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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Abgasturbolader.
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Generell ist es bekannt, zur Abdichtung von Abgasturboladern an der Wellendurchführung zwischen Lagergehäuse und Turbine sowie zwischen Lagergehäuse und Verdichter berührungslose Dichtsysteme zwischen rotierender Welle und feststehendem Gehäuse einzusetzen. Auf diese Weise soll verhindert werden, dass Öl, welches als Schmieröl zur Lagerung der Welle am Lagergehäuse dient, aus dem Lagergehäuse in Richtung Turbine oder Verdichtung gelangen kann. Insbesondere das Eindringen von Öl in die Turbine, von welcher aus es in eine Abgasreinigungsanlage des Kraftfahrzeugs weiter transportiert werden könnte, muss aufgrund gesetzlicher Bestimmungen unbedingt vermieden werden. Die Abdichtung am Lagergehäuse in Richtung des Turbinengehäuses bzw. des Verdichtergehäuses sollte dabei bevorzugt derart ausgeführt werden, dass sie einerseits für sehr hohe Umfangsgeschwindigkeiten geeignet ist und andererseits beidseitig wirkt. Eine beidseitige Wirkung bedeutet in diesem Fall, dass Schmieröl daran gehindert wird, aus dem Lagergehäuse in Richtung Verdichter bzw. Turbine zu gelangen und andererseits keine Luft von außen in das Lagergehäuse strömen kann. Aufgrund der hohen Relativgeschwindigkeit zwischen rotierender Welle und feststehendem Gehäuse sind deshalb bei Abgasturboladern ausschließlich berührungslose Dichtsysteme einsetzbar.
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Vor diesem Hintergrund offenbart die
EP 1 179 655 A2 einen Abgasturbolader mit einer Welle, welche mittels einer Lagereinrichtung drehbar an einem Lagergehäuse des Abgasturboladers gelagert wird. Zwischen der Welle und dem Lagergehäuse ist ein Zwischenraum ausgebildet, welcher zur Aufnahme von Schmieröl aus der Lagereinrichtung dient. Auf diese Weise sollen Eindringen des Öls in die Turbine des Abgasturboladers weitgehend oder sogar vollständig ausgeschlossen werden.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Abgasturbolader der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform zu schaffen, welche sich insbesondere durch eine verbesserte Abdichtung zwischen Lagergehäuse einerseits und Turbinengehäuse bzw. Verdichtergehäuse auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Grundgedanke der Erfindung ist demnach, die Außenumfangsseite der Welle des Abgasturboladers in demjenigen axialen Abschnitt, welcher einen Zwischenraum zwischen Welle und Lagergehäuse begrenzt, derart auszubilden, dass sie sich entlang der axialen Richtung der Welle verjüngt. Die axiale Richtung ist dabei durch die Drehachse der Welle definiert.
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Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass mittels einer solchen Geometrie der Außenumfangsseite die Leckage des Schmieröls aus besagten Zwischenraum in eine Durchführung zwischen dem Lagergehäuse und dem Turbinengehäuse und/oder Verdichtergehäuse des Abgasturboladers und über diese Durchführung(en) in die Turbine bzw. in den Verdichter hinein gegenüber herkömmlichen Abgasturbolader signifikant reduziert oder sogar vollständig ausgeschlossen werden kann. Ursächlich hierfür ist insbesondere die sich gegenüber Abgasturboladern mit herkömmlicher Geometrie ergebende, vergrößerte Fliehkraft-Wirkung auf das Schmieröl im Zwischenraum zwischen der Welle und dem Lagergehäuse aufgrund der sich axial verjüngenden Außenumfangsseite der Welle.
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Ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader umfasst eine Welle, an welcher drehfest ein Verdichterrad und ein Turbinenrad angebracht sind. Weiterhin umfasst der Abgasturbolader ein Lagergehäuse, an welchem die Welle mittels einer Lagereinrichtung drehverstellbar gelagert ist. Eine solche Lagereinrichtung kann insbesondere ein oder zwei als Radiallager ausgebildete Lagerelement umfassen. Durch die Drehachse der Welle wird eine axiale Richtung definiert. Zwischen dem Lagergehäuse und der Welle ist erfindungsgemäß ein Zwischenraum ausgebildet, welcher in einem Längsschnitt des Abgasturboladers entlang der Drehachse der Welle radial innen von einer Außenumfangsseite der Welle begrenzt ist. Radial außen ist besagter Zwischenraum durch das Lagergehäuse begrenzt. Erfindungsgemäß verjüngt sich die Außenumfangsseite in dem Längsschnitt entlang der Drehachse entlang der axialen Richtung.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Zwischenraum axial zwischen der Lagereinrichtung und dem Turbinenrad angeordnet. Bei dieser Variante verjüngt sich die Außenumfangsseite entlang der axialen Richtung zum Turbinenrad hin. Auf diese Weise kann die Leckage von Öl vom Zwischenraum in die Turbine signifikant reduziert oder sogar vollständig ausgeschlossen werden.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Zwischenraum axial zwischen der Lagereinrichtung und dem Verdichterrad angeordnet. Bei dieser Variante verjüngt sich die Außenumfangsseite entlang der axialen Richtung zum Verdichterrad hin. Auf diese Weise kann die Leckage von Öl vom Zwischenraum in den Verdichter signifikant reduziert oder sogar vollständig ausgeschlossen werden.
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Besonders bevorzugt ist auf der Außenumfangsseite eine nutartige Vertiefung ausgebildet, welche Teil des Zwischenraums ist. Besagte nutartige Vertiefung verjüngt sich in dem Längsschnitt entlang der Drehachse zum Turbinenrad oder, alternativ dazu, zum Verdichterrad hin, je nachdem, ob eine Leckage in die Turbine hinein oder in den Verdichter hinein verhindert werden soll.
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Ein besonders wirksamer Schutz gegen unerwünschte Leckage von Schmieröl aus der Lagereinrichtung in die Turbine bzw. in den Verdichter hinein lässt sich erzielen, wenn besagte Außenumfangsseite der im Bereich des Zwischenraums zwischen Welle und Lagergehäuse in dem Längsschnitt entlang der axialen Richtung mit der Drehachse einen spitzen Winkel von mindestens 30°, vorzugsweise von mindestens 40°, höchst vorzugsweise von mindestens 45°, ausbildet.
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Ein besonders wirksamer Schutz gegen unerwünschte Leckage von Schmieröl aus der Lagereinrichtung in die Turbine bzw. in den Verdichter hinein lässt sich ferner erzielen, wenn sich die Außenumfangsseite entlang der axialen Richtung konisch verjüngt.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Abgasturbolader eine (erste) Dichteinrichtung zum Abdichten einer (ersten) Durchführung für die Welle zwischen dem Lagergehäuse und einem Turbinengehäuse, in welchem das Turbinenrad des Abgasturboladers angeordnet ist. Bei dieser Variante weist die (erste) Dichteinrichtung eine drehfest mit der Welle verbundene Schraubengangstruktur auf. Auf diese Weise kann der Eintritt von Leckage-Öl in die Turbine bzw. in den Verdichter wirksam unterbunden werden. Die Verwendung einer Schraubengangstruktur mit ihrer Öl in den Zwischenraum zurück fördernden Wirkung stellt dies auch bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten der Welle sicher. Auf diese Weise kann die (erste) Dichteinrichtung über das gesamte Drehzahl-Spektrum des Abgasturboladers eine gute Dichtwirkung entfalten.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die mit der voranstehend erläuterten Ausführungsform kombiniert werden kann, umfasst der Abgasturbolader eine zweite Dichteinrichtung zum Abdichten einer zweiten Durchführung für die Welle zwischen dem Lagergehäuse und einem Verdichtergehäuse, in welchem das Verdichterrad angeordnet ist. Bei dieser Variante weist die Dichteinrichtung eine drehfest mit der Welle verbundene zweite Schraubengangstruktur auf. Auf diese Weise kann der Eintritt von Leckage-Öl in den Verdichter wirksam unterbunden werden. Die Verwendung einer Schraubengangstruktur mit ihrer Öl in den Zwischenraum zurück fördernden Wirkung stellt dies auch bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten der Welle sicher. Auf diese Weise kann auch die (zweite) Dichteinrichtung über das gesamte Drehzahl-Spektrum des Abgasturboladers eine gute Dichtwirkung entfalten.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann die erste und/oder zweite Schraubengangstruktur linksdrehend oder rechtsdrehend ausgebildet sein. Die Festlegung des Drehsinns erfolgt bei dieser Variante derart, dass bei einer Drehbewegung der Welle im Betrieb des Abgasturboladers in die erste bzw. zweite Durchführung eindringendes Leckage-Öl wieder in den Zwischenraum zurück gefördert wird. Auf diese Weise kann der Eintritt von Leckage-Öl in die Turbine bzw. in den Verdichter besonders wirksam unterbunden werden.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Schraubengangstruktur derart ausgebildet, dass sie bei einer Drehbewegung der Welle im Betrieb des Abgasturboladers eine Rückförderung von Blowby-Gas/Luft in das Turbinengehäuse bzw. das Verdichtergehäuse bewirkt.
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Besonders zweckmäßig kann die Schraubengangstruktur im Längsschnitt entlang der Drehachse rechteckförmige, trapezförmige, runde oder ausgerundete Nuten aufweisen. Eine derartige Geometrie der Schraubengangstruktur weist eine besonders hohe Verschleißbeständigkeit auf und führt somit zu einer besonders hohen Lebensdauer der jeweiligen Dichteinrichtung.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einem voranstehend vorgestellten Abgasturbolader. Die voranstehend erläuterten Vorteile des Abgasturboladers übertragen sich daher auch auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
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1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Abgasturbolader in einem Längsschnitt,
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2 eine Detaildarstellung des Abgasturbolader der 1 im Bereich des Lagergehäuses.
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1 illustriert ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 in einem Längsschnitt. Der Abgasturbolader 1 umfasst ein Lagergehäuse 10, ein Turbinengehäuse 11 und ein Verdichtergehäuse 12. Weiterhin umfasst der Abgasturbolader 1 eine Welle 2, an welcher drehfest ein Verdichterrad 3 und ein Turbinenrad 4 angeordnet sind. Die Welle 2 ist mittels einer Lagereinrichtung 5 drehverstellbar am Lagergehäuse 10 gelagert. Hierzu kann die Lagereinrichtung 5 in 1 nicht näher dargestellte Lagerelemente 6 in Form von Radiallagern aufweisen. Durch eine Drehachse D der Welle 2, welche im Beispiel der Figur identisch mit deren Mittellängsachse ist, wird eine axiale Richtung A definiert.
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Die 2 zeigt eine Detaildarstellung des Abgasturboladers 1 der 1 im Bereich des Lagergehäuses 10. Wie die 1 und 2 erkennen lassen, ist zwischen dem Lagergehäuse 10 und der Welle 2 ein Zwischenraum 7 ausgebildet. Der Zwischenraum 7 dient zur Aufnahme von Schmieröl aus der Lagereinrichtung von Beziehung sollte den Lageelementen 6 (vgl. 1). Solches Schmieröl ist in 1 schematisch durch einen mit dem Bezugszeichen 16 bezeichneten Pfeil wiedergegeben.
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Besagter Zwischenraum 7 wird in dem in den 1 und 2 dargestellten Längsschnitt des Abgasturboladers 1 entlang der Drehachse D radial innen von einer Außenumfangsseite 8 der Welle 2 begrenzt. Wie die 2 erkennen lässt, verjüngt sich die Außenumfangsseite 8 im Bereich des Zwischenraums 7 entlang der axialen Richtung A. Im Beispielszenario der Figuren ist der Zwischenraum 7 bezüglich der axialen Richtung A zwischen der Lagereinrichtung 5 und dem Turbinengehäuse 11 mit dem Turbinenrad 4 angeordnet. Bei dieser Variante verjüngt sich die Außenumfangsseite 8 zum Turbinenrad 4 hin konisch. Dabei ist auf der Außenumfangsseite 8 eine nutartige Vertiefung 9 ausgebildet, die Teil des Zwischenraums 7 ist und sich in dem Längsschnitt entlang der axialen Richtung zum Turbinenrad hin konisch verjüngt.
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Trifft das Schmieröl 16 auf die rotierende Außenumfangsseite 8 der Welle 2, so wird es von dieser reflektiert, und bevorzugt in den Zwischenraum 7, nicht jedoch in den Bereich der Durchführung 14. Mit anderen Worten, dass an der Außenumfangsseite 8 reflektierte Schmieröl – in 2 schematisch durch mit dem Bezugszeichen 17 bezeichnete Pfeile wiedergebeben – verbleibt vollständig oder zumindest weitgehend im Bereich des Zwischenraums 7 und gelangt insbesondere nicht in das Turbinengehäuse 11 und zu dem im Turbinengehäuse 11 angeordneten Turbinenrad 4.
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Bevorzugt bildet die Außenumfangsseite 8 im Bereich des Zwischenraums 7 in dem Längsschnitt entlang der Drehachse D mit der Drehachse D einen spitzen Winkel α von mindestens 30°, vorzugsweise von mindestens 40°, höchst vorzugsweise von mindestens 45°, aus.
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Wie die 1 weiterhin anschaulich belegt, besitzt der Abgasturbolader 1 eine Dichteinrichtung 13 zum Abdichten einer Durchführung 14 für die Welle zwischen dem Lagergehäuse 10 und dem Turbinengehäuse 11, in welchem das Turbinenrad 4 angeordnet ist. Hierzu weist die Dichteinrichtung 13 eine drehfest mit der Welle 2 verbundene Schraubengangstruktur 15 auf. In einer in den Figuren nicht näher dargestellten Variante kann der Abgasturbolader 1 eine weitere Dichteinrichtung zum Abdichten einer weiteren Durchführung für die Welle 2 zwischen dem Lagergehäuse 10 und dem Verdichtergehäuse 12 umfassen. Bei dieser Variante weist diese weitere Dichteinrichtung eine drehfest mit der Welle 2 verbundene, weitere Schraubengangstruktur auf.
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Nachfolgende Erläuterungen werden nun exemplarisch anhand der Durchführung 14 zwischen dem Lagergehäuse 10 und dem Turbinengehäuse 11 erläutert; sie gelten aber mutatis mutandis auch für die Durchführung zwischen dem Lagergehäuse 10 und dem Verdichtergehäuse 12 (in den Figuren nicht gezeigt).
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Die Schraubengangstruktur 15 ist linksdrehend oder rechtsdrehend ausgebildet, und zwar derart, dass bei einer Drehbewegung der Welle 2 im Betrieb des Abgasturboladers 1 in die Durchführung 14 eindringendes Leckage-Öl wieder in den Zwischenraum 7 zurück gefördert wird (vgl. Pfeile 18 in 2). Besagte Schraubengangstruktur 15 kann auch derart ausgebildet sein, dass sie bei einer Drehbewegung der Welle 2 im Betrieb des Abgasturboladers eine Rückförderung von Blowby-Gas/Luft in das Turbinengehäuse 11 bewirkt. Die Schraubengangstruktur 15 kann im Längsschnitt entlang der Drehachse rechteckförmige, trapezförmige, runde oder ausgerundete Nuten aufweisen.
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In einer in den Figuren nicht näher dargestellten Variante des Abgasturboladers 1 kann der Zwischenraum 7 axial zwischen der Lagereinrichtung 5 und dem Verdichterrad 3 bzw. Verdichtergehäuse 12 angeordnet sein. Bei dieser Variante verjüngt sich die Außenumfangsseite 8 zum Verdichterrad 3 hin, sodass das Eindringen von Leckage-Öl in das Verdichtergehäuse 12 besonders wirksam verhindert wird.
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Möglich ist auch eine Kombination dieser Variante mit dem voranstehend anhand der Figuren erläuterten Beispiel.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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