DE2910693A1

DE2910693A1 - Abgasturbolader fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2910693A1
Application number: DE2910693A
Authority: DE
Inventors: Werner Branscheid; Udo Hardt; Heinz Dipl Ing Schippers
Original assignee: Barmag Barmer Maschinenfabrik AG
Current assignee: Oerlikon Barmag AG
Priority date: 1979-03-19
Filing date: 1979-03-19
Publication date: 1980-10-02

Description

b a r m a g

Barmer Maschinenfabrik Akt iengeeellechaft

Hemecheid - Lennep

Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen"

Bag. 1109

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Bag. 1109 - 3 -

Die Erfindung bezieht eich auf einen Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen der i« Oberbegriff dee Ansprüche 1 definierten Art.

Derartige Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen bestehen aus einer Abgasturbine, die einen Zentrifugalverdichter antreibt, welcher die Verbrennungsluft unter erhöhten Druck setzt. Abgasturbolader dienen daher dem Zweck, die Abgasenergie der Brennkraftmaschine auszunutzen, um die Brennkraftmaschine mit Luft erhöhten Luftdruckes aufzuladen. Hierdurch wird die Leistung der Brennkraftmaschine gesteigert. Abgasturbolader finden sowohl bei Dieselnaschinen als auch bei Ottomotoren Anwendung.

Ein Abgasturbolader der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art ist beispielsweise in der Deutschen Patentanmeldung Aktenzeichen P 28 29 150.1 (* Bag. 1077) beschrieben. Die in der Zeichnung dargestellte Konstruktion des Abgasturboladern zeigt zwischen dem Verdichtergehttuse und dem Lagergehäuse ein Dichtelement, das in der Rückwand des VerdichtergehKuses angeordnet ist, um zu verhindern, daß ein Teil der komprimierten Verbrennungsluft entlang der gemeinsamen Welle für das Turbinen- und das Verdichterrad in das Lagergehäuse entweicht. Bei gedrosseltem Luftstrom wird aber auch verhindert, daß bei einem im Ansaugstutzen des Verdichters gebildeten unterdruck über die Bohrung in der Rückwand des Verdichters ein Olnebel/Luftgemisch aus dem Lagergehäuse angesaugt und in die Zylinder gedrückt wird.

Nachteilig bei der bekannten Ausführung ist es, daß bekannte Dichtelemente bei den relativ hohen Temperaturen und den hohen Drehzahlen der gemeinsamen Welle des Abgasturbolader* nur gering· Standzeiten aufweisen und zum Ersetzen der Sichtung ein hoher Aufwand an Arbeitszeit betrieben werden muß.

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Andererseits iet es jedoch erforderlich, aufgrund von Umweltschutzbestimmungen zu verhindern, daß der Abgasturbolader bei geschlossener Drosselklappe am Luftansaugstutzen und laufendem Verdichterrad ein Olnebel/Luftgemisch aus dem Lagergehäuse ansaugt und in die Zylinder drückt, wo das Motorenöl verbrannt bzw.*) wird. Bei defekten Dichtungen zwischen dem Verdichtergehäuse und dem Lagergehäuse kann das Ansaugen und Verbrennen eines derartigen Schmieröl-/Luftgemi6ches an der intensiven Blaufärbung der Auspuffgase festgestellt werden. ·) verdampft

Es besteht somit die Aufgabe, eine konstruktive Maßnahme anzugeben, durch die verhindert wird, daß bei gedrosseltem Betriebszustand des Motors der von der Abgasturbine angetriebene Zentrifugalverdichter ein Schfflieröl-/Verbrennungsluftgeaiech ansaugt und in den Zylinderraum fördert, wobei die Abdichtung zwischen dem Lagerund dem Verdichtergehäuse im wesentlichen wartungsfrei ist und zumindest eine Standzeit aufweist, die mit den übrigen Standzeiten der Bauteile des Abgasturboladers vergleichbar hoch ist.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1. In den Ansprüchen 2 bis k ist die Erfindung weiter ausgestaltet, wobei vorteilhafte und bevorzugte konstruktive Maßnahmen angegeben sind.

Der Vorteil der Erfindung gegenüber den Abgasturboladern nach dem Stand der Technik liegt darin, daß das Dichtelement zwischen dem Lagergehäuse und dem Verdichtergehäuse nach der Erfindung nicht mehr als ein Verschleißteil ausgebildet, sondern durch ein Bauteil ersetzt wird, dae bei richtiger Dimension!erung und Werkstoff auswahl mindestens die gleiche Lebensdauer aufweist wie die übrigen Teil· des Verdichters oder der Abgasturbine.

Die Dichtwirkung zwischen der drehenden Welle und der Durchdringung in der Rückwand dee Verdichtergehüuses wird nach der Erfindung

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dadurch erreicht, daß mit Hilfe dee zusätzlichen Verdichterrades eine Sperrluftetrömung erzeugt wird, die in das Lagergehäuse gerichtet ist und die einer Lecketröraung entgegenwirkt, die - bei Unterdruck auf der Saugseite des Verdichterradee - vom Lagergehäuse ins Verdichtergehäuse gerichtet ist.

Ee sei darauf hingewiesen, daß das Verdichterrad im einfachsten Fall eine kreisförmige Scheibe aus einem geeigneten Werkstoff, vorzugsweise aus Stahlblech oder einer geeigneten Legierung, sein kann. Durch eine solche Scheibe wird die axial in das Gehäuse des zweiten Verdichterradee eindringende Luft in radialer Richtung beschleunigt,und ea wird verhindert, daß die am größeren Umfang des Rades angesammelte Luft um das Rad herum und in den radial weiter innen liegenden Bereich des Einlaßkanale strömen kann. Das Verdichterrad kann aber auch mit geeigneten, förderwirksamen Stegen, beispielsweise spiralförmig angeordneten Stegen oder bevorzugt mit einer Verdichterradbeschaufelung versehen sein, um eine gerichtete Druckströmung, insbesondere Sperrluftströmung zu erzeugen und gegenüber dem vom Lagergehäuse umschlossenen Raum zumindest einen geringen überdruck aufzubauen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung

der lediglich ein bevorzugtes AuefUhrungsbeispiel darstellenden Zeichnung.

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Abgasturbolader mit

den Merkmalen der vorliegenden Erfindung und in Fig. 2 ein Detail in Vergrößerung dargestellt.

Der Abgasturbolader ist aus den drei Qehäuseteilen: Turbinengehäuse 1, Lagergehäuse 2 und Verdichtergehäuse 3 zusammengesetzt. Alle diese Qehäuseteile sind gegeneinander zentriert,und zwar das Turbinengehäuse 1 gegenüber dem Lagergehäuse 2 im Flansch h und das Verdientergehäuse 3 gegenüber dem Lagergehäuse 2 mit dem Vorsprung 5 ia der Ausnehmung 6. Xn dem Lagergehäuse 2 ist die

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rillt it ·· · »·

Welle 7 in hydraulischen Hadiallagern mit den Lagerbuchsen 8 und 9 sowie dem Axiallager 33 drehbar gelagert. Die hydraulischen Lager 8, 9 und 33 werden durch Bohrungen 10, 11, 12 bzw. Jih mit Schmieröl versorgt. Das Drucköl tritt zu beiden Seiten . der Lagerbüchsen 8, 9 an der Welle 7 und in den Lageraugen 29, 30 wieder aus und fließt durch Öffnung 13 iro Lagergehäuse 2 in die Ölwanne der Brennkraftmaschine ab, um von dort durch die Ölpumpe wieder angesaugt und in den Schraierölkreielauf gepreßt zu werden.

Auf dem einen Ende der gemeinsamen Welle 7 ist das Abgasturbinenrad 1*t mit der Nabe 15 und der Turbinenbeschaufelung 16 gelagert. Das Verdichterrad 17 ist am anderen Wellenende drehfest gelagert. Ee besteht aus der Nabe 18 und der Beschaufelung 19·

Der bis dahin konventionelle Abgasturbolader weist gemäß der älteren Patentanmeldung Aktenzeichen P 28 29 150.1 die Besonder- {·■ heit auf, daß das Lagergehäuse 2 gegenüber dem Turbinengehäuse 1 | wärmeisoliert und dazu gekühlt ist. Hierzu sind die folgenden % Maßnahnen ergriffen:

Die Begrenzungewand 20 dee Turbinengehäuees 1 und die Begrenzungs- ν

wand 21 des Lagergehäueee 2 eind so auegebildet, daß eie mitein- ; ander einen ringförmigen Kühlepalt 22 bilden. Der Kühlspalt 22 erstreckt sich so weit wie möglich bis an den Umfang der Welle 7

und schließt gegenüber der Achse des Turboladers einen Kegel- ?;

winkel ein, der die Wärmekonvektion der im Kühlepalt 22 einge- |j

echloeeenen Luft erlaubt. Der Eingraum wird durch den Flansch k ':

begrenzt, welcher eich in radialer Richtung erstreckt und der _Γί

Zentrierung des Turbinengehäuses 1 gegenüber dem Lagergehäuse 2 |

dient. Der Flansch k weist in Einbau stellung des Abgasturbolader, P

d.h. in der Stellung, in der die Öffnung I3 nach unten weist, ;*■;

unten und oben jeweils ein Loch 23 und Zh auf. Die sehr heiße \\

Begrenzungewand 20 dee Turbinengehäueee 1 ruft in dem Ringraum |

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111·! · » ·

infolge der Kaninwirkung einen ständigen Luftetrom hervor, der einerseits eine Wärmeisolierung und andererseits eine aktive KUhlung der Begrenzungewand 20 des Turbinengehäusee 1 und der Begrenzungewand 21 des Lagergehäuses 2 bewirkt.

Ale weitere Maßnahme kann die Begreazungswand 20 und/oder die Begrenzungewand 21 mit einem wärmeieolierenden Material beschichtet sein bzw. aus einem wärmeisolierenden Material bestehen.

Zusätzlich zur Wärmeisolierung des Lagergehäusee 2 wird die Begrenzungewand 21 des Lagergehäuses 2 mit Schmieröl gekühlt. Dazu wird das über die radialen und axialen Bohrungen 25* 26, 27 durch die Welle 7 geleitete Schmieröl, das aus den Lagern 8, 9 axial ausgetreten ist und eich iro Ringraum 28 zwischen der Welle 7 und der Hülse 31 angesammelt hat, infolge der Zentrifugalkraft durch die Bohrung 27 nach außen auf die Begrenzungewand 21 des L*gergehäuses 2 geschleudert. Einzelheiten des Schmieröl-Kühl sy sterne sind der älteren Patentanmeldung Aktenzeichen P 28 29 150.1 zu entnehmen. Sie sind nicht Gegenstand der vorliegenden Anmeldung.

Zur Ausbildung des Axiallagere 33 eei erwähnt, daß dieses beispielsweise durch auf der Welle 7 befestigte Außenringe 35, mit größerem Durchmesser und einem Zwischenring 37 nit kleinerem Durchmesser gebildet wird, wobei der Zwischenring 37 mit einer Halteecheibe 38 kämmt, welche durch eine Bohrung Jk mit der Schmierölzuführung verbunden ist und welche mit dem Zwischenring 37 einen Ringspalt 32 bildet. Dieser Ringspalt 32 wird Über die Bohrung J>k mit Drucköl versorgt. Der Zwischenring 37 einerseits und die Halteecheibe 38 andererseits sind axial eo dimensioniert, daß zwischen den Außenringen 351 36 und der Halteecheibe 38 enge Spalte beetehen, durch welche das Drucköl sich durchquetschen kann und einen Schmierfilm auebildet.

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In dem Ausführungsbeispiel ist der in der Ausnehmung 6 des Lagergehäuses zentrierte Vorsprung 5 des Verdichtergehäuees 3 als Ringelement 50 ausgebildet, das zwei axiale Zentrierflansche aufweist. Im Inneren ist das Ringelement 50 bis auf einen schmalen axialen Steg 39 ausgedreht. Im Bereich zwischen dem Steg 39 einerseits und dem Außenring 35 des Axiallagere 33 andererseits ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein zweites Verdichterrad 40 drehfest auf der Welle 7 verspannt. Dieses Rad 40 weist eine Hehrzahl vorwärts gekrümmter Schaufeln auf und ist für ein Druckverhältnis von mindestens 2:1 bei einer nur geringen Förderleistung ausgelegt. Weiterhin ist ein Distanzring 41 drehfest in das Ringelement 50 eingesetzt. Dieser Distanzring 41, der das Radiallager 33 umgreift, definiert mit seiner dem Verdichterrad 40 zugewandten Stirnfläche einen Teil des diesem zugeordneten Verdichtergehäusee und den Auelaßkanal 42 für die Sperrluft. Zwischen der Distanzbuchse 43 auf der Welle 7i die zwischen dem Außenring 35 des Axiallagers 33 und dem Verdichterrad 4o angeordnet ist, und dem Distanzring 41 im Ringelement 50 können zusätzliche Maßnahmen, wie beispielsweise die Anordnung kolbenringähnlicher Dichtringe 48 zur Verhinderung von Leckstrb'mungen aus dem Lagergehäuse 2 in das Verdichtergehäuse 1 vorgesehen sein.

Schließlich ist die Bohrung im Steg 39 des Ringelementes 50, durch welche ein Teil des Einlaßkanals 44 der zusätzlichen Verdichterstufe gebildet ist, als Labyrinthdichtung vorgesehen, um mögliche Leckströmungen so weit wie möglich zu unterdrücken. Hierbei ist das Labyrinth durch entsprechende Nickelbleche gebildet, die von beiden Seiten als Deckel 47 auf die Stirnflächen des Steges 39 aufgesetzt werden und mit einem entsprechenden Vorsprung 45 auf der drehfest auf der Welle 7 angeordneten Buchse 46 zusammenwirken.

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BEZUGSZEICHENAUFSTELLUNG

1 Turbinengehäuse

2 Lagergehäuse

3 Verdichtergehäuse k Flansch

5 Vorsprung

6 Ausnehmung

7 Welle

8 hydraulisches Radiallager bzw. Lagerbuchse

9 hydraulisches Radiallager bzw. Lagerbuchse

10 Druckölbohrung

11 Druckölbohrung

12 Druckölbohrung

13 öffnung Abgasturbinenrad

15 Nabe }

16 Beschaufelung f ^der

17 Verdichterrad

¹J "^abe } für Zentrifugalverdichter

19 Beschaufelung J

20 Begrenzungswand des Turbinengehäuses

21 Begrenzungswand des Lagergehäuses

22 Kühlspalt

23 Loch, unten Zk Loch, oben

25 Axialbohrung

26 Radialbohrung

27 Radialbohrung

28 Ringraum

29 Lagerauge

30 Lagerauge

31 HUlee

- 10 -

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32 Ringepalt

33 Axiallager
}k Bohrung

- 10 -

Außenring

37 Zwischenring

38 Halteecheibe

39 Steg

kO Verdichterrad

M Dietanzring ■;

k2 Auelaßkanal ^:

^3 Dietanzbuchee

kk Einlaßkanal _f<.

^5 Vorsprung κ

Ί6 Buchse ^;

47 Deckel |

48 Dichtring | 50 Ringelement |

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Claims

• e It» ·· ft « · Bag. 1109 Ansprüche

1.]Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen mit einer Abgasturbine, die einen Zentrifugalverdichter antreibt, und bei dem das Turbinen- und das Verdichterrad jeweils an einem Ende einer gemeinsamen Welle drehfest angeordnet und das zugeordnete Turbinen- bzw. Verdichtergehäuse in axialem Abstand in einem Lagergehäuse zentriert sind, welches Lagergehäuse die Rückwand des Turbinen- und/oder Verdichtergehüuses definiert und die Lager fUr die gemeinsame Welle aufnimmt,
dadurch gekennzeichnet,

daß in axialem Abstand vom Verdichterrad (17) ein zweites Verdichterrad (UO) drehfest auf der gemeinsamen Welle (7) angeordnet ist, dessen zugeordnetes Verdichtergehäuse ($0) durch eine Auedrehung in der dem ersten Verdichterrad (17) abgewandten Rückwand des Verdichtergehauses (3) gebildet ist und dessen Auelaßkanal C+2) in einen vom Lagergehäuse (2) umschlossenen, unter Atmosphärendruck stehenden Raum mündet.

2· Abgasturbolader nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet.

daß das dem zweiten Verdichterrad C+C) zugeordnete Verdichtergehäuse durch radiale und axiale Auedrehung eines Ringelementes (50) gebildet ist. welches durch axiale Voreprunge zwischen dem Gehäuse (3) des ersten Verdichterrades (17) und dem Lagergehäuse (2) zentriert ist.

3* Abgasturbolader nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet.

daß die Gehäuse (3, JjC) für die beiden Verdichterräder O7, ) durch einen als Labyrinthdichtung zwischen der gemeinsamen

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(7) und I ff ff · · · ·
■ * · · ·
III · I · · ff · • # · * * · 2910693 (M* ) für - 2 - (50) auegebildeten Einlaß- dem Ringelenent die zweite Verdichterstufe verbunden sind. Welle kanal

k. Abgasturbolader nach mindestens einem der Ansprüche

1 bie 3.

dadurch gekennzeichnet.

daß die Beschaufelung des Verdichterradee (¹K)) vorwärts gekrümmt ist und für ein Druckverhältniβ von mindestens

2 : 1 bei geringer Mengenleistung ausgelegt ist.

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