-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen geteilten Turbolader für einen Hubkolbenverbrennungsmotor und insbesondere auf eine Turboladerlageranordnung für einen geteilten Turbolader.
-
Es ist allseits bekannt, einen Verbrennungsmotor zur Druckbeaufschlagung der in den Motor eintretenden Luft mit einem Turbolader zu versehen, um so die Leistung des Motors im Hinblick auf Drehmomentabgabe, Emissionen und Verbrennungswirkungsgrad zu verbessern.
-
Ein herkömmlicher Turbolader umfasst ein Gehäuse mit einem Rotationsverdichter, der in einer Kammer an einem Ende des Gehäuses drehbar gestützt wird, und eine Turbine, die in einer Kammer an einem gegenüberliegenden Ende des Gehäuses drehbar gestützt wird. Die Turbine und der Verdichter sind über eine Antriebswelle, die durch einen Mittellagerteil des Gehäuses gestützt wird, antriebsverbunden.
-
Die Turbine ist dazu angeordnet, Abgas vom Motor aufzunehmen und die kinetische Energie des austretenden Abgases in ein Drehantriebsmoment umzuwandeln, das dem Verdichter zugeführt wird. Der Verdichter nimmt eine Luftzufuhr auf, bei der es sich um Umgebungsluft oder eine Kombination aus Umgebungsluft und rezykliertem Abgas handeln kann, verdichtet die zugeführte Luft und führt die verdichtete Luft dem Motor zu.
-
Diese Anordnung führt zu einer Reihe von Problemen, wenn der Turbolader in einem Motorraum eines Kraftfahrzeugs eingebaut wird.
-
Erstens wird durch die Länge der zur Verbindung des Turboladers mit dem Motor verwendeten Kanäle und die Komplexität dieser Kanäle eine Kompromissbildung erforderlich; zweitens weist ein herkömmlicher Turbolader eine relativ große Masse auf, die am Motor gestützt werden muss; drittens können die Schwierigkeiten beim Packaging des Turboladers zu einer schlechten Crashleistung führen, da die relativ massive Turboladereinheit einen „Raum” einnehmen kann, in den während eines Aufpralls andere Komponenten eindringen werden; und viertens führt die Übertragung von abgestrahlter Wärme vom Motor zu den Komponenten auf der kalten Verdichterseite aufgrund dessen, dass sich der heiße Turbinenteil des Turboladers in großer Nähe befindet und mit dem kalten Verdichterteil des Turboladers eng verbunden ist, was zu einer Wärmeübertragung von der Turbine zum Verdichter führt, zu einer Reihe von Nachteilen. Diese Nachteile umfassen das Erfordernis, für die Komponenten auf der Verdichterseite Materialien mit besserer Wärmebeständigkeit als ansonsten erforderlich wäre zu verwenden, wodurch es zu erhöhten Materialkosten kommt, höhere Temperaturen der Ladung vom Verdichterauslass aufgrund dieser Wärmewirkung, wodurch es aufgrund der höheren Ladelufteinlasstemperaturen zu einem reduzierten Motorwirkungsgrad kommt, reduzierten Wirkungsgrad aufgrund eines Bedarfs an stärkerer Nachverdichterkühlung (Zwischenkühlung) und thermische Ermüdung aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen der heißen und der kalten Seite des Turboladers.
-
Der Vorschlag des Erfinders besteht daher in der Trennung des Verdichters und der Turbine und der Befestigung dieser auf gegenüberliegenden Seiten des Motors, um so einen „geteilten Turbolader” zu bilden.
-
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Lageranordnung für solch einen geteilten Turbolader, die das Verbauen des geteilten Turboladers mit dem Motor unterstützt und deren Konstruktion kostengünstig ist.
-
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Turboladerlageranordnung eines geteilten Turboladers für einen Motor bereitgestellt, wobei der geteilte Turbolader einen sich auf einer Seite einer strukturellen Hauptkomponente des Motors befindenden Verdichter und eine sich auf einer gegenüberliegenden Seite der strukturellen Hauptkomponente des Motors befindende Turbine aufweist, wobei die Turboladerlageranordnung ein Lagergehäuse mit einem rohrförmigen Körper, der eine Bohrung zum Unterbringen mindestens zweier voneinander beabstandeter Lager definiert, eine Antriebswelle, die von den mindestens zwei voneinander beabstandeten Lagern drehbar gestützt wird, einen Verdichterrotor, der Teil des sich an einem Ende der Antriebswelle zur Drehung damit befindenden Verdichters ist, und einen Turbinenrotor, der Teil der sich an einem gegenüberliegenden Ende der Antriebswelle zur Drehung damit befindenden Turbine ist, umfasst.
-
Der rohrförmige Körper kann so dimensioniert sein, dass er in eine Bohrung in der strukturellen Hauptkomponente, die zur Befestigung der Turboladerlageranordnung am Motor verwendet wird, passt.
-
Das Lagergehäuse kann einen an einem Ende des rohrförmigen Körpers angeordneten Flansch zur Verwendung beim Halten des Lagergehäuses in Position am Motor aufweisen.
-
Die Turboladerlageranordnung kann ferner ein Gehäuse für die Turbine umfassen und das Gehäuse für die Turbine weist einen integralen Flansch auf, der zum Sichern der Turboladerlageranordnung an der strukturellen Hauptkomponente des Motors verwendet wird.
-
Die Turboladerlageranordnung kann ferner ein Gehäuse für den Verdichter umfassen und das Gehäuse für den Verdichter weist einen integralen Flansch auf, der zum Sichern der Turboladerlageranordnung an der strukturellen Hauptkomponente des Motors verwendet wird.
-
Bei der strukturellen Hauptkomponente kann es sich um einen Zylinderblock des Motors handeln. Alternativ dazu kann es sich bei der strukturellen Hauptkomponente um einen Zylinderkopf des Motors, ein Kurbelgehäuse des Motors oder eine Zylinderbank handeln.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Motor mit einer Kurbelwelle, die um eine Längsdrehachse drehbar ist, und einem geteilten Turbolader, der einen Verdichter, der mindestens einem Einlass des Motors Ladeluft zuführt, eine Turbine, die mit mindestens einem Auslass des Motors verbunden ist, und eine Antriebswelle, die den Verdichter mit der Turbine antriebsverbindet, umfasst, wobei der geteilte Turbolader eine Turboladerlageranordnung, die gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung konstruiert ist und durch die strukturelle Hauptkomponente des Motors gestützt wird, um den Verdichter und die Turbine auf gegenüberliegenden Seiten der strukturellen Hauptkomponente des Motors zu positionieren, umfasst, bereitgestellt.
-
Der Verdichter kann ein Verdichtergehäuse, das eine Arbeitskammer definiert, umfassen, und der Verdichterrotor kann sich in der Arbeitskammer befinden.
-
Das Verdichtergehäuse kann auf einer ersten Längsseite der strukturellen Hauptkomponente des Motors befestigt sein.
-
Die Turbine kann ein Turbinengehäuse, das eine Arbeitskammer definiert, umfassen, und der Turbinenrotor kann sich in der Arbeitskammer befinden.
-
Das Turbinengehäuse kann auf einer zweiten Längsseite der strukturellen Hauptkomponente des Motors befestigt sein.
-
Die strukturelle Hauptkomponente des Motors kann aus einem Zylinderblock, einem Kurbelgehäuse, einem Zylinderkopf oder einer Zylinderbank bestehen.
-
Die Antriebswelle kann in einem Winkel von im Wesentlichen 90° zu der Längsdrehachse der Kurbelwelle angeordnet sein.
-
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Verbauen eines geteilten Turboladers mit einem Motor bereitgestellt, das das Verbauen einer Antriebswelle, eines Verdichterrotors, eines Turbinenrotors und mindestens zweier Lager mit einem rohrförmigen Körper eines Lagergehäuses zur Bildung einer Turboladerlageranordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, schnelles Drehen der Antriebswelle und des angebrachten Verdichter- und Turbinenrotors zum Auswuchten der rotierenden Teile und, nach Beendigung des Auswuchtschritts, das Anbauen und Sichern der ausgewuchteten Turboladerlageranordnung am Motor, umfasst.
-
Das Bilden der Turboladerlageranordnung kann das Einführen der mindestens zwei Lager in eine Bohrung in dem rohrförmigen Lagergehäuse und das Ineingriffbringen der Antriebswelle mit den mindestens zwei Lagern, so dass die Antriebswelle drehbar gestützt wird, umfassen.
-
Das Bilden der Turboladerlageranordnung kann ferner das Befestigen eines Verdichterrotors oder eines Turbinenrotors an einem Ende der Antriebswelle, bevor sie mit den mindestens zwei Lagern in Eingriff gebracht wird, umfassen.
-
Das Bilden der Turboladerlageranordnung kann ferner Befestigen des jeweils anderen – des Verdichterrotors oder des Turbinenrotors – an einem gegenüberliegenden Ende der Antriebswelle, nachdem sie mit den mindestens zwei Lagern in Eingriff gebracht worden ist, umfassen.
-
Das Verfahren kann ferner das Befestigen eines Verdichtergehäuses an einer ersten Seite der großen strukturellen Komponente des Motors, so dass der Verdichterrotor abgedeckt ist und ein Verdichter gebildet wird, umfassen. Das Verfahren kann ferner das Befestigen eines Turbinengehäuses an einer zweiten Seite der großen strukturellen Komponente des Motors, so dass der Turbinenrotor abgedeckt ist und eine Turbine gebildet wird, umfassen.
-
Das Anbauen und Sichern der ausgewuchteten Turboladerlageranordnung am Motor kann das Ineingriffbringen des rohrförmigen Körpers des Lagergehäuses mit einer in dem großen strukturellen Teil des Motors ausgebildeten zylindrischen Bohrung und das Befestigen des rohrförmigen Körpers in Position in der Bohrung umfassen.
-
Die Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
-
1 ein schematisches Blockdiagramm eines Motors mit einem geteilten Turbolader gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist;
-
2 eine schematische Draufsicht des in 1 gezeigten turboaufgeladenen Motors ist, wobei ein Zylinderkopf des Motors entfernt wurde;
-
3a eine teilgeschnittene Seitenansicht einer Turboladerlageranordnung gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist;
-
3b eine 3a ähnliche Ansicht ist, die eine Verschmutzungsabdeckung in Position an einem Ende der Turboladerlageranordnung zeigt;
-
4a bis 4d vier Schritte einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zum Verbauen eines geteilten Turboladers mit einem Motor gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung zeigen;
-
5 eine schematische Seitenansicht des in 1 bis 4d gezeigten turboaufgeladenen Motors in Richtung des Pfeils V von 2 ist;
-
6a ein Flussdiagramm ist, das verschiedene Schritte, die die erste Ausführungsform des Verfahrens zum Verbauen eines geteilten Turboladers mit einem Motor gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung bilden, zeigt; und
-
6b ein Flussdiagramm ist, das verschiedene Schritte, die eine zweite Ausführungsform eines Verfahrens zum Verbauen eines geteilten Turboladers mit einem Motor gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung bilden, zeigt.
-
Mit Bezug auf 1–4 wird ein turboaufgeladener Querstrommotor 1 mit vier in Reihe angeordneten Zylindern gezeigt.
-
Der Motor 1 umfasst einen Motorblock 2, an dem ein Zylinderkopf 3 angebracht ist. Der Motorblock 2 kann einen Zylinderblock und ein Kurbelgehäuse, die als eine einzige Komponente ausgebildet sind, umfassen oder kann getrennte Zylinderblock- und Kurbelgehäusekomponenten, die aneinander befestigt sind, aufweisen. In beiden Fällen definiert der Zylinderblock einen oder mehrere Zylinder und in diesem Fall gibt es vier Zylinder 2a, 2b, 2c, 2d, in denen jeweils ein (nicht gezeigter) Kolben verschiebbar gestützt wird.
-
Ladeluft tritt in den Motor 1 wie durch den Pfeil „AI” angezeigt über einen Einlasskanal 4 ein. Es versteht sich, dass es sich bei der Einlassladeluft um Umgebungsluft oder eine Mischung aus Umgebungsluft und rückgeführtem Abgas handeln kann. Die eingelassene Ladeluft wird in einen Verdichter 10 gesaugt, durch den Verdichter 10 verdichtet und über einen Kanal 5 zu einem Einlasskrümmer 6 strömen gelassen, der mit (nicht gezeigten) Eingängen verbunden ist, die in dem Zylinderkopf 3 ausgebildet sind und Lufteinlässe für den Motor darstellen. Die Ladeluft wird dann in die Zylinder des Motors 1 gesaugt und mit Kraftstoff verbrannt, wodurch eine Hubbewegung der sich in den Zylindern 2a bis 2d des Motors 1 befindenden Kolben zum Antreiben einer Kurbelwelle 12 bewirkt wird, bevor sie über Auslassleitungen als Abgas aus dem Zylinderkopf 3 in einen Auslasskrümmer 7 austritt. Das Abgas strömt über einen Kanal 8 zu einer Turbine 20, mit der es zur Bereitstellung eines Antriebsmoments für eine Antriebswelle 15, die an einem Ende mit der Turbine 20 antriebsverbunden ist und an einem gegenüberliegenden Ende mit dem Verdichter 10 antriebsverbunden ist, zusammenwirkt. Das Abgas strömt dann aus der Turbine 20 in ein Auslasssystem 9, das verschiedene Nachbehandlungsvorrichtungen zur Reduzierung von Geräuschen oder Emissionen umfassen kann, und zurück in die Umgebung, wie durch den Pfeil „EO” angegeben wird.
-
Somit sind der Verdichter 10 und die Turbine 20 im Fall eines „geteilten Turboladers” im Gegensatz zu einer herkömmlichen Turboladeranordnung auf gegenüberliegenden Längsseiten einer strukturellen Hauptkomponente des Motors voneinander beabstandet, so dass die heißen Abgase die Leistung des Verdichters 10 nicht beeinträchtigen und dass gestattet wird, dass kostengünstigere Materialien für die Komponenten der Ladelufteinlassseite verwendet werden können. Die strukturelle Hauptkomponente des Motors ist in diesem Fall ein Zylinderblock 2z, jedoch könnte es sich dabei alternativ dazu um ein Kurbelgehäuse, einen Zylinderkopf oder einen Zylinderblock eines V-Motors, der hier als „Zylinderbank” bezeichnet wird, handeln. Durch eine derartige Befestigung des Verdichters 10 und der Turbine 20 an einem Querstrommotor wird der Abstand zwischen dem Verdichter 10 und den Eingängen des Motors 1 im Vergleich zu einem herkömmlichen Turbolader, der auf der Auslassseite des Motors befestigt ist, stark reduziert, da sich der Verdichter 10 nahe dem Einlasskrümmer 6 befindet und die Länge jeglicher Kanäle 5 stark reduziert ist. Bei einem herkömmlichen Turbolader müssen die Kanäle vom Verdichter zur Einlassseite des Motors entweder um ein Ende des Motors herum oder über die Oberseite des Motors hinweg verlaufen. In beiden Fällen wird wertvoller Packagingraum eingenommen und der resultierende lange Kanalverlauf führt zu erhöhten Reibverlusten und einem reduzierten Verdichterwirkungsgrad.
-
Die Antriebswelle 15 ist oberhalb der Position der Kurbelwelle 12, jedoch unterhalb des unteren Endes der Zylinder 2a bis 2d in einem Zylinderblock 2z des Motorblocks 2 positioniert.
-
Die Länge der Antriebswelle 15 sowie ihre Position innerhalb des Motorblocks 1 reduziert die Übertragung von Wärme von der Turbine 20 auf den Verdichter 10 erheblich.
-
Es versteht sich jedoch, dass die Antriebswelle 15 auch an anderen Stellen, wie z. B. in einem Kurbelgehäusebereich des Motors 1 zwischen zwei Zylindern oder in dem Zylinderkopf 3 des Motors, positioniert sein könnte.
-
Insbesondere auf 2–5 bezogen, sind die vier Zylinder 2a bis 2d in der Darstellung in einem oberen Teil des Motorblocks 2, der als der Zylinderblock 2z des Motors 1 bezeichnet wird, in Reihe angeordnet. Obwohl dies in den Figuren nicht speziell gezeigt ist, umfasst der Zylinderblock 2z eine Anzahl an integralen Kühlleitungen und Ölleitungen zum Kühlen des Motors 1 und zur Zufuhr von Öl zu den sich bewegenden Teilen des Motors 1.
-
Der Zylinderblock 2z weist neben den zwei Längsseiten eine im Wesentlichen flache Seite an einem oberen Ende auf, an der im Gebrauch wie im Fachgebiet allseits bekannt der Zylinderkopf 3 gesichert ist.
-
An einem unteren Ende des Zylinderblocks
2z ist eine Anzahl an (nicht gezeigten) Auflagesätteln zum Stützen von, in diesem Fall, fünf Hauptlagern, die zum drehbaren Stützen der Kurbelwelle
12 verwendet werden, ausgebildet. Es versteht sich, dass die Kurbelwelle
12 alternativ dazu durch drei Hauptlager gestützt werden könnte. Die
US 2014/0041618 beispielsweise zeigt einen 4-Zylinder-Motor mit lediglich drei Hauptlagern.
-
Die Kurbelwelle 12 weist vier den Zylindern 2a bis 2d entsprechende Verkröpfungen 12t auf. Jede der Verkröpfungen 12t weist eine Pleuelfußlagerfläche oder einen Kurbelzapfen 12b auf, die bzw. der zum drehbaren Verbinden einer (nicht gezeigten) Pleuelstange mit der Kurbelwelle 12, wie in der Technik allseits bekannt ist, verwendet wird.
-
Die Kurbelwelle 12 rotiert um eine Längsdrehachse X-X, die durch Hauptlager definiert wird, von denen ein Teil durch auf der Kurbelwelle 12 ausgebildete Lagerzapfen 12m gebildet wird. Die Längsdrehachse X-X der Kurbelwelle 12 befindet sich vertikal auf einer Querebene P-P des Motorblocks 2, und die Kurbelwelle 12 erstreckt sich in einer Längen- oder Längsrichtung des Motorblocks 2.
-
Die Antriebswelle 15 ist in diesem Fall vertikal in einem Bereich positioniert, der an einem unteren Ende durch die Ebene P-P und an einem oberen Ende durch eine Ebene C-C, die sich am unteren Ende der Zylinder 2a bis 2d (siehe 1 und 4d) befindet, definiert wird.
-
Vorteilhafterweise befindet sich die Antriebswelle 15 nahe der Ebene C-C, um den Abstand von der Turbine 20 zu den Ausgängen des Motors 1 auf ein Minimum zu reduzieren. Die genaue Positionierung hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter u. a. die Größe der Turbine 20 und der zur Verfügung stehende Raum im Motorraum.
-
Die Antriebswelle 15 befindet sich in einer Längsrichtung des Motors 1 so, dass sie, in diesem Fall, auf ein mittleres der Hauptlager 12m des Motors 1 ausgerichtet ist. In jedem Fall muss die Längspositionierung der Antriebswelle 15 derart sein, dass sie von den Kröpfungen 12t der Kurbelwelle 12 versetzt ist, so dass keine gegenseitige Beeinflussung mit den (nicht gezeigten) Pleuelstangen, die zur Verbindung der Kurbelwelle 12 mit den Kolben des Motors 1 verwendet werden, auftritt.
-
Es versteht sich, dass obgleich sich die in dem Beispiel gezeigte Antriebswelle 15 zwischen den Zylindern 2b und 2c befindet, sich die Antriebswelle 15 alternativ dazu zwischen den Zylindern 2a und 2b, zwischen den Zylindern 2c und 2d oder an den Längsenden des Motors 1 befinden könnte. Die Befestigung in der Mitte ist jedoch für einen Querstrommotor vorteilhaft, da dies normalerweise den kürzesten Abstand zwischen dem Verdichter 10 und dem Einlasskrümmer 6 und den kürzesten Abstand zwischen dem Auslasskrümmer 7 und der Turbine 20 bereitstellt.
-
Die Drehachse R-R der Antriebswelle 15 (siehe 2) ist in einem Winkel von im Wesentlichen 90° zur Längsdrehachse X-X der Kurbelwelle 12 angeordnet, so dass sie quer durch den Motorblock 2 von einer Seite des Zylinderblocks 2z zu einer gegenüberliegenden Seite des Zylinderblocks 2z verläuft. Die Drehachse R-R der Antriebswelle 15 ist des Weiteren in einem Winkel von im Wesentlichen 90° zu einer Vertikalebene V-V (siehe 4d), die sich von der Drehachse X-X der Kurbelwelle 12 nach oben erstreckt, angeordnet. Es versteht sich, dass der Zylinderblock 2z im Gebrauch nicht vertikal angeordnet werden muss und dass bei Drehung aus der Vertikalen die Ausrichtung der Ebene V-V nicht länger vertikal wäre.
-
Das Verdichtergehäuse 10h definiert eine Arbeitskammer, in der ein Verdichterrotor 10r zur Bildung des Verdichters 10 drehbar befestigt ist. Das Gehäuse 10h ist auf einer der Längsseiten des Zylinderblocks 2z durch einen integralen Flansch 10f und eine Reihe von mit Gewinde versehenen Befestigungselementen 10t befestigt.
-
Das Turbinengehäuse 20h definiert eine Arbeitskammer, in der ein Turbinenrotor 20r zur Bildung der Turbine 20 drehbar befestigt ist. Das Gehäuse 20h ist auf der der Seite, an der das Verdichtergehäuse 10h befestigt ist, gegenüberliegenden Längsseite des Zylinderblocks 2z befestigt und ist durch einen integralen Flansch 20f und eine Reihe von mit Gewinde versehenen Befestigungselementen 20t am Zylinderblock 2z befestigt.
-
Der Verdichterrotor 10r ist an einem Ende der Antriebswelle 15 antreibbar angebracht, und der Turbinenrotor 20r ist an dem anderen Ende der Antriebswelle 15 antreibbar angebracht.
-
Bei zwei alternativen Ausführungsformen sind die Antriebswelle 15 und der Turbinenrotor 20r als eine einzige Komponente ausgebildet, oder die Antriebswelle 15 und der Verdichterrotor 10r sind als eine einzige Komponente ausgebildet.
-
Mit besonderem Bezug auf 3a und 3b umfasst eine Turboladerlageranordnung 40 eine Lageranordnung 30, die Antriebswelle 15, den Verdichterrotor 10r und den Turbinenrotor 20r.
-
Die Lageranordnung 30 umfasst ein Lagergehäuse und ein Paar voneinander beabstandeter Lager 16, 17, die durch das Lagergehäuse gestützt werden. Das Lagergehäuse liegt in der Form eines rohrförmigen Körpers 30b vor, der einen Endflansch 30f zum Halten der Lageranordnung 30 in Position am Motor 1 aufweist.
-
Der rohrförmige Körper 30b der Lageranordnung 30 definiert eine Bohrung, in der das Paar Lager in Form eines Verdichterlagers 16 und eines Turbinenlagers 17 befestigt sind. Ein weiteres Zwischenlager für die Antriebswelle 15 kann bereitgestellt sein, wenn dies erforderlich ist.
-
Auf diese Weise stützt das Verdichterlager 16 drehbar die Antriebswelle 15 nahe dem Verdichterrotor 10r, und das Turbinenlager 20r stützt die Antriebswelle 15 drehbar nahe dem Turbinenrotor 20r.
-
Der rohrförmige Körper 30b wird durch den Zylinderblock 2z gestützt und ist, in diesem Fall, in eine im Zylinderblock 2z ausgebildete quer verlaufende zylindrische Bohrung 2b eingepasst.
-
Im Fall des in 3a gezeigten Beispiels ist das Turbinengehäuse 20h am Flansch 30f des rohrförmigen Körpers 30b der Lageranordnung 30 durch drei mit Gewinde versehene Befestigungselemente 30t (lediglich in 5 gezeigt) angebracht, und somit bildet das Turbinengehäuse 20h in diesem Fall einen zusätzlichen Teil der Turboladerlageranordnung 40, die dann bereit für das Verbauen mit dem Motor 1 ist.
-
Das Anbringen des Turbinengehäuses 20h am Flansch 30f weist den Vorteil auf, dass das Turbinengehäuse 20h das Auftreten von Schäden am Turbinenrotor 20r während des nachfolgenden Verbauungsprozesses verhindert und das Eindringen von Verunreinigungen und Verschmutzungen in die Turbine 20 verhindert. Das Sichern des Turbinengehäuses 20h am Flansch 30f führt die Erzeugung einer abgedichteten Turbinenstruktur herbei. Obgleich dies nicht gezeigt ist, kann eine Dichtung im Flansch 30f zum Zusammenwirken mit der Antriebswelle 15 vorgesehen sein, um das Ausströmen von heißem Abgas aus der Turbine 20 während des Gebrauchs zu verhindern.
-
Die Turboladerlageranordnung 40 ist in diesem Fall am Zylinderblock 2z befestigt, und zwar durch sechs mit einem Gewinde versehene Befestigungselemente 20t, die zum Eingriff mit komplementären mit einem Gewinde versehenen Bohrungen in dem Zylinderblock 2z durch Öffnungen in sowohl dem Flansch 20f des Turbinengehäuses 20h als auch dem Flansch 30f verlaufen.
-
Alternativ dazu könnte der Flansch 30f direkt am Zylinderblock 2z befestigt sein, und das Turbinengehäuse 20h könnte entweder am Flansch 30f oder direkt am Zylinderblock 2z befestigt sein.
-
In 3b wird eine Verschmutzungsabdeckung 35 in Position, um den Verdichterrotor 10r zu schützen, wenn die Turboladerlageranordnung 40 mit dem Motor 1 verbaut wird, gezeigt.
-
Die Turboladerlageranordnung 40 wird durch Einführen des Paars Lager 16, 17 in die Bohrung im rohrförmigen Körper 30b und anschließendes Ineingriffbringen der Welle 15 mit den beiden Lagern 16, 17, wobei sich entweder der Turbinenrotor 20r oder der Verdichterrotor 10r bereits in Position befinden, erzeugt. Im Fall des gezeigten Beispiels ist der Turbinenrotor 20r entweder an der Antriebswelle 15 gesichert oder einstückig mit der Antriebswelle 15 ausgebildet und anschließend, nachdem die Welle 15 vollständig mit dem Paar Lager 16, 17 in Eingriff gebracht worden ist, wird der Verdichterrotor 10r an der Antriebswelle 15 gesichert.
-
Einer der Vorteile der Erfindung besteht darin, dass durch Erzeugen einer eigenständigen Turboladerlageranordnung 40 die rotierenden Teile des Verdichters 10 und der Turbine 20 zusammen mit der Antriebswelle vor dem Verbauen der Turboladerlageranordnung 40 mit dem Motor 1 ausgewuchtet werden können. Nach dem Auswuchten ist es nicht erforderlich, eine der Komponenten der Turboladerlageranordnung 40 zu entfernen, und somit ist sie in einem ausgewuchteten Zustand gebrauchsfertig am Motor 1 installiert und erfordert kein nachträgliches Auswuchten. Dies ist sehr wichtig, da die sehr hohe Drehzahl dieser rotierenden Komponenten, sofern die Antriebswelle 15, der Verdichterrotor 10r und der Turbinenrotor 20r nicht innerhalb kleiner Grenzen ausgewuchtet sind, bei Verwendung zu inakzeptablen Vibrationen führt.
-
Ein zweiter Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Turboladeranordnung 40 nach ihrem Auswuchten auf einfache und ökonomische Art und Weise am Motor 1 angebaut werden kann, ohne den ausgewuchteten Zustand der rotierenden Komponenten 15, 10r, 20r zu beeinträchtigen und ohne spezielle Werkzeuge oder Ausrüstung zu erfordern.
-
Mit Bezug auf 4a bis 4d werden vier Schritte bei dem Verbauen des geteilten Turboladers mit dem Motor 1 gezeigt.
-
In 4a ist die Turboladerlageranordnung 40 zusammengebaut und ausgewuchtet worden und wird soeben an die Bohrung 2b im Zylinderblock 2z herangeführt, wie durch den Pfeil DA angegeben wird.
-
In 4b ist der rohrförmige Körper 30b der Lageranordnung 30, der Teil der Turboladerlageranordnung 40 ist, mit der Bohrung 2b im Zylinderblock 2z in Eingriff gebracht worden, und die Turboladerlageranordnung 40 wird in Richtung des Pfeils DA' geschoben. Der rohrförmige Körper 30b ist so dimensioniert, dass er in die Bohrung 2b passt, so dass die Lageranordnung 30 im Zylinderblock 2z akkurat positioniert ist. Es versteht sich, dass die Bohrung 2b im Zylinderblock 2z unter Verwendung einer herkömmlichen Bohrmaschine akkurat maschinell ausgearbeitet werden kann und dass der Außendurchmesser und die Bohrung des rohrförmigen Körpers 30b unter Verwendung herkömmlicher Fertigungsgeräte akkurat maschinell ausgearbeitet werden können.
-
In 4c wird die Verschmutzungsabdeckung 35 entfernt, wenn die Turboladerlageranordnung 40 vollständig mit dem Zylinderblock 2z in Eingriff gebracht und durch, im Fall dieses Beispiels, die sechs mit einem Gewinde versehenen Befestigungselemente 20t in Position befestigt wurde.
-
Wie zuvor erwähnt, erstreckt sich jedes der mit einem Gewinde versehenen Befestigungselemente 20t durch eine entsprechende Öffnung (nicht gezeigt) im Flansch 20f des Turbinengehäuses 20h und eine ausgerichtete entsprechende Öffnung (nicht gezeigt) im Flansch 30f und wird mit einer entsprechenden mit einem Gewinde versehenen Öffnung, die im Zylinderblock 2z ausgebildet ist, in Gewindeeingriff gebracht.
-
Das Verdichtergehäuse 10h ist in der Darstellung von 4c zum Anbringen am Motor 1 positioniert. Eine Bewegung des Verdichtergehäuses 10h in Richtung des Pfeils DB verursacht, dass es in Position an dem Zylinderblock 2z bewegt wird, um ein Gehäuse und eine Arbeitskammer für den Verdichterrotor 10r zu bilden.
-
In 4d ist das Verbauen des geteilten Turboladers mit dem Motor 1 beendet und das Verdichtergehäuse 10h ist durch eine Reihe von mit einem Gewinde versehenen Befestigungselementen 10t in Position befestigt worden.
-
Jedes der mit einem Gewinde versehenen Befestigungselemente 10t erstreckt sich durch eine entsprechende Öffnung (nicht gezeigt) im Flansch 10f des Verdichtergehäuses 10h und steht mit einer entsprechenden mit einem Gewinde versehenen Öffnung, die in dem Zylinderblock 2z ausgebildet ist, in Gewindeeingriff.
-
Somit stellt die Erfindung eine Turboladerlageranordnung für einen geteilten Turbolader mit getrennten Verdichter- und Turbineneinheiten, die durch eine Antriebswelle, die sich in Querrichtung über einen Motor hinweg erstreckt, antriebsverbunden sind, bereit, die ein Vorauswuchten der rotierenden Teile des geteilten Turboladers gestattet und das Verbauen des Turboladers mit dem Motor unterstützt.
-
Es versteht sich, dass mehr als ein geteilter Turbolader an einem Motor angebaut sein kann und dass in einem solchen Fall jeder geteilte Turbolader eine gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierte Turboladerlageranordnung verwendet.
-
Es versteht sich, dass der rohrförmige Körper der Lageranordnung keinen Endflansch aufweisen muss und dass in einem solchen Fall ein alternatives Mittel zum Halten des rohrförmigen Körpers in Position vorgesehen ist.
-
Mit besonderem Bezug auf 6 werden die grundlegenden Schritte einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zum Verbauen eines geteilten Turboladers mit einem Motor, wie z. B. dem Motor 1, gezeigt.
-
Das Verfahren beginnt bei Kasten 100, wo alle nötigen Teile montagefertig hergestellt werden.
-
Bei Kasten 110 werden die Antriebswelle 15 und der Turbinenrotor 20r zur Bildung einer Unterbaugruppe zusammengebaut.
-
Bei Kasten 115 werden die Lager 16, 17 zur Bildung der Lageranordnung 30 in den rohrförmigen Körper 30b eingebaut.
-
Bei Kasten 120 wird ein Verdichterende der Antriebswelle 15 mit dem Verdichterlager und Turbinenlager 16 und 17 in Eingriff gebracht.
-
Es versteht sich, dass die Kästen 115 und 120 umgekehrt sein könnten.
-
Von Kasten 120 geht das Verfahren zu Kasten 125 über, wo das Turbinengehäuse 20h am Flansch 30f des Lagergehäuses 30 befestigt wird. Obgleich dieser Kasten optional ist, da das Turbinengehäuse 20h nicht am Flansch 30f befestigt sein muss und etwas später im Verfahren, wie z. B. nach dem Auswuchten oder wenn sich die Turboladeranordnung 40 in Position am Motor 1 befindet und in Position gesichert werden muss, angebaut werden könnte, wird bevorzugt, wenn das Turbinengehäuse 20h im Voraus am Flansch 30f angebracht wird, da es dann Schutz für den Turbinenrotor 20r während des nachfolgenden Verbauungsprozesses bereitstellt.
-
Von Kasten 125 geht das Verfahren zu Kasten 130 über, wo der Verdichterrotor 10r an der Antriebswelle 15 befestigt wird, um die Turboladerlageranordnung 40 fertigzustellen.
-
Die Turboladerlageranordnung 40 wird dann, wie durch Kasten 140 angezeigt, in eine Auswuchtmaschine platziert und schnell gedreht, um die Turboladerlageranordnung 40 auszuwuchten. Nach Beendigung des Auswuchtens der Turboladerlageranordnung 40 ist diese dann bereit für das Verbauen mit dem Motor 1.
-
Von Kasten 140 geht das Verfahren dann zu Kasten 150 über, wo die Turboladerlageranordnung 40 mit dem Motor 1 durch Einführen des rohrförmigen Körpers 30b der Lageranordnung 30 in die Bohrung 2b im Zylinderblock 2z verbaut wird, und nachfolgend wird in Kasten 155 das Turbinengehäuse 20h durch die sechs mit einem Gewinde versehenen Befestigungselemente 20t und den Flansch 20f des Turbinengehäuses 20h am Zylinderblock 2z befestigt.
-
Das Verdichtergehäuse 10h wird dann auf der der Position der Turbine 20 gegenüberliegenden Längsseite des Zylinderblocks 2z positioniert und wie in Kasten 160 angegeben durch die mit einem Gewinde versehenen Befestigungselemente 10t und den Flansch 10f am Verdichtergehäuse 10h in Position befestigt.
-
Die in Kasten 170 gezeigte Endstufe des Verbauungsverfahrens besteht in der Verbindung des Verdichters 10 und der Turbine 20 mit dem Einlasskrümmer 6 und dem Auslasskrümmer 7 des Motors 1, was zum im Kasten 199 gezeigten Abschluss des Verbauens des geteilten Turboladers mit dem Motor 1 führt.
-
Es versteht sich, dass sich das oben angeführte Verfahren auf das Verbauen eines geteilten Turboladers mit einem Reihenmotor in einem Fall, wo sich die Antriebswelle durch einen Zylinderblock des Motors erstreckt und daran befestigt ist, bezieht. Es versteht sich, dass das Verfahren bei Positionierung der Antriebswelle an einer anderen Stelle am Motor modifiziert werden müsste, um dies zu berücksichtigen, indem beispielsweise der Begriff „Zylinderblock” im offenbarten Verfahren mit der Position der Antriebswelle entsprechenden Begriffen, wie z. B. „Zylinderkopf” oder „Kurbelgehäuse”, ersetzt wird, und eine Bohrung oder ein Träger müsste in/an diesen Komponenten für die Turboladerlageranordnung vorgesehen sein.
-
Mit Bezug auf 6b wird eine zweite Ausführungsform eines Verfahrens zum Verbauen eines geteilten Turboladers mit einem Motor gezeigt, das größtenteils dem zuvor mit Bezug auf 6A beschriebenen entspricht, wobei der einzige wesentliche Unterschied darin liegt, dass der Verdichterrotor 10r vor dem Turbinenrotor 20r an der Antriebswelle 15 befestigt wird, so dass die Antriebswelle 15 vom Turbinenende der Antriebswelle 15 aus in das Paar Lager 16, 17 eingeführt wird.
-
Die Hauptschritte dieser zweiten Ausführungsform sind:
Kasten 200: – Herstellen aller für die Anordnung erforderlichen Komponenten;
Kasten 210: – Befestigen des Verdichterrotors 10r an der Antriebswelle 15 zur Bildung einer Verdichter- und Welle-Unterbaugruppe;
Kasten 215: – Einbauen der Lager 16, 17 in den rohrförmigen Körper 30b;
Kasten 220: – Ineingriffbringen des Turbinenendes der Welle 15 der im Voraus zusammengebauten Verdichter- und Welle-Unterbaugruppe mit den Lagern 16, 17;
Kasten 225: – Anbringen des Turbinenrotors 20r an der Antriebswelle 15 zur Bildung einer Turboladerlageranordnung 40;
Kasten 230: – Anbringen des Turbinengehäuses 20h am Flansch 30f des rohrförmigen Körpers 30b;
Kasten 240: – Auswuchten der Turboladerlageranordnung 40;
Kasten 250: – Einführen des rohrförmigen Körpers 30b in die Bohrung 2b in dem Zylinderblock 2Z;
Kasten 255: – Befestigen des Turbinengehäuses 20h am Zylinderblock 2Z unter Verwendung von mit einem Gewinde versehenen Befestigungselementen;
Kasten 260: – Befestigen des Verdichtergehäuses 20h am Zylinderblock 2Z unter Verwendung von mit einem Gewinde versehenen Befestigungselementen;
Kasten 270: – Verbinden des Verdichters 10 mit den Einlässen des Motors 1 und der Turbine 20 mit den Auslässen des Motors 1; und letztendlich
Kasten 299: – wo das Verbauen des geteilten Turboladers mit dem Motor 1 abgeschlossen ist.
-
Obwohl die in 6a und 6b gezeigten Verfahren die bevorzugten Verbauungsverfahren sind, versteht sich, dass die Schritte zur Erläuterung bereitgestellt werden und dass sie in einer unterschiedlichen Reihenfolge auftreten könnten oder einen anderen Ansatz widerspiegeln könnten. Beispielsweise wäre es möglich, die Turboladerlageranordnung vom Turbinenrotorende aus einzuführen, wenn die Abmessungen des rohrförmigen Körpers, des Turbinenrotors und der Bohrung im Zylinderblock anders als die gezeigten sind.
-
Ein Schlüsselmerkmal der Erfindung ist die Herstellung der Turboladerlageranordnung 40, die die Lageranordnung 30 umfasst, die die Lager 16, 17 für die Antriebswelle 15, die Antriebswelle 15 und beide Rotoren 10r, 20r umfasst, und die vor dem Verbauen mit dem Motor 1 ausgewuchtet werden kann.
-
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Verwendung eines akkurat positionierten Trägers für die Turboladerlageranordnung 40, der vorzugsweise in der Motorkomponente, die zum Stützen des geteilten Turboladers verwendet wird, ausgebildet ist, ohne erforderliche Halterungen oder Hilfsteile.
-
Der Begriff „Querstrommotor” bedeutet hier einen Motor, bei dem sich die Einlässe und Auslässe für den Motor auf gegenüberliegenden Seiten des Motors oder auf gegenüberliegenden Seiten jeder Zylinderbank, wenn der Motor mehr als eine Zylinderbank aufweist, befinden. Bei solch einer „Querstrom”-Anordnung erfolgt der Gasstrom von einer Seite des Motors oder der Zylinderbank durch den Motor oder die Zylinderbank zur anderen Seite des Motors oder der Zylinderbank.
-
Die Vorteile der Erfindung gegenüber der Verwendung herkömmlicher Lager, die direkt vom Zylinderblock gestützt werden, sind:
- • Auswuchten/Verbauungsprozess
– Das Verfahren erfordert keine zusätzlichen Fertigungsphasen, Werkzeuge und Handlungen zur Sicherstellung des ausgewuchteten Zustands der Turboladerlageranordnung nach der Endmontage. Die Einheit trifft vorausgewuchtet/abgedichtet ein und bleibt während des Verbauens so.
- • Auf ein Minimum reduziertes Kontaminierungsrisiko
– Da die Turboladerlageranordnung während der Montage abgedichtet wird, besteht ein geringeres Risiko einer Übertragung von Staub/Verunreinigungen in der Umgebung auf innere Lagerflächen.
- • Auf ein Minimum reduziertes Risiko der Beschädigung des Turbinen-/Verdichterrads in einer Fertigungsumgebung
– Die Turbinen-/Verdichter-Räder sind während des Endmontageablaufs geschützt. Die auf ein Minimum reduzierte Handhabung der Komponenten reduziert das Risiko von Schäden, die zu einer Unwucht des Turboladers führen könnten.
- • Leichtere/r Lagerherstellung/-montageprozess
– Die maschinelle Bearbeitung und Montage der Lager in einer eigenständigen Einheit (dem Lagergehäuse) beseitigt die physischen und logistischen Schwierigkeiten bei der Durchführung des Arbeitsgangs an einer Motorhauptstruktur, wie z. B. dem Zylinderblock.
- • Prozesssteuerung
– Es ist einfacher, enge Herstellungstoleranzen an einem Standort durch einen Zulieferer einzuhalten.
Eine zwischen zwei Zulieferern, wie z. B. einem Zylinderblockzulieferer und einem Turboladerzulieferer, aufgeteilte Herstellung erfordert zusätzliche Schritte der Qualitätskontrolle.
- • Einfacher Austausch zur Wartung
– die Verwendung einer Turboladerlageranordnung, die als ein einkomponentiges Einsatzsystem betrachtet werden kann, gestattet einen viel einfacheren Austauschprozess und erfordert keine zusätzlichen Wartungswerkzeuge oder Steuerverfahren, falls der geteilte Turbolader ausgetauscht werden muss.
-
Obgleich die Erfindung beispielhaft mit Bezug auf eine oder mehrere Ausführungsformen beschrieben wurde, liegt für den Fachmann auf der Hand, dass sie nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist und dass alternative Ausführungsformen konstruiert werden könnten, ohne vom Schutzumfang der Erfindung, wie durch die angehängten Ansprüche definiert, abzuweichen.
-
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
-
