DE102013205021B4

DE102013205021B4 - Fluid-Antriebsmechanismus für einen Turbolader

Info

Publication number: DE102013205021B4
Application number: DE102013205021.6A
Authority: DE
Inventors: Louis P. Begin; Carnell E. Williams
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2022-03-31
Anticipated expiration: 2033-03-22
Also published as: CN103362637B; US20130255253A1; DE102013205021A1; US8991176B2; CN103362637A

Abstract

Turbolader (30) für einen Verbrennungsmotor (10), wobei der Turbolader (30) umfasst:eine Welle (34) mit einem ersten Ende (36) und einem zweiten Ende (38), wobei die Welle (34) zur Drehung um eine Achse (40) gelagert ist;ein erstes Turbinenrad (46), das an der Welle (34) benachbart zu dem ersten Ende (36) befestigt und ausgebildet ist, um durch Nachverbrennungsgase (23), die durch den Motor (10) ausgestoßen werden, um die Achse (40) gedreht zu werden;ein Kompressorrad (52), das an der Welle (34) zwischen dem ersten und dem zweiten Ende (36, 38) befestigt und ausgebildet ist, um eine Luftströmung (26), die aus der Umgebung aufgenommen wird, für eine Zufuhr zu dem Motor (10) unter Druck zu setzen; undein zweites Turbinenrad (58), das an der Welle (34) benachbart zu dem zweiten Ende (38) befestigt und ausgebildet ist, um durch ein unter Druck stehendes Fluid um die Achse (40) gedreht zu werden,wobei der Motor (10) eine Ölpumpe (60) aufweist und wobei das unter Druck stehende Fluid Motoröl ist, das durch die Ölpumpe (60) zugeführt wird,dadurch gekennzeichnet, dassdie Welle (34) durch zumindest ein Lager (66) gelagert ist und das Motoröl derart geleitet wird, dass es das zumindest eine Lager (66) schmiert, nachdem es das zweite Turbinenrad (58) gedreht hat,wobei der Turbolader (30) zusätzlich eine Kompressorabdeckung (54) mit einer Schnecke (56), die ausgebildet ist, um die Luftströmung (26), die aus der Umgebung aufgenommen wird, zu dem Kompressor zu leiten, und ein Lagergehäuse (70) aufweist, das ausgebildet ist, um das zumindest eine Lager (66) zu halten, und wobei das Lagergehäuse (70) an der Kompressorabdeckung (54) befestigt ist,der Turbolader (30) ferner mehrere Abstützungen (76) umfasst, die ausgebildet sind, um das Lagergehäuse (70) relativ zu der Kompressorabdeckung (54) zu lagern, unddie Abstützungen (76) in ungleichmäßigen Intervallen um die Achse (40) herum beabstandet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Fluid-Antriebsmechanismus für einen Turbolader des Typs, der zum Verstärken der Leistung von Verbrennungsmotoren verwendet wird.
HINTERGRUND
Von Verbrennungsmotoren (ICE) wird oft gefordert, beträchtliche Niveaus an Leistung für längere Zeiträume auf einer zuverlässigen Basis zu erzeugen. Viele solche ICE-Baugruppen verwenden eine turbokomprimierende Einrichtung, wie beispielsweise einen durch eine Abgasturbine angetriebenen Turbolader, um die Luftströmung zu komprimieren, bevor diese in den Einlasskrümmer des Motors eintritt, um die Leistung und die Effizienz zu erhöhen.
Speziell ist ein Turbolader ein Zentrifugalgaskompressor, der mehr Luft und folglich mehr Sauerstoff in die Verbrennungskammern des ICE drängt, als ansonsten mit dem Atmosphärendruck aus der Umgebung erreichbar ist. Die zusätzliche Masse an Sauerstoff enthaltender Luft, die in den ICE gedrängt wird, verbessert die volumetrische Effizienz des Motors und ermöglicht, dass dieser mehr Kraftstoff in einem gegebenen Zyklus verbrennt und dass dadurch mehr Leistung erzeugt wird.
Aus der US 2 968 914 A ist ein Turbolader mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
Die DE 33 32 320 A1 beschreibt einen ähnlichen Turbolader, bei dem ein Welle durch ein Lager gelagert ist und Motoröl derart geleitet wird, dass es das Lager schmiert, nachdem es ein Turbinenrad des Turboladers gedreht hat.
In der DE 30 29 768 A1 ist ein Turbolader mit einem hydrodynamischen Hilfsantrieb beschrieben.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Turbolader zu schaffen, der eine Luftströmung in einem Einleitungssystem eines Verbrennungsmotors auf effiziente Weise unter Druck setzt und der dabei in besonderem Maß vor Beschädigungen geschützt ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Aufgabe wird durch einen Turbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der Turbolader ist für einen Verbrennungsmotor vorgesehen und weist eine Welle, ein erstes Turbinenrad, ein Kompressorrad und ein zweites Turbinenrad auf. Die Welle weist ein erstes Ende und ein zweites Ende auf und ist zur Drehung um eine Achse gelagert. Das erste Turbinenrad ist an der Welle benachbart zu dem ersten Ende befestigt und ausgebildet, um durch Nachverbrennungsgase, die durch den Motor ausgestoßen werden, um die Achse gedreht zu werden. Das Kompressorrad ist an der Welle zwischen dem ersten und dem zweiten Ende befestigt und ausgebildet, um eine Luftströmung, die aus der Umgebung aufgenommen wird, für eine Zufuhr zu dem Motor unter Druck zu setzen. Das zweite Turbinenrad ist an der Welle benachbart zu dem zweiten Ende befestigt und ausgebildet, um durch ein unter Druck stehendes Fluid um die Achse gedreht zu werden.
Der Motor weist eine Ölpumpe auf, und das unter Druck stehende Fluid ist Motoröl, das durch die Ölpumpe zugeführt wird. Die Ölpumpe kann mechanisch durch den Motor oder durch einen Elektromotor angetrieben werden.
Die Welle ist durch zumindest ein Lager gelagert. Darüber hinaus wird das Motoröl derart geleitet, dass es ein solches Lager schmiert, nachdem es das zweite Turbinenrad gedreht hat. Das betreffende Lager kann mehrere rollende Elemente aufweisen, wie beispielsweise Kugeln.
Der Turbolader weist zusätzlich eine Kompressorabdeckung mit einer Schnecke auf, die ausgebildet ist, um die Luftströmung, die aus der Umgebung aufgenommen wird, zu dem Kompressor zu leiten. Der Turbolader weist ferner auch ein Lagergehäuse auf, das ausgebildet ist, um das zumindest eine Lager zu halten. Darüber hinaus ist das Lagergehäuse an der Kompressorabdeckung fixiert.
Der Turbolader weist zusätzlich mehrere Abstützungen auf, die ausgebildet sind, um das Lagergehäuse relativ zu der Kompressorabdeckung zu lagern. Die Abstützungen sind in ungleichmäßigen Intervallen um die Achse herum beabstandet.
Der Turbolader kann zusätzlich eine Düse aufweisen, die mit der Ölpumpe in Fluidverbindung steht, an dem Lagergehäuse befestigt ist und ausgebildet ist, um das Motoröl zu dem zweiten Turbinenrad zu leiten.
Eine andere Ausführungsform ist auf einen nicht beanspruchten Verbrennungsmotor mit dem vorstehend beschriebenen Turbolader gerichtet.
Figurenliste

1 ist eine schematische Perspektivansicht eines Motors mit einem Turbolader gemäß der Offenbarung; und
2 ist eine schematische Querschnittsansicht des Turboladers, der in 1 gezeigt ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen überall in den verschiedenen Figuren gleichen oder ähnlichen Komponenten entsprechen, stellt 1 einen Verbrennungsmotor 10 dar. Der Motor 10 umfasst auch einen Zylinderblock 12 mit mehreren Zylindern 14, die darin angeordnet sind. Wie es gezeigt ist, weist der Motor 10 auch einen Zylinderkopf 16 auf. Jeder Zylinder 14 weist einen Kolben 18 auf, der ausgebildet ist, um darin eine Hubbewegung auszuführen.
Verbrennungskammern 20 sind in den Zylindern 14 zwischen der Unterseitenfläche des Zylinderkopfs 16 und den Oberseiten der Kolben 18 gebildet. Wie Fachleuten bekannt ist, sind die Verbrennungskammern 20 ausgebildet, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch für eine anschließende Verbrennung in diesen aufzunehmen. Der Motor 10 weist auch eine Kurbelwelle 22 auf, die ausgebildet ist, um sich in dem Zylinderblock 12 zu drehen. Die Kurbelwelle 22 wird durch die Kolben 18 dadurch gedreht, dass ein geeignet proportioniertes Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Verbrennungskammern 20 verbrannt wird. Nachdem das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Innern einer bestimmten Verbrennungskammer 20 verbrannt ist, dient die Hubbewegung eines speziellen Kolbens 18 dazu, Nachverbrennungsgase 23 aus dem entsprechenden Zylinder 14 auszustoßen.
Der Motor 10 weist auch ein Einleitungssystem 24 auf, das ausgebildet ist, um eine Luftströmung 26 aus der Umgebung in die Zylinder 14 zu leiten. Das Einleitungssystem 24 weist eine Einlassluftleitung 28, einen Turbolader 30 und einen Einlasskrümmer 32 auf. Obwohl dies nicht gezeigt ist, kann das Einleitungssystem 24 zusätzlich einen Luftfilter stromaufwärts des Turboladers 30 aufweisen, um Fremdpartikel oder andere durch die Luft getragene Verunreinigungen aus der Luftströmung 26 zu entfernen. Die Einlassluftleitung 28 ist ausgebildet, um die Luftströmung 26 aus der Umgebung zu dem Turbolader 28 zu leiten, während der Turbolader ausgebildet ist, um die aufgenommene Luftströmung unter Druck zu setzen und um die unter Druck gesetzte Luftströmung in den Einlasskrümmer 32 zu entladen. Der Einlasskrümmer 32 verteilt wiederum die zuvor unter Druck gesetzte Luftströmung 26 auf die Zylinder 14 für eine Mischung mit einer geeigneten Menge an Kraftstoff und eine anschließende Verbrennung des resultierenden Kraftstoff-Luft-Gemischs.
Wie es in 2 gezeigt ist, weist der Turbolader 30 eine Welle 34 mit einem ersten Ende 36 und einem zweiten Ende 38 auf. Die Welle 34 ist zur Drehung um eine erste Achse 40 mittels Lagern 42 und 66 gelagert. Die Lager 42 sind an einem Lagergehäuse 44 befestigt und können durch eine Zufuhr von Öl geschmiert werden. Die Lager 42 können ein Achszapfen-, Kugel-, Luftpolsterfolien- oder Magnettyp sein. Ein rollendes Element, wie beispielsweise ein Lager vom Kugeltyp, liefert einen verringerten Reibungskoeffizienten im Vergleich zu einem Lager mit zwei flachen Flächen, die relativ zueinander rotieren, wie beispielsweise bei einem Achszapfenlager. Dementsprechend rotiert die Welle 34, die durch Kugellager gelagert ist, freier als ihr durch ein Achszapfenlager gelagertes Gegenstück, und sie verbessert durch die verringerten Reibungsverluste das Ansprechen des Turboladers 30 während dessen Betrieb.
Ein erstes Turbinenrad 46 ist an der Welle 34 benachbart zu dem ersten Ende 36 befestigt und ausgebildet, um durch Nachverbrennungsgase 23, die aus den Zylindern 14 ausgestoßen werden, um die Achse 40 gedreht zu werden. Das erste Turbinenrad 46 ist im Innern eines Turbinengehäuses 48 angeordnet, das eine Schnecke oder eine Spirale 50 aufweist. Die Spirale 50 nimmt die Nachverbrennungsabgase 23 auf und leitet die Abgase zu dem Turbinenrad 46. Die Spirale 50 ist ausgebildet, um spezielle Leistungseigenschaften zu erreichen, wie beispielsweise bezüglich der Effizienz und des Ansprechens des Turboladers 30.
Der Turbolader 30 weist auch ein Kompressorrad 52 auf, das zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 36, 38 an der Welle 34 befestigt ist. Das Kompressorrad 52 ist ausgebildet, um die Luftströmung 26, die aus der Umgebung aufgenommen wird, für eine letztendliche Zufuhr an die Zylinder 14 unter Druck zu setzen. Das Kompressorrad 52 ist im Innern einer Kompressorabdeckung 54 angeordnet, die eine Schnecke oder eine Spirale 56 aufweist. Die Spirale 56 nimmt die Luftströmung 26 aus dem Kompressorrad 52 auf, nachdem die Luftströmung komprimiert ist. Die Spirale 56 ist ausgebildet, um spezielle Leistungseigenschaften zu erreichen, wie beispielsweise bezüglich einer Spitzenluftströmung und einer Spitzeneffizienz des Turboladers 30. Dementsprechend wird die Welle 34 durch die Nachverbrennungsabgase 23, die durch das erste Turbinenrad 46 angetrieben werden, in Drehung versetzt, und die Drehung wird wiederum aufgrund dessen auf das Kompressorrad 52 übertragen, dass das Kompressorrad an der Welle fixiert ist. Wie Fachleute verstehen werden, beeinflussen die variable Strömung und die variable Kraft der Nachverbrennungsabgase 23 den Betrag des Ladedrucks, der durch das Kompressorrad 52 über den Betriebsbereich des Motors 10 erzeugt werden kann.
Unter weiterer Bezugnahme auf 2 weist der Turbolader 30 auch ein zweites Turbinenrad 58 auf. Das zweite Turbinenrad 58 ist an der Welle 34 benachbart zu dem zweiten Ende 38 befestigt und ausgebildet, um durch ein unter Druck stehendes Fluid um die Achse 40 gedreht zu werden. Das unter Druck stehende Fluid kann Motoröl sein, das durch eine Ölpumpe 60 zugeführt wird. Die Ölpumpe 60 kann von dem Typ sein, der mechanisch durch den Motor 10 angetrieben wird, oder sie kann durch einen Elektromotor 62 angetrieben werden, der durch einen elektronischen Controller 63 geregelt wird. Es kann eine separate Düse 64 vorgesehen sein, die mit der Ölpumpe 60 in Fluidverbindung steht. Die Düse 64 wird verwendet, um das Motoröl zu dem zweiten Turbinenrad 58 zu leiten, um dadurch dessen Drehung zu bewirken. Die Antriebskraft, die mittels des unter Druck stehenden Motoröls, das durch die Düse 64 zugeführt wird, auf die Welle 34 ausgeübt wird, dreht das Kompressorrad 52, um die Drehung zu unterstützen, die durch das erste Turbinenrad 46 erzeugt wird, und um dadurch die Ansprechzeit des Turboladers 30 zu verringern.
Das zweite Ende der Welle 34 ist durch das Lager 66 gelagert. Das Lager 66 kann mehrere rollende Elemente aufweisen, wie beispielsweise Kugeln 68. Ein Lager 66 vom Kugeltyp kann aufgrund der Fähigkeit einer solchen Lagerkonfiguration verwendet werden, einem signifikanten Druck standzuhalten, der üblicherweise die Folge der Kräfte ist, die auf das Turbinen- und das Kompressorrad 46, 52 ausgeübt werden, während der Turbolader 30 einen Ladedruck erzeugt. Der Turbolader 30 weist zusätzlich ein Lagergehäuse 70 auf. Das Lagergehäuse 70 ist ausgebildet, um das Lager 66 zu halten und um außerdem das zweite Turbinenrad 58 zu umschließen. Das Motoröl, das durch die Ölpumpe 60 zugeführt wird, kann zur Schmierung und Kühlung des Lagers zu dem Lager 66 geleitet werden, nachdem das Öl das zweite Turbinenrad 58 gedreht hat. Wie es gezeigt ist, ist das Lagergehäuse 70 in dem Weg der Luftströmung 26 angeordnet. Dementsprechend kann das Lagergehäuse 70, wie es gezeigt ist, eine aerodynamisch günstige Form aufweisen, um die Luftströmung 26 zu optimieren und zu leiten, wodurch die Effizienz der Kompressorseite des Turboladers 30 weiter verbessert wird.
Wie es in 2 gezeigt ist, kann die Düse 64 durch die Kompressorabdeckung 54 hindurch eingefügt und an dieser befestigt sein, die aus mehreren Komponenten zusammengebaut ist. Solche mehrere Komponenten können eine Komponente 72, welche die Spirale 56 beinhaltet, ein Mittelgehäuse 73, das möglicherweise variable Führungsschaufeln für die eintretende Luftströmung 26 enthält, und eine Komponente 74 umfassen, die einen Einlass für die Luftströmung 26 in den Turbolader 30 schafft. Darüber hinaus kann die Düse 64 an der Komponente 74 des Lagergehäuses 70 befestigt sein. Die Düse 64 ist ausgebildet, um das Motoröl zu dem zweiten Turbinenrad 58 zu leiten und um dadurch dessen Drehung zu bewirken. Ein Auslassdurchgang 75 kann zusätzlich vorgesehen sein, um überschüssiges Öl nach der Schmierung des Lagers 66 aus dem Lagergehäuse 70 zu entfernen. Der Auslassdurchgang 75 steht mit der Ölpumpe 60 in Fluidverbindung, um das Motoröl zu dieser zurückzuführen.
Wie es zusätzlich in 2 gezeigt ist, weist die Kompressorabdeckung 54 mehrere Abstützungen 76 auf, die ausgebildet sind, um das Lagergehäuse 70 relativ zu der Kompressorabdeckung zu lagern. Dementsprechend kann das Lagergehäuse 70 mittels der Abstützungen 76 an der Kompressorabdeckung 54 befestigt sein. Es können drei oder mehr Abstützungen 76 vorhanden sein, die in die Kompressorabdeckung 54 eingebunden sind, um eine zuverlässige Lagerung des Lagergehäuses 70 zu bewirken. Zusätzlich kann die Düse 64 durch eine der Abstützungen 76 eingefügt sein. Die Abstützungen 76 können in ungleichmäßigen Intervallen um die Achse 40 herum beabstandet sein. Eine solche ungleichmäßige Beabstandung der Abstützungen 76 kann vorgesehen sein, um die Wahrscheinlichkeit dafür zu verringern, dass eine schwingende stehende Welle in der Luftströmung 26 aufgebaut wird. Wie Fachleute verstehen werden, kann eine solche stehende Welle, die ansonsten in der Luftströmung 26 entsteht, eine Resonanz in dem Kompressorrad 52 hervorrufen und ausreichend sein, um das Kompressorrad und/oder das Lager 66 zu beschädigen.

Claims

Turbolader (30) für einen Verbrennungsmotor (10), wobei der Turbolader (30) umfasst: eine Welle (34) mit einem ersten Ende (36) und einem zweiten Ende (38), wobei die Welle (34) zur Drehung um eine Achse (40) gelagert ist; ein erstes Turbinenrad (46), das an der Welle (34) benachbart zu dem ersten Ende (36) befestigt und ausgebildet ist, um durch Nachverbrennungsgase (23), die durch den Motor (10) ausgestoßen werden, um die Achse (40) gedreht zu werden; ein Kompressorrad (52), das an der Welle (34) zwischen dem ersten und dem zweiten Ende (36, 38) befestigt und ausgebildet ist, um eine Luftströmung (26), die aus der Umgebung aufgenommen wird, für eine Zufuhr zu dem Motor (10) unter Druck zu setzen; und ein zweites Turbinenrad (58), das an der Welle (34) benachbart zu dem zweiten Ende (38) befestigt und ausgebildet ist, um durch ein unter Druck stehendes Fluid um die Achse (40) gedreht zu werden, wobei der Motor (10) eine Ölpumpe (60) aufweist und wobei das unter Druck stehende Fluid Motoröl ist, das durch die Ölpumpe (60) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (34) durch zumindest ein Lager (66) gelagert ist und das Motoröl derart geleitet wird, dass es das zumindest eine Lager (66) schmiert, nachdem es das zweite Turbinenrad (58) gedreht hat, wobei der Turbolader (30) zusätzlich eine Kompressorabdeckung (54) mit einer Schnecke (56), die ausgebildet ist, um die Luftströmung (26), die aus der Umgebung aufgenommen wird, zu dem Kompressor zu leiten, und ein Lagergehäuse (70) aufweist, das ausgebildet ist, um das zumindest eine Lager (66) zu halten, und wobei das Lagergehäuse (70) an der Kompressorabdeckung (54) befestigt ist, der Turbolader (30) ferner mehrere Abstützungen (76) umfasst, die ausgebildet sind, um das Lagergehäuse (70) relativ zu der Kompressorabdeckung (54) zu lagern, und die Abstützungen (76) in ungleichmäßigen Intervallen um die Achse (40) herum beabstandet sind.
Turbolader (30) nach Anspruch 1, wobei die Ölpumpe (60) durch den Motor (10) mechanisch angetrieben wird.
Turbolader (30) nach Anspruch 1, wobei die Ölpumpe (60) durch einen Elektromotor (62) angetrieben wird.
Turbolader (30) nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine Lager (66) mehrere rollende Elemente (68) aufweist.
Turbolader (30) nach Anspruch 1, der ferner eine Düse (64) umfasst, die mit der Ölpumpe (60) in Fluidverbindung steht, an dem Lagergehäuse (70) befestigt ist und ausgebildet ist, um das Motoröl zu dem zweiten Turbinenrad (58) zu leiten.