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Die
Erfindung betrifft einen Turbolader mit einer variablen Turbinengeometrieeinrichtung
VTG, nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 beispielsweise für ein Kraftfahrzeug.
Insbesondere betrifft die Erfindung die Befestigung der variablen
Turbinengeometrie innerhalb des Turboladergehäuses.
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Bei
den allgemein aus dem Stand der Technik bekannten Turboladern wird
die Turbinenleistung geregelt, indem beispielsweise ein Teil des
Abgasmassenstroms über
ein sog. Wastegate bzw. einen Bypass um die Turbine herum geführt wird.
Hierbei wird jedoch nur ein Teil des Abgasmassenstroms genutzt.
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Aus
dem Stand der Technik sind des Weiteren Turbolader mit einer variablen
Turbinengeometrie VTG bekannt, bei welchen im Wesentlichen der gesamte
Abgasmassenstrom genutzt werden kann. Bei solchen Turboladern mit
einer variablen bzw. verstellbaren Turbinengeometrie VTG sind bewegliche
Leitschaufeln um das Turbinenrad angeordnet. Die Leitschaufeln werden
hierbei über
einen Verstellring entsprechend verstellt, um den Strömungsquerschnitt der
Turbine geeignet zu verändern.
Durch die jeweilige Anpassung des Turbinenquerschnitts an den entsprechenden
Fahrzustand des Motors kann hierbei eine Verminderung des Verbrauchs
und der Emissionen erzielt werden. Die drehbar gelagerten Leitschaufeln
zwischen dem Spiralgehäuse
und dem Turbinenrad verändern
dabei das Aufstauverhalten und damit die Leistung der Turbine. Dadurch
wird es ermöglicht,
dass die gesamte Abgasenergie genutzt werden kann und der Strömungsquerschnitt
der Turbine für
jeden Betriebspunkt optimal eingestellt werden kann.
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Im
Allgemeinen wird ein Leitapparat einer variablen Turbinengeometrie
mittels Schrauben, Bolzen oder Stiften befestigt.
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Ein
Turbolader mit einer variablen Turbinengeometrieeinrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1 ist bei spielsweise aus der
DE 10 2004 033 884 A1 bekannt.
Ein Leitschaufelträger
der variablen Turbinengeometrieeinheit ist zusammen mit einem Strömungskanalbauteil
mittels Schrauben an einem Lagergehäuse des Turboladers befestigt. Zwischen
dem Strömungskanalbauteil
und dem Leitschaufelträger
sind des Weiteren Abstandshülsen angeordnet,
durch die jeweils eine Schraube greift. Die Abstandshülsen bestimmen
hierbei eine Breite eines Ringskanals in axialer Richtung.
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Aus
de
EP 1 505 295 A1 ,
die eine Anordnung zum Befestigen eines nichtrotierenden Teils einer Gasturbine
betrifft, ist ein Befestigungselement mit einem Kopfabschnitt bekannt,
der in einem Haltebereich des Gehäuses der Gasturbine aufnehmbar
ist, wobei das Befestigungselement beweglich im Haltebereich aufgenommen
ist.
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Weiter
ist aus der
DE
10 2004 044 703 A1 ein Turbolader mit einer variablen Turbinengeometrie
bekannt. Dabei wird ein VTG-Modul, d. h. eine Kombination aus einem
Leitschaufelträger
und einem Verstellring, mittels drei Schrauben an einem Lagergehäuse des
Turboladers befestigt. Hierbei sind entsprechende Distanzhülsen zwischen
dem Leitschaufelträger
und einem Strömungskanalbauteil
vorgesehen, wobei die Distanzhülsen
die Breite des Ringskanals des Turboladers bestimmen. Als Schrauben werden
hierbei Dehnschrauben eingesetzt.
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Das
Befestigen der variablen Turbinengeometrie mittels Schrauben, Stiften
oder Bolzen hat jedoch den Nachteil, dass wenn bei einem thermisch transienten
Aufheizen Zwangskräfte
entstehen, diese durch die Befestigung mittels Schrauben usw. nicht
abgefangen werden können.
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Demnach
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Turbolader
mit einer verbesserten Befestigung für eine variable Turbinengeometrie bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Demgemäß wird erfindungsgemäß ein Turbolader
mit einer variablen Turbinengeometrieeinrichtung bereitgestellt,
wobei der Turbolader aufweist:
- – wenigstens
ein oder mehrere Befestigungselemente zum Befestigen der variablen
Turbinengeometrieeinrichtung in dem Gehäuse des Turboladers,
wobei
das jeweilige Befestigungselement einen Kopfabschnitt aufweist,
der in einem entsprechenden Haltebereich des Gehäuses des Turboladers aufnehmbar
ist, wobei das Befestigungselement in dem Haltebereich beweglich
aufgenommen ist und
wobei das Ende des Befestigungselements
mit wenigstens einem Federelement versehbar ist, mit dem das Befestigungselement
die variable Turbinengeometrieeinrichtung an dem Gehäuse des
Turboladers befestigt.
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Der
Turbolader hat hierbei den Vorteil, dass durch die flexible Lagerung
mittels des beweglichen Befestigungselements bzw. Befestigungspins
entstehende Zwangskräfte
abgefangen werden können. Solche
Zwangskräfte
entstehen, wie zuvor beschrieben wurde, durch ein thermisches transientes
Aufheizen des Turboladers.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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In
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist der Haltebereich so ausgebildet, dass er das Befestigungselement
beweglich aufnimmt, ohne dass dieses aus dem Haltebereich herausfallen kann.
Mit anderen Worten, der Haltebereich weist ein vorbestimmtes Spiel
auf, um das Befestigungselement beweglich aufzunehmen. Dieses Spiel
ist beispielsweise so gewählt,
dass das Befestigungselement das Auftreten von Zwangskräften ausgleichen kann,
die beispielsweise durch ein thermisches Aufheizen des Turboladers
oder Teilen davon auftreten können.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
weist der Haltebereich eine Vertiefung auf, mit einer Hinterschneidung.
Die Vertiefung und die Hinterschneidung sind dabei derart ausgestaltet, so
dass der Kopfabschnitt des Befestigungselements sich in dem Haltebereich
hin- und herbewe gen kann, ohne nach außen aus dem Haltebereich herauszufallen.
Mit anderen Worten, die Vertiefung und die Hinterschneidung weisen
ein ausreichendes Spiel auf, so dass sich das Befestigungselement,
wie zuvor beschrieben, in dem Haltebereich geeignet be wegen kann,
ohne jedoch aus diesem ungewollt herausfallen zu können.
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Gemäß einer
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist der Haltebereich mit einem Einführbereich derart verbunden,
so dass der Kopfabschnitt in den Einführbereich eingeführt und
weiter in den Haltebereich bewegbar ist. Der Einführbereich weist
hierzu eine entsprechende Vertiefung auf, die in die Vertiefung
des Haltebereich übergeht.
Wahlweise kann der Einführungsbereich
zusätzlich
verschließbar
sein, beispielsweise mittels eines Pfropfens oder dergleichen.
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In
einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
bildet der Kopfabschnitt einen verbreiterten Abschnitt des Befestigungselements
und/oder einen Abschnitt mit einer Vertiefung, die auf die Hinterschneidung
aufschiebbar ist. Die Vertiefung kann hierbei beispielsweise als
eine umlaufende oder teilweise umlaufende Vertiefung ausgebildet
sein, wobei das Befestigungselement so ausgebildet sein kann, dass
es sich bei einer teilweise umlaufenden Vertiefung nicht vollständig um
die eigene Achse drehen kann, im Gegensatz zu dem Fall bei einer
umlaufenden Vertiefung.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform weist
das Befestigungselement einen Schaftabschnitt auf, der durch Teile
der variablen Turbinengeometrieeinrichtung hindurchführbar ist
und an seinem Ende an der variablen Turbinengeometrieeinrichtung
befestigbar ist. Beispielsweise kann das Befestigungselement durch
die Öffnung
eines Distanzstücks,
eines Wälzkörperelements,
zweier Schaufellagerringe und eines dazwischen angeordneten Distanzelements
hindurchführbar
gestaltet sein.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist das Ende des Befestigungselements mit wenigstens einem Federelement
versehbar, mit dem das Befestigungselement die variable Turbinengeometrieeinrichtung
an dem Gehäuse
des Turboladers befestigt. Das Federelement drückt dabei die variable Turbinengeometrieeinrichtung
gegen das Gehäuse
des Turboladers.
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Aufgrund
der Federwirkung des Federelements kann das Federelement beispielsweise
auch Axialkräfte
zumindest teilweise ausgleichen bzw. aufnehmen im Gegensatz zu einer
Schraube als Befestigungselement.
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Gemäß einer
anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
weist das Ende des Befestigungselements eine Vertiefung, beispielsweise
eine umlaufende Vertiefung auf, in die das Federelement einrastbar
ist oder einen Abschnitt mit einem kleineren Durchmesser als der
Schaftabschnitt, auf den das Federelement aufschiebbar ist und beispielsweise mittels
einer Mutter drauf befestigbar ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren
der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Vorderansicht eines Lagergehäuseflansches
eines Turboladers mit einem Befestigungssystem für eine variable Turbinengeometrieeinheit
VTG gemäß einer
ersten Ausführungsform der
Erfindung,
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2 eine
Schnittansicht des Befestigungssystems zur Befestigung einer variablen
Turbinengeometrieeinheit VTG an dem Lagegehäuseflansch gemäß 1;
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3 eine
Schnittansicht A-A eines Haltebereichs des Befestigungssystems gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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4 eine
Schnittansicht eines Haltebereichs des Befestigungssystems gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung; und
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5 eine
weitere Schnittansicht eines Haltebereichs des Befestigungssystems
gemäß einer dritten
Ausführungsform
der Erfindung.
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In
allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern
nichts anderes angegeben ist – mit
denselben Bezugszeichen versehen worden.
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In 1 ist
zunächst
eine Vorderansicht eines Flansches 10 eines Lagergehäuses 12 eines Turboladers 14 gemäß der Erfindung
gezeigt. Dabei sind drei Befestigungsabschnitte 16 dargestellt,
zum Befestigen einer variablen Turbinengeometrieeinrichtung VTG 18.
Grundsätzlich
können
auch weniger als drei Befestigungsabschnitte 16 oder mehr
als drei für
die Befestigung 16 einer variablen Turbinengeometrieeinrichtung 18 vorgesehen
werden, je nach Funktion und Einsatzzweck.
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Die
Befestigungsabschnitte 16, wie sie in der 1 dargestellt
sind, dienen dazu, jeweils ein Befestigungselement 20 aufzunehmen,
das an seinem vorderen Ende einen Kopfabschnitt 22 aufweist.
Der Kopfabschnitt 22 ist dabei in dem Beispiel in 1 in Form
eines verbreiterten Abschnitts dargestellt. Der Kopfabschitt 22 ist
hierbei in Form eines Konus ausgebildet, der gegenüber einem
Stift- bzw. Schaftabschnitt 24 des Befestigungselements 20 verbreitert ausgebildet
ist. Das hintere Ende des Befestigungselements 20 ist so
ausgebildet, dass es das Befestigungselement 20 an dem
zugeordneten Gehäuse befestigen
bzw. verspannen kann.
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Zum
Aufnehmen des Befestigungselements 20 weist der jeweilige
Befestigungsabschnitt 16 einen Einführbereich 28 auf,
sowie einen Haltebereich 30. Der Einführbereich 28 bildet
dabei eine Vertiefung in den das Befestigungselement 20 eingeführt wird, um
dort gehalten zu werden. Die Vertiefung des Einführbereichs 28 ist
dabei so ausgebildet, dass sie ausreichend groß ist, um das vordere Ende
des Befestigungselements 20 bzw. dessen Kopfabschnitt 22,
hier verbreiterten Abschnitt, aufzunehmen.
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An
den Einführbereich 28 schließt sich
der Haltebereich 30 des Befestigungsabschnitts 16 an. Der
Haltebereich 30 bildet dabei eine Vertiefung 32 mit
einer Hinterschneidung 34 bzw.
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eine
Nut mit einer Hinterschneidung 34. Der verbreiterte Abschnitt
bzw. Kopfabschnitt 22 wird hierbei nach dem Einführen in
den Einführbereich 28 des
Befestigungsabschnitts 16 weiter in den Haltebereich 30 geschoben.
Der Kopfabschnitt 22 bzw. hier verbreiterte Abschnitt wird
durch die Hinterschneidung 34 auf beiden Seiten der Vertiefung 32 gehalten und
so daran gehindert, dass er sich ungewollt aus dem Befestigungsabschnitt 16 lösen kann.
Der Stift- bzw. Schaftabschnitt 24 des Befestigungselements 20 ragt
dagegen nach außen
heraus. In 1 ist der Verlauf der Hinterschneidung 34 in
Form einer gestrichelten Linie angedeutet.
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Gemäß der Erfindung
ist die Hinterschneidung 34 so ausgebildet, dass das Befestigungselement 20 ein
Spiel aufweist. Mit anderen Worten, das Befestigungselement 20 bzw.
dessen Kopfabschnitt 22 kann sich in dem Haltebereich 30 von
einer Seite zur anderen Seite der Hinterschneidung 34 des
Haltebereichs 30 bewegen. Der Kopfabschnitt 22 und der
Stift- bzw. Schaftabschnitt 24 des Befestigungselements 20 werden
nicht vollkommen von dem Haltebereich 30 umschlossen, sondern
werden beweglich gehalten, wobei durch die Hinterschneidung 34 sichergestellt
ist, dass das Befestigungselement 20 sich nicht ungewollt
aus dem Haltebereich 30 lösen kann.
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In 2 ist
eine Schnittansicht durch das Befestigungssystem einer variablen
Turbinengeometrieeinheit 18 gemäß der Erfindung gezeigt. Dabei
ist das Befestigungselement 20 mit seinem vorderen Kopfabschnitt 22,
beispielsweise in Form eines Konus, in den zugeordneten Haltebereich 30 des
Turboladergehäuses,
hier beispielsweise den Flansch 10 des Lagegehäuses 12,
eingeführt
und wird dort gehalten.
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Die
variable Turbinengeometrieeinheit VTG 18 weist beispielsweise
zwei Schaufellagerringe 36 auf, die über ein Distanzelement 38,
wie eine Distanzhülse 40,
voneinander beabstandet sind. Zwischen den Schaufellageringen 36,
sind die beweglichen bzw. drehbaren Leitschaufeln vorgesehen. Des Weiteren
ist beispielsweise ein Wälzkörperelement 44 vorgesehen,
das drehbar auf dem Stift- bzw. Schaftabschnitt 24 des
Befestigungselements 20 angeordnet ist. Auf der Außenseite
des Wälzlagerelements 44 ist
ein Verstellringelement 46 der Verstelleinrichtung der
variablen Turbinengeometrieeinrichtung 18 angeordnet, über das
die Leitschaufeln geeignet verstellt werden können. Das Verstellringelement 46 wälzt bzw.
rollt hierbei auf der Außenseite des
Wälzkörperelement 44 ab.
Das Wälzkörperelement 44 ist
wiederum in einem Distanzstück 42 angeordnet,
das an dem Turboladergehäuse
vorgesehen ist, bzw. dem Lagergehäuse 12, wie in 2 gezeigt ist.
Das Distanzstück 42 umschließt dabei
das Wälzkörperelement 44 nur
teilweise, so dass das Verstellringelement 46 auf der Außenseite
des Wälzkörperelements 44 abrollen
kann, wie zuvor beschrieben wurde.
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Wie
in 2 des Weiteren gezeigt ist, ist der Kopfabschnitt 22 des
Befestigungselements 20 in dem Haltebereich 30 des
Turboladergehäuses
angeordnet. Dabei ist der Haltebereich 30 so ausgebildet, dass
das Befestigungselement 20 etwas Spiel hat, in 2 nach
oben und unten wie mit den Pfeilen X angedeutet ist. Dadurch entsteht
eine Art flexibler Lagerung der variablen Turbinengeometrieeinrichtung 18, die
es erlaubt, dass Zwangskräfte
abgefangen werden können,
die entstehen, wenn sich beispielsweise das Turboladergehäuse oder
dessen Teile thermisch aufheizen. Des Weiteren ermöglich ein
Federelement 48, das an dem hinteren Ende 26 des
Befestigungselements 20 angeordnet ist, Dehnung des Befestigungselements 20 beispielsweise
in Längsrichtung bzw.
Axialrichtung auszugleichen.
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Das
Befestigungselement 20 besitzt an seinem hinteren Ende 26 eine
Vertiefung 50, beispielsweise eine umlaufende Vertiefung,
wie in 2 gezeigt ist, in welche das Federelement 48 einrasten kann.
Grundsätzlich
kann auch jede andere Art der Befestigung eines oder mehrere Federelemente 48 an
dem Befestigungselement 20 vorgesehen werden, beispielsweise
Tellerfedern.
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Beispielsweise
kann das Federelement 48 in einer anderen Ausführungsform
auch an dem hinteren Ende 26 des Befestigungselements 20 aufgesteckt
werden, wobei das hintere Ende 26 des Befestigungselement 20 hierzu
einen kleineren Durchmesser aufweist, auf den das Federelement 48 aufgeschoben
werden kann. Um das Federelement 48 zu sichern, kann es
beispielsweise mit einer Mutter 52 oder einem anderen Befestigungsmittel
an dem Befestigungselement 20 gesichert werden. Die Mutter 52 ist
dabei gestichelt in 2 angedeutet.
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Darüber hinaus
können
wenigstens ein oder mehrere Dichtungselemente 54 zwischen
dem äußeren Schaufellagerring 36 und
dem Turboladergehäuse,
hier Turbinengehäuse 56 vorgesehen
sein. Beispielsweise kann eine Schraubenfeder oder eine C- oder
G-Ringdichtung vorgesehen
werden, um nur einige Beispiele für Dichtungselemente 54 zu
nennen.
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Wie
in 2 des Weiteren gezeigt ist, weist das Befestigungselement 20 einen
Stift- bzw. Schaftabschnitt 24 auf, mit einem durchgehenden,
konstanten Durchmesser. Grundsätzlich
kann der Stift- bzw. Schaftabschnitt 24 aber beliebig gestaltet
werden, ja nach Funktion und Einsatzzweck. So kann der Durchmesser
des Stift- bzw. Schaftabschnitts 24 beliebig variiert werden.
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Ebenso
ist die Erfindung auch nicht auf die Ausführung einer variablen Turbinengeometrieeinrichtung
VTG 18 beschränkt,
wie sie in 2 gezeigt ist. Die Darstellung
in 2 ist lediglich beispielhaft und außerdem stark
vereinfacht und nicht maßstäblich. Grundsätzlich kann
jede Art einer variablen Turbinengeometrieeinrichtung VTG 18 mittels
eines Befestigungssystems und des dazu gehörenden Befestigungselements 20 befestigt
werden, wie es z. B. in 2 gezeigt ist.
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In 3 ist
eine Schnittansicht A-A des Haltebereichs 30 des Befestigungssystems
gemäß einer ersten
Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Der Haltebereich 30 weist dabei
eine Hinterschneidung 34 mit abgeschrägten Seiten 58 auf,
die eine Art Konus bzw. Kegel bilden.
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In 4 ist
weiter eine zweite Ausführungsform
für einen
Haltebereich 30 des Befestigungssystems gemäß der Erfindung
gezeigt. Der Haltebereich 30 weist dabei eine Hinterschneidung 34 auf,
die statt abgeschrägter
Seiten beispielsweise abgerundete Seiten 58 aufweist.
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Des
Weiteren ist in 5 eine dritte Ausführungsform
für einen
Haltebereich 30 des Befestigungssystem gemäß der Erfindung
dargestellt. Der Haltbereich 30 bzw. dessen Hinterschneidung 34 weist
hierbei statt abgeschrägter
Seiten senkrechte Seiten 58 auf. Dabei kann der Kopfabschnitt 22 des Befestigungselements 20 nicht
nur in Form eines verbreiterten Abschnitts ausgebildet sein, wie
in 2 dargestellt ist, sondern stattdessen oder zusätzlich eine
Vertiefung 60 aufweisen, wie in 5 mit einer gestrichelten
Linie angedeutet ist. Die Vertiefung 60 kann dabei umlaufend
oder teilweise umlaufend ausgebildet sein. Beispielsweise kann der
Schaft auf zwei gegenüberliegenden
Seiten jeweils eine Vertiefung (nicht dargestellt) aufweisen.
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Grundsätzlich kann
die Form des Haltebereichs 30 und seiner Seiten 58 beliebig
variiert werden. Entscheidend ist, dass ein Kopfabschnitt 22 eines
Befestigungselements 20 darin aufgenommen werden kann und
ein ausreichendes Spiel des Befestigungselements 20 gewährleistet
ist, wobei das Befestigungselement 20 gleichzeitig sicher
durch die Hinterschneidung 34 des Haltebereichs 30 gehalten werden
kann, ohne sich ungewollt aus dem Haltebereich 30 lösen zu können. Die
Form des Kopfabschnitts 22 kann dabei in seiner Kontur
an die des Haltebereichs 30 bzw. seiner Hinterschneidung 34 angepasst
werden, muss es aber nicht. So kann beispielsweise, wie in 3 gezeigt
ist, der Kopfabschnitt 22 des Befestigungselements 20 ebenfalls eine
Konusform aufweisen, wie der Querschnitt des Haltebereichs 30 bzw.
seine Hinterschneidung 34. Entspre chendes gilt für die anderen
Beispiele, wie sie in den 4 und 5 gezeigt
sind.
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Des
Weiteren können
die Befestigungsabschnitte 16 so angeordnet sein, wie in 1 gezeigt ist,
so dass der Haltebereich 30 jeweils nach außen zeigt
und der Einführbereich 28 des
Befestigungsabschnitts 16 nach innen. Wahlweise kann wenigstens einer,
mehrere oder alle Haltebereiche 30 auch nach innen zeigen
und der entsprechende Einführbereich 28 nach
außen.
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Darüber hinaus
kann der Einführbereich 28 beispielsweise
zusätzlich
mit einem Verschlusselement (nicht dargestellt) verschlossen werden,
nachdem Einführen
des Befestigungselements 20, um ein ungewolltes Zurückbewegen
des Befestigungselements 20 in den Einführbereich 28 zusätzlich zu
verhindern. Ein solches Verschlusselement kann beispielsweise ein
Pfropfen aus Gummi oder einem anderen, möglichst wärme- oder hitzebeständigen,
Material sein.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise
modifizierbar. Die vorgenannten Ausführungsformen sind miteinander
kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmal davon.