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1. (WO2018137882) ADJUSTABLE GUIDE APPARATUS FOR AN EXHAUST GAS GUIDE SECTION OF AN EXHAUST GAS TURBOCHARGER AND EXHAUST GAS GUIDE SECTION FOR AN EXHAUST GAS TURBOCHARGER
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Verstellbarer Leitapparat für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers und Abgasführungsabschnitt für einen Abgasturbolader

Die Erfindung betrifft einen verstellbaren Leitapparat für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers gemäß Patentanspruch 10.

Ein verstellbarer Leitapparat ist aus der Offenlegungsschrift DE 10 2007 029 004 A1 bekannt. Der verstellbare Leitapparat dient einer Änderung einer Fluidströmung, in der Regel einer Abgasströmung einer Brennkraftmaschine, auf ein Turbinenrad eines Abgasturboladers. Der verstellbare Leitapparat umfasst eine Mehrzahl von verdrehbaren Leitschaufeln, welche zwischen einem ersten Einsatzteil des verstellbaren Leitapparates und einem zweiten Einsatzteil des verstellbaren Leitapparates positioniert sind. Mit Hilfe der Verdrehbarkeit der Mehrzahl von Leitschaufeln ist die Fluidströmung auf das

Turbinenrad konditionierbar. Zwischen einer ersten Wandung des ersten Einsatzteils und einer zweiten Wandung des zweiten Einsatzteils ist ein Zuströmkanal ausgebildet, in welchem die Mehrzahl von Leitschaufeln angeordnet ist. Zur Sicherung eines definierten Abstandes zwischen der ersten Wandung des ersten Einsatzteils und der zweiten Wandung des zweiten Einsatzteils sind Distanzelemente zwischen dem ersten Einsatzteil und dem zweiten Einsatzteil vorgesehen. Die Distanzelemente weisen jeweils einen gleichen Abstand zu einer Längsachse des verstellbaren Leitapparates auf. Insgesamt sind zur Vermeidung einer Steigerung von Strömungsverlusten über einen Umfang des verstellbaren Leitapparates gleichmäßig angeordnete Distanzelemente vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen verstellbaren Leitapparat für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers anzugeben, welcher sich durch eine hohe Funktionsstabilität auszeichnet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines verbesserten Abgasführungsabschnitts für einen Abgasturbolader.

Diese Aufgabe wird durch einen verstellbaren Leitapparat für einen

Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers mit den Merkmalen des

Patentanspruchs 1 sowie durch einen Abgasführungsabschnitt für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße verstellbare Leitapparat ist für einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers vorgesehen. Er weist ein erstes Einsatzteil und ein dem ersten Einsatzteil gegenüberliegend angeordnetes zweites Einsatzteil auf. Zwischen einer ersten Wandung des ersten Einsatzteils und einer dieser ersten Wandung gegenüberliegend angeordneten zweiten Wandung des zweiten Einsatzteils ist ein Zuströmkanal ausgebildet, wobei in diesem Zuströmkanal eine Mehrzahl von Leitschaufeln zum Ableiten von den Abgasführungsabschnitt durchströmendem Abgas verdrehbar positioniert ist. Zur Sicherung eines Funktionsabstandes ist zwischen der ersten Wandung und der zweiten Wandung ein Distanzelement angeordnet, welches zwischen der ersten Wandung und der zweiten Wandung positioniert ist. Das Distanzelement weist eine Längsachse auf, welche in einem radialen Abstand zu einer Längsachse des Leitapparates und in einer radialen Distanz zu einer Drehachse der Leitschaufel positioniert ist. Erfindungsgemäß ist zur Herbeiführung einer Funktionsstabilität ein Zusatzelement vom Distanzelement beabstandet zwischen dem ersten Einsatzteil und dem zweiten Einsatzteil angeordnet. Der Vorteil ist eine Reduzierung einer Deformation des verstellbaren Leitapparates im Betrieb eines mit ihm ausgestatteten Abgasturboladers, wie sie aufgrund hoher

Temperaturen auftritt. Durch die Deformation ist ein Ausfall des verstellbaren

Leitapparates aufgrund eines Verklemmens der Leitschaufeln möglich. Des Weiteren ist mit Hilfe des Zusatzelementes eine Verwindungssteifigkeit bspw. bei mechanischer Belastung herbeigeführt. Das heißt mit anderen Worten, dass aufgrund des

Zusatzelementes eine Funktionsstabilität herbeigeführt ist.

In einer Ausgestaltung ist das Zusatzelement in einer zum Distanzelement radialen Distanz angeordnet, wodurch eine weiter gesteigerte Funktionsstabilität erzielbar ist.

Zur Reduzierung von Herstellungskosten sind das Distanzelement und das

Zusatzelement auf einer gemeinsamen radialen Achse angeordnet. Das bedeutet bei bspw. einer robotergestützten Manufaktur des verstellbaren Leitapparates eine

Reduzierung von Einstellparametern des Roboters.

In einer alternativen Ausgestaltung sind das Zusatzelement und das Distanzelement nicht auf einer gemeinsamen radialen Achse angeordnet, sondern das Zusatzelement ist in Umfangsrichtung versetzt zum Distanzelement angeordnet, wobei eine Längsachse des Zusatzelementes auf einer virtuellen Verlängerung einer Schaufellängsachse der Leitschaufel positioniert ist. Die Positionierung des Zusatzelementes, somit quasi an einem Strömungseintritt des Abgases in einen zwischen zwei Leitschaufeln ausgebildeten Strömungskanal, führt zu einer verbesserten Strömungsumlenkung des Abgases in den Strömungskanal. Da das Zusatzelement mit dem ersten Einsatzteil und dem zweiten Einsatzteil fest verbunden ist, ist eine bevorzugte Schaufelstellung der Mehrzahl von Leitschaufeln zu bestimmen, bei der das Zusatzelement auf der virtuellen Verlängerung der Schaufellängsachse zu positionieren ist.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates ist das Distanzelement mit einem Minimalabstand zur Leitschaufel angeordnet. Der Vorteil ist eine weitere Steigerung der Funktionsstabilität. Grundsätzlich ist es anzustreben, das Distanzelement mit seiner Längsachse in einem minimalen Abstand zu einer Drehachse der Leitschaufel zu positionieren, wobei besonders zu bevorzugen eine koaxiale

Positionierung wäre. Diese Positionierung ist allerdings von verschiedenen Faktoren abhängig, unter anderem von der Lagerung des Distanzelementes in der verstellbaren Leitschaufel, die möglicherweise zu einem Verklemmen der Leitschaufel auf dem

Distanzelement führen kann. Somit ist der Abstand der Längsachse des

Distanzelementes zur Drehachse der Leitschaufel so klein wie möglich zu gestalten, wie dies mit Hilfe des Zusatzelementes realisierbar ist.

Eine Positionierung des Zusatzelementes auf einer Seite der Leitschaufel, welche vom Distanzelement abgewandt ausgebildet ist, würde zu einer Positionierung des

Zusatzelementes in einem Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeiten und nahe von Turbinenradschaufeln führen, wodurch Verwirbelungen erzeugt würden, die eine

Reduzierung des Wirkungsgrades des Abgasturboladers ergeben. Somit ist es zur Vermeidung eines Wirkungsgradverlustes vorteilhaft das Zusatzelement auf einer von der Mehrzahl der Leitschaufeln abgewandt ausgebildeten Seite der Distanzelemente anzuordnen.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist jedem Distanzelement ein

Zusatzelement zugeordnet, wodurch eine weitere Steigerung der Verwindungssteifigkeit und Reduzierung der Deformation und somit eine weitere Steigerung der

Funktionsstabilität des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates herbeigeführt wird.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparates weist das Distanzelement und/oder das Zusatzelement einen schaufelprofilförmigen Querschnitt auf. Dies führt zu einer Reduzierung eines Strömungswiderstandes des Distanzelementes bzw. des Zusatzelementes, wodurch sich eine Wirkungsgradsteigerung des Abgasturboladers gegenüber einem bspw. kreisförmigen Querschnitt des

Distanzelementes und/oder des Zusatzelementes herbeiführen lässt.

Insbesondere bei einem hohen Abgasmassenstrom, wie er bspw. bei hohen Last-und/oder Drehzahlpunkten einer mit dem Abgasturbolader verbundenen

Verbrennungskraftmaschine auftritt, ist es vorteilhaft das Distanzelement und/oder das Zusatzelement mit seinem schaufelprofilförmigen Querschnitt in Richtung der Mehrzahl der Leitschaufeln bei vollständig geöffnetem Durchströmungsquerschnitt auszurichten. Bei diesen Abgasmassenströmen treten bevorzugt Verwirbelungen an den Elementen auf, die zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades des Abgasturboladers führen können. Dies kann mit der Ausrichtung der Distanzelemente und/oder Zusatzelemente in Richtung der Mehrzahl der Leitschaufeln, wie diese bei vollständig geöffnetem

Durchströmungsquerschnitt ausgerichtet sind, vermieden werden.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasführungsabschnitt für einen

Abgasturbolader, wobei der Abgasführungsabschnitt einen verstellbaren Leitapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist. Der erfindungsgemäße Abgasführungsabschnitt führt gegenüber dem Stand der Technik zu einer hohen Betriebssicherheit des mit ihm bestückten Abgasturboladers und zu einer Vermeidung von Abgasemissionsleckagen, wie sie unter Umständen aufgrund von Deformationen und unzureichender Steifigkeit des verstellbaren Leitapparates des Standes der Technik auftreten. Dies hat eine Steigerung des Wirkungsgrades des Abgasturboladers unmittelbar zur Folge. Der somit effiziente Betrieb des Abgasturboladers durch die strömungsverlustreduzierte Ausgestaltung des verstellbaren Leitapparates bewirkt weiterhin eine Reduzierung eines Kraftstoffverbrauchs und demzufolge eine Reduzierung von C02-Emissionen einer in Verbindung mit dem Abgasturbolader stehenden Verbrennungskraftmaschine.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. 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.

Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 in einer schematischen Längsschnittdarstellung einen Leitapparat gem. dem

Stand der Technik außer Betrieb,

Fig. 2 in einer schematischen Längsschnittdarstellung den Leitapparat gem. Fig. 1 in Betrieb,

Fig. 3 in einer schematischen Längsschnittdarstellung einen erfindungsgemäßen

Leitapparat außer Betrieb,

Fig. 4 in einer schematischen Längsschnittdarstellung den Leitapparat gem. Fig. 3 in Betrieb, und

Fig. 5 in einer Querschnittdarstellung den erfindungsgemäßen Leitapparat.

Ein in Fig. 1 dargestellter verstellbarer Leitapparat 1 gemäß dem Stand der Technik ist in einem durchströmbaren Abgasführungsabschnitt 2 eines Abgasturboladers 3 in einem Abgastrakt einer nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine, bei der es sich um einen Ottomotor oder einen Dieselmotor handelt, vorgesehen. Der Abgasturbolader 3 weist weiterhin einen nicht näher dargestellten durchströmbaren

Frischluftführungsabschnitt und einen nicht näher dargestellten Lagerabschnitt auf, welcher in einem nicht näher dargestellten Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordnet ist.

Der Abgasturbolader 3 umfasst ein nicht näher dargestelltes Laufzeug, welches ein Verdichterrad zum Ansaugen und Verdichten von Verbrennungsluft, ein Turbinenrad zur Expansion von Abgas sowie eine das Verdichterrad mit dem Turbinenrad drehfest verbindende Welle aufweist. Die Welle ist im Lagerabschnitt des Abgasturboladers 3 drehbar gelagert, welcher zwischen dem Luftführungsabschnitt und dem

Abgasführungsabschnitt positioniert ist.

Zur Einströmung des Abgases in den Abgasführungsabschnitt 2 ist ein nicht näher dargestellter Eintrittskanal im Abgasführungsabschnitt ausgebildet. Der Eintrittskanal dient zur Konditionierung des Abgases, welches im Betrieb der Brennkraftmaschine das Turbinenrad in eine rotierende Bewegung versetzt. Mit Hilfe der Welle wird das

Verdichterrad ebenfalls in Rotation versetzt, so dass es Verbrennungsluft ansaugt und verdichtet.

Stromab des Eintrittskanals ist im Abgasführungsabschnitt 2 ein nicht näher dargesteller Spiralkanal angeordnet, welcher zur Bereitstellung einer rotationssymmetrischen Strömung dient. Des Weiteren ist der Spiralkanal als Verbindungskanal zwischen dem Eintrittskanal und einem Zuströmkanal 4, welcher stromab des Spiralkanals positioniert ist, ausgebildet.

Stromab des Zuströmkanals 4 ist eine nicht näher dargestellte Radkammer im

Abgasführungsabschnitt 2 angeordnet, in welcher das Turbinenrad drehbar

aufgenommen ist. Stromab der Radkammer weist der Abgasführungsabschnitt 2 einen nicht näher dargestellten Austrittskanal zum Entweichen des Abgases aus dem

Abgasführungsabschnitt 2 auf.

Damit sowohl bei niedrigen Lasten und niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine als auch bei hohen Lasten und hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine ein

größtmöglicher Abgasturboladerwirkungsgrad erreichbar ist, ist das Abgas mit Hilfe des verstellbar ausgebildeten Leitapparates 1 konditionierbar, welcher im Zuströmkanal 4 angeordnet ist.

Der verstellbare Leitapparat 1 ist das Turbinenrad ringförmig umfassend ausgebildet und weist ein erstes Einsatzteil 5, im Weiteren Lagerring genannt, zur Aufnahme einer Mehrzahl von Leitschaufeln 6 auf, welche zur Strömungskonditionierung vorgesehen ist. Jede Leitschaufel der Mehrzahl von Leitschaufeln 6 ist auf dem Lagerring 5 drehbar gelagert, wobei jede Leitschaufel der Mehrzahl von Leitschaufeln 6 eine Drehachse 7 aufweist.

Der Lagerring 5 ist im Abgasführungsabschnitt 2 so positioniert, dass die Mehrzahl von Leitschaufeln 6 im Zuströmkanal 4 angeordnet ist. Dem Lagerring 5 gegenüberliegend positioniert ist ein zweites Einsatzteil 8, im Weiteren Konturhülse genannt, welche zur Strömungskonditionierung und zur vereinfachten Montage des Leitapparates 1

ausgebildet ist. Der Zuströmkanal 4 ist im Bereich des verstellbaren Leitapparates 1 zwischen einer ersten Wandung 9 des Lagerrings 5 und einer zweiten Wandung 10 der Konturhülse 8 ausgebildet.

Zur Fixierung eines Funktionsabstandes A zwischen der Konturhülse 8 und dem

Lagerring 5, welcher zur Vermeidung eines Verkantens der Mehrzahl von Leitschaufeln 6 bei einer Verdrehung um die Drehachse 7 notwendig ist, sind Distanzelemente 11 mit einer ersten Längsachse 12 im Zuströmkanal 4 positioniert. Die Distanzelemente 11 sind zylindrisch ausgestaltet und sind im Lagerring 5 und in der Konturhülse 8 unbewegbar aufgenommen.

Der in Fig. 1 dargestellte verstellbare Leitapparat 1 befindet sich in einem Zustand außer Betrieb. Das heißt mit anderen Worten, dass der verstellbare Leitapparat 1 nicht von heißem Abgas der Verbrennungskraftmaschine beaufschlagt wird. Sobald der verstellbare Leitapparat 1 von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmt wird, besteht in Abhängigkeit einer Temperatur des Abgases die Gefahr einer Deformation des Lagerrings 5, der Konturhülse 8 und insbesondere der Distanzelemente 11 , welche vom Abgas vollumfänglich umströmt werden. Über eine radiale Erstreckung des verstellbaren Leitapparates 1 verändert sich der Funktionsabstand A aufgrund der Deformation, wodurch vom Funktionsabstand A abweichende Abstände AP, AM ausgebildet sind, s. Fig. 2. Der erste abweichende Abstand AP kennzeichnet einen Abstand, welcher größer ist als der Funktionsabstand A und der zweite abweichende Abstand AM kennzeichnet eine Abstand, der kleiner ist als der Funktionsabstand A. Die Deformation führt zu einem Verklemmen der Mehrzahl von Leitschaufeln 6 im Betrieb des verstellbaren Leitapparates 1 , das heißt im Betrieb des Abgasturboladers 3.

In Fig. 3 ist ein erfindungsgemäßer verstellbarer Leitapparat 1 außer Betrieb dargestellt. Der verstellbare Leitapparat 1 weist zusätzlich zu den Distanzelementen 11

Zusatzelemente 13 mit einer zweiten Längsachse 14 auf. Die Zusatzelemente 13 sind zu den Distanzelementen 11 in einer radialen ersten Distanz DR1 zwischen dem Lagerring 5 und der Konturhülse 8 angeordnet. Sie sind auf einer von den Leitschaufeln 6 abgewandt ausgebildeten Seite der Distanzelemente 11 positioniert.

Fig. 4 zeigt in prinzipieller Darstellung den erfindungsgemäßen verstellbaren Leitapparat 1 im Betrieb. Die Deformation, welche insbesondere bei hohen Abgastemperaturen, wie sie im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei insbesondere Volllast und hoher

Drehzahl auftreten, existent ist, ist über die radiale Erstreckung des verstellbaren Leitapparates 1 im Bereich der Mehrzahl von Leitschaufeln 6 unterbunden.

Das Zusatzelement 13 ist in Aufnahmeöffnungen 15 des Lagerrings 5 und der

Konturhülse 8 unbewegbar aufgenommen. Die Aufnahmeöffnungen 15 sind den Lagerring 5 und die Konturhülse 8 vollständig durchdringend ausgebildet. Ebenso könnten die Aufnahmeöffnungen 15 den Lagerring 5 und/oder die Konturhülse 8 auch nicht vollständig durchdringend ausgebildet sein. Das Zusatzelement 13 ist stoffschlüssig mit der Konturhülse 8 und dem Lagerring 5 fest verbunden.

Alternativ zur stoffschlüssigen Verbindung kann das Zusatzelement 13 kraft- und/oder formschlüssig mit dem Lagerring 5 und der Konturhülse 8 verbunden sein.

In Fig. 5 ist der erfindungsgemäße Leitapparat in einem Querschnitt dargestellt. Die Mehrzahl der Leitschaufeln 6 sind in einer ersten Position, in der die Leitschaufeln mit einer durchgezogenen Linie dargestellt sind, und in einer zweiten Position, in der die Leitschaufeln mit einer gestrichelten Linie dargestellt sind, abgebildet. Die beiden Positionen sind in Abhängigkeit einer Verdrehung der Leitschaufel 6 um die Drehachse 7 einzustellen. Zwischen jeweils zwei Leitschaufeln 6 ist ein veränderbarer

Durchströmungsquerschnitt 20 ausgebildet. Insbesondere bei niedrigen Last- und/oder Drehzahlpunkten der Verbrennungskraftmaschine ist der Durchströmungsquerschnitt 20 zu gering oder, Spaltverluste unberücksichtigt, vollständig geschlossen. Bei insbesondere hohen Last- und/oder Drehzahlpunkten der Verbrennungskraftmaschine ist der

Durchströmungsquerschnitt 20 vollständig geöffnet. Das heißt mit anderen Worten, dass er einen maximal möglichen Wert aufweist.

Das Distanzelement 11 ist an einer von einer dritten Längsachse 16 des verstellbaren Leitapparates 1 abgewandt ausgebildeten Schaufelrückenfläche 17 der Leitschaufel 6 in einem ersten Radius R1 ausgehend von der zweiten Längsachse 14 und mit einer radialen zweiten Distanz DR2 zur Drehachse 7 angeordnet. Es ist so zu positionieren, dass ein zur ungehinderten Bewegung der Leitschaufel 6 notwendiger Stellbereich 18 nicht mit dem Distanzelement 11 oder Zusatzelement 13 bestückt wird. Dieser

Stellbereich 18 ist besonders gekennzeichnet.

Das Zusatzelement 13 ist gegenüber dem Distanzelement 11 um einen Winkel φ versetzt in einem zweiten Radius R2 zur dritten Längsachse 16 angeordnet. Ebenso könnten das Zusatzelement 13 und das Distanzelement 11 auf einer gemeinsamen, die dritte

Längsachse 16 querenden Achse angeordnet sein. Die Anordnung der Zusatzelemente 13 relativ zu den Distanzelementen 11 , jedem Distanzelement 11 ist ein Zusatzelement 13 zugeordnet, kann nach Platzbedarf und thermischer sowie mechanischer

Beanspruchung des verstellbaren Leitapparates 1 bestimmt werden.

In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Distanzelemente 11 und die Zusatzelemente 13 einen schaufelprofilförmigen Querschnitt auf, wodurch eine Reduzierung eines Strömungswiderstandes der Elemente 1 1 , 13 herbeigeführt wird.

Vorteilhafterweise sind die Zusatzelemente 13, insbesondere den schaufelprofilförmigen Querschnitt aufweisend, in Umfangsrichtung versetzt zu den Distanzelementen 11 angeordnet, wobei die zweite Längsachse 14 des Zusatzelementes 13 auf einer virtuellen Verlängerung einer Schaufellängsachse 19 der Leitschaufel 6 positioniert ist. Dies führt insbesondere bei hohen Last- und Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine, in denen der Durchströmungsquerschnitt 20 vollständig geöffnet ist, zu einer

Wirkungsgradsteigerung, da mit Hilfe der Zusatzelemente 13 eine die Strömung störende Verwirbelung reduziert ist.