DE102010013702A1

DE102010013702A1 - Turbine, Abgasturbolader, Kraftfahrzeug und Verfahren zur Montage einer derartigen Turbine

Info

Publication number: DE102010013702A1
Application number: DE102010013702A
Authority: DE
Inventors: Ralf Böning; Holger Fäth; Ralph-Maurice Kömpel
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2010-04-01
Filing date: 2010-04-01
Publication date: 2011-10-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbine (1) für einen Abgasturbolader (2), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Turbinengehäuse (3); und mit einem Wastegate-Ventil (4), das eine Wastegate-Klappe (5) aufweist, welche eine das Wastegate-Ventil (4) durchströmende Abgasmenge steuert, und das eine zumindest abschnittsweise in einem von dem Wastegate-Ventil (4) gebildeten Durchbruch (7) des Turbinengehäuses (3) positionierte Wastegate-Buchse (6) aufweist, welche als Ventilsitz für die Wastegate-Klappe (5) dient, wobei die Wastegate-Buchse (6) und das Turbinengehäuse (3) direkt miteinander form- und/oder kraftschlüssig verbunden sind. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Abgasturbolader (2) mit einer derartigen Turbine (1), ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Abgasturbolader (2) und ein Verfahren zur Montage einer derartigen Turbine (1).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Turbine, einen Abgasturbolader, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zur Montage einer derartigen Turbine.
Die DE 10 2004 041 166 A1 beschreibt den bekannten Aufbau eines Abgasturboladers für ein Kraftfahrzeug, der im Wesentlichen aus einer Radialturbine und einem im Ansaugtrakt des Motors angeordneten Radialverdichter mit einem Verdichterrad, welches über eine Turboladerwelle drehfest mit einem Turbinenrad der Radialturbine gekoppelt ist, besteht. Der Abgasstrom, der eine hohe kinetische und thermische Energie aufweist, treibt im Betrieb das Turbinenrad an, welches über die Kopplung mit der Turboladerwelle das Verdichterrad in Rotation versetzt. Der Radialverdichter saugt Luft an und verdichtet diese, wodurch im Ansaugtrakt des Motors eine entsprechend größere Masse Frischluft und damit mehr Sauerstoff zur Verfügung steht als bei einem herkömmlichen Saugmotor. Damit erhöht sich der Motor-Mitteldruck und somit das Motor-Drehmoment, was zu einer höheren Leistungsabgabe des Motors führt.
Zur Regelung der die Turbine durchströmenden Abgasmenge kann auf der Turbinenseite des Abgasturboladers u. a. ein so genanntes Wastegate-Ventil eingesetzt werden. Bei einem Wastegate handelt es sich um ein steuerbares Bypass-Ventil. Dieses leitet bei einem eingestellten Ladedruck auf der Verdichterseite einen Teil der erzeugten heißen Abgase um die Turbine herum direkt in den Auspuff. Dadurch kann eine zu hohe Drehzahl des Abgasturboladers und damit verbunden eine Überlastung der Lager sowie ein Überschreiten der mechanischen und thermischen Grenzen des Verbrennungsmotors verhindert werden. Da sich das Wastegate-Ventil und damit auch dessen Ventilsitz in dem heißen Abgasstrom befindet, ist der Ventilsitz sowohl thermisch als auch mechanisch stark belastet.
Der Abgasturbolader weist ein Turboladergehäuse auf, welches im wesentlichen aus einem Verdichtergehäuse zur Aufnahme des Verdichterrades, einem Turbinengehäuse zur Aufnahme des Turbinenrades und einem Lagergehäuse zur Aufnahme der Turboladerwelle besteht. Das Turbinengehäuse und das Lagergehäuse sind aufgrund der hohen thermischen Belastung, der sie über den Abgasstrom ausgesetzt sind, zumeist als schwere und damit kostenintensive Stahlguss- bzw. Graugussbauteile ausgebildet.
Aus Kosten- und Gewichtsgründen ist es jedoch vorteilhaft zumindest das Turbinengehäuse aus einem Leichtmetall auszubilden, z. B. aus einem Aluminiumwerkstoff. Da jedoch im Bereich des Ventilsitzes des Wastegate-Ventils eine besonders hohe thermische Belastung herrscht, kann es zu einem Schmelzen bzw. zu einer Zerstörung des Klappensitzes kommen, wodurch die Funktionalität des Wastegate-Ventils nicht mehr gegeben ist. Um dies zu verhindern wird der Ventilsitz bei Turbinengehäusen aus Leichtmetall oftmals durch eine in das Turbinengehäuse eingesetzte, thermisch belastbare Buchse gebildet. Die Buchse ist dabei aus einem thermisch höher belastbaren Werkstoff gefertigt, wie beispielsweise aus einer Stahllegierung. Zur Befestigung der Buchse wird diese mit beispielsweise zwei Schrauben an dem Turbinengehäuse verschraubt. Eine derartige Verschraubung ist allerdings schwer automatisiert zu montieren, erfordert den Einsatz zusätzlicher Bauteile und benötigt einen großen Bauraum.
Dies gilt es verständlicherweise zu vermeiden.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Turbine zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 und/oder durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 und/oder durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 10, 13 oder 15 gelöst.
Demgemäß sind vorgesehen:
Eine Turbine für einen Abgasturbolader, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Turbinengehäuse; und mit einem Wastegate-Ventil, das eine Wastegate-Klappe aufweist, welche eine das Wastegate-Ventil durchströmende Abgasmenge steuert, und das eine zumindest abschnittsweise in einem von dem Wastegate-Ventil gebildeten Durchbruch des Turbinengehäuses positionierte Wastegate-Buchse aufweist, welche als Ventilsitz für die Wastegate-Klappe dient, wobei die Wastegate-Buchse und das Turbinengehäuse direkt miteinander form- und/oder kraftschlüssig verbunden sind.
Ein Abgasturbolader, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer derartigen Turbine, die ein in dem Turbinengehäuse angeordnetes Turbinenrad aufweist; mit einem Verdichter, der ein in einem Verdichtergehäuse angeordnetes Verdichterrad aufweist, und mit einer Turboladerwelle, welche das Verdichterrad mit dem Turbinenrad drehfest verbindet.
Ein Kraftfahrzeug, welches mit einem derartigen Abgasturbolader ausgestattet ist.
Ein Verfahren zur Montage einer derartigen Turbine, mit den nacheinander durchgeführten Montageschritten: Bereitstellen einer Wastegate-Buchse und eines Turbinengehäuses; und Verschrauben eines auf einer Außenfläche der Wastegate-Buchse ausgebildeten Außengewindes mit einem dazu komplementären, auf einer Innenfläche eines von einem Wastegate-Ventil gebildeten Durchbruchs des Turbinengehäuses ausgebildeten Innengewindes, wobei die Wastegate-Buchse und das Turbinengehäuse mittels des Außen- und Innengewindes miteinander form- und/oder kraftschlüssig verbunden werden, und wobei die Wastegate-Buchse zumindest abschnittsweise in dem Durchbruch positioniert wird.
Ein Verfahren zur Montage einer derartigen Turbine, mit den nacheinander durchgeführten Montageschritten: Bereitstellen einer Wastegate-Buchse und eines Turbinengehäuses; zumindest abschnittsweises Positionieren der Wastegate-Buchse in einem von einem Wastegate-Ventil gebildeten Durchbruch des Turbinengehäuses; und Stemmverbinden der Wastegate-Buchse und des Turbinengehäuses miteinander, wobei die Wastegate-Buchse und das Turbinengehäuse mittels der Stemmverbindung miteinander form- und/oder kraftschlüssig verbunden werden.
Ein Verfahren zur Montage einer derartigen Turbine, mit den nacheinander durchgeführten Montageschritten: Bereitstellen einer Wastegate-Buchse und eines Turbinengehäuses; Abkühlen der Wastegate-Buchse und/oder Erwärmen des Turbinengehäuses; zumindest abschnittsweises Positionieren der Wastegate-Buchse in einem von einem Wastegate-Ventil gebildeten Durchbruch des Turbinengehäuses; und Aufheben einer zwischen der Wastegate-Buchse und dem Turbinengehäuse bestehenden Temperaturdifferenz, wobei die Wastegate-Buchse und das Turbinengehäuse mittels eines Querpressverbandes miteinander kraftschlüssig verbunden werden.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht nun unter anderem darin, dass die Wastegate-Buchse und das Turbinengehäuse direkt miteinander form- und/oder kraftschlüssig verbunden sind. Die Verbindung zwischen der Wastegate-Buchse und dem Turbinengehäuse erfolgt dabei entweder mittels Verschrauben oder mittels Verstemmen. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass zur Montage der Wastegate-Buchse in dem Turbinengehäuse keine zusätzlichen Befestigungselemente wie beispielsweise Schrauben erforderlich sind.
Mit der erfindungsgemäßen Turbine bzw. mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Montage einer derartigen Turbine ist somit eine vereinfachte und automatisierbare Montage der Wastegate-Buchse bei geringerem Bauraumbedarf und bei reduzierter Anzahl an Komponenten möglich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren der Zeichnungen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Wastegate-Buchse einen Absatz auf, welcher zur axialen Positionierung der Wastegate-Buchse in dem Durchbruch mit einem Anschlag des Turbinengehäuses in Wirkkontakt ist. Hierdurch ist die Wastegate-Buchse relativ zu dem Turbinengehäuse schnell und zuverlässig positionierbar, wodurch sich die Montagezeit und die Montagekosten der erfindungsgemäßen Turbine vorteilhaft reduzieren.
In einer typischen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Absatz seitliche Abflachungen, insbesondere seitliche Abfräsungen auf. Hierzu lässt sich zur Montage der Wastegate-Buchse ein Drehmoment auf diese aufbringen, wodurch die Montage der erfindungsgemäßen Turbine vereinfacht wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Wastegate-Buchse auf einer Außenfläche ein Außengewinde auf und der Durchbruch weist auf einer Innenfläche ein dazu komplementäres Innengewinde auf, wobei die Wastegate-Buchse und das Turbinengehäuse mittels des Außen- und Innengewindes miteinander form- und/oder kraftschlüssig verbunden sind. Dies ermöglicht eine schnelle und zuverlässige Montage der Wastegate-Buchse, die in einfacher Art und Weise automatisierbar ist. Hierdurch reduzieren sich die Herstellungskosten für die erfindungsgemäße Turbine.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine Sicherungsverstemmung zwischen dem Turbinengehäuse und der Wastegate-Buchse ausgebildet, die dazu vorgesehen ist, eine mittels dem Außen- und Innengewinde gebildete Schraubverbindung gegen Verdrehen zu sichern, wodurch zuverlässig ein selbsttätiges Lösen der Wastegate-Buchse durch im Betrieb der erfindungsgemäßen Turbine auftretende Vibrationen verhindert wird. Dies erhöht die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Turbine.
In einer dazu alternativen aber ebenso bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Wastegate-Buchse und das Turbinengehäuse mittels einer Stemmverbindung direkt miteinander form- und/oder kraftschlüssig verbunden. Dies ermöglicht eine besonders einfache Verbindung der Wastegate-Buchse mit dem Turbinengehäuse, wodurch sich die Produktionskosten für die erfindungsgemäße Turbine reduzieren.
In einer weiteren alternativen aber ebenso bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Wastegate-Buchse und das Turbinengehäuse mittels eines Querpressverbandes direkt miteinander kraftschlüssig verbunden. Dies ermöglicht einen besonders einfachen Aufbau der Wastegate-Buchse und eine besonders schnelle Montierbarkeit derselben, wodurch sich die Produktionskosten der erfindungsgemäßen Turbine ebenfalls reduzieren.
In einer typischen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird zur axialen Positionierung der Wastegate-Buchse in dem Durchbruch ein Absatz der Wastegate-Buchse mit einem Anschlag des Turbinengehäuses in Wirkkontakt gebracht. Dies ermöglicht ein schnelles und reproduzierbares Positionieren der Wastegate-Buchse in dem Turbinengehäuse, wodurch sich die Montage der erfindungsgemäßen Turbine vereinfacht.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden zur Sicherung gegen Verdrehen einer mittels dem Außen- und Innengewinde gebildeten Schraubverbindung das Turbinengehäuse und die Wastegate-Buchse miteinander sicherungsverstemmt. Dies verhindert zuverlässig ein ungewolltes Lösen der Wastegate-Buchse durch im Betrieb der Turbine auftretende Vibrationen. Dies erhöht die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Turbine.
Die oben genannten Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich in beliebiger Weise – sofern sinnvoll – miteinander kombinieren.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Abgasturboladers mit einer Turbine;
2 eine weitere perspektivische Ansicht der bevorzugten Ausführungsform des Abgasturboladers mit der Turbine gemäß der 1;
3A eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Wastegate-Buchse der Turbine gemäß der 1;
3B eine perspektivische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer Wastegate-Buchse der Turbine gemäß der 1;
3C eine perspektivische Ansicht einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform einer Wastegate-Buchse der Turbine gemäß der 1;
4 eine perspektivische Teilschnittansicht der bevorzugten Ausführungsform des Abgasturboladers mit der Turbine gemäß der 1;
5 eine Teilschnittansicht einer in der Turbine montierten Wastegate-Buchse entsprechend dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der 3A;
6 eine Teilschnittansicht einer in der Turbine montierten Wastegate-Buchse entsprechend dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der 3B;
7 eine Teilschnittansicht einer in der Turbine montierten Wastegate-Buchse entsprechend dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der 3C; und
8 eine Aufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasturbolader gemäß der 1.
In den Figuren der Zeichnungen sind – sofern nichts anderes ausgeführt ist – gleiche Bauteile, Elemente und Merkmale mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
Die 1 illustriert eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Abgasturboladers mit einer Turbine.
Eine Turbine 1 eines Abgasturboladers 2 weist zwei Gehäusehälften 20, 21 eines Turbinengehäuses 3 auf. Die Gehäusehälften 20, 21 sind entlang einer horizontalen Teilungsebene 22 geteilt. Die Teilungsebene 22 verläuft dabei bevorzugt durch eine Mittelachse einer Turboladerwelle 17 des Abgasturboladers 2. In dem Turbinengehäuse 3 ist ein Turbinenrad 31 angeordnet. Das Turbinenrad 31 ist mit der Turboladerwelle 17 drehfest verbunden. Das Turbinenrad 31 kann insbesondere integraler Bestandteil der Turboladerwelle 17 sein. In dem Turbinengehäuse 3 ist weiterhin ein Wastegate-Ventil 4 mit einer Wastegate-Klappe 5 und einer Wastegate-Buchse 6 angeordnet. Die Wastegate-Buchse 6 dient als Ventilsitz für die Wastegate-Klappe 5. Das Wastegate-Ventil 4 bildet einen Durchbruch in dem Turbinengehäuse 3. Die Wastegate-Klappe 5 ist über eine Ansteuerkinematik 23 verstellbar. Mittels der Ansteuerkinematik 23 ist eine das Wastegate-Ventil 4 durchströmende Abgasmenge steuerbar. Das Turbinengehäuse 3 ist bevorzugt aus Leichtmetall, zum Beispiel aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet.
Die 2 illustriert eine weitere perspektivische Ansicht der bevorzugten Ausführungsform des Abgasturboladers mit der Turbine gemäß der 1.
Die 2 zeigt zunächst das Turbinengehäuse 3 mit den Gehäusehälften 20, 21 und dem Wastegate-Ventil 4. Die Wastegate-Klappe 5 ist nicht dargestellt. Die Wastegate-Buchse 6 weist einen umlaufenden Absatz 8 auf, der mit einem Anschlag 9 des Turbinengehäuses 3, insbesondere der ersten Gehäusehälfte 20, in Wirkkontakt ist.
Die 3A zeigt eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Wastegate-Buchse der Turbine gemäß der 1.
Die Wastegate-Buchse 6 weist eine hohlzylinderförmige Grundform auf, wobei an einer Stirnfläche der Zylindergrundform der umlaufende Absatz 8 ausgebildet ist. Der umlaufende Absatz 8 weist beispielsweise zwei seitliche Abflachungen 18 auf, die insbesondere als seitliche Abfräsungen 18 ausgebildet sind. Die seitlichen Abflachungen 18 sind bevorzugt parallel und beabstandet zueinander angeordnet und dienen beispielsweise als Angriffsflächen für ein Werkzeug zum Aufbringen eines Drehmomentes auf die Wastegate-Buchse 6. Alternativ dazu können anstatt lediglich zwei Abflachungen 18 auch eine Vielzahl an Abflachungen an dem Absatz 8 vorgesehen sein, beispielsweise in Form eines Sechskantschraubenkopfes. Eine Außenfläche 10 der zylindrischen Grundform der Wastegate-Buchse 6 weist ein Außengewinde 11 auf. An der dem Absatz 8 abgewandten Stirnfläche der zylindrischen Grundform weist die Wastegate-Buchse 6 bevorzugt eine Einführschräge 24, beispielsweise in Form einer Fase auf. Als Material für die Wastegate-Buchse findet beispielsweise ein Stahlwerkstoff Anwendung.
Die 3B illustriert eine perspektivische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer Wastegate-Buchse der Turbine gemäß der 1.
Die Ausführungsform der Wastegate-Buchse 6 gemäß der 3B der unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß der 3B dadurch, dass auf der Außenfläche 10 der Wastegate-Buchse 6 kein Außengewinde vorgesehen ist. Die Außenfläche 10 ist als glatte zylindrische Fläche ausgebildet. Die Wastegate-Buchse 6 kann weiterhin, beispielsweise im Bereich des Absatzes 8 eine Nut 25 aufweisen. Die Nut 25 kann dabei beispielsweise als Ringnut um den Absatz 8 herumlaufen oder als Kanalnut 25 in Längsrichtung der Wastegate-Buchse 6 ausgebildet sein. Die Wastegate-Buchse 6 gemäß der 3A kann ebenfalls eine derartige Nut aufweisen.
Die 3C illustriert eine perspektivische Ansicht einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform einer Wastegate-Buchse der Turbine gemäß der 1.
Die Ausführungsform der Wastegate-Buchse 6 gemäß der 3C der unterscheidet sich von den Ausführungsformen gemäß der 3A und 3B dadurch, dass die Wastegate-Buchse 6 ringförmig als sogenannter Sitzring 6 ohne den Absatz ausgebildet ist. Der Sitzring 6 weist eine glatte Außenfläche 10 und zwei Stirnflächen 32, 33 auf. Zusätzlich kann der Sitzring 6 beispielsweise eine Nut 25 gemäß der Ausführungsform der Wastegate-Buchse 6 der 3B aufweisen.
Die 4 zeigt eine perspektivische Teilschnittansicht der bevorzugten Ausführungsform des Abgasturboladers mit der Turbine gemäß der 1.
Das Wastegate-Ventil 4 bildet in dem Turbinengehäuse 3, insbesondere in der ersten Gehäusehälfte 20 einen Durchbruch 7, welcher derart ausgestaltet ist, dass Abgas an dem Turbinenrad 31 vorbei leitbar ist. Die Wastegate-Buchse 6 ist zumindest abschnittsweise in dem Durchbruch 7 angeordnet, wobei der Absatz 8 mit dem Anschlag 9 in Wirkkontakt ist. Hierdurch wird die Wastegate-Buchse 6 in dem Durchbruch 7 axial positioniert. Die Wastegate-Buchse 6 ist mit der ersten Gehäusehälfte 20 des Turbinengehäuses 3 form- und/oder kraftschlüssig verbunden.
Die 5 illustriert eine Teilschnittansicht einer in der Turbine montierten Wastegate-Buchse entsprechend dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der 3A.
Der Durchbruch 7 weist auf einer Innenfläche 19 ein zu dem Außengewinde 11 der Wastegate-Buchse 6 komplementäres Innengewinde 12 auf. Die Wastegate-Buchse 6 und die erste Gehäusehälfte 20 des Turbinengehäuses 3 sind mittels des Außen- und Innengewindes 11, 12 miteinander form- und/oder kraftschlüssig verbunden. Zur Sicherung gegen ein Verdrehen der mittels dem Außen- und Innengewinde 11, 12 gebildeten Schraubverbindung zwischen der Wastegate-Buchse 6 und dem Turbinengehäuse 3 ist eine Sicherungsverstemmung 13 vorgesehen. Die Sicherungsverstemmung 13 wird beispielsweise dadurch ausgebildet, dass Material des Turbinengehäuses 3 derart plastisch verformt wird, dass dieses die Wastegate-Buchse 6 gegen ein Verdrehen sichert. Hierzu kann beispielsweise an der Wastegate-Buchse 6, insbesondere im Bereich des Absatzes 8 die Nut 25 zur Aufnahme des plastisch verformten Materials vorgesehen sein. Alternativ dazu ist Material des Turbinengehäuses 3 auch in den Bereich der seitlichen Abflachung 18 des Absatzes 8 hineingedrückt oder im einfachsten Fall, wie in 5 dargestellt, über den Absatz 8 geschoben.
Bei der Montage der Turbine 1 werden die folgenden nacheinander durchgeführten Montageschritte durchgeführt. Zunächst werden die Wastegate-Buchse 6 und das Turbinengehäuse 3, insbesondere die erste Gehäusehälfte 20, bereitgestellt. Die Wastegate-Buchse 6 wird zu dem von dem Wastegate-Ventil 4 gebildeten Durchbruch 7 des Turbinengehäuses 3 entsprechend ausgerichtet. Anschließend wird das auf der Außenfläche 10 der Wastegate-Buchse 6 ausgebildete Außengewinde 11 mit dem dazu komplementären, auf der Innenfläche 19 des Durchbruchs 7 ausgebildeten Innengewindes 12 verschraubt, wobei die Wastegate-Buchse 6 und das Turbinengehäuse 3 miteinander form- und/oder kraftschlüssig verbunden werden. Dabei wird die Wastegate-Buchse 6 zumindest abschnittsweise in dem Durchbruch 7 positioniert. Zur axialen Positionierung der Wastegate-Buchse 6 in dem Durchbruch 7 dient der Absatz 8 der Wastegate-Buchse 6 der mit dem Anschlag 9 des Turbinengehäuses 3 in Wirkkontakt gebracht wird, das heißt, die Wastegate-Buchse 6 wird solange in den Durchbruch 7 eingeschraubt bis der Anschlag 9 und der Absatz 8 aufeinander treffen. Das zum Einschrauben erforderliche Drehmoment kann beispielsweise über die seitlichen Abflachungen 18 des Absatzes 8 auf die Wastegate-Buchse 6 aufgebracht werden. Um zu verhindern, dass sich die Wastegate-Buchse 6, beispielsweise durch im Betrieb des Abgasturboladers 2 auftretende Vibrationen selbsttätig löst, werden die Wastegate-Buchse 6 und das Turbinengehäuse 3, insbesondere die erste Gehäusehälfte 20 miteinander sicherungsverstemmt. Hierzu wird Material des Turbinengehäuses 3 derart verformt, dass es sich in formschlüssigem Kontakt, beispielsweise mit der seitlichen Abflachung 18 der Wastegate-Buchse 6 befindet.
Alternativ dazu ist eine Verdrehsicherung der Verschraubung zwischen Wastegate-Buchse 6 und Turbinengehäuse 3 auch mittels eines aufgebrachten Schweißpunktes zu verwirklichen.
Die Turbine 1 ist dadurch, dass die Wastegate-Buchse 6 und das Turbinengehäuse 3 miteinander direkt form- und/oder kraftschlüssig verbunden sind mit einer minimalen Anzahl an Einzelkomponenten zu montieren. Zusätzliche Befestigungselemente zur Befestigung der Wastegate-Buchse 6 an dem Turbinengehäuse 3 sind nicht erforderlich.
Die 6 zeigt eine Teilschnittansicht einer in der Turbine montierten Wastegate-Buchse entsprechend dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der 3B.
Der Durchbruch 7 weist auf seiner Innenfläche 19 in diesem Ausführungsbeispiel keine Verschraubung auf. Die Wastegate-Buchse 6 ist mittels einer Stemmverbindung 14 direkt mit dem Turbinengehäuse 3, insbesondere mit der ersten Gehäusehälfte 20 form- und/oder kraftschlüssig verbunden. Die Stemmverbindung 14 ist dabei derart ausgebildet, dass Material des Turbinengehäuses 3 derart plastisch verformt wird, dass die Wastegate-Buchse 6 in dem Durchbruch 7 sowohl gegen ein Verdrehen als auch gegen ein axiales Verrutschen gesichert ist. Hierzu ist beispielsweise Material des Turbinengehäuses 3 über den Absatz 8 und/oder in die seitliche Abflachung 18 hineingedrückt. Alternativ dazu können zum Ausbilden der Stemmverbindung 14 an der Wastegate-Buchse 6 die Nut 25 oder mehrere Nuten zur Aufnahme von verformtem Material des Verdichtergehäuses 3 vorgesehen sein.
Zur Montage einer Turbine 1 mit einer Wastegate-Buchse 6 gemäß der 3B werden die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt. Zunächst werden die Wastegate-Buchse 6 und das Turbinengehäuse 3 bereitgestellt, wobei die Wastegate-Buchse 6 entsprechend zu dem von dem Wastegate-Ventil 4 ausgebildeten Durchbruch 7 positioniert wird. Die Wastegate-Buchse 6 wird zumindest abschnittsweise in dem Durchbruch 7 positioniert, wobei die Außenfläche 10 der Wastegate-Buchse 6 an der Innenfläche 19 des Durchbruchs 7 geführt wird. Zur exakten axialen Positionierung der Wastegate-Buchse 6 in dem Durchbruch 7 wird der Absatz 8 der Wastegate-Buchse 6 mit dem Anschlag 9 des Turbinengehäuses 3 in Wirkkontakt gebracht. Das heißt, die Wastegate-Buchse 6 wird soweit in den Durchbruch 7 eingeschoben oder eingepresst, bis der Absatz 8 und der Anschlag 9 einander berühren. Abschließend werden die Wastegate-Buchse 6 und das Turbinengehäuse 3, insbesondere die erste Gehäusehälfte 20 miteinander stemmverbunden, wobei die Wastegate-Buchse 6 und das Turbinengehäuse 3 mittels der Stemmverbindung 14 form und/oder oder kraftschlüssig verbunden werden. Zum Ausbilden der Stemmverbindung 14 wird Material des Turbinengehäuses 3 derart plastisch verformt, dass die Wastegate-Buchse 6 in dem Durchbruch 7 gegen ein Verdrehen und gegen ein axiales Verrutschen gesichert ist. Dies weist den Vorteil einer besonders einfachen Montage der Wastegate-Buchse 6 in dem Turbinengehäuse 3 auf.
Die 7 illustriert eine Teilschnittansicht einer in der Turbine montierten Wastegate-Buchse entsprechend dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der 3C.
Die Innenfläche 19 des Durchbruchs 7 des Turbinengehäuses 3 ist glatt ausgeführt. Die Wastegate-Buchse 6 ist mittels eines Querpressverbandes 34 direkt mit dem Turbinengehäuse 3, insbesondere mit der ersten Gehäusehälfte 20 kraftschlüssig verbunden. Die Wastegate-Buchse 6 ist dabei derart dimensioniert, dass diese mit einer Presspassung in dem Durchbruch 7 sitzt. Dabei liegt eine der Stirnflächen 32, 33 an dem Absatz 9 des Turbinengehäuses 3 an.
Zur Montage einer Turbine 1 mit einer Wastegate-Buchse 6 gemäß der 3C werden die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt. Zunächst werden die Wastegate-Buchse 6 in Form des Sitzrings 6 und das Turbinengehäuse 3 bereitgestellt. Anschließend wird das Turbinengehäuse 3 zumindest in dem Bereich des Durchbruchs 7 erwärmt, wobei sich ein Querschnitt des Durchbruchs 7 im Bereich des Absatzes 9 aufgrund von Wärmeausdehnung des Materials erweitert. Gleichzeitig wird der Sitzring 6 abgekühlt, wobei sich ein Außendurchmesser der Außenfläche 10 verringert. Optional kann auch nur eines der beiden Bauteile 3 bzw. 6 erwärmt bzw. abgekühlt werden. Der Sitzring 6 wird entsprechend zu dem von dem Wastegate-Ventil 4 ausgebildeten Durchbruch 7 positioniert. Aufgrund der Temperaturdifferenz und der daraus resultierenden unterschiedlichen geometrischen Dimensionen ist der Sitzring 6 in den Durchbruch 7 ohne großen Kraftaufwand einführbar und in diesem axial verschiebbar. Der Sitzring 6 wird zumindest abschnittsweise in dem Durchbruch 7 positioniert, wobei die Außenfläche 10 des Sitzrings 6 an der Innenfläche 19 des Durchbruchs 7 geführt wird. Bevorzugt wird der Sitzring 6 axial derart in dem Durchbruch 7 positioniert, dass dieser relativ zu einer Innenfläche des Turbinengehäuses 3 etwas versenkt ist. Zur exakten axialen Positionierung des Sitzrings 6 in dem Durchbruch 7 wird eine der Stirnflächen 32, 33 mit dem Anschlag 9 des Turbinengehäuses 3 in Wirkkontakt gebracht. Das heißt, der Sitzring 6 wird soweit in den Durchbruch 7 eingeschoben, bis eine der Stirnflächen 32, 33 und der Anschlag 9 einander berühren. Diejenige der Stirnflächen 32, 33, die nicht am Anschlag 9 anliegt dient als Ventilsitz für die Wastegate-Klappe 5. Bei einem Abkühlen des Turbinengehäuses 3 auf Raumtemperatur und/oder einem Erwärmen des Sitzrings 6 auf Raumtemperatur, d. h. bei einem Aufheben einer zwischen den Bauteilen 3, 6 bestehenden Temperaturdifferenz schrumpft das Gehäuse 3 im Bereich des Durchbruchs 7 auf den Sitzring 6 auf. Es wird zwischen den Bauteilen 3, 6 der Querpressverband 34 ausgebildet. Der Sitzring 6 ist dann gegen ein Verdrehen und Herausfallen gesichert. Die Dimensionen des Sitzrings 6 und des Durchbruchs 7 sind dabei derart gewählt, dass auch im Betrieb einer Turbine 1 mit einem derart montiertem Sitzring 6 keine Lockerung des Querpressverbundes aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung der Materialien des Sitzrings 6 und des Turbinengehäuses 3 auftritt. Zusätzlich kann der Sitzring 6 mit dem Turbinengehäuse 3 verstemmt werden. Die Variante des Sitzrings 6 gemäß der 3C weist den Vorteil einer besonders einfachen Herstellbarkeit des Sitzrings auf.
Die 8 illustriert eine Aufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasturbolader gemäß der 1.
Ein Verbrennungsmotor 26 mit mehreren Zylindern 27 ist über eine Abgasleitung 28 fluidisch mit dem in dem Turbinengehäuse 3 angeordneten Turbinenrad 31 der Turbine 1 gekoppelt. Das Wastegate-Ventil 4 mit der Wastegate-Klappe 5 stellt für das Abgas einen Bypass um die Turbine 1 dar. Das Turbinenrad 31 ist über die Turboladerwelle 17 mit einem Verdichterrad 16 drehfest verbunden. Das Verdichterrad 16 ist in einem Verdichtergehäuse 15 eines Verdichters 30 des Abgasturboladers 2 angeordnet. Das Verdichterrad 16 ist über einen Ansaugtrakt 29 mit dem Verbrennungsmotor 26 fluidisch gekoppelt.
Im Betrieb des Verbrennungsmotors 26 mit dem Abgasturbolader 2 stellt der Verbrennungsmotor 26 über die Abgasleitung 28 dem Turbinenrad 31 Abgas zur Verfügung. Durch das Turbinenrad 31 wird die Enthalpie des Abgases erniedrigt und die kinetische und thermische Energie des Abgases wird in Rotationsenergie umgewandelt. Die Rotationsenergie wird über die Turboladerwelle 17 auf das Verdichterrad 16 übertragen. Das Verdichterrad 16 saugt Frischluft an, komprimiert diese und führt die komprimierte Frischluft über den Ansaugtrakt 29 dem Verbrennungsmotor 26 zu.
Dadurch, dass in dem komprimierten Luftvolumen pro Volumeneinheit mehr Sauerstoff vorhanden ist, kann im Verbrennungsmotor 26 pro Luftvolumeneinheit mehr Kraftstoff verbrannt werden, wodurch sich die Leistungsausbeute des Verbrennungsmotors 26 erhöht. Je nach Betriebszustand des Verbrennungsmotors 26 kann über das Wastegate-Ventil Abgas an der Turbine 1 vorbeigeleitet werden, beispielsweise bei einer konstant hohen Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor 26 mit einem Abgasturbolader 2 unter Volllast bei hohen Drehzahlen. Durch ein Vorbeileiten eines Teils des Abgases an der Turbine wird zuverlässig ein Überladen des Verbrennungsmotors 26 verhindert. Dadurch, dass der Abgasturbolader 2 eine erfindungsgemäße Turbine 1 aufweist, kann die Herstellung des Abgasturboladers wie zuvor beschrieben mit einer minimalen Anzahl an Komponenten durchgeführt werden. Hierdurch reduziert sich das Gewicht, die Herstellungskosten und der Energieverbrauch eines Verbrennungsmotors 26 mit einem Abgasturbolader 2 mit einer Turbine 1.
Die aufgeführten Materialien, Zahlenangaben und Dimensionen sind beispielhaft zu verstehen und dienen lediglich der Erläuterung der Ausführungsformen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere können Merkmale der einzelnen, oben aufgeführten Ausführungsbeispiele – sofern dies technisch sinnvoll ist – beliebig miteinander kombiniert werden.
In einer bevorzugten Modifikation der vorliegenden Erfindung wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Wastegate-Buchse und dem Turbinengehäuse, beispielsweise über ein Rotationsreibschweißverfahren, hergestellt. Hierdurch ist eine besonders einfache und schnelle Montage der Turbine möglich.
Die angegebene Turbine und der angegebene Abgasturbolader sind besonders vorteilhaft im Kraftfahrzeugbereich und hier vorzugsweise bei Personenkraftfahrzeugen, beispielsweise bei Diesel- oder Ottomotoren, einsetzbar, lassen sich bei Bedarf allerdings auch bei beliebig anderen Turboladeranwendungen einsetzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004041166 A1 [0002]

Claims

Turbine (1) für einen Abgasturbolader (2), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Turbinengehäuse (3); und mit einem Wastegate-Ventil (4), das eine Wastegate-Klappe (5) aufweist, welche eine das Wastegate-Ventil (4) durchströmende Abgasmenge steuert, und das eine zumindest abschnittsweise in einem von dem Wastegate-Ventil (4) gebildeten Durchbruch (7) des Turbinengehäuses (3) positionierte Wastegate-Buchse (6) aufweist, welche als Ventilsitz für die Wastegate-Klappe (5) dient, wobei die Wastegate-Buchse (6) und das Turbinengehäuse (3) direkt miteinander form- und/oder kraftschlüssig verbunden sind.
Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wastegate-Buchse (6) einen Absatz (8) aufweist, welcher zur axialen Positionierung der Wastegate-Buchse (6) in dem Durchbruch (7) mit einem Anschlag (9) des Turbinengehäuses (3) in Wirkkontakt ist.
Turbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Absatz (8) seitliche Abflachungen (18), insbesondere seitliche Abfräsungen (18), aufweist.
Turbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wastegate-Buchse (6) auf einer Außenfläche (10) ein Außengewinde (11) aufweist und dass der Durchbruch (7) auf einer Innenfläche (19) ein dazu komplementäres Innengewinde (12) aufweist, wobei die Wastegate-Buchse (6) und das Turbinengehäuse (3) mittels des Außen- und Innengewindes (11, 12) miteinander form- und/oder kraftschlüssig verbunden sind.
Turbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sicherungsverstemmung (13) zwischen dem Turbinengehäuse (3) und der Wastegate-Buchse (6) ausgebildet ist, die dazu vorgesehen ist, eine mittels dem Außen- und Innengewinde (11, 12) gebildete Schraubverbindung gegen Verdrehen zu sichern.
Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wastegate-Buchse (6) und das Turbinengehäuse (3) mittels einer Stemmverbindung (14) direkt miteinander form- und/oder kraftschlüssig verbunden sind.
Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wastegate-Buchse (6) und das Turbinengehäuse (3) mittels eines Querpressverbandes (34) direkt miteinander kraftschlüssig verbunden sind.
Abgasturbolader (2), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Turbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die ein in dem Turbinengehäuse (3) angeordnetes Turbinenrad (31) aufweist; mit einem Verdichter (30), der ein in einem Verdichtergehäuse (15) angeordnetes Verdichterrad (16) aufweist, und mit einer Turboladerwelle (17), welche das Verdichterrad (16) mit dem Turbinenrad (31) drehfest verbindet.
Kraftfahrzeug, welches mit einem Abgasturbolader (2) nach Anspruch 8 ausgestattet ist.
Verfahren zur Montage einer Turbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit den nacheinander durchgeführten Montageschritten: Bereitstellen einer Wastegate-Buchse (6) und eines Turbinengehäuses (3); und Verschrauben eines auf einer Außenfläche (10) der Wastegate-Buchse (6) ausgebildeten Außengewindes (11) mit einem dazu komplementären, auf einer Innenfläche (19) eines von einem Wastegate-Ventil (4) gebildeten Durchbruchs (7) des Turbinengehäuses (3) ausgebildeten Innengewindes (12), wobei die Wastegate-Buchse (6) und das Turbinengehäuse (3) mittels des Außen- und Innengewindes (11, 12) miteinander form- und/oder kraftschlüssig verbunden werden, und wobei die Wastegate-Buchse (6) zumindest abschnittsweise in dem Durchbruch (7) positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur axialen Positionierung der Wastegate-Buchse (6) in dem Durchbruch (7) ein Absatz (8) der Wastegate-Buchse (6) mit einem Anschlag (9) des Turbinengehäuses (3) in Wirkkontakt gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Sicherung gegen Verdrehen einer mittels dem Außen- und Innengewinde (11, 12) gebildeten Schraubverbindung das Turbinengehäuse (3) und die Wastegate-Buchse (6) miteinander sicherungsverstemmt werden.
Verfahren zur Montage einer Turbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 6, mit den nacheinander durchgeführten Montageschritten: Bereitstellen einer Wastegate-Buchse (6) und eines Turbinengehäuses (3); zumindest abschnittsweises Positionieren der Wastegate-Buchse (6) in einem von einem Wastegate-Ventil (4) gebildeten Durchbruch (7) des Turbinengehäuses (3); und Stemmverbinden der Wastegate-Buchse (6) und des Turbinengehäuses (3) miteinander, wobei die Wastegate-Buchse (6) und das Turbinengehäuse (3) mittels der Stemmverbindung (14) miteinander form- und/oder kraftschlüssig verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur axialen Positionierung der Wastegate-Buchse (6) in dem Durchbruch (7) ein Absatz (8) der Wastegate-Buchse (6) mit einem Anschlag (9) des Turbinengehäuses (3) in Wirkkontakt gebracht wird.
Verfahren zur Montage einer Turbine (1) nach Anspruch 1 oder 7, mit den nacheinander durchgeführten Montageschritten: Bereitstellen einer Wastegate-Buchse (6) und eines Turbinengehäuses (3); Abkühlen der Wastegate-Buchse (6) und/oder Erwärmen des Turbinengehäuses (3); zumindest abschnittsweises Positionieren der Wastegate-Buchse (6) in einem von einem Wastegate-Ventil (4) gebildeten Durchbruchs (7) des Turbinengehäuses (3); und Aufheben einer zwischen der Wastegate-Buchse 6 und dem Turbinengehäuse bestehenden Temperaturdifferenz, wobei die Wastegate-Buchse (6) und das Turbinengehäuse (3) mittels eines Querpressverbandes (34) miteinander kraftschlüssig verbunden werden.