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WO2019072407A1 - Abgasturbolader - Google Patents

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WO2019072407A1
WO2019072407A1 PCT/EP2018/000452 EP2018000452W WO2019072407A1 WO 2019072407 A1 WO2019072407 A1 WO 2019072407A1 EP 2018000452 W EP2018000452 W EP 2018000452W WO 2019072407 A1 WO2019072407 A1 WO 2019072407A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
bearing
exhaust gas
housing
shaft
gas turbocharger
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/000452
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lorenz Jaenike
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IHI Charging Systems International GmbH
Original Assignee
IHI Charging Systems International GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IHI Charging Systems International GmbH filed Critical IHI Charging Systems International GmbH
Priority to CN201880065537.2A priority Critical patent/CN111247315A/zh
Priority to DE112018004486.6T priority patent/DE112018004486A5/de
Priority to JP2020520570A priority patent/JP2020537096A/ja
Publication of WO2019072407A1 publication Critical patent/WO2019072407A1/de
Priority to US16/832,042 priority patent/US11187236B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/056—Bearings
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    • F01D25/18—Lubricating arrangements
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    • F01D25/186—Sealing means for sliding contact bearing
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02B37/02—Gas passages between engine outlet and pump drive, e.g. reservoirs
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    • F16C17/028—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for radial load only with fixed wedges to generate hydrodynamic pressure, e.g. multi-lobe bearings
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    • F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/10—Construction relative to lubrication
    • F16C33/1025—Construction relative to lubrication with liquid, e.g. oil, as lubricant
    • F16C33/1045—Details of supply of the liquid to the bearing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/23—Gas turbine engines
    • F16C2360/24—Turbochargers
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    • F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/10—Construction relative to lubrication
    • F16C33/1025—Construction relative to lubrication with liquid, e.g. oil, as lubricant
    • F16C33/106—Details of distribution or circulation inside the bearings, e.g. details of the bearing surfaces to affect flow or pressure of the liquid
    • F16C33/1075—Wedges, e.g. ramps or lobes, for generating pressure

Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas turbocharger specified in the preamble of claim 1. Art.
  • Turbine known to the over several floods and these floods subsequent outlet openings exhaust gas streams can be passed so that a coaxial and rotatably mounted to the turbine shaft rotates, which is mounted in a shaft bearing, wherein at least one of the outlet openings over an angle of at most 180 ° extends around the axis of rotation of the turbine wheel.
  • DE 10 2006 033 397 A1 discloses an exhaust gas turbocharger with a shaft bearing, which is designed as a multi-surface radial plain bearing, on the inside either two or three matching bearing surfaces are provided.
  • the multi-surface radial bearing is designed as a co-rotating shaft bearing with an outer damping gap between the shaft bearing and a housing.
  • the shaft bearing is only radially movable relative to the housing. Furthermore, it is provided in a further embodiment that the
  • Shaft bearing for limiting the rotational mobility has at least one circumferential groove on the outer circumference, in which engages the shaft bearing with the housing connecting means, so that a substantially rotationally fixed arrangement of the shaft bearing can be achieved in the housing with a relatively low cost.
  • EP 2 693 017 A1 relates to an exhaust gas turbocharger with two floating shaft bearings for a shaft, which is a turbine wheel of an exhaust gas turbocharger with its compressor wheel combines.
  • the floating shaft bearings are designed as multi-surface radial plain bearings, which have both the housing and the shaft each having a circumferential gap, so that on the inner surface and the outer surface of the respective
  • Multi-surface radial bearings are proposed in various embodiments, including a two-surface, a three-surface and a four-surface radial bearing with matching bearing surfaces.
  • the exhaust gas turbochargers mentioned above with a double-flow housing have proven to be advantageous in terms of the impact charging capability.
  • this good impact-charging capability can be at a disadvantage.
  • vibrations can occur which can occur because exhaust gas flows are alternately introduced into the turbine. Consequently, vibrations and concomitant running noise can occur which, depending on the volume of the other components of the drive train, can be perceived. Since modern drive trains are very quiet, there is a need to reduce the running noise of the exhaust gas turbocharger.
  • the object of the present invention is therefore to provide an exhaust gas turbocharger, which is quiet despite shock charging ability.
  • Patent claim 1 solved.
  • Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the remaining claims.
  • the shaft bearing is a multi-surface radial plain bearing with a number of bearing surfaces, which is either equal to a number of floods or an integer multiple of the number of floods.
  • the number of bearing surfaces of the multi-surface radial plain bearing results as a product of a multiplication, in which the number of floods is multiplied by a positive integer factor.
  • this factor can be one or two, but also three or even greater.
  • a multi-surface radial plain bearing in a multi-flow housing creates the possibility to assign a certain number of floods a certain number of storage areas, so that each of the radial forces that attack with changing direction, a certain storage space can be assigned permanently.
  • the multi-surface radial plain bearing can be dimensioned and / or arranged so that the radial forces are always supported in the best possible way.
  • a thrust bearing can absorb the axial forces acting on the compressor and the turbine wheel.
  • a multi-surface radial bearing adjacent to the turbine wheel and a conventional sliding or rolling bearing adjacent to the compressor wheel may be provided for supporting the shaft.
  • two multi-surface radial plain bearings for supporting the shaft.
  • the impact charging capability is improved, for example, with respect to exhaust-gas turbochargers with a 360 ° orifice of the flood. But also compared to exhaust gas turbochargers with a
  • outlet openings which enclose an angle of at most 180 ° about an axis of rotation of the turbine wheel.
  • three outlet openings may be provided, each of which has an angle of just under Encompass 120 ° or have an exit angle of 120 ° to each other.
  • the bearing surfaces of the multi-surface radial bearing are designed to coincide with respect to the shape and a distance from the bearing center axis.
  • outlet openings and / or the outlet angles of the floods asymmetrically; for example, at angles of 120 °, 200 ° and 40 °, resulting in a total of 360 °.
  • the damping function of a floating arrangement of the multi-surface radial plain bearing in the bearing housing is deliberately omitted in favor of a best possible support of said radial forces on the shaft bearing, wherein the multi-surface radial plain bearing typically rotates at about half shaft speed.
  • the multi-surface radial plain bearing rotatably fixed relative to the bearing housing.
  • Bearing surfaces of the multi-surface radial plain bearing are set in its circumferential position about a bearing center axis relative to a bearing housing, which is rotatably connected to the Mehrfachstromgepuruse or integrally formed, wherein at least one of the bearing surfaces is arranged such that a radial force due to a one-sided act on the exhaust gas flow on the shaft engages, is supported on the bearing surface in a direction in which the multi-surface radial bearing has the maximum bearing stiffness.
  • Outlet openings of the floods each enclose an angle of slightly less than 180 ° and that the multi-surface radial bearing is a four-surface bearing, at the two largest inner diameters each one plane can be clamped to the bearing center axis, in an angle of about 45 ° about the bearings Central axis intersects a parting line, which lies between the two outlet openings.
  • the cutting angle can also vary by up to 15 ° in the direction of rotation and in the opposite direction of rotation of the shaft.
  • the non-rotatable arrangement of the shaft bearing within the bearing housing allows the lubricant channels and bores of shaft bearings and bearing housings
  • the multi-surface radial bearing has a plurality of lubrication pockets extending parallel to the bearing central axis and in each of which a radial recess opens, which is aligned with rotating shaft constantly with a supply channel in the bearing housing.
  • the shaft bearing is arranged circumferentially fixed to the bearing housing, can be dispensed with a bearing bush and it can be provided that the bearing surfaces of the multi-surface radial plain bearing are incorporated directly into the bearing housing.
  • the multi-surface radial bearing can have a bearing bush, which is fixed against rotation relative to the bearing housing.
  • FIG. 1 shows schematically a reciprocating internal combustion engine with an exhaust tract, which is followed by an exhaust gas turbocharger
  • FIG. 3 shows the pressure profile on the multi-surface radial plain bearing according to FIG. 2, which is designed as a four-surface radial plain bearing.
  • Fig. 1 shows schematically a reciprocating internal combustion engine 2 with an exhaust tract 4, which is followed by an exhaust gas turbocharger 6, which is only partially shown.
  • the reciprocating internal combustion engine 2 is designed as a four-cylinder in-line engine, the outer cylinder 8, 10 and combustion chambers in a first exhaust manifold 12th are summarized, wherein the thus common first exhaust gas flow 14 is guided in a first flow 18 of the exhaust gas turbocharger 6.
  • the two inner cylinders 20, 22 or combustion chambers are combined via a second exhaust manifold 24.
  • the thus common second exhaust gas stream 16 is guided in a second flood 26 of the exhaust gas turbocharger 6.
  • the exhaust-gas streams 14, 16 flow via the two floods 18, 26 onto a turbine wheel 34.
  • a shaft 38 and a compressor wheel 40 are set in rotation in the manner explained below.
  • the compressor wheel 40 provides charge air for the reciprocating internal combustion engine 2 in a manner not shown.
  • the exhaust gas turbocharger 6 has a three-part housing, which comprises a bearing housing 28, which is arranged between a compressor housing 30 and a turbine housing 32 and is bolted to the same.
  • the turbine housing 32 which is only partially illustrated, the turbine wheel 34 of a turbine 36 is rotatably arranged, which is connected in a rotationally fixed manner by means of a shaft 38 to the compressor wheel 40, which is rotatably arranged in the compressor housing 30.
  • the shaft 38 is mounted in the bearing housing 28 by means of a shaft bearing 42.
  • the shaft 38 extends along a rotation axis 44, which coincides ideally with a bearing center axis 46 of the shaft bearing 42, that is arranged coaxially to the bearing center axis 46.
  • the shaft 38 is oil-washed and ideally rotates contactless and wear-free within the shaft bearing 42.
  • the turbine housing 32 is designed as a double-flow housing 47, which represents a design of a multi-flow housing.
  • the double-flow housing 47 has a first turbine inlet 48 and a second turbine inlet 50, to each of which one of the two floods 18 and 26 is assigned, via which the turbine wheel 34 of the
  • Exhaust gas flow 14 or 16 is supplied, which is led out of the double flow housing 47 via a turbine outlet 52, which is arranged coaxially with the turbine wheel 34 on a side facing away from the shaft 38 side.
  • the shaft 38 is rotatably connected at one end to the turbine wheel 34 and connected at the other end non-rotatably connected to the compressor wheel 40.
  • the shaft bearing 42 for supporting the shaft 38 has a bearing bush 53 and is by means of a
  • the shaft bearing 42 is a multi-surface radial bearing, which is designed as a four-surface bearing and four lubrication pockets, a first lubricating pocket 62, a second lubricating pocket 64, a third lubricating pocket 66 and a fourth
  • Lubricating pocket 68 which extend parallel to the bearing center axis 46.
  • this lubricating pockets 62, 64, 66, 68 open radial recesses, a first recess 58, a second recess 59, a third recess 60 and a fourth recess 61 of the shaft bearing 42, each with an associated feed channel, a first supply channel 54 and a second supply channel 55 and a third supply channel 56 and a fourth supply channel 57 are aligned, which is arranged in the bearing housing 28.
  • the radial recesses 58, 59, 60, 61 are constantly aligned with the associated supply channels 54, 55, 56, 57 even with a rotating shaft 38, so that it is ensured that the shaft 38 is completely surrounded by a lubricating film during operation of the exhaust gas turbocharger 6, the shaft 38 of four bearing surfaces, a first bearing surface 70, a second bearing surface 72, a third bearing surface 74 and a fourth bearing surface 76 of the multi-surface radial sliding bearing separates, which are designed in accordance with the shape and the distance to the bearing center axis 46.
  • the number of bearing surfaces 70, 72, 74, 76 of the multi-surface radial bearing is twice the number of the two floods 18, 26 having a spiral shape and the exhaust gas streams 14th , 16 in each case via an outlet opening 78, 80 lead to the turbine 36.
  • Outlet openings of the floods 18, 26, a first outlet opening 78 and a second outlet opening 80 respectively surround the turbine wheel 34 at an angle 82 about the axis of rotation 44, which is slightly below 180 °. Consequently, the two outlet openings 78, 80 are arranged at an angle of 180 ° about the rotation axis 44 offset from each other.
  • the two outlet openings 78, 80 are separated from one another by means of tongues, a first tongue 84 or a second tongue 86, which can be designed in accordance with the turbine disclosed in DE 10 2013 021 567 A1.
  • a dividing plane 92 is formed, at which the two outlet openings 78, 80 or the two floods 18, 26 are essentially separated from one another. Near the tongues 84, 86, only some of the exhaust gas flows between the vanes 90 from the one flow 18 or 26 to the other flow 26, 18, respectively.
  • the separating plane 92 intersects a first one Plane 93 and a second plane 94, which form at the largest inner diameters of the shaft bearing 42. Consequently, the separating plane 92 intersects the planes 93, 94 in the bearing center axis 46, so that in each case a cutting angle of approximately 45 ° results.
  • the pressure has two maxima in a plane 98, which are opposite to the direction of rotation 100 of the shaft 38 at an angle of about 15 ° offset from the bearing center axis 46. Furthermore, the pressure has two further maxima in a further plane 102 which is perpendicular to the plane 98.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einem Mehrfachstromgehäuse, insbesondere einem Doppelstromgehäuse (47) und einem innerhalb dieses Mehrfachstromgehäuses drehbar angeordneten Turbinenrad (34), auf das über zumindest eine von mehreren Fluten (18, 26) und eine Austrittsöffnung (78; 80), die sich dieser einen Flut (18; 26) anschließt und einen Winkel von höchstens 180° um eine Rotationsachse (44) des Turbinenrades (34) umgreift, ein Abgasstrom (14; 16) geleitet werden kann, sodass eine koaxial und drehfest zum Turbinenrad (34) angeordnete Welle (38) rotiert, die in einem Wellenlager (42) gelagert ist. Erfindungsgemäß ist das Wellenlager (42) ein Mehrflächen-Radialgleitlager mit einer Zahl der Lagerflächen (70, 72, 74, 76), die entweder gleich einer Zahl der Fluten (18, 26) oder ein ganzzahliges Vielfaches der Zahl der Fluten (18, 26) ist.

Description

Abgasturbolader
Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Aus der Offenlegungsschrift DE 11 2014 005 008 T5 ist bereits ein Abgasturbolader mit einem Doppelstromgehäuse und einem innerhalb dessen drehbar angeordneten
Turbinenrad bekannt, auf das über mehrere Fluten und sich diesen Fluten anschließende Austrittsöffnungen Abgasströme geleitet werden können, sodass eine koaxial und drehfest zum Turbinenrad angeordnete Welle rotiert, die in einem Wellenlager gelagert ist, wobei sich zumindest eine der Austrittsöffnungen über einen Winkel von höchstens 180° um die Rotationsachse des Turbinenrades erstreckt.
Einen weiteren Abgasturbolader mit einem Doppelstromgehäuse betrifft DE 10 2013 021 567 A1.
DE 10 2006 033 397 A1 offenbart einen Abgasturbolader mit einem Wellenlager, das als Mehrflächen-Radialgleitlager ausgeführt ist, auf dessen Innenseite entweder zwei oder drei übereinstimmende Lagerflächen vorgesehen sind. Das Mehrflächen-Radialgleitlager ist als mitdrehendes Wellenlager mit einem äußeren Dämpfungsspalt zwischen dem Wellenlager und einem Gehäuse ausgeführt. Darüber hinaus ist eine weitere
Ausführungsform offenbart, bei der das Wellenlager eingeschränkt radial und
schwenkbeweglich gegenüber dem Gehäuse ausgeführt ist. Bei einer anderen
Ausführungsform ist das Wellenlager ausschließlich radial gegenüber dem Gehäuse beweglich. Ferner ist bei einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass das
Wellenlager zur Begrenzung der Drehbeweglichkeit zumindest eine am äußeren Umfang umlaufende Nut aufweist, in welche ein das Wellenlager mit dem Gehäuse verbindendes Sperrmittel eingreift, sodass eine im Wesentlichen drehfeste Anordnung des Wellenlagers in dem Gehäuse mit einem vergleichsweise geringen Aufwand erreicht werden kann.
EP 2 693 017 A1 betrifft einen Abgasturbolader mit zwei schwimmenden Wellenlagem für eine Welle, die ein Turbinenrad eines Abgasturboladers mit dessen Verdichterrad verbindet. Die schwimmenden Wellenlager sind als Mehrflächen-Radialgleitlager ausgeführt, die sowohl zum Gehäuse als auch zur Welle jeweils einen umlaufenden Spalt aufweisen, sodass sich an der Innenfläche und der Außenfläche des jeweiligen
Wellenlagers ein Ölfilm bildet. Die Spalte und die Ölfilme ermöglichen es, dass sich die Welle innerhalb des Wellenlagers drehen kann und dass sich das Wellenlager innerhalb des Gehäuses drehen kann. Es werden Mehrflächen-Radialgleitlager in verschiedenen Ausführungsformen vorgeschlagen, zu denen auch ein Zweiflächen-, ein Dreiflächen- und ein Vierflächen-Radialgleitlager mit übereinstimmenden Lagerflächen gehören.
Bei dem Abgasturbolader gemäß EP 2 362 080 B1 ist ebenfalls ein Mehrflächen- Radialgleitlager vorgesehen, das als„schwimmend" bezeichnet wird, wobei dieses Wellenlager zu einem Lagergehäuse des Abgasturboladers einen umlaufenden Spalt aufweist, sodass sich an der Außenfläche des Wellenlagers ein Ölfilm bildet, der es dem Wellenlager ermöglicht, sich relativ zum Lagergehäuse zu drehen.
Bei Kraftfahrzeug-Antriebssträngen haben sich die eingangs genannten Abgasturbolader mit einem Doppelstromgehäuse als vorteilhaft hinsichtlich der Stoßaufladungsfähigkeit erwiesen. Dieser guten Stoßaufladungsfähigkeit kann jedoch - je nach Auslegung des Abgasturboladers - ein Nachteil gegenüberstehen. Es können nämlich Vibrationen auftreten, die entstehen können, weil in die Turbine wechselseitig Abgasströme eingeleitet werden. Mithin kann es zu Vibrationen und damit einhergehend zu einem Laufgeräusch kommen, das je nach Lautstärke der übrigen Komponenten des Antriebsstrangs wahrnehmbar ist. Da moderne Antriebsstränge sehr leise sind, besteht ein Bedürfnis, auch die Laufgeräusche des Abgasturboladers zu reduzieren.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es mithin, einen Abgasturbolader zu schaffen, der trotz Stoßaufladefähigkeit leise ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Wellenlager ein Mehrflächen-Radialgleitlager mit einer Zahl der Lagerflächen ist, die entweder gleich einer Zahl der Fluten oder ein ganzzahliges Vielfaches der Zahl der Fluten ist. Mithin ergibt sich die Zahl der Lagerflächen des Mehrflächen-Radialgleitlagers als Produkt aus einer Multiplikation, in der die Zahl der Fluten multipliziert wird mit einem positiven ganzzahligen Faktor. Dieser Faktor kann insbesondere eins oder zwei, aber auch drei oder ein noch größerer Faktor sein.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Mehrflächen-Radialgleitlagers bei einem Mehrfachstromgehäuse wird die Möglichkeit geschaffen, einer bestimmten Zahl von Fluten eine bestimmte Zahl von Lagerflächen zuzuordnen, sodass jeder der Radialkräfte, die mit wechselnder Richtung angreifen, eine bestimmte Lagerfläche fest zugeordnet werden kann. Dabei kann das Mehrflächen-Radialgleitlager so dimensioniert und/oder angeordnet sein, dass die Radialkräfte stets bestmöglich abgestützt werden.
Insofern werden mit dem erfindungsgemäßen Zahlenverhältnis zwischen Fluten und Lagerflächen auch mögliche Vibrationen verringert und der Lagerverschleiß des
Wellenlagers verringert.
Die Verringerung des Lagerverschleißes ermöglicht es in besonders vorteilhafter Weise, anstelle von zwei axial versetzt zueinander angeordneten Wellenlagern lediglich ein einziges Wellenlager zu verwenden, sodass der Abgasturbolader entsprechend kurz sein kann bzw. wenig axialen Bauraum beansprucht. Bei einer derartigen Bauform kann ein Axiallager die Axialkräfte aufnehmen, die auf das Verdichterrad und das Turbinenrad wirken. Es kann zur Lagerung der Welle jedoch auch ein dem Turbinenrad benachbartes Mehrflächen-Radialgleitlager und ein dem Verdichterrad benachbartes herkömmliches Gleit- oder Wälzlager vorgesehen sein. Außerdem ist es im Rahmen der Erfindung möglich, zur Lagerung der Welle zwei Mehrflächen-Radialgleitlager zu verwenden.
Durch die Verwendung eines Abgasturboladers mit einem Mehrfachstromgehäuse, bei dem die Austrittsöffnung der einen Flut einen Winkel von höchstens 180° um eine
Rotationsachse des Turbinenrades umgreift, wird zum einen die Stoßaufladungsfähigkeit beispielsweise gegenüber Abgasturboladern mit einer 360° umlaufenden Austrittsöffnung der Flut verbessert. Aber auch gegenüber Abgasturboladern mit einem
Zwillingsstromgehäuse, bei dem die Austrittsöffnungen der beiden Fluten 360° umlaufen, wird die Stoßaufladungsfähigkeit verbessert.
Es müssen nicht zwei Austrittsöffnungen vorgesehen sein, die einen Winkel von höchstens 180° um eine Rotationsachse des Turbinenrades umgreifen. Beispielsweise können auch drei Austrittsöffnungen vorgesehen sein, die jeweils einen Winkel von knapp 120° umgreifen bzw. einen Austrittswinkel von 120° zueinander aufweisen. Bei solchen umfangsmäßig gleichmäßigen Verteilungen der Austrittsöffnungen bzw. der Austrittswinkel der Fluten ist es von Vorteil, wenn auch die Lagerflächen des Mehrflächen- Radialgleitlagers hinsichtlich der Form und eines Abstandes zur Lager-Mittelachse übereinstimmend ausgeführt sind.
Alternativ ist es auch möglich, die Austrittsöffnungen und/oder die Austrittswinkel der Fluten asymmetrisch anzuordnen; beispielsweise in Winkeln von 120°, 200° und 40°, sodass sich zusammen 360° ergeben.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung wird zugunsten einer bestmöglichen AbStützung der besagten Radialkräfte am Wellenlager ganz bewusst auf die Dämpfungsfunktion einer schwimmenden Anordnung des Mehrflächen- Radialgleitlagers im Lagergehäuse verzichtet, bei der das Mehrflächen-Radialgleitlager typischerweise mit circa halber Wellendrehzahl rotiert. Demgegenüber ist bei der vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung das Mehrflächen-Radialgleitlager drehfest gegenüber dem Lagergehäuse festgelegt. Somit kann vorgesehen sein, dass die
Lagerflächen des Mehrflächen-Radialgleitlagers in deren umfangsmäßiger Position um eine Lager-Mittelachse gegenüber einem Lagergehäuse festgelegt sind, das mit dem Mehrfachstromgehäuse drehfest verbunden oder einteilig ausgeführt ist, wobei zumindest eine der Lagerflächen derart angeordnet ist, dass eine Radialkraft, die infolge einer einseitigen Beaufschlagung durch den Abgasstrom an der Welle angreift, an der einen Lagerfläche in einer Richtung abgestützt wird, in der das Mehrflächen-Radialgleitlager die maximale Lagersteifigkeit aufweist.
Bei einer besonders vorteilhaften konstruktiven Umsetzung kann vorgesehen sein, dass das Mehrfachstromgehäuse ein Doppelstromgehäuse ist und dass die beiden
Austrittsöffnungen der Fluten jeweils einen Winkel von geringfügig unter 180° umgreifen und dass das Mehrflächen-Radialgleitlager ein Vierflächenlager ist, an dessen beiden größten Innendurchmessern jeweils eine Ebene mit der Lager-Mittelachse aufgespannt werden kann, die in einem Schnittwinkel von circa 45° um die Lager-Mittelachse eine Trennebene schneidet, die zwischen den beiden Austrittsöffnungen liegt. Dieser
Schnittwinkel kann jedoch auch um bis zu 15° in Drehrichtung und in Gegendrehrichtung der Welle variieren.
Die drehfeste Anordnung des Wellenlagers innerhalb des Lagergehäuses ermöglicht es, die Schmiermittelkanäle und -bohrungen von Wellenlager und Lagergehäuse
gegeneinander auszurichten, sodass eine aufwändige Innenringnut zur Verteilung des Öls von dem Zufuhrkanal im Lagergehäuse auf die korrespondierenden Öffnungen im Mehrflächen-Radialgleitlager nicht notwendig ist. Insofern kann bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass das Mehrflächen-Radialgleitlager mehrere Schmiertaschen aufweist, die sich parallel zur Lager-Mittelachse erstrecken und in die jeweils eine radiale Ausnehmung mündet, die bei rotierender Welle ständig mit einem Zufuhrkanal im Lagergehäuse fluchtet.
Da das Wellenlager umfangsmäßig fest zum Lagergehäuse angeordnet ist, kann auf eine Lagerbuchse verzichtet werden und es kann vorgesehen sein, dass die Lagerflächen des Mehrflächen-Radialgleitlagers unmittelbar in das Lagergehäuse eingearbeitet sind.
Alternativ kann das Mehrflächen-Radialgleitlager eine Lagerbuchse aufweisen, die drehfest gegenüber dem Lagergehäuse festgelegt ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Hubkolben-Verbrennungsmotor mit einem Abgastrakt, dem sich ein Abgasturbolader anschließt,
Fig. 2 den Abgasturbolader aus Fig. 1 in einem Schnitt entlang der Linie II-II von Fig. 1 , wobei ein Ausbruch im Bereich eines Mehrflächen-Radialgleitlagers entlang der Linie A-A von Fig. 1 verläuft, und
Fig. 3 das Druckprofil an dem Mehrflächen-Radialgleitlager gemäß Fig. 2, das als Vierflächen-Radialgleitlager ausgeführt ist. |
Fig. 1 zeigt schematisch einen Hubkolben-Verbrennungsmotor 2 mit einem Abgastrakt 4, dem sich ein Abgasturbolader 6 anschließt, der nur teilweise dargestellt ist.
Der Hubkolben-Verbrennungsmotor 2 ist als Vierzylinder-Reihenmotor ausgeführt, dessen außen liegende Zylinder 8, 10 bzw. Brennräume in einem ersten Abgaskrümmer 12 zusammengefasst sind, wobei der dahingehend gemeinsame erste Abgasstrom 14 in eine erste Flut 18 des Abgasturboladers 6 geführt wird. Hingegen sind die beiden innen liegenden Zylinder 20, 22 bzw. Brennräume über einen zweiten Abgaskrümmer 24 zusammengefasst. Der dahingehend gemeinsame zweite Abgasstrom 16 wird in eine zweite Flut 26 des Abgasturboladers 6 geführt.
Über die beiden Fluten 18, 26 strömen somit im Betrieb des Abgasturboladers 6 die Abgasströme 14, 16 auf ein Turbinenrad 34. Dadurch werden in nachstehend erläuterter Weise eine Welle 38 und ein Verdichterrad 40 in Rotation versetzt. Das Verdichterrad 40 stellt infolgedessen in nicht näher dargestellter Weise Ladeluft für den Hubkolben- Verbrennungsmotor 2 bereit.
Der Abgasturbolader 6 weist ein dreigeteiltes Gehäuse auf, das ein Lagergehäuse 28 umfasst, das zwischen einem Verdichtergehäuse 30 und einem Turbinengehäuse 32 angeordnet ist und mit denselben fest verschraubt ist. In dem nur ausschnittsweise dargestellten Turbinengehäuse 32 ist das Turbinenrad 34 einer Turbine 36 drehbar angeordnet, das mittels einer Welle 38 drehfest mit dem Verdichterrad 40 verbunden ist, das in dem Verdichtergehäuse 30 drehbar angeordnet ist.
Die Welle 38 ist im Lagergehäuse 28 mit Hilfe eines Wellenlagers 42 gelagert. Die Welle 38 erstreckt sich entlang einer Rotationsachse 44, die im Idealfall mit einer Lager- Mittelachse 46 des Wellenlagers 42 zusammenfällt, sprich koaxial zur Lager-Mittelachse 46 angeordnet ist. Die Welle 38 ist ölumspült und dreht sich idealerweise berührungslos und verschleißfrei innerhalb des Wellenlagers 42.
Das Turbinengehäuse 32 ist als Doppelstromgehäuse 47 ausgeführt, das eine Bauform eines Mehrfachstromgehäuses darstellt. Dabei weist das Doppelstromgehäuse 47 einen ersten Turbineneinlass 48 und einen zweiten Turbineneinlass 50 auf, denen jeweils eine der beiden Fluten 18 bzw. 26 zugeordnet ist, über die dem Turbinenrad 34 der
Abgasstrom 14 bzw. 16 zugeführt wird, der aus dem Doppelstromgehäuse 47 über einen Turbinenauslass 52 herausgeführt wird, der koaxial zum Turbinenrad 34 auf einer von der Welle 38 abgewandten Seite angeordnet ist.
Die Welle 38 ist an deren einem Ende drehfest mit dem Turbinenrad 34 verbunden und an deren anderem Ende drehfest mit dem Verdichterrad 40 verbunden. Das Wellenlager 42 zur Lagerung der Welle 38 weist eine Lagerbuchse 53 auf und ist mittels einer
Presspassung drehfest und axialfest im Lagergehäuse 28 aufgenommen. Aus Fig. 2 geht hervor, dass das Wellenlager 42 ein Mehrflächen-Radialgleitlager ist, das als Vierflächenlager ausgeführt ist und vier Schmiertaschen, eine erste Schmiertasche 62, eine zweite Schmiertasche 64, eine dritte Schmiertasche 66 und eine vierte
Schmiertasche 68 aufweist, die sich parallel zur Lager-Mittelachse 46 erstrecken. In diese Schmiertaschen 62, 64, 66, 68 münden radiale Ausnehmungen, eine erste Ausnehmung 58, eine zweite Ausnehmung 59, eine dritte Ausnehmung 60 und eine vierte Ausnehmung 61 des Wellenlagers 42, die jeweils mit einem zugehörigen Zufuhrkanal, einem ersten Zufuhrkanal 54 bzw. einem zweiten Zufuhrkanal 55 bzw. einem dritten Zufuhrkanal 56 bzw. einem vierten Zufuhrkanal 57 fluchten, der im Lagergehäuse 28 angeordnet ist. Somit fluchten die radialen Ausnehmungen 58, 59, 60, 61 auch bei rotierender Welle 38 ständig mit den zugehörigen Zufuhrkanälen 54, 55, 56, 57, sodass gewährleistet ist, dass die Welle 38 im Betrieb des Abgasturboladers 6 vollumfänglich von einem Schmierfilm umgeben ist, der die Welle 38 von vier Lagerflächen, einer ersten Lagerfläche 70, einer zweiten Lagerfläche 72, einer dritten Lagerfläche 74 und einer vierten Lagerfläche 76 des Mehrflächen-Radialgleitlagers trennt, die hinsichtlich der Form und des Abstandes zur Lager-Mittelachse 46 übereinstimmend ausgeführt sind.
Da das Vierflächenlager die vier Lagerflächen 70, 72, 74, 76 aufweist, ist die Zahl der Lagerflächen 70, 72, 74, 76 des Mehrflächen-Radialgleitlagers das Doppelte der Zahl der beiden Fluten 18, 26, die eine Spiralform aufweisen und die Abgasströme 14, 16 jeweils über eine Austrittsöffnung 78, 80 auf die Turbine 36 führen.
Austrittsöffnungen der Fluten 18, 26, eine erste Austrittsöffnung 78 bzw. eine zweite Austrittsöffnung 80 umgreifen das Turbinenrad 34 jeweils in einem Winkel 82 um die Rotationsachse 44, der geringfügig unterhalb von 180° liegt. Mithin sind die beiden Austrittsöffnungen 78, 80 in einem Winkel von 180° um die Rotationsachse 44 versetzt zueinander angeordnet. Die beiden Austrittsöffnungen 78, 80 sind mittels Zungen, einer ersten Zunge 84 bzw. einer zweiten Zunge 86, voneinander getrennt, die entsprechend der in der DE 10 2013 021 567 A1 offenbarten Turbine ausgeführt sein können. Somit bildet sich eine Trennebene 92, an der die beiden Austrittsöffnungen 78, 80 bzw. die beiden Fluten 18, 26 im Wesentlichen voneinander getrennt sind. Nahe den Zungen 84, 86 strömt zwischen den Schaufeln 90 lediglich etwas Abgas von der einen Flut 18 bzw. 26 zur anderen Flut 26 bzw. 18 über.
Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich ist, schneidet die Trennebene 92 eine erste Ebene 93 und eine zweite Ebene 94, die sich an den größten Innendurchmessern des Wellenlagers 42 bilden. Mithin schneidet die Trennebene 92 die Ebenen 93, 94 in der Lager-Mittelachse 46, sodass sich jeweils ein Schnittwinkel von circa 45° ergibt.
Dabei zeigt Fig. 3 das Druckprofil an dem Vierflächen-Radialgleitlager, und zwar in dessen Querebene. Aus der Darstellung ist ersichtlich, dass der Druck an den
Lagerflächen sein Maximum nicht in der Trennebene 92 hat. Stattdessen hat der Druck zwei Maxima in einer Ebene 98, die entgegen der Drehrichtung 100 der Welle 38 in einem Schnittwinkel von ca. 15° versetzt um die Lager-Mittelachse 46 liegen. Ferner hat der Druck zwei weitere Maxima in einer weiteren Ebene 102, die senkrecht zur Ebene 98 liegt.
Bei einem zeichnerisch nicht dargestellten alternativen Abgasturbolader, der drei Fluten aufweist, findet ein Sechsflächen-Radialgleitlager Anwendung.

Claims

Patentansprüche
1. Abgasturbolader mit einem Mehrfachstromgehäuse, insbesondere einem
Doppelstromgehäuse (47) und einem innerhalb dieses Mehrfachstromgehäuses drehbar angeordneten Turbinenrad (34), auf das über zumindest eine von mehreren Fluten (18, 26) und eine Austrittsöffnung (78 bzw. 80), die sich dieser einen Flut (18; 26) anschließt und einen Winkel von höchstens 180° um eine Rotationsachse (44) des Turbinenrades (34) umgreift, ein Abgasstrom (14; 16) geleitet werden kann, sodass eine koaxial und drehfest zum Turbinenrad (34) angeordnete Welle (38) rotiert, die in einem Wellenlager (42) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass
das Wellenlager (42) ein Mehrflächen-Radialgleitlager mit einer Zahl der
Lagerflächen (70, 72, 74, 76) ist, die entweder gleich einer Zahl der Fluten (18, 26) oder ein ganzzahliges Vielfaches der Zahl der Fluten (18, 26) ist.
2. Abgasturbolader nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerflächen (70, 72, 74, 76) hinsichtlich der Form und eines Abstandes zur Lager-Mittelachse (46) übereinstimmend ausgeführt sind.
3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerflächen (70, 72, 74, 76) des Mehrflächen- Radialgleitlagers in deren umfangsmäßiger Position um eine Lager-Mittelachse (46) gegenüber einem Lagergehäuse (28) festgelegt sind, das mit dem
Mehrfachstromgehäuse drehfest verbunden oder einteilig ausgeführt ist, wobei zumindest eine der Lagerflächen (70, 72, 74, 76) derart angeordnet ist, dass eine Radialkraft, die infolge einer einseitigen Beaufschlagung durch den Abgasstrom an der Welle (38) angreift, an der einen Lagerfläche (70, 72, 74, 76) in einer Richtung abgestützt wird, in der das Mehrflächen-Radialgleitlager die maximale
Lagersteifigkeit aufweist.
4. Abgasturbolader nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mehrfachstromgehäuse ein Doppelstromgehäuse (47) ist und dass die beiden Austrittsöffnungen (78, 80) der Fluten (18, 26) jeweils einen Winkel (82) von geringfügig unter 180° umgreifen und dass das Mehrflächen-Radialgleitlager ein Vierflächenlager ist, an dessen beiden größten Innendurchmessern jeweils eine Ebene (93, 94) mit der Lager-Mittelachse (46) aufgespannt werden kann, die in einem Schnittwinkel von circa 45° um die Lager-Mittelachse (46) eine Trennebene (92) schneidet, die zwischen den beiden Austrittsöffnungen (78, 80) liegt.
5. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mehrflächen-Radialgleitlager eine Lagerbuchse (53) aufweist, die drehfest gegenüber dem Lagergehäuse (28) festgelegt ist.
6. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mehrflächen-Radialgleitlager mehrere Schmiertaschen (62, 64, 66, 68) aufweist, die sich parallel zur Lager-Mittelachse (46) erstrecken und in die jeweils eine radiale Ausnehmung (58; 59; 60; 61 ) mündet, die bei rotierender Welle (38) ständig mit einem Zufuhrkanal (54; 55; 56; 57) im Lagergehäuse (28) fluchtet.
7. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Lagerflächen (70, 72, 74, 76) des Mehrflächen-Radialgleitlagers unmittelbar in das Lagergehäuse (28) eingearbeitet sind.
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