DE102007022811B3

DE102007022811B3 - Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007022811B3
Application number: DE102007022811A
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Baar
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2007-05-15
Filing date: 2007-05-15
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2027-05-16

Abstract

Die Erfindung betrifft Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine
- mit einer Turbine;
- mit einem Verdichter;
- mit einer Welle, auf deren einem Ende der Turbinenrotor und auf deren anderem Ende der Verdichterrotor drehfest montiert sind;
- mit einer Lagereinheit zum Lagern der Welle.
Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- es ist ein Sensor zum Erfassen von Schwingungen der Welle oder der Lagereinheit vorgesehen;
- zwischen der Lagereinheit und der Welle oder in der Lagereinheit ist ein Dämpfungsfluid angeordnet;
- es ist eine Einrichtung zum magnetischen oder elektrischen Beeinflussen des Dämpfungsfluides in Abhängigkeit von den vom Sensor erfassten Signalen im Sinne einer Schwingungsdämpfung vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Abgasturbolader. Siehe zum Beispiel WO 00/73630 A1 .
Abgasturbolader sind bei modernen Kraftfahrzeugen unverzichtbar. Sie umfassen als wichtige Bauteile eine Turbine und einen Verdichter. Diese beiden Bauteile sitzen im Allgemeinen auf ein und derselben Welle oder stehen zumindest in Triebverbindung miteinander. Der Turbine wird das Abgas einer Brennkraftmaschine zugeleitet. Das Abgas treibt die Turbine an. Die Turbine treibt ihrerseits den Verdichter an. Dieser saugt Luft aus der Umgebung an und verdichtet diese. Die verdichtete Luft wird sodann für die Verbrennung in der Brennkraftmaschine ausgenutzt. Abgasturbolader haben den Zweck, die Abgasemissionen zu verringern sowie den Wirkungsgrad des Motors und dessen Drehmoment zu erhöhen. Sie haben außerdem eine wichtige Funktion bezüglich der Wirkung des Katalysators.
Der Abgasturbolader ist ganz allgemein ein hoch beanspruchtes Aggregat. Die Abgase, die die Turbine beaufschlagen, erreichen Temperaturen von bis zu 1050°C und gegebenenfalls auch mehr. Der Abgasturbolader ist ferner starken mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Die thermische und mechanische Belastung kann sich dabei sehr rasch in weiten Grenzen ändern, je nach der Betriebsweise. So muss sich beispielsweise bei Beschleunigung des Fahrzeuges der Ladedruck rasch aufbauen. Dies führt zu Spitzenbelastungen des Abgasturboladers, gefolgt von geringeren Anforderungen bei gleich bleibender Motordrehzahl.
Ein extrem hoch belastetes Bauteil ist die Welle, auf deren einem Ende die Turbine und auf deren anderem Ende der Verdichter drehfest montiert sind. Die Welle wird während des Betriebes in Schwingungen versetzt. Die Schwingungen können nach Amplitude und Frequenz höchst ungleich sein, je nach den Randbedingungen wie Drehzahl, Ladedruck, Öltemperatur, Umgebungstemperatur, Fahrverhalten, Motorschwingung, Fahrzeuguntergrund. Die genannten Wechsel des Schwingungszustandes verlaufen in extrem kurzen Zeitspannen, die nach Millisekunden zählen.
Die Welle und die zugehörende Lagereinheit kann infolge der hohen Wechselbeanspruchungen einem starken Verschleiß ausgesetzt sein, der zu Schäden und zu einer geringen Lebensdauer führen kann. Es sind im wesentlichen Welle und Lagereinheit, die die Lebensdauer eines Abgasturboladers bestimmen. Aus diesem Grunde ist die Lebensdauer des Abgasturboladers im Allgemeinen viel geringer, als diejenige der meisten anderen Aggregate eines Kraftfahrzeuges.
Die genannten Vibrationen von Welle und Lagereinheit machen sich auch akustisch in unangenehmer Weise bemerkbar. Sie führen zu außerordentlich lauten Geräuschen während des Betriebes.
Es hat nicht an Versuchen gefehlt, die Lebensdauer der Welle und der Lagereinheit zu steigern, beispielsweise durch stärkere Dimensionierung sowie durch Auswahl besonderer Werkstoffe. Diese Maßnahmen haben jedoch nicht zu einer grundlegenden Besserung geführt. Als Beispiele aus dem Stande der Technik sind die folgenden Druckschriften zu nennen:

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen anzugeben, mit welchen sich die Lebensdauer eines Abgasturboladers steigern lässt, insbesondere die Lebensdauer der Welle und der diese tragenden Lagereinheit.
Diese Aufgabe wird mit einem Abgasturbolader gelöst, der die Merkmale von Anspruch 1 aufweist.
Demgemäß wird zum Erfassen von Schwingungen der Lagereinheit und/oder der Welle ein Sensor vorgesehen. Ferner wird zwischen der Lagereinheit und der Welle oder in der Lagereinheit ein Dämpfungsfluid angeordnet. Das Dämpfungsfluid hat magnetorheologische oder elektrorheologische oder andere, regelbare Eigenschaften. Wird es in ein Magnetfeld eingebracht oder wird eine elektrische Spannung angelegt, so ändert es seine Eigenschaften, insbesondere seine Viskosität, und damit auch sein Dämpfungsverhalten. Die Änderungen der Eigenschaften des Fluides lassen sich äußerst rasch bewirken.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind einfach in der Durchführung und kostengünstig bezüglich der baulichen Ausführung. Aufgrund der extrem kurzen Ansprechzeit beim Aufbringen eines Magnetfeldes beziehungsweise beim Anlegen einer Spannung lässt sich das Dämpfungsverhalten so rasch ändern, wie dies bei Änderung der Betriebsweise oder der sonstigen Umstände erforderlich ist.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
1 zeigt einen Abgasturbolader in einem Axialschnitt.
1a zeigt einen Ausschnitt aus 1.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit einem Turbinenrad, einem Verdichterrad, einer die beiden miteinander verbindenden Welle und einer Lagereinheit.
3 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform der Erfindung, wiederum mit Welle, Turbinenrad, Verdichterrad sowie einer Lagereinheit, teilweise als Blockschaltbild.
4 zeigte eine vierte Ausführungsform der Erfindung, wiederum mit Welle, Turbinenrad, Verdichterrad und Lagereinheit.
Der in 1 gezeigte Abgasturbolader weist eine Turbine 1 und einen Verdichter 2 auf. Der Turbinenrotor 1.1 und der Verdichterrotor 2.1 sind auf einer Welle 3 aufgekeilt und somit drehfest miteinander verbunden.
Die Turbine umfasst ferner ein Gehäuse 1.2. Das Gehäuse umfasst einen schneckenförmigen Einlauf und einen Auslassstutzen 1.3. Dem Rotor 1.1 ist ein Kranz von verstellbaren Leitschaufeln 4 vorgeschaltet. Die Leitschaufeln 4 befinden sich in einem Strömungskanal.
Während des Betriebs wird dem schneckenförmigen Einlauf des Gehäuses 1.2 ein Abgas-Massestrom zugeführt. Dieser Abgasstrom gelangt zum Turbinenrad. Gegebenenfalls können vor dem Turbinenrad Leitschaufeln (4) angeordnet sein. Er verlässt das Gehäuse 1.2 durch den Auslassstutzen 1.3.
Der Verdichter 2 saugt durch einen Einlassstutzen Frischluft an. Diese gelangt unter erhöhtem Druck in einen Sammelraum 2.3, und von dort zu einem Verbrennungsmotor.
Die Welle 3 ist von einer Lagereinheit 5 gelagert. Die Lagereinheit 5 weist ein erstes und ein zweites Radiallager 5.1, 5.2 auf. Sie umfasst ein Lagergehäuse 5.3. Das Lagergehäuse weist eine Aussparung auf, die ein unter Druck stehendes Fluidpolster 5.4 enthält – siehe 1a. Das Fluidpolster 5.4 ist somit eingeschlossen zwischen der Mantelfläche der Welle 3, den Stirnflächen der beiden Lager 5.1, 5.2 sowie dem Lagergehäuse 5.3.
Aus 2 erkennt man wiederum einen Turbinenrotor 1.1, einen Verdichterrotor 1.2, eine Welle 3 sowie eine Lagereinheit 5. Die Lagereinheit 5 umfasst ein erstes und ein zweites Lager 5.1, 5.2, die die Welle 3 tragen. Die beiden Lager 5.1, 5.2 sind von einer Innenhülse 5.5 umschlossen. Die Innenhülse 5.5 ist von einer Außenhülse 5.6 umschlossen, und zwar unter Belassen eines ringförmigen Zwischenraumes. Hierin ist ein Fluidpolster 5.4 eingelassen. Es befindet sich somit sandwichartig zwischen Innenhülse 5.5 und Außenhülse 5.6.
Die Außenhülse 5.6 ist an einen Sensor 6 angeschlossen. Sensor 6 erfasst die Radialschwingungen von Welle 3 und Lagereinheit 5. Er gibt entsprechende Signale an eine centrale Prozesseinheit (CPU) ab. Diese kann entweder eine eigenständige Einheit sein, oder sie kann Bestandteil eines Motorsteuergerätes sein. Der Sensor 6 analysiert das Bewegungsverhalten der beteiligten Bauteile. Dabei kann die Anordnung auch derart getroffen sein, dass nicht die radialen, sondern die axialen Auslenkungen erfasst werden, oder aber die radialen und die axialen Auslenkungen.
Bei der Ausführungsform gemäß 3 befindet sich die Innenhülse 5.5 unmittelbar auf der Welle 3. Auch hier ist wiederum ein Fluidpolster 5.4 sandwichartig zwischen der Innenhülse 5.5 und einer Außenhülse 5.6 eingehüllt. Die Innenhülse 5.5 dient hierbei als Lagerbuchse für die Welle 3. Bei der vierten Ausführungsform gemäß 4 umfasst die Lagereinheit 5 einen einzigen Ring, der die Welle 3 umschließt. Der Ring weist in seinem inneren Umfangsbereich eine ringförmige Aussparung auf, die mit einem Fluidpolster 5.4 angefüllt ist. Das gezeigte Blockschaltbild zeigt außerdem einen Sensor 6, eine CPU 7 sowie einen Aktuator 8.
Der Sensor 6 erfasst Schwingungen der Welle 3 beziehungsweise der Lagereinheit 5. Er speist entsprechende Signale der CPU 7 ein. Diese wertet die Signale aus und gibt entsprechende Steuerbefehle an den Aktuator 8. Dieser beaufschlagt wiederum in Abhängigkeit der Steuerbefehle das Fluid 5.4. Bei der Ausführungsform gemäß 4 befindet sich das Fluidpolster 5.4 in einer Aussparung eines Gleitlagerblockes 5.5. Das Fluidpolster 5.4 steht mit der Welle 3 in unmittelbarer Berührung.
Es versteht sich, dass die Lager der Lagereinheit 5 sowohl öl- oder lufttragende Gleitlager als auch Wälzlager, Magnetlager oder andere geeignete Lager sein können.
Bei den Ausführungen gemäß der 1 bis 5 kann die Lagereinheit 5 aus geteilten Ringen bestehen, falls keine Möglichkeit besteht, Vollringe auf die Welle 3 in axialer Richtung aufzuschieben.

1: Turbine
1.1: Turbinenrotor
1.2: Turbinengehäuse
1.3: Auslassstutzen
2: Verdichter
2.1: Verdichterrotor
3: Welle
4: Leitschaufeln
5: Lagereinheit
5.1: Lager
5.2: Lager
5.3: Lagergehäuse
5.4: Fluidpolster
5.5: Innenhülse
5.6: Außenhülse
6: Sensor
7: CPU
8: Aktuator

Claims

Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine 1.1 mit einer Turbine (1); 1.2 mit einem Verdichter (2); 1.3 mit einer Welle (3), auf deren einem Ende der Turbinenrotor (1.1) und auf deren anderem Ende der Verdichterrotor (2.1) drehfest montiert sind; 1.4 mit einer Lagereinheit (5) zum Lagern der Welle (3); gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 1.5 es ist ein Sensor (6) zum Erfassen von Schwingungen der Welle (3) oder der Lagereinheit (5) vorgesehen; 1.6 zwischen der Lagereinheit (5) und der Welle (3) oder in der Lagereinheit (5) ist ein Dämpfungsfluid (5.4) angeordnet; 1.7 es ist eine Einrichtung zum magnetischen oder elektrischen Beeinflussen des Dämpfungsfluides (5.4) in Abhängigkeit von den vom Sensor (6) erfassten Signalen im Sinne einer Schwingungsdämpfung vorgesehen.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 2.1 es ist eine CPU (7) vorgesehen, die die Signale des Sensors (6) empfängt; 2.2 es ist ein Aktuator (8) vorgesehen, der Steuerbefehle der CPU (7) aufnimmt und in Abhängigkeit hiervon das Dämpfungsfluid (5.4) beeinflusst.