DE29909018U1 - Turbinengehäuse für Abgasturbolader - Google Patents

Description

DIPL.-ING. F. W. MOLL · DIPL.-ING. H. CH. BITTERICH ZUGELASSENE VERTRETER VOR DEM EUROPÄISCHEN PATENTAMT LANDAU/PFALZ

26.05.1999 B/Fa.

Heinrich Gillet GmbH & Co. KG, 67480 Edenkoben

Turbinengehäuse für Abgasturbolader

KORRESPONDENZ KANZLEI BANKVERBINDUNGEN

POSTFACH 20 80 WESTRING 17 DEUTSCHE BANK AG LANDAU

D-76B10 LANDAU/PFALZ :··.:*·· . * ' . jj-1<jß& OVgDAlMfA^ * . .". .1 .. 02 184 o4(BWS546 700 95)

I '. I" .* *&Pgr;&.&idigr;&thgr;£&bgr;*&idiagr;3/&bgr;&iacgr;&Ogr;&Ogr;&bgr;;2&bgr;»&bgr;5 J &iacgr; &Idigr; .'*. POSfBAHK LubwiGSHAFEN

TELEGRAMME INVENTION..* :... . .·., F^jCO 63 tf I 21)3 S& ,.' *..' .'.. ' ..* 275 £a-S76 (01^545 100 67)

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft Turbinengehäuse für Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Abgasturbolader haben die Aufgabe, mit Hilfe der Energie, die in den einen Verbrennungsmotor verlassenden Abgasen stecken, die Verbrennungsluft des Motors zu verdichten. Abgasturbolader besitzen demzufolge drei Hauptkomponenten: ein Turbinengehäuse, in dem ein Turbinenrad mit hohen Drehzahlen rotiert, ein Ladergehäuse, in dem ein Pumpenrad rotiert, und ein dazwischenliegendes Lagergehäuse, in dem die das Turbinenrad und das Pumpenrad verbindende Welle gelagert ist.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist das Turbinengehäuse.

Wesentliche Teile des Turbinengehäuses sind ein Einlasstrichter, ein Laufradgehäuse mit einem Gaskanal, der sich vom Einlasstrichter ausgehend schneckenförmig verengt, ein Verbindungsflansch zum Lagergehäuse mit einer Öffnung, die groß genug ist, um das Turbinenrad einzuführen, und eine Dichtkante im Bereich des Einlasstrichters, an der der schneckenförmige Gaskanal endet. Es versteht sich, dass die vom Abgasstrom beaufschlagten Teile und Oberflächen strömungstechnisch optimiert sind.

Da Abgasturbolader unmittelbar hinter dem Zylinderauslass bzw. dem Motorkrümmer angeordnet werden, werden ihre Bestandteile von den heißen Abgasen hoch erhitzt. Das Gehäuse besteht daher aus Gussstahl, der auf eine maximale Betriebstemperatur von ca. 1100 ⁰C abgestimmt ist.

Die Gussgehäuse der herkömmlichen, in Kraftfahrzeugen verwendeten Abgasturbolader haben ein erhebliches Gewicht. Dieses Gewicht hat entsprechende Material- und Treibstoffkosten zur Folge. Ein weiterer Nachteil ist

die hohe Wärmekapazität eines solch schweren Turbinengehäuses, die beim Starten des Motors die Motorabgase stark abkühlt, so dass der dem Turbolader nachgeordnete Abgaskatalysator erst mit erheblicher zeitlicher Verzögerung seine Betriebstemperatur erreicht. Dies ist unbefriedigend.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Turbinengehäuse für Abgasturbolader anzugeben, das erheblich weniger Masse und Wärmekapazität besitzt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Turbinengehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zur Herstellung des Laufradgehäuses, des Einlasstrichters und des Auslassrohrs Blech verwendet. Blech hat aufgrund seines Herstellungsprozesses ein sehr viel homogeneres Gefüge als Gussmaterial. Blech hat von Hause aus eine gleichbleibende Stärke. Blech kann auch mit einfachen Mitteln verformt werden, je nach Tiefungsverhältnis durch Prägen oder durch Tiefziehen.

Erfindungsgemäß werden die das Turbinengehäuse bildenden Einzelteile bei der Herstellung gasdicht verschweißt. Anschließend werden die Flächen spanabhebend bearbeitet, die für einwandfreie Funktion der Turbine von Bedeutung sind.

Vorzugsweise ist das Auslassrohr in eine zentrale Öffnung des Laufradgehäuses eingeschweißt. Rohre können mit hoher Genauigkeit produziert werden, so dass der an dieser Stelle erforderliche minimale Spalt zu dem Turbinenrad mit geringem Aufwand eingehalten werden kann.

Wie schon erwähnt ist ein wesentliches strömungstechnisches Merkmal einer Abgasturbine die Dichtkante am Ende des schneckenförmigen Gaskanals. Gemäß

einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist die Dichtkante Teil des Laufradgehäuses. Dies entspricht in etwa der herkömmlichen Konstruktion.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung dagegen ist die Dichtkante Teil des Einlasstrichters. Diese Variante lässt sich einfacher realisieren.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung besteht der Einlasstnchter aus zwei Halbschalen, die miteinander verbunden, vorzugsweise mittels Laser verschweißt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Einlasstnchter jedoch einstückig. Der einstückige Einlasstnchter lässt sich auf unterschiedliche Weise herstellen.

Gemäß einer ersten Variante ist er mittels Innen-Hochdruck-Umformtechnik geformt.

Gemäß einer zweiten Variante ist er über einen Innendorn kalibriert. Diese Herstellungsart ist besonders einfach und preiswert.

Gemäß einer dritten Variante handelt es sich um ein Feingussteil.

Wie schon erwähnt sind das Laufradgehäuse und gegebenenfalls auch der Einlasstrichter aus Halbschalen zusammengesetzt. Dabei kommt der Verbindung der beiden Halbschalen eine nicht unerhebliche Bedeutung zu.

Gemäß einer ersten Variante sind die Halbschalen stumpf geschweißt, beispielsweise mittels Laser. Diese Verbindung ist spaltfrei und hat daher optimale strömungstechnische Eigenschaften.

Gemäß einer Variante sind die Halbschalen als Steckschalen ausgebildet und verschweißt. Diese Variante hat den Vorteil, dass das lichte Maß zwischen den Schalenhälften während der Produktion fein justiert werden kann.

Gemäß einer weiteren Variante sind die Halbschalen als Flanschschalen ausgebildet, wobei die Flansche flach aufeinander gelegt und gasdicht miteinander verbunden werden, beispielsweise verschweißt. Alternativ dazu ist eine Verbindung der Flansche auch durch Falzen möglich. Hierbei wird das Materialgefüge am wenigsten verändert.

Wie eingangs erwähnt werden die Bestandteile der Abgasturbinen von den heißen Abgasen auf hohe Temperaturen erwärmt. Dies hat eine entsprechend hohe Wärmestrahlung an die Umgebung, d. h. an die im Motorraum eines Kraftfahrzeugs angeordneten weiteren Komponenten zur Folge, die nach dem Stand der Technik durch entsprechende Isolierungen vor einer Beschädigung geschützt werden müssen.

Dieses Hitzeproblem kann erheblich reduziert werden, wenn gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung das Turbinengehäuse von einem Außengehäuse aus Blech umgeben wird, wobei zwischen den Gehäusen ein Luftspalt eingehalten wird. Auch hier besteht das Außengehäuse bevorzugt aus zwei Halbschalen. Da das Außengehäuse weniger heiß wird, kann es aus einem preiswerten Blechmaterial hergestellt werden. Da das Außengehäuse auch keinen Kontakt mit der Abgasströmung hat, kann es mit relativ hohen Toleranzen und mit relativ geringer Detailtreue gefertigt werden. Deshalb können die Halbschalen des Außengehäuses ohne weiteres als Steck- oder Flanschschale ausgebildet werden, da die dabei etwa verbleibenden Kanten und Spalte nicht stören. Auch braucht das Außengehäuse nicht gasdicht zu sein, weil die Gasdichtigkeit bereits durch das innenliegende Turbinengehäuse gewährleistet wird.

&bull; ·

&bull; ·

&bull; ·

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Außengehäuse einerseits am Auslassrohr, andererseits am Verbindungsflansch zum Lagergehäuse angeschweißt. Schweißverbindungen sind an diesen Stellen ohne weiteres möglich, weil hier nur geringe Temperaturdifferenzen und relativ kurze Blechstrecken vorliegen.

Zwischen Einlasstrichter und Außengehäuse dagegen muss ein Schiebesitz vorgesehen werden.

Zur Stabilisierung dieses Schiebesitzes dient in an sich bekannter Weise ein Drahtkissen.

Aufgrund des geringen Gewichtes eines solchen aus Blech gefertigten Turbinengehäuses - erste Versuche haben gezeigt, dass das Gewicht auf weniger als ein Drittel gesenkt werden kann - besteht die Möglichkeit, den Eingangstrichter direkt mit dem Motorkrümmer dauerhaft zu verbinden, insbesondere wenn der Motorkrümmer selbst bereits aus Rohren und/oder Halbschalen geformt ist.

Eine alternative Variante sieht vor, dass der Eingangstrichter mit einem Verbindungsflansch zum Motorkrümmer versehen ist.

Analog dazu kann auch das Auslassrohr mit einem Verbindungsflansch versehen sein.

Zur Verbindung des Turbinengehäuses mit dem Lagergehäuse kann der Verbindungsflansch mit Bohrungen, beispielsweise Gewindebohrungen versehen sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Verbindung zwischen Turbinengehäuse und Lagergehäuse jedoch mit Hilfe eines Spannrings mit V-förmigem Querschnitt, der über geeignet geformte Flansche gespannt wird.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Turbinengehäuses eines Abgasturboladers,

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Turbinengehäuse entlang der Linie H-Il in Fig. 3,

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Turbinengehäuse der Fig. 2 entlang der Linie

Fig. 4 in perspektivischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel eines Turbinengehäuses,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch das Turbinengehäuse der Fig. 4 entlang der Linie V-V in Fig. 6 und

Fig. 6 einen Querschnitt durch das Turbinengehäuse der Fig. 5 entlang der Linie Vl-Vl.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung das Turbinengehäuse eines Abgasturboladers. Man erkennt einen Einlasstrichter 10, ein aus zwei Halbschalen 22, 23 zusammengesetztes Laufradgehäuse 20, einen Verbindungsflansch 30 zum Lagergehäuse (nicht dargestellt) des Abgasturboladers und ein Auslassrohr 50, durch das die Abgase die Turbine verlassen. Der Verbindungsflansch 30 besitzt vier Bohrungen 32, die der Befestigung am Lagergehäuse dienen, und einen Führungskanal 31, durch den das Turbinenrad (nicht dargestellt) in das Laufradgehäuse eingeführt wird.

^#.^s>i* J-:

Dem Auslassrohr 50 ist ein Bypaß-Gehäuse 80 nachgeordnet, welches über ein Bypaßrohr 81 mit dem Einlasstrichter 10 in Verbindung steht. Das Bypaßrohr 81 kann zum Zweck der Ladedruckregelung mittels eines Hebelmechanismus 82 geöffnet und geschlossen werden.

Alle in Fig. 1 dargestellten Gehäuseteile, ausgenommen der Verbindungsflansch 30, bestehen aus Blech, welches je nach Tiefungsverhältnis geprägt oder gezogen ist. Das Laufradgehäuse 20 besteht wie schon erwähnt aus zwei Halbschalen 22, 23. Der Einlasstrichter 10 besteht entweder ebenfalls aus zwei Halbschalen oder aus einem in geeigneter Weise verformten Rohr. Das Auslassrohr 50 besteht ebenfalls aus einem Rohr. Alle Gehäuseteile sind gasdicht miteinander verschweißt.

Einzelheiten der Gehäusekonstruktion ergeben sich aus dem in Fig. 2 dargestellten Längsschnitt und dem in Fig. 3 dargestellten Querschnitt.

In Fig. 2 erkennt man am Ende des Einlasstrichters 10 die strömungstechnisch wichtige Dichtkante 1, die einen minimalen Abstand zum Turbinenrad (nicht dargestellt) haben muss, um eine einwandfreie Gasführung und Turbinenfunktion zu gewährleisten. Im Laufradgehäuse 20 erkennt man den vom Einlasstrichter 10 ausgehenden, sich schneckenartig verengenden Gaskanal 21, der an der Dichtkante 1 endet.

Fig. 3 läßt ebenfalls den sich schneckenartig verengenden Gaskanal 21 erkennen sowie den Verbindungsflansch 30 und das Auslassrohr 50. Letzteres ist mit einem Verbindungsflansch 51 versehen.

Fig. 4 zeigt in perspektivischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel. Man erkennt einen geänderten Verbindungsflansch 40 zum Lagergehäuse des Abgasturboladers. Dieser Verbindungsflansch 40 ist so gestaltet, dass die

Verbindung zu dem entsprechend gestalteten Flansch des Lagergehäuses mit Hilfe eines Spannrings 42 hergestellt werden kann.

Fig. 5 als Längsschnitt und Fig. 6 als Querschnitt zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel.

Zunächst erkennt man, dass die Dichtkante 1 am Ende des schneckenartigen Gaskanals 21 Bestandteil des Laufradgehäuses 20 ist.

Des weiteren erkennt man, dass das Laufradgehäuse 20 von einem Außengehäuse 60 umgeben ist, wobei zwischen den beiden Gehäusen 20, 60 ein Luftspalt 61 besteht. Dieser Luftspalt 61 wirkt wärmeisolierend und reduziert somit die Wärmeabstrahlung der Turbine des Abgasturboladers.

Im Bereich des Einlasstrichters 10 besteht zwischen Einlasstrichter 10 und Außengehäuse 60 ein Schiebesitz 67, der den thermisch bedingten Längenausgleich zwischen den Blechteilen ermöglicht. Ein Drahtkissen 2 stabilisiert den Schiebesitz 67.

Das Außengehäuse 60 besteht aus zwei Halbschalen 62, 63. Diese sind mit überstehenden Flanschen 64 versehen, die eine mechanische Falzverbindung ermöglichen.

Wie insbesondere Fig. 6 erkennen lässt, ist das Außengehäuse 60 im Bereich des Verbindungsflansches 30 zum Lagergehäuse und im Bereich des Auslassrohrs bzw. dessen Verbindungsflansches 51 mit dem Laufradgehäuse 20 bzw. dem Auslassrohr 50 verschweißt. Dabei kann die Verbindung zwischen Flansch 51, Außengehäuse 60 und Auslassrohr 50 mit einer einzigen Schweißnaht 66 erfolgen. Die Schweißverbindungen sind möglich, weil einerseits die Abmessungen und andererseits die Temperaturdifferenzen an dieser Stelle nur gering sind.

Fig. 5 zeigt, dass der Einlasstrichter 10 mit Hilfe einer Schweißnaht 71 direkt an einen Motorkrümmer 70 angeschweißt werden kann. Der Motorkrümmer 70 und das Turbinengehäuse des Abgasturboladers bilden somit eine mechanische
Einheit. Dies ist ohne weiteres möglich, weil das Turbinengehäuse aufgrund der Herstellung aus Blech sehr leicht ist, so dass die hohen Temperaturen und die
Vibrationen des Fahrbetriebs keine mechanischen Probleme hervorrufen können.

Claims (23)

1. Turbinengehäuse für Abgasturbolader, im wesentlichen umfassend

- einen Einlasstrichter (10),

- ein Laufradgehäuse (20) mit einem Gaskanal (21), der sich vom Einlasstrichter (10) ausgehend schneckenförmig verengt,

- einen Flansch (30, 40) zur Verbindung mit dem Lagergehäuse des Abgasturboladers

- und ein zentrales Auslassrohr (50),

- im Laufradgehäuse (20) rotiert ein Turbinenrad,

- der schneckenförmige Gaskanal (21) endet im Bereich des Einlasstrichters (10) an einer Dichtkante (1),

gekennzeichnet durch die Merkmale:

- Einlasstrichter (10), Laufradgehäuse (20) und Auslassrohr (50) bestehen aus geprägtem bzw. tiefgezogenem Blech,

- das Laufradgehäuse (20) besteht aus zwei Halbschalen (22, 23),

- Einlasstrichter (10) und Auslassrohr (50) sind mit dem Laufradgehäuse (20) verschweißt.

2. Turbinengehäuse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- das Auslassrohr (50) ist in eine zentrale Öffnung des Laufradgehäuses (20) eingeschweißt.

3. Turbinengehäuse nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- die Dichtkante (1) ist Teil des Einlasstrichters (10).

4. Turbinengehäuse nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- die Dichtkante (1) ist Teil des Laufradgehäuses (20).

5. Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- der Einlasstrichter (10) besteht aus zwei Halbschalen.

6. Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- der Einlasstrichter (10) ist einstückig.

7. Turbinengehäuse nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- der Einlasstrichter (10) ist mittels Innen-Hochdruck-Umformtechnik (iHU- Technik) geformt.

8. Turbinengehäuse nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- der Einlasstrichter (10) ist über einen Innendom kalibriert.

9. Turbinengehäuse nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch das Merkmal: der Einlasstrichter (10) ist ein Feingussteil.

10. Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- die Halbschalen sind stumpf geschweißt.

11. Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- die Halbschalen sind als Steckschalen ausgebildet und verschweißt.

12. Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- die Halbschalen sind als Flanschschalen ausgebildet und verschweißt.

13. Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- die Halbschalen sind als Flanschschalen ausgebildet und mittels Falz verbunden.

14. Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Merkmale:

- Einlasstrichter (10) und Laufradgehäuse (20) sind von einem Außengehäuse (60) aus Blech umgeben,

- zwischen den Gehäusen (20, 60) existiert ein Luftspalt (61),

- das Außengehäuse (60) besteht aus zwei Halbschalen (62, 63).

15. Turbinengehäuse nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- das Außengehäuse (60) ist am Auslassrohr (50) und am Verbindungsflansch (30, 40) zum Lagergehäuse angeschweißt.

16. Turbinengehäuse nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- zwischen Einlasstrichter (10) und Außengehäuse (60) besteht ein Schiebesitz (67).

17. Turbinengehäuse nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- ein Drahtkissen (2) stabilisiert den Schiebesitz.

18. Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- der Einlasstrichter (10) ist mit einem Verbindungsflansch (70) zum Motorkrümmer versehen.

19. Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- der Einlasstrichter (10) ist mit dem Motorkrümmer verschweißt.

20. Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- das Auslassrohr (50) ist mit einem Verbindungsflansch (51) versehen.

21. Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 20, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- der Verbindungsflansch (30) zum Lagergehäuse ist mit Bohrungen (32), z. B. Gewindebohrungen versehen.

22. Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 20, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- der Verbindungsflansch (40) zum Lagergehäuse ist mit einem Spannring (42) versehen.