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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einer in einem Lagergehäuse gelagerten und ein Verdichterrad und ein Turbinenrad tragenden Welle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine mit einem derartigen Abgasturbolader ausgerüstete Brennkraftmaschine.
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Eine stetig schärfer werdende Abgasgesetzgebung sowohl für On-Highway- als auch für Off-Highway-Anwendungen ist durch eine deutliche Reduzierung der Partikelemissionen geprägt. Zu den Partikelemissionen der Brennkraftmaschinen zählt auch das in der Brennkraftmaschine verbrannte Öl, das neben dem Blowby aus dem Kurbelgehäuse auch durch die konstruktionsbedingte Ölleckage des Abgasturboladers entsteht. Eine zuverlässige Ölabdichtung gewinnt somit eine immer größere Bedeutung. Gängige Ölabdichtungen besitzen dabei üblicherweise folgende Merkmale: Verwendung mindestens eines, maximal zweier Wellendichtringe zwischen Dichtungsbuchse und Lagergehäusedeckel, Minimierung der Axialspalte zwischen Lagergehäusedeckel, Dichtungsbuchse, Axiallager und Anlaufscheibe, Vorsehen von Ölableitblechen, die ein Eindringen des Öls in einen Bereich zwischen Dichtungsbuchse und Lagergehäusedeckel verhindern, sowie Vorsehen eines Hinterschnitts im Lagergehäusedeckel, der das abgeschleuderte Öl sammelt und durch eine umlaufende Nut in ein Ölreservoir des Lagergehäuses zurückführt.
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Aus der
US 2007/0092387 A1 ist eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine mit einer in einem Lagergehäuse gelagerten und ein Verdichterrad sowie ein Turbinenrad tragenden Welle bekannt, wobei zur Abdichtung des Lagergehäuses gegenüber der Verdichterseite eine drehfest auf der Welle angeordnete Dichtungsbuchse vorgesehen ist, die zusammen mit dem Lagergehäusedeckel zumindest teilweise einen ringförmigen und koaxial zur Dichtungsbuchse angeordneten Ölschleuderraum begrenzt. Der Lagergehäusedeckel besitzt dabei eine Außenwand sowie eine kragenartig ausgebildete Innenwand, die zum Sammeln des abgeschiedenen Öls und zu dessen Weiterleitung bis zu einer bodenseitigen Ausgangsöffnung dient. Über diese Ausgangsöffnung bzw. Abflussöffnung gelangt dann das im Ölschleuderraum abgeschiedene und gesammelte Öl zurück zu einem Ölreservoir.
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Aus der
WO 2008/042698 A1 ist ein weiterer gattungsgemäßer Abgasturbolader mit einer in einem Lagergehäuse gelagerten Welle bekannt, wobei zur Abdichtung der Welle gegenüber der Verdichterseite eine drehfest mit der Welle verbundene Dichtungsbuchse vorgesehen ist, die mit einem Lagergehäusedeckel zusammenwirkt. Der Lagergehäusedeckel ist dabei wiederum derart ausgebildet, dass er das im Ölschleuderraum abgeschiedene Öl zu einem bodenseitigen Ölabfluss weiterleitet.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Abgasturbolader der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine verbesserte Ölabdichtung auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, an einem Lagergehäusedeckel eines Abgasturboladers eine Leitnase vorzusehen, die abgeschleudertes und in einem Ölschleuderraum aufgefangenes Öl wieder einer rotierenden und drehfest mit einer Welle des Abgasturboladers verbundenen Dichtungsbuchse zuführt, so dass es von dort erneut in den Ölschleuderraum geschleudert wird und dadurch ein Ölwirbel entsteht. Der erfindungsgemäße Abgasturbolader weist eine in einem Lagergehäuse gelagerte und ein Verdichterrad sowie ein Turbinenrad tragende Welle auf, wobei auf der Welle die zuvor genannte Dichtungsbuchse drehfest angeordnet ist. Zusammen mit dem Lagergehäusedeckel begrenzt die Dichtungsbuchse zumindest teilweise einen ringförmigen und koaxial zur Dichtungsbuchse angeordneten Ölschleuderraum, in welchem von der Dichtungsbuchse weggeschleudertes Öl aufgefangen wird. Dieses ab- bzw. weggeschleuderte Öl läuft nun aufgrund der Schwerkraft zu der zuvor beschriebenen Leitnase hin, die radial außerhalb der Dichtungsbuchse am Lagergehäusedeckel angeordnet ist und zugleich die Dichtungsbuchse in Axialrichtung zumindest teilweise überdeckt, so dass das von der Leitnase rückgeführte bzw. abtropfende Öl direkt auf eine Mantelfläche der Dichtungsbuchse trifft und von dort auf Grund der Zentrifugalkraft wieder in den Ölschleuderraum zurückgeschleudert wird. Die von der Leitnase erzeugte Ablauffunktion funktioniert dabei oberhalb der Welle durch die Schwerkraft der Öltropfen. Die Schleuderwirkung der Dichtungsbuchse wird dabei durch die Fliehkräfte erzeugt. Beim Zurückschleudern des von der Leitnase auf die Dichtungsbuchse tropfenden Öls werden dabei generell zwei Ölleitpfade erzeugt, nämlich ein koaxialer und ringförmig ausgebildet erster Ölleitpfad, dessen Achse identisch mit der Wellenachse ist, sowie ein zweiter Ölleitpfad, dessen Achse orthogonal zur Wellenachse verläuft und dadurch die wirbelnde Bewegung im Ölschleuderraum erzeugt. Der Ölschleuderraum selbst wird von einem Axiallager, dem Lagergehäusedeckel und der Dichtungsbuchse begrenzt, wobei die zum Axiallager zeigende Fase an der Dichtungsbuchse so angeordnet bzw. ausgebildet ist, dass die auf diese auftreffenden Öltröpfchen frei in den Ölschleuderraum geschleudert werden können. Die Fase der Dichtungsbuchse, das heißt deren Mantelfläche, verjüngt somit konisch von einem benachbarten Verdichterrad weg, ebenso wie die Leitnase, wobei die dem Ölschleuderraum zugewandte Leitfläche der Leitnase gegebenenfalls parallel zur Fase an der Dichtungsbuchse ausgebildet ist. Generell kann dabei selbstverständlich die Leitnase auch keilförmig ausgebildet sein und dadurch eine zur Leitfläche entgegengesetzte Unterseite aufweisen. Sollte somit Öl unter die Leitnase gelangen, sammeln sich dort eindringenden Öltröpfchen auf der der Schwerkraft zugewandten Seite und können an der Unterseite über eine Ablauföffnung in ein Ölreservoir ablaufen. Der Außendurchmesser der Dichtungsbuchse sollte dabei möglichst groß gewählt werden, um eine auf die Öltröpfchen maximal wirkende Zentrifugalkraft erreichen zu können. Die Leitnase ist generell ringförmig ausgebildet und bewirkt oberhalb der Welle eine Zuführung des Öls auf die Dichtungsbuchse und unterhalb der Welle eine Ableitung des gesammelten Öls über die Ablauföffnung in das Ölreservoir.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung bilden der Lagergehäusedeckel und die Dichtungsbuchse miteinander eine in Radialrichtung wirkende, kammartige Labyrinthdichtung, die zumindest einen Zinken, vorzugsweise sogar zumindest zwei Zinken, aufweist. Die Labyrinthdichtung, welche insbesondere zwei ineinander greifende Zinken aufweist, fängt dabei Öl ab, welches aus dem Ölschleuderraum über die Unterseite der Leitnase in einen Raum zwischen Leitnase und Dichtungsbuchse eindringt. Das hier eingedrungene Öl kann sich dabei in jeder Rinne der Labyrinthdichtung sammeln und wird in Richtung der Schwerkraft nach unten abgeführt. Diese Wirkung wird dabei durch die rotatorische Bewegung der Öltröpfchen zwischen dem Lagergehäusedeckel und der Dichtungsbuchse zusätzlich begünstigt. Ein weiterer Effekt, der die Reduzierung des Öls begünstigt, ist eine Druckdifferenz, die durch die unterschiedlichen Querschnittsverläufe erzeugt wird. Die Labyrinthdichtung besteht dabei aus beispielsweise zwei ineinander laufenden Kämmen, wobei der Lagergehäusedeckel eine feststehende Kontur bildet, während die drehende Dichtungsbuchse die damit kämmende Gegenkontur bereitstellt. Beide Konturen liegen dabei in einem definierten Abstand zueinander, der einen Kanal bildet, durch den die Öltröpfchen sowohl in Umfangsrichtung als auch in radialer Richtung fließen können. Die einzelnen Zinken der Kämme vergrößern durch ihre Mäanderform die vom Öl benetzte Oberfläche und erhöhen damit die Scherwirkung, die durch die Relativgeschwindigkeit zwischen dem stehenden Lagergehäusedeckel und der sich drehenden Dichtungsbuchse erzeugt wird. Die Folge ist hierdurch eine deutlich verbesserte Sperrwirkung in Richtung der zwischen dem Lagergehäusedeckel und der Dichtungsbuchse angeordneten Wellendichtringe. Eine kammartige Labyrinthdichtung kann dabei auch mit lediglich einem Zinken ausgebildet sein, wodurch der radiale Bauraum reduziert wird. Durch zumindest zwei in Radialrichtung angeordnete und ineinander greifende Zinken kann die Dichtwirkung verbessert werden, jedoch steigt auch der erforderliche Bauraum. Für eine ganz besonders einfache Ausgestaltung ist auch ein Verzicht auf die Labyrinthdichtung möglich, wobei ein derartiges Konzept besonders für den Einsatz kleiner Abgasturbolader geeignet ist, wie sie bei extremem Downsizing, zum Beispiel bei Otto-Motoren mit beispielsweise drei Zylindern und einem Hubraum von kleiner 1 Liter, Verwendung finden. Diese kleinen Abgasturbolader sind durch eine hohe Drehzahl charakterisiert, die die bei den kleineren Außendurchmessern vorherrschende Umfangsgeschwindigkeit auf Grund der größeren Scherwirkung als Folge der größeren Relativgeschwindigkeit zwischen rotierender Dichtungsbuchse und stehendem Lagergehäusedeckel überkompensiert. Bei einem derartigen Abgasturbolader wird die Abdichtfunktion ausschließlich über die Leitnase und die beiden Ölleitpfade realisiert.
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Zweckmäßig ist die Labyrinthdichtung derart ausgebildet, dass darin eindringendes Öl aufgrund der Rotation der Dichtungsbuchse aufgeschäumt wird und so zusätzlich eine Dichtwirkung erzeugt bzw. die Dichtwirkung unterstützt. Eine derartige Schaumbildung stellt eine physikalische Sperrwirkung dar, welche von dem in die Labyrinthdichtung eindringenden Öl nur schwer oder gar nicht zu überwinden ist.
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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,
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1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader,
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2 eine Detaildarstellung einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasturboladers im Bereich eines Ölschleuderraums,
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3 eine Ausführungsform wie in den 1 und 2, jedoch bei einer lediglich einen Zinken aufweisenden Labyrinthdichtung,
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4 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ohne Labyrinthdichtung.
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Entsprechend den 1 und 2 weist ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader 1, der generell auch als Ladeeinrichtung ausgebildet sein kann, eine in einem Lagergehäuse 2 gelagerte und ein Verdichterrad 3 sowie ein nicht gezeigtes Turbinenrad tragende Welle 4 auf. Mit der Welle 4 drehfest verbunden ist eine Dichtungsbuchse 5, die zusammen mit einem Lagergehäusedeckel 6 und einem Axiallager 7 einen ringförmigen und koaxial zur Dichtungsbuchse 5 angeordneten Ölschleuderraum 8 begrenzt. Erfindungsgemäß weist nun der Lagergehäusedeckel 6 eine radial außerhalb der Dichtungsbuchse 5 liegende und diese in Axialrichtung teilweise überdeckende Leitnase 9 auf, die im Ölschleuderraum 8 abgeschiedenes bzw. abgeschleudertes Öl auf die rotierende Dichtungsbuchse 5 leitet, wovon es aufgrund der Zentrifugalkraft von der Dichtungsbuchse 5 wieder in den Ölschleuderraum 8 geschleudert wird und so einen Ölwirbel mit zumindest zwei Ölleitpfaden 10 und 11 erzeugt. Der erste Ölleitpfad 10 verläuft dabei ringförmig um die Welle 4, das heißt gemäß der 1 jeweils senkrecht zur Bildebene, wogegen der zweite Ölleitpfad 11 den dargestellten Ölwirbel erzeugt. Die Leitnase 9 ist dabei keilförmig ausgebildet.
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Zusätzlich bilden der Lagergehäusedeckel 6 und die Dichtungsbuchse 5 miteinander eine in Radialrichtung wirkende, kammartige Labyrinthdichtung 12, die zumindest einen Zinken 13 (vergleiche 3), vorzugsweise aber sogar zwei Zinken 13 (vergleiche die 1 und 2), aufweist. Rein theoretisch ist selbstverständlich auch eine Ausführungsform ohne eine derartige Labyrinthdichtung 12 möglich, wie dies gemäß der 4 dargestellt ist. Eine derartige Ausführungsform ohne Labyrinthdichtung 12 kommt bei kleinen Abgasturboladern 1 in Frage, insbesondere bei einem extremen Downsizing. Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Labyrinthdichtung 12 mit lediglich einem Zinken 13 ermöglicht eine vergleichsweise kompakte Bauform, so dass eine derartige Ausführungsform des Abgasturbolader dann eingesetzt wird, wenn der Bauraum, insbesondere in radialer Richtung, begrenzt ist, so dass eine Ausführungsform der Labyrinthdichtung 12 mit zwei radial aufeinanderfolgende Zinken 13 nicht möglich wäre. Generell ist dabei die Labyrinthdichtung 12, sofern diese vorhanden ist, vorzugsweise derart ausgebildet, dass darin eindringendes Öl aufgrund der Rotation der Dichtungsbuchse 5 aufgeschäumt wird und so zusätzlich eine Sperre bildet, die die Dichtwirkung unterstützt bzw. eine zusätzliche Dichtwirkung erzeugt. Der Ölschleuderraum 8 wird dabei gemäß den 1 und 2 von der Dichtungsbuchse 5, dem Lagergehäusedeckel 6 und dem Axiallager 7 begrenzt.
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Betrachtet man die 1 und hier den unteren Teil, so kann man erkennen, dass das Lagergehäuse 2 bzw. das Axiallager 7 an seiner den Ölschleuderraum 8 begrenzenden Wandung an der tiefsten Stelle eine Öffnung 14 aufweist, über welches abgeschiedenes Öl in ein nicht gezeigtes Ölreservoir zurückfließen kann. Die Öffnung 14 liegt dabei gemäß der 1 in der Schnittebene. Der Lagergehäusedeckel 6 ist gegenüber der Dichtungsbuchse 5 über Wellendichtringe 15 und gegenüber dem Lagergehäuse 2 über einen Dichtring 16 abgedichtet. Mit den Wellendichtringen 15, dem Dichtring 16 und der Leitnase 9 bzw. der Labyrinthdichtung 12 kann eine optimale Dichtwirkung erzielt werden, die einen Durchtritt von die Welle 4 schmierendem Öl auf die Verdichterseite, das heißt hin zum Verdichterrad 3, vorzugsweise gänzlich unterbindet und so auch höchsten Emissionsgesetzen gerecht wird.
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Betrachtet man die 1 bis 4, so kann man erkennen, dass sich eine Außenwand 17 des Ölschleuderraums 8 konisch in Richtung Verdichterrad 3 hin verjüngt, wodurch eine Zuleitung des im Ölschleuderraum 8 abgeschiedenen Öls hin zur Leitnase 9 und von dieser zu einer Fase 18 der Dichtungsbuchse 5 bewirkt werden kann. Treffen somit die in den Ölschleuderraum 8 geschleuderten Öltröpfchen, die sich in Richtung des Verdichterrades 3 verjüngende Außenwand 17, laufen sie aufgrund ihrer Schwerkraft daran in Richtung der Leitnase 9 herunter, die ebenfalls ein Gefälle aufweist. Dieses Gefälle sorgt dafür, dass das Öl von der Leitnase 9 in Richtung auf die drehende Dichtungsbuchse 5 abgeleitet wird. Die sich drehende Dichtungsbuchse 5 schleudert dann die auf die Fase 18 der Dichtungsbuchse 5 von der Leitnase 9 auftreffenden Öltröpfchen wieder in Richtung des Ölschleuderraums 8 ab, so dass der Kreislauf von Neuem beginnt. Die Leitnase 9 ragt dabei über den Außendurchmesser der Dichtungsbuchse 5, so dass ein Eindringen von Öltröpfchen in einen Raum 19 zwischen dem Lagergehäusedeckel 6 und der Dichtungsbuchse 5 nahezu ausgeschlossen werden kann.
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Die Ausrichtung der Fase 18 an der Dichtungsbuchse 5 ist dabei so angeordnet, dass die Öltröpfchen frei in den Ölschleuderraum 8 geschleudert werden. Sollte dennoch Öl in den Raum 19 unterhalb der Leitnase 9 gelangen, sammeln sich die Öltröpfchen auf einer der Schwerkraft zugewandten Seite und können an einer Unterseite 20 der Leitnase 9 in Richtung der Öffnung 14 ablaufen. Dasjenige Öl, welches sich bis dahin nicht gesammelt und dadurch abgeführt werden konnte, wird durch die Labyrinthdichtung 12 sowohl in axialer als auch in radialer Richtung abgefangen. Das Öl kann sich auch hier in jeder Rinne sammeln und in Richtung der Schwerkraft des Öls nach unten in Richtung der Öffnung 14 abgeführt werden. Diese Wirkung wird durch die rotatorische Bewegung der Öltropfen zwischen dem Lagergehäusedeckel 6 und der Dichtungsbuchse 5 zusätzlich begünstigt. Ein weiterer Effekt, der die Reduzierung eines Öldurchtritts begünstigt, ist eine Druckdifferenz, die durch unterschiedliche Querschnittsverläufe erzeugt wird. Der Außendurchmesser der Dichtungsbuchse 5 wird vorzugsweise so groß wie möglich gewählt, um eine auf die Öltröpfchen maximal wirkende Zentrifugalkraft (Schleuderkraft) zu erreichen.
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Betrachtet man nochmals die einzelnen Zinken 13 der Labyrinthdichtung 12, so kann man erkennen, dass diese nicht passgenau in die gegenüberliegenden Ausnehmungen der Labyrinthdichtung 12 eingreifen, sondern in einem definierten Abstand zueinander liegen, der einen Kanal 21 bildet, durch den die Öltröpfchen sowohl in Umfangsrichtung wie auch in radialer Richtung fließen können. Unter einem bzw. zwei Zinken 13 sollen dabei jeweils die an einem gemeinsamen Bauteil, beispielsweise dem Lagergehäusedeckel 6 oder der Dichtungsbuchse 5 angeordnete Zinken 13 verstanden werden, so dass eine Labyrinthdichtung 12 mit zwei Zinken 13 an der Dichtungsbuchse 5 selbstverständlich auch zwei gegenüberliegende Ausnehmungen bzw. Zinken 13 am Lagergehäusedeckel 6 aufweist, die wiederum den dazugehörigen Ausnehmungen im Lagergehäusedeckel 6 gegenüberliegen.
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Die Labyrinthdichtung 12 kann in abgeschwächter Form auch mit lediglich einem Zinken 13 ausgebildet werden (vergleiche 3), wobei hier der Zinken 13 durch eine Außenkontur der Dichtungsbuchse 5 gebildet wird. Er ist in axialer Richtung länger ausgeführt als bei der Labyrinthdichtung 12 gemäß den 1 und 2, um das Fehlen des zweiten Zinkes 13 zumindest teilweise kompensieren zu können. Dieses Konzept ist insbesondere für kleine Abgasturbolader 1 wichtig, die aufgrund der Bauraumbeschränkung keinen Platz für eine in Radialrichtung größer bauende Labyrinthdichtung 12 erlauben.
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Betrachtet man den Abgasturbolader 1 gemäß der 4, so ist eine nochmals vereinfachte Variante abgebildet, bei der als Öl abdichtendes Element ausschließlich die Leitnase 9 verbleibt. Die Abdichtfunktion wird dabei ausschließlich über die beiden Ölleitpfade 10 und 11 (vergleiche 1) realisiert. Der Vorteil dieses Konzepts liegt dabei in der einfachen Geometrie der abdichtenden Bauteile und den damit verbundenen geringen Herstellungskosten.
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Dieses Konzept ist zudem für den Einsatz besonders kleiner Abgasturbolader 1 geeignet, wie sie für extremes Downsizing, beispielsweise für Otto-Motoren mit drei Zylindern und einem Hubraum von kleiner als einem Liter, Verwendung finden. Diese kleinen Abgasturbolader 1 sind durch eine hohe Drehzahl charakterisiert, die die bei den kleineren Außendurchmessern vorherrschende Umfangsgeschwindigkeit auf Grund der größeren Scherwirkung als Folge der größeren Relativgeschwindigkeit zwischen rotierender Dichtungsbuchse und stehendem Lagergehäusedeckel überkompensiert.
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Mit dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader 1 ist somit nochmals eine deutliche Reduzierung einer Partikelemission und damit das Einhalten strengster Emissionswerte möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2007/0092387 A1 [0003]
- WO 2008/042698 A1 [0004]
