-
Die Erfindung betrifft einen Turbolader mit einem Läufer nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
-
Turbolader sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Turbolader weisen typischerweise einen Läufer auf, welcher wenigstens ein Turbinenrad und wenigstens ein Verdichterrad umfasst, die über eine Welle verbunden sind. Im Bereich der zwischen dem Verdichterrad und dem Turbinenrad laufenden Welle befindet sich bei herkömmlichen Turboladern die Lagerung für den Läufer. Die Lagerung setzt sich dabei typischerweise aus einem Axiallager und üblicherweise zwei Radiallagern zusammen. Die Radiallager lagern die gemeinsame Welle einmal im Bereich des Turbinenrads und einmal im Bereich des Verdichterrads. Die Axiallagerung ist häufig so ausgebildet, dass diese die Lagerung an einer mit der Welle verbundenen Spurscheibe übernimmt.
-
Die Problematik besteht nun darin, dass diese Lagerung der gemeinsamen Welle des Läufers und damit die Lagerung des Läufers im Bereich zwischen dem heißen im Bereich des Turbinenrads entspannten Abgas und der im Bereich des Verdichterrads verdichteten Luft angeordnet ist. Um eine langlebige ausreichend leicht laufende Lagerung zu realisieren ist es aber notwendig, die oben genannten Lager der Lagerung über geeignete Schmierstoffe, insbesondere über Fette oder Öle, entsprechend zu schmieren. Durch die Anordnung zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad im Bereich des Gehäuses des Turboladers ist eine Zuführung der Schmiermedien typischerweise auch vergleichsweise einfach möglich. Allerdings muss der mit den Lagern der Lagerung versehene Bereich gegenüber der verdichteten Luft und dem zu entspannenden Abgas sorgfältig abgedichtet werden, da ansonsten heißes Abgas oder nach dem Verdichten heiße Luft in den Bereich der Lager gelangt. Dieser sogenannte „Blow-By” ist unerwünscht, da er einerseits zu Verlusten der unter Druck stehenden Gase führt und da er andererseits die thermische Zersetzung der Schmierstoffe im Bereich der Lagerung fördert. Andererseits kann auch in der Gegenrichtung Schmieröl in den Bereich des Abgases oder der verdichteten Zuluft gelangen, was ebenfalls nicht erwünscht ist und den Schmierölverbrauch der Lagerung deutlich erhöht.
-
Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung einen Turbolader mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Merkmalen zu schaffen, welcher die oben genannten Nachteile vermeidet. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Turbolader mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Turboladers ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
-
Der erfindungsgemäß ausgestaltete Turbolader weist also zumindest ein Lager der Lagerung an einem axialen Ende des Läufers auf. Dieses Lager ist dabei in der Art eines Spitzenlagers ausgebildet. Bei einem solchen Spitzenlager läuft eine Lagerspitze in einer Ausnehmung. Spitzenlager werden häufig im Bereich der Feinmechanik oder bei Messmaschinen oder dergleichen eingesetzt. Sie bestehen im Wesentlichen aus einer Lagerspitze mit einem mehr oder weniger stark abgerundeten Ende, welches in einer korrespondierenden Ausnehmung läuft, welche typischerweise in der Art einer Kugelkalotte oder konisch mit sphärischem Abschluss ausgebildet ist. Die Lagerspitze läuft in dieser Ausnehmung so, dass nur eine vergleichsweise geringe Fläche der Lagerspitze die Ausnehmung berührt und dadurch eine Lagerung mit geringer Reibung realisiert wird. Bei einem idealen Spitzenlager könnte man von einer punktförmigen Auflagefläche ausgehen.
-
Je nach Ausgestaltung der Lagerspitze und der mit ihr korrespondierenden Ausnehmung kann ein derartiges Spitzenlager dabei neben der axialen Lagerung des Läufers auch dessen Radiallagerung übernehmen. Die Anordnung dieses Lagers im Bereich eines Endes des Läufers ermöglicht es dabei, die Lagerung in einen Bereich zu verlegen, in dem diese nicht zwischen dem Turbinenrad und dem Läuferrad angeordnet ist, und daher die oben genannten Nachteile vermeidet.
-
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Turboladers ist es dabei vorgesehen, dass der Läufer über zwei in der Art von Spitzenlagern ausgebildete Lager an den axialen Enden des Läufers gelagert ist. Idealerweise weist der Läufer gemäß dieser vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Turboladers also nur diese beiden in der Art von Spitzenlagern ausgebildeten Lager an den axialen Enden des Läufers auf. Sowohl das Turbinenrad als auch das Verdichterrad des Läufers werden dabei von geeigneten Lagerspitzen gehalten und sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung gelagert. Dies ermöglicht es, den Aufbau des Läufers sehr kompakt zu gestalten, da zwischen Turbinenrad und Verdichterrad keine Lager mehr vorgesehen werden müssen. Die axiale Länge des erfindungsgemäßen Turboladers lässt sich dadurch minimieren. Außerdem werden Ölleckagen aus dem Bereich der Lager zwischen Turbinenrad und Verdichterrad vermieden und der nachteilige „Blow-By” in den Bereich der Lager kann ebenfalls unterbunden werden. Durch die Anordnung der beiden Lager an den axialen Enden des Läufers sind diese außerdem in Bereichen angeordnet, in denen vergleichsweise geringe Drücke und Temperaturen der in dem Turbolader entspannten beziehungsweise verdichteten Gase vorliegen.
-
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Turboladers ist es dabei vorgesehen, dass das/die in der Art von Spitzenlager ausgebildeten Lager jeweils eine Lagerspitze und eine mit dieser korrespondierenden Ausnehmung als Lagerbauteile aufweisen. In einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es dabei vorgesehen, dass die Ausnehmungen an den beiden axialen Enden des Läufers angeordnet sind. Der Läufer weist in dieser besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Aufbaus also die Ausnehmungen auf, während die mit diesen Ausnehmungen korrespondierenden Lagerspitzen im Bereich des Gehäuses angeordnet sind. Die Ausnehmungen können dabei bei der Herstellung des Läufers zentral an den beiden Enden des Läufers eingebracht werden. Damit entsteht ein sehr einfacher und gut zu handhabender Aufbau des Läufers, welcher keine empfindlichen Spitzen oder dergleichen aufweist. Die Lagerspitzen können dann im Bereich des Gehäuses angeordnet und bei der Montage des Läufers mit diesem in Kontakt gebracht werden.
-
In einer sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Turboladers ist es dabei vorgesehen, dass wenigstens eines der Lagerbauteile der Lagerung durch ein elastisches Mittel gegenüber dem mit ihm zusammenwirkenden Lagerbauteil vorgespannt ist. Eine solche Vorspannung eines der Bauteile der Lagerung, beispielsweise einer oder beider Lagerspitzen gegenüber den mit ihnen korrespondierenden Ausnehmungen, ist dabei von besonderem Vorteil, um die Lagerung so zu realisieren, dass diese immer mit einer definierten Kraft die Lagerspitzen in den Bereich der Ausnehmungen presst. Unabhängig von thermischen Ausdehnungen, welche im Bereich des Läufers eines Turboladers unweigerlich auftritt, kann über geeignete elastische Mittel, beispielsweise Federelemente oder dergleichen, eine annähernd konstante Kraft zwischen den Lagerspitzen und den Ausnehmungen realisiert werden. Idealerweise ist dabei lediglich eine der Lagerspitzen über die elastischen Mittel gelagert, während die andere Lagerspitze feststehend ausgebildet ist. Durch den Läufer hindurch werden die Kräfte dann entlang der Drehachse der Welle von der mit elastischen Mitteln vorgespannten Lagerspitze durch den Läufer hindurch in den Bereich der anderen Lagerspitze übertragen. Das elastische Mittel spannt so beide Lager in der oben genannten Art und Weise vor.
-
In einer weiteren sehr vorteilhaften besonders günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Turboladers ist es darüber hinaus vorgesehen, dass wenigstens eines der Lagerbauteile wenigstens einen Kanal aufweist, durch welchen ein Lagerfluid in den Bereich der zusammenwirkenden Lagerbauteile leitbar ist. Über einen solchen Kanal kann ein geeignetes Lagerfluid, beispielsweise ein Schmiermittel oder insbesondere Druckluft, als Lagerfluid in den Bereich des oder der in der Art von Spitzenlagern ausgebildeten Lagern geleitet werden. Damit lässt sich entweder eine geeignete Schmierung oder insbesondere ein hydrostatischer Lageraufbau erreichen. Ein solcher hydrostatischer Lageraufbau mit Luft als Lagerfluid ermöglicht es, den Läufer mit minimaler Reibung sehr einfach und effizient zu lagern. Dabei kann die eingebrachte Druckluft in den Bereich der dem Verdichterrad zuströmenden Luft beziehungsweise des aus dem Turbinenrad abströmenden Abgases gelangen, ohne dass hierdurch Probleme entstehen. Insbesondere bei Anwendungen für Nutzfahrzeuge, in denen Druckluft ohnehin vorhanden ist, stellt diese Art der hydrostatischen Lagerung mit Spitzenlagern eine ideale Lagerung für den Läufer des Turboladers dar, welche sämtlichen Probleme hinsichtlich von „Blow-By”, Ölleckagen und ähnlichem vermeidet. Der Aufbau stellt eine einfache und kostengünstige Lagerung bereit, und lässt darüber hinaus einen sehr kompakten Aufbau des Läufers und letztlich des Turboladers zu, da zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad kein Bauraum für die Lagerung mehr vorgesehen werden muss, und da die nach außerhalb des Läufers verlagerte externe Lagerung über Lager in der Art von Spitzenlagern sehr kompakt realisiert werden kann.
-
In einer günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Turboladers ist es ferner vorgesehen, dass zumindest eines der Lagerbauteile an seiner Oberfläche zumindest teilweise ein Material mit großer Härte aufweist. Ein solches Material mit großer Härte ist dabei als Material zu verstehen, welches eine größere Härte aufweist als die Materialien, welche im Bereich des Läufers typischerweise verbaut werden. Dies kann durch den Einsatz eines geeigneten Materials oder einer gezielten Wärmebehandlung des Materials im Bereich beispielsweise der Ausnehmung und/oder der Lagerspitze realisiert werden. Hier wäre beispielsweise ein punktuelles oder bereichsweises Härten eines hierfür geeigneten Materials denkbar. Insbesondere ist auch der Einsatz von harten Materialien oder Beschichtungen mit geeigneten Hartstoffen, beispielsweise auf der Basis von Keramiken, Karbiden oder dergleichen, welche beispielsweise durch thermisches Spritzen aufgetragen werden können, denkbar und möglich. Auch der Einsatz von Ausnehmungen beziehungsweise Lagerspitzen aus derartigen Materialien, beispielsweise keramischen Materialien oder Hartmetallen, welche in den Bereich des Läufers oder der Lagerspitze eingebracht und durch formschlüssiges oder stoffschlüssiges Fügen mit diesen verbunden werden, ist denkbar. Der Einsatz von derartigen Materialien mit großer Härte ermöglicht dabei eine Reduzierung der Reibung und des Verschleißes im Bereich der in der Art von Spitzenlagern ausgebildeten Lagern.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Turboladers ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben wird.
-
Dabei zeigen:
-
1 einen Läufer eines Turboladers in einem Aufbau gemäß dem Stand der Technik;
-
2 einen möglichen Aufbau eines Läufers eines Turboladers gemäß der Erfindung;
-
3 eine erste mögliche Ausführungsform eines Lagers gemäß der Erfindung; und
-
4 eine weitere mögliche Ausführungsform eines Lagers gemäß der Erfindung.
-
In der Darstellung der 1 ist der Läufer 1 eines in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Turboladers zu erkennen. Der Läufer 1 besteht typischerweise aus einem Verdichterrad 2 und einem Turbinenrad 3, welche hier prinzipmäßig angedeutet sind. Eine Welle 4 verbindet das Verdichterrad 2 mit dem Turbinenrad 3 und ist mit diesem beispielsweise durch stoffschlüssige und/oder formschlüssige Fügeverfahren zu dem Läufer 1 zusammengefügt. Der Läufer 1 wird typischerweise über eine in einem nicht dargestellten Gehäuse des Turboladers angeordnete Lagerung gelagert. In der Darstellung der 1 ist diese Lagerung beispielhaft gemäß einer aus dem Stand der Technik bekannten und üblichen Anordnung dargestellt. Die Lagerung umfasst zwei Radiallager 5, welche hier beispielhaft im Bereich des Verdichterrads 2 und des Turbinenrads 3 angeordnet sind und die Welle 4 entsprechend lagern. Die Axiallagerung wird durch zwei Axiallager 6 realisiert, welche hier beispielhaft die Lagerung des Läufers 1 im Bereich einer drehfest mit der Welle 4 verbundenen Spurscheibe 7 realisieren. Diese Lagerung ist dabei vergleichsweise aufwändig und benötigt einen entsprechend großen Bauraum zwischen dem Turbinenrad 3 und dem Verdichterrad 2. Außerdem besteht die Gefahr, dass für die Lagerung eingesetzte Schmierstoffe, insbesondere Öl, in den Bereich der verdichteten Luft beziehungsweise des entspannten Abgases gelangt und neben einem unerwünscht hohen Ölverbrauch für unerwünschte Emissionen sorgt. Ferner besteht die Gefahr, dass verdichtetes Gas oder noch nicht entspanntes Abgas entlang der Welle 4 in den Bereich der Lager gelangt und diese thermisch entsprechend belastet und gegebenenfalls das eingesetzte Schmiermedium zersetzt. Dieser als „Blow-By” bezeichnete Vorgang ist unerwünscht und erfordert eine entsprechende Abdichtung im Bereich der Welle 4, welche hier nicht dargestellt ist, welche typischerweise aber über Kolbenringe realisiert wird. Diese sorgen als schleifende Dichtung für entsprechende Verluste und stellen thermisch hochbelastete Bauteile dar, da derartige Läufer 1 von Turboladern mit sehr hohen Drehzahlen umlaufen.
-
In der Darstellung der 2 ist prinzipmäßig ein alternativer Aufbau eines Läufers 1 zu erkennen, welcher die oben geschilderten und eingangs genannten Nachteile und Probleme vermeidet. Das Turbinenrad 3 und das Verdichterrad 2 sind auch hier über die Welle 4 miteinander verbunden. In der Darstellung der 2 ist zu erkennen, dass dieser Aufbau in axialer Richtung deutlich kompakter realisiert werden kann, als der in 1 dargestellte Aufbau gemäß dem Stand der Technik. Dies wird insbesondere durch eine neue Art der Lagerung erreicht. In der Darstellung der 2 befinden sich an den axialen Enden des Läufers 1 jeweils Lager 8, welche in der Art von Spitzenlagern ausgebildet sind. Diese Lager 8 weisen als Lagerbauteile Lagerspitzen 9 auf, welche in geeigneten korrespondierenden Ausnehmungen 10, welche in der vergrößerten Schnittdarstellung der 3 zu erkennen sind, laufen. Diese Spitzenlager 8 sind dabei so ausgebildet, dass die Lagerspitze 9 an ihrem Ende konisch zuläuft und in einer abgerundeten, insbesondere sphärischen Spitze endet. Die Ausnehmung 10 ist korrespondierend aufgebaut und weist typischerweise einen geringfügig größeren Durchmesser ihres abgerundeten, insbesondere sphärischen Abschlusses und ihres konischen Abschnitts auf. Dadurch wird eine minimierte Anlagefläche der Lagerspitze 9 im Bereich der Ausnehmung 10, in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel im Bereich des Turbinenrads 3, erzielt. Die Lagerung kann aufgrund der konischen Ausgestaltung sowohl Axialkräfte als auch Radialkräfte aufnehmen. Wie in der Darstellung der 2 zu erkennen ist, reicht damit ein Spitzenlager 8 im Bereich des Turbinenrads und ein Spitzenlager 8 am anderen Ende des Läufers 1 im Bereich des Verdichterrads 2 aus, um den gesamten Läufer 1 zu lagern. Der Aufwand hinsichtlich der Lagerung wird also entsprechend minimiert. Durch die Anordnung der Spitzenlager 8 an den axialen Enden des Läufers 1 wird außerdem ein Aufbau erzielt, welcher entsprechend kompakt und platzsparend ist, da der zwischen dem Turbinenrad 3 und dem Verdichterrad 2 liegende Bereich nun nicht mehr für die Lagerung benötigt wird. Die eingangs beschriebenen Nachteile hinsichtlich Ölleckagen, „Blow-By” und dergleichen, können so in diesem Bereich nicht mehr auftreten.
-
In idealer Weise sind die beiden Spitzenlager 8 dabei durch wenigstens ein elastisches Mittel 11 im Bereich eines der Lagerbauteile 9, 10 mit einer vorgegebenen Kraft vorgespannt. In der Darstellung der 2 ist dieses elastische Mittel als Spiralfeder 11 im Bereich der mit dem Verdichterrad 2 zusammenwirkenden Lagerspitze 9 zu erkennen. Die Spiralfeder 11 stützt sich dabei auf einer fest mit der Lagerspitze 9 verbundenen Scheibe 12 einerseits und einem Teil des Gehäuses 13 des Turboladers andererseits ab. Dieses eine elastische Mittel 11 reicht dabei aus, um beide Spitzenlager 8 mit einer entsprechenden Vorspannung zu versehen. Es kann idealerweise im Bereich des axialen Endes des Läufers 1 auf der Seite des Verdichterrads 2 angeordnet werden, da hier die geringste thermische Belastung des gesamten Systems zu erwarten ist, da entlang der in 2 mit dem elastischen Mittel 11 versehenen Lagerspitze 9 lediglich Frischluft angesaugt und durch das Verdichterrad 2 verdichtet wird. Die angesaugte Frischluft ist dabei vergleichsweise kühl, sodass das elastische Mittel 11 keine allzu hohe thermische Beständigkeit aufweisen muss. Neben der hier angedeuteten Spiralfeder als elastisches Mittel 11 sind weitere Federmittel, beispielsweise Druckfedern oder auch Federelemente in Form von Gasfedern, Elastomerfedern oder dergleichen, denkbar.
-
In der Darstellung der 4 ist ein Aufbau analog dem in 3 nochmals dargestellt. Das in 4 dargestellte Spitzenlager 8 ist dabei so ausgebildet, dass die Lagerspitze 9 einen Kanal 14 aufweist, welcher sich in dem Bereich, in dem die Lagerspitze 9 mit der Ausnehmung 10 zusammenwirkt, in mehrere Kanalabschnitte 14.1, 14.2, 14.3 aufteilt. Durch den Kanal 14 und die Kanalabschnitte 14.1, 14.2, 14.3 kann nun beispielsweise ein Schmiermedium zugeführt werden, um die Reibung des Spitzenlagers 1 weiter zu minimieren. Insbesondere kann der Kanal 14 jedoch mit einer Druckluftquelle verbunden sein, sodass durch den Kanal 14, wie durch den mit A bezeichneten Pfeil angedeutet, Druckluft durch den Kanal 14 und die Kanalabschnitte 14.1, 14.2 und 14.3 strömt. Diese Druckluft als Lagerfluid A kann aus einer beliebigen Druckluftquelle entnommen werden, beispielsweise dem Druckluftspeicher in einem Druckluftsystem, wie es in einem Nutzfahrzeug vorhanden ist. Die Druckluft kann auch aus einem Bereich nach dem Verdichterrad 2 abgezweigt werden. Die gemäß dem Pfeil A zugeführte Druckluft, oder auch ein anderes gasförmiges oder flüssiges Lagerfluid, sorgt für einen Fluidfilm zwischen der Lagerspitze 9 und der Ausnehmung 10. Das Spitzenlager 8 wird so zu einem hydrostatischen Spitzenlager 8. Dieses kann mit minimaler Reibung vergleichsweise hohe Kräfte sowohl in axialer als auch in radialer Richtung aufnehmen. Werden beide der Spitzenlager 8 als derartige hydrostatische Spitzenlager ausgebildet, dann kann mit minimaler Reibung eine sehr gute Lagerung des Läufers 1 erzielt werden. Typischerweise werden die Lagerspitzen 9 dabei der Teil sein, welcher fest mit dem Gehäuse des Turboladers verbunden ist, während die Ausnehmungen 10 in die drehenden Elemente des Läufers 1 integriert werden. Dies ist hinsichtlich der Zuführung des Lagerfluids A von besonderem Vorteil, da diese ansonsten über einen umlaufenden Anschluss zugeführt werden müsste.
-
Druckluft ist als Lagerfluid A dabei ideal geeignet, da diese typischerweise in einem Fahrzeug zur Verfügung steht oder durch das Verdichterrad 2 ohnehin erzeugt wird und ein Teil dieses Luftstroms als Lagerfluid A abgezweigt werden kann. Die aus dem luftgefüllten Spalt zwischen der Lagerspitze 9 und der Ausnehmung 10 abströmende Luft gelangt dann in den das Spitzenlager 8 umgebenden Bereich. Dieser Bereich ist auf der Seite des Verdichterrads 2 dabei der Ansaugbereich für die vom Verdichterrad 2 angesaugte Luft, sodass dies vollkommen unkritisch ist. Im Bereich des Turbinenrads 3 ist der Bereich, in dem die Luft aus dem Spitzenlager 8, wenn dieses als hydrostatisches Spitzenlager 8 ausgebildet ist, abströmt, der Bereich, in dem das Abgas aus dem Turbinenrad 3 abströmt. Auch hier ist die zusätzliche Luft in dem Abgas unkritisch.
-
Die beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboladers mit der Lagerung des Läufers 1 über wenigstens ein Spitzenlager 8 lässt sich dabei beidseitig, wie in der Darstellung der 2 zu erkennen ist, einsetzen. Es wäre jedoch auch denkbar, lediglich eine Seite über ein derartiges Spitzenlager 8 zu lagern und die andere Seite beispielsweise über ein Axiallager und ein Radiallager oder ein geeignetes kombiniertes Axial/Radiallager zu realisieren. Das Spitzenlager 8 kann dabei als einfaches Spitzenlager 8 oder bevorzugt als hydrostatisches Spitzenlager 8 ausgebildet sein. Insbesondere bei der Ausbildung als einfaches Spitzenlager 8 ist es dabei egal, ob die Lagerspitze 9 im Bereich des Läufers 1 und die Ausnehmung 10 im Bereich des Gehäuses des Turboladers angeordnet ist, oder umgekehrt.
-
Zur weiteren Minimierung der Lagerreibung und des Verschleißes können außerdem Hartstoffe oder zumindest teilweise gehärtete Materialien im Bereich der Ausnehmung 10 und der Lagerspitze 9 eingesetzt werden. Denkbar ist beispielsweise die Ausgestaltung aus keramischen Materialien oder eine entsprechende Beschichtung mit keramischen Materialien oder Hartmetallen. Ebenso denkbar wäre auch die Ausgestaltung aus einem geeigneten Stahl, welcher im Bereich der Lagerspitze 9 und/oder der Ausnehmung 10 lokal gehärtet werden könnte. Ebenso denkbar wäre eine Beschichtung mit geeigneten Hartstoffen, beispielsweise das Auftragen von keramischen Partikeln oder Hartmetallpartikeln durch thermisches Spritzen oder andere geeignete Herstellungsverfahren.
