DE102010054223A1

DE102010054223A1 - Abgasturbolader, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen Abgasturboladers

Info

Publication number: DE102010054223A1
Application number: DE201010054223
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Müller Markus; Dipl.-Ing. Sumser Siegfried; Dipl.-Ing. Hertweck Gernot; Dipl.-Ing. Schmid Wolfram
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-12-11
Filing date: 2010-12-11
Publication date: 2012-03-01

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (26), insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine (10), mit wenigstens einem Gehäuseteil (90, 118) und einem Rotor (84), welcher zumindest bereichsweise in dem Gehäuseteil (90, 118) um eine Drehachse (46) drehbar aufgenommen ist, wobei zumindest eine Bremseinrichtung (82) vorgesehen ist, mittels welcher der Rotor (84) zum Schutz vor einer Beschädigung abbremsbar ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Abgasturboladers (26).

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Abgasturboladers der im Oberbegriff des Patentanspruchs 9 angegebenen Art.
In der Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen oder anderweitigen Aggregaten, insbesondere Antriebsaggregate, für Kraftwagen spielen Abgasturbolader eine wichtige Rolle, um die Antriebsaggregate effizient betreiben zu können. Die Abgasturbolader ermöglichen es, ansonsten ungenutztes Abgas der Aggregate zu nutzen, um dadurch den Wirkungsgrad der Aggregate zu verbessern. Dadurch lässt sich ein besonders energieverbrauchsarmer Betrieb der Aggregate realisieren, was insbesondere im Falle der Verbrennungskraftmaschinen zu einem geringen Kraftstoffverbrauch und damit zu geringen CO₂-Emissionen führt.
Die Abgasturbolader weisen jeweils einen Rotor auf, welcher in einem Gehäuseteil des Abgasturboladers um eine Drehachse drehbar aufgenommen ist. Während des Betriebs des Abgasturboladers können sich sehr hohe Drehzahlen des Rotors einstellen, woraus sehr hohe auf den Rotor wirkende Fliehkräfte resultieren. Vor diesem Hintergrund ist es wünschenswert, die Auswirkungen einer etwaigen Beschädigung des Rotors in Grenzen zu halten.
Der DE 10 2008 022 639 A1 ist ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine als bekannt zu entnehmen, welcher ein durchströmbares Gehäuse und ein im Gehäuse rotierbar gelagertes Laufzeug aufweist. Das Laufzeug umfasst ein Turbinenrad mit einer Nabenstirnfläche sowie ein Verdichterrad, wobei das Turbinenrad und das Verdichterrad mit einer gemeinsamen Welle drehfest verbunden sind. Während des Betriebs der Brennkraftmaschine ist das Turbinenrad von Abgas der Brennkraftmaschine antreibbar. Im Bereich der Nabenstirnfläche ist unter Einbehaltung eines Abstandes ein Prallkörper im Gehäuse positioniert, mit Hilfe dessen es möglich ist, im Schadensfall eine axiale Bewegung des Turbinenrads zu begrenzen. Mit Hilfe des an der Nabenstirnseite platzierten Prallkörpers prallt das Turbinenrad an diesem ab, welcher durch Deformierung die Aufprallenergie aufnimmt und es somit zu einem Stillstand des Turbinenrades kommen kann.
Die bekannten Abgasturbolader weisen weiteres Potenzial auf, ihre Funktionserfüllungssicherheit zu verbessern, falls keine anderweitigen Vorkehrungen getroffen sind.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abgasturbolader, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, sowie für ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Abgasturboladers bereitzustellen, so dass der Abgasturbolader eine verbesserte Funktionserfüllungssicherheit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Abgasturboladers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Der erste Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine oder für eine Brennstoffzelle, mit wenigstens einem Gehäuseteil und einem Rotor, welcher zumindest bereichsweise in dem Gehäuseteil um eine Drehachse drehbar aufgenommen ist.
Erfindungsgemäß ist zumindest eine Bremseinrichtung vorgesehen, mittels welcher der Rotor zum Schutz vor einer Beschädigung des Rotors abbremsbar ist. Die Bremseinrichtung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ermöglicht es somit, den Rotor vor einem möglicherweise bzw. mit einer relativ hohen Wahrscheinlichkeit eintretenden Schadensfall sowohl bezogen auf den Rotor als auch bezogen auf die Bremseinrichtung beschädigungsfrei, insbesondere zerstörungsfrei, abzubremsen, und somit den Rotor in seiner Drehzahl zu reduzieren oder eine Drehzahl des Rotors zumindest im Wesentlichen konstant zu halten.
Der erfindungsgemäße Abgasturbolader birgt den Vorteil, dass es erst gar nicht zu einem Schadensfall des Rotors in Folge einer zu hohen Drehzahl desselbigen und daraus resultierenden zu hohen Fliehkräften kommt oder das eine Wahrscheinlichkeit eines Schadensfalls sehr gering gehalten wird. Dies geht einher mit einer verbesserten Funktionserfüllungssicherheit des Abgasturboladers, da dieser weiterhin betrieben schadfrei werden kann. Darüber hinaus ist die Gefahr, dass Teile des Rotors in Folge einer Beschädigung oder Zerstörung desselbigen aus dem Gehäuseteil an die Umgebung austreten, sehr gering oder gar vermieden, so dass durch die Bremseinrichtung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers eine hohe Sicherheit desselbigen bereitgestellt ist.
Bei der Entwicklung von Aggregaten, insbesondere Antriebsaggregaten und insbesondere von Verbrennungskraftmaschinen, für Kraftwagen, spielt der Energie- bzw. Kraftstoffverbrauch eine immer wichtigere Rolle. Die Anforderungen, den Energie- bzw. den Kraftstoffverbrauch des Antriebsaggregats gering zu halten, wachsen dadurch stetig. Um diese Anforderungen zu erfüllen und damit insbesondere den Kraftstoffverbrauch von Verbrennungskraftmaschinen gering zu halten, werden drehende Massen von Rotoren der Abgasturbolader immer weiter erhöht. Durch diese Erhöhung der drehenden Massen aus einem Volumenbedarf über eine vorteilhafte aerodynamische Auslegung der Abgasturbolader lässt sich der Wirkungsgrad dieser weiter optimieren. Dies gilt sowohl für Turbinen als auch für Verdichter der Abgasturbolader.
Insbesondere für die Gestaltung und Auslegung der Turbinen zur Darstellung von so genannten Turbobremsen werden die drehenden Massen von den Turbinen zugeordneten Turbinenrädern angehoben, wodurch die Turbinenräder zu so genannten Dickschauflern ausgebildet werden, um starke, insbesondere mechanische, Beanspruchungen insbesondere hinsichtlich Schwingungsbeanspruchungen in Turbobremsphasen beherrschen zu können. Derartige Turbobremsen kommen insbesondere bei Nutzkraftwagen zum Einsatz.
Um zu verhindern, dass in einem Schadens- oder Zerstörungsfall der Rotoren Teile dieser aus einem entsprechenden Gehäuseteil der Abgasturbolader an die Umgebung treten, was als Berstabsicherung bezeichnet wird, besteht eine Möglichkeit darin, Wandungen der Gehäuseteile mit einer besonders großen Wandstärke zu versehen: Dies bewirkt jedoch ein relativ hohes Gewicht der Abgasturbolader, was dem Bestreben nach geringen Energie- und Kraftstoffverbräuchen entgegensteht.
Der erfindungsgemäße Abgasturbolader löst oder reduziert zumindest diesen Zielkonflikt, da er die Gefahr einer Beschädigung oder einer vollständigen Zerstörung, was als Bersten bezeichnet wird, des Rotors sehr gering hält oder sogar vermeidet oder Auswirkungen eines Berstens des Rotors des erfindungsgemäßen Abgasturboladers sehr gering hält, da ein etwaiges Bersten des Rotors lediglich bei relativ geringen Drehzahlen desselbigen vorkommen kann. So können Wandungen des Gehäuseteils des erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit nur geringen Wandstärken versehen werden, was das Gewicht des Abgasturboladers und damit der gesamten ihm zugeordneten Verbrennungskraftmaschine gering hält. Dadurch ist der niedrige Energie- bzw. Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine bzw. des dem Abgasturbolader zugeordneten Antriebsaggregats nicht durch ein unerwünscht hohes Gewicht des erfindungsgemäßen Abgasturboladers negativ beeinträchtigt, so dass das Antriebsaggregat, insbesondere die Verbrennungskraftmaschine, besonders effizient und Energieverbrauchsarm mittels des erfindungsgemäßen Abgasturboladers betrieben werden kann. Der erfindungsgemäße Abgasturbolader ermöglicht dadurch einen konsequenten Leichtbau mit relativ dünnen Wandungen des Gehäuseteils oder gegebenenfalls sogar das Gehäuseteil als Blechbauteil auszubilden. Dies hält das Gewicht des erfindungsgemäßen Abgasturboladers besonders gering. Dies ist insbesondere dadurch ermöglicht, dass die Bremseinrichtung Rotationsenergien des Rotors gering hält, sodass die Auswirkungen eines etwaigen Berstens sehr gering sind.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Überschreitung einer Grenzdrehzahl des Rotors durch diesen mittels der Bremseinrichtung verhinderbar. Wird der Rotor beispielsweise während eines Betriebs des Abgasturboladers beschleunigt, wodurch sich die Drehzahl des Rotors der vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzdrehzahl annähert, so bremst die Bremseinrichtung den Rotor ab, wenn die Drehzahl des Rotors beispielsweise eine Schwellendrehzahl überschreitet, um so zumindest das Überschreiten der vorgegebenen oder vorgebbaren Drehzahl zu vermeiden. Die Schwellendrehzahl stellt dabei ein Auslöseereignis dar, welches eine Betätigung der Bremseinrichtung zum Abbremsen des Rotors bewirkt. Da eine gewisse Zeit zwischen dem Erreichen dieser Schwellendrehzahl und der Betätigung der Bremseinrichtung und/oder dem Abbremsen des Rotors vergeht, ist es möglich, dass der Rotor, bzw. dessen Drehzahl die Schwellendrehzahl durch weiteres Beschleunigen überschreitet und die Grenzdrehzahl gegebenenfalls sogar erreicht. Dabei ist es von Vorteil; wenn es spätestens bei Erreichen der Grenzdrehzahl zu einem Abbremsen des Rotors mittels der Bremseinrichtung in Folge der Betätigung der Bremseinrichtung kommt, sodass das Überschreiten der Grenzdrehzahl vermieden ist.
Bei der Grenzdrehzahl handelt es sich beispielsweise um eine maximal zulässige Drehzahl des Rotors, welche er schadensfrei und zerstörungsfrei ertragen kann. Dies bedeutet jedoch nicht, dass es bei Erreichen oder bei einem sehr geringen Überschreiten der Grenzdrehzahl zumindest im Wesentlichen unmittelbar zu einer Beschädigung oder einer Zerstörung des Rotors kommt. Die Grenzdrehzahl stellt eine Sicherheitsgrenze dar, bis zu welcher eine Wahrscheinlichkeit einer solchen Beschädigung oder Zerstörung des Rotors sehr gering ist und bis zu welcher eine sehr hohe Funktionserfüllungssicherheit des Rotors gegeben ist. Ist die Grenzdrehzahl erreicht oder gar geringfügig überschritten, so ist die technische Sicherheit, dass der Rotor diese Drehzahl schadfrei ertragen kann, geringer als bei demgegenüber niedrigeren Drehzahlen.
Der erfindungsgemäße Abgasturbolader birgt ferner den Vorteil, dass er geringe Kosten sowie eine besonders geringe Temperaturträgheit aufweist. Auch sind Wartungs- und Reparaturkosten gering gehalten, da der Rotor mittels der Bremseinrichtung vor einer Beschädigung insbesondere bei Vorliegen sehr hoher Drehzahlen des Rotors geschützt ist.
Bei einer besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung weist der Rotor eine Welle und zumindest ein mit der Welle drehfest verbundenes Laufrad, beispielsweise ein Turbinenrad oder ein Verdichterrad auf, wobei zum Abbremsen des Rotors die Bremseinrichtung zumindest mittelbar mit einem Radrücken des Laufrads in Wirkverbindung bewegt wird. Dadurch weist der Abgasturbolader einen besonders geringen Bauraumbedarf auf, was zur Lösung und zur Vermeidung von Package-Problemen insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum eines Kraftwagens beiträgt. Ferner kann dadurch die Bremseinrichtung zumindest bereichsweise, insbesondere überwiegend und insbesondere vollständig, in das Gehäuseteil, insbesondere in ein Lagegehäuse, ein Turbinengehäuse, oder ein Verdichtergehäuse, des Abgasturboladers integriert sein.
Zum in Wirkverbindungbringen des Radrückens mit der Bremseinrichtung kommt es bevorzugt zu einer relativen Bewegung zwischen dem Laufrad und der Bremseinrichtung, wobei sich beispielsweise die Bremseinrichtung zumindest teilweise relativ zu dem Gehäuseteil in axialer Richtung der Welle auf den Radrücken zubewegt, bis die Bremseinrichtung in zumindest mittelbarem Kontakt mit dem Radrücken kommt und ein zumindest mittelbar Reibschluss zwischen der Bremseinrichtung und dem Radrücken gegeben ist. Dadurch kann der Rotor über das Laufrad nach Art einer Reibbremse abgebremst werden, wobei der Radrücken zumindest mittelbar als ein Reibpartner der Reibbremse fungiert. Ein anderer relativ zu dem Gehäuseteil drehfester Reibpartner wird durch die Bremseinrichtung bereitgestellt. In vorteilhafter Weise ist der Radrücken mit einem Reibbelag, insbesondere einem Bremsbelag, versehen, und wirkt vorteilhafterweise mit einem korrespondierenden Reibbelag, insbesondere Bremsbelag, der Bremseinrichtung zusammen. Dadurch kann eine hohe Bremsleistung realisiert werden, so dass der Rotor in besonders kurzer Zeit von einem relativ hohen auf ein demgegenüber sehr niedriges Drehzahlniveau abbremsbar ist. Mit anderen Worten ist dadurch ein besonders hoher Drehzahlbetrag in besonders kurzer Zeit reduzierbar.
Bei dem Radrücken handelt es sich um eine Stirnseite des Laufrads, welche sich an Leitschaufeln desselbigen anschließt. Im Falle des als Turbinenrad einer Radialturbine ausgebildeten Laufrads ist der Radrücken einem Turbinenradaustritt abgewandt. Im Falle des als Verdichterrads eines als Radialverdichter ausgebildeten Laufrads ist der Radrücken einem Verdichterradeintritt abgewandt.
Die Bremseinrichtung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers umfasst beispielsweise zumindest eine Erfassungseinrichtung, insbesondere einen Sensor, mittels welcher eine Drehzahl des Rotors erfassbar ist. So kann erfasst werden, ob sich die Drehzahl des Rotors der Schwellendrehzahl und/oder der Grenzdrehzahl annähert. Bei Erreichen der Schwellendrehzahl kann dieses Erreichen mittels der Erfassungseinrichtung erfasst und ein entsprechendes Signal erzeugt werden. In Abhängigkeit von diesem Signal kann dann die Bremseinrichtung bei Erreichen der Schwellendrehzahl betätigt, insbesondere bewegt werden, so dass das Laufrad bzw. der Rotor abgebremst wird, bevor es bzw. er die Grenzdrehzahl erreicht oder überschreitet.
Weist der Rotor eine Welle und zumindest ein mit der Welle fest verbundenes und mit einem Medium, insbesondere mit einem Gas, beaufschlagbares Laufrad auf, wobei die Bremseinrichtung zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend, in einem Bereich, insbesondere einem Turbinenradaustritt oder einem Verdichterradeintritt, stromab oder stromauf des Laufrads angeordnet ist, so birgt dies den Vorteil, dass dadurch eine besonders einfache und damit kostengünstige Anordnung der Bremseinrichtung realisiert ist. Ferner ist dadurch eine Funktionstrennung geschaffen, wodurch eine modulhafte Erweiterung bereits vorhandener Abgasturbolader zeit- und kostengünstig ermöglichbar ist. Mit anderen Worten können dadurch bereits entwickelte Abgasturbolader mit der Bremseinrichtung zum erfindungsgemäßen Abgasturbolader ergänzt werden, der die geschilderten Vorteile aufweist.
Bei dieser Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Bremseinrichtung zumindest teilweise in einem Turbinenradaustritt (stromab) eines Turbinenrads einer Radialturbine angeordnet ist. Dabei ist die Bremseinrichtung zumindest teilweise in einem Aufnahmeraum eines Turbinengehäuses der Radialturbine aufgenommen, welcher sich an einen Aufnahmeraum des Turbinengehäuses anschließt, in welchem das Turbinenrad zumindest bereichsweise angeordnet ist. Bei dem Aufnahmeraum, in welchem die Bremseinrichtung zumindest teilweise aufgenommen ist, kann es sich auch um den Aufnahmeraum handeln, in welchem das Turbinenrad angeordnet ist. Wird das Turbinenrad von Abgas beispielsweise der Verbrennungskraftmaschine angetrieben, so strömt dieses Abgas durch das Turbinenrad über einen Turbinenradeintritt an, durchströmt das Turbinenrad und strömt von diesem in den Turbinenradaustritt ab. Daraus ist ersichtlich, dass das Abgas auch die Bremseinrichtung zumindest teilweise anströmen und umströmen kann. In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn die Bremseinrichtung zumindest in dem Bereich, in welchem sie von dem Abgas umströmt wird, eine für die Strömung des Abgases strömungsgünstige Außenkontur aufweist, so dass das Abgas nicht oder in nur sehr geringem Maße einen Strömungswiderstand durch die Bremseinrichtung erfährt und dass Wirbelbildungen zumindest im Wesentlichen vermieden oder gering gehalten sind.
Analoges gilt für einen Radialverdichter mit einem als Verdichterrad ausgebildeten Laufrad. In diesem Falle ist die Bremseinrichtung in einem Aufnahmeraum stromauf des Verdichterrads angeordnet. Das Verdichterrad dient dazu, dem Aggregat, insbesondere der Verbrennungskraftmaschine, zuzuführende Luft zu verdichten. Dazu ist es in einem Aufnahmeraum eines Verdichtergehäuses des Radialverdichters bereichsweise drehbar aufgenommen und wird über einen Verdichterradeintritt von zu verdichtender Luft angeströmt. Die Bremseinrichtung ist nun in einem sich an den Aufnahmeraum des Verdichterrads anschließenden und stromauf des Verdichterrads gelegenen Aufnahmeraum oder in dem Aufnahmeraum angeordnet, in welchem auch das Verdichterrad angeordnet ist. Daraus wird ersichtlich, dass zunächst die Bremseinrichtung zumindest bereichsweise von der zu verdichtenden Luft angeströmt und umströmt wird, bevor sie schließlich das Verdichterrad anströmt. In diesem Falle ist es von Vorteil, wenn die Bremseinrichtung zumindest in dem Bereich, in welchem sie von der Luft umströmt wird, eine für die Strömung der Luft strömungsgünstige Außenkontur aufweist, so dass die Strömung der Luft keinen oder einen nur sehr geringen Strömungswiderstand erfährt und Wirbelbildungen zumindest im Wesentlichen vermieden sind oder nur gering auftreten.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Bremseinrichtung in radialer Richtung des Rotors unter Ausbildung eines radialen Abstands in zumindest bereichsweiser Überlappung mit dem Rotor, insbesondere ein Laufrad des Rotors, angeordnet, wobei zum Abbremsen des Rotors dieser unter zumindest teilweiser, insbesondere vollständiger, Aufhebung des radialen Abstands relativ zu der Bremseinrichtung in Wirkverbindung, insbesondere in zumindest mittelbarem Kontakt, mit dieser in Folge einer Überschreitung einer Schwellendrehzahl des Rotors durch diesen bewegbar ist. Mit anderen Worten, überschreitet der Rotor bzw. eine Drehzahl des Rotors diese Schwellendrehzahl, welche die zuvor genannte Grenzdrehzahl oder Schwellendrehzahl sein kann, so kann der Rotor zumindest im Wesentlichen ausgeprägte Bewegungen in radialer Richtung der Welle durchführen. Dabei kann sich der Rotor so stark in radialer Richtung bewegen, dass der Abstand zwischen dem Rotor und der Bremseinrichtung verringert und gegebenenfalls sogar auf Null reduziert werden kann. Unterschreitet der Abstand einen gewissen Wert, so kommt der Rotor in Wirkverbindung der Bremseinrichtung, wobei in diesem Falle sich der Rotor insbesondere in radialer Richtung der Welle relativ zu dem Gehäuseteil bewegt, während die Bremseinrichtung relativ zu dem Gehäuseteil insbesondere in radialer und gegebenenfalls auch in axialer Richtung der Welle fest ist.
Kommt der Rotor in Wirkverbindung mit der Bremseinrichtung, so wird der Rotor abgebremst, so dass er die Grenzdrehzahl nicht überschreitet oder so dass er gegebenenfalls wieder unter die Grenzdrehzahl abgebremst wird. Bei dieser Ausführungsform ist die Bremseinrichtung passiv. Das bedeutet, dass sie nicht aktiv betätigt wird. Vielmehr werden Erscheinungen bzw. Verhalten insbesondere in Form von Wellenbewegungen des Rotors beim Annähren an die oder gegebenenfalls beim Überschreiten der Grenzdrehzahl ausgenutzt, so dass die Wirkverbindung zwischen dem Rotor und der Bremseinrichtung sozusagen selbsttätig durch den Rotor ausgebildet wird zum Abbremsen dieses.
Der Abstand zwischen dem Rotor und der Bremseinrichtung ist während eines Normalbetriebs des Abgasturboladers, wenn dieser also die Schwellendrehzahl noch nicht erreicht hat, so groß, dass der Rotor und die Bremseinrichtung nicht in Wirkverbindung miteinander sind. Die Gestaltung des Abstands, insbesondere hinsichtlich seiner Erstreckung, orientiert sich bevorzugt an Wellenbewegungen des Rotors während des Normalbetriebs sowie an thermischen Ausdehnungen der Bremseinrichtung und/oder des Rotors in Folge von hohen Temperaturen beim Betrieb des Abgasturboladers, um eine bremsende Wirkverbindung zwischen dem Rotor und der Bremseinrichtung während des Normalbetriebs zu vermeiden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zum Abbremsen des Rotors die Bremseinrichtung elektromagnetisch und/oder mechanisch und/oder hydraulisch und/oder pneumatisch betätigbar, insbesondere relativ zu dem Rotor bewegbar. Dadurch ist die Bremseinrichtung aktiv zum Abbremsen des Rotors betätigbar. Dies ermöglicht eine besonders bedarfsgerechte und sichere Betätigung und damit Abbremsung des Rotors.
Die elektromagnetische Betätigbarkeit birgt den Vorteil, dass dadurch die Bremseinrichtung besonders schnell zu betätigen ist. Die hydraulische und/oder die pneumatische Betätigung der Bremseinrichtung ermöglichen die Realisierung besonders hoher Bremskräfte mit demgegenüber nur geringen Betätigungskräften zum Betätigen der Bremseinrichtung. Bei der mechanischen Betätigung der Bremseinrichtung kann eine mechanische Kopplung über Fliehkräfte realisiert sein, wodurch bei Erreichen einer bestimmten Drehzahl (Grenzdrehzahl und/oder Schwellendrehzahl) Fliehkraftkörper unter Einwirkung der Fliehkraft in Folge des sich schnell drehenden Rotors bewegt werden und eine Betätigung der Bremseinrichtung bewirken zum Abbremsen des Rotors.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zum Abbremsen des Rotors dieser und die Bremseinrichtung über zumindest eine im Wesentlichen schräg zur Drehachse verlaufende Fläche, insbesondere über jeweilige, bezogen auf die Drehachse konusförmige, Flächen, in Wirkverbindung miteinander und relativ zueinander bewegbar. Dies birgt den Vorteil, dass bei einer unerwünscht starken Bewegung des Rotors insbesondere in radialer Richtung der Welle beispielsweise in Folge eines Erreichens oder Überschreitens der Schwellendrehzahl oder der Grenzdrehzahl, der Rotor abbremsbar und über die schräge Fläche abstützbar und zentrierbar ist, so dass der Abgasturbolader bzw. der Rotor vor einer unerwünschten, insbesondere einer unerwünscht starken, Beschädigung geschützt werden kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Bremseinrichtung zumindest ein in seinem Volumen veränderbares Volumenelement, insbesondere ein Hohlkörperelement, welches zum Abbremsen des Rotors durch Vergrößern seines Volumens in Form einer Beaufschlagung des Volumenelements mit einem Medium, insbesondere einem Gas, in Wirkverbindung, insbesondere in zumindest mittelbaren Kontakt, mit dem Rotor bewegbar ist. Bei dem Volumenelement handelt es sich beispielsweise um einen metallischen, zumindest im Wesentlichen gasdichten Balg, welcher zum Abbremsen des Rotors aufgeblasen werden kann. Dadurch ist der Rotor besonders effizient und bedarfsgerecht abzubremsen sowie im Falle eines Berstens aufzufangen, so dass die Gefahr, dass Teile des Rotors das Gehäuseteil an die Umgebung verlassen, besonders gering ist.
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasturboladers, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, bei welchem ein in wenigstens einem Gehäuseteil zumindest bereichsweise um eine Drehachse drehbar aufgenommener Rotor mit Abgas angetrieben wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Rotor zum Schutz vor einer Beschädigung mittels zumindest einer Bremseinrichtung abgebremst wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Erreicht der Rotor bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise eine Schwellendrehzahl, so wird die Bremseinrichtung betätigt, so dass diese den Rotor abbremsen kann, damit dieser die Grenzdrehzahl gegebenenfalls erreicht aber nicht überschreitet. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit ein beschädigungsfreies Abbremsen des Rotors, bevor es zu einem Schadensfall insbesondere des Rotors kommt. Das beschädigungsfreie Abbremsen bezieht sich dabei sowohl auf die Bremseinrichtung als auch auf den Rotor, welche beim Abbremsen des Rotors beide nicht beschädigt oder gar zerstört werden. Dies hält Reparaturkosten für den Abgasturbolader gering.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es somit einerseits, die Gefahr bzw. die Wahrscheinlichkeit einer unerwünschten Beschädigung oder einer unerwünschten Zerstörung des Rotors und damit des Abgasturboladers besonders gering zu halten, was mit einer hohen Funktionserfüllungssicherheit desselbigen einhergeht. Andererseits kann dadurch das Gehäuseteil mit nur geringen Wandstärken ausgebildet werden, was das Gewicht des Abgasturboladers gering hält. Dies kommt dem effizienten und energieverbrauchsarmen Betrieb eines dem Abgasturbolader zugeordneten Antriebsaggregats, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine, zugute, da in Folge des geringen Gewichts des Abgasturboladers auch das Gewicht eines Kraftwagens gering gehalten werden kann. Dadurch muss von der Antriebseinrichtung, insbesondere der Verbrennungskraftmaschine, zum Antreiben des Kraftwagens eine nur geringe Energiemenge aufgewendet werden, was den Energieverbrauch, insbesondere den Kraftstoffverbrauch und damit die CO₂-Emissionen, gering hält.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine Prinzipdarstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasrückführeinrichtung und einem Abgasturbolader, welcher einen Rotor und eine Bremseinrichtung umfasst, mittels welcher der Rotor beschädigungsfrei abbremsbar ist;
2 eine schematische Längsschnittansicht des Abgasturboladers der Verbrennungskraftmaschine gemäß 1;
3 eine Prinzipdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine mit dem Abgasturbolader gemäß 1;
4 eine schematische Längsschnittansicht der Turbine des Abgasturboladers gemäß 3; und
5 eine Prinzipdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine mit dem Abgasturbolader gemäß den 1 und 3.
Die 1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10 mit vier Zylindern 12, mit einem Ladeluftverteiler 14 und einem Abgaskrümmer 16. Während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 saugt diese Luft an, was durch einen Richtungspfeil 18 angedeutet ist. Die Luft strömt durch einen Ansaugtrakt 20 der Verbrennungskraftmaschine 10 und wird schließlich den Zylindern 12 zugeführt. Dabei wird die angesaugte Luft zunächst durch einen Luftfilter 22 gereinigt, welcher in dem Ansaugtrakt 20 angeordnet ist. Zur Darstellung eines gewünschten Drehmoments einer gewünschten Leistung wird eine bestimmte Menge an Luft angesaugt und den Zylindern 12 zugeführt, welche dann mit einer bestimmten Menge an Kraftstoff beaufschlagt wird. Daran schließt sich eine Verbrennung eines so gebildeten Luft-Kraftstoff-Gemisches an. Aus dieser Verbrennung resultiert eine Expansion des Luft-Kraftstoff-Gemisches, welche in den Zylindern 12 translatorisch verschiebbare Kolben antreibt. Die translatorische Bewegung der Kolben wird über jeweilige Pleuel und eine Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine 10 in eine rotatorische Bewegung umgesetzt, was durch einen Richtungspfeil 24 angedeutet ist.
Zur Darstellung eines besonders niedrigen Gewichts und eines besonders niedrigen Bauraumbedarfs der Verbrennungskraftmaschine 10 bei gleichzeitiger Realisierung hoher Drehmomente und Leistungen ist ein Abgasturbolader 26 vorgesehen, welcher einen Verdichter 28 mit einem in dem Ansaugtrakt 20 angeordneten Verdichterrad 30 umfasst, mittels welchem die angesaugte Luft auf einen Druck p2 verdichtbar ist. Der Druck p2 ist dabei höher als der Umgebungsdruck. In durch Richtungspfeile 32 angedeutete Strömungsrichtung der Luft durch den Ansaugtrakt 20 ist stromab des Verdichters 28 ein Ladeluftkühler 34 in dem Ansaugtrakt 20 angeordnet, mittels welchem die verdichtete und dadurch erwärmte Luft kühlbar ist. Stromab des Ladeluftkühlers 24 strömt die Luft wie durch die Richtungspfeile 32 angedeutet zu dem Ladeluftverteiler 14, der die verdichtete und gekühlte Luft auf die Zylinder 12 verteilt.
Zum Antreiben des Verdichterrads 30 umfasst der Abgasturbolader 22 eine mit dem Verdichterrad 30 drehfest verbundene Welle 36, mit welcher ein Turbinenrad 38 einer Turbine 40 des Abgasturboladers 26 drehfest verbunden ist. Bei dem Verdichter 28 handelt sich um einen Radialverdichter, während es sich bei der Turbine 40 um eine Radialturbine handelt. Das aus den Zylindern 12 ausströmende Abgas wird mittels des Abgaskrümmers 16 gesammelt und über eine Abgasverrohrung 40 eines Abgastrakts 44 der Verbrennungskraftmaschine 10 zu der Turbine 40 geleitet und treibt das Turbinenrad 38 an, wodurch sich das Turbinenrad 38 und damit die Welle 36 sowie das Verdichterrad 30 um eine gemeinsame Drehachse 46 drehen, was durch einen Richtungspfeil 48 angedeutet ist. Nachdem das Abgas die Turbine 40 angetrieben hat, strömt es – durch Richtungspfeile 50 angedeutet – zunächst zu einer in Strömungsrichtung stromab der Turbine 40 in dem Abgastrakt 44 angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung 52, mittels welcher das Abgas gereinigt wird, bevor an die Umwelt entlassen wird.
Die Turbine 40 ist als zweiflutige asymmetrische Festgeometrie-Turbine ausgebildet, welcher Abgas über zwei fluidisch voneinander getrennte Fluten 54 und 56 zugeführt wird. Die Turbine 40 stellt ein gewünschtes Aufstauverhalten zum Rückführen von Abgas über die Flut 54 dar, in welcher ein Abgasdruck p31 herrscht und welche hinsichtlich ihres Strömungsquerschnitts kleiner ausgebildet ist als die Flut 56, in welcher ein Abgasdruck p32 herrscht. Damit weist die Flut 54 eine höhere Aufstauwirkung als die Flut 56 auf, so dass besonders hohe Mengen an rückzuführendem Abgas realisierbar sind. Ferner ist der ist der 1 zu entnehmen, dass die Luft stromauf des Ladeluftverteilers 14 und stromab des Ladeluftkühlers 34 einen Druck p2s aufweist.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ferner eine Abgasrückführeinrichtung 58 mit einer Abgasrückführleitung 60, mittels welcher das die Flut 54 durchströmende Abgas zumindest teilweise über eine Entnahmestelle 62 von dem Abgastrakt 44 über eine Einleitstelle 64 in den Ansaugtrakt 20 einleitbar ist, so dass die verdichtete Luft mit dem Abgas beaufschlagt werden kann. Somit können insbesondere Stickoxid-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine 10 gering gehalten werden.
Zur Einstellung einer gewünschten Menge an rückzuführenden Abgasen umfasst die Abgasrückführeinrichtung 58 ein Abgasrückführventil 66, welches mittels einer Regelungseinrichtung 68 der Verbrennungskraftmaschine 10 eingestellt wird, was durch einen Richtungspfeil 70 angedeutet ist. Mittels des Abgasrückführventils 66 ist ein Strömungsquerschnitt der Abgasrückführleitung 60 variabel einstellbar. Ebenso umfasst die Abgasrückführeinrichtung 58 einen Abgasrückführkühler 72, mittels welchem das rückzuführende Abgas zu kühlen ist.
Um Druckschwingungen und daraus resultierende Druckschwingungsanregungen, verursacht durch Auslasspolarisationen der Verbrennungskraftmaschine 10, in der Abgasrückführleitung 60 zu dämpfen, ist in Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasrückführleitung 60 stromauf der Einleitstelle 64 und stromab der Entnahmestelle 62 ein Druckmodulator 74 der Abgasrückführeinrichtung 58 in der Abgasrückführleitung 60 angeordnet, mittels welchem die Druckschwingungsanregungen soweit moduliert werden, dass im Bereich der Einleitstelle 64, an welcher sich das rückgeführte Abgas mit der verdichteten Luft mischt, keine oder nur sehr gering wirksame Anregungsintensitäten vorhanden sind. Der Druckmodulator 74 ist ferner stromab des Abgasrückführventils 66 und stromab des axialen Abgasrückführkühlers 72 angeordnet und umfasst ein Dämpfungsvolumen 76 sowie einen angepassten effektiven und durch ein entsprechendes Bauteil, beispielsweise eine Blende, gebildeten Zuströmquerschnitt 78, sowie einen angepassten effektiven und durch ein entsprechendes Bauteil, beispielsweise eine Blende, gebildeten Abströmquerschnitt 80, welche in Verbindung mit der Größe des Dämpfungsvolumens 76 eine starke Dämpfung der Druckschwingungen und damit von Druckpulsationen an der Einleitstelle 64 verursachen. Dies ermöglicht es, dass der Verdichter 28 besonders nahe an seiner Pumpgrenze betrieben werden kann, was mit einem besonders effizienten kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb der beispielsweise als Ottomotor oder als Dieselmotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine 10 einhergeht.
Der Abgasturbolader 26 der Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß 1 umfasst eine Bremseinrichtung 82, mittels welcher ein zumindest das Verdichterrad 30, die Welle 36 und das Turbinenrad 38 umfassender Rotor 84 des Abgasturboladers 26 beschädigungsfrei abbremsbar ist. Das beschädigungsfreie Abbremsen bezieht sich dabei sowohl auf den Rotor 84 als auch auf die Bremseinrichtung 82, mittels welcher gewährleistet wird, dass ein Überschreiten einer zulässigen maximalen Drehzahl des Rotors 82 verhindert wird. Als weitere und damit redundante Begrenzungsmöglichkeit der Drehzahl des Rotors 82 ist stromab des Verdichters 28 sowie stromab des Ladeluftkühlers 34 in dem Ansaugtrakt 20 eine Ventileinrichtung 86 angeordnet, welche zwischen einer eine Austrittsöffnung des Ansaugtrakts 20 fluidisch verschließenden Schließstellung und zumindest einer diese Austrittsöffnung zumindest bereichsweise freigebenden Offenstellung verstellbar ist. Wie durch einen Richtungspfeil 87 angedeutet, ist die Ventileinrichtung 86 mittel der Regelungseinrichtung 68 regelbar oder steuerbar. Durch Betätigen bzw. bewegen der Ventileinrichtung 86 in die Offenstellung, was beispielsweise durch die Regelungseinrichtung 68 bewirkt wird, kann die verdichtete Luft zumindest bereichsweise aus dem Ansaugtrakt 20 ausströmen. Dies erhöht einen von der Turbine 40 bereitzustellenden Leistungsbedarf des Verdichters 28, wodurch die Drehzahl des Rotors 84 reduzierbar ist. Die Ventileinrichtung 86 kann je nach Betriebslinien im Kennfeld des Verdichters 28 regelbar bzw. steuerbar oder als einfaches, autarkes Überdruckventil ausgestaltet sein. Im Falle der Steuerbarkeit bzw. der Regelbarkeit der Ventileinrichtung 86 würde die Regelungseinrichtung auf ein Drehzahlsignal n_atl des Rotors 84 sowie zur redundanten Absicherung desselben auf den als den als Ladedruck bezeichneten Druck p2s zurückgreifen, was durch einen Richtungspfeil 88 angedeutet ist.
Wie in Zusammenschau mit der 2 deutlich wird, umfasst die Bremseinrichtung 82 einen Nabenkörper 89, welcher in einem durch ein Turbinengehäuse 90 der Turbine 40 zumindest bereichsweise begrenzten Aufnahmeraum 92 in einem Turbinenaustritt 94 der Turbine 40 angeordnet ist. In dem Aufnahmeraum 92 ist auch das Turbinenrad 38 der Turbine 40 um die Drehachse 46 drehbar zumindest bereichsweise aufgenommen. Der Nabenkörper 89 ist dabei mit einem Steg 96 verbunden, welcher zumindest mittelbar mit dem Turbinengehäuse 90 verbunden ist. So ist der Nabenkörper 89 über den Steg 96 relativ zum Turbinengehäuse 90 fest an diesem angeordnet.
Die Bremseinrichtung 82 umfasst ferner einen Konus 98, welcher konzentrisch zur Welle 36 angeordnet und auf einer turbinenaustrittsseitigen Stirnfläche 100 drehfest mit dem Turbinenrad 38 verbunden ist, so dass sich der Konus 98 bei Drehen des Turbinenrads 38 um die Drehachse 46 ebenso wie um die Drehachse 46 mit dem Turbinenrad 38 mitdreht.
Wie der 2 zu entnehmen ist, ist der Konus 98 zumindest bereichsweise in einer Aufnahme 102 des Nabenkörpers 89 angeordnet. Eine Innenkontur der Aufnahme 102 korrespondiert dabei zumindest im Wesentlichen zu einer Außenkontur des Konus 98, so dass die Aufnahme 102 überwiegend als zu der Außenkontur des Konus 98 zumindest im Wesentlichen komplementäre Negativkontur ausgebildet ist.
Zwischen dem Konus 98 und dem Nabenkörper 89 bzw. die Aufnahme 102 des Nabenkörpers 89 begrenzenden Wandungen des Nabenkörpers 89 ist ein radialer und axialer Abstand durch einen Spalt 104 gegeben.
Die Ausgestaltung des Spalts 104 und damit des Abstands zwischen dem Konus 98 und dem Nabenkörper 89 orientiert sich dabei an normalen Wellenbewegungen des Rotors 84 und insbesondere des Turbinenrads 38, wobei sich das Turbinenrad 38 zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung der Welle 36 gemäß einem Richtungspfeil 106 bewegt. In einem Normalbetrieb des Abgasturboladers 26, in welchem die eingangs genannte zulässige maximale Drehzahl des Abgasturboladers 26 bzw. des Rotors 84, welche auch als Grenzdrehzahl bezeichnet wird, nicht erreicht oder überschritten wird, kommt es zu keiner Berührung zwischen dem Konus 98 und dem Nabenkörper 89. Führt der Rotor 84 und insbesondere das Turbinenrad 38 jedoch Wellenbewegungen aus, welche über die normalen Wellenbewegungen hinausgehen und welche beispielsweise bei Erreichen der Grenzdrehzahl oder einer Schwellendrehzahl erreicht werden, so kommt der Konus 98 mit dem Nabenkörper 89 unter Aufhebung des durch den Spalt 104 bereitgestellten Abstands in Kontakt, wodurch ein Reibkontakt zwischen dem Konus 98 und dem Nabenkörper 89 über jeweilige schräg zur Drehachse 46 verlaufende Kontaktflächen 108 bzw. 110. Die Kontaktflächen 108 und 110 fungieren als Bremsflächen, welche ein Abbremsen des Rotors 84 bewirken, so dass dieser die Grenzdrehzahl bzw. die Schwellendrehzahl nicht überschreitet oder gegebenenfalls bei einer insbesondere geringfügigen Überschreitung der Schwellendrehzahl abgebremst wird, so dass er die Grenzdrehzahl nicht erreicht.
Dies bedeutet, dass die Bremseinrichtung 82 passiv ist und erst wirksam wird, wenn der Rotor die entsprechenden Bewegungen durchführt, die über die normalen Wellenbewegungen bei typischen Drehzahlen hinausgehen. Ferner stellen der Konus 98 und der Nabenkörper 89 eine Zentrierung des Rotors im Schadensfall bereit, so dass dieser zumindest im Wesentlichen in Position gehalten wird.
Da die Bremseinrichtung 82 zumindest überwiegend, insbesondere vollständig, in dem Turbinenaustritt 92 angeordnet ist, strömt das das Turbinenrad 38 antreibende Abgas nach Beaufschlagen und Antreiben des Turbinenrads 38 auch die Bremseinrichtung 82 zumindest bereichsweise an und umströmt diese. Um den nun Strömungswiderstand für das Abgas gering zu halten, weisen der Steg 96 sowie Nabenkörper 89 insbesondere in axialer Richtung des Rotors 84 gemäß einem Richtungspfeil 112 eine strömungsgünstige Außenkontur auf. Wie der 2 zu entnehmen ist, ist der Nabenkörper 89 überwiegend zigarrenförmig ausgebildet, so dass ungünstige Verwirbelungen des Abgases vermieden oder zumindest gering gehalten sind.
Die geschilderte passive Ausgestaltung der Bremseinrichtung 82 birgt den Vorteil, dass kein Steuerungs- oder Regelungsaufwand von der Regelungseinrichtung 68 zum Steuern oder Regeln der Bremseinrichtung 82 aufgebracht werden muss. Auch deswegen weist die Bremseinrichtung 82 besonders geringe Kosten auf.
Anhand der 1 und 2 ist eine alternative Ausführungsform der Bremseinrichtung 82 des Abgasturboladers 26 dargestellt. Zum Abbremsen des Rotors 84 ist es beispielsweise möglich, einen Radrücken 114 des Turbinenrads 38, welcher dem Turbinenaustritt 94 abgewandt ist, als sich um die Drehachse 46 drehendes Bremselement der als Reibbremse fungierenden Bremseinrichtung 82 zu nutzen. Dabei ist die Bremseinrichtung 82 beispielsweise zumindest bereichsweise in einem Lagergehäuse 118 des Abgasturboladers 26 aufgenommen und umfasst ein weiteres zu dem Bremselement des Turbinenrads 38 korrespondierendes Bremselement, welches relativ zu dem Turbinenrad 38 und zu dem Bremselement dieses zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 114 bewegbar ist.
Ist ein Abbremsen des Rotors 84 nicht erwünscht, so sind die beiden Bremselemente voneinander beabstandet. Soll der Rotor 84 abgebremst werden, so wird das weitere Bremselement in axialer Richtung auf das Bremselement des Turbinenrads 38 zu bewegt und in Reibkontakt mit diesem verbracht, wodurch der Rotor 84 abgebremst wird. Bei einer solchen aktiven Ausgestaltung der Bremseinrichtung 82 ist eine Steuerung bzw. Regelung dieser durch die Regelungseinrichtung 68 vorteilhaft und ebenfalls vonnöten, was durch einen Richtungspfeil 116 in der 3 angedeutet ist.
In den 3 und 4 ist eine weitere Möglichkeit dargestellt, die Bremseinrichtung 82 zum aktiven Abbremsen des Rotors 84 auszugestalten. Der Nabenkörper 89 weist eine Aufnahme 102 auf, in welcher ein metallischer und bezogen auf Luft gasdichter Balg 120 angeordnet ist. Der Balg 120 stellt ein in seinem Volumen veränderbaren Volumenelement dar. In der 4 ist ein Zustand des Balgs 120 dargestellt, in welchem er nicht sein maximales Volumen aufweist. In diesem Zustand ist zwischen diesem und dem Konus 98 der Spalt 104 gegeben, sodass sich die Kontaktflächen 108 und 110 nicht berühren. Dadurch wird der Rotor 84 nicht abgebremst.
Wird beispielsweise erfasst, dass der Rotor 84 eine Schwellendrehzahl oder die Grenzdrehzahl erreicht oder überschritten hat und/oder dass der Druck p2s einen Schwellwert erreicht oder überschritten hat, so wird der Balg 120 über wenigstens eine Leitung 122 mit Pressluft beaufschlagt. Dazu weist der Abgasturbolader 26 gemäß 4 einen Pressluftanschluss 124 auf. Dies führt dazu, dass der Balg 120 aufgeblasen wird, wodurch er in seinem Volumen gegenüber dem in der 4 dargestellten Volumen vergrößert wird. In der Folge kommen die Kontaktflächen 108 und 110 in gegenseitigen Kontakt, wodurch ein Reibschluss zwischen dem sich um die Drehachse 46 drehenden Rotor 84 und dem gegenüber dem Turbinengehäuse 90 drehfesten Nabenkörper 89 über den Balg 120 ausgebildet wird. Dadurch wird der Rotor 84 abgebremst. Der Leitung 122 ist eine Ventileinrichtung 126 zugeordnet, welche gemäß dem Richtungspfeil 116 von der Regelungseinrichtung 68 gesteuert oder geregelt werden kann. Mittels der Ventileinrichtung 126 ist ein Strömungsquerschnitt der Leitung 122 fluidisch versperrbar oder zumindest bereichsweise fluidisch freigebbar, so dass die Pressluft die Leitung 122 durchströmen kann oder nicht. Die Bremseinrichtung 82 stellt somit eine aktive, stufenlose und pneumatisch betätigbare Bremse für den Rotor 84 dar.
Die Leitung 122 ist beispielsweise mit einem von der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbaren Luftpresser oder einem anderweitigen Verdichter verbunden, um die Pressluft, welche auch als Druckluft bezeichnet wird, beziehen und in den Balg 120 einleiten zu können.
Mittels der Ventileinrichtung 126 kann ein durch die Pressluft vorliegender Überdruck so moduliert werden, dass eine Anpresskraft der Kontaktflächen 108 und 110 ein einregelbares Reibmoment ergibt, um den Rotor 84 unterhalb der zulässigen maximalen Drehzahl (Grenzdrehzahl) des Rotors 84 zu halten.
Das Abbremsen des Rotors 84 stellt einen Sicherungsvorgang dar, welchen man bevorzugt erfasst und insbesondere elektronisch dokumentiert. Anschließend wird das Abbremsen des Rotors 84 in Folge der Aktivierung bzw. Betätigung der Bremseinrichtung 82 einem Fahrer des Kraftwagens mitgeteilt und/oder in einer Speichereinrichtung, insbesondere einer elektronischen Speichereinrichtung, als Fehlermeldung festgehalten und dann beispielsweise bei Erreichen einer bestimmten Anzahl an Abbremsungen des Rotors 84 durch wenigstens ein Signal insbesondere dem Fahrer kenntlich gemacht.
Wie auch bei der Bremseinrichtung 82 gemäß 2 wirken der Nabenkörper 89 über den Balg 120 und der Konus 98 bei der Bremseinrichtung 82 gemäß 4 über die jeweiligen, bezüglich der Drehachse 46 konisch verlaufenden Kontaktflächen 108 und 110 als Bremsflächen zusammen.
Die 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Bremseinrichtung 82 gemäß den 3 und 4. Die Bremseinrichtung 82 gemäß 5 unterscheidet sich nun dahingehend von der Bremseinrichtung gemäß 3 und 4, dass der Balg 120 nicht an den Luftpresser oder eine anderweitige Komponente eines Pressluftsystems des Kraftwagens fluidisch angeschlossen ist. Der Balg 120 ist vielmehr an einen separaten und in seinem Volumen klein ausgebildeten Druckluftspeicher 128 angeschlossen, welcher Druckluft zur Beaufschlagung des Balgs 120 speichert. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Druckluftspeicher 128 nicht von einer Komponente wie beispielsweise der Verbrennungskraftmaschine oder einem von dieser angetriebenen Luftpresser mit Druckluft zu versorgen und aufzufüllen ist, sondern lediglich als separate Einheit vorliegt, welche ausgetauscht wird, wenn ein Inhalt des Druckluftspeichers 128 in Form der Druckluft bzw. Menge des Inhalts einen vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwert überschreitet, so dass mit der noch im Druckluftspeicher 128 vorhandenen Druckluft keine Bremsung des Rotors 84 mehr möglich ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008022639 A1 [0004]

Claims

Abgasturbolader (26), insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine (10), mit wenigstens einem Gehäuseteil (90, 118) und einem Rotor (84), welcher zumindest bereichsweise in dem Gehäuseteil (90, 118) um eine Drehachse (46) drehbar aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Bremseinrichtung (82) vorgesehen ist, mittels welcher der Rotor (84) zum Schutz vor einer Beschädigung abbremsbar ist.
Abgasturbolader (26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überschreitung einer Grenzdrehzahl durch den Rotor (84) mittels der Bremseinrichtung (82) verhinderbar ist.
Abgasturbolader (26) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (84) eine Welle (36) und zumindest ein mit der Welle (36) drehfest verbundenes Laufrad (30, 38) aufweist, wobei zum Abbremsen des Rotors (84) die Bremseinrichtung (82) zumindest mittelbar mit einem Radrücken (114) des Laufrads (30, 38) in Wirkverbindung bewegbar ist.
Abgasturbolader (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (84) eine Welle (36) und zumindest ein mit der Welle (36) drehfest verbundenes und mit einem Medium, insbesondere einem Gas, beaufschlagbares Laufrad (30, 38) aufweist, wobei die Bremseinrichtung (82) zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend, in einem Bereich stromab oder stromauf des Laufrads (30, 38) angeordnet ist.
Abgasturbolader (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (82) in radialer Richtung (106) und/oder in axialer Richtung (112) des Rotors (84) unter Ausbildung eines radialen und/oder axialen Abstands (104) in zumindest bereichsweiser Überlappung mit dem Rotor (84), insbesondere einem Laufrad (30, 38) des Rotors (84), angeordnet ist, wobei zum Abbremsen des Rotors (84) dieser unter zumindest teilweiser Aufhebung des radialen und/oder axialen Abstands (104) relativ zu der Bremseinrichtung (82) in Wirkverbindung, insbesondere in zumindest mittelbaren Kontakt, mit dieser infolge einer Überschreitung einer Schwellendrehzahl bewegbar ist.
Abgasturbolader (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abbremsen des Rotors (84) die Bremseinrichtung (82) elektromagnetisch und/oder mechanisch und/oder hydraulisch und/oder pneumatisch betätigbar, insbesondere bewegbar, ist.
Abgasturbolader (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abbremsen des Rotors (84) dieser und die Bremseinrichtung (82) über wenigstens eine zumindest im Wesentlichen schräg zur Drehachse (46) verlaufende Fläche (108, 110), insbesondere über jeweilige konusförmige Flächen (108, 110), in Wirkverbindung miteinander bewegbar sind.
Abgasturbolader (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (82) zumindest ein in seinem Volumen veränderbares Volumenelement (120) umfasst, welches zum Abbremsen des Rotors (84) durch Vergrößern seines Volumens infolge einer Beaufschlagung des Volumenelements (120) mit einem Medium, insbesondere einem Gas, in Wirkverbindung, insbesondere in zumindest mittelbaren Kontakt, mit dem Rotor (84) bewegbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines Abgasturboladers (26), insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine (10), bei welchem ein in wenigstens einem Gehäuseteil (90, 118) zumindest bereichsweise um eine Drehachse (46) drehbar aufgenommener Rotor (84) mit Abgas angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (84) zum Schutz vor einer Beschädigung mittels zumindest einer Bremseinrichtung (82) abgebremst wird.