DE102008038006A1 - Dichtring - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Dichtring (5), insbesondere ein Kolben- oder ein Wellendichtring, in einem Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass zumindest eine axiale Stirnseite (8) des Dichtrings (5) mit einer haihautartigen Mikrostruktur versehen ist, wodurch eine unerwünschte Leckage von Blow-by-Gasen oder von Lagerfluid zumindest reduziert werden soll.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dichtring, insbesondere einen Kolben- oder einen Wellendichtring in einem Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen, mit einem derartigen Dichtring abgedichteten Abgasturbolader sowie einen, mit einem derartigen Abgasturbolader ausgestatteten Verbrennungsmotor.
• Zur Erhöhung des Ladedrucks in einem Verbrennungsmotor, wird üblicherweise ein so genannter Abgasturbolader verwendet, mit welchem mehr Luft und damit auch mehr Sauerstoff pro Arbeitstakt in eine Brennkammer des Verbrennungsmotors eingebracht werden kann. Über die derart erhöhte eingebrachte Sauerstoffmenge, kann auch mehr Kraftstoff in die Brennkammer eingespritzt und damit die Leistung des Verbrennungsmotors gesteigert werden. Eine, ein Turbinenrad und ein Verdichterrad tragende Welle des Abgasturboladers ist dabei oftmals hydrodynamisch gelagert, wobei ein Austreten eines Lagerfluids, bspw. des Lageröls, insbesondere auf die Turbinenseite unbedingt vermieden werden muss, da es dort aufgrund der hohen Temperaturen zu einer Verkokung des Öls und damit langfristig zu einer Beschädigung des Abgasturboladers führen wird. Neben derartigen, die Funktionsfähigkeit des Abgasturboladers beeinträchtigenden Wirkungen, muss eine Lagerfluidleckage auch aufgrund immer strenger werdender Umweltschutzauflagen nach Möglichkeit vermieden werden. Hierzu sind bei bisher bekannten Abgasturboladern so genannte Kolbenringe vorgesehen, welche gehäuseseitig stationär angeordnet sind und in eine an der Welle eingebrachte Umfangsnut eingreifen. Durch eine derartige Labyrinthdichtung, soll der Austritt des Lagerfluids verhindert werden. Trotz derartiger Dichtringe, kann es bei bestimmten Betriebsbedingungen des Abgasturboladers zu einer Leckage und damit zu einem unerwünschten Austritt des Lagerfluids auf die Verdichterseite und/oder auf die Turbinenseite sowie zu einem ebenfalls unerwünschten Durchtritt von so genannten Blow-By-Gasen kommen.
• Aus der US 4,198,063 ist ein gattungsgemäßer Dichtring für einen Abgasturbolader bekannt.
• Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Dichtring der gattungsgemäßen Art, eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, mit welcher eine verbesserte Dichtwirkung erzielt werden kann.
• Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem an sich bekannten Kolben- bzw. Wellendichtring zumindest eine axiale Stirnseite des Dichtrings mit einer haihautartigen Mikrostruktur zu versehen, welche beim Betrieb des Abgasturboladers Mikrowirbel erzeugt, die ein Austreten von Lagerfluid zuverlässig verhindern, zumindest aber reduzieren können. In gleicher Weise wird durch die haihautartige Mikrostruktur, welche Riefenkämme und dazwischen liegende Riefentäler aufweist, eine Abdichtung gegen unerwünschte Blow-By-Gase erreicht, wodurch insbesondere der Wirkungsgrad eines mit einem derartigen erfindungsgemäßen Dichtring ausgestatteten Abgasturboladers gesteigert werden kann. Die zumindest eine Stirnseite des Dichtrings ist somit unter bionischen Gesichtspunkten ausgebildet, wobei aus der Biologie bekannte Effekte innovativ in technische Anwendungen umgesetzt werden. Die Bionik ist dabei ein interdisziplinärer Bereich, in dem Naturwissenschaftler und Ingenieure zusammen arbeiten. Im konkreten Beispiel wird dabei die Übertragung von aus der Biologie bekannten Effekten auf den Dichtring dadurch erreicht, dass zumindest eine axiale Stirnseite mit der erfindungsgemäßen haihautartigen Mikrostruktur versehen ist. Hierzu muss man wissen, dass die Haihaut mit einer Vielzahl an Zähnen bzw. Riefen ausgestattet ist, welche sowohl einen Reibungswiderstand des Hai's im Wasser verringern, als auch einen Befall von Parasiten nahezu gänzlich unterbinden. Die reibungsreduzierende Wirkung, wird dabei durch Mikrowirbel bewirkt, welche im Bereich der Riefenkämme und der dazwischen liegenden Riefentäler entstehen, wobei gleichzeitig eine Quer zu den Riefenkämmen gerichtete Strömung vermindert wird.
• Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, sind Riefen der Mikrostruktur kreisartig ausgebildet. Eine solch kreisartige Ausbildung der einzelnen Riefen der Mikrostruktur erschwert somit eine in Radialrichtung der Kolben- bzw. Dichtringe gerichtete Strömung, wodurch die mit den derartig ausgebildeten Dichtringen erzielbare Dichtwirkung deutlich verbessert werden kann. Darüber hinaus ist eine derartige haihautartige Riefenstruktur technisch einfach und kostengünstig an die entsprechenden Stirnseiten der Kolben- bzw. Wellendichtringe anzubringen, so dass die erhöhte Dichtwirkung mit relativ geringen Fertigungskosten erzielbar ist.
• Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
• Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
• Dabei zeigen, jeweils schematisch,
• 1 einen Längsschnitt durch einen Abgasturbolader im Bereich eines erfindungsgemäßen Dichtrings,
• 2 eine Axialansicht auf den erfindungsgemäßen Dichtring,
• 3 eine Detaildarstellung der erfindungsgemäßen haihautartigen Mikrostruktur.
• Entsprechend der 1, rotiert eine, ein Verdichterrad und ein Turbinenrad tragende Welle 1 eines im Übrigen nicht gezeigten Abgasturboladers um eine Wellenachse 2. Um dabei eine unerwünschte Leckage von Lagerfluid von einer Ölseite 3 her oder einen ebenfalls unerwünschten Durchtritt von so genannten Blow-By-Gasen von einer Abgasseite 4 her verhindern zu können, ist ein Dichtring 5 vorgesehen, welcher bspw. als Kolben- oder als Wellendichtring ausgebildet ist und welcher sich relativ zur Gehäuseseite 6 nicht bewegt, dass heißt insbesondere nicht mit der Welle 1 mitdreht. Mit seiner der Welle 1 zugewandten radialen Innenseite, greift der Dichtring 5 in eine an der Welle vorgesehene Umfangsnut 7 ein, wodurch zwischen der Ölseite 3 und der Abgasseite 4 eine Art Labyrinthdichtung erzeugt werden kann. Erfindungsgemäß ist nun zumindest eine axiale Stirnseite 8 des Dichtrings 5 mit einer haihautartigen Mikrostruktur (vgl. insbesondere 3) versehen.
• Die Mikrostruktur ist dabei vorzugsweise als so genannte Riefenstruktur ausgebildet und weist demgemäß im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Riefenkämme 9 sowie dazwischen liegende Riefentäler 10 auf. Die Riefenkämme 9 besitzen dabei gemäß der 3 einen spitzen, keilförmigen Querschnitt, wogegen die Riefentäler 10 einen abgerundeten Riefengrund aufweisen. Betrachtet man insbesondere die 2, so erkennt man, dass die einzelnen Riefenkämme 9 der Riefenstruktur kreisartig ausgebildet sind. Durch die erfindungsgemäß ausgebildete Mikrostruktur an zumindest einer axialen Stirnseite 8 des Dichtrings 5 wird aufgrund der sich dort beim Betrieb des Abgasturboladers, dass heißt bei einem Drehen der Welle 1, bildenden Mikrowirbel 11, ein Durchtritt von Blow-By-Gasen bzw. ein Durchtritt von Lagerfluid zumindest deutlich erschwert. Eine Riefenbreite S liegt dabei vorzugsweise zwischen 30 und 50 μm, während eine Riefenhöhe H vorzugsweise zwischen 15 und 25 μm liegt.
• Wie insbesondere der 2 dabei zu entnehmen ist, sind die einzelnen Riefenkämme 9 konzentrisch zueinander angeordnet und vorzugsweise auf beiden axialen Stirnseiten 8 des Dichtrings 5 vorgesehen.
• Aufgrund der beim Betrieb des Abgasturboladers, dass heißt bei einem sich Drehen der Welle 1, ergebende Zentrifugalkraft, strömt ein Ölfilm bzw. Luft oder Abgas aus der Umfangsnut 7 über die Stirnfläche 8 des Dichtrings 5 aus. Die Querströmung des Fluids trifft dabei direkt an die Kante der Riefenstruktur und strömt in dieser Riefenstruktur zurück, wodurch die Mikrowirbel 11, insbesondere die Mikroringwirbel 11, in den konzentrisch verlaufenden Riefentälern 10 induziert werden. Selbstverständlich können derartige Dichtringe 5 sowohl auf einer Verdichterseite als auch auf einer Turbinenseite des Abgasturboladers angeordnet sein.
• Mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Dichtringen 5, lässt sich somit sowohl eine unerwünschte Leckage von Lagerfluid, bspw. Öl, als auch eine unerwünschte Leckage von Blow-By-Gasen zumindest erheblich reduzieren, wodurch einerseits die Funktionssicherheit eines mit derartig ausgebildeten Dichtringen 5 versehenen Abgasturboladers gesteigert werden kann und wodurch andererseits den immer strenger werdenden Umweltschutzauflagen Rechnung getragen werden kann.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• - US 4198063 [0003]

Claims (9)

1. Dichtring (5), insbesondere ein Kolben- oder ein Wellendichtring in einem Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, durch gekennzeichnet, dass zumindest eine axiale Stirnseite (8) des Dichtrings (5) mit einer haihautartigen Mikrostruktur versehen ist.
2. Dichtring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur als Riefenstruktur ausgebildet ist, wobei eine Riefenbreite 30 < S < 50 μm und eine Riefenhöhe 15 < H < 25 μm beträgt.
3. Dichtring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Riefenkämme (9) der Riefenstruktur kreisartig verlaufen.
4. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (5) als stationärer Dichtring (5), insbesondere als ein an einem Gehäuse (6) eines Abgasturboladers fixierter Dichtring (5), ausgebildet ist, der in eine Umfangsnut (7) einer Welle (1) des Abgasturboladers eingreift.
5. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Riefenstruktur spitze, einen keilförmigen Querschnitt aufweisende Riefenkämme (9) mit einem jeweils zwischen zwei Riefenkämmen (9) liegenden abgrundeten Riefengrund (10) aufweist.
6. Abgasturbolader mit einer ein Turbinenrad und ein Verdichterrad tragenden Welle (1), die mittels zumindest eines Dichtrings (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 abgedichtet ist.
7. Abgasturbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl verdichterseitig als turbinenseitig jeweils ein Dichtring (5) vorgesehen ist.
8. Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 8.