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Die Erfindung betrifft einen Turbolader mit wenigstens zwei Laufrädern nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Turbolader sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie umfassen typischerweise wenigstens zwei Laufräder, von denen zumindest eines ein Turbinenrad und zumindest ein anderes ein Verdichterrad ist. Turbolader werden typischerweise in Verbindung mit Verbrennungsmotoren eingesetzt. Die thermische Energie und die Druckenergie in den Abgasen des Verbrennungsmotors wird über das Turbinenrad genutzt, um mechanische Energie bereitzustellen. Die mechanische Energie wird dann über eine zumindest mittelbare Verbindung des Turbinenrads und des Verdichterrads, typischerweise über eine gemeinsame Welle, zum Antrieb des Verdichterrads genutzt. Das Verdichterrad kann dann Ansaugluft für den Verbrennungsmotor verdichten und diesem so eine höhere Luftmasse zur Verfügung stellen, als wenn diese durch den Verbrennungsmotor selbsttätig angesaugt wird. Verbrennungscharakteristik und Leistung des Verbrennungsmotors lassen sich dadurch verbessern.
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Um die Lager der Laufräder vor dem durch das Verdichterrad verdichteten gasförmigen Medium beziehungsweise dem heißen im Turbinenrad entspannten Abgas zu schützen, sind zwischen dem Lager und dem Laufrad geeignete Dichtungen vorgesehen, welche gemäß dem Stand der Technik typischerweise als Kolbenringe ausgeführt sind. Diese Kolbenringe sind dabei entsprechend komplex in der Ausführung, da diese beispielsweise im Bereich eines Gehäuses angeordnet sein müssen und passgenau mit geeigneten Nuten, beispielsweise im Bereich einer das Turbinenrad und das Verdichterrad verbindenden Welle korrespondieren. Dies ist hinsichtlich der Fertigungsgenauigkeit vergleichsweise aufwändig. Außerdem sorgen Kolbenringe als typischerweise schleifende Dichtungen für eine vergleichsweise große Reibung und einen damit verbundenen hohen Leistungsverlust. Um diese Leistungsverluste zu minimieren, ist eine entsprechende Schmierung notwendig, welche ebenfalls vergleichsweise aufwändig ist. Die Anzahl der Kolbenringe ist daher typischerweise eher klein, um die Reibungsverluste, den Fertigungsaufwand und damit verbundene Kosten einzusparen.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung liegt nun darin, eine Verbesserung einer derartigen Abdichtung mit Kolbenringen zu realisieren, ohne den Herstellungsaufwand, die Herstellungskosten und die Reibung so stark zu erhöhen, wie dies beim Einsatz einer größeren Anzahl an Kolbenringen der Fall wäre.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich dabei aus den abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Lösung sieht es also vor, dass die Abdichtung zusätzlich zu den Kolbenringen wenigstens einen Entspannungsraum aufweist. Ein solcher Entspannungsraum ergänzt die Abdichtung mittels den Kolbenringen durch eine Drucksenke für das durch den Bereich des Dichtspalts strömende Fluid. Er wirkt damit in der Art einer Labyrinth- oder Halblabyrinth-Dichtung und kann die Abdichtung weiter verbessern. Da der Entspannungsraum beispielsweise durch einen Einstich oder dergleichen sehr einfach ausgeführt werden kann, erhöht er den Fertigungsaufwand nur minimal, da er keine exakt ineinandergreifenden Bauteile erforderlich macht, welche nur mit entsprechend engen Toleranzen hergestellt werden können und entsprechend aufwändig bei der Herstellung und insbesondere bei der Montage des Turboladers sind.
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Unter einem Entspannungsraum im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist dabei jede Querschnittserweiterung des Dichtspalts zu verstehen, welche in idealer Weise eine sprungartige Erweiterung darstellt, und so für ein Entspannen des durch den Dichtspalt strömenden Mediums durch einen entsprechenden Druckabfall aufgrund des sich erweiternden Querschnitts sorgt. Der Entspannungsraum unterstützt dabei die durch die Kolbenringe realisierte Dichtung nachhaltig, ohne zusätzlichen nennenswerten Fertigungsaufwand zu verursachen.
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Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Turboladers ist es dabei vorgesehen, dass der wenigstens eine Entspannungsraum zwischen den Kolbenringen und dem Laufrad angeordnet ist. Diese Anordnung des wenigstens einen Entspannungsraums zwischen dem Laufrad und den Kolbenringen entspannt das aus dem Bereich des Laufrads, in dessen Bereich der höhere Druck herrscht, in Richtung des Gehäuses strömenden Gases. Dieses wird vor dem Erreichen der Kolbenringe in dem wenigstens einen Entspannungsraum wenigstens einmal entspannt, sodass ein Teil der Abdichtung bereits erfolgt ist, ehe die Kolbenringe erreicht werden.
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In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Turboladers ist es ferner vorgesehen, dass der wenigstens eine Entspannungsraum durch einen radialen Einstich ausgebildet ist. Ein solcher radialer Einstich im Bereich des Gehäuses oder insbesondere im Bereich der Welle ist dabei sehr einfach und effizient herzustellen, sodass der mit dem Entspannungsraum einhergehende Herstellungs- beziehungsweise Fertigungsaufwand minimiert werden kann.
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In einer entsprechend vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist der radiale Einstich dabei in dem rotierenden Bauteil angeordnet und kann beispielsweise durch spanende Verarbeitung auf einer Drehbank einfach und effizient hergestellt werden.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboladers ist es alternativ oder ergänzend hierzu vorgesehen, dass der wenigstens eine Entspannungsraum durch einen axialen Einstich ausgebildet ist. Ein solcher axialer Einstich kann dabei beispielsweise auf der Rückseite des Laufrads oder gemäß einer bevorzugten Weiterbildung in einem dem Laufrad zugewandten Bereich eines Gehäuses angeordnet sein. Der Aufbau ermöglicht es so, in einem Bereich, in dem der erforderliche Bauraum ohnehin vorhanden ist, die Einstiche zu platzieren. Die Einstiche benötigen dann im Bereich der Welle selbst praktisch keinen Bauraum, sodass dieser Bauraum für die ergänzende Dichtung durch die Kolbenringe vorgesehen werden kann.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Turboladers kann es außerdem vorgesehen sein, dass wenigstens zwei Entspannungsräume vorhanden sind, wobei die einem Dichtspalt zugewandten Öffnungsflächen der wenigstens zwei Entspannungsräume in zwei im Wesentlichen senkrecht zueinander stehenden Ebenen angeordnet sind. Ein solcher Aufbau nutzt dabei Einstiche in axialer Richtung ebenso wie Einstiche in radialer Richtung. Die Einstiche in axialer Richtung können beispielsweise im Bereich zwischen der Rückseite des Laufrads und einem Gehäuse angeordnet sein, wonach der Dichtspalt aus diesem ersten kreisscheibenförmigen Abschnitt in einen kreisringförmigen Abschnitt übergeht. In diesem parallel zur Achse verlaufenden Abschnitt sind dann weitere radiale Einstiche beziehungsweise wenigstens ein radialer Einstich als weiterer Entspannungsraum angeordnet, bevor die radial angeordneten Kolbenringe in an sich bekannter Art und Weise folgen. Der gesamte Bereich des Dichtspalts zwischen dem Laufrad und den Kolbenringen wird dabei zur Anordnung von Entspannungsräumen ausgenutzt, unabhängig von seiner Ausrichtung. Damit lässt sich der vorhandene Bauraum ideal nutzen, um mit einer möglichst großen Anzahl von Entspannungsräumen eine bestmögliche Abdichtung bereits im Bereich zwischen den Kolbenringen und dem Laufrad auszubilden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich ferner aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand eines Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
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Dabei zeigen:
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1 einen schematischen Schnitt durch einen prinzipmäßig angedeuteten Turbolader; und
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2 eine Abdichtung in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist ein Turbolader 1 prinzipmäßig angedeutet. Der Turbolader 1 in der hier dargestellten Ausführungsform besteht im Wesentlichen aus einem Verdichterrad 2 und einem Turbinenrad 3 als Laufräder, welche hier prinzipmäßig in identischer Form dargestellt sind. Dem Verdichterrad 3 strömt in axialer Richtung zu einer Drehachse 4 Luft zu, wie es durch den mit A bezeichneten Pfeil angedeutet ist. Die Luft A wird durch das Verdichterrad 2 verdichtet und strömt über einen Ringkanal 5 aus dem Bereich des Verdichterrads 2 verdichtet ab. Dem Turbinenrad 3 wird über einen Ringraum 6 heißes Abgas zugeführt, welches sich im Bereich des Turbinenrads 3 entspannt und dann, wie durch den Pfeil B angedeutet, in Richtung der Drehachse 4 aus dem Turbolader 1 abströmt. Die beim Entspannen des heißen Abgases B im Bereich des Turbinenrads 3 anfallende Energie treibt dabei das Verdichterrad 2 des Turboladers 1 über eine gemeinsame Welle 7 an. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel finden sich außerdem zwei Lager 8, welche das Verdichterrad 2, das Turbinenrad 3 und die gemeinsame Welle 7 lagern. Zwischen dem jeweiligen Laufrad 2, 3 und dem Lager 8 ist jeweils eine Abdichtung 9 angeordnet. Die Abdichtung 9 sorgt dafür, dass die heißen Abgase aus dem Ringkanal 6 beziehungsweise die im Ringkanal 5 befindliche verdichtete Luft nicht in den Bereich der Lager 8 eindringt und dort beispielsweise Schmiermittel thermisch zersetzt und zu Gasverlusten und damit zu Energieverlusten führt. Gleichzeitig verhindert die Abdichtung 9 auch, dass Schmiermittel aus dem Bereich der Lager 8 in den Bereich der Laufräder 2, 3 gelangt und dort mit der verdichteten Luft A zum Motor beziehungsweise mit dem Abgas B in die Umgebung gelangt.
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Die Abdichtung 9 verfügt dabei, wie es in der detaillierten Darstellung der 2 zu erkennen ist, über zwei Kolbenringe 10, welche mit einem feststehenden Teil des Gehäuses 11 verbunden sind. Die Kolbenringe 10 wirken mit korrespondierenden Nuten 12 zusammen. Diese Nuten 12 sind in ein mit dem Bezugszeichen 13 versehenes Bauteil eingebracht, welches gemeinsam mit der Welle 7 umläuft. Das Bauteil 13 kann dabei drehfest mit der Welle 7 verbunden oder alternativ hierzu auch einstückig mit der Welle 7 ausgebildet sein. Zwischen dem Verdichterrad 2 und der Dichtung über die Kolbenringe 10 mit den korrespondierenden Nuten 12 befindet sich außerdem ein Dichtspalt 14 zwischen dem Bauteil 13 beziehungsweise dem Verdichterrad 2, welche um die Drehachse 4 umlaufen, und dem hier dargestellten Teil des Gehäuses 11. Dieser Dichtspalt 14 ist in der Darstellung der 2 an mehreren Stellen mit dem Bezugszeichen 14 versehen. Im Bereich des Dichtspalts 14 sind dabei Entspannungsräume 15 angeordnet, welche die Dichtwirkung der Abdichtung 9 zusätzlich zu den Kolbenringen 10 verbessern. Diese Entspannungsräume 15 sind in dem dargestellten Aufbau in der Art eines Halblabyrinths beziehungsweise einer Halblabyrinth-Dichtung ausgebildet. Alternativ dazu wäre auch die Ausbildung als Labyrinthdichtung mit Einstichen und damit korrespondierenden Vorsprüngen denkbar. Dies ist jedoch in der Herstellung etwas aufwändiger.
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Der Dichtspalt 14 verläuft dabei im Wesentlichen in zwei Abschnitten, nämlich einem Abschnitt zwischen einer Rückseite 16 des Verdichterrads 2 und dem Gehäuse 11, und in einem zweiten Abschnitt zwischen dem Bauteil 13 und dem Gehäuse 11. Der erste Abschnitt ist dabei ringscheibenförmig, während der zweite Abschnitt im Wesentlichen kreiszylinderförmig ausgebildet ist. Die Rotationsachse des kreiszylinderförmigen Abschnitts steht dabei im Wesentlichen senkrecht auf der ringförmigen Scheibe. Zwei Entspannungsräume 15 befinden sich dabei im Bereich des Dichtspalts 14 in dem Bereich, in dem dieser als kreisringförmige Scheibe senkrecht auf der Drehachse 4 steht. Sie sind in axialer Richtung, also parallel zur Drehachse 4, als Einstiche 15.1 in dem Material des Gehäuses 11 ausgeführt. Die Rückseite 16 des Verdichterrads 2 ist in dem diesen Einstichen 15.1 gegenüberliegenden Bereich eben ausgebildet. Die dem Dichtspalt 14 zugewandten Öffnungsflächen der Entspannungsräume 15 liegen dabei im Wesentlichen parallel zur Rückseite 16 des Verdichterrads 2. Um die vergleichsweise komplexe Konstruktion des Verdichterrads 2 durch die Entspannungsräume 15 nicht zu beeinflussen, sind diese in diesem hier dargestellten Fall in das Gehäuse 11 eingebracht, während die Rückseite 16 des Verdichterrads 2 wenigstens annähernd eben und gegenüber dem herkömmlichen Aufbau unverändert ausgebildet ist. Nachdem der Dichtspalt 14 in der Querschnittsdarstellung im rechten Winkel abgeknickt ist, finden sich, bevor der Dichtspalt 14 die Kolbenringe 10 erreicht, zwei weitere Entspannungsräume 15, welche als radiale Einstiche 15.2 ausgebildet sind. Diese radialen Einstiche 15.2 verlaufen dabei im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse 4 und sind vorzugsweise in das rotierende Bauteil 13 eingebracht. Diese können beispielsweise durch spanende Verarbeitung auf einer Drehmaschine einfach und effizient in das rotierende Bauteil 13 mit eingebracht werden, insbesondere im gleichen Arbeitsschritt wie die mit den Kolbenringen 10 korrespondierenden Nuten 12. Auch die diesen Entspannungsräumen 15 gegenüberliegende Fläche, in dem Fall die Fläche des Gehäuses 11, ist entsprechend eben, also ohne Vertiefungen oder dergleichen ausgeführt. Die Fläche ist dabei die Innenfläche einer sich im Gehäuse 11 bildenden zylinderförmigen Öffnung, in welcher das Bauteil 13 und die Achse 7 entsprechend umlaufen.
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Der in 2 dargestellte Aufbau mit den Entspannungsräumen 15, welche sowohl in dem zwischen der Rückseite 16 des Verdichterrads und dem Gehäuse 11 verlaufenden Bereich als auch in dem zwischen dem Gehäuse 11 und dem. Bauteil 13 verlaufenden Bereich eingebracht sind, sorgen bei sehr platzsparender Anordnung für eine sehr gute Dichtung, insbesondere im Zusammenwirken mit den in Richtung des Druckabfalls auf sie folgenden Kolbenringen 10 mit den korrespondierenden Nuten 12. Im weiteren Verlauf des Dichtspalts 14 können bei Bedarf weitere Entspannungsräume mit eingebracht werden, beispielsweise durch eine entsprechende Querschnittserweiterung 17, wie sie in der 2 dargestellt ist. Auch diese Querschnittserweiterung 17 kann als Entspannungsraum interpretiert werden, da auch diese Querschnittserweiterung für einen Druckabfall im Bereich des Dichtspalts 14 sorgt und somit zusätzlich zur Abdichtung beiträgt.
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Alles in allem kann der in 2 dargestellte Aufbau, welcher die Kolbenringe 10 mit einer Labyrinth-Dichtung beziehungsweise einem Halblabyrinth kombiniert, bei minimalem Fertigungsmehraufwand eine sehr gute Dichtwirkung der Abdichtung 9 erzielen. Das Eindringen von Gasen in den Bereich der Lager 8 kann somit zuverlässig unterbunden oder zumindest minimiert werden. Die Abdichtung 9 kann auf. diese Art und Weise so gut realisiert werden, dass eine Anzahl von höchstens 2 Kolbenringen in der Abdichtung 9 ausreicht, um eine akzeptable Dichtwirkung zu erzielen. Der Aufwand hinsichtlich der Fertigung und der mit den Kolbenringen verbundene Verschleiß und reibungsbedingte Leistungsverlust lässt sich so minimieren.
