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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung eines Eindringens von Abgas in das Lagergehäuse eines Turboladers, welcher eine Lageranordnung zur Lagerung einer Rotorwelle aufweist, wobei auf der Welle ein Turbinenrad und ein Verdichterrad des Turboladers angeordnet sind.
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Zur Steigerung der Leistung einer Verbrennungskraftmaschine bzw. zur Verkleinerung der Verbrennungskraftmaschine bei gleicher Leistung, wird häufig ein Abgasturbolader verwendet. Bei diesem wird mit Hilfe einer Turbine die Energie des Abgasmassenstroms genutzt, um mittels eines Verdichters die Frischluft, die dem Motor zugeführt wird, zu komprimieren. Dadurch wird mehr Luft in den Brennraum des Motors geführt, wobei der Verbrennung ebenfalls mehr Kraftstoff zugemessen werden kann. Hierdurch kann das Drehmoment des Motors erhöht werden.
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Bei einem Turbolader ist hierbei ein Turbinenrad der Turbine und ein Verdichterrad des Verdichters auf einer Welle gelagert. Dabei wird die Welle bisher mittels einer mit Öl geschmierten Lageranordnung gelagert.
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Statt einer mit Öl geschmierten Lagerung kann jedoch auch zukünftig eine ölfreie Lagerung vorgesehen werden, beispielsweise eine Magnetlagerung. Eine solche Magnetlagerung hat diverse Vorteile gegenüber den bekannten Öl geschmierten Lagerungen. So gelangt kein Öl bzw. Schmiermittel in den Abgastrakt.
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Es besteht jedoch bei ölfreien Lagerungen das Problem, dass das Lagergehäuse des Turboladers anfälliger gegenüber dem Eindringen von Abgas in die Lageranordnung ist. Dies liegt daran, dass nun die Russpartikel nicht mehr vom Öl gebunden und abgeführt werden. Außerdem werden die Oberflächen nicht mehr vor Korrosion durch die aggressiven Abgase geschützt. Im Lagergehäuse herrscht normalerweise ein Umgebungsdruck oder ein leichter Unterdruck, wenn das Lagergehäuse mit dem Kurbelgehäuse verbunden ist. Durch den starken Übergang bei dem Druck vor der Turbine bzw. dem Druck P3 von z. B. 4 bar oder darüber kann immer ein Wenig Abgas an Kolbenringen vorbei in das Lagergehäuse gelangen.
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Aus der
DE 100 05 246 C1 ist ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine bekannt, welcher eine in einem Gehäuse aufgenommene Lagerungseinrichtung zur Abstützung einer Welle des Verdichters aufweist. Die Lagereinrichtung ist als Magnetlagerung mit einem bestrombaren Elektromagneten ausgebildet, der die Welle des Abgasturboladers mit einer magnetischen Stützkraft beaufschlagt. Die Magnetlagerung umfasst ein axiales Magnetlager und zwei radiale Magnetlager. Diese Magnetlager halten die Welle berührungsfrei zwischen den Einzelmagneten der Magnetlager. Eine derartige Magnetlagerung erlaubt unter anderem eine axiale Verstellung der Welle in die eine oder die andere Achsrichtung.
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Aus der
US 2008/0152476 A1 ist eine Zentrifugalpumpe bekannt, welche eine Vorrichtung zum Immobilisieren des Laufrades der Pumpe aufweist, um Reparaturen an der Pumpe durchführen zu können. Die Pumpe enthält eine Nasspartie, die eine Gehäusevorderfront und eine Gehäuserückfront aufweist, eine Pumpenwelle, die durch wenigstens einen Teil der Nasspartie geführt ist, ein an der Pumpenwelle befestigtes Laufrad und einen Laufradfixiermechanismus, der mit der Nasspartie verbunden ist und axial beweglich ausgebildet ist, um das Laufrad relativ zur Welle zu sichern und zu immobilisieren und um das Laufrad in einer zentralisierten Position relativ zur Nasspartie zu halten, während die Reparaturen an der Pumpe durchgeführt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben, durch welches ein Eindringen von Abgas in die Lageranordnung eines Turboladers reduziert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Reduzierung eines Eindringens von Abgas in das Lagergehäuse eines Turboladers, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bereitgestellt, der:
- – eine Rotorwelle aufweist, auf der ein Turbinenrad und ein Verdichterrad angeordnet sind,
- – wobei die Rotorwelle über eine ölfreie Lageranordnung in dem Gehäuse des Turboladers gelagert ist und
- – die Turbinenradrückwand (38) des Turbinenrades (16) mit der in einem Abstand (d) gegenüberliegenden Wand (50, 58) des Turboladergehäuses einen Tesla-Verdichter bildet;
wobei der Tesla-Verdichter derart eingestellt wird, dass der am Fuße des Turbinenrades (16) herrschende Druck (P3') gleich oder kleiner als der Druck im Inneren des Lagergehäuses des Turboladers ist.
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Dadurch kann ein Eindringen von Abgas in das Lagergehäuse zumindest reduziert oder im Wesentlichen ganz verhindert werden.
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Ein solcher Turbolader hat den Vorteil, dass die ölfreie Lagerung, wie beispielsweise eine Magnetlagerung, gegenüber den bisher bekannten Öl geschmierten Lagerungen, eine geringere Verlustleistung aufweist. Des Weiteren treten bei ölfreien Lagerungen nicht die Probleme von Öl geschmierten Lagern kurz nach dem Motorstart auf. Des Weiteren haben solche ölfreien Lagerungen bzw. im Wesentlichen ölfreien Lagerungen den Vorteil gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Öl geschmierten Lagerungen, wie z. B. Gleitlagern, dass auf eine Ölzuführung und -abführung in dem Lagergehäuse des Turboladers verzichtet werden kann. So benötigt eine ölfreie Lageranordnung bzw. im Wesentlichen ölfreie Lageranordnung, wie die Wälzlageranordnung, keine aufwendige Ölschmierung, bei welcher große Mengen von Öl gezielt an die Lagerstellen geführt werden. Bei dem speziellen Typ des Wälzlagers dient Öl in erster Linie zur Kühlung des Wälzlagers und wird in geringerer Menge benötigt als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Öl geschmierten Gleitlagern.
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Ein Weiterer Vorteil ist, dass ein Tesla-Verdichter, der zwischen der sich drehenden Rückwand des Turbinenrades und der gegenüberliegenden Wand des Turboladergehäuses gebildet wird, derart eingestellt werden kann, dass das Einströmen von Abgas in das Lagergehäuse reduziert bzw. im Wesentlichen verhindert werden kann. Durch den Tesla-Verdichter kann bewirkt werden, dass am Fuße der Rückwand des Turbinenrads ein Unterdruck gegenüber P3 entsteht. Dieser bewirkt, dass das Abgas nicht an der Dichtung vorbei ins Innere des Lagergehäuses des Turboladers strömt. Dabei wird der Abstand, d. h. der Abstand zwischen der Turbinenradrückwand und der gegenüberliegenden Wand entsprechend eingestellt, so dass der Druck (P3' im nachfolgenden) am Fuße der Turbinenradrückwand gleich oder etwas niedriger als der Druck im Inneren des Lagergehäuses ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Abstand d zwischen dem Turbinenrad und der dem Turbinenrad gegenüberliegenden Wand einstellbar. Dies hat den Vorteil, dass dadurch der Druck am Fuße der Turbinenradrückwand geeignet eingestellt bzw. variiert werden kann. So kann durch eine Verringerung des Abstandes d der Druck P3' am Fuße der Turbinenradrückwand verringert werden und bei einer Vergrößerung des Abstandes d entsprechend vergrößert werden.
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In der erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Abstand d zwischen der Rückwand des Turbinenrads und der gegenüberliegenden Wand derart eingestellt, so dass der Druck P3' am Fuße des Turbinenrads beispielsweise im Wesentlichen gleich oder kleiner als der Druck im Inneren des Lagergehäuses ist. Dies hat den Vorteil, dass verhindert werden kann, dass Abgas an der Dichtung vorbei ins Innere des Lagergehäuses einströmt und dadurch beispielsweise dort die ölfreie Lageranordnung negativ beeinflussen kann.
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In einer Ausführung der Lageranordnung weist die ölfreie Lagerung beispielsweise eine Magnetlageranordnung auf, wobei die Magnetlageranordnung beispielsweise eine axiale Magnetlageranordnung und/oder eine radiale Magnetlageranordnung aufweist. Eine axiale Magnetlageranordnung hat den Vorteil, dass mittels dieser Lageranordnung die Rotorwelle axial verschoben werden kann und darüber hinaus auch der Abstand d zwischen der Turbineradrückwand und der gegenüberliegenden Wand geeignet eingestellt oder variiert werden kann.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die dem Turbinenrad gegenüberliegende Wand eine Wand des Lagergehäuses. Die Wand des Lagergehäuses kann dabei feststehend sein oder beispielsweise ein Teil der Wand verschieblich ausgebildet sein, um den Abstand d geeignet einzustellen bzw. anzupassen.
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In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist ein Teil der Wand des Lagergehäuses, vorzugsweise im Wesentlichen der Teil der Lagergehäusewand der der Rückwand des Turbinenrads gegenüberliegt, verschieblich ausgebildet, zum Einstellen des Abstands d zwischen der Turbinenradrückwand und der Wand des Lagergehäuses. Der verschiebliche Teil der Wand des Lagergehäuses kann beispielsweise innerhalb des Lagergehäuses axial führbar ausgebildet sein und beispielsweise über eine Verschiebevorrichtung axial verschoben bzw. axial hin- und her bewegt werden. Dies hat den Vorteil, dass wenn keine axiale Magnetlageranordnung verwendet wird, der Abstand d stattdessen über die verschieblich ausgeführte Wand des Lagergehäuses geeignet eingestellt bzw. angepasst werden kann. Es kann aber auch eine entsprechende z. B. axiale Magnetlageranordnung mit einer verschieblichen Wand kombiniert werden.
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In einer Ausführungsform ist die ölfreie Lageranordnung beispielsweise eine Magnetlageranordnung, eine Wälzlageranordnung, z. B. eine Kugellageranordnung usw., eine Luftlagerung usw., oder weist eine oder mehrere diese Lageranordnungen zumindest auf. Solche ölfreien Lagerungen haben den Vorteil, dass auf Schmieröl verzichtet bzw. im Wesentlichen verzichtet werden kann und auf die damit verbundenen Nachteile.
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Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Position der Rotorwelle und/oder der Turbinenradrückwand, beispielsweise über eine optische Positionssensoreinrichtung bestimmt bzw. über wenigstens einen optischen Positionssensor. Es können aber auch andere Sensoren und Kombinationen von Sensoren eingesetzt werden, um die Position z. B. die axiale Position der Rotorwelle und/oder der Turbinenradrückwand zu bestimmen. Anhand der axialen Position der Rotorwelle bzw. der Turbinenradrückwand kann der Abstand d zwischen der Turbinenradrückwand und der gegenüberliegenden Wand bestimmt und geeignet angepasst werden, falls erforderlich, um einem Einströmen von Abgas in das Lagergehäuse entgegen zu wirken. Alternativ oder zusätzlich kann bei einer vorhandenen axialen Magnetlageranordnung auch der Abstand d über die Messung des Stroms in dem jeweiligen Spulenelement der Magnetlageranordnung bestimmt werden.
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In einer Ausführungsform sind wenigstens ein oder mehrere Abschnitte oder die gesamte Turbinenrückwand und/oder die der Turbinenwand gegenüberliegende Wand geätzt, gefräst und/oder geschliffen sind. Dies hat den Vorteil, dass die Wirkung als Tesla-Verdichter zusätzlich verbessert werden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht durch ein Gehäuse eines Turboladers und ein Ausschnitt der Rotorwelle und der Turbine des Turboladers, wobei die Rotorwelle mittels einer Öl geschmierten Lageranordnung gelagert ist;
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2 eine schematische Darstellung einer Magnetlageranordnung als Beispiel für eine ölfreie Lagerung;
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3 eine Schnittansicht durch ein Gehäuse eines erfindungsgemäßen Turboladers und ein Ausschnitt der Rotorwelle und der Turbine des Turboladers, wobei die Rotorwelle ölfrei gelagert ist; und
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4 eine Schnittansicht durch ein Gehäuse eines weiteren erfindungsgemäßen Turboladers und ein Ausschnitt der Rotorwelle und der Turbine des Turboladers, wobei die Rotorwelle ölfrei gelagert ist.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
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In 1 ist eine Schnittansicht durch ein Gehäuse eines Turboladers 10 gezeigt, sowie ein Ausschnitt der Rotorwelle 12 und der Turbine 14 des Turboladers 10. Die Rotorwelle 12, auf welcher ein Turbinenrad 16 einer Turbine 14 und ein Verdichterrad 18 eines Verdichters 20 angeordnet sind, ist dabei über eine Öl geschmierte Lagerung gelagert. Die Öl geschmierte Lagerung besteht dabei aus zwei Radiallagern 22 und zwei Axiallagern 24. Zur Schmierung der Lager ist ein entsprechender Ölzulauf 26 zum Zuführen des Schmieröls zu der Lageranordnung in dem Lagergehäuse 28 vorgesehen, sowie ein Ölablauf 30 zum Abführen des gebrauchten Schmieröls. Des Weiteren ist jeweils eine Dichtung 32 vorgesehen, die das Lagergehäuse 28 gegenüber dem Verdichtergehäuse 34 bzw. dem Turbinengehäuse 36 abdichtet. Wie in dem vergrößerten Ausschnitt des Turbinenrads 16 gezeigt ist, weist die Rotorwelle 12 vor der Turbinenradrückwand 38 des Turbinenrads 16 einen Absatz 40 mit einer Dichtungsnut 42 auf, in die ein Kolbenring 44 eingreift, um das Lagergehäuse 28 gegen die Turbine 14 abzudichten.
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Im Betrieb des Turboladers 10 wird der Turbine 14 ein Abgasmassenstrom eines Motors zugeleitet. Dieser treibt das Turbinenrad 16 an. Das Turbinenrad 16 treibt wiederum das Verdichterrad 18 an, das zugeführte Frischluft verdichtet und dem Motor zuführt. Die Strömungsrichtungen der Frischluft und des Abgasmassenstroms sind dabei mit Pfeilen in 1 dargestellt. Außerdem sind Bereiche des Turboladers 10 gekennzeichnet, in denen bestimmte Drücke vorherrschen. Dazu gehört der Druck vor dem Verdichter 20, d. h. der Druck P1. Dieser ist meist geringer als der Umgebungsdruck. Des Weiteren der Druck nach dem Verdichter 20, d. h. der Druck P2, bzw. der sog. Ladedruck. Weiter der Druck vor der Turbine 14, d. h. der Druck P3. Dieser Druck P3 ist dabei meist höher als der Druck P2 nach dem Verdichter 20. Darüber hinaus ist der Druck nach der Turbine 14 angegeben, d. h. der Druck P4, der meist etwas höher ist als der Umgebungsdruck.
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In dem vergrößerten Ausschnitt in 1 ist des Weiteren, wie zuvor beschrieben, die Abdichtung 32 zwischen dem Turbinengehäuse 36 und der hinteren Lagerstelle 46 dargestellt, wie sie in heutigen Abgasturboladern 10 häufig zu finden ist. Dabei sitzt ein Kolbenring 44, der unter Vorspannung an der Wand des Lagergehäuses 28 anliegt, in einer Nut 42. Zwischen dem Kolbenring 44 und der Dichtungsnut 42 bildet sich somit eine Art Labyrinth-Dichtung aus, die nach Möglichkeit das Lagergehäuse 28 zum Turbinenraum hin abdichten soll. Der Raum 48 rechts von der Dichtung 32, am Fuße des Turbinenrads 16, gehört – im weiteren Sinne – zum Raum stromaufwärts der Turbine 14, wo der Druck P3 vor der Turbine 14 herrscht. An dieser Stelle bzw. in diesem Raum 48 liegt jedoch ein Druck P3' vor, der geringer ist als der Druck P3 vor der Turbine 14.
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Die Druckabnahme entlang der Turbinenradrückwand 38 des Turbinenrads 16 basiert auf dem Effekt der sog. Tesla-Turbine. Bei dieser kann man nur durch die Kräfte der Adhäsion und der Viskosität eine Turbine bzw. einen Verdichter betreiben. Wenn man zwei oder mehrere Scheiben, z. B. runde Scheiben, die eng zusammen stehen, schnell dreht, so wirken diese als Radialverdichter obwohl keine Schaufeln vorhanden sind. Die Turbinenradrückwand 38 des Turbinenrads 16, die sich dreht, und die Rückwand 50 des Lagergehäuses 28 bilden dabei eine Art Tesla-Verdichter. Daher nimmt der Druck an der Rückseite des Turbinenrads 16 zur Mitte hin ab.
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Die Lageranordnung 22, 24 zur Lagerung der Rotorwelle 12 ist häufig als Öl-Gleitlagerung ausgeführt. Dabei schwimmt die Rotorwelle 12 auf einem Ölfilm, der durch einen kontinuierlichen Öl-Zulauf 26 aufrechterhalten wird. Nachdem das Öl durch die Gleitlager 22, 24 geflossen ist läuft es durch den Öl-Ablauf 30 über eine Leitung in das Kurbelgehäuse des Motors.
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Im Fahrbetrieb ist es sehr wichtig, dass kein Öl aus der Lagerung 22, 24 in den Turbinenbereich und somit in den Abgastrakt gelangt, da sich dies nachteilig auf das Emissionsverhalten des Motors auswirken würde. Andererseits sollten möglichst wenig Abgase in die Lagerung 22, 24 gelangen, da diese Gase sehr aggressiv sind und die Korrosion der Lagerung 22, 24 bewirken. Außerdem kommt es zu einem Eintrag von Russpartikeln in das Öl und somit zu einer beschleunigten Alterung des Öls.
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Um die Abdichtung des Lagergehäuses 28 gegenüber der Turbine 14 zu verbessern werden oft auch zwei Kolbenringe 44 an dieser Stelle verbaut. An der Verdichterseite kommt meist ebenfalls eine Dichtung 32 nach diesem Prinzip zum Einsatz. Hier ist allerdings das Überströmen von geringen Mengen an Frischluft von der Verdichterseite hin zum Lagergehäuse 28 nicht so kritisch anzusehen, da die Frischluft im Wesentlichen keine korrosive Wirkung besitzt und es zu keinem Russpartikel-Eintrag in das Öl kommt. Gase die über die Dichtung 32 in das Lagergehäuse 28 gelangen werden zusammen mit dem Öl in das Kurbelgehäuse abgeführt.
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Im Rahmen der Turboladerentwicklung werden nun unter anderem auch alternative Lösungen zur Lagerung der Rotorwelle 12 gesucht. Stand der Technik ist bisher eine Gleitlagerung 22 mit einem Ölfilm. Eine der alternativen Lösungen ist eine ölfreie Lagerung 22, 24, beispielsweise in Form einer Magnetlagerung.
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Diese Magnetlagerung zeichnet sich durch die folgenden Vorteile aus. Die Magnetlagerung stellt eine ölfreie Lagerung dar, was vorteilhaft ist bezüglich Emissionen. Des Weiteren weist die Magnetlagerung eine geringe Verlustleistung auf. Außerdem treten bei der Magnetlagerung keine Probleme, wie bei der Schmierung mit Öl, kurz nach dem Motorstart auf, was insbesondere vorteilhaft bei Fahrzeugen mit einer Start-Stopp Automatik ist.
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Bei der Magnetlagerung werden die Kräfte, die den Rotor bzw. die Rotorwelle in seiner bzw. ihrer Position halten durch Magnetfelder um Strom durchflossene Spulen generiert. Der Fluss dieser Magnetfelder wird dabei durch Eisenpakte (Stator) geleitet und geht – unterbrochen durch eine Luftspalt – auch durch Teile der Rotorwelle.
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2 zeigt den schematischen Aufbau beispielsweise eines Axiallagers 24 in einer Magnetlagerung 52. Dabei ist stark vereinfacht und rein schematisch eine Rotorwelle 12 mit einer Axiallagerung 24 dargestellt. Des Weiteren ist eine Magnetlagerung 52 vorgesehen welche wenigstens eine Spuleneinrichtung 54 und eine Statorpakteinrichtung 56 auf jeder Seite der Axiallagerscheibe 24 aufweist. Die Magnetlageranordnung 52 ist ebenfalls stark vereinfacht und rein schematisch dargestellt. Die Erfindung ist nicht auf diese spezielle Ausführungsform einer Magnetlageranordnung 52 beschränkt, die gezeigte Magnetlageranordnung 52 ist rein beispielhaft.
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Die durch die jeweilige Spuleneinrichtung 54 erzeugten Magnetfeldlinien, die durch die Luft gehen, sind bestrebt den Luftspalt d zwischen der Axiallagerscheibe 24 und der Spuleneinrichtung 54 und der Statorpaketeinrichtung 56 zu verkleinern. Dadurch wird die Scheibe des Axiallagers 24 und damit die Rotorwelle 12 in die Richtung der bestromten Spuleneinrichtung 54 gezogen. Es lassen sich immer nur Kräfte in diese eine Richtung erzeugen. Soll eine Kraft in eine andere Richtung erzeugt werden, so muss dies von der Spuleneinrichtung 54 auf der anderen Seite erfolgen. Die Kraft, die in axialer Richtung ausgeübt wird, ist von der Größe des Luftspalts 58 abhängig. Nähert sich die Axiallagerscheibe 24 der bestromten Statorpaketeinrichtung 56 an, so erhöht sich bei gleichem Stromfluss in der Spuleneinrichtung 54 die Kraft und die Axiallagerscheibe 24 wird noch stärker zu der Statorpaketeinrichtung 56 hingezogen.
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Es handelt sich bei diesem System also um ein instabiles Gleichgewicht, dass einer geeigneten Regelung bedarf, dazu muss die Position der Rotorwelle 12 in axialer Richtung bekannt sein. Diese Position der Rotorwelle 12 kann beispielsweise ermittelt werden durch:
- – eine Positionssensorseinrichtung, beispielsweise wenigstens einen oder mehrere optische Positionssensoren, und/oder
- – durch die Messung des Stromes in der Spuleneinrichtung 54 kann auf deren Induktivität und damit auf die Größe des Luftspalts d geschlossen werden. Die Ansteuerung der Spuleneinrichtung 54 erfolgt z. B. über ein Puls-Weiten – Moduliertes(PWM)-Signal. Dabei wird in schneller Folge die Spannung an der jeweiligen Spuleneinrichtung 54 ein und ausgeschaltet. Durch das Verhalten des Stromflusses kann auf die Induktivität der Spuleneinrichtung 54 geschlossen werden und damit auf die Größe des Luftspalts zwischen der Statorpaketeinrichtung 56 und der Axiallagerscheibe 24.
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Der Regelung wird dabei eine Soll-Position der Rotorwelle 12 vorgegeben. Aus der Abweichung zwischen der Soll-Position und der Ist-Position wird eine entsprechende Bestromung der jeweiligen Spuleneinrichtung 54 des Axiallagers 24 bestimmt, so dass die entsprechenden Kräfte generiert werden können, die den Rotor bzw. die Rotorwelle 12 in der Soll-Position halten.
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Die Radiallageranordnung 22 funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip. Hier gibt es jedoch drei oder mehr Spuleneinrichtungen 54, die die Rotorwelle 12 in die entsprechende Richtung ziehen. Durch die Magnetlageranordnung 52 befindet sich die Rotorwelle 12 in einem frei schwebenden Zustand im Lagergehäuse 28. Die genaue Position der Rotorwelle 12 lässt sich durch ein Verstellen der Soll-Position – in gewissen Grenzen – verschieben.
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Die Idee gemäß der Erfindung ist es nun, dass der eingangs beschrieben Effekt des Tesla-Verdichters an der Turbinenradrückwand 38 des Turbinenrads 16 genutzt wird um den Druck P3' so einzustellen, dass er möglichst gleich dem Druck im Lagergehäuse 28 ist. Dies kann beispielsweise geschehen durch:
- – eine axiale Verschiebung der Rotorwelle 12 durch eine Anpassung der Soll-Position in der Magnetlageranordnung 52, und/oder
- – durch eine axiale Verschiebung der feststehenden bzw. nicht drehenden Rückwand 50 des Turboladergehäuses gegenüber der Turbinenradrückwand 38.
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Gemäß der Erfindung wird der Tesla-Verdichter bei dem Turbolader 10 nicht direkt zum Verdichten der Luft genutzt, sondern zum Abbau von Druck entlang der Turbinenradrückwand 38 des Turbinenrads 16 hin, um den Druck P3' so einzustellen, dass er möglichst gleich dem Druck im Lagergehäuse 28 ist.
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3 zeigt schematisch einen Abgasturbolader 10 mit einer Magnetlageranordnung 52, sowie einen Ausschnitt einer Vergrößerung des Bereichs der Turbine 14. Die Magnetlageranordnung 52 weist dabei beispielsweise eine axiale Magnetlageranordnung 24 und eine radiale Magnetlageranordnung 22 auf, um die Rotorwelle 12 in dem Lagergehäuse 28 geeignet zu lagern. Weiter kann wahlweise, wie in dem vergrößerten Ausschnitt in 3 gezeigt ist, das Lagergehäuse 28 gegenüber dem Turbinengehäuse 36 abgedichtet sein. Als Dichtung 32 können dabei beispielsweise wenigstens eine oder mehrere Kolbenringdichtungen 44 vorgesehen sein, die z. B. am Lagergehäuse 28 befestigt sind und mit einer Dichtungsnut 42 an der Rotorwelle 12 bzw. einem Absatz 40 davon, in Eingriff kommen. Es kann aber auch jede andere Art von Dichtung 32 vorgesehen werden. Die gezeigte Dichtung 32 ist rein beispielhaft.
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Zwischen der Turbinenradrückwand 38 des Turbinenrads 16, welches drehbar ist, und der Rückwand 50 des Lagergehäuses 28 herrscht der Abstand „d”. Zwischen diesen beiden Flächen wirkt eine Art Tesla-Verdichter. Da sich nicht beide Flächen drehen, sondern nur eine ist der Effekt geringer als bei einem richtigen Tesla-Verdichter, aber er ist trotzdem noch vorhanden. Durch diesen „Verdichter” fließt kaum bzw. im Idealfall kein Massenstrom, wobei am Fuß die Welle 12 außerdem zum Lagergehäuse 28 hin abgedichtet ist. Deshalb wird durch den Verdichter 20 ein Druckpotential aufgebaut. Nach außen zum Turbinenrad 16 hin steigt der Druck an. Zur Mitte des Turbinenrads 16 hin nimmt der Druck wiederum ab.
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Da im Betrieb bei dem Druck P3 vor der Turbine 14 normalerweise ein Überdruck herrscht, stellt sich in dem Raum 48 am Fuße der Turbinenradrückwand 38, ein entsprechender Druck P3' ein, der geringer ist. Dieser Druck P3' am Fuße der Turbinenradrückwand 38 hängt beispielsweise von Faktoren ab, wie:
- 1. der Drehzahl des Turbinenrads 16
- 2. der Adhäsion des Abgases
- 3. der Viskosität des Abgases
- 4. der Dichte des Abgases
- 5. Rauhigkeit der Oberfläche der Turbinenradrückwand 38
- 6. Rauhigkeit der Oberfläche der Lagergehäuserückwand 50
- 7. dem Abstand „d” zwischen der Turbineradrückwand 38 und der Lagergehäuserückwand 50
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Wenn man die ersten sechs Einflussgrößen als gegeben betrachtet, so kann man durch eine geeignete Wahl des Abstands „d” den Druck P3' geeignet beeinflussen. Eine Verringerung des Abstandes „d” bewirkt dabei eine Verringerung des Drucks P3'. Eine Vergrößerung des Abstandes „d” bewirkt wiederum eine Vergrößerung des Drucks P3'. Der Abstand „d” kann hierbei durch eine axiale Verschiebung des gesamten Rotors bzw. der Rotorwelle 12 gezielt eingestellt bzw. geeignet angepasst werden. Der Abstand „d” kann beispielsweise mittels einer magnetischen Lageranordnung 52 eingestellt werden bzw. die Rotorwelle 12 entsprechend axial verschoben werden.
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Alternativ oder zusätzlich dazu kann der selbe Effekt erzielt werden, wenn nicht der Rotor bzw. die Rotorwelle 12 in axialer Richtung verschoben wird, sondern die der Turbinenradrückwand 38 gegenüberliegenden Wand 50. Das kann die Rückwand 50 des Lagergehäuses 28 sein, also die Fläche gegenüber der Turbinenradrückwand 38 des Turbinenrads 16, so wie in nachfolgender 4 gezeigt ist. Es ist aber auch denkbar, dass diese der Turbinenradrückwand 38 gegenüberliegende Wand Teil des Turbinengehäuses 36 ist (nicht dargestellt).
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In 4 ist eine Schnittansicht durch ein Gehäuse eines weiteren erfindungsgemäßen Turboladers 10 gezeigt und ein Ausschnitt der Rotorwelle 12 und der Turbine 14 des Turboladers 10, wobei die Rotorwelle 12 ölfrei gelagert ist. Diese zweite erfindungsgemäße Ausführungsform unterscheidet sich dabei von der ersten Ausführungsform dadurch, dass nicht die Rotorwelle 12 axial verschoben wird, sondern ein Teil der dem Turbinenradrückwand 38 gegenüberliegenden Wand 50. Ansonsten gelten die Ausführungen zu der ersten Ausführungsform im Wesentlichen auch für die zweite Ausführungsform.
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Der Turbolader 10 weist hierbei eine Rotorwelle 12 auf, auf der ein Turbinenrad 16 einer Turbine 14 und ein Verdichterrad 18 eines Verdichters 20 angeordnet sind. Des Weiteren sind die Axiallageranordnung 24 und/oder die Radiallageranordnung 22 als ölfreie Lageranordnung ausgebildet. Dabei kann neben einer entsprechenden Magnetlagerung 52 auch jede andere ölfreie Lagerung vorgesehen werden. Des Weiteren kann, wie in dem vergrößerten Ausschnitt in 4 gezeigt ist, das Lagergehäuse 28 gegenüber dem Turbinengehäuse 36 abgedichtet sein. Als Dichtung 32 können dabei beispielsweise wenigstens eine oder mehrere Kolbenringdichtungen 44 vorgesehen sein, die z. B. am Lagergehäuse 28 befestigt sind und in einer Dichtungsnut 42 an der Rotorwelle 12 bzw. einem Absatz 40 der Rotorwelle 12, aufgenommen sind. Prinzipiell kann aber auch jede andere Art von Dichtung 32 vorgesehen werden.
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Zum Einstellen des Abstandes d zwischen der Turbinenradrückwand 38 und der gegenüberliegenden Wand 50, hier beispielsweise der Wand 50 des Lagergehäuses 28, ist die gegenüberliegende Wand 50 verschieblich bzw. beweglich ausgebildet. Dabei weist im vorliegenden Fall die Wand 50 des Lagergehäuses 28 einen Wandabschnitt 58 auf, der der Turbinenradrückwand 38 gegenüberliegt. Dieser Wandabschnitt 58 ist in einer Vertiefung bzw. Aussparung 60 des Lagergehäuses 28 axial verschieblich geführt. Dazu ist beispielsweise eine Verschiebevorrichtung 62 vorgesehen, die diesen Wandabschnitt 58 hin zu bzw. weg von der Turbinenradrückwand 38 bewegt, um den Abstand d und damit den Druck P3' am Fuße der Turbinenradrückwand 38 geeignet anzupassen. Die Verschiebevorrichtung kann dabei beispielsweise als eine mechanische, magnetische, hydraulische, pneumatische und/oder elektrische Verschiebevorrichtung 62 ausgebildet sein. Die verschiebbare Wand 58 kann dabei des Weiteren z. B. umlaufend oder zumindest teilweise umlaufend ringförmig ausgebildet sein. Je nachdem wie das Turbinengehäuse 36 ausgebildet ist, kann auch beispielsweise eine Wand des Turbinengehäuses 36 die gegenüberliegende Wand des Turbinenrads 16 bilden. In diesem Fall wird dann ein Teil dieser Wand entsprechend verschieblich ausgebildet.
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Die axiale Verschiebung die der Turbinenradrückwand 38 gegenüberliegenden Wand 50, 58 kann von Vorteil sein, wenn der Rotor bzw. die Rotorwelle 12 nicht axial verschoben werden kann, so wie es bei einer Magnetlageranordnung 52 der Fall ist, sondern wenn eine andere ölfreie Lagerung zum Einsatz kommt. Grundsätzlich ist aber auch eine Kombination von axial verschieblicher Wand 50, 58 und axial verschieblicher Rotorwelle 12 möglich.
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Der Druck aufbauende Effekt des Tesla-Verdichters kann außerdem verstärkt werden, in dem die Oberflächen der Turbinenradrückwand 38 und/oder der hierzu gegenüberliegenden Wand 50, 58 mit einer geeigneten Struktur versehen werden, z. B. durch Ätzen, Erodieren, Prägen, Honen, Lasern, Fräsen oder Schleifen. Dies gilt für alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Die vorgenannten Ausführungsformen sind miteinander kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmal davon. Statt der zuvor beschriebenen Magnetlageranordnung kann auch eine andere ölfreie Lageranordnung bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt werden, beispielsweise eine Lageranordnung mittels Wälzlagern, z. B. Kugellagern usw., einer Luftlagerung oder einer Kombination aus diesen Lagerungen. Dies gilt für alle Ausführungsformen der Erfindung.
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Die Magnetlagerung bzw. ölfreie Lagerung der Welle kann beliebig ausgeführt sein, um die Welle berührungslos zu lagern. Die
1 bis
4 sind lediglich beispielhaft. Hierbei können wahlweise oder alternativ zu den Spuleneinrichtungen mit Statorpaketeinrichtungen beispielsweise auch ein oder mehrere Permanentmagnete eingesetzt werden. Die Ausgestaltung und Steuerung solch einer Magnetlageranordnung ist außerdem beispielsweise in der
DE 10 2008 014 684 und
DE 10 2008 035 086 beschrieben.
