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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug mit einer ein Verdichterrad und ein Turbinenrad tragenden Welle, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Abgasturbolader werden üblicherweise mit einer hohen Drehzahl betrieben, die in der Regel eine hydrodynamische Ölschmierung der Axial- und Radiallager erfordert. Da bei Abgasturboladern ein Läufer mit unterschiedlichen Medien in Berührung steht, nämlich mit kalter Frischluft auf einer Verdichterseite, einem Motoröl im Lagebereich und einem heißen Abgasstrom auf einer Turbinenseite, ist eine wirksame Abdichtung im Bereich des rotierenden Läufers, das heißt im Bereich der Welle, zu den benachbarten statischen Bauteilen unverzichtbar. Hierbei hat sich der Einsatz von Wellendichtringen etabliert, die insbesondere bei einer schmaleren Ausführung des Wellendichtrings im Vergleich zu einer Nutbreite ein Umleiten eines Medienstroms um den dem Lagegehäuse vorgespannten Wellendichtring erzwingen. Da ein Axialspalt zwischen dem Wellendichtring und einer in der Welle, das heißt im Läufer, eingedrehten Umfangsnut in der Regel sehr schmal ausgeführt ist, kommt es zu einer massiven Reduzierung einer Ölleckage in das Turbinen- bzw. Verdichtergehäuse sowie zu einem starken Rückgang eines Abgas- bzw. eines Frischluftstromes in das Lagergehäuse (sogenannter Blow-by). Werden darüber hinaus mehrere Wellendichtringe axial benachbart zueinander eingesetzt, verlängert sich die Länge des Spaltes entsprechend, wodurch die Dichtwirkung zusätzlich verstärkt werden kann. Durch immer höher werdende Anforderungen hinsichtlich einer Emissionsreduzierung, werden daher zunehmend zwei und mehr Wellendichtringe sowohl auf einer Turbinen- als auch auf einer Verdichterseite eingesetzt. Die Montage der einzelnen Wellendichtringe ist aufgrund eines üblicherweise konstanten Wellendurchmessers jedoch oftmals problematisch und führt immer wieder zu schadhaft montierten Wellendichtringen, die nicht gleich bei Auslieferung zum Kunden entdeckt werden und dann zu späteren Ausfällen des Abgasturboladers führen können. Aus der
US 4 756 673 A ist ein gattungsgemäßer Abgasturbolader mit zwei axial zueinander benachbarten Wellendichtringen bekannt, die in zugehörigen wellenseitigen Umfangsnuten gehalten sind. Ein die wellenseitigen Umfangsnuten umgebender Außendurchmesser der Welle ist dabei unterschiedlich groß.
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Aus der
EP 1 394 451 A1 und der
WO 2004/063535 A1 sind weitere Abgasturbolader mit zwei axial zueinander beabstandeten Wellendichtringen bekannt, die in zugehörigen wellenseitigen Umfangsnuten gehalten sind.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Abgasturbolader der gattungsgemäßen Art, eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine vereinfachte Montage auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Außendurchmesser eines Läufers in einem Abgasturbolader, das heißt einen Außendurchmesser einer ein Turbinenrad und ein Verdichterrad tragenden Welle benachbart zu wellenseitigen Umfangsnuten, in welchen Wellendichtringe gehalten sind, unterschiedlich groß auszubilden, wodurch sich einerseits die Montage der Wellendichtringe, insbesondere bei sich einem in Montagerichtung der Wellendichtringe vergrößerndem Außendurchmesser, erleichtert und andererseits eine deutlich verbesserte Dichtwirkung erzielen lässt. Die Welle trägt dabei in bekannter Weise verdichterseitig ein Verdichterrad und turbinenseitig ein Turbinenrad und ist im Lagergehäuse des Abgasturboladers gelagert, wobei erfindungsgemäß zumindest zwei axial zueinander benachbarte Wellendichtringe vorgesehen sind, die in zugehörigen wellenseitigen Umfangsnuten gehalten sind. Diese zumindest zwei axial zueinander benachbarten Wellendichtringe können dabei turbinen- und/oder verdichterseitig vorgesehen werden, wobei gleichzeitig ein die wellenseitigen Umfangsnuten umgebender Außendurchmesser der Welle unterschiedlich groß ist, so dass insbesondere eine jeweilige radiale Tiefe zweier zu einer Umfangsnut gehörigen Nutenflanken unterschiedlich groß sind. Für Überdeckungslängen U1, U2, U3 und U4 der Wellendichtringe in den zugehörigen Umfangsnuten gilt dabei erfindungsgemäß generell folgende Beziehung gilt: U1<U2=U3<U4. Die Herstellung der erfindungsgemäß unterschiedlich großen Außendurchmesser im Bereich der Umfangsnuten lässt sich dabei fertigungstechnisch einfach durch entsprechende Drehwerkzeuge realisieren, so dass die mit der Erfindung erzielte vereinfachte Montage und erhöhte Dichtigkeit einerseits fertigungstechnisch einfach und andererseits kostengünstig erreicht werden können. Diese Lösung kann dabei turbinenseitig und/oder verdichterseitig angewandt werden.
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Bei einer nicht unter die Erfindung fallenden Ausführungsform, vergrößert sich der Außendurchmesser der Welle in Montagerichtung der Wellendichtringe im Bereich der Umfangsnuten sägezahnartig. Eine derartige Ausführungsform bietet insbesondere dann einen großen Vorteil, wenn ein Druck von der Turbinenseite her höher ist als ein Öldruck im Lagergehäuse, wobei durch die sägezahnartige Ausbildung des Außendurchmessers der Welle ein Blow-by-Gasstrom von der Turbinenseite her deutlich verringert werden kann.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Schnittdarstellung durch einen nicht erfindungsgemäßen Abgasturbolader im Bereich einer Lagerung mit sich stetig veränderndem Außendurchmesser der Welle,
- 2 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader im Bereich einer Lagerung wie in 1, jedoch mit sich stufenartig veränderndem Außendurchmesser der Welle im Bereich der Wellendichtringe,
- 3 ebenfalls eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einem sich sägezahnartig verändernden Außendurchmesser der Welle 3.
- 4 eine mögliche Montage der Wellendichtringe auf einer Welle eines Abgasturboladers gemäß der 1,
- 5 eine Schnittdarstellung durch einen Abgasturbolader nach dem Stand der Technik bei der Montage eines Wellendichtrings,
- 6 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader bei der Montage eines Wellendichtrings,
- 7 eine Schnittdarstellung durch einen nicht erfindungsgemäßen Abgasturbolader bei einer weiteren Ausführungsform.
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Entsprechend den 1 bis 3, weist ein Abgasturbolader 1 eine, ein Verdichterrad und ein Turbinenrad tragende Welle 2 auf, die in einem Lagergehäuse 3 gelagert ist. Im Bereich der Lagerung der Welle 2 im Lagergehäuse 3 sind dabei zumindest zwei axial zueinander benachbarte Wellendichtringe 4 und 4' vorgesehen, die in zugehörigen, wellenseitigen Umfangsnuten 5, 5' gehalten sind. Erfindungsgemäß ist nun ein die wellenseitigen Umfangsnuten 5, 5' umgebender Außendurchmesser D1, D2, D3 und D4 der Welle 2 unterschiedlich groß. Besonders deutlich wird dies auch an den jeweils eingezeichneten Überdeckungslängen U1, U2, U3 und U4 der Wellendichtringe 4, 4' in den zugehörigen Umfangsnuten 5, 5'.
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Betrachtet man die 1, so kann erkennen, dass der Außendurchmesser D der Welle 2 in Montagerichtung 6 der Wellendichtringe 4, 4' stetig vergrößert. Selbstverständlich ist dabei auch eine sich stufenartige Vergrößerung der Außendurchmesser D der Welle 2 denkbar, wie dies beispielsweise gemäß der 2 dargestellt ist. Alternativ hierzu kann sich der Außendurchmesser D auch sägezahnartig im Bereich der Umfangsnuten 5, 5' in Montagerichtung 6 vergrößern, wie dies beispielsweise gemäß der 3 dargestellt ist. Die beiden gezeichneten Wellendichtringe 4, 4' sollen dabei rein exemplarisch zu verstehen sein, so dass selbstverständlich auch mehr als zwei Wellendichtringe 4, 4' angeordnet werden können, die jeweils in einer zugehörigen, wellenseitigen Umfangsnut 5, 5' gehalten sind. Ebenso ist vorstellbar, dass derartige Wellendichtringe 4, 4' verdichterseitig und/oder turbinenseitig angeordnet werden.
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Durch die sich entgegen der Montagerichtung 6 verjüngende Welle kann eine deutlich vereinfachte Montage der Wellendichtringe 4, 4' erreicht werden, so dass der erfindungsgemäße Abgasturbolader 1 einfacher montierbar und insbesondere mit weniger Ausschuss herstellbar ist. Vorzugsweise verjüngt sich dabei der Außendurchmesser D der Welle 2 hin zu einer Lagerseite. Durch die unterschiedlichen Überdeckungslängen U zwischen den Wellendichtringen 4, 4' und den Umfangsnuten 5, 5', kann eine gesamte Dichtstrecke, die sich aus den einzelnen Überdeckungslängen U1, U2, U3 und U4 zusammensetzt, erhöht werden, wobei gemäß dem in 2 dargestellten Fall gilt: U1<U2<U3<U4. Ein hierfür vorgesehener Wellendichtring 4, 4' ist dabei derart konzipiert, dass die maximale Spannung bei der Montage des Wellendichtringes 4, 4' über dem Außendurchmesser D3 erfolgt. Der Anstieg des Außendurchmessers D ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass ein Spalt r in etwa einem Spalt t entspricht. Durch eine Vergrößerung der Überdeckungslängen U3 und U4 würde sich beim Wellendichtring 4' auch eine anliegende Ringfläche vergrößern, was wiederum eine Reduzierung einer Flächenpressung zur Folge hat. Dies ist notwendig, da der Wellendichtring 4' thermisch höher belastet wird und damit auch die zulässigen Materialspannungen niedriger sind als bei Normaltemperaturen.
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Gemäß der 2 gilt erfindungsgemäß für die Überdeckungslängen U generell folgende Beziehung: U1<U2=U3<U4. Durch eine zylindrische Ausführung ist hierbei eine besonders einfache Gestaltung eines Montagewerkzeuges möglich, wobei die Funktion im Vergleich zu 1 nur unwesentlich verändert ist.
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Gemäß der 3 verändert sich der Außendurchmesser D zwischen und im Bereich der Umfangsnuten 5, 5' sägezahnartig, wobei hierfür kennzeichnend ist, dass U2<U1 ungefähr U3< oder ungefähr U4 ist. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Druck von der Turbinenseite her höher ist als ein Öldruck im Lagergehäuse 3.
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4 zeigt einen Montagevorgang, bei dem deutlich erkennbar ist, dass durch die Erfindung der Wellendichtring 4 entweder geringer vorgespannt werden muss als der Wellendichtring 4' oder aber dass der Abstand S1 des Wellendichtrings 4' größer ist als der Abstand S2 des Wellendichtrings 4 zum jeweiligen Außendurchmesser der Welle 2. Beides erhöht sowohl die Robustheit als auch eine Sicherheit beim Montageprozess. Selbstverständlich können die Wellendichtringe 4, 4' nicht nur turbinenseitig, sondern in gleicher Weise auch verdichterseitig eingesetzt werden. Wie den 1-4 darüber hinaus zu entnehmen ist, ist ein Übergang von einer Nutenwandung zu einem Nutengrund der Umfangsnuten 5, 5' ausgerundet, wodurch eine Reduzierung der Kerbwirkung und damit ebenfalls eine Qualitätsverbesserung erreicht werden kann.
