen für das Turbinenrad wirkt sich auch auf einen sehr guten Wirkungsgrad des gesamten Abgasturboladers aus, was den Kraftstoffverbrauch und die CO₂-Emissionen einer dem Abgasturbolader zugeordneten Verbrennungskraftmaschine, welche mittels des Abgasturboladers aufzuladen ist, gering hält.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass das Einsatzelement auch für eine anderweitige Fluidenergiemaschine, insbesondere Aufladeeinrichtung, als einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine einsetzbar ist. Das erfindungsgemäße Einsatzelement kann auch Verwendung finden in einer Aufladeeinrichtung, beispielsweise einer Turbomaschine, für eine Brennstoffzelle. In diesem Fall wird die Turbine von Abgas der Brennstoffzelle durchströmt, wobei das Abgas der Brennstoffzelle mittels des erfindungsgemäßen Einsatzelements besonders strömungsgünstig dem Turbinenrad zuführbar ist.
Weist das erfindungsgemäße Einsatzelement mehrere Spiralkanäle auf, so sind diese beispielsweise in Umfangsrichtung des Einsatzelements hintereinander und/oder in axialer Richtung auf einer gemeinsamen Höhe angeordnet. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Spiralkanäle in axialer Richtung des Einsatzelements nebeneinander und/oder in Umfangsrichtung auf einer gemeinsamen Höhe angeordnet sind. Die entsprechende Anordnung der Spiralkanäle ist dabei auf die entsprechenden Einsatzbedingungen der Turbine abzustimmen und entsprechend auszuwählen.
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine, welcher eine Turbine und wenigstens ein zumindest bereichsweise in einem Turbinengehäuse der Turbine aufgenommenes Einsatzelement, insbesondere ein erfindungsgemäßes Einsatzelement, umfasst. Das Einsatzelement weist mindestens einen in Umfangsrichtung des Einsatzelements zumindest bereichsweise über dessen Umfang verlaufenden und von die Turbine durchströmendem Abgas durchströmbaren Spiralkanal auf, welcher in axiale Richtung des Abgasturboladers auf wenigstens einer Stirnseite des Einsatzelements zumindest bereichsweise offen ausgebildet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweitens Aspekts der Erfindung und umgekehrt anzusehen. Wie bereits zum ersten Aspekt der Erfindung geschildert, ist das Einsatzelement insbesondere aufgrund der offenen Ausgestaltung des Spiralkanals besonders kostengünstig herzustellen, was sich positiv auf geringe Herstellkosten für die Turbine und damit für den gesamten Abgasturbolader auswirkt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des zweiten Aspekts der Erfindung ist der Spiralkanal in axialer Richtung des Abgasturboladers auf einer in Richtung eines Turbinenaustritts der Turbine weisenden Stirnseite des Einsatzelements zumindest bereichsweise offen ausgebildet und/oder der Abgasturbolader umfasst ein Lagergehäuse zur Lagerung eines Rotors des Abgasturboladers, wobei der Spiralkanal in axialer Richtung des Abgasturboladers auf einer in Richtung des Lagergehäuses weisenden Stirnseite des Einsatzelements zumindest bereichsweise offen ausgebildet ist. Dabei ermöglicht das Einsatzelement durch den zumindest einen Spiralkanal eine besonders strömungsgünstige Führung des Abgases zu einem Turbinenrad der Turbine des Abgasturboladers, so dass der gesamte Abgasturbolader einen besonders effizienten Betrieb aufweist. Gleichzeitig ist das Einsatzelement besonders kostengünstig herzustellen.
Auch das Einsatzelement des zweiten Aspekts der Erfindung ist beispielsweise als Drehteil und/oder als Frästeil, d. h. durch Drehen und/oder durch Fräsen oder durch ein anderweitiges, insbesondere spanendes, Fertigungsverfahren und/oder durch ein Feingussverfahren herstellbares Bauteil ausgebildet. Möglich ist es auch, dass das Einsatzelement des zweiten Aspekts der Erfindung durch eine Kombination der geschilderten Fertigungsverfahren oder durch eine Kombination anderweitiger Fertigungsverfahren hergestellt ist.
Ferner ist es möglich, dass sowohl das Einsatzelement des ersten wie auch des zweiten Aspekts der Erfindung als Blechbauteil ausgebildet ist, welches eine Mehrzahl an zusammengeschweißten und/oder anderweitig verbundenen oder gefügten Blechteilen umfasst.
Um den zumindest einen Spiralkanal oder die mehreren Spiralkanäle abzudecken und somit das Abgas strömungsgünstig zum Turbinenrad führen zu können, befindet sich das Einsatzelement des zweiten Aspekts der Erfindung beispielsweise in Anlage mit einem weiteren Bauteil des Abgasturboladers. Das Einsatzelement liegt an dem Bauteil an, und das Bauteil überdeckt beispielsweise mit einer Wandung den offen ausgebildeten Bereich des Spiralkanals. Bei dem Bauteil handelt es sich beispielsweise um das Turbinengehäuse.
Um wirkungsgradungünstige Leckagen zu vermeiden, ist es von Vorteil, das Einsatzelement unter Kraftbeaufschlagung in Anlage und damit in Kontakt mit dem den offenen Bereich des Spiralkanals abdeckenden Bauteil zu halten. Dazu ist das Einsatzelement beispielsweise mittelbar am Lagergehäuse abgestützt, wodurch das Einsatzelement unter Kraftbeaufschlagung in Anlage an dem Bauteil oder das Bauteil unter Kraftbeaufschlagung in Anlage mit dem Einsatzelement gehalten ist.
Vorteilhafterweise ist ein Federelement, insbesondere eine Tellerfeder, vorgesehen, unter dessen Vermittlung das Einsatzelement an dem Lagergehäuse abgestützt ist. Das Lagergehäuse kann dabei zumindest bereichsweise wenigstens mittelbar an dem Einsatzelement oder dem Bauteil und/oder bereichsweise an dem Turbinengehäuse abgestützt sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein Deckelelement vorgesehen, mittels welchem ein Bereich des Spiralkanals, in welchem der Spiralkanal offen ausgebildet ist, zumindest bereichsweise abgedeckt ist. Vorteilhafterweise ist der offen ausgebildete Bereich des Spiralkanals komplett durch das Deckelelement abgedeckt, so dass eine besonders strömungsgünstige Führung des Abgases zu dem Turbinenrad erfolgen kann.
Das Deckelelement birgt den Vorteil, dass es insbesondere im Vergleich zu dem Turbinengehäuse und zu dem Einsatzelement eine unkomplexe und zumindest überwiegend ebene Geometrie aufweisen kann, um den Spiralkanal bereichsweise abzudecken. Infolge dieser unkomplexen Geometrie, insbesondere wenn das Deckelelement zumindest bereichsweise eben ausgebildet ist, verzieht sich der Deckel während des Betriebs des Abgasturboladers unter gegebenenfalls auch wechselnder Temperaturbeanspruchung zumindest im Wesentlichen gleichmäßig. Dadurch sind wirkungsgradungünstige Leckagen, über welche Abgas aus dem Spiralkanal ausströmen könnte, zumindest im Wesentlichen vermieden bzw. die Gefahr solcher Leckagen ist sehr gering. Dabei ist es von Vorteil, wenn das Deckelelement unter Kraftbeaufschlagung zumindest mittelbar an dem Einsatzelement zu halten, um den Spiralkanal besonders dicht abzudecken. Dazu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Deckelelement einerseits an dem Einsatzelement und andererseits an dem Lagergehäuse jeweils zumindest mittelbar abgestützt ist. Hierbei ist auch der Einsatz zumindest eines Federelements möglich, mittels welchem das Deckelelement gegen das Einsatzelement gedrückt und besonders fest an diesem gehalten ist.
Eine weitere, die Herstellkosten für den Abgasturbolader des zweiten Aspekts der Erfindung gering haltende Ausführungsform ist, dass das Einsatzelement als von dem Turbinengehäuse separates Element ausgebildet und bei einer Montage des Abgasturboladers in das Turbinengehäuse bereichsweise einsetzbar ist. So kann der Turbolader zeit- und kostengünstig montiert werden.
Der dritte Aspekt der Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader, mit einem einen Aufnahmeraum zur Aufnahme eines Turbinenrads aufweisenden Turbinengehäuse, welches zumindest einen von die Turbine durchströmendem Abgas durchströmbaren und in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums zumindest bereichsweise über dessen Umfang verlaufenden Spiralkanal mit wenigstens einer Einströmöffnung zum Ermöglichen eines Einströmens von Abgas in den Spiralkanal umfasst, wobei über den Spiralkanal dem Aufnahmeraum Abgas zuführbar ist.
Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Kanalteil vorgesehen, mittels welchem der zumindest eine Spiralkanal stromab der Einströmöffnung zumindest zwei Spiralkanäle unterteilt ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der ersten beiden Aspekte sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung und umgekehrt anzusehen. Mit anderen Worten sind durch das Kanalteil zumindest zwei Spiralteilkanäle gebildet, welche während des Betriebs der Turbine über den den Spiralteilkanälen gemeinsamen Spiralkanal mit Abgas versorgt werden.
Ein den Spiralkanal durchströmender Abgasstrom wird durch die Spiralteilkanäle in jeweilige Teilströme aufgeteilt, so dass das in dem Aufnahmeraum aufgenommene Turbinenrad besonders günstig mit dem Abgas anzuströmen und damit anzutreiben ist. Dies ermöglicht einen besonders effizienten und wirkungsgradgünstigen Betrieb der Turbine. Außerdem hält dies den Herstellungsaufwand und damit die Herstellkosten für die Turbine und damit für den gesamten Abgasturbolader sehr gering.
Das Kanalteil des dritten Aspekts der Erfindung ist beispielsweise als Einsatzelement und damit als zum Turbinengehäuse separates Element ausgebildet, welches zumindest bereichsweise, insbesondere komplett, in dem Turbinengehäuse aufgenommen ist. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung des Kanalteils und der gesamten Turbine. Dabei ist das Kanalteil beispielsweise als Drehteil und/oder als Frästeil, d. h. durch Drehen und/oder durch Fräsen oder durch ein anderweitiges, insbesondere spanendes, Fertigungsverfahren hergestellt. Ebenso möglich ist es, dass das als Einsatzelement ausgebildete Kanalteil durch ein Feingussverfahren hergestellt ist. Wie bei den ersten beiden Aspekten der Erfindung ist es ebenso möglich, dass das als Einsatzelement ausgebildete Kanalteil durch eine Kombination von Fertigungsverfahren und/oder der geschilderten Fertigungsverfahren hergestellt ist.
In einer weiteren Ausführungsform des dritten Aspekts der Erfindung ist das Kanalteil einstückig mit dem Turbinengehäuse ausgebildet. Dabei ist das Kanalteil beispielsweise in das Turbinengehäuse gefräst. Zur Herstellung des Turbinengehäuses und des einstückig mit diesem ausgebildeten Kanalteils kann vorgesehen sein, dass eine Grobkontur des Kanalteils beispielsweise durch ein Sandgussverfahren vorgegossen wird und eine exakte Endkontur des Kanalteils, insbesondere der Spiralteilkanäle, durch eine mechanische Bearbeitung, beispielsweise Fräsen, ausgeformt wird.
Wie auch die Einsatzelemente der ersten beiden Aspekte der Erfindung kann auch das Kanalteil des dritten Aspekts der Erfindung mehrere, d. h. zumindest zwei, drei oder mehr, Spiralteilkanäle aufweisen, welche beispielsweise in Umfangsrichtung des Kanalteils über dessen Umfang hintereinander oder in axialer Richtung auf einer gemeinsamen Höhe oder in Umfangsrichtung auf einer gemeinsamen Höhe und/oder in axialer Richtung nebeneinander angeordnet sind. Auch hierbei gilt es, die entsprechende Anordnung auf die Einsatzbedingungen der Turbine des dritten Aspekts der Erfindung abzustimmen und entsprechend auszuwählen.
In einer weiteren Ausführungsform des dritten Aspekts der Erfindung ist zumindest einer der Spiralteilkanäle des insbesondere als Einsatzelement ausgebildeten Kanalteils in axialer Richtung der Turbine auf wenigstens einer Stirnseite des Kanalteils zumindest bereichsweise offen ausgebildet. Dadurch kann das Kanalteil besonders kostengünstig hergestellt werden. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn der Spiralteilkanal in Umfangsrichtung des Kanalteils umlaufend komplett offen ausgebildet ist.
Der Bereich, in dem der Spiralteilkanal des Kanalteils des dritten Aspekts der Erfindung offen ausgebildet ist, kann beispielsweise in Richtung eines Turbinenaustritts der Turbine oder in Richtung eines Lagergehäuses des Abgasturboladers mit der Turbine des dritten Aspekts der Erfindung offen ausgebildet sein.
Ebenso ist es möglich, dass die Spiralteilkanäle des Kanalteils des dritten Aspekts der Erfindung, insbesondere wenn dieses als Einsatzelement ausgebildet ist, in axialer Richtung der Turbine auf beidseitigen Stirnseiten in Umfangsrichtung umlaufend komplett geschlossen sind. Dies ermöglicht einerseits eine besonders strömungsgünstige Führung des Abgases zu dem Aufnahmeraum und andererseits eine besonders zeit- und kostengünstige Montage und damit Herstellung der Turbine des Abgasturboladers, da das insbesondere als Einsatzelement ausgebildete Kanalteil unaufwändig und schnell zumindest bereichsweise in das Turbinengehäuse eingebracht und dort angeordnet werden kann.
Der vierte Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einer erfindungsgemäßen Turbine des dritten Aspekts der Erfindung, wobei insbesondere in axialer Richtung des Abgasturboladers bzw. der Turbine zwischen einem Gehäuseteil, insbesondere einem Lagergehäuse, des Abgasturboladers und dem Kanalteil ein von dem Kanalteil wenigstens bereichsweise, insbesondere in axialer Richtung zumindest bereichsweise, begrenzter Zwischenraum gebildet ist, welcher fluidisch mit dem zumindest einen Spiralkanal verbunden ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der ersten drei Aspekte der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des vierten Aspekts der Erfindung und umgekehrt anzusehen. Diese fluidische Verbindung bewirkt, dass in dem Spiralkanal und in dem Zwischenraum ein zumindest im Wesentlichen gleicher Druck herrscht. Dieser Druck kann dann insbesondere zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung auf eine Wandung des Kanalteils wirken, wobei die Wandung einerseits den Zwischenraum und andererseits zumindest einen der Spiralteilkanäle begrenzt. Auf Seiten des Spiralteilkanals, welcher von dieser Wandung begrenzt ist, wirkt ein geringerer Druck auf die Wandung als auf Seiten des Zwischenraums, da in den einzelnen Spiralteilkanälen ein Druck, insbesondere ein statischer Druck, herrscht, welcher geringer ist als der Druck, insbesondere der statische Druck, in dem Zwischenraum bzw. in dem zumindest einen Spiralkanal.
Aus dieser geschilderten Druckdifferenz resultiert eine Kraftbeaufschlagung des Kanalteils, welche in eine entsprechende, insbesondere zumindest im Wesentlichen in axialer, Richtung wirkt. Diese Kraftbeaufschlagung kann dazu genutzt werden, das insbesondere als Einsatzelement ausgebildete Kanalteil gegen ein weiteres Bauteil des Abgasturboladers zu drücken bzw. das Kanalteil unter Kraftbeaufschlagung zumindest mittelbar an dem Bauteil zu halten.
Ist zumindest einer der Spiralteilkanäle auf der zumindest einen Stirnseite zumindest bereichsweise offen ausgebildet, so kann diese Kraftbeaufschlagung genutzt werden, um das Kanalteil an dem entsprechenden Bauteil zu halten, wobei das Bauteil dann den offen ausgebildeten Bereich des Spiralkanals dicht abdecken kann. Dadurch sind wirkungsgradungünstige Leckagen, über welche das Abgas aus dem offenen Spiralteilkanal austreten könnte, zumindest im Wesentlichen vermieden.
Auch bei dem zweiten und dem dritten Aspekt der Erfindung kann ein entsprechender Zwischenraum gemäß des vierten Aspekts der Erfindung zwischen dem Einsatzelement und einem Gehäuseteil der Turbine bzw. des Abgasturboladers vorgesehen sein, wobei der Zwischenraum mit einem weiteren Spiralkanal, insbesondere einem Zuführkanal, fluidisch verbunden ist, so dass in dem Zwischenraum ein höherer Druck herrscht als in dem zumindest einen durch das Einsatzelement gebildeten Spiralkanal. Dann kann das Einsatzelement auf bezüglich des vierten Aspekts der Erfindung geschilderte Art und Weise analog kraftbeaufschlagt an einem Bauteil, beispielsweise dem Deckelelement, oder einem Gehäuseteil, beispielsweise dem Turbinengehäuse, gehalten werden, um den offen ausgebildeten Bereich des durch das Einsatzelement gebildeten Spiralkanals zumindest im Wesentlichen dicht abzudecken.
Der fünfte Aspekt der Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse, welches wenigstens einen Spiralkanal und einen Aufnahmeraum aufweist, in welchem ein Turbinenrad drehbar aufzunehmen ist. Das Turbinenrad ist über den Spiralkanal mit Abgas beaufschlagbar, wobei die Turbine eine Verstelleinrichtung umfasst, mittels welcher ein Spiraleneintrittsquerschnitt und/oder ein Düsenquerschnitt des wenigstens einen Spiralkanals zum Aufnahmeraum einstellbar ist.
Erfindungsgemäß ist bei dem fünften Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass die Verstelleinrichtung zum Verstellen des Spiraleneintrittsquerschnitts und/oder des Düsenquerschnitts zumindest zwei miteinander in Eingriff stehende Verzahnungen aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der ersten vier Aspekte der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des fünften Aspekts der Erfindung und umgekehrt anzusehen. Das Einstellen des Spiraleneintrittsquerschnitts und/oder des Düsenquerschnitts über die Verzahnungen ermöglicht einen besonders großen Verstellbereich, insbesondere Verstellwinkelbereich, in welchem der Spiraleneintrittsquerschnitt und/oder der Düsenquerschnitt variabel einstellbar sind. So ist eine besonders hohe Durchsatzspreizung der variablen Turbine des fünften Aspekts der Erfindung ermöglicht, wodurch die Turbine besonders effizient an eine Vielzahl von Betriebspunkten einer dem Abgasturbolader zugeordneten Verbrennungskraftmaschine anpassbar ist. Daraus resultiert ein besonders effizienter Betrieb der Turbine in dem zumindest nahezu gesamten Kennfeld der Verbrennungskraftmaschine, so dass diese besonders effizient und mit einem geringen Kraftstoffbedarf und mit geringen CO₂-Emissionen betrieben werden kann.
Darüber hinaus weist die Turbine insbesondere infolge der Einstellbarkeit über die Verzahnungen, welche vorteilhafterweise in dem Turbinengehäuse angeordnet sind, einen nur geringen Bauraumbedarf auf, was zur Lösung oder zur Vermeidung von Package-Problemen insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum beiträgt.
Zum Einstellen des Spiralquerschnitts und/oder des Düsenquerschnitts umfasst die Verstelleinrichtung zumindest ein im Spiralkanal zugeordnetes Versperrelement, beispielsweise eine Zunge, welche in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums bzw. des Turbinenrads bewegbar ist.
Ein weiterer Vorteil der Verzahnung ist, dass sich über dem Verstellbereich eine harmonische Übersetzung zwischen einem Stellglied zum Bewegen des Versperrkörpers und dem Versperrkörper selbst erzielt werden kann.
Der Verstellkörper ist beispielsweise an einem Verstellring angeordnet, welcher über die Verzahnungen und das Stellglied um eine Drehachse drehbar in dem Turbinengehäuse angeordnet ist. Wird der Ring gedreht, so bewegt sich auch das Versperrelement, so dass der Spiraleneintrittsquerschnitt und/oder der Düsenquerschnitt variabel eingestellt werden, d. h. vergrößert oder verkleinert werden können.
Dabei ist in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass eine der Verzahnungen an dem Verstellring der Verstelleinrichtung vorgesehen und die andere der Verzahnungen mit einer auf einer Drehachse drehbaren Verstellwelle der Verstelleinrichtung drehfest verbunden ist. Der Verstellring ist dabei über die Verstellwelle mit dem Stellglied verbunden. Bei dem Stellglied handelt es sich beispielsweise um einen Elektromotor mit einer Ausgangswelle, welche zum Bewegen des Sperrkörpers um eine Drehachse drehbar ist. Die Verstellwelle ist dabei mit der Ausgangswelle verbunden oder durch die Ausgangswelle gebildet, so dass ein Drehen der Ausgangswelle des Elektromotors ein Drehen der Verstellwelle und damit ein Bewegen des Versperrkörpers bewirkt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
1 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht eines Abgasturboladers für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Turbine mit einem Turbinengehäuse, in welchem ein Mehrsegmenteinsatz eingesetzt ist;
2 eine schematische Perspektivansicht des Mehrsegmenteinsatzes der Turbine gemäß 1;
3 eine schematische Querschnittsansicht der Turbine des Abgasturboladers gemäß 1;
4 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Abgasturboladers gemäß 1;
5 eine schematische Perspektivansicht eines Mehrsegmenteinsatzes einer Turbine des Abgasturboladers gemäß 4,
6 eine schematische Querschnittsansicht der Turbine des Abgasturboladers gemäß 4;
7 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Abgasturboladers gemäß den 1 und 4;
8 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Abgasturboladers gemäß 7;
9 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Abgasturbolader gemäß den 7 und 8;
10 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Abgasturbolader gemäß den 7 bis 9;
11 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Abgasturbolader gemäß den 7 bis 10;
12 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Abgasturbolader gemäß den vorhergehenden Fig.; und
13 ausschnittsweise eine schematische Vorderansicht des Abgasturboladers gemäß 12.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen zumindest funktional gleiche Elemente, Bauteile und/oder dergleichen.
Die 1 zeigt einen Abgasturbolader 10 mit einer Turbine 12, welche ein Turbinengehäuse 14 und ein Lagergehäuse 16 umfasst. Durch das Turbinengehäuse 14 ist ein Aufnahmeraum 18 gebildet, in welchem ein Turbinenrad 20 eines Rotors 22 des Abgasturboladers 10 drehbar aufgenommen ist. Der Rotor 22 umfasst ferner eine Welle 24 mit welcher das Turbinenrad 20 drehfest verbunden ist.
Der Abgasturbolader 10 umfasst ferner einen in der 1 nicht dargestellten Verdichter mit einem Verdichtergehäuse, durch welches ein Aufnahmeraum gebildet wird, in welchem ein Verdichterrad des Rotors 22 aufgenommen ist. Auch das Verdichterrad ist mit der Welle 24 drehfest verbunden, so dass das Verdichterrad über die Welle 24 und das Turbinenrad 20 antreibbar ist. Der Rotor 22 ist in dem Lagergehäuse 16 gelagert und kann sich um eine Drehachse 26 drehen.
Durch das Turbinengehäuse 14 ist ein Spiralkanal 28 bereichsweise gebildet, welcher als Zuführkanal dient. In den Spiralkanal 28 kann über eine Eintrittsöffnung 30 des Spiralkanals 28 Abgas in eine dem Abgasturbolader 10 zugeordneten Verbrennungskraftmaschine gemäß einem Richtungspfeil 32 einströmen. Anschließend durchströmt das Abgas den Spiralkanal 28 gemäß einem Richtungspfeil 34.
In dem Turbinengehäuse 14 ist ferner ein in der 2 perspektivisch und schematisch dargestellter Mehrsegmenteinsatz 36 angeordnet, durch welchen der Spiralkanal 28 mittels einer Wandung 68 bereichsweise gebildet ist. Der Mehrsegmenteinsatz 36 des Abgasturboladers 10 gemäß den 1 bis 3 ist als zu dem Turbinengehäuse 14 separates Einsatzelement ausgebildet und weist vier Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 auf, welche in Umfangsrichtung des Mehrsegmentseinsatzes 36 gemäß einem Richtungspfeil 46 bereichsweise über den Umfang des Mehrsegmenteinsatzes 36 verlaufen. Die Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 sind in Umfangsrichtung hintereinander und in axialer Richtung des Mehrsegmenteinsatzes 36 und damit des Abgasturboladers gemäß einem Richtungspfeil 49 auf einer gemeinsamen Höhe angeordnet.
Wie insbesondere der 3 zu entnehmen ist, ist der in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums 18 und damit des Turbinenrads 20 gemäß einem Richtungspfeil 48 zumindest bereichsweise über den Umfang des Aufnahmeraums 18 verlaufende und als Zuführkanal fungierende Spiralkanal 28 mittels des Mehrsegmenteinsatzes 36 stromab der Eintrittsöffnung 30 in die Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 aufgeteilt. Die Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 sind mit dem Spiralkanal 28 fluidisch verbunden und werden somit von dem den Spiralkanälen 38, 40, 42 und 44 gemeinsamen Spiralkanal 28 mit Abgas versorgt. Dadurch wird das Turbinenrad 20 zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung desselbigen besonders strömungsgünstig von dem Abgas angeströmt und durch dieses beaufschlagt, so dass der Abgasturbolader 10 einen besonders effizienten und wirkungsgradgünstigen Betrieb aufweist.
Dazu weisen die Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 jeweilige Austrittsöffnungen 50, 51, 52 und 53 auf, über welche die Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 in den Aufnahmeraum 18 münden und über welche das Abgas zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung des Turbinenrads 20 sowie des Mehrsegmenteinsatzes 36 gemäß einem Richtungspfeil 54 das Turbinenrad 20 anströmen kann. Bei der Turbine 12 handelt es sich somit um eine Radialturbine.
Der Abgasturbolader 10 umfasst weiterhin eine Verstelleinrichtung 56 mit jeweiligen den Spiralkanälen 38, 40, 42 und 44 bzw. den entsprechenden Austrittsöffnungen 50, 51, 52 und 53 zugeordneten Zungen 58, 60, 62 und 64. Die Zungen 58, 60, 62 und 64 sind mit einem Verstellring 66 verbunden, welcher um die Drehachse 26 drehbar ist. Ein Drehen des Verstellrings 66, welcher auch als Zungenschieber bezeichnet wird, bewirkt ein Verstellen, insbesondere eine Verschieben, der Zungen 58, 60, 62 und 64 in Umfangsrichtung gemäß dem Richtungspfeil 48. Durch dieses Bewegen bzw.
Verschieben der Zungen 58, 60, 62 und 64 kann ein Spiraleneintrittsquerschnitt A_S der Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 (wobei in der 3 der Übersicht wegen der Spiraleneintrittsquerschnitt A_S des Spiralkanals 38 stellvertretend für alle Spiraleneintrittsquerschnitte A_S der Spiraleneintrittsquerschnitte 38, 40, 42 und 44 dargestellt ist) und/oder ein Düsenquerschnitt A_R der Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 (wobei in der 3 der Übersicht wegen lediglich der Düsenquerschnitt A_R des Spiralkanals 38 stellvertretend für die Düsenquerschnitte des A_R der Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 dargestellt ist) variabel eingestellt werden.
Bei dem Mehrsegmenteinsatz 36 des Abgasturboladers 10 gemäß den 1 und 3 sind Leckagen zwischen den Spiralkanälen 38, 40, 42 und 44 und damit ein entsprechendes Überströmen von Abgas von einem der Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 in einen anderen der Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 infolge der die Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 stirnseitig begrenzenden und abdichtenden Wandungen 70 und 72 vermieden. Dadurch kann das Abgas besonders günstig in den Aufnahmeraum 18 zu dem Turbinenrad 20 geführt werden und der Abgasturbolader 10 weist einen besonders hohen Wirkungsgrad auf.
Der Mehrsegmenteinsatz 36 kann beispielsweise durch ein Feingussverfahren einstückig ausgebildet sein. Ebenso möglich ist es, dass der Mehrsegmenteinsatz 36 als Blechbauteil ausgebildet ist mit einer Mehrzahl von Blechteilen, welche beispielsweise die Wandungen 68, 70 und 72 bilden, und welche miteinander verschweißt sind.
Durch die vier Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 sind vier Segmente gebildet, welche von Abgas durchströmbar sind und über welche dem Turbinenrad 20 das Abgas zuführbar ist. Es versteht sich, dass der Mehrsegmenteinsatz 36 auch mehr oder weniger Spiralkanäle bzw. Segmente aufweisen kann.
Wie insbesondere der 1 zu entnehmen ist, ist der Mehrsegmenteinsatz 36 in axialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 49 mittels des Lagergehäuses 16 in dem Turbinengehäuse 14 gehalten. Dazu ist der Mehrsegmenteinsatz 36 an dem Lagergehäuse 16 über jeweilige Kontaktflächen 74 abgestützt, wobei das Lagergehäuse 16 mit dem Turbinengehäuse 14 verbunden, beispielsweise verschraubt, ist. Andererseits ist der Segmenteinsatz 36 an dem Turbinengehäuse 14 über jeweilige Kontaktflächen 76 abgestützt. Dadurch drückt das Lagergehäuse 16 den Mehrsegmenteinsatz 36 in axialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 49 in Richtung eines Turbinenaustritts 78 gemäß einem Richtungspfeil 80 gegen das Turbinengehäuse 14 und hält den Mehrsegmenteinsatz 36 in axialer Richtung in diesem. Dadurch ist der Mehrsegmenteinsatz 36 in das Turbinengehäuse 14 eingepresst.
Die 4 bis 6 zeigt eine alternative Ausführungsform des Abgasturboladers 10 gemäß den vorhergehenden 1 bis 3, welche mit 10 ^I bezeichnet ist. In dem Turbinengehäuse 14 der Turbine 12 des Abgasturboladers 10 ^I ist ein Mehrsegmenteinsatz 36 ^I aufgenommen, welcher sich dahingehend von dem Mehrsegmenteinsatz 36 gemäß den 1 bis 3 unterscheidet, dass die Wandung 70 nicht vorgesehen ist. Mit anderen Worten sind die Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 des Mehrsegmenteinsatzes 36 ^I in axialer Richtung desselbigen gemäß dem Richtungspfeil 49 auf einer Stirnseite 82 des Mehrsegmenteinsatzes 36 ^I in Umfangsrichtung desselbigen gemäß dem Richtungspfeil 48 umlaufend komplett offen ausgebildet. Im Zusammenhang mit der 4 ergibt sich, dass die offene Stirnseite 82 in Richtung des Turbinenaustritts 78 weist.
Erlaubt der Mehrsegmenteinsatz 36 ^I eine besonders einfache und kostengünstige Montage und Herstellung des Abgasturboladers 10 sowie einen besonders effizienten Betrieb desselbigen, so ist der Mehrsegmenteinsatz 36 ^I selbst besonders kostengünstig herzustellen infolge der offenen Ausgestaltung der Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44. Der Mehrsegmenteinsatz 36 ^I ist beispielsweise als Drehteil und/oder als Frästeil, durch ein Feingussverfahren oder durch eine Kombination von Fertigungsverfahren, insbesondere der geschilderten Fertigungsverfahren, hergestellt.
Um wirkungsgradungünstige Leckagen und damit ein Überströmen von Abgas von einem der Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 in einen der anderen Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 zu vermeiden, ist der Mehrsegmenteinsatz 36 ^I auf seiner offenen Stirnseite 82 gegen das Turbinengehäuse 14 mittels des Lagergehäuses 16 gehalten, so dass das Turbinengehäuse 14 mit einem entsprechenden Bereich einer Wandung 86 des Turbinengehäuses 14 die Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 des Mehrsegmenteinsatzes 36 ^I komplett und dicht abdeckt.
Um den Mehrsegmenteinsatz 36 ^I in dem Turbinengehäuse 14 in axialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 49 zu halten und gegen das Turbinengehäuse 14 zu drücken, ist der Mehrsegmenteinsatz 36 ^I über eine Tellerfeder 75 an dem Lagergehäuse 16 abgestützt. Das Lagergehäuse 16 ist dabei nicht bereichsweise nur über die Tellerfeder 75 an dem Mehrsegmenteinsatz 36 ^I, sondern auch bereichsweise an dem Turbinengehäuse 14 abgestützt. Dies bewirkt, dass der Mehrsegmenteinsatz 36 ^I unter Federkraftbeaufschlagung durch die Tellerfeder 75 besonders fest gegen das Turbinengehäuse 14 gemäß dem Richtungspfeil 80 gedrückt und an diesem gehalten ist, so dass Leckagen zumindest im Wesentlichen vermieden sind. Dadurch ist der Mehrsegmenteinsatz 36 ^I in das Turbinengehäuse 14 eingepresst.
Im Übrigen gilt das zu dem Abgasturbolader 10 und den Mehrsegmenteinsatz 36 bezüglich den 1 bis 3 geschilderte analog für den Abgasturbolader 10 ^I und den Mehrsegmenteinsatz 36 ^I gemäß den 4 bis 6.
Die 7 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform der Abgasturboladers 10 und 10 ^I welche mit 10 ^II bezeichnet ist. In dem Turbinengehäuse 14 der Turbine 12 des Abgasturboladers 10 ^II ist ein Mehrsegmenteinsatz 36 ^II aufgenommen, welcher sich von dem Mehrsegmenteinsatz 36 dahingehend unterscheidet, dass die stirnseitige Wandung 72 nicht vorgesehen ist. Dadurch sind die Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 in axialer Richtung des Mehrsegmenteinsatzes 36 ^II bzw. des Abgasturboladers 10 ^II gemäß dem Richtungspfeil 49 auf einer Stirnseite 84 des Mehrsegmenteinsatzes 36 ^II in dessen Umfangsrichtung gemäß dem Richtungspfeil 48 umlaufend komplett offen ausgebildet. In Zusammenschau mit der 5 zeigt sich, dass die Stirnseite 84 der Stirnseite 82 in axialer Richtung gegenüberliegend angeordnet ist. Der 7 ist zu entnehmen, dass damit die offene Stirnseite 84 des Mehrsegmenteinsatzes 36 ^II in Richtung des Lagergehäuses 16 weist.
Um die Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 des Mehrsegmenteinsatz 36 ^II komplett und zumindest im Wesentlichen nicht auch zur Stirnseite 84 hin abzudecken, umfasst der Abgasturbolader 10 ^II einen Deckel 86, welcher ebenso in dem Turbinengehäuse 14 aufgenommen ist. Der Deckel 86 weist eine ebene Wandung 89 auf, mittels welcher die Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 in Umfangsrichtung umlaufend komplett abgedeckt sind. Dazu ist der Deckel 86 an dem Mehrsegmenteinsatz 36 ^II über jeweilige Kontaktflächen 74 ^II abgestützt und liegt an dem Mehrsegmenteinsatz 36 ^II an. Gehalten werden der Mehrsegmenteinsatz 36 ^II und der Deckel 86 in axialer Richtung durch das Lagergehäuse 16, welches über jeweilige Kontaktflächen 74 ^I an dem Deckel 86 anliegt. Mit anderen Worten liegt das Lagergehäuse 16 unter Vermittlung des Deckels 86 an dem Mehrsegmenteinsatz 36 ^II an, welches wiederum über die Kontaktflächen 76 an dem Turbinengehäuse 14 anliegt und an diesem abgestützt ist. Durch diese Abstützkette wird der Deckel 86 mittels des Lagergehäuses 16 an den Mehrsegmenteinsatz 36 ^II gemäß dem Richtungspfeil 80 gedrückt, wodurch Leckagen zwischen den Spiralkanälen 38, 40, 42 und 44 des Mehrsegmenteinsatzes 36 ^II zumindest im Wesentlichen vermieden sind. Dadurch ist der Mehrsegmenteinsatz 36 ^II über den Deckel 86 sowie der Deckel 86 ebenfalls in das Turbinengehäuse 14 eingepresst. Wie bei den Abgasturboladern 10 und 10 ^I gemäß den vorhergehenden 1 bis 6 ist auch bei dem Abgasturbolader 10 ^II gemäß 7 somit während des Betriebs gewährleistet, dass die Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 zumindest im Wesentlichen stets dicht abgedeckt sind, indem der Mehrsegmenteinsatz 36 ^I beispielsweise gegen das Turbinengehäuse 14 bzw. der Deckel 86 gegen den Mehrsegmenteinsatz 36 ^II gedrückt wird, um Leckagen zu vermeiden und das Turbinenrad 20 strömungsgünstig anzuströmen.
Die 8 zeigt eine alternative Ausführungsform der Turbolader 10, 10 ^I und 10 ^II gemäß den vorhergehenden Fig., welche mit dem Bezugszeichen 10 ^III bezeichnet ist. Der Abgasturbolader 10 ^III umfasst ein Kanalteil 37, welches insbesondere hinsichtlich der Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 analog zu den Mehrsegmenteinsätzen 36, 36 ^I und 36 ^II ausgebildet ist. Das Kanalteil 37 unterscheidet sich von den Mehrsegmenteinsätzen 36, 36 ^I und 36 ^II dahingehend, dass das Kanalteil 37 einstückig mit dem Turbinengehäuse 14 der Turbine 12 des Abgasturboladers 10 ^III ausgebildet ist. Bei dem Kanalteil 37 handelt es sich beispielsweise um den Mehrsegmenteinsatz 36 ^II gemäß 7, welches einstückig mit dem Turbinengehäuse 14 ausgebildet ist. Wie der 8 zu entnehmen ist, sind die Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 des Kanalteils 37 in axialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 49 auf der Stirnseite 84 des Kanalteils 37 in Umfangsrichtung des Kanalteils 37 umlaufend komplett offen ausgebildet.
Um die Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 des Kanalteils 37 dicht abzudecken ist der Deckel 86 vorgesehen, welcher mittels des Lagergehäuses 16 in axialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 80 gegen des Turbinengehäuse 14 gedrückt ist, so an diesem gehalten wird und sich über Kontaktflächen 74 ^II an diesem abstützt. Dadurch ist der Deckel 86 in das Turbinengehäuse 14 eingepresst.
Zur Herstellung des geometrisch ebenso anspruchsvollen Kanalteils 37 wie die Mehrsegmenteinsätze 36, 36 ^I und 36 ^II ist das Kanalteil 37 beispielsweise in das Turbinengehäuse 14 gefräst, wobei die spiralförmig zulaufenden Wandungen 68, welche die Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 in radialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 54 begrenzen, ausgebildet werden.
Bei der Herstellung des Turbinengehäuses 14, beispielsweise durch ein Sandgussverfahren, kann eine Grobform des Kanalteils 37 vorausgebildet werden. Die in der 8 gezeigten Endkontur des Kanalteils 37 wird dann beispielsweise mittels einer mechanischen Bearbeitung ausgebildet.
Die 9 zeigt anhand einer weiteren Ausführungsform eines Abgasturboladers 10 ^IV eine Möglichkeit, einen Mehrsegmenteinsatz 36 ^III in dem Turbinengehäuse 14 der Turbine 12 des Abgasturboladers 10 ^IV zu halten.
Bei dem Mehrsegmenteinsatz 36 ^III handelt es sich beispielsweise um den Mehrsegmenteinsatz 36 des Abgasturboladers 10 gemäß den 1 bis 3. Auch der Mehrsegmenteinsatz 36 ^III weist die Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 sowie die gleiche Funktion wie der Mehrsegmenteinsatz 36 auf.
Wie der 9 zu entnehmen ist, ist der Mehrsegmenteinsatz 36 ^III mittels des Lagergehäuses 16 in dem Turbinengehäuse 14 gehalten, indem das Lagergehäuse 16 mit dem Turbinengehäuse 14 verbunden, beispielsweise verschraubt, ist und den Mehrsegmenteinsatz 36 ^III in axialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 49 an das Turbinengehäuse 14 gemäß dem Richtungspfeil 80 drückt. Richtungspfeile 88 deuten einen Leckagepfad von dem als Zuführkanal fungierenden Spiralkanal 28 an die Umgebung an, während Richtungspfeile 90 einen weiteren Leckagepfad von dem Spiralkanal 28 über einen axialer Richtung zwischen den Mehrsegmenteinsatz 36 ^III und dem Lagergehäuse 16 angeordneten Zwischenraum 92 in den Aufnahmeraum 18 andeuten. Aufgrund des besonders festen Haltens und Einpressens des Mehrsegmenteinsatzes 36 ^III in dem bzw. das Turbinengehäuse 14 sind diese Leckagepfade zumindest im Wesentlichen vermieden. Um einer solchen Leckage besonders gut vorzubeugen, können zwischen entsprechenden Kontaktflächen des Lagergehäuses 16 mit dem Mehrsegmenteinsatz 36 ^III und/oder mit dem Turbinengehäuse 14 und/oder zwischen Kontaktflächen des Mehrsegmenteinsatzes 36 ^III mit dem Turbinengehäuse 14 sowie zwischen Kontaktflächen des Verstellrings 66 mit dem Lagergehäuse 16 und/oder mit dem Turbinengehäuse 14 und/oder mit dem Mehrsegmenteinsatz 36 ^III Dichtungselemente 94 angeordnet sein.
Die 10 zeigt anhand einer weiteren Ausführungsform eines Abgasturboladers 10 ^V eine weitere Möglichkeit, einen Mehrsegmenteinsatz 36 ^IV des Abgasturboladers 10 ^V in dessen Turbinengehäuse 14 der Turbine 12 zu halten und einzupressen. Bei dem Mehrsegmenteinsatz 36 ^IV handelt es sich beispielsweise um den Mehrsegmenteinsatz 36 ^I des Abgasturboladers 10 ^I gemäß den 4 bis 6. Der Mehrsegmenteinsatz 36 ^IV weist ebenso die Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 sowie die gleiche Funktion wie der Mehrsegmenteinsatz 36 auf. Wie der 10 entnehmen ist, ist das Lagergehäuse 16 über jeweilige Kontaktflächen 74 ^II an dem Turbinengehäuse 14 abgestützt. In axialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 49 ist zwischen dem Mehrsegmenteinsatz 36 ^IV und dem Lagergehäuse 16 die Tellerfeder 75 angeordnet, welche somit einerseits an dem Mehrsegmenteinsatz 36 ^IV und andererseits an dem Lagergehäuse 16 abgestützt ist. Durch das Verbinden des Lagergehäuses 16 mit dem Turbinengehäuse 14 und dadurch, dass der Mehrsegmenteinsatz 36 ^IV über die Kontaktflächen 76 an dem Turbinengehäuse 14 abgestützt ist, wird die Tellerfeder 75 vorgespannt, so dass diese den Mehrsegmenteinsatz 36 ^IV in axialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 80 gegen das Turbinengehäuse 14 drückt, so dass die Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 dicht durch das Turbinengehäuse 14 abgedeckt sind. Um die Tellerfeder 75 vorzuspannen, wirkt eine Kraft auf das Lagergehäuse 16 gemäß dem Richtungspfeil 80, welche beispielsweise durch Verschrauben des Lagergehäuses 16 mit dem Turbinengehäuse 14 mittels mehrerer Schrauben bewirkt wird, so dass das Lagergehäuse 16 über die Kontaktflächen 74 ^II gegen das Turbinengehäuse 14 gepresst wird.
Es ist ebenso möglich, die Tellerfeder 75 beispielsweise bei den Abgasturboladern 10, 10 ^II und 10 ^III einzusetzen und in axialer Richtung zwischen dem Lagergehäuse 16 und dem Deckel 86 und/oder zwischen dem Deckel 86 und dem entsprechenden Mehrsegmenteinsatz 36, 36 ^II bzw. dem Kanalteil 37 anzuordnen, um entsprechende Leckagen zu vermeiden.
Mögliche Leckagenpfade sind auch in der 10 durch die Richtungspfeile 88 und 90 angedeutet, die durch das besonders feste Halten und Einpressen des Mehrsegmenteinsatzes 36 ^IV in dem bzw. das Turbinengehäuse zumindest im Wesentlichen vermieden sind.
Die Tellerfeder 75 birgt dabei den Vorteil, dass sie auch bei thermischer Ausdehnung des Zusammenbaus des Turbinengehäuses 14, des Mehrsegmenteinsatz 36, 36 ^I, 36 ^II, 36 ^III, 36 ^IV, des Lagergehäuses 16 und gegebenenfalls des Deckels 86 zumindest nahezu stets den Mehrsegmenteinsatz 36, 36 ^I, 36 ^II, 36 ^III, 36 ^IV zumindest mittelbar mit einer gewünscht hohen Kraft beaufschlagt, um die Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 beispielsweise durch das Turbinengehäuse 14 und/oder den Deckel 86 dicht abzudecken.
Die 11 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Abgasturboladers 10 ^VI gemäß den Abgasturboladern 10, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV und 10 ^V. Der Abgasturbolader 10 ^VI umfasst ein Mehrsegmenteinsatz 36 ^V, welcher beispielsweise der Mehrsegmenteinsatz 36 ^IV oder 36 ^I sein kann. Auch der Mehrsegmenteinsatz 36 ^V weist die Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 sowie die gleiche Funktion wie die Mehrsegmenteinsätze 36 ^IV und 36 ^I auf.
Bei dem Abgasturbolader 10 ^VI ist der Zwischenraum 92 mit dem als Zuführkanal fungierenden Spiralkanal 28 fluidisch verbunden. Dazu sind beispielsweise mehrere Durchgangsöffnungen 96, hier in Form einer Bohrung vorgesehen, von welchen eine Durchgangsöffnung 96 stellvertretend in der 11 gezeigt ist. Aufgrund dieser fluidischen Verbindung herrscht in dem Zwischenraum 92 zumindest im Wesentlichen der gleiche Druck wie in dem Spiralkanal 28. Dieser insbesondere statische Druck im Zwischenraum 92 ist größer als ein in der Summe anliegender statischer Druck in den einzelnen Spiralkanälen 38, 40, 42, 44 des Mehrsegmenteinsatzes 36 ^V. Infolge dieser Druckdifferenz wirkt über entsprechende Flächen der Wandung 72 eine Kraft F auf den Mehrsegmenteinsatz 36 ^V, welche zumindest im Wesentlichen in axiale Richtung gemäß dem Richtungspfeil 49 in Richtung des Turbinengehäuses 14 gemäß dem Richtungspfeil 80 gerichtet ist.
Dadurch wird der Mehrsegmenteinsatz 36 ^V über die Kontaktflächen 76 gegen das Turbinengehäuse 14 der Turbine 12 gedrückt und in dieses eingepresst, so dass die Spiralkanäle 38, 40 und 42 und 44 zumindest im Wesentlichen durch das Turbinengehäuse 14 abgedeckt sind. Auf analoge Art und Weise kann auch der Deckel 86 mit der Kraft F beaufschlagt werden, um die Spiralkanäle 38, 40, 42 und 44 zumindest im Wesentlichen dicht abzudecken. Dies ist eine besonders vorteilhafte Methode, etwaige Leckagen wie beispielsweise die durch die Richtungspfeile 88 und 90 angedeuteten Leckagepfade zumindest im Wesentlichen zu verhindern.
Die 12 und 13 zeigen eine weitere alternative Ausführungsform des Abgasturboladers 10 gemäß den Abgasturboladern 10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V und 10 ^VI. Auch der Abgasturbolader 10 ^VII umfasst einen Mehrsegmenteinsatz 36 ^VI, welcher beispielsweise der Mehrsegmenteinsatz 36 oder 36 ^III ist.
Die Verstelleinrichtung 56 umfasst neben dem Verstellring 66 und den Zungen 58, 60, 62 und 64 ein Verstellrad 98, eine Verstellwelle 100 sowie einen Verstellhebel 102. Der Verstellring 66 und das Verstellrad 98 sind mit jeweiligen Verzahnungen 104 und 106 versehen, welche innerhalb des Turbinengehäuses 14 der Turbine 12 des Abgasturboladers 10 ^VII angeordnet sind und miteinander in Eingriff stehen. Das Verstellrad 98 ist mit der Verstellwelle 100, welche um eine Drehachse 108 drehbar in dem Lagergehäuse 16 gehalten ist, drehfest verbunden. Darüber hinaus ist die Verstellwelle 100 drehfest mit dem Verstellhebel 102 verbunden, welcher bereichsweise in dem Turbinengehäuse 14 angeordnet ist und über eine Durchtrittsöffnung aus dem Lagergehäuse 16 nach außen geführt ist. Der Verstellhebel wirkt mit einem Aktor des Abgasturboladers 10 ^VII zusammen, wobei es sich beispielsweise um eine Unterdruckdose, um einen Elektromotor um ein anderweitiges Stellglied oder dergleichen handelt. Der Aktor kann den Verstellhebel 102 gemäß einem Richtungspfeil 110 bewegen, insbesondere drehen, woraus eine Drehung der Verstellwelle 100 um die Drehachse 108 gemäß einem Richtungspfeil 112 resultiert. Dies bewirkt wiederum eine Drehung des Verstellrads 98 um die Drehachse 108, was über die Verzahnungen 104 und 106 mit einer Drehung des Verstellrings 66 um die Drehachse 24 gemäß einem Richtungspfeil 114 einhergeht. Durch dieses Drehen des Verstellrings 66 erfolgt das eingangs geschilderte Verschieben der Zungen 58, 60, 62 und 64 gemäß dem Richtungspfeil 48, wodurch der Spiraleneintrittsquerschnitt A_S und/oder der Düsenquerschnitt A_R eingestellt wird bzw. werden. Diese Verstellung über die Verzahnungen 104 und 106 birgt die Vorteile, dass besonders hohe Durchlassspreizungen der variabeln Turbine 12 des Abgasturboladers 10 ^VII erreicht werden können. Es versteht sich, dass die Verstellung des Verstellrings 66 auf die bezüglich der 12 und 13 geschilderten Art und Weise auch auf die anderweitigen Abgasturbolader 10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^V und 10 ^VI übertragbar ist. Ferner erlaubt die Verstellung des Verstellrings 66 und dadurch der Zungen 58, 60, 62 und 64 mittels der Verzahnungen 104 und 106 einen besonders großen Verstellwinkel, und zwar in einem besonders großen Verstellwinkelbereich in Umfangsrichtung gemäß dem Richtungspfeil 48. Darüber hinaus lässt sich dadurch eine über dem Verstellwinkelbereich harmonische Übersetzung ausgehend von einem Verstellwinkel des Aktors zu einem Verstellwinkel des Verstellrads 66 (Zungenschieber) erzielen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2539711 [0002]
DE 102008039085 A1 [0003]

Claims

Einsatzelement (36, 36 ^I, 36 ^II, 36 ^III, 36 ^IV, 36 ^V, 36 ^VI) für eine Turbine (12) eines Abgasturboladers (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII) welches zumindest bereichsweise in ein Gehäuse (14) der Turbine (12) einsetzbar ist, und welches zumindest einen in Umfangsrichtung (48) des Einsatzelements (36, 36 ^I, 36 ^II, 36 ^III, 36 ^IV, 36 ^V, 36 ^VI) zumindest bereichsweise über dessen Umfang verlaufenden und von die Turbine (12) durchströmendem Abgas durchströmbaren Spiralkanal (38, 40, 42, 44) aufweist, welcher in axialer Richtung (49) auf wenigstens einer Stirnseite (82, 84) des Einsatzelements (36, 36 ^I, 36 ^II, 36 ^III, 36 ^IV, 36 ^V, 36 ^VI) zumindest bereichsweise offen ausgebildet ist.
Einsatzelement (36, 36 ^I, 36 ^II, 36 ^III, 36 ^IV, 36 ^V, 36 ^VI) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzelement (36, 36 ^I, 36 ^II, 36 ^III, 36 ^IV, 36 ^V, 36 ^VI) zumindest einen weiteren in Umfangsrichtung (48) des Einsatzelements (36, 36 ^I, 36 ^II, 36 ^III, 36 ^IV, 36 ^V, 36 ^VI) zumindest bereichsweise über dessen Umfang verlaufenden und von die Turbine (12) durchströmendem Abgas durchströmbaren Spiralkanal (38, 40, 42, 44) aufweist, wobei der weitere Spiralkanal (38, 40, 42, 44) in axialer Richtung (49) auf wenigstens einer Stirnseite (82, 84) des Einsatzelements (36, 36 ^I, 36 ^II, 36 ^III, 36 ^IV, 36 ^V, 36 ^VI) zumindest bereichsweise offen ausgebildet ist.
Einsatzelement (36, 36 ^I, 36 ^II, 36 ^III, 36 ^IV, 36 ^V, 36 ^VI) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiralkanal (38, 40, 42, 44) in Umfangsrichtung (48) über den Umfang des Einsatzelements (36, 36 ^I, 36 ^II, 36 ^III, 36 ^IV, 36 ^V, 36 ^VI) zumindest bereichsweise, insbesondere komplett, offen ausgebildet ist.
Abgasturbolader (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII) für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einer Turbine (12) und mit wenigstens einem zumindest bereichsweise in einem Turbinengehäuse (14) aufgenommenen Einsatzelement (36, 36 ^I, 36 ^II, 36 ^III, 36 ^IV, 36 ^V, 36 ^VI), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches mindestens einen in Umfangsrichtung (48) des Einsatzelements (36, 36 ^I, 36 ^II, 36 ^III, 36 ^IV, 36 ^V, 36 ^VI) zumindest bereichsweise über dessen Umfang verlaufenden und von die Turbine (12) durchströmendem Abgas durchströmbaren Spiralkanal (38, 40, 42, 44) aufweist, welcher in axialer Richtung (49) des Abgasturboladers (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII) auf wenigstens einer Stirnseite (82, 84) des Einsatzelements (36, 36 ^I, 36 ^II, 36 ^III, 36 ^IV, 36 ^V, 36 ^VI) zumindest bereichsweise offen ausgebildet ist.
Abgasturbolader (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiralkanal (38, 40, 42, 44) in axialer Richtung (49) des Abgasturboladers (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII) auf einer in Richtung eines Turbinenaustritts (78) weisenden Stirnseite (82) des Einsatzelements (36, 36 ^I, 36 ^II, 36 ^III, 36 ^IV, 36 ^V, 36 ^VI) zumindest bereichsweise offen ausgebildet ist und/oder der Abgasturbolader (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII) ein Lagergehäuse (16) zur Lagerung eines Rotors (22) des Abgasturboladers (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII) umfasst, wobei der Spiralkanal (38, 40, 42, 44) in axialer Richtung des Abgasturboladers (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII) auf einer in Richtung des Lagergehäuses (16) weisenden Stirnseite (84) des Einsatzelements (36, 36 ^I, 36 ^II, 36 ^III, 36 ^IV, 36 ^V, 36 ^VI) zumindest bereichsweise offen ausgebildet ist.
Abgasturbolader (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Deckelelement (86) vorgesehen ist, mittels welchem zumindest ein Bereich des Spiralkanals (38, 40, 42, 44), in welchem dieser offen ausgebildet ist, zumindest bereichsweise abgedeckt ist.
Turbine (12) für einen Abgasturbolader (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII) mit einem einen Aufnahmeraum (18) zur Aufnahme eines Turbinerads (20) aufweisenden Turbinengehäuse (14), welches zumindest einen von die Turbine (12) durchströmendem Abgas durchströmbaren und in Umfangsrichtung (48) des Aufnahmeraums (18) zumindest bereichsweise über dessen Umfang verlaufenden Spiralkanal (28) mit wenigstens einer Einströmöffnung (30) zum Ermöglichen eines Einströmens von Abgas in den Spiralkanal (28) umfasst, über welchen dem Aufnahmeraum (18) Abgas zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kanalteil (37) vorgesehen ist, mittels welchem der zumindest eine Spiralkanal (28) stromab der Einströmöffnung (30) in zumindest zwei Spiralteilkanäle (38, 40, 42, 44) unterteilt ist.
Abgasturbolader (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII) mit einer Turbine (12) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Gehäuseteil (16), insbesondere einem Lagergehäuse (16), des Abgasturboladers (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII) und dem Kanalteil (37) ein von dem Kanalteil (37) wenigstens bereichsweise begrenzter Zwischenraum (92) gebildet ist, welcher fluidisch mit dem zumindest einen Spiralkanal (28) verbunden ist.
Turbine (12) für einen Abgasturbolader (10, 10 ^I, 10 ^II, 10 ^III, 10 ^IV, 10 ^V, 10 ^VI, 10 ^VII) mit einem Turbinengehäuse (14), welches wenigstens einen Spiralkanal (28, 38, 40, 42, 44) und einen Aufnahmeraum (18) aufweist, in welchem ein Turbinenrad (20) drehbar aufzunehmen ist, das über den Spiralkanal (28, 38, 40, 42, 44) mit Abgas beaufschlagbar ist, wobei die Turbine (12) eine Verstelleinrichtung (56) umfasst, mittels welcher ein Spiraleneintrittsquerschnitt (A_S) und/oder ein Düsenquerschnitt (A_R) des wenigstens einen Spiralkanals (28, 38, 40, 42, 44) zum Aufnahmeraum (18) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (56) zum Einstellen des Spiraleneintrittsquerschnitts (A_S) und/oder des Düsenquerschnitts (A_R) zumindest zwei miteinander in Eingriff stehende Verzahnungen (104, 106) aufweist.
Turbine (12) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Verzahnungen (104) an einem Verstellring (66) der Verstelleinrichtung (56) vorgesehen und die andere der Verzahnungen (106) mit einer um eine Drehachse (108) drehbaren Verstellwelle (100) der Verstelleinrichtung (56) drehfest verbunden ist.