DE102016002723A1

DE102016002723A1 - Turbolader mit lagergeführtem Kompressorrad

Info

Publication number: DE102016002723A1
Application number: DE102016002723.1A
Authority: DE
Inventors: Richard E. Annati; Thomas J. Williams; Mark Suchezky
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2015-03-09
Filing date: 2016-03-08
Publication date: 2016-09-15
Also published as: US9915172B2; CN205445694U; US20160265385A1

Abstract

Ein Turbolader (119) ist vorgesehen, der eine Turbine (120), einen Kompressor (136) und ein Lagergehäuse (202) aufweist, das zwischen der Turbine und dem Kompressor angeordnet ist und mit diesen verbunden ist. Eine Welle (126) ist drehbar in dem Lagergehäuse angeordnet und erstreckt sich in die Turbine und den Kompressor. Eine Lageranordnung (242, 243) ist zwischen der Welle und dem Lagergehäuse angeordnet und weist ein inneres Lagerringelement (262) und ein äußeres Lagerringelement (261) auf. Das Kompressorrad (213) weist eine Nabe mit einem Fortsatzteil mit einer Bohrung darin auf, um ein Ende der Welle aufzunehmen. Ein Endteil des inneren Lagerringelementes (262) ist so angeordnet, dass es mit einer Außenumfangsfläche des Fortsatzteils in Eingriff kommt.

Description

Technisches Gebiet
Diese Patentoffenbarung bezieht sich allgemein auf Turbolader und insbesondere auf Turbolader, die bei Verbrennungsmotoren verwendet werden.
Hintergrund
Verbrennungsmotoren werden mit einer Mischung aus Luft und Brennstoff zur Verbrennung in dem Motor beliefert, welcher mechanische Leistung erzeugt. Um die Leistung zu maximieren, die durch diesen Verbrennungsprozess erzeugt wird, ist der Motor oft mit einem turboaufgeladenen Lufteinleitungssystem ausgerüstet.
Ein turboaufgeladenes Lufteinleitungssystem weist einen Turbolader, der Abgas vom Motor verwendet, um Luft zu komprimieren, die in den Motor fließt, wodurch mehr Luft in eine Brennkammer des Motors gedrückt wird, als der Motor sonst in die Brennkammer ziehen könnte. Diese gesteigerte Lieferung von Luft gestattet eine gesteigerte Brennstofflieferung, was eine gesteigerte Motorleistungsausgabe zur Folge hat.
Ein Turbolader weist im Allgemeinen ein Kompressorrad auf, das an einem Ende einer einzelnen Welle in einem Kompressorgehäuse montiert ist, und ein Turbinenrad, das am anderen Ende der Welle in einem Turbinengehäuse montiert ist. Typischerweise ist das Turbinengehäuse separat vom Kompressorgehäuse ausgebildet. Ein Lagergehäuse ist zwischen den Turbinen- und Kompressorgehäusen angeschlossen, um Lager für die Wellen aufzunehmen. Das Turbinengehäuse nimmt Abgas von dem Motor auf und leitet es zum Turbinenrad, welches durch das Abgas angetrieben wird. Die Turbinenanordnung zieht somit Leistung aus dem Abgas und treibt den Kompressor an.
Die Verbindung zwischen dem Kompressorrad und der Turbinenwelle weist typischer Weise die Turboladerwelle auf, welche in einer inneren Bohrung in einem Ansatz aufgenommen ist, der sich von der Nabe des Kompressorrades erstreckt. Jedoch können solche Verbindungen eine radiale Führung während des Betriebs des Turboladers verlieren, was zu einem Ungleichgewicht der Welle führen kann. Die Führung der Nabe des Kompressorrades in einer Welle kann zu hohen Spannungen führen, wenn das Laufrad während des Betriebs des Turboladers in die Schnittstelle einläuft.
Zusammenfassung
Gemäß einem Aspekt beschreibt die Offenbarung einen Turbolader, der eine Turbine aufweist, die ein Turbinenrad aufweist, und einen Kompressor, der ein Kompressorrad aufweist. Ein Lagergehäuse ist zwischen der Turbine und dem Kompressor angeordnet und damit verbunden, wobei das Lagergehäuse eine Lagerbohrung dort hindurch bildet. Eine Welle ist drehbar in dem Lagergehäuse angeordnet und erstreckt sich in die Turbine und in den Kompressor. Das Turbinenrad ist mit einem Ende der Welle verbunden, und das Kompressorrad ist mit einem gegenüberliegenden Ende der Welle verbunden, so dass das Turbinenrad drehbar in der Turbine angeordnet ist und das Kompressorrad drehbar in dem Kompressor angeordnet ist. Eine Lageranordnung ist zwischen der Welle und dem Lagergehäuse angeordnet. Die Lageranordnung weist erste und zweite Lager auf, wobei jedes der ersten und zweiten Lager durch eine jeweilige erste und zweite Vielzahl von Wälzelementen gebildet wird, die zwischen einem jeweiligen ersten und zweiten Innenring und einem jeweiligen ersten und zweiten Außenring in Eingriff bzw. eingesetzt sind. Ein äußeres Lagerringelement ist in der Lagerbohrung angeordnet und bildet die jeweiligen ersten und zweiten Außenringe, und ein inneres Lagerringelement ist in dem äußeren Lagerringelement und zwischen dem äußeren Lagerringelement und der Welle angeordnet. Das innere Lagerringelement bildet die jeweiligen ersten und zweiten Innenringe, so dass der entsprechende erste Innenring axial mit dem entsprechenden ersten Außenring ausgerichtet ist und dass der entsprechende zweite Innenring axial mit dem entsprechenden zweiten Außenring ausgerichtet ist. Das innere Lagerringelement ist so angeordnet, dass es sich mit der Welle dreht. Das Kompressorrad weist eine Nabe mit einem Fortsatzteil mit einer Bohrung darin auf, um ein Ende der Welle aufzunehmen, wobei ein Endteil des inneren Lagerringelementes so angeordnet ist, dass es mit einer Außenumfangsfläche des Fortsatzteils in Eingriff ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung einen Turbolader, der eine Turbine aufweist, die ein Turbinengehäuse aufweist, welches ein Turbinenrad umgibt. Ein Kompressor weist ein Kompressorgehäuse auf, welches ein Kompressorrad umgibt. Ein Lagergehäuse ist zwischen der Turbine und dem Kompressor angeordnet und damit verbunden. Das Lagergehäuse bildet eine Lagerbohrung dort hindurch, die eine Welle aufnimmt, welche das Turbinenrad und das Kompressorrad verbindet, um Leistung dazwischen zu übertragen. Die Welle ist drehbar in dem Lagergehäuse montiert und erstreckt sich in die Turbine und in den Kompressor, so dass das Turbinenrad mit einem Ende der Welle verbunden ist und das Kompressorrad mit einem gegenüberliegenden Ende der Welle verbunden ist. Eine Lageranordnung ist zwischen der Welle und dem Lagergehäuse angeordnet. Die Lageranordnung weist erste und zweite Lager auf, wobei jedes der ersten und zweiten Lager durch eine jeweilige erste und eine zweite Vielzahl von Wälzelementen gebildet wird, die zwischen einem entsprechenden ersten und zweiten Innenring und einem entsprechenden ersten und zweiten Außenring in Eingriff bzw. eingesetzt sind. Ein äußeres Lagerringelement ist in der Lagerbohrung angeordnet und bildet die jeweiligen ersten und zweiten Außenringe. Ein inneres Lagerringelement ist in dem äußeren Lagerringelement und zwischen dem äußeren Lagerringelement und der Welle angeordnet, wobei das innere Lagerringelement entsprechende erste und zweite Innenringe bildet, so dass der entsprechende erste Innenring axial mit dem entsprechenden ersten Außenring ausgerichtet ist, und dass der entsprechende zweite Innenring axial mit dem entsprechenden zweiten Außenring ausgerichtet ist. Das innere Lagerringelement ist so angeordnet, dass es sich mit der Welle dreht. Das Kompressorrad weist eine Nabe mit einem Fortsatzteil mit einer Bohrung darin auf, um ein Ende der Welle aufzunehmen, wobei ein Endteil des inneren Lagerringelementes so angeordnet ist, dass es mit einer Außenumfangsfläche des Fortsatzteils in Eingriff ist.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung einen Verbrennungsmotor mit einer Vielzahl von Brennkammern, die in einem Zylinderblock ausgeformt sind, weiter mit einer Einlasssammelleitung, die so angeordnet ist, dass sie Luft oder eine Mischung von Luft mit Abgas zu den Brennkammern liefert, und eine Auslasssammelleitung, die so angeordnet ist, dass sie Abgas aus den Brennkammern aufnimmt. Der Motor weist weiter eine Turbine auf, die ein Turbinenrad aufweist und einen Kompressor, der ein Kompressorrad aufweist. Ein Lagergehäuse ist zwischen der Turbine und dem Kompressor angeordnet und damit verbunden, wobei das Lagergehäuse eine Lagerbohrung dort hindurch bildet. Eine Welle ist drehbar in dem Lagergehäuse angeordnet und erstreckt sich in die Turbine und in den Kompressor. Das Turbinenrad ist mit einem Ende der Welle verbunden und das Kompressorrad ist mit einem gegenüberliegenden Ende der Welle verbunden, so dass das Turbinenrad drehbar in der Turbine angeordnet ist und das Kompressorrad drehbar in dem Kompressor angeordnet ist. Eine Lageranordnung ist zwischen der Welle und dem Lagergehäuse angeordnet. Die Lageranordnung weist erste und zweite Lager auf, wobei jedes der ersten und zweiten Lager durch eine entsprechende erste und zweite Vielzahl von Wälzelementen gebildet wird, die zwischen einem entsprechenden ersten und zweiten Innenring und einem entsprechenden ersten und zweiten Außenring in Eingriff bzw. eingesetzt sind. Ein äußeres Lagerringelement ist in der Lagerbohrung angeordnet und bildet die jeweiligen ersten und zweiten Außenringe, und ein inneres Lagerringelement ist in dem äußeren Lagerringelement und zwischen dem äußeren Lagerringelement und der Welle angeordnet. Das innere Lagerringelement bildet die entsprechenden ersten und zweiten Innenringe, so dass der entsprechende erste Innenring axial mit dem entsprechenden ersten Außenring ausgerichtet ist, und der entsprechende zweite Innenring axial mit dem entsprechenden zweiten Außenring ausgerichtet ist. Das innere Lagerringelement ist so angeordnet, dass es sich mit der Welle dreht. Das Kompressorrad weist eine Nabe mit einem Fortsatzteil mit einer Bohrung darin auf, um ein Ende der Welle aufzunehmen, wobei ein Endteil des inneren Lagerringelementes so angeordnet ist, dass es mit einer Außenumfangsfläche des Fortsatzteils in Eingriff ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm eines Verbrennungsmotors gemäß der Offenbarung.
2 ist eine Ansicht aus einer Seitenperspektive eines Turboladers gemäß der Offenbarung.
3 ist eine bruchstückhafte Ansicht durch eine Mitte des in 2 gezeigten Turboladers.
4 ist eine vergrößerte Detailansicht der in 3 gezeigten Turboladerlager.
5 und 6 sind vergrößerte Detailansichten von Dichtungen an beiden Enden der Welle des in 3 gezeigten Turboladers.
7 ist eine vergrößerte Ansicht einer Verbindung der Turboladerwelle und des Kompressorrades.
Detaillierte Beschreibung
Diese Offenbarung bezieht sich auf einen verbesserten Turbolader, der in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor verwendet wird, um den effizienten Betrieb des Motors und auch den robusten und zuverlässigen Betrieb des Turboladers zu begünstigen. Ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Motors 100 ist in 1 gezeigt. Der Motor 100 weist ein Zylindergehäuse 104 auf, welches eine Vielzahl von Verbrennungszylindern 106 aufnimmt. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind sechs Verbrennungszylinder in einer Reihenkonfiguration oder „I-Konfiguration” gezeigt, jedoch kann irgendeine andere Anzahl von Zylindern, die in einer anderen Konfiguration angeordnet sind, wie beispielsweise in einer „V-Konfiguration”, verwendet werden. Die Vielzahl von Verbrennungszylindern 106 ist strömungsmittelmäßig über (nicht gezeigte) Auslassventile mit der ersten Auslassleitung 108 und der zweiten Auslassleitung 110 verbunden. Sowohl die erste Auslassleitung 108 als auch die zweite Auslassleitung 110 ist mit einer Turbine 120 eines Turboladers 119 verbunden. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist die Turbine 120 ein Gehäuse 122 mit einem Gaseinlass 124 auf, der strömungsmittelmäßig mit der ersten Auslassleitung 108 und der zweiten Auslassleitung 110 verbunden ist und angeordnet ist, um Abgas von dort aufzunehmen. Abgas, welches zur Turbine 120 geliefert wird, bewirkt, dass ein (hier nicht gezeigtes) Turbinenrad sich dreht, welches mit einer Welle 126 verbunden ist. Abgas tritt aus dem Gehäuse 122 der Turbine 120 durch einen Auslass 128 aus. Das Abgas am Auslass 128 wird optional durch andere Abgasnachbehandlungskomponenten und -systeme geleitet, wie beispielsweise eine Nachbehandlungsvorrichtung 130, die mechanisch und chemisch Verbrennungsnebenprodukte aus dem Abgasstrom entfernt, und/oder durch einen Schalldämpfer 132, der Motorgeräusch dämpft, und zwar bevor es durch einen Kamin oder ein Endrohr 134 in die Umgebung ausgestoßen wird.
Eine Drehung der Welle 126 bewirkt, dass sich ein (hier nicht gezeigtes) Rad eines Kompressors 136 dreht. Wie gezeigt, kann der Kompressor 136 ein Axial-, Radial- oder Mischflusskompressor sein, der konfiguriert ist, um einen Fluss von frischer filtrierter Luft aus einem Luftfilter 138 durch einen Kompressoreinlass 140 aufzunehmen. Unter Druck gesetzte Luft an einem Auslass 142 des Kompressors 136 wird über eine Ladeluftleitung 144 zu einem Ladeluftkühler 146 geleitet, bevor sie zu einer Einlasssammelleitung 148 des Motors 100 geliefert wird. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird Luft von der Einlasssammelleitung 148 zu den Verbrennungszylindern 106 geleitet, wo sie mit Brennstoff vermischt wird und verbrannt wird, um Motorleistung zu erzeugen.
Ein Abgasrückführungs- bzw. AGR-System 102, welches optional ist, weist einen AGR-Kühler 150 auf, der auch optional ist, der strömungsmittelmäßig mit einem AGR-Gaslieferanschluss 152 der ersten Auslasssammelleitung 108 verbunden ist. Ein Fluss des Abgases aus der ersten Auslassleitung 108 kann durch den AGR-Kühler 150 laufen, wo er gekühlt wird, bevor er zu einem AGR-Ventil 154 über eine AGR-Leitung 156 geliefert wird. Das AGR-Ventil 154 kann elektronisch gesteuert sein und konfiguriert sein, um das Gas, das durch die AGR-Leitung 156 läuft, zuzumessen oder dessen Flussrate zu steuern. Ein Auslass des AGR-Ventils 154 ist strömungsmittelmäßig mit der Einlasssammelleitung 148 verbunden, so dass das Abgas von der AGR-Leitung 156 sich mit komprimierter Luft aus dem Ladeluftkühler 146 innerhalb der Einlasssammelleitung 148 des Motors 100 mischen kann.
Der Druck des Abgases an der ersten Auslassleitung 108, der im Allgemeinen als Rückdruck bezeichnet wird, ist höher als der Umgebungsdruck, teilweise wegen der Flusseinschränkung, die durch die Turbine 120 dargestellt wird. Aus dem gleichen Grund ist ein positiver Rückdruck in der zweiten Auslasssammelleitung 110 vorhanden. Der Druck der Luft oder der Luft/AGR-Gasmischung in der Einlasssammelleitung 148, der im Allgemeinen als Ladedruck bezeichnet wird, ist auch höher als in der Umgebung, und zwar wegen der Kompression, die durch den Kompressor 136 vorgesehen wird. Zum großen Teil bestimmt die Druckdifferenz zwischen dem Rückdruck und dem Ladedruck gekoppelt mit der Flusseinschränkung und dem Strömungsquerschnitt der Komponenten des AGR-Systems 102 die maximale Flussrate des AGR-Gases bzw. rückgeführten Abgases, die bei verschiedenen Motorbetriebsbedingungen erreicht werden kann.
Eine Ansicht des Turboladers 119 ist in 2 gezeigt, und eine bruchstückhafte Ansicht bzw. Schnittansicht ist in 3 gezeigt. Mit Bezugnahme auf diese Figuren und die folgende Beschreibung können Strukturen und Merkmale, welche die Gleichen oder Ähnliche sind, wie entsprechende Strukturen und Merkmale, die schon beschrieben wurden, zur Vereinfachung manchmal mit den gleichen Bezugszeichen beschrieben werden, wie sie zuvor verwendet wurden. Wie gezeigt, ist die Turbine 120 mit einem Lagergehäuse 202 verbunden. Das Lagergehäuse 202 umgibt einen Teil der Welle 126 und weist Lager 242 und 243 auf, die in einem Schmierhohlraum 206 angeordnet sind, der in dem Lagergehäuse 202 ausgebildet ist. Der Schmierhohlraum 206 weist einen Schmiermitteleinlassanschluss 203 und eine Schmiermittelauslassöffnung 205 auf, welche einen Fluss von Schmierströmungsmittel aufnehmen, beispielsweise Motoröl, um die Lager 242 und 243 zu schmieren, wenn sich die Welle 126 während des Motorbetriebs dreht.
Die Welle 126 ist mit einem Turbinenrad 212 an einem Ende und mit einem Kompressorrad 213 an einem anderen Ende verbunden. Das Turbinenrad 212 ist konfiguriert, um sich in einem Turbinengehäuse 215 zu drehen, welches mit dem Lagergehäuse 202 verbunden ist. Das Kompressorrad 213 ist so angeordnet, dass es sich in einem Kompressorgehäuse 217 dreht. Das Turbinenrad 212 weist eine Vielzahl von Schaufeln 214 auf, die radial um eine Nabe 216 angeordnet sind. Die Nabe 216 ist mit einem Ende der Welle 126 verbunden. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist das Turbinenrad 212 mit dem Ende der Welle 126 durch Schweißen verbunden, jedoch können andere Verfahren, wie beispielsweise die Verwendung eines Befestigungselementes, verwendet werden, um das Turbinenrad mit der Welle zu verbinden. Das Turbinenrad 212 ist drehbar zwischen einer Abgasturbinendüse 230 angeordnet, die in dem Turbinengehäuse 215 definiertist. Die Abgasturbinendüse 230 liefert Abgas zum Turbinenrad 212 in einer relativ zur Welle 126 und den Schaufeln 214 im Allgemeinen radial nach innen gerichteten und axialen Richtung, so dass die Turbine 120 eine Mischflussturbine ist, was bedeutet, dass Abgas sowohl in radialer als auch in axialer Richtung zum Turbinenrad geliefert wird. Abgas, welches über das Turbinenrad 212 läuft, tritt an dem Turbinengehäuse 215 über eine Auslassbohrung 234 aus, die in dem Gehäuse geformt ist. Die Auslassbohrung 234 ist strömungsmittelmäßig mit dem Auslass 128 (1) verbunden. Die Abgasturbinendüse 230 ist strömungsmittelmäßig mit einem Einlassgasdurchlass 236 verbunden, der eine aufgerollte Form bzw. Schneckenform hat und in dem Turbinengehäuse 215 geformt ist. Der Einlassgasdurchlass 236 verbindet strömungsmittelmäßig die Abgasturbinendüse 230 mit dem Gaseinlass 124 (siehe auch 1). Es sei bemerkt, dass ein einzelner Einlassgasdurchlass 236 gezeigt ist, der in dem Turbinengehäuse 215 in 3 ausgebildet ist, jedoch können separate Durchlässe in alternativen Ausführungsbeispielen in einem einzigen Turbinengehäuse geformt werden.
In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wickelt sich der Einlassgasdurchlass 236 um den Bereich des Turbinenrades 212 und die Auslassbohrung 234 und ist zur Abgasturbinendüse 230 um den gesamten Umfang des Turbinenrades 212 offen. Eine Querschnittsflussfläche des Einlassgasdurchlasses 236 nimmt entlang eines Flusspfades des Gases ab, welches in die Turbine 120 über den Gaseinlass 124 eintritt und zum Turbinenrad 212 durch die Abgasturbinendüse 230 geliefert wird.
Ein Radialdüsenring 238, der auch eine Leitwand für das Turbinenrad 212 bildet, ist im Wesentlichen um den gesamten Umfang des Turbinenrades 212 angeordnet. Wie genauer in den folgenden Abschnitten besprochen wird, ist der Radialdüsenring 238 in Strömungsmittelverbindung mit dem Einlassgasdurchlass 236 angeordnet und definiert die Abgasturbinendüse 230 um das Turbinenrad 212. Wie in 3 gezeigt, bildet der Radialdüsenring eine Vielzahl von Flügeln 246, die fest sind und die symmetrisch um den Radialdüsenring 238 angeordnet sind, und die dahingehend arbeiten, dass sie Abgas vom Einlassgasdurchlass 236 zum Turbinenrad 212 leiten. Die Form und Konfiguration der Vielzahl von Flügeln 246 kann variieren. Flusskanäle 250 mit einer geneigten Form sind zwischen benachbarten Flügeln in der ersten Vielzahl von Flügeln 246 definiert. Ein Flussmoment bzw. Flussimpuls des Gases, welches durch die Flusskanäle 250 fließt, ist im Allgemeinen tangential und radial nach innen zu einem Innendurchmesser des Turbinenrades 212 gerichtet, so dass eine Drehung des Rades verbessert werden kann. Obwohl die Flügel 246 weiter eine im Allgemeinen gekrümmte Tragflächenform haben, um die Flussverluste des Gases zu minimieren, welches über die Flügel und zwischen diesen hindurchläuft, wobei somit jeweilige gleichförmige Einflussbedingungen für das Turbinenrad vorgesehen werden, sehen sie auch eine strukturelle Unterstützung für einen Leitwandteil des Radialdüsenrings 238 vor. Der Radialdüsenring 238, der den Leitwandteil aufweist, ist mit der Turbine über eine Vielzahl von Befestigungselementen 252 verbunden, jedoch können andere Verfahren verwendet werden. Die Befestigungselemente 252 kommen in Eingriff mit einem Wärmeschild 254, welches mit einem Turbinenflansch 256 verbunden ist, der an dem Lagergehäuse 202 mit einer Presspassung und Streben bzw. Stiften 258 ausgeformt ist.
Das Lagergehäuse 202 umschließt einen Teil der Welle 126, die drehbar in einer Lagerbohrung 260 montiert ist, das in dem Lagergehäuse durch die Lager 242 und 243 geformt wird, welche Kartuschenlager sein können. Jedes der Lager 242 und 243 weist einen äußeren Ring bzw. Außenring 261 auf, der mit einer Innendurchmesserfläche der Lagerbohrung 260 in Eingriff steht, weiter Wälzelemente und einen inneren Ring bzw. Innenring 262, der im Allgemeinen rohrförmig ist und sich entlang ihrer Länge um die Welle 126 erstreckt. Öl vom Schmiermitteleinlassanschluss 230 wird durch eine externe Ölpumpe zu den Lagern 242 und 243 während des Betriebs über Durchlässe 264 geliefert, von wo es über die Lager läuft, um diese zu kühlen und zu schmieren, bevor es sich in dem Schmierhohlraum 206 sammelt und aus dem Lagergehäuse durch die Schmiermittelauslassöffnung 205 abläuft.
Die Lager 242 und 243 werden axial in der Lagerbohrung 260 durch einen Lagerhalter 266 gehalten, der zwischen einer Kompressorbefestigungsplatte 268, die an dem Lagergehäuse 202 ausgebildet ist, und dem Kompressorrad 213 angeordnet ist. Der Lagerhalter 266 bildet eine mittige Öffnung 270 mit einem Innendurchmesser, der kleiner ist als ein Innendurchmesser der Lagerbohrung 260, so dass, wenn der Lagerhalter 266 mit dem Lagergehäuse 202 verbunden ist, die Lager 242 und 243 in der Lagerbohrung 260 gehalten werden. Der Lagerhalter 266 ist an der Kompressorbefestigungsplatte 268 durch Befestigungselemente 272 befestigt, jedoch können andere Befestigungs- oder Haltestrukturen verwendet werden.
Der Kompressor 136 weist einen Kompressorflügelring 274 auf, der Flügel 276 bildet, die radial um das Kompressorrad 213 angeordnet sind. Die Flügel 276 verbinden strömungsmittelmäßig eine Kompressoreinlassbohrung 278, die das Kompressorrad 213 enthält, mit einem Kompressorschneckendurchlass 280, der in dem Kompressorgehäuse 217 ausgebildet ist und der an einer Kompressorauslassöffnung 282 endet. Schrauben 284 und kreisförmige Plattensegmente 286 verbinden das Turbinengehäuse 215 mit dem Turbinenflansch 256 und das Kompressorgehäuse 217 mit der Kompressorbefestigungsplatte 268. Eine Mutter 288, die mit der Welle 126 in Eingriff ist, hält die Welle 126 in den Lagern 242 und 243.
Eine vergrößerte Detailansicht der Lager 242 und 243 ist in 4 gezeigt. In dieser Darstellung und in den anderen Darstellungen, die folgen, werden Strukturen, die gleiche oder ähnliche Strukturen sind, die hier zuvor beschrieben wurden, zur Vereinfachung mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, die zuvor verwendet wurden. Entsprechend wird das erste Lager 242, welches auch als das Lager auf der Kompressorseite bezeichnet werden kann, durch eine Vielzahl von Wälzelementen 302 gebildet, die in rollender oder gleitender Bewegung zwischen einer Außenringnut 304, die in dem Außenring 261 geformt ist, und einer Innenringnut 306 eingeschlossen sind, die nahe dem Ende auf der Außenbord- oder Kompressorseite des Innenrings 262 geformt ist. In ähnlicher Weise wird das zweite Lager 243, welches auch als das Lager auf der Turbinenseite bezeichnet werden kann, durch eine Vielzahl von Wälzelementen 308 gebildet, die in rollender oder gleitender Bewegung zwischen einer entsprechenden Außenringnut 310 und einer Innenringnut 312 eingeschlossen sind.
Der Außenring 261 bildet verschiedene Merkmale aus, die einen Betrieb des Turboladers 119 ermöglichen und auch einen erwünschten Fluss von Schmieröl durch das Lagergehäuse 202 begünstigen. Genauer gesagt hat der Außenring 261 eine im Allgemeinen hohle zylindrische Form, die eine Außenwand oder Außenhülle 314 bildet. An den Enden der Außenhülle 314 sind die Außenringnuten 304 und 310 geformt, und die Außenhülle umschließt einen zylindrischen Raum 316, der die Welle 126 und den Innenring 262 während des Betriebs umgibt. Nahe jedem Ende bildet die Außenhülle 314 zwei Ölsammelnuten oder Öleinspeisungsgalerien 318, wobei jede davon axial mit den Durchlässen 264 ausgerichtet ist, die in dem Lagergehäuse 202 ausgebildet sind, so dass während des Betriebs Öl, welches durch die Durchlässe 264 läuft, sich ansammelt und jede der beiden Ölsammelnuten oder Öleinspeisungsgalerien 318 füllt. Schmierdurchlässe 320 erstrecken sich durch die Außenhülle 314 und verbinden strömungsmittelmäßig jede jeweilige Öleinspeisungsgalerie 318 mit dem zylindrischen Raum 326 in einem Bereich nahe der Innenringnuten 306 und 312 und auch der Außenringnuten 304 und 310, um die Lager 242 und 243 während des Betriebs zu schmieren und zu kühlen. Die Außenhülle 314 bildet weiter Ablauföffnungen 322, die strömungsmittelmäßig den zylindrischen Raum 316 mit dem Schmierhohlraum 206 verbinden, um irgendwelches Öl, welches sich in dem Außenring 261 sammelt, abzulassen.
Der Außenring 261 umgibt den Innenring 262, der wiederum einen Teil der Welle 126 umgibt. Der Innenring 262 bildet zwei Endteile 326, die einen Teil mit verringertem Durchmesser haben, der mit den Enden der Welle 126 in Eingriff kommt. Die Welle 126 weist einen schlanken Teil 328 mit einem verringerten Außendurchmesser 330 auf, der kleiner ist als ein vergrößerter Außendurchmesser 332 an den Enden der Welle 126. Der schlanke Teil 328 erstreckt sich über eine axiale Länge 334. Der vergrößerte Außendurchmesser 332 der Welle 126 passt an seinen Enden mit einem verringerten Innendurchmesser 336 der zwei Endteile 326 des Innenrings 262 zusammen.
Um eine Torsions- und Biegesteifigkeit für die Welle 126 vorzusehen, ist der Innenring 262 in vorteilhafter Weise entlang eines mittleren Teils davon ausgestellt, um einen vergrößerten Innendurchmesser 338 zu bilden. Der vergrößerte Innendurchmesser 338 überlappt in einer axialen Richtung mit dem schlanken Teil 328, um die Biegesteifigkeit der kombinierten Struktur der Welle 126 und des Innenrings 262 zu vergrößern, ohne in beträchtlicher Weise die Gesamtmasse des Systems zu vergrößern. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird der Innenring 262 durch zwei Komponenten gebildet, um die Montage zu erleichtern, und zwar einen Napf 340 auf der Außenbordseite und einen Napf 342 auf der Innenbordseite. Einer der Näpfe bzw. Hohlkörper, in diesem Fall der Napf 342 auf der Innenbordseite, bildet eine Kante und eine Wand, die darin die freie ringförmige Fläche des Napfes 340 auf der Außenbordseite aufnimmt. Zusammen bilden der Napf 340 auf der Außenbordseite und der Napf 342 auf der Innenbordseite den Innenring 262, der einen mittigen ausgestellten bzw. erweiterten Teil 344 und zwei Übergangsteile 346 hat, welche den ausgestellten Teil 344 mit den zwei Endteilen 326 verbinden. Glatte oder mit Fasen versehene Übergänge 350, welche eine Spannungskonzentration vermeiden, sind zwischen den Endteilen, den Übergangsteilen 346 und dem ausgestellten Teil 344 vorgesehen. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird jeder mit Fase versehene Übergang 350, der konvex oder konkav sein kann, mit dem gleichen Radius geformt, es können jedoch unterschiedliche Radien verwendet werden.
Eine vergrößerte Detailansicht einer Schnittstelle zwischen dem Kompressorrad 213 und der Welle 126 ist in 5 gezeigt. In dieser Figur ist ein Diagnosedurchlass 402 zu sehen, der in dem Lagergehäuse 202 ausgeformt ist. Der Diagnosedurchlass 402 ist mit einem Stöpsel 404 verschlossen, welcher während einer Instandhaltung entfernt werden kann, um Zugang, beispielsweise zum Inneren des Lagergehäuses zu gewähren, und zwar zur Installation von Instrumenten und/oder zum Zugriff auf das Innere des Lagergehäuses.
Wie ebenfalls in 5 zu sehen ist, ist eine Ringdichtung 406 angeordnet, um eine Gleitdichtung zwischen einer inneren Arbeitskammer des Kompressors und dem Ölhohlraum des Lagergehäuses vorzusehen. Insbesondere ist die Ringdichtung 406 in einem offenen Kanal 408 angeordnet, der zusammen mit einer ringförmigen Fläche 410 an der Innenseite des Hinterteils des Kompressorrades 213 eine U-Form bildet. Der offene Kanal 408 ist am Ende einer Verlängerung des Innenrings 262 ausgebildet, die auf einer Außenbordseite des Lagers 242 angeordnet ist. Die Ringdichtung 406 steht gleitend und dichtend mit einer Innenbohrung 412 des Lagerhalters 266 in Eingriff, so dass eine Gleitdichtung zwischen dem Innenring 262 und dem Lagerhalter 266 vorgesehen ist, die eine Abdichtung gegen eine Leckage von Öl aus dem Lagergehäuse 202 in das Kompressorgehäuse 217 vorsieht. Zusätzlich sieht sie eine Abdichtung gegen unter Druck gesetztes Gas vor, welches in das Innere des Lagergehäuses eintritt. Eine Lagerhaltedichtung 414 ist zwischen einem äußeren Teil des Lagerhalters 266 und der Kompressorbefestigungsplatte 268 angeordnet. Es sei bemerkt, dass ein Inneres 348 (4) des Innenrings 262 erwartungsgemäß im Allgemeinen frei von Öl ist, da keine Eintrittsöffnungen für Öl vorgesehen sind, außer möglicherweise die Schnittstelle zwischen dem Hohlkörper bzw. Napf 340 auf der Außenbordseite und dem Napf 342 auf der Innenbordseite. Im Fall eines Versagens des Turboladers, ein Zustand, in dem die Welle 126 zum Turbinengehäuse hin gezogen werden kann, kann die Haltenut 288 zu einem Sitz 424 gezogen werden und dichtend mit diesem in Eingriff kommen, um die Kolbenringe in Eingriff zu halten und das Turbinenrad und die Wellenanordnung in dem Lagergehäuse zu halten.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist auch ein Labyrinthweg vorgesehen, um einen Ölfluss zur Ringdichtung 406 abzuhalten. Wie gezeigt, bildet das Ende des Innenrings 262 einen sich radial nach außen erstreckenden Teil 416, der sich weg von der Welle 126 neigt. Der sich nach außen erstreckende Teil bildet einen äußeren Spitzenteil 418, der als eine zylindrische Wand geformt ist, die sich zum Kompressor hin erstreckt. Der Lagerhalter 266 bildet eine nach innen weisende zylindrische Wand 420, die axial mit dem äußeren Spitzenteil 418 ausgerichtet ist und radial innerhalb davon angeordnet ist, so dass ein meanderförmiger Weg oder Labyrinthweg 422 dazwischen gebildet wird, der zur Ringdichtung 406 führt.
Eine vergrößerte Detailansicht einer Schnittstelle zwischen dem Turbinenrad 212 und dem Lagergehäuse 202 ist in 5 gezeigt. In dieser Figur ist eine Drainagenut 502 zu einem Ende 504 der Welle 126 hin ausgebildet, um das Ablaufen von Öl, welches durch die innere Lagerfläche B4 läuft, in die Spülölgalerie zu ermöglichen. Um gegen eine Leckage von Öl abzudichten und um eine Abdichtung gegen unter Druck stehendes Gas vorzusehen, welches in das Innere des Lagergehäuses eindringen will, sind zwei Ringdichtungen zwischen der Welle 126 und einer inneren Bohrung 506 des Turbinenflansches 256 vorgesehen. Insbesondere ist eine erste Ringdichtung 508 in einem Kanal 510 angeordnet, der in der Welle 126 ausgebildet ist, und eine zweite Ringdichtung 512 ist in einem Kanal 514 angeordnet, der auch in der Welle 126 ausgebildet ist.
Während des Betriebs wird Öl von innerhalb des Lagergehäuses 202 von einer Leckage in die Arbeitskammer der Turbine abgehalten, und zwar durch den gleitenden und dichtenden Kontakt der ersten Ringdichtung 508 und der zweiten Ringdichtung 512 mit der Welle 126 und der inneren Bohrung 506 des Turbinenflansches 256. Es sei bemerkt, dass im Fall eines Versagens des Turboladers, wobei die Welle 126 sich zur Turbine hin verschieben kann, zumindest die erste Ringdichtung 508 sich axial innerhalb der inneren Bohrung 506 über eine vorbestimmte Distanz verschieben kann, während sie immer noch einen Kontakt damit hält, um eine Dichtung auch in einem Versagenszustand vorzusehen, um eine Leckage von Öl in das Turbinengehäuse zu vermeiden. Die gleiche Gleit- bzw. Verschiebetoleranz ist in dem Fall vorgesehen, dass die Welle 126 sich zum Kompressor hin verschiebt, wobei in diesem Fall die zweite Ringdichtung 512 sich in der inneren Bohrung 506 verschieben kann, während sie immer noch ihre Dichtungsfunktion aufrechterhält.
Die Verbindung zwischen dem Kompressorrad 213 und der Welle 126 kann so konfiguriert sein, dass der Innenring 262 des Lagers als eine radiale Pilot- bzw. Führungsfläche für eine Nabe 602 des Kompressorrades 213 dienen kann, wie in 7 gezeigt. Insbesondere kann die Nabe 602 von dem Kompressorrad 213 einen zylindrischen Fortsatzteil 604 aufweisen, der sich in axialer Richtung zur Welle 126 hin erstreckt. Der Fortsatzteil 604 kann eine innere Bohrung 606 haben, in der ein erster Endteil 608 der Welle 126 aufgenommen sein kann. Um eine sichere Verbindung zwischen der Welle 126 und der Nabe 602 zu ermöglichen, können die Bohrung 606 und der Endteil 608 der Welle 126 zusammenpassende Gewinde haben. Außerdem kann ein Endteil 610 des Innenrings 262 des Lagers radial außerhalb von und in berührender Beziehung zu dem Fortsatzteil 604 der Nabe 602 angeordnet sein. Insbesondere kann eine radial nach innen weisende Oberfläche 612 des Endteils 610 des Innenrings 262 so angeordnet sein, dass sie mit der Außenumfangsfläche 614 des Fortsatzteils 604 der Nabe 602 in Eingriff kommt. Der Fortsatzteil 604 der Nabe 602 des Kompressorrades 213 kann weiter eine ringförmige Schulter bzw. einen ringförmigen Absatz 616 aufweisen, der an dem axialen Ende des Innenrings 262 des Lagers anliegt, wenn der Endteil 608 der Welle 126 vollständig in die Bohrung 606 im Fortsatzteil 604 der Nabe 602 eingesetzt ist.
Bei einer solchen Anordnung sieht der Innenring 262 eine radiale Führungsfläche für die Nabe 602 vor, was dabei hilft, das Kompressorrad 213 während des Betriebs des Turboladers zu halten. Beispielsweise hilft die Verwendung des Innenrings 262 des Lagers als radiale Führungsfläche für das Kompressorrad 213 dabei, sicherzustellen, dass das Kompressorrad 213 niemals den Kontakt mit der Welle 126 bei einer zentrifugalen Belastung während des Betriebs des Turboladers verliert. Die Verwendung des Innenrings 262 des Lagers als eine radiale Führungsfläche für das Kompressorrad 213 zieht auch Vorteil aus der hochfesten Eigenschaft des Innenrings 262 des Lagers. Beispielsweise kann die Verwendung der hohen Festigkeit des Innenringmaterials als eine radiale Führungsfläche Spannungen an dem Kompressorrad 213 verringern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Innenring 262 des Lagers aus einem hochfesten Material gemacht sein.
Industrielle Anwendbarkeit
Es wird klar sein, dass die vorangegangene Beschreibung Beispiele des offenbarten Systems und der offenbarten Technik liefert. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass andere Ausführungen der Offenbarung im Detail von den vorangegangenen Beispielen abweichen können. Jegliche Bezugnahme auf die Offenbarung oder Beispiele davon soll sich auf das spezielle an diesem Punkt besprochene Beispiel beziehen, und diese Bezugnahmen sind nicht dafür vorgesehen, irgendeine Einschränkung bezüglich des Umfangs der Offenbarung im Allgemeinen mit sich zu bringen. Jegliche Erwähnung einer Ablehnung oder einer geringeren Bevorzugung bezüglich gewisser Merkmale soll anzeigen, dass diese Merkmale weniger bevorzugt werden, soll jedoch solche Merkmale nicht vollständig vom Umfang der Offenbarung ausschließen, außer wenn dies in anderer Weise angezeigt wird.
Die Erwähnung von Wertebereichen soll hier nur als ein abgekürztes Verfahren dazu dienen, einzeln jeden Wert zu nennen, der in den Bereich fällt, außer wenn dies in anderer Weise hier angezeigt wird, und jeder getrennte Wert wird in der Beschreibung mit eingeschlossen, genauso wie wenn er einzeln hier genannt worden wäre. Alle hier beschriebenen Verfahren können in irgendeiner geeigneten Reihenfolge ausgeführt werden, außer wenn dies hier in anderer Weise gezeigt wird oder klar durch den Kontext in Abrede gestellt wird.

Claims

Turbolader (119), der Folgendes aufweist: eine Turbine (120), die ein Turbinenrad (212) aufweist; einen Kompressor (136), der ein Kompressorrad (213) aufweist; ein Lagergehäuse (202), das zwischen der Turbine (120) und dem Kompressor (136) angeordnet ist und damit verbunden ist, wobei das Lagergehäuse eine Lagerbohrung (260) dort hindurch bildet; eine Welle (126), die drehbar in dem Lagergehäuse (202) angeordnet ist und sich in die Turbine (120) und den Kompressor (136) erstreckt, wobei das Turbinenrad (212) mit einem Ende der Welle (126) verbunden ist, und wobei das Kompressorrad (213) mit einem gegenüberliegenden Ende der Welle verbunden ist, so dass das Turbinenrad drehbar in der Turbine angeordnet ist und das Kompressorrad drehbar in dem Kompressor angeordnet ist; eine Lageranordnung (242, 243), die zwischen der Welle (126) und dem Lagergehäuse (202) angeordnet ist, wobei die Lageranordnung erste und zweite Lager (242, 243) aufweist, wobei jedes der ersten und zweiten Lager durch eine jeweilige erste und zweite Vielzahl von Wälzelementen (302, 308) gebildet wird, die zwischen einem entsprechenden ersten und zweiten Innenring (306, 312) und einem entsprechenden ersten und zweiten Außenring (304, 310) in Eingriff bzw. eingesetzt sind, ein äußeres Lagerringelement (261), welches in der Lagerbohrung (260) angeordnet ist und die jeweiligen ersten und zweiten Außenringe (304, 310) bildet; und ein inneres Lagerringelement (262), welches in dem äußeren Lagerringelement und zwischen dem äußeren Lagerringelement (261) und der Welle (126) angeordnet ist, wobei das innere Lagerringelement die jeweiligen ersten und zweiten Innenringe (306, 312) bildet, so dass der entsprechende erste Innenring (306) axial mit dem entsprechenden ersten Außenring (304) ausgerichtet ist, und dass der entsprechende zweite Innenring (312) axial mit dem entsprechenden zweiten Außenring (310) ausgerichtet ist; wobei das innere Lagerringelement (262) so angeordnet ist, dass es sich mit der Welle (126) dreht; und wobei das Kompressorrad (213) eine Nabe (602) aufweist, die einen Fortsatzteil (604) mit einer Bohrung (606) darin aufweist, um ein Ende der Welle (126) aufzunehmen, wobei ein Endteil des inneren Lagerringelementes so angeordnet ist, dass es mit einer Außenumfangsfläche (614) des Fortsatzteils (604) in Eingriff kommt.
Turbolader (119) nach Anspruch 1, wobei der Fortsatzteil (604) eine ringförmige Schulter bzw. einen Absatz (616) definiert, der an einem Ende des inneren Lagerringelementes (262) anliegt.
Turbolader (119) nach Anspruch 2, der weiter einen Lagerhalter (266) aufweist, der zwischen dem Lagergehäuse (202) und dem Kompressor (136) angeschlossen ist, wobei der Lagerhalter eine innere Bohrung (270) bildet, durch welche sich die Welle (126) erstreckt, und wobei eine Ringdichtung (406) so angeordnet ist, dass sie dichtend mit dem inneren Lagerringelement (262) und der inneren Bohrung des Lagerhalters in Eingriff steht.
Turbolader (119) nach Anspruch 3, wobei die Ringdichtung (406) in einem U-förmigen Kanal angeordnet ist, der durch den ringförmigen Absatz (616) des Fortsatzteils (604) und einen offenen Kanal (408) in dem inneren Lagerringelement (262) definiert ist.
Turbolader (119) nach Anspruch 1, wobei das innere Lagerringelement (262) einen erweiterten Teil (344) bildet, der einen vergrößerten Innendurchmesserbezüglich Endteilen davon hat, die mit der Welle (126) in Eingriff kommen.
Turbolader (119) nach Anspruch 5, wobei die Welle (126) mit dem inneren Lagerringelement (262) an Endteilen verbunden ist, wobei die Endteile einen ersten Durchmesser (323) haben, wobei die Welle (126) weiter einen schlanken Teil (328) zwischen den Endteilen bildet, wobei der schlanke Teil einen zweiten Durchmesser (330) hat, der kleiner ist als der erste Durchmesser (332).
Turbolader (119) nach Anspruch 6, wobei der vergrößerte Innendurchmesser des inneren Lagerringelementes (262) in axialer Richtung mit dem schlanken Teil (328) der Welle (126) überlappt.
Turbolader (119) nach Anspruch 1, wobei das innere Lagerringelement (262) durch zwei Komponenten gebildet wird, einen außen liegenden Napf- bzw. Hohlkörper (340) und einen innen liegenden Hohlkörper (342).
Verbrennungsmotor (100) mit einer Vielzahl von Brennkammern (106), die in einem Zylinderblock ausgeformt sind, mit einer Einlasssammelleitung (148), die so angeordnet ist, dass sie Luft oder eine Mischung von Luft mit Abgas zu den Brennkammern liefert, und eine Auslasssammelleitung (108, 110), die so angeordnet ist, dass sie Abgas von den Brennkammern aufnimmt, wobei der Motor weiter einen Turbolader (119) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.