DE102016002725A1

DE102016002725A1 - Turbolader und Verfahren

Info

Publication number: DE102016002725A1
Application number: DE102016002725.8A
Authority: DE
Inventors: Richard E. Annati; Thomas J. Williams
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2015-03-09
Filing date: 2016-03-07
Publication date: 2016-09-15
Also published as: US20160281644A1; US9739238B2; CN205422847U

Abstract

Ein Turbolader weist eine Turbine, einen Kompressor und ein Lagergehäuse auf, welches eine Lagerbohrung bildet. Eine Lageranordnung ist zwischen einer Welle, welche die Turbinen- und Kompressorräder verbindet, und dem Lagergehäuse angeordnet. Die Lageranordnung weist erste und zweite Lager auf, die zwischen einem äußeren Lagerringelement, welches in der Lagerbohrung angeordnet ist, und einem inneren Lagerringelement geformt sind, welches in dem äußeren Lagerringelement und zwischen dem äußeren Lagerringelement und der Welle angeordnet ist. Das innere Lagerringelement weist einen erweiterten Teil auf, der sich radial nach außen erstreckt, um Torsions- und Biegesteifigkeit für die Welle vorzusehen.

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 mit einer Turbine auf, die Abgas vom Motor verwendet, um Luft zu komprimieren, die in den Motor fließt, wodurch mehr Luft in eine Brennkammer des Motors gedrückt wird, als ein natürlich beatmeter Motor sonst in die Brennkammer ziehen könnte. Diese gesteigerte Lieferung von Luft gestattet eine gesteigerte Brennstofflieferung, was eine gesteigerte Motorleistungsausgabe zur Folge hat.
Die Brennstoffenergieumwandlungseffizienz eines Motors hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der Effizienz des Turboladers des Motors. Vorzugsweise weisen vorgeschlagene Turboladerkonstruktionen Wellen auf, welche die Turbinen- und Kompressorräder verbinden, die so kurz und steif wie praktisch möglich sind, um Vibrationen und andere dynamische Effekte während des Betriebes zu vermeiden. Es sei bemerkt, dass eine Turboladerwelle sich mit Zehntausenden Umdrehungen pro Minute während des normalen Betriebs drehen kann, was somit eine gut ausbalancierte und steife Montage erfordert.
Für gewisse Anwendungen jedoch, beispielsweise für Mischflussturbinen, in denen Gase die Turbinen sowohl axial als auch radial antreiben, muss die gesamte sich drehende Anordnung, welche zumindest eine Welle und ein Turbinenrad aufweist, länger werden. Um die Steifigkeit beizubehalten, wird die längere Welle typischer Weise auch dicker gemacht, was die Masse der rotierenden Anordnung vergrößert und somit ihr transientes Ansprechen im Verhältnis zu einer kürzeren und dünneren Turbinenwelle verringert, was im Allgemeinen nicht wünschenswert ist.
Zusammenfassung
Die vorliegende Offenbarung ist auf Turbolader für Verbrennungsmotoren anwendbar. Der Turbolader weist eine Turbine, einen Kompressor und ein Lagergehäuse auf, welches eine Lagerbohrung bildet. Eine Lageranordnung ist zwischen einer Welle, welche die Turbinen- und Kompressorräder verbindet, und dem Lagergehäuse angeordnet. Die Lageranordnung weist erste und zweite Lager auf die ausgebildet sind zwischen einem äußeren Lagerringelement, das in der Lagerbohrung angeordnet ist, und einem inneren Lagerringelement, das in dem äußeren Lagerringelement angeordnet ist und zwischen dem äußeren Lagerringelement und der Welle angeordnet ist. Das innere Lagerringelement weist einen ausgestellten bzw. vergrößerten Teil auf, der sich radial nach außen erstreckt, um Torsions- und Biegesteifigkeit für die Welle vorzusehen.
Gemäß einem Aspekt beschreibt die Offenbarung insbesondere einen Turbolader, der eine Turbine hat, die ein Turbinenrad aufweist, und einen Kompressor, der ein Kompressorrad aufweist. Ein Lagergehäuse ist zwischen der Turbine und dem Kompressor angeordnet und damit verbunden. Das Lagergehäuse bildet eine Lagerbohrung dort hindurch. 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 sowohl das erste als auch das zweite Lager durch eine jeweilige erste und zweite Vielzahl von Wälzelementen gebildet werden, die zwischen einem jeweiligen ersten und zweiten Innenring und einem jeweiligen ersten und zweiten Außenring in Eingriff bzw. angeordnet 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. Das innere Lagerringelement bildet die jeweiligen ersten und zweiten Innenringe, so dass der entsprechende erste Innenring mit dem entsprechenden ersten Außenring axial ausgerichtet ist und dass der entsprechende zweite Innenring mit dem entsprechenden zweiten Außenring axial ausgerichtet ist. Das innere Lagerringelement weist einen ausgestellten bzw. erweiterten Teil auf, der sich radial bezüglich der jeweiligen ersten und zweiten Innenringe nach außen erstreckt, um Torsions- und Biegesteifigkeit für die Welle vorzusehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Verfahren zum drehbaren Lagern einer Welle in einem Lagergehäuse eines Turboladers. Das Verfahren weist auf, ein erstes Wälzlager zu formen, in dem eine erste Vielzahl von Wälzelementen in einem ersten Innenring, der in einem Innenringelement ausgeformt ist, und einem ersten Außenring, der in einem Außenringelement ausgeformt ist, in Eingriff gebracht bzw. angeordnet wird, und das Formen eines zweiten Wälzlagers, in dem eine zweite Vielzahl von Wälzelementen mit einem zweiten Innenring, der in dem Innenringelement ausgeformt ist, und einem zweiten Außenring, der in dem Außenringelement ausgeformt ist, in Eingriff gebracht bzw. zwischen diesen angeordnet wird. Das Außenringelement ist zwischen einer Lagerbohrung, die in einem Lagergehäuse ausgeformt ist, und einer Welle in Eingriff bzw. angeordnet, welche sich durch die Lagerbohrung erstreckt. Das innere Lagerringelement steht mit der Welle an zwei Endteilen in Eingriff und weist einen ausgestellten bzw. erweiterten Teil zwischen den zwei Endteilen auf, so dass der erweiterte Teil sich bezüglich der Endteile radial nach außen erstreckt, um Torsions- und Biegesteifigkeit für die Welle vorzusehen.
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 angeordnet ist, um Luft oder eine Mischung aus Luft mit Abgas in die Brennkammern zu liefern, und eine Auslasssammelleitung, die so angeordnet ist, dass sie Abgas aus den Brennkammern aufnimmt. Der Motor weist weiter eine Turbine mit einem Turbinengehäuse auf, welches ein Turbinenrad umgibt. Das Turbinengehäuse ist strömungsmittelmäßig mit der Auslasssammelleitung verbunden und ist so angeordnet, dass es Abgas davon aufnimmt, um das Turbinenrad anzutreiben. Der Motor weist weiter einen Kompressor mit einem Kompressorgehäuse auf, der ein Kompressorrad umgibt. Das Kompressorgehäuse ist strömungsmittelmäßig mit der Einlasssammelleitung verbunden und angeordnet, um Luft dorthin zu liefern. Ein Lagergehäuse ist zwischen der Turbine und dem Kompressor angeordnet und damit verbunden. Das Lagergehäuse bildet eine Lagerbohrung dort hindurch, welche eine Welle aufnimmt, die das Turbinenrad und das Kompressorrad verbindet, um Leistung dazwischen zu übertragen.
In einem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Welle drehbar in dem Lagergehäuse montiert und erstreckt sich in die Turbine und in den Kompressor derart, 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 davon durch eine jeweilige erste und eine zweite Vielzahl von Wälzelementen gebildet wird, die zwischen einem jeweiligen ersten und zweiten Innenring und einem jeweiligen ersten und zweiten Außenring in Eingriff bzw. angeordnet sind. Ein äußeres Lagerringelement ist in der Lagerbohrung angeordnet und formt die jeweiligen ersten und zweiten Außenringe, und ein inneres Lagerringelement ist in dem äußeren Lagerringelement angeordnet, und zwar zwischen dem äußeren Lagerringelement und der Welle, und es bildet die jeweiligen ersten und zweiten Innenringe derart, 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 weist einen erweiterten Teil auf, der sich radial nach außen bezüglich der ersten und zweiten Innenringe erstreckt, um Torsions- und Biegesteifigkeit für die Welle vorzusehen. Die Welle ist an den Endteilen mit dem Innenring verbunden. Die Endteile haben einen ersten Durchmesser. Die Welle bildet einen schlanken Teil mit einem zweiten Durchmesser zwischen den Endteilen, welcher geringer ist als der erste Durchmesser. Der vergrößerte Innendurchmesser des inneren Lagerringelementes überlappt in axialer Richtung mit dem schlanken Teil der Welle.
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 Darstellung der bruchstückhaften Ansicht der 3, die Flusspfade von Öl durch das Lagergehäuse des in 2 gezeigten Turboladers veranschaulicht.
8 ist ein vergrößertes Detail der 7.
9 ist eine bruchstückhafte Ansicht von zwei Turboladerlagern gemäß der Offenbarung.
10 und 11 sind graphische Darstellungen von dynamischem Rotationsverhalten eines Turboladers gemäß der Offenbarung.
12–15 sind Darstellungen eines Lagergehäusemontagevorgangs gemäß der Offenbarung.
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 bestimmen 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 definiert ist. 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 Hitzeschild 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. 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 Gehäuse 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 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 316 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 berührt die Lagerbohrung 260 entlang vier zylindrischen Lagerflächen, wobei jede davon einen Durchmesser und eine axiale Länge entlang einer Wellenmittellinie C/L hat, die für optimale Lager- und Dämpfungsleistung während des Betriebs ausgelegt und ausgewählt worden sind. Entsprechend hat, beginnend von der Kompressorseite des Außenrings 261 eine erste Lagerfläche B1 einen Außendurchmesser D1 (siehe 9) und sie erstreckt sich entlang einer axialen Länge L1. Eine zweite Lagerfläche B2 hat einen Durchmesser D2 (9) und eine axiale Länge L2. Eine dritte Lagerfläche B3 hat einen Durchmesser D3 (9), und erstreckt sich entlang einer axialen Länge L3. Schließlich hat eine vierte Lagerfläche B4 einen Durchmesser D4 (9) und erstreckt sich entlang einer axialen Länge L4. Die Lagerflächen sind auch in 9 dargestellt.
Jede der vier Lagerflächen B1, B2, B3 und B4 lässt einen dünnen Film oder Squeeze-Film bzw. Quetschfilm in einem Durchmesser bzw. Durchmesserbereich von Öl darin zu, der eine Dicke gleich einer Differenz zwischen dem Innendurchmesser D der Lagerbohrung 260 und den Außendurchmessern D1, D2, D3 und D4 hat. Wie gezeigt, haben die zwei Lagerflächen B1 und B2, die über der Öleinspeisungsgalerie 316 auf der Kompressorseite liegen, den gleichen Quetschfilm- bzw. Squeeze-Film-Durchmesser (SFD), und sie werden bezüglich der axialen Länge (L1 + L2) zusammen betrachtet. In ähnlicher Weise haben die zwei Lagerflächen B3 und B4 auf der Turbinenseite den gleichen SFD und sie werden bezüglich der axialen Länge (L3 + L4) zusammen betrachtet. Wie der Ausdruck hier verwendet wird, wird SFD verwendet, um jene hohlen zylindrischen Bereiche zwischen jeder Lagerfläche und der Lagerbohrung zu bezeichnen, durch welche Öl während des Betriebes läuft. Die Dicke der zylindrischen Bereiche oder Spalte werden als SFD-Spiel bezeichnet, während die Länge von jedem zylindrischen Bereich (die „Höhe” des zylindrischen Bereiches) entlang der Mittellinie der Welle als SFD-Länge bezeichnet wird.
Für die Lagerflächen B1 und B2 auf der Kompressorseite ist ein Verhältnis des SFD-Spiels zum Durchmesser, welches als (Dx – D)/D ausgedrückt werden kann, gleich ungefähr 0,0021, wobei „x” 1 oder 2 ist und D1 oder D2 bezeichnet. Für die gleichen Lagerflächen ist die SFD-Länge gegenüber dem Durchmesser, die als (L1 oder L2)/D ausgedrückt werden kann, gleich ungefähr 0,300. Für die Lagerflächen B3 und B4 auf der Turbinenseite ist ein Verhältnis des SFD-Spiels zum Durchmesser, welches als (Dx – D)/D ausgedrückt werden kann, gleich ungefähr 0,0031, wobei „x” 3 oder 4 ist und D3 oder D4 bezeichnet. Für die gleichen Lagerflächen ist die SFD-Länge gegenüber dem Durchmesser, die als (L3 oder L4)/D ausgedrückt werden kann, gleich ungefähr 0,200. Anders gesagt, in den veranschaulichten Ausführungsbeispielen sind die zylindrischen Bereiche, durch welche Öl während des Betriebs fließt, die dahingehend wirken können, um Wellenschwingungen und andere Erregungen zu dämpfen, auf der Kompressorseite dünner und länger als auf der Turbinenseite, wo sie dicker und kürzer sind, wobei somit andere Dämpfungscharakteristiken vorgesehen werden.
Während des Betriebs wird Öl eingefüllt, welches durch die Durchlässe geliefert wird, und zu einem gewissen Ausmaß setzt es die Öleinspeisungsgalerien 318 unter Druck. Öl von den Öleinspeisungsgalerien 318 wird in die SFDs bzw. Quetschfilmdurchmesser der Lagerflächen B1, B2, B3 und B4 gedrückt oder läuft durch diese hindurch, so dass Öl aus jeder Öleinspeisungsgalerie 318 zum Kompressor auf der einen Seite, zur Turbine auf einer gegenüberliegenden Seite und zur Mitte des Lagergehäuses auf beiden Seiten läuft. Um den Ölfluss durch die inneren Lagerflächen B2 und B3 zu begünstigen, wird das Öl, welches zur Mitte des Lagergehäuses 202 fließt, durch Drainagenuten 324 gesammelt (siehe auch 8), die an einer Außenfläche des Außenrings 261 ausgebildet sind, und die Öl in den Schmierhohlraum 206 leiten.
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 bzw. Hohlkörper 340 auf der Kompressorseite und einen Napf 342 auf der Turbinenseite. Einer der Näpfe bzw. Hohlkörper, in diesem Fall der Napf 342 auf der Turbinenseite, bildet eine Kante und eine Wand, die darin die freie ringförmige Fläche des Napfes 340 auf der Kompressorseite aufnimmt. Zusammen bilden der Napf 340 auf der Kompressorseite und der Napf 342 auf der Turbinenseite 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, wie im vergrößerten Detail der 8 gezeigt. 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 Diagnosedurchgang 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 Kompressorseite 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 die Ringdichtung 406 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 Kompressorseite und dem Napf 342 auf der Turbinenseite. 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.

Ein vereinfachtes Ölflussdiagramm ist in 7 gezeigt, wobei die in 4 gezeigten Strukturen zur Veranschaulichung der Flusspfade verwendet werden. In einem Ausführungsbeispiel ist ein Hauptölfluss 519 am Schmiermitteleinlassanschluss 203 vorgesehen. An einem Punkt A teilen sich der Lieferdruck und der Ölfluss in die Durchlässe 264, um die Öleinspeisungsgalerien 318 zu erreichen. Der Punkt B wird verwendet, um den Öldruck in der Öleinspeisungsgalerie 318 zu beschreiben, die auf der Kompressorseite (linke Seite der Figur) angeordnet ist, und der Punkt C wird verwendet, um den Öldruck in der Öleinspeisungsgalerie 318 zu beschreiben, die auf der Turbinenseite angeordnet ist (rechte Seite der Figur). Öl von den Öleinspeisungsgalerien 318 läuft durch die Lagerflächen, wie zuvor beschrieben, und läuft in den Schmierhohlraum 206 ab. Zum Zweck der Beschreibung wird ein Punkt E im Lager B1 verwendet, und ein Punkt F wird im Lager B4 verwendet. Tabelle 1 unten veranschaulicht Ölflussraten in Gallonen pro Minute (GPM) bei unterschiedlichen Betriebsdrücken (niedrig, mittel und hoch, abhängig von der Motordrehzahl) und Temperaturen (kaltes und warmes Öl), die typische Motorbetriebsbedingungen darstellen.

Tabelle 1 – Ölflussdaten (GPM)
Punkt	Warmes Öl	Warmes Öl	Kaltes Öl
Punkt	Niedriger Druck	Mittlerer Druck	Hoher Druck
A	0,9	1,6	0,040
B	0,2	0,3	0,003
C	0,2	0,3	0,004
D	0,1	0,2	0,001
E	0,8	0,2	0,001

Wie aus der obigen Tabelle zu sehen ist, sorgt der größere Spalt beim Punkt E für mehr Ölfluss zur Turbine, was eine effektivere Kühlung begünstigt. In der obigen Tabelle kann warmes Öl irgendwo in einem normalen Öltemperaturbetriebsbereich für einen Motor sein, wie beispielsweise zwischen 190 und 230 Grad Fahrenheit, und kaltes Öl kann irgendwo in einem Kaltstartmotorbetriebsbereich sein, wie beispielsweise zwischen –30 und 0 Grad Fahrenheit. In ähnlicher Weise kann niedriger Druck zwischen 20 und 40 PSI sein, mittlerer Druck kann zwischen 50 und 75 PSI sein und hoher Druck kann zwischen 90 und 120 PSI sein.
Wie oben besprochen, hilft Öl, welches durch die Lagerflächen B1 und B2 auf der Kompressorseite und die Lagerflächen B3 und B4 auf der Turbinenseite (siehe 9) fließt, Vibrationen und Ungleichgewichte während des Betriebs zu dämpfen. Solche Ungleichgewichte werden vorteilhafterweise durch Auswahl von unterschiedlichen Ölfilmdicken auf beiden Seiten der Welle gesteuert bzw. beherrscht, was die Wellendynamik steuert, um eine Dämpfung der ersten und zweiten Eigenfrequenzen zu haben und zwar durch Bewegen dieser ersten zwei Modi auf den niedrigst möglichen Betriebsbereich des Motors und durch Bewegen andere Eigenfrequenzen über den Betriebsbereich des Motors (dritte Eigenfrequenz, die als erster Wellenbiegungsmodus bekannt ist). Für einen Motor, der bei höheren Drehzahlen und Lasten arbeitet, sind beispielsweise die Eigenschwingungsfrequenzen oder zumindest ihre vorherrschenden Harmonischen so konfiguriert, dass sie über den erwarteten Bereich des Motorbetriebs für die dritte Eigenfrequenz auftreten, während das Ansprechen der ersten und zweiten Eigenfrequenz gedämpft wird, welche so eingestellt worden sind, dass sie bei den niedrigst möglichen Turboladerwellendrehzahlen auftreten. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erzeugt die Differenz zwischen D1 und D2 mit D3 und D4 in den Lagerflächen B1, B2, B3 und B4 die erwünschten Charakteristiken.
Die 10 und 11 zeigen graphische Darstellungen der Schwingungscharakteristiken eines Turboladers gemäß der vorliegenden Offenbarung, der so betrieben wurde, dass Wellenrotationsgeschwindigkeiten sowohl unter Verwendung von warmem Öl, beispielsweise Öl mit einer normalen Betriebstemperatur, als auch mit kaltem Öl durchlaufen wurden. Wie aus der obigen Tabelle zu sehen ist, werden sich die Menge des Öls, die durch die Lagerflächen fließt, und auch seine Viskosität mit der Temperatur verändern, was somit unterschiedliche Dämpfungscharakteristiken gegen Schwingungen ergibt. Die Schwingungscharakteristiken können aus vielen unterschiedlichen Aspekten quantifiziert werden, was eine Wellenverschiebung als Prozentsatz der Verschiebung aufweist, die bezüglich des Lagerdurchmessers bei den Lagerflächen, gemittelt über die vier Lagerflächen, gemessen, beobachtet oder erwartet wird.
Die Ergebnisse eines Wellendrehzahldurchlaufs auf die Wellenverschiebung unter Verwendung von warmem Öl sind in 10 gezeigt, wobei die Wellendrehzahl 516 als ein Prozentsatz der maximalen Drehzahl entlang der horizontalen Achse aufgezeichnet ist, und wobei ein Prozentsatz der Verschiebung 518 (ausgedrückt in Prozent) einer Verschiebungsdistanz bezüglich des Lagerdurchmessers entlang der vertikalen Achse aufgezeichnet ist. Zwei Kurven sind gezeigt, wobei die gestrichelten Linien die Kompressoransprechkurve 520 darstellen, und wobei die durchgezogene Linie eine Turbinenansprechkurve 522 darstellt. Die Kompressoransprechkurve 520 stellt eine Sammlung von Punkten dar, die eine prozentuale Verschiebung 518 von jedem Testpunkt und die entsprechende Wellendrehzahl 516 über einen Bereich von Wellendrehzahlen aufgenommen beim Kompressorrad (beispielsweise Kompressorrad 213, 3) zeigt. In ähnlicher Weise stellt die Turbinenansprechkurve 522 eine Sammlung von Punkten dar, welche die prozentuale Verschiebung 518 von jedem Testpunkt und die entsprechende Wellendrehzahl 516 über einen Bereich von Wellendrehzahlen zeigt, die am Turbinenrad aufgenommen wurden (beispielsweise Turbinenrad 212, 3). Die gleichen Kurven, die gegenüber den gleichen Parametern aufgezeichnet wurden, jedoch für kaltes Öl, sind in 11 gezeigt.
Wie aus den Kurvendarstellungen in 10 und 11 zu sehen ist, kann eine Spitzenlast von etwas über 2% bei der Kompressorraddrehzahl unter 10% der maximalen Drehzahl auftreten, wenn das Schmieröl warm ist, wie durch den Punkt 524 auf der Kurve bezeichnet, und bei ungefähr der gleichen Wellendrehzahl kann eine Last mit einer viel geringeren prozentualen Verschiebung von ungefähr 0,5% bei dem Turbinenrad auftreten, wie durch den Punkt 526 bezeichnet. Wie mittels der Kompressoransprechkurve 520 in 10 zu sehen ist, bleibt die prozentuale Verschiebung über den Bereich der Wellendrehzahlen zwischen 10% und ungefähr 85% der maximalen Drehzahl, was den größten Teil des Betriebsbereichs des Motors ausmacht, konstant bei weniger als 1% für das Kompressorrad. Die Turbinenansprechkurve 522 zeigt noch bessere Lastprofile bei einer relativ konstanten Spitzenverschiebung von weniger als 0,5% über einen Drehzahlbereich zwischen 10% und 100% der maximalen Drehzahl.
Wenn das Schmieröl kalt ist, wie in 11 gezeigt, kann eine Spitzenlast von ungefähr 7% am Turbinenrad bei ungefähr 50% auftreten, wie durch den Punkt 532 auf der Kurve bezeichnet, und bei ungefähr der gleichen Wellendrehzahl kann eine Last mit einer viel geringeren prozentualen Verschiebung von ungefähr 4,4% am Kompressorrad auftreten, wie durch den Punkt 530 bezeichnet. Bei einer Drehzahl von ungefähr 5% sind ähnliche Spitzen, wie jene, die beim Zustand mit warmem Öl zu sehen sind (10), zu sehen, wobei das Kompressorrad eine prozentuale Spitzenverschiebung von ungefähr 3,5% hat, wie durch den Punkt 534 bezeichnet, und wobei das Turbinenrad eine prozentuale Spitzenverschiebung von ungefähr 1% hat, wie durch den Punkt 526 bezeichnet. In beiden Fällen ist die Spitzenverschiebung bei der Drehzahl von 5% mit kaltem Öl ungefähr doppelt so groß wie bei warmem Öl.
Wenn die Wellendrehzahl zunimmt, wobei immer noch kaltes Öl verwendet wird (11), bleibt die prozentuale Verschiebung über einen Bereich von Wellendrehzahlen zwischen 55% und ungefähr 115%, was den größten Teil des Motorbetriebsbereichs ausmacht, konstant bei weniger als 1% für das Turbinenrad. Die Kompressoransprechkurve 520 zeigt noch bessere Lastprofile einer relativ konstanten Spitzenverschiebung von ungefähr 0,5% über einen Bereich zwischen 55% und 115%. Mit diesen Lastprofilen ist die Rotationsdynamik der Welle akzeptabel bis das Öl sich aufwärmt und dann beruhigt sie sich auf eine niedrige Spitzenverschiebung von weniger als 1% über den erwarteten Motorbetriebsbereich. Es sei bemerkt, dass in der Kurvendarstellung der 10 und 11 die Leerlaufmotordrehzahl ungefähr 10% der in der Darstellung gezeigten Bereiche sein kann.
Wenn man einen Turbolader gemäß der Offenbarung montiert, und insbesondere wenn man eine Montage des Lagergehäuses 202 ausführt, können gewisse Prozessschritte unter Verwendung einer Halterung ausgeführt werden, wie in den 12–15 gezeigt. In 12 wird eine Anordnung bzw. Baugruppe des Turbinenrades 212, das an einem Ende der Welle 126 angeschweißt ist, auf einer Halterung 602 in einer vertikalen Position montiert, wobei das Turbinenrad unten ist. Nachdem die erste Ringdichtung 508 und die zweite Ringdichtung 512 (6) auf der Welle installiert sind, wird das Lagergehäuse 202, bei dem das Hitzeschild 254 schon installiert ist, um die Welle 126 eingeführt, bis der Turbinenflansch 256 auf einer zweiten Halterung 604 ruht, wobei somit eine ordnungsgemäße Distanz zwischen dem Turbinenflansch 256 und dem Turbinenrad 212 eingestellt wird, wie in 13 gezeigt.
Verschiedene Komponenten, welche den Außenring 261, den Innenring 263 und die Lager 242 und 243 aufweisen, werden in die Lagerbohrung 260 um die Welle 126 eingeführt, und der Lagerhalter 266 wird montiert, nachdem verschiedene Dichtungen installiert wurden, um das Lagergehäuse 202 zu schließen und eine ordnungsgemäße Konzentrizität zwischen der Welle 126 und der Lagerbohrung 260 einzustellen, wie in 14 gezeigt. Das Kompressorrad 213 wird dann auf dem freien Ende der Welle 126 installiert, wie in 15 gezeigt. In der dargestellten Montageabfolge kann die Unteranordnung des Turbinenrades 212 auf dem Ende der Welle 126 in Drehrichtung ausbalanciert werden, bevor die Montage der Turbine ausgeführt wird, so dass die Welle die Konzentrizität der restlichen danach montierten Komponenten bestimmen kann, einschließlich des Kompressorrades 213, um eine ausbalancierte Anordnung beizubehalten. Als ein optionaler Schritt kann die gesamte Anordnung nach der Montage fein ausbalanciert werden, um Unwuchten bzw. Ungleichgewichte zu verringern, insbesondere jene Ungleichgewichte, die vorhanden sein können, wenn man mit kaltem Öl arbeitet. Eine Feinausbalancierung kann erreicht werden durch Entfernen von Material vom Kompressorrad an der mittigen Nabe und/oder an den Spitzen der Kompressorschaufeln. Um die Menge des zu entfernenden Materials und die Stelle einer solchen Entfernung zu bestimmen, kann die gesamte Anordnung auf einer Rotationsausgleichsmaschine bzw. Auswuchtmaschine angeordnet werden. Es sei weiter bemerkt, dass das Eingreifen der radialen Dichtung in die innere Bohrung des Lagerhalters, was dabei hilft, die Welle konzentrisch in der Bohrung anzuordnen, auch die Materialmenge verringert, die entfernt werden muss, um die Anordnung auszubalancieren, und zwar im Vergleich zu Turboladern, die eine andere Dichtungsanordnung haben als jene, die hier gezeigt wurde.
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 angezeigt wird oder klar durch den Kontext in Abrede gestellt wird.

Claims

Turbolader, der Folgendes aufweist: eine Turbine, die ein Turbinenrad aufweist; einen Kompressor, der ein Kompressorrad aufweist; ein Lagergehäuse, das zwischen der Turbine und dem Kompressor angeordnet ist und damit verbunden ist, wobei das Lagergehäuse eine Lagerbohrung dort hindurch bildet; eine Welle, die drehbar in dem Lagergehäuse angeordnet ist und sich in die Turbine und in den Kompressor erstreckt, wobei das Turbinenrad mit einem Ende der Welle verbunden ist, und wobei das Kompressorrad 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, die zwischen der Welle und dem Lagergehäuse angeordnet ist, wobei die Lageranordnung erste und zweite Lager aufweist, wobei jedes der ersten und zweiten Lager durch eine jeweilige ersten und eine zweite Vielzahl von Wälzelementen gebildet wird, die zwischen einem jeweiligen ersten und zweiten Innenring und einem jeweiligen ersten und zweiten Außenring in Eingriff bzw. angeordnet sind; ein äußeres Lagerringelement, das in der Lagerbohrung angeordnet ist und die jeweiligen ersten und zweiten Außenringe bildet; und ein inneres Lagerringelement, das in dem äußeren Lagerringelement und zwischen dem äußeren Lagerringelement und der Welle angeordnet ist, wobei das innere Lagerringelement die entsprechenden ersten und zweiten 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; wobei das innere Lagerringelement einen erweiterten Teil aufweist, der sich radial nach außen bezüglich der jeweiligen ersten und zweiten Innenringe erstreckt, um Torsions- und Biegesteifigkeit für die Welle vorzusehen.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei der erweiterte Teil einen vergrößerten Innendurchmesser des inneren Lagerringelementes bildet.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei die Welle mit dem Innenring an Endteilen verbunden ist, wobei die Endteile einen ersten Durchmesser haben, wobei die Welle weiter einen schlanken Teil zwischen den Endteilen bildet, wobei der schlanke Teil einen zweiten Durchmesser hat, der geringer ist als der erste Durchmesser.
Turbolader nach Anspruch 3, wobei der vergrößerte Innendurchmesser des inneren Lagerringelementes in axialer Richtung mit dem schlanken Teil der Welle überlappt.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei das innere Lagerringelement durch zwei Komponenten, einen Napf- bzw. Hohlkörper der Kompressorseite und einen Hohlkörper der Turbinenseite, geformt wird.
Turbolader nach Anspruch 5, wobei einer der Hohlkörper der Turbinenseite und der Kompressorseite eine Kante und eine Wand bildet, die darin eine freie ringförmige Stirnseite des anderen Hohlkörpers aufnimmt.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei der erweiterte Teil durch zwei Übergangsteile flankiert wird, welche einen Innendurchmesser des erweiterten Teils so verringern, dass er zu einem Außendurchmesser der Welle passt.
Turbolader nach Anspruch 7, wobei jeder der zwei Übergangsteile ein glattes oder mit Fase versehenes Profil hat.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei das innere Lagerringelement mit der Welle an zwei Seiten benachbart zu jedem der jeweiligen ersten und zweiten Innenringe in Eingriff ist, so dass ein geschlossener Hohlraum zwischen einer Innenfläche des erweiterten Teils und einer Außenfläche der Welle geformt wird, wobei der geschlossene Hohlraum im Allgemeinen gegen den Eintritt von Schmieröl darin angeordnet bzw. geschützt ist.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei das innere Lagerringelement, das äußere Lagerringelement und die jeweiligen ersten und zweiten Vielzahlen von Wälzelementen zusammen als eine Anordnung bzw. Baugruppe in die Lagerbohrung des Lagergehäuses um die Welle von einem Ende einsetzbar sind und darin durch einen Lagerhalter gehalten werden, der mit dem Lagergehäuse verbunden ist.
Verfahren zum drehbaren Lagern einer Welle in einem Lagergehäuse eines Turboladers, welches Folgendes aufweist: Formen eines ersten Wälzlagers, in dem eine erste Vielzahl von Wälzelementen mit einem ersten Innenring, der in einem inneren Ringelement ausgebildet ist, und einem ersten Außenring, der in einem äußeren Lagerringelement ausgebildet ist, in Eingriff gebracht wird bzw. zwischen diesen angeordnet wird; Formen eines zweiten Wälzlagers, in dem eine zweite Vielzahl von Wälzelementen mit einem zweiten Innenring, der in dem inneren Ringelement ausgeformt ist, und einem zweiten Außenring, der in dem äußeren Ringelement ausgeformt ist, in Eingriff gebracht bzw. zwischen diesen angeordnet wird; Anordnen des äußeren Lagerringelementes zwischen einer Lagerbohrung, die in dem Lagergehäuse ausgeformt ist, und der Welle, die sich durch die Lagerbohrung erstreckt; wobei das innere Lagerringelement mit der Welle an zwei Endteilen in Eingriff steht und einen erweiterten Teil zwischen den zwei Endteilen aufweist, so dass der erweiterte Teil sich radial bezüglich der Endteile nach außen erstreckt, um Torsions- und Biegesteifigkeit für die Welle vorzusehen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der erweiterte Teil hohl ist und einen vergrößerten Innendurchmesser des inneren Lagerringelementes bildet.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das In-Eingriff-Bringen der Welle an den zwei Endteilen aufweist, die Welle mit dem Innenring an den zwei Endteilen zu verbinden, wobei jeder der zwei Endteile einen ersten Durchmesser hat, wobei die Welle einen schlanken Teil zwischen den zwei Endteilen bildet, und wobei der schlanke Teil einen zweiten Durchmesser hat, der geringer ist als der erste Durchmesser.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der vergrößerte Innendurchmesser des inneren Lagerringelementes in axialer Richtung mit dem schlanken Teil der Welle überlappt.
Verfahren nach Anspruch 11, welches weiter aufweist, das innere Lagerringelement unter Verwendung eines Napfes bzw. Hohlkörpers einer Kompressorseite und eines Hohlkörpers einer Turbinenseite zu montieren, wobei einer der Hohlkörper der Turbinenseite und der Kompressorseite eine Kante und eine Wand bildet, die darin eine freie ringförmige Stirnseite des anderen Hohlkörpers aufnimmt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der erweiterte Teil von zwei Übergangsteilen flankiert wird, die einen Innendurchmesser des erweiterten Teils so verringern, dass er zu einem Außendurchmesser der Welle passt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei jeder der zwei Übergangsteile ein glattes oder mit Fase versehenes Profil hat.
Verfahren nach Anspruch 11, welches weiter aufweist, einen geschlossenen Hohlraum zwischen einer Innenfläche des erweiterten Teils und einer Außenfläche der Welle zu formen, wobei der geschlossene Hohlraum im Allgemeinen gegen den Eintritt von Schmieröl darin angeordnet bzw. geschützt ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das innere Lagerringelement, das äußere Lagerringelement und die jeweiligen ersten und zweiten Vielzahlen der Wälzelemente zusammen als eine Anordnung bzw. Baugruppe in die Lagerbohrung des Lagergehäuses um die Welle von einem Ende eingeführt werden können, und wobei sie darin durch einen Lagerhalter gehalten werden, der mit dem Lagergehäuse verbunden ist.
Verbrennungsmotor mit eine Vielzahl von Brennkammern, die in einem Zylinderblock ausgeformt sind, mit einer Einlasssammelleitung, die angeordnet ist, um Luft oder eine Mischung von Luft mit Abgas zu den Brennkammern zu liefern, und mit einer Auslasssammelleitung, die so angeordnet ist, dass sie Abgas von den Brennkammern aufnimmt, wobei der Motor weiter Folgendes aufweist: eine Turbine, die ein Turbinengehäuse aufweist, welches ein Turbinenrad umgibt; wobei das Turbinengehäuse strömungsmittelmäßig mit der Auslasssammelleitung verbunden ist und so angeordnet ist, dass es Abgas davon aufnimmt, um das Turbinenrad anzutreiben; einen Kompressor, der ein Kompressorgehäuse aufweist, das ein Kompressorrad umgibt, wobei das Kompressorgehäuse strömungsmittelmäßig mit der Einlasssammelleitung verbunden ist und angeordnet ist, um Luft dorthin zu liefern; ein Lagergehäuse, welches zwischen der Turbine und dem Kompressor angeordnet ist und damit verbunden ist, wobei das Lagergehäuse eine Lagerbohrung dort hindurch bildet, welche eine Welle aufnimmt, die das Turbinenrad und das Kompressorrad verbindet, um Leistung dazwischen zu übertragen; wobei die Welle drehbar in dem Lagergehäuse montiert ist und sich in die Turbine und in den Kompressor erstreckt, so dass das Turbinenrad mit einem Ende der Welle verbunden ist, und das Kompressorrad mit einem gegenüberliegenden Ende der Welle verbunden ist; eine Lageranordnung, die zwischen der Welle und dem Lagergehäuse angeordnet ist, wobei die Lageranordnung erste und zweite Lager aufweist, wobei jedes der ersten und zweiten Lager durch eine jeweilige erste und eine zweite Vielzahl von Wälzelementen gebildet wird, die zwischen einem jeweiligen ersten und zweiten Innenring und einem jeweiligen ersten und zweiten Außenring in Eingriff bzw. angeordnet sind; ein äußeres Lagerringelement, welches in der Lagerbohrung angeordnet ist und die jeweiligen ersten und zweiten Außenringe formt, und ein inneres Lagerringelement, welches in dem äußeren Lagerringelement und zwischen dem äußeren Lagerringelement und der Welle angeordnet ist, wobei das innere Lagerringelement die jeweiligen ersten und zweiten Innenringe formt, 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; wobei das innere Lagerringelement einen erweiterten Teil aufweist, der sich radial bezüglich der jeweiligen ersten und zweiten Innenringe nach außen erstreckt, um Torsions- und Biegesteifigkeit für die Welle vorzusehen; wobei die Welle mit dem Innenring an Endteilen verbunden ist, wobei die Endteile einen ersten Durchmesser haben, wobei die Welle weiter einen schlanken Teil zwischen den Endteilen bildet, wobei der schlanke Teil einen zweiten Durchmesser hat, der geringer ist als der erste Durchmesser; und wobei der vergrößerte Innendurchmesser des inneren Lagerringelementes in axialer Richtung mit dem schlanken Teil der Welle überlappt.