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GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Verbrennungsmotor mit Turbolader und insbesondere eine verbesserte Drucklagerkonstruktion für eine verbesserte Schmierung.
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HINTERGRUND
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Dieser Abschnitt liefert auf die vorliegende Offenbarung bezogene Hintergrundinformation, die nicht notwendigerweise Stand der Technik darstellt.
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Verbrennungsmotoren werden verwendet, um beträchtliche Niveaus an Leistung für längere Zeiträume auf einer zuverlässigen Basis zu erzeugen. Viele solche Motorbaugruppen verwenden eine turbokomprimierende Einrichtung, wie beispielsweise einen durch eine Abgasturbine angetriebenen Turbolader, um die Luftströmung zu komprimieren, bevor diese in den Einlasskrümmer des Motors eintritt, um die Leistung und die Effizienz zu erhöhen.
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Speziell verwendet ein Turbolader einen Zentrifugalgaskompressor, der mehr Luft und folglich mehr Sauerstoff in die Verbrennungskammern des Motors drängt, als ansonsten mit dem Atmosphärendruck aus der Umgebung erreichbar ist. Die zusätzliche Masse an Sauerstoff enthaltender Luft, die in den Motor gedrängt wird, verbessert die volumetrische Effizienz des Motors und ermöglicht, dass dieser mehr Kraftstoff in einem gegebenen Zyklus verbrennt und dass dadurch mehr Leistung erzeugt wird.
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Ein typischer Turbolader verwendet eine zentrale Welle, die durch ein oder mehrere Lager getragen ist und eine Drehbewegung zwischen einem durch Abgas angetriebenen Turbinenrad und einem Luftkompressorrad überträgt. Sowohl das Turbinenrad als auch das Kompressorrad sind an der Welle befestigt, was in Kombination mit verschiedenen Lagerkomponenten die drehende Baugruppe des Turboladers darstellt. Es ist wichtig, eine Schmierung des Turbolader-Drucklagers aufrecht zu erhalten. Testergebnisse zeigen, dass eine geringe Schmierungsströmung stromaufwärts des Auslasses und eine hohe Strömung an diesem aufgrund der großen Zentrifugalkraft bei hoher Drehzahl einen Nebelschmierungszustand in dem Drucklagerhohlraum erzeugen. Der Nebelschmierungszustand in dem Lagerhohlraum kann bei gegenwärtigen Druckplattenkonstruktionen die Lagerkissen aushungern und die Belastbarkeit des Drucklagers verringern.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Dieser Abschnitt liefert eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und stellt keine umfassende Offenbarung ihres vollständigen Umfangs oder aller ihrer Merkmale dar.
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Es ist ein Turbolader vorgesehen, und er weist ein Turbinenrad sowie ein Kompressorrad auf, die durch eine Welle aneinander befestigt sind. Eine Druckplatte weist einen Plattenkörper auf, der eine Öffnung durch diesen hindurch aufweist und mehrere umlaufend beabstandete Kissenbereiche definiert, die einen Stegbereich definieren, der rechtwinklig zu einer Drehachse der Welle verläuft. Die Kissenbereiche definieren ferner mehrere Bereiche mit zweistufiger Steigung, die an jeden der Stegbereiche angrenzen. Die Bereiche mit zweistufiger Steigung umfassen einen Abschnitt mit großer Steigung und einen Abschnitt mit geringer Steigung, der zwischen dem Abschnitt mit großer Steigung und den Stegbereichen angeordnet ist. Die Drehbaugruppe des Turboladers weist eine Druckfläche auf, die mit den Stegbereichen in Eingriff steht. Die Bereiche mit zweistufiger Steigung sorgen durch die Kombination der besseren Verfügbarkeit von Schmieröl, die durch den Bereich mit großer Steigung bedingt ist, und eines optimierten tribologischen Leistungsverhaltens, das durch den Bereich mit geringer Steigung bedingt ist, für eine verbesserte Belastbarkeit.
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Weitere Anwendungsgebiete werden anhand der hierin vorgesehenen Beschreibung offensichtlich werden. Die Beschreibung und die speziellen Beispiele in dieser Zusammenfassung sind nur zu Darstellungszwecken gedacht und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
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ZEICHNUNGEN
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Zwecken der Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglicher Implementierungen, und sie sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.
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1 ist eine schematische Darstellung einer Motorbaugruppe gemäß der vorliegenden Offenbarung;
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2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung des Turboladers, der in 1 gezeigt ist;
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3 ist eine Draufsicht der Druckkissenbereiche der verbesserten Druckplatte gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung; und
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4a–4c sind Querschnittsansichten entlang der Linie 4-4 von 3 der Kissenbereiche, die alternative Konstruktionen mit zweistufiger Steigung aufweisen.
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Entsprechende Bezugszeichen geben überall in den verschiedenen Zeichnungsansichten entsprechende Teile an.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Beispielhafte Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen vollständiger beschrieben.
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Beispielhafte Ausführungsformen sind vorgesehen, sodass diese Offenbarung sorgfältig sein wird und Fachleuten den Umfang vollständig übermitteln wird. Es werden zahlreiche spezielle Details dargelegt, wie etwa Beispiele spezieller Komponenten, Einrichtungen und Verfahren, um für ein genaues Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu sorgen. Fachleute werden einsehen, dass spezielle Details nicht verwendet werden müssen, dass die beispielhaften Ausführungsformen in vielen unterschiedlichen Formen verkörpert werden können und dass keine von diesen derart ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. Bei einigen beispielhaften Ausführungsformen werden wohlbekannte Prozesse, wohlbekannte Einrichtungsstrukturen und wohlbekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
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Die hierein verwendete Terminologie dient lediglich zu dem Zweck, spezielle beispielhafte Ausführungsformen zu beschreiben, und soll nicht einschränkend sein. Wie hierin verwendet, können die Einzahlformen ”ein”, ”eine” sowie ”der”, ”die” und ”das” ebenso die Mehrzahlformen umfassen, wenn der Zusammenhang nicht klar etwas anderes angibt. Die Ausdrücke ”umfassen”, ”umfassend”, ”aufweisen” und ”aufweisend” sind einschließend und spezifizieren daher das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Komponenten, sie schließen jedoch nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen eines Merkmals oder mehrerer Merkmale, einer Zahl oder mehrerer Zahlen, eines Schritts oder mehrerer Schritte, eines Vorgangs oder mehrerer Vorgänge, eines Elements oder mehrerer Elemente, einer Komponente oder mehrerer Komponenten und/oder Gruppen von diesen aus. Die Verfahren, Schritte, Prozesse und Vorgänge, die hierin beschrieben sind, sollen nicht derart interpretiert werden, dass notwendigerweise deren Ausführung in der speziellen Reihenfolge erforderlich ist, die diskutiert wird oder angegeben ist, wenn nicht eine spezielle Reihenfolge der Ausführung beschrieben ist. Es versteht sich ebenso, dass zusätzliche oder alternative Schritte verwendet werden können.
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Wenn ein Element oder eine Lage als ”auf”, ”in Eingriff mit”, ”verbunden mit” oder ”gekoppelt mit” einem anderen Element oder einer anderen Lage bezeichnet wird, kann sich dieses bzw. diese direkt auf dem anderen Element oder der anderen Lage befinden, mit dem anderen Element oder der anderen Lage in Eingriff stehen, verbunden oder gekoppelt sein, oder es können dazwischen liegende Elemente oder Lagen vorhanden sein. Wenn ein Element im Gegensatz dazu als ”direkt auf”, ”direkt in Eingriff mit”, ”direkt verbunden mit” oder ”direkt gekoppelt mit” einem anderen Element oder einer anderen Lage bezeichnet wird, dürfen keine dazwischen liegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Formulierungen, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten auf eine ähnliche Weise interpretiert werden (z. B. ”zwischen” gegenüber ”direkt zwischen”, ”benachbart” gegenüber ”direkt benachbart”, usw.). Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck ”und/oder” eine beliebige oder alle Kombinationen eines oder mehrerer der dazugehörigen aufgelisteten Gegenstände.
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Eine Motorbaugruppe 10 ist in 1 dargestellt und kann eine Motorstruktur 12 umfassen, die mehrere Zylinder 14 sowie Einlass- und Auslassöffnungen 16, 18 in Verbindung mit den Zylindern 14 definiert. Ein Einlasskrümmer 20 steht mit den Einlassöffnungen in Verbindung, und ein Auslasskrümmer 22 steht mit den Auslassöffnungen 18 in Verbindung. Ein Drosselventil 24 und ein Turbolader 26 sind in einem Einlassdurchgang vorgesehen, der mit dem Einlasskrümmer 20 verbunden ist, und der Turbolader 26 steht ebenso mit einem Auslassdurchgang in Verbindung, der mit dem Auslasskrümmer 22 verbunden ist. Die Motorbaugruppe 10 ist der Einfachheit halber als eine Vierzylinder-Reihenanordnung dargestellt. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegenden Lehren für eine beliebige Anzahl von Kolben-Zylinderanordnungen und eine Vielzahl von Hubkolben-Motorkonfigurationen gelten, die V-Motoren, Reihenmotoren und Boxermotoren sowie sowohl Konfigurationen mit obenliegenden Nocken als auch mit Nocken im Block umfassen, ohne auf diese beschränkt zu sein.
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Wie in 2 gezeigt ist, weist der Turbolader 26 eine Welle 28 mit einem ersten Ende 30 und einem zweiten Ende 32 auf. Ein Turbinenrad 36 ist an der Welle 28 in der Nähe des ersten Endes 30 angebracht und ausgebildet, um durch Verbrennungsabgase gedreht zu werden, die von den Zylindern 14 ausgestoßen werden. Das Turbinenrad 36 ist typischerweise aus einem temperatur- und oxidationsbeständigen Material gebildet, wie beispielsweise aus einer Nickel-Chrom-basierten ”Inconel”-Superlegierung, um Temperaturen der Verbrennungsabgase zuverlässig standzuhalten, die bei einigen Motoren 2000 Grad Fahrenheit (1093,3°C) erreichen können. Das Turbinenrad 36 ist im Innern eines Turbinengehäuses 38 angeordnet, das eine Schnecke oder Spirale 40 aufweist. Die Spirale 40 nimmt die Verbrennungsabgase auf und leitet die Abgase zu dem Turbinenrad 36.
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Wie ferner in 2 gezeigt ist, weist der Turbolader 26 auch ein Kompressorrad 42 auf, das benachbart zu dem zweiten Ende 32 an der Welle 28 angebracht ist. Das Kompressorrad 42 ist ausgebildet, um die Luftströmung, die aus der Umgebung aufgenommen wird, für eine letztliche Zuführung zu den Zylindern 14 unter Druck zu setzen. Das Kompressorrad 42 ist im Inneren einer Kompressorabdeckung 44 angeordnet, die eine Schnecke oder Spirale 46 aufweist. Die Spirale 46 nimmt die Luftströmung auf und leitet die Luftströmung zu dem Kompressorrad 42. Dementsprechend wird die Welle 28 durch die Nachverbrennungsabgase, welche das Turbinenrad 36 antreiben, in Drehung versetzt, und die Drehung wird wiederum auf das Kompressorrad 42 übertragen.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 2 wird die Welle 28 zur Drehung mittels eines Achslagers 48 getragen. Das Achslager 48 ist in einer Bohrung 50 eines Lagergehäuses 52 angebracht und wird durch eine Zufuhr von unter Druck stehendem Motoröl geschmiert und gekühlt. Das Lagergehäuse 52 weist eine Druckwand 54 auf. Das Achslager 48 ist ausgebildet, um eine radiale Bewegung und Schwingungen der Welle 28 zu steuern.
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Wie in 2 gezeigt ist, weist der Turbolader 26 auch eine Drucklagerbaugruppe 56 auf. Die Drucklagerbaugruppe 56 umfasst einen Druckkragen 60 und eine Druckscheibe 62. Der Turbolader 26 weist auch eine Druckplatte 64 auf, die durch eine Druckhalterung 66 gegen die Lagerwand 54 in Position gehalten wird.
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Die Drucklagerbaugruppe 56 wirkt einer Netto-Druckkraft entgegen, die sich in dem Turbolader 26 entwickelt, wenn eine solche Kraft in Richtung des Kompressorrades 42 wirkt. Wie gezeigt ist, ist die Drucklagerbaugruppe 56 zwischen dem Achslager 48 und dem Kompressorrad 42 auf der Welle 28 positioniert. Die Lagerbaugruppe 56 wird durch die Zufuhr von unter Druck stehendem Motoröl, das mittels einer Pumpe (nicht gezeigt) zugeführt wird, geschmiert und gekühlt. Während des Betriebs des Turboladers 26, d. h., wenn das Turbinenrad 36 durch die Verbrennungsabgase angetrieben wird, überträgt die Druckscheibe 62 Druckkräfte, die durch das Turbinenrad entwickelt werden, auf die Druckplatte 64. Obgleich die Druckscheibe 62 gezeigt ist, versteht es sich, dass alternative Druckflächen auf andere Weise an der Welle 28 gebildet werden können, wie beispielsweise eine einstückig geformte oder separat geformte Schulter.
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Unter Bezugnahme auf 3 ist die Druckplatte 64 derart gezeigt, dass sie eine Öffnung 70, die sich zum Aufnehmen der Welle 28 durch diese erstreckt, und mehrere umlaufend beabstandete Kissenbereiche 71 aufweist, die mit der Druckscheibe oder einer anderen Druckfläche an der Welle 28 in Eingriff stehen. Die Kissenbereiche 71 umfassen jeweils einen Stegbereich 72, der im Wesentlichen rechtwinklig zu der Drehachse der Welle 28 verläuft. Mehrere Bereiche 74 mit zweistufiger Steigung grenzen an jeden der Stegbereiche 72. Die Bereiche 74 mit zweistufiger Steigung umfassen einen Abschnitt 74A mit großer Steigung und einen Abschnitt 74B mit geringer Steigung, der zwischen dem Abschnitt 74A mit großer Steigung und dem Stegbereich 72 angeordnet ist. 4a zeigt eine Querschnittsansicht eines Kissenbereichs 71 und eines Bereichs mit zweistufiger Steigung einer Druckplatte gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung. In 4a sind der Bereich 74A mit großer Steigung und der Bereich 74B mit geringer Steigung als zwei im Wesentlichen ebene Flächen gezeigt, wobei der Bereich mit großer Steigung unter einem Vergleichsweise größeren Winkel α1 bezogen auf den Stegbereich 72 als der Winkel α2 des Bereichs 74B mit geringer Steigung vorgesehen ist. Wie in 4a gezeigt ist, kann der Übergang 76 zwischen dem Bereich 74A mit großer Steigung und dem Bereich 74B mit geringer Steigung abgewinkelt sein, oder alternativ, wie in 4b gezeigt ist, kann der Übergang 76' bogenförmig oder gekrümmt sein. Als eine weitere Alternative, wie sie in 4c gezeigt ist, können der Bereich 74A' mit großer Steigung und/oder der Bereich 74B' mit geringer Steigung eine konvexe bogenförmige Fläche sein, wobei eine Tangente an den bogenförmigen Bereich 74A' mit großer Steigung unter einem vergleichsweise größeren Winkel α1' bezogen auf den Kissenbereich als ein Winkel α2' einer Tangente an den bogenförmigen Bereich 74B' mit geringer Steigung verläuft.
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Die Stegbereiche 72 und die Bereiche 74 mit zweistufiger Steigung sind derart konstruiert, dass der Bereich 74A mit großer Steigung eine größere Fläche zum Aufnehmen von mehr Schmieröl aus dem Hohlraum bereitstellt, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn sich der Hohlraum in einen Nebelschmierungszustand befindet. Gleichzeitig wird die Belastbarkeit des Lagers durch den Bereich 74B mit geringer Steigung weiterhin optimiert. Die Belastbarkeit wird durch die Kombination einer besseren Verfügbarkeit von Schmieröl, die durch den Bereich 74A mit großer Steigung bedingt ist, und eines optimierten tribologischen Leistungsverhaltens, das durch den Bereich 74B mit geringer Steigung bedingt ist, signifikant verbessert.
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Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen ist zu Zwecken der Veranschaulichung und Darstellung vorgesehen. Sie soll nicht abschließend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer speziellen Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese spezielle Ausführungsform beschränkt, sondern sie sind, wo dies anwendbar ist, austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, sogar dann, wenn dies nicht speziell gezeigt oder beschrieben ist. Selbige können auch auf viele Weisen variiert werden. Solche Veränderungen sollen nicht als ein Abweichen von der Offenbarung angesehen werden, und alle solche Modifikationen sollen innerhalb des Umfangs der Offenbarung umfasst sein.
