DE4330380A1

DE4330380A1 - Abgasturbolader mit mehrteiligem Lagergehäuse

Info

Publication number: DE4330380A1
Application number: DE19934330380
Authority: DE
Inventors: Helmut Embersits; Fritz Spinnler
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd
Priority date: 1993-09-08
Filing date: 1993-09-08
Publication date: 1995-03-09
Also published as: JPH07150961A; PL304881A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader zur Aufladung von Brennkraftmaschinen, mit einem Läufer aus einem Verdich terrad, einem mit dem Verdichterrad auf einer gemeinsamen Welle angebrachten Turbinenrad, je einem Verdichter- bzw. Turbinengehäuse und einem Lagergehäuse, wobei das Lager gehäuse das Verdichter- und das Turbinengehäuse miteinander verbindet und die Lagerung des Läufers aufnimmt. Dabei han delt es sich normalerweise um ein Radialverdichter- und ein Axial- oder Radialturbinenrad, wobei das Verdichter- und eventuell auch das Turbinengehäuse als Spiralgehäuse ausge bildet sind. Die Lagerung des Läufers ist bekannterweise mit tels Gleit- und/oder Wälzlager ausgeführt.

Solche Turbolader sind z. B. aus den Schriften DE-A-33 00 043 sowie DE-A-28 43 202 bekannt. Dem Stande der Technik entspre chend befindet sich die Lagerung der Welle, welche auf einer Seite den Verdichter und auf der anderen Seite die Turbine trägt, zwischen dem Verdichter- und dem Turbinenrad. Die Lagerung selbst ist Teil des Lagergehäuses, welches das Verdichter- und Turbinengehäuse verbindet. Das Lagergehäuse hat als weitere Funktion die Ölzu- und -abfuhr zu den Lager stellen der Welle. In der Schrift DE-A-33 00 043 bildet eine Partie des Lagergehäuses die Rückwand des radial angeordneten Diffusors des Radialverdichters. In der Schrift DE-A-28 43 202 wird die Rückwand des Diffusors durch einen in das Lager gehäuse hineinragenden Vorsprung des Verdichtergehäuses gebildet.

Nebst der radialen Lagerung ist auch die axiale Lagerung der Welle im Lagergehäuse untergebracht. Die Lagerung der Turbola derwelle ist meist als Gleitlager ausgeführt. Dem Stande der Technik entsprechend ist die Welle radial in der Regel in zwei rotierenden Schwimmbüchsen gelagert, welche in einer Bohrung des Lagergehäuses aufgenommen sind.

Die Schmierölversorgung der Lager erfolgt üblicherweise durch Motorenöl, welches über eine Druckleitung zum Lagergehäuse geführt, und von dort zu den einzelnen Lagerstellen verteilt wird.

Das Schmiermittel hat nebst der Aufgabe, die Lager zu schmie ren auch die Funktion, diese zu kühlen. Die Kühlung ist ins besondere beim turbinenseitigen Lager von Bedeutung, da durch das heiße Turbinenrad eine bedeutende Wärmemenge in die Welle eingeleitet wird.

Ein aus diesem Grunde besonders schwierig zu beherrschender Betriebszustand ist das schnelle Abstellen des Motors aus einem Betriebszustand mit hoher Last. Die Schmiermittelzufuhr wird beim Anhalten unterbrochen, die Abfuhr der Wärme aus der Welle ist nicht mehr gewährleistet. Die Folge davon ist eine Verkokung des in den exponierten Partien der Lagerung ver bleibenden Schmieröles durch das von der heißen Turbine her vorgerufene Nacherwärmen der Welle.

In der DE-A-28 43 202 wird eine Wärmeisolierung zwischen dem Turbinengehäuse und dem Lagergehäuse beim Betrieb dadurch erstrebt, daß eine Begrenzungswand des Turbinengehäuses und eine Begrenzungswand des Lagergehäuses miteinander einen ringförmigen Kühlspalt bilden. Die Wärmeabfuhr erfolgt durch eine ständige Luftströmung, unterstützt durch eine Kaminwir kung, im Kühlspalt.

Oft wird auch das Lagergehäuse im Bereiche des turbinenseiti gen Radiallagers zusätzlich mit einer Wasserkühlung ausge stattet. Dadurch kann mehr Wärme aus der Welle nach dem schnellen Abstellen des Motors aufgenommen werden.

Aufgrund der vielen Funktionen, die das Lagergehäuse erfüllen muß, weist es eine äußerst komplizierte Innenstruktur auf.

Seine Herstellung ist daher sehr aufwendig und teuer. Beim bekannten Stand der Technik existiert außerdem noch keine befriedigende Lösung des angesprochenen Problems der Verko kung des Schmieröles beim schnellen Abstellen des Motors.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine andere Aufteilung der Funktionen im Lagergehäuse zu schaffen mit dem Ziel, eine kostengünstigere Bauweise und zusätzliche funktionelle Optio nen zu ermöglichen. Es soll außerdem eine bessere und einfa chere Art der Wärmeabfuhr aus dem Turbinenrad beim schnellen Abstellen des Turboladers geschaffen werden.

Insbesondere sind durch die erfindungsgemäße Ausführung des Lagergehäuses die Temperaturen im Bereiche des turbinenseiti gen Radiallagers so niedrig zu halten, daß im Falle des schnellen Anhaltens des Motors aus dem Vollastbetrieb das im Schmierspalt des turbinen-seitigen Lagers zurückbleibende Öl nicht verkokt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das Lager gehäuse aus mindestens zwei Teilen zusammengesetzt ist. Durch eine gezielte Auswahl der Form der einzelnen Teile kann deren Anfertigung erheblich erleichtert werden. Außerdem kann die Materialzusammensetzung der einzelnen Teile so gewählt wer den, daß die Wärmeabfuhr gezielt beeinflußt werden kann.

Dabei ist zweckmäßigerweise das dem Verdichtergehäuse zuge wendete Teil (mit "Lagereinsatz" bezeichnet) aus einem Werk stoff mit guter Wärmeleitfähigkeit, z. B. aus einer Aluminium legierung, gefertigt. Dieser Teil bildet zweckmäßigerweise die Verdichterrückwand und nimmt sowohl die axiale als auch die radiale Lagerung des Läufers auf.

Das dem Turbinengehäuse zugewendete Teil wird mit "Lagerschüssel" bezeichnet und besteht zweckmäßigerweise aus einem Material mit deutlich geringerer Wärmeleitfähigkeit als der Lagereinsatz und verbindet zweckmäßigerweise das Turbi nengehäuse mit diesem. Zusätzlich dichtet die Lagerschüssel die Abgase gegenüber dem Schmierölraum ab.

Bedingt durch die gute Wärmeleitfähigkeit des Lagereinsatzma terials kann, im Falle des schnellen Abstellens des Motors, die von der Turbine durch die Welle in das turbinenseitige Lager eingeführte Wärme leicht in die relativ große Verdich terrückwand, welche eine relativ niedrige Betriebstemperatur aufweist, abgeführt werden. Das Wellenstück zwischen Turbine und turbinenseitigem Lager stellt nun den größten Widerstand für den Wärmefluß dar; daher findet in diesem Teil auch der größte Temperaturabfall statt.

Weiters wirkt sich das Material mit der niedrigen Wärmeleit fähigkeit, aus welchem die Lagerschüssel des erfindungsgemäß ausgeführten Lagergehäuses hergestellt ist, vorteilhaft aus, da die aus den heißen Turbinengehäusepartien allenfalls erfolgende Nacherwärmung des Lagereinsatzes des erfindungs gemäß ausgeführten Lagergehäuses reduziert wird.

Die Lagerschüssel des Lagergehäuses, der die Lagerpartie des Lagereinsatzes umfaßt, kann auf einfache Weise durch Spritzöl von innen zusätzlich gekühlt werden, was ein weite rer Vorteil des erfindungsgemäß ausgeführten Lagergehäuses ist.

Die Teile des Lagergehäuses lassen sich somit einfacher und demzufolge kostengünstiger fertigen als die dem Stand der Technik entsprechende einteilige Ausführung. Die Wasserküh lung entfällt auch, was einen weiteren Kostenvorteil dar stellt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Turbolader mit dem Stand der Technik entsprechend ausgeführten Lager gehäuse,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch das erfindungsgemäße Lagergehäuse und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Turbolader mit dem erfindungsgemäß ausgeführten Lagergehäuse.

Die Erläuterung der Funktionsweise des Turboladers, welche nicht Gegenstand der Erfindung ist, ist anhand der Fig. 1 ersichtlich.

Durch die Ansaugöffnung 16 wird durch das rotierende Verdich terrad 1 die Verbrennungsluft angesaugt und in den Ladeluft raum 17 im Verdichtergehäuse 8 gefördert. Die im Motor (nicht dargestellt) verbrannte Ladeluft strömt als heißes Abgas über die Abgashochdruckleitung 18 auf das Turbinenrad 5 und expandiert dort in die Abgasniederdruckleitung 19. Das Turbi nenrad 5 ist drehfest über die Welle 2 mit dem Verdichterrad 1 verbunden und stellt mit diesem zusammen den Läufer des Turboladers dar.

Dieser Läufer ist radial über die Gleitlagerbüchsen 4, 4′ und axial über die Schublagereinheit 3 im Lagergehäuse 6 geführt. Über den Öleintritt 10 erfolgt die Schmiermittelzufuhr zu den Lagerstellen.

Im Betrieb nimmt das Turbinenrad nahezu die Temperatur des heißen Abgases an. Das turbinenseitige Lager 4′ führt die über den Wellenabschnitt 28 anfallende Wärme über das Schmieröl ab. Im Falle des schnellen Anhaltens des Motors aus einem Zustand hoher Last und demzufolge hoher Turbinenradtem peratur ist dieses Lager besonders gefährdet, weil die Schmiermittelzufuhr unterbrochen wird. Durch die in der Folge auftretende Nacherwärmung kann das im Schmierspalt des Lagers 4′ verbleibende Öl verkoken.

Aus Gleitlager-Materialpaarungsgründen wird das Lagergehäuse in der Regel aus Grauguß hergestellt, welcher eine mäßige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Meistens wird bei den durch das schnelle Abstellen des Motors gefährdeten Anwendungen des Turboladers eine Ausführung des Lagergehäuses mit Wasserküh lung 12 vorgesehen. Dies führt jedoch zu einem komplexen Bauteil, welches nebst den notwendigen Ölzu- und -abflußlei tungen auch noch Kühlwasserzu- und -abflußleitungen (In Fig. 1 nicht dargestellt) aufnehmen muß.

Abhilfe schafft hier die Erfindung. Das Lagergehäuse wird gemäß Fig. 2 und 3 in zweiteiliger Form ausgeführt, wobei die Verdichterrückwand 20, die Radiallagerpartie 21 und die Axiallagerpartie 30 zu einem als Lagereinsatz 22 gebildeten Bauteil zusammengefast werden. Dieses Bauteil besteht zweckmäßigerweise aus einem Material mit guter Wärmeleitfä higkeit, z. B. aus einer Aluminiumlegierung. Einzig die Gleit lagerstellen 23, 23′ sind aus einem Material gefertigt, wel ches den Anforderungen der Gleitlagerung Rechnung trägt. Der Lagereinsatz 22 wird durch eine Lagerschüssel 24 umfaßt, welche ihrerseits zweckmäßigerweise aus einem Material mit einer im Vergleich zum Lagereinsatz 22 schlechteren Wärme leitfähigkeit besteht. Dies kann z. B. Grauguß sein.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel stellt die Lagerschüssel 24 über die Verbindungselemente 25, 26 die Verbindung zwischen Turbinengehäuse 7 und Lagereinsatz 22 her. Sie kann aber auch über ein zusätzliches Zwischenteil mit dem Lagereinsatz 22 verbunden werden (in den Zeichnungen nicht dargestellt). Sie ist ein einfaches Bauteil ohne Wasserkühlung; eine allfällige zusätzliche Kühlung der Lagerschüssel 24 läßt sich mit Spritzöl 29 realisieren, da durch die erfindungsgemäße Auf teilung des Lagergehäuses eine Spritzölbohrung 27 auf einfa che Weise im Lagereinsatz 22 angebracht werden kann.

Durch die Aufteilung des Lagergehäuses in mehrere Teile ist somit eine Trennung der einzelnen Funktionen und eine zweckmäßige Zuordnung der Teilfunktionen der einzelnen Teile möglich, wodurch die Konstruktion erheblich vereinfacht wird. Der Einsatz zusätzlicher Wärmeabfuhrtechniken, z. B. durch die angesprochene Ölspritzkühlung oder durch die gezielte Wahl von unterschiedlichen Materialien für die einzelnen Gehäuse teile, wird ebenfalls ermöglicht.

Die Wirkung des Lagereinsatzes 22 besteht außerdem darin, daß dieser im Maschinenbetrieb, bedingt durch das durchströ mende Öl, niedrige Temperaturen aufweist. Daher ist der Ein satz eines Materials mit äußerst guter Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. einer Aluminium-Legierung, möglich. Im Falle des schnellen Abstellens des Motors aus einem Zustand mit hoher Last entfällt, wie eingangs erwähnt, auch der Durchfluß des kühlenden Schmieröles. Die Größe der Verdichterrückwandpar tie 20 des Lagereinsatzes 22 stellt eine hinreichend große Wärmesenke für die Aufnahme der Wärme dar, welche aus dem Turbinenrad 5 über die Gleitlagerbüchse 4′ und die Radialla gerpartie 21 in den Lagereinsatz eingeleitet wird. Den größten Wärmefluß-Widerstand in diesem Verbund stellt der Wel lenabschnitt 28 zwischen Turbinenrad 5 und Gleitlagerbüchse 4′ dar. In diesem Wellenabschnitt findet, bei Verwendung eines Lagereinsatzes aus einem Material mit sehr guter Wärme leitfähigkeit, der größte Temperaturabfall statt.

Versuche haben gezeigt, daß im Schmierspalt des kritischen Lagers 4′ nach dem schnellen Abstellen des Motors aus hoher Last die Temperaturen durch den steilen Gradienten im Wellenabschnitt 28 unterhalb der Ölverkokungstemperatur blei ben.

Die Lagerschüssel 24 kann während des Maschinenbetriebes von innen durch Spritzöl 29 über die Bohrung(en) 27 gekühlt wer den. Dadurch bleibt auch in diesem Bauteil die Temperatur an einer weiteren kritischen Stelle, nämlich der Wellenabdich tung 13 unproblematisch, auch wenn keine Wasserkühlung mehr eingesetzt wird.

Bezugszeichenliste

1 Verdichterrad
2 Welle
3 Schublager
4, 4′ Radiallager-Büchsen
5 Turbinenrad
6 Lagergehäuse
7 Turbinengehäuse
8 Verdichtergehäuse
10 Öleintritt
11 Ölaustritt
12 Wasserkühlung
13 Wellenabdichtung
14 Strahlungs-Schutzschild
16 Ansaugöffnung
17 Ladeluftraum
18 Abgashochdruck
19 Abgasniederdruck
20 Verdichterrückwand
21 Radiallagerpartie
22 Lagereinsatz
23, 23′ Gleitlagerstellen
24 Lagerschüssel
25 Verbindungselement
26 Verbindungselement
27 Spritzölbohrung
28 Wellenabschnitt
29 Spritzöl
30 Axiallagerpartie

Claims

1. Abgasturbolader zur Aufladung von Brennkraftmaschinen, mit einem Läufer aus einem Verdichterrad (1), einem mit dem Verdichterrad (1) auf einer gemeinsamen Welle (2) angebrachten Turbinenrad (5), je einem Verdichter- (8) bzw. Turbinengehäuse (7) und einem Lagergehäuse (6), wobei das Lagergehäuse (6) das Verdichter- (8) und das Turbinengehäuse (7) miteinander verbindet und die Lagerung des Läufers aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagergehäuse (6) aus mindestens zwei Teilen (22, 24) zusammengesetzt ist.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagergehäuse (6) zumindest teilweise axial geteilt ist.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagergehäuse (6) zusätzlich zumindest teilweise radial geteilt ist.

4. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Verdichtergehäuse (8) zugewendete Teil des Lagergehäuses (6) als Lagereinsatz (22) ausgebildet ist, der eine Verdichterrückwand (20), eine Radiallagerpartie (21) und eine Axiallagerpartie (30) umfaßt.

5. Abgasturbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Turbinengehäuse (7) zugewendete Teil des Lagergehäuses (6) als Lagerschüssel (24) ausgebildet ist, die den Lagereinsatz (22) zumindest teilweise umfaßt.

6. Abgasturbolader nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Lagereinsatz (22) aus einem Material mit großer Wärmeleitfähigkeit, z. B. aus einer Alumini umlegierung, besteht.

7. Abgasturbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschüssel (24) aus einem Material mit einer im Vergleich zum Lagereinsatz (22) kleineren Wärmeleitfähigkeit, z. B. aus Grauguß, besteht.

8. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschüssel (24) eine Spritzölkühlung (29) aufweist.

9. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschüssel (24) das Turbinengehäuse (7) mit dem Lagereinsatz (22) verbindet.

10. Abgasturbolader nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichterrad als Radialverdichterrad und das Verdichtergehäuse als Spiralgehäuse ausgebildet sind.

11. Abgasturbolader nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß das Turbinenrad als Radialturbinenrad und das Turbinengehäuse als Spiralgehäuse ausgebildet sind.