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DE102008060251B4 - Exhaust gas turbocharger with variable turbine geometry - Google Patents

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Abstract

Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie, mit im Anströmbereich (4) des Turbinenrads (2) angeordneten Leitschaufeln (5), die an einem axial beweglichen Trägerring (7), welcher den Anströmbereich (4) zusammen mit einer gegenüberliegenden ringförmigen Radialfläche (8) axial begrenzt, um zur Turbinenradachse im Wesentlichen parallele Achsen schwenkbar gelagert und zwischen einer den Anströmbereich (4) im Wesentlichen absperrenden Schließlage und einer den Anströmbereich weitestgehend freigebenden Offenlage verstellbar sind, wobei die Leitschaufeln (5) zwischen der leitschaufelseitigen Stirnseite des Trägerrings (7) und der gegenüberliegenden ringförmigen Radialfläche (8) ein steuerbares axiales Spiel aufweisen, zu dessen Einstellung der Trägerring (7) axial verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Trägerring (7) und ringförmiger Radialfläche (8) mit zunehmendem Öffnungsgrad der Leitschaufeln (5) anwächst.Exhaust gas turbocharger with variable turbine geometry, with guide vanes (5) arranged in the inflow area (4) of the turbine wheel (2), which axially delimit the inflow area (4) on an axially movable carrier ring (7), together with an opposing annular radial surface (8), mounted pivotably about axes essentially parallel to the turbine wheel axis and adjustable between a closed position that essentially blocks the inflow area (4) and an open position that largely exposes the inflow area, the guide vanes (5) between the guide vane-side end face of the carrier ring (7) and the opposite annular one Radial surface (8) have a controllable axial play, for the adjustment of which the carrier ring (7) is axially adjustable, characterized in that the distance between the carrier ring (7) and the annular radial surface (8) increases as the opening of the guide vanes (5) increases.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader (ATL) mit variabler Turbinengeometrie, mit im Anströmbereich des Turbinenrads angeordneten Leitschaufeln gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an exhaust gas turbocharger (ETC) with variable turbine geometry, with guide vanes according to the preamble of claim 1 arranged in the inflow area of the turbine wheel.

Um bei Kraftfahrzeugen geringe Kraftstoffverbräuche erreichen zu können, werden vergleichsweise kleine Hubräume aufweisende Verbrennungsmotoren eingesetzt, die erst in Kombination mit Abgasturboladern die für das jeweilige Fahrzeug wünschenswerte Leistung erreichen. Dabei sind Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie bevorzugt, weil damit auch ein vergleichsweise hohes Motormoment bei niedrigen Drehzahlen erreichbar wird. Insbesondere kann durch die variable Turbinengeometrie ein so genanntes Turboloch vermieden werden.In order to be able to achieve low fuel consumption in motor vehicles, internal combustion engines with comparatively small cubic capacities are used, which only achieve the performance desired for the respective vehicle in combination with exhaust gas turbochargers. Exhaust gas turbochargers with variable turbine geometry are preferred because they also enable a comparatively high engine torque to be achieved at low speeds. In particular, a so-called turbo lag can be avoided through the variable turbine geometry.

Bei bisherigen Abgasturboladern haben die im Anströmbereich des Turbinenrads angeordneten Leitschaufeln zwischen dem Trägerring und der gegenüberliegenden radialen Ringfläche ein vergleichsweise großes axiales Spiel, um eine verklemmungsfreie Drehverstellung der Leitschaufeln bei hoher thermischer Belastung der Turbine des Abgasturboladers zu ermöglichen.In previous exhaust gas turbochargers, the guide vanes arranged in the inflow area of the turbine wheel between the carrier ring and the opposite radial ring surface have a comparatively large axial play in order to enable jamming-free rotary adjustment of the guide vanes when the turbine of the exhaust gas turbocharger is exposed to high thermal loads.

Dieses axiale Spiel ist zwar in der Offenlage der Leitschaufeln unbeachtlich, jedoch bedeutet es andererseits, dass sich der Anströmbereich des Turbinenrads nicht vollständig verschließen lässt, dass heißt in Schließlage der Leitschaufeln wird das Turbinenrad von einem nicht vernachlässigbaren und nicht steuerbaren Abgasstrom des zugeordneten Motors beaufschlagt.This axial play is irrelevant in the open position of the guide vanes, but on the other hand it means that the inflow area of the turbine wheel cannot be completely closed, i.e. when the guide vanes are in the closed position, the turbine wheel is acted upon by a non-negligible and uncontrollable exhaust gas flow from the associated motor.

Dementsprechend lässt sich der Abgasturbolader nicht optimal an die Betriebszustände des zugeordneten Verbrennungsmotors anpassen.Accordingly, the exhaust gas turbocharger cannot be optimally adapted to the operating states of the assigned internal combustion engine.

Zur Anpassung des Abgasturboladers an die jeweiligen Betriebszustände ist es grundsätzlich bekannt, den Trägerring oder die ringförmige Radialfläche axial beweglich anzuordnen und mit steuerbarem Druck in Richtung der Leitschaufeln zu drängen, so dass die Leitschaufeln zwischen dem Trägerring und der Ringfläche mit steuerbarer Kraft eingeklemmt werden.In order to adapt the exhaust gas turbocharger to the respective operating conditions, it is basically known to arrange the carrier ring or the annular radial surface in an axially movable manner and to push it with controllable pressure in the direction of the guide vanes so that the guide vanes are clamped between the carrier ring and the annular surface with controllable force.

So zeigt beispielsweise die DE 199 61 613 A1 auf der dem Trägerring gegenüberliegenden Seite der Leitschaufeln einen Ringkolben, der sich mit steuerbarem Druck gegen die zugewandten Flanken der Leitschaufeln andrücken lässt. Wenn die Leitschaufeln verstellt werden sollen, wird der Ringkolben druckentlastet, nach der Verstellung der Leitschaufeln wird der Ringkolben wiederum mit Druck beaufschlagt, so dass eine „Nullspalteinstellung“ erreicht wird.For example, the DE 199 61 613 A1 on the side of the guide vanes opposite the carrier ring, an annular piston which can be pressed against the facing flanks of the guide vanes with controllable pressure. If the guide vanes are to be adjusted, the pressure in the annular piston is relieved; after the guide vanes have been adjusted, pressure is applied to the annular piston again so that a “zero gap setting” is achieved.

Aus der US 5,769,602 A ist es bekannt, die Leitschaufeln zwischen zwei Ringscheiben anzuordnen, wobei die eine Ringscheibe stationär fest angeordnet ist, während die andere Ringscheibe einerseits zur Verstellung der Leitschaufeln drehbar und andererseits zum Andruck an die zugewandten Flanken der Leitschaufeln axial beweglich ist, so dass diese letztere Ringscheibe mit steuerbarem Druck in Richtung der anderen Ringscheibe angedrückt werden kann, so dass die Leitschaufeln mit optimaler Kraft zwischen den Ringscheiben eingeklemmt werden. Zur Erzeugung der Andruckkräfte bildet die andere Ringscheibe eine Stirnseite einer ringförmigen Druckkammer, die mit einem Druckfluid beaufschlagbar ist.From the U.S. 5,769,602 A it is known to arrange the guide vanes between two annular disks, with one annular disk being arranged in a stationary manner, while the other annular disk can be rotated on the one hand to adjust the guide vanes and on the other hand is axially movable to press against the facing flanks of the guide vanes, so that this latter annular disk is also movable controllable pressure can be pressed in the direction of the other annular disk, so that the guide vanes are clamped between the annular disks with optimal force. To generate the pressure forces, the other annular disk forms an end face of an annular pressure chamber to which a pressure fluid can be applied.

Aus der EP 1 420 152 A2 ist es bekannt, auf der dem Trägerring gegenüberliegenden Seite der verstellbaren Leitschaufeln eine axial bewegliche ringförmige Radialfläche vorzusehen, die nach Art eines Ringkolbens in einem ringförmigen Kolbenarbeitsraum angeordnet ist. Dieser Ringraum wird vom Druck der zum Turbinenrad strömenden Abgase beaufschlagt, so dass eine von den Betriebszuständen des Turboladers abhängige Drucksteuerung ermöglicht wird.From the EP 1 420 152 A2 It is known to provide an axially movable annular radial surface on the side of the adjustable guide vanes opposite the carrier ring, which is arranged in the manner of an annular piston in an annular piston working space. This annular space is acted upon by the pressure of the exhaust gases flowing to the turbine wheel, so that a pressure control dependent on the operating states of the turbocharger is made possible.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, die variable Turbinengeometrie zu optimieren.The object of the invention is now to optimize the variable turbine geometry.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of claim 1.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das axiale Spiel der Leitschaufeln an die jeweiligen Betriebsbedingungen anzupassen.The invention is based on the general idea of adapting the axial play of the guide vanes to the respective operating conditions.

Dazu kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, den Trägerring axial verstellbar anzuordnen. Dabei kann dem Trägerring einerseits eine Anschubfederung, die den Trägerring in Richtung der ringförmigen Radialfläche spannt und andererseits eine Ausrückvorrichtung zugeordnet sein, die den Trägerring gegen die Anschubfederung zurückzustellen gestattet.For this purpose, it can be provided according to an advantageous embodiment of the invention to arrange the carrier ring axially adjustable. On the one hand, the carrier ring can be assigned a push-spring system that tensions the carrier ring in the direction of the annular radial surface and, on the other hand, a disengagement device that allows the carrier ring to be reset against the push-spring system.

Vorteilhafter Weise können bei dieser konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung ähnliche Anschub- und Ausrückaggregate eingesetzt werden, wie sie für Kupplungen zwischen dem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs und dessen Antriebsmotor üblich sind.In this structural embodiment of the invention, it is advantageously possible to use similar push-on and release units as are customary for clutches between the drive train of a motor vehicle and its drive motor.

Gegebenenfalls können an der ringförmigen Radialfläche Anschläge zur Begrenzung des Stellhubs des Trägerrings in Richtung der Radialfläche angeordnet sein.If necessary, stops for limiting the adjustment stroke of the carrier ring in the direction of the radial surface can be arranged on the annular radial surface.

Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert wird.Furthermore, with regard to preferred features of the invention, reference is made to the claims and the following explanation of the drawing, on the basis of which a particularly preferred embodiment of the invention is explained in more detail.

Schutz wird nicht nur für ausdrücklich angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.Protection is claimed not only for expressly specified or represented combinations of features but also in principle for any combinations of the specified or represented individual features.

In der Zeichnung zeigt

  • 1 einen ausschnittsweisen Axialschnitt des Anströmbereichs des Turbinenrads des Abgasturboladers und
  • 2 entsprechende Schnittbilder, welche den Trägerring einerseits in an die radiale Ringfläche angenäherter Position und andererseits in von dieser Ringfläche abgerückter Position zeigen.
In the drawing shows
  • 1 a partial axial section of the inflow area of the turbine wheel of the exhaust gas turbocharger and
  • 2 corresponding sectional images showing the carrier ring on the one hand in a position approached to the radial ring surface and on the other hand in a position moved away from this ring surface.

Gemäß 1 ist in grundsätzlich bekannter Weise innerhalb eines nur ausschnittsweise dargestellten Turbinengehäuses 1 ein über eine Welle 2' drehfest mit einem Verdichterrad (nicht dargestellt) verbundenes Turbinenrad 2 drehbar angeordnet. Das Turbinengehäuse 1 besitzt einen bezüglich der Turbinenradachse radial außen liegenden Spiralraum 3, in den die von einem zugeordneten Verbrennungsmotor kommenden Abgase zunächst eintreten und aus dem sie über eine den Umfang des Turbinenrads 2 umschließende Anströmzone 4 auf das Turbinenrad 2 geleitet werden. Innerhalb der Anströmzone 4 sind Leitschaufeln 5 angeordnet, deren Schaufelebene in Schließlage der Leitschaufeln 5 im Wesentlichen tangential zu einem die Turbinenradachse zentrisch umschließenden Kreis liegt, so dass die Leitschaufeln 5 eine im Wesentlichen geschlossene, den Umfang des Turbinerads 2 umschließende Zylinderwand bilden, welche die Anströmzone 4 absperrt. In der Offenlage der Leitschaufeln 5 sind die Leitschaufelebenen im Wesentlichen radial zur Turbinenradachse ausgerichtet, so dass zwischen benachbarten Leitschaufeln 5 innerhalb der Anströmzone ein maximaler Freiraum für den Durchtritt der Abgase vom Spiralraum 3 zum Turbinenrad vorliegt.According to 1 is in a fundamentally known manner within a turbine housing which is only shown in part 1 one over a wave 2 ' Turbine wheel non-rotatably connected to a compressor wheel (not shown) 2 rotatably arranged. The turbine casing 1 has a spiral space located radially on the outside with respect to the turbine wheel axis 3 , in which the exhaust gases coming from an assigned internal combustion engine first enter and from which they pass over the circumference of the turbine wheel 2 surrounding inflow zone 4th on the turbine wheel 2 be directed. Within the inflow zone 4th are guide vanes 5 arranged, the blade plane in the closed position of the guide vanes 5 is essentially tangential to a circle centrally surrounding the turbine wheel axis, so that the guide vanes 5 a substantially closed, the circumference of the turbine wheel 2 The surrounding cylinder wall forms the inflow zone 4th shut off. In the open position of the guide vanes 5 the guide vane planes are aligned essentially radially to the turbine wheel axis, so that between adjacent guide vanes 5 within the inflow zone a maximum free space for the passage of the exhaust gases from the spiral space 3 to the turbine wheel.

Die Leitschaufeln 5 sind mit an ihnen fest angeordneten Achsen 6 an einem Trägerring 7 drehgelagert, welcher zusammen mit einer axial gegenüberliegenden ringförmigen Radialfläche 8 die Anströmzone 4 innerhalb des Turbinengehäuses 1 axial begrenzt.The guide vanes 5 are with axles fixed to them 6th on a carrier ring 7th rotatably mounted, which together with an axially opposite annular radial surface 8th the inflow zone 4th inside the turbine housing 1 axially limited.

Bei bisherigen Abgasturboladern ist der Trägerring 7 stationär angeordnet, das heißt der axiale Abstand zwischen Trägerring 7 und Radialfläche 8 ist unveränderbar und konstant. Dabei ist bei bisherigen Abgasturboladern der vorgenannte Abstand so bemessen, dass die Leitschaufeln 5 zwischen dem Trägerring 7 und der Radialfläche 8 ein hinreichendes axiales Spiel aufweisen, derart, dass auch dann, wenn sich die Abgastemperaturen in der Anströmzone 4 schnell und stark ändern, keine Verspannungen oder Verklemmungen der Leitschaufeln 5 zwischen dem Trägerring 7 und der Radialfläche 8 auftreten können. Wenn die Leitschaufeln 5 ihre Schließlage oder eine nur wenig geöffnete Lage einnehmen, wird durch dieses Spiel den Abgasen ein unerwünschter Bypass-Querschnitt geboten, über den die Abgase das Turbinenrad 2 unter einem nicht steuerbaren Anströmwinkel beaufschlagen.In previous exhaust gas turbochargers, the carrier ring is 7th arranged stationary, that is, the axial distance between the carrier ring 7th and radial surface 8th is unchangeable and constant. In previous exhaust gas turbochargers, the aforementioned distance is dimensioned such that the guide vanes 5 between the carrier ring 7th and the radial surface 8th have sufficient axial play such that even when the exhaust gas temperatures are in the inflow zone 4th change quickly and strongly, no tension or jamming of the guide vanes 5 between the carrier ring 7th and the radial surface 8th may occur. When the guide vanes 5 occupy their closed position or a slightly open position, this clearance provides the exhaust gases with an undesirable bypass cross-section through which the exhaust gases pass the turbine wheel 2 apply at a non-controllable angle of attack.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass sich der Trägerring 7 in Richtung der Turbinenradachse verstellen lässt.According to the invention it is now provided that the carrier ring 7th can be adjusted in the direction of the turbine wheel axis.

Gemäß 2 kann der Trägerring 7 bspw. mittels einer Anschubfederung 9, die in 2 lediglich stark schematisiert dargestellt ist, in Richtung der Radialfläche 8 gespannt werden, wobei durch Anschläge 10, die an der Radialfläche 8 bzw. stationär zur Radialfläche 8 angeordnet sind, ein Mindestabstand zwischen dem Trägerring 7 und der Radialfläche 8 vorgegeben wird.According to 2 can the carrier ring 7th for example by means of a push spring 9 , in the 2 is only shown in a highly schematic manner, in the direction of the radial surface 8th be tensioned, being through stops 10 that are on the radial surface 8th or stationary to the radial surface 8th are arranged, a minimum distance between the carrier ring 7th and the radial surface 8th is specified.

Mittels Ausrückhebel 11 kann dann der Trägerring 7 gegen die Kraft der Anschubfederung 9 von der Radialfläche 8 mehr oder weniger weit abgerückt werden.By means of a release lever 11 can then the carrier ring 7th against the force of the push-spring 9 from the radial surface 8th be withdrawn more or less far.

Dabei kann die Abrückbewegung in prinzipiell beliebiger Weise gesteuert werden.The moving away movement can in principle be controlled in any way.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Abstand zwischen Trägerring 7 und Radialfläche 8 mit zunehmendem Öffnungsgrad der Leitschaufeln 5 zu vergrößern.
Zudem ist es auch möglich, den Trägerring 7 von der Radialfläche 8 jeweils nur während einer Verstellung der Leitschaufeln 5 abzurücken und bei Beendigung der Leitschaufelverstellung wieder auf die Anschläge 10 aufzusetzen.According to the invention it is provided that the distance between the carrier ring 7th and radial surface 8th with increasing degree of opening of the guide vanes 5 to enlarge.
It is also possible to use the carrier ring 7th from the radial surface 8th in each case only during an adjustment of the guide vanes 5 move away and at the end of the guide vane adjustment again on the stops 10 put on.

Claims (5)

Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie, mit im Anströmbereich (4) des Turbinenrads (2) angeordneten Leitschaufeln (5), die an einem axial beweglichen Trägerring (7), welcher den Anströmbereich (4) zusammen mit einer gegenüberliegenden ringförmigen Radialfläche (8) axial begrenzt, um zur Turbinenradachse im Wesentlichen parallele Achsen schwenkbar gelagert und zwischen einer den Anströmbereich (4) im Wesentlichen absperrenden Schließlage und einer den Anströmbereich weitestgehend freigebenden Offenlage verstellbar sind, wobei die Leitschaufeln (5) zwischen der leitschaufelseitigen Stirnseite des Trägerrings (7) und der gegenüberliegenden ringförmigen Radialfläche (8) ein steuerbares axiales Spiel aufweisen, zu dessen Einstellung der Trägerring (7) axial verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Trägerring (7) und ringförmiger Radialfläche (8) mit zunehmendem Öffnungsgrad der Leitschaufeln (5) anwächst.Exhaust gas turbocharger with variable turbine geometry, with guide vanes (5) arranged in the inflow area (4) of the turbine wheel (2), which axially delimit the inflow area (4) on an axially movable carrier ring (7), together with an opposing annular radial surface (8), Mounted pivotably about axes essentially parallel to the turbine wheel axis and between a closed position that essentially blocks the inflow area (4) and a closed position that shuts off the inflow area largely releasing open position are adjustable, the guide vanes (5) between the guide vane-side end face of the carrier ring (7) and the opposite annular radial surface (8) have a controllable axial play, for the adjustment of which the carrier ring (7) is axially adjustable, characterized in that, that the distance between the carrier ring (7) and the annular radial surface (8) increases with the degree of opening of the guide vanes (5). Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der ringförmigen Radialfläche (8) zumindest ein Anschlag (10) zur Begrenzung des Stellhubs des Trägerrings (7) in Richtung der Radialfläche (8) angeordnet ist.Exhaust gas turbocharger after Claim 1 , characterized in that at least one stop (10) for limiting the adjusting stroke of the carrier ring (7) in the direction of the radial surface (8) is arranged on the annular radial surface (8). Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anschubfederung (9) den Trägerring (7) in Richtung der ringförmigen Radialfläche (8) spannt.Exhaust gas turbocharger according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that a thrust spring (9) tensions the carrier ring (7) in the direction of the annular radial surface (8). Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausrückvorrichtung (11) den Trägerring (7) von der ringförmigen Radialfläche (8) abzurücken gestattet.Exhaust gas turbocharger according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that a release device (11) allows the carrier ring (7) to be moved away from the annular radial surface (8). Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerring (7) bei bzw. während einer Verstellung der Leitschaufeln (5) abgerückt und nach vollendeter Verstellung wieder an die Radialfläche (8) angerückt wird.Exhaust gas turbocharger according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that the carrier ring (7) is moved away during or during an adjustment of the guide vanes (5) and is moved back to the radial surface (8) after the adjustment has been completed.
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