DE10047405A1 - Turbolader, insbesondere Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Ein Turbolader weist eine Turbine und einen Verdichter auf, der mit der Turbine über eine Welle verbunden ist, welche in Gleitlagern aufgenommen ist, die über eine Ölversorgungseinrichtung mit Öl zu versorgen sind. Weiterhin ist eine Drehzahlerfassungseinrichtung zur Erfassung der Umlaufdrehzahl der Welle vorgesehen. DOLLAR A In einer konstruktiv einfachen Ausführung ist eine mit der Umlaufdrehzahl der Welle korrelierende Druckmodulationseinrichtung vorgesehen, über die der Öldruck in der Ölversorgungseinrichtung modulierbar ist, wobei die Drehzahlerfassungseinrichtung einen Öldrucksensor zur Messung des Öldrucks umfasst.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbolader, insbesondere einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, nach dem Ober­ begriff des Anspruches 1.

Abgasturbolader werden seit langem in Brennkraftmaschinen zur Leistungs- und Drehmomentsteigerung eingesetzt. Derartige Ab­ gasturbolader umfassen eine Abgasturbine, die im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordnet ist und von den Abgasen be­ aufschlagt wird, sowie einen Verdichter im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zur Komprimierung der angesaugten Verbren­ nungsluft auf einen erhöhten Ladedruck. Der Verdichter ist über eine Welle mit der Abgasturbine verbunden und wird von dieser angetrieben. Auf Grund der hohen Laderdrehzahlen, die bis zu 200.000 U/min betragen können, ist eine präzise Lagerung der umdrehenden Teile des Turboladers erforderlich, die - wie z. B. in der Druckschrift DE 35 22 595 C2 beschrieben - als Gleitlager im Gehäuse des Abgasturboladers ausgebildet sein können, welche über eine Öldruckversorgungseinrichtung mit Schmieröl versorgt werden.

Zur Steuerung und Regelung des Betriebsverhaltens der Brenn­ kraftmaschine in der befeuerten Antriebsbetriebsweise und auch im Motorbremsbetrieb spielt die Turboladerdrehzahl als das Be­ triebsverhalten des Laders bestimmende Information eine wichti­ ge Rolle. Die Drehzahl des Turboladers wird beispielsweise für Regeleingriffe in das Motormanagement benötigt. Ein weiterer Anwendungsfall ist die Einstellung der Position einer variablen Turbinengeometrie, über die der wirksame Turbineneintrittsquer­ schnitt zur Erweiterung des Leistungsspektrums des Laders und der Brennkraftmaschine sowohl in der befeuerten Antriebsbe­ triebsweise als auch im Motorbremsbetrieb im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine veränderlich eingestellt werden kann.

In der Druckschrift DE 690 01 636 T2 wird die Verwendung eines Drehzahlfühlers beschrieben, über den die Drehzahl der Welle erfasst und einer Steuereinrichtung zugeführt wird, welche aus dem die Drehzahl repräsentierenden Messsignal ein Stellsignal zum Öffnen eines Magnetventils generiert, über das einem Funk­ tionslager der Welle Öldruck zuführbar ist, um die Welle insbe­ sondere bei sehr hohen Drehzahlen einer Gleichgewichtskorrektur zu unterziehen.

Derartige Drehzahlfühler zur Erfassung der Turboladerdrehzahl sind beispielsweise als Induktivsensoren ausgebildet, die je­ doch einen wassergekühlten Turbolader erfordern.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Umlaufdrehzahl eines Turboladers mit hoher Zuverlässigkeit unter Verwendung einfacher baulicher Maßnahmen zu ermitteln.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Turbolader weist eine Druckmodulationsein­ richtung auf, über die der Öldruck in der Ölversorgungsrichtung modulierbar ist, welche die Gleitlager der Welle zwischen Tur­ bine und Verdichter mit Schmieröl versorgt. Die Druckmodulati­ onseinrichtung korreliert mit der Umlaufdrehzahl der Welle, so dass die Öldruckmodulation - die Druckschwankungen im Öl - als Maßzahl für die Umlaufdrehzahl herangezogen werden kann. Die Modulation des Öldrucks in der Ölversorgungseinrichtung lässt sich mit einem Öldrucksensor messen, der als handelsüblicher Drucksensor ausgebildet sein kann und dementsprechend konstruk­ tiv einfach aufgebaut sein kann und robust in der Anwendung ist. Man erzielt hierdurch eine signifikante Vereinfachung im Hinblick auf die Drehzahlerfassung des Turboladers, insbesonde­ re für den Fall, dass in der Ölversorgungseinrichtung ohnehin ein Drucksensor vorgesehen ist, welcher zur Regelung des Öl­ drucks in den Gleitlagern der Welle herangezogen wird; in die­ sem Fall kann der Öldrucksensor zusätzlich zur Messung des Ab­ solutdrucks eine weitere Funktion übernehmen, nämlich die Mes­ sungen von Druckschwankungen, die dem Öl über die Druckmodula­ tionseinrichtung aufgegeben werden und die als verhältnismäßig geringe Druckschwankungen dem verhältnismäßig hohen Absolut­ druck überlagert sind. Die Druckschwankungen können mit übli­ chen Auswertemethoden in einer nachgeschalteten Auswerteeinheit ausgewertet und daraus die Laderdrehzahl ermittelt werden.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist die Druckmodulations­ einrichtung als eine fest mit der Welle verbundene und umlau­ fende Modulationseinheit ausgebildet, welche als ein von der Rotationssymmetrie abweichendes und das Öl beaufschlagendes Bauteil ausgebildet sein kann, so dass bei jeder Umdrehung der Welle Druckpulsationen im Rhythmus der Laderdrehzahl im Öl ent­ stehen, die über den Öldrucksensor gemessen werden können. Die Druckpulsationen kommen durch die Abweichung der Modulations­ einheit von der Rotationssymmetrie zustande, indem bei jeder Umdrehung der Laderwelle bestimmte Abschnitte der Modulations­ einheit mit größerem Radius mit anderen Abschnitten mit kleine­ rem Radius abwechseln und in Wirkverbindung mit der Ölversor­ gungseinrichtung treten. Die Wirkverbindung wird vorteilhaft ausschließlich auf mechanischem Wege hergestellt, indem die Mo­ dulationseinheit ein Ölreservoir der Ölversorgungseinrichtung unmittelbar beaufschlagt, beispielsweise dadurch, dass Öl des Ölreservoirs unmittelbar mit der Modulationseinheit in Kontakt tritt. Bei einem Umlauf der Welle werden durch die sich abwech­ selnden Abschnitte der Modulationseinheit mit unterschiedlichem Radius die erforderlichen Druckpulsationen erzeugt, die druck­ sensorisch erfasst werden können.

Die Modulationseinheit ist in einer besonders einfach durchzu­ führenden Ausführung als ein Fräskanal ausgebildet, welche in den Wellenmantel eingebracht ist und sich bevorzugt in Umfangs­ richtung, jedoch nur über einen Teil des Umfanges der Welle, erstreckt, so dass bei jeder Wellenumdrehung derjenige radial zurückgesetzte Abschnitt des Wellenmantels, in den der Fräska­ nal eingebracht ist, mit demjenigen Abschnitt im Wellenmantel ohne Fräskanal abwechselt. Der Fräskanal ist hierbei bevorzugt symmetrisch in der Mitte der Welle zwischen Lader und Verdich­ ter angeordnet.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu ent­ nehmen, in der ein Turbolader mit einer Ölversorgungseinrich­ tung, einer Druckmodulationseinrichtung und einem Öldrucksensor dargestellt ist.

Der Turbolader 1 ist insbesondere als Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine ausgeführt und umfasst eine Turbine 2, wel­ che im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordnet ist und von den unter Überdruck stehenden Abgasen beaufschlagt wird, sowie einen Verdichter 3 im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine, welche über eine Welle 4 drehfest mit der Turbine 2 verbunden ist und von dieser angetrieben wird, woraufhin die angesaugte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet wird. Die Welle 4 ist in Öldruck-Gleitlagern 5 und 6 drehbar gela­ gert, über die die Turbine 2, der Verdichter 3 und die Welle 4 gegenüber einem Gehäuse 7 des Turboladers 1 abgestützt werden.

Die Gleitlager 5 und 6 werden über eine Ölversorgungseinrich­ tung 8 mit Schmieröl versorgt, die eine Ölzulaufleitung 9 mit einem darin angeordneten Öldrucksensor 15, einen Verteiler 10, zwei Ölversorgungskanäle 11 und 12 für die Zufuhr von Schmieröl zu den Gleitlagern 5 und 6, einen Öldruck-Modulationskanal 13 sowie eine Ölrücklaufleitung 14 umfasst. Die Ölversorgungsein­ richtung 8 versorgt über die Ölzulaufleitung 9, den Verteiler 10 und die Ölversorgungskanäle 11 und 12 die Gleitlager 5 und 6 mit Schmieröl.

Über den Öldrucksensor 15 kann eine geregelte Einstellung des Öldrucks in der Ölversorgungseinrichtung 8 durchgeführt werden kann. Hierzu wird der Öldruck über den Öldrucksensor 15 gemes­ sen und als Messsignal einer Regel- und Steuereinheit zuge­ führt, in der in Abhängigkeit von dem gemessenen Öldruck Stell­ signale erzeugbar sind, mit denen Stelleinrichtungen zur Ein­ stellung eines gewünschten Solldrucks zu beaufschlagen sind, mit denen das Schmieröl den Gleitlagern 5 und 6 zugeführt wer­ den soll.

Zur Bestimmung der Umlaufdrehzahl der Welle 4 ist eine Druckmo­ dulationseinrichtung vorgesehen, welche den Öldruck in der Öl­ versorgungseinrichtung 8 moduliert, indem Druckschwankungen bzw. -pulsationen dem Öldruck überlagert werden, welche ein Maß für die Umdrehungsdrehzahl darstellen. Auf diese Weise übernimmt der Öldrucksensor 15 zusätzlich zur Messung des Ab­ solutdrucks in der Ölversorgungseinrichtung 8 auch die Bestim­ mung der Umlaufdrehzahl der Welle. Die Druckpulsationen, die die Informationen über die Umlaufdrehzahl enthalten, liegen hierbei zweckmäßig in einer Größenordnung, die zwar vom Druck­ sensor detektiert werden kann, im Vergleich zum Absolutdruck jedoch zu vernachlässigen ist, so dass durch die Druckpulsatio­ nen keine Nachteile bei der Ölversorgung für die Gleitlager 5 und 6 bzw. für die Funktion der Gleitlager entstehen.

Die Druckmodulationseinrichtung besteht im Ausführungsbeispiel aus einem in die Welle 4 eingebrachten Fräskanal 16, welcher zweckmäßig in der Mitte zwischen Turbine 2 und Verdichter 3 bzw. Gleitlager 5 und Gleitlager 6 in den Wellenmantel einge­ bracht ist. Der Fräskanal 16 verläuft in Umfangsrichtung der Welle, erstreckt sich jedoch nur über einen Teilbereich des Um­ fanges. Dadurch existieren in der Ebene des Fräskanals 16 über denjenigen Abschnitt, über den sich der Fräskanal erstreckt, radial zurückgesetzte Abschnitte gegenüber der übrigen Mantel­ fläche der Welle 4.

Der Öldruck-Modulationskanal 13, welcher ebenso wie die Ölver­ sorgungskanäle 11 und 12 für die Gleitlager 5 bzw. 6 vom Ver­ teiler 10 abzweigt, mündet an die Welle 4 im Bereich der als Fräskanal 16 ausgeführten Druckmodulationseinrichtung. Während eines einzigen vollständigen Umlaufs der Welle 4 kommt das Öl im Öldruck-Modulationskanal 13 sowohl mit dem radial zurückge­ setzten Fräskanal 16 als auch mit denjenigen Wandabschnitten der Welle 4 in Berührung, welche keine Fräsbearbeitung aufwei­ sen und deren Radius demjenigen der Mantelfläche der Welle 4 entspricht. Auf Grund der unterschiedlichen Radien entsteht bei jedem Wellenumlauf eine Druckschwankung, wobei während eines Kontaktes des Öls mit einem radial zurückgesetzten Abschnitt - dem Fräskanal 16 - der Druck geringfügig abfällt und während eines Kontaktes mit einem relativ hierzu radial überhöhten Ab­ schnittes - die unbearbeitete Mantelfläche der Welle 4 - der Druck wieder zunimmt. Pro Umdrehung entsteht somit eine Druck­ schwankung, die vom Öldrucksensor 15 detektiert werden kann. Die Anzahl der Druckschwankungen ist proportional zur Umlauf­ drehzahl.

Anstelle eines Fräskanals eignen sich auch Ausnehmungen in der Mantelfläche mit einem vom Fräskanal abweichenden Querschnitt, beispielsweise Bohrungen. Außerdem können alternativ oder zu­ sätzlich zu radial zurückgesetzten Ausnehmungen auch radiale Überhöhungen auf der Mantelfläche vorgesehen sein. Schließlich kann es auch zweckmäßig sein, ein von der Welle separat ausge­ bildetes Bauteil, welches jedoch drehfest mit der Welle verbun­ den ist, als Druckmodulationseinrichtung mit radial zurückge­ setzten und radial überhöhten Abschnitten in einer Radialebene senkrecht zur Wellenlängsachse vorzusehen.

In einer weiteren Ausführung kann es angezeigt sein, die über die Modulationseinheit zu erzeugenden Druckschwankungen vom Druck in den Ölleitungen, über die die Gleitlager mit Öl zu versorgen sind, und/oder in der Ölzulaufleitung zu entkoppeln, um in den Gleitlagern und gegebenenfalls in der Ölversorgung einen konstanten, schwankungsfreien Druck einstellen zu können.

Claims (8)

1. Turbolader, insbesondere Abgasturbolader für eine Brenn­ kraftmaschine, mit einer Turbine (2) und einem Verdichter (3), der mit der Turbine (2) über eine Welle (4) verbunden ist, wel­ che in Gleitlagern (5, 6) aufgenommen ist, die über eine Ölver­ sorgungseinrichtung (8) mit Öl zu versorgen sind, und mit einer Drehzahlerfassungseinrichtung zur Erfassung der Umlaufdrehzahl der Welle, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlerfassungseinrichtung eine mit der Umlaufdreh­ zahl der Welle korrelierende Druckmodulationseinrichtung, über die der Öldruck in der Ölversorgungseinrichtung (8) modulierbar ist, und einen Öldrucksensor zur Messung des Öldrucks umfasst.

2. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmodulationseinrichtung als eine von der Rotati­ onssymmetrie abweichende, mit der Welle (4) fest verbundene Mo­ dulationseinheit ausgebildet ist.

3. Turbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseinheit als Fräskanal (16) in der Welle (4) ausgebildet ist.

4. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmodulationseinrichtung mit einem Ölreservoir der Ölversorgungseinrichtung (8) in Wirkverbindung steht.

5. Turbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ölreservoir einen Öldruck-Modulationskanal (13) um­ fasst, über den Öl der Druckmodulationseinrichtung zuführbar ist.

6. Turbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Öldruck-Modulationskanal (13) mit einer Ölzulauflei­ tung (9) kommuniziert, in der der Öldrucksensor angeordnet ist.

7. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmodulationseinrichtung symmetrisch in der Mitte der Welle (4) zwischen Turbine (2) und Verdichter (3) angeord­ net ist.

8. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ölrücklaufleitung (14) für den Rücklauf von Öl aus den Gleitlagern (5, 6) und der Öldruckmodulationseinrichtung vorgesehen ist.