DE102016211807A1 - Turbocharger for an internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbolader (1) für eine Brennkraftmaschine, aufweisend – ein Lagergehäuse (41), – eine Läuferwelle (14), auf welcher ein Turbinenrad (12) sowie ein Verdichterrad (13) drehfest anordenbar sind; und – zumindest ein Radiallager (42), mittels welchem die Läuferwelle (14) in dem Lagergehäuse (41) drehbar gelagert ist, wobei – das Radiallager (42) eine Lagerbuchse (421) aufweist, die die Läuferwelle (14) umgibt, – die Lagerbuchse (421) ein erstes Material (422) aufweist; und – zwischen der Läuferwelle (14) und der Lagerbuchse (421) eine Lage eines zweiten Materials (423) angeordnet ist, wobei das erste Material (422) und die Lage des zweiten Materials (423) jeweils unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.The invention relates to a turbocharger (1) for an internal combustion engine, comprising - a bearing housing (41), - a rotor shaft (14) on which a turbine wheel (12) and a compressor wheel (13) can be arranged in a rotationally fixed manner; and - at least one radial bearing (42), by means of which the rotor shaft (14) is rotatably mounted in the bearing housing (41), wherein - the radial bearing (42) has a bearing bushing (421) surrounding the rotor shaft (14), - Bearing bush (421) has a first material (422); and - between the rotor shaft (14) and the bearing bush (421) a layer of a second material (423) is arranged, wherein the first material (422) and the layer of the second material (423) each have different thermal expansion coefficients.

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbolader für eine Brennkraftmaschine.The invention relates to a turbocharger for an internal combustion engine.

Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel, den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO2-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen, um einen Druck in einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung eines Brennraumes des Verbrennungsmotors mit Luft-Sauerstoff zu bewirken. Somit kann mehr Treibstoff, wie Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umgesetzt werden, also die Leistung des Verbrennungsmotors erhöht werden.Exhaust gas turbochargers are increasingly used to increase performance in automotive internal combustion engines. This is happening more and more often with the aim of reducing the internal combustion engine with the same or even increased performance in size and weight while reducing consumption and thus the CO2 emissions, in view of increasingly stringent legal requirements in this regard. The operating principle is to use the energy contained in the exhaust gas flow to increase a pressure in an intake tract of the internal combustion engine and thus to effect a better filling of a combustion chamber of the internal combustion engine with air-oxygen. Thus, more fuel, such as gasoline or diesel, per combustion process can be implemented, so the performance of the engine can be increased.

Dazu weist der Abgasturbolader eine im Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnete Abgasturbine, einen im Ansaugtrakt angeordneten Frischluftverdichter und ein dazwischen angeordnetes Läuferlager auf. Die Abgasturbine weist ein Turbinengehäuse und ein darin angeordnetes, durch den Abgasmassenstrom angetriebenes Turbinenlaufrad auf. Der Frischluftverdichter weist ein Verdichtergehäuse und ein darin angeordnetes, einen Ladedruck aufbauendes Verdichterlaufrad auf. Das Turbinenlaufrad und das Verdichterlaufrad sind auf den sich gegenüberliegenden Enden einer gemeinsamen Welle, der sogenannten Läuferwelle, drehfest angeordnet und bilden so den sogenannten Turboladerläufer. Die Läuferwelle erstreckt sich axial zwischen Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad durch das zwischen Abgasturbine und Frischluftverdichter angeordnete Läuferlager und ist in diesem, in Bezug auf die Läuferwellenachse, radial und axial drehgelagert. Gemäß diesem Aufbau treibt das vom Abgasmassenstrom angetriebene Turbinenlaufrad über die Läuferwelle das Verdichterlaufrad an, wodurch der Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors, bezogen auf den Frischluftmassenstrom hinter dem Frischluftverdichter, erhöht und dadurch eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff bewirkt wird.For this purpose, the exhaust gas turbocharger has an exhaust gas turbine arranged in the exhaust tract of the internal combustion engine, a fresh air compressor arranged in the intake tract and a rotor bearing arranged therebetween. The exhaust gas turbine has a turbine housing and a turbine runner, which is arranged therein and driven by the exhaust gas mass flow. The fresh air compressor has a compressor housing and a compressor impeller arranged therein, which builds up a boost pressure. The turbine runner and the compressor runner are arranged on the opposite ends of a common shaft, the so-called rotor shaft, rotatably and thus form the so-called turbocharger rotor. The rotor shaft extends axially between the turbine runner and the compressor runner through the rotor bearing arranged between the exhaust gas turbine and the fresh air compressor and is radially and axially rotatably mounted therein, with respect to the rotor shaft axis. According to this construction, the turbine runner driven by the exhaust gas mass flow drives the compressor runner via the rotor shaft, whereby the pressure in the intake tract of the internal combustion engine, based on the fresh air mass flow behind the fresh air compressor, is increased and thereby a better filling of the combustion space with air oxygen is effected.

Das Lagersystem von Abgasturboladern kleiner werdender Verbrennungsmotoren muss zunehmenden Belastungen standhalten. Beispielsweise stellen zur Trägheitsreduktion reduzierte Durchmesser des Turbinen- und/oder Verdichterrads und einhergehend hohe Drehzahlen der Läuferwelle sowie zunehmend dünnere Motoröle, welche die Reibleistung des Antriebs und damit Verluste reduzieren, neue Herausforderungen für das Lagersystem dar. Darüber hinaus sind der Tragfähigkeit und somit der Robustheit des Lagersystems für die Anwendung in modernen PKWs Grenzen gesetzt. Anforderungen an höchste Lagerrobustheit und ein großserientaugliches Design erfordern unter den Randbedingungen variierender Betriebsbedingungen, Fertigungstoleranzen und Machbarkeit einen optimalen Kompromiss in der Auslegung des Lagersystems.The storage system of exhaust gas turbochargers of smaller combustion engines must withstand increasing loads. For example, for inertia reduction reduced diameter of the turbine and / or compressor and associated high speeds of the rotor shaft and increasingly thinner engine oils, which reduce the friction power of the drive and thus losses, new challenges for the storage system. In addition, the carrying capacity and thus the robustness of the storage system for the application in modern cars limits set. Requirements for maximum storage robustness and a design suitable for large-scale production require an optimal compromise in the design of the storage system under the boundary conditions of varying operating conditions, manufacturing tolerances and feasibility.

Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Lagerungskonzept für einen Turbolader anzugeben, welches zu einem effizienten Betrieb eines Turboladers beiträgt. An object of the invention is to provide a storage concept for a turbocharger, which contributes to an efficient operation of a turbocharger.

Es wird ein Turbolader für eine Brennkraftmaschine offenbart, welcher ein Lagergehäuse und eine Läuferwelle aufweist, auf welcher ein Turbinenrad sowie ein Verdichterrad drehfest anordenbar sind. Der Turbolader weist zumindest ein Radiallager auf, mittels welchem die Läuferwelle in dem Lagergehäuse drehbar gelagert ist. Das Radiallager hat eine Lagerbuchse, die die Läuferwelle umgibt. Die Lagerbuchse weist ein erstes Material auf. Zwischen der Läuferwelle und der Lagerbuchse ist eine Lage eines zweiten Materials angeordnet, wobei das erste und das zweite Material jeweils unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. A turbocharger for an internal combustion engine is disclosed, which has a bearing housing and a rotor shaft on which a turbine wheel and a compressor wheel can be arranged in a rotationally fixed manner. The turbocharger has at least one radial bearing, by means of which the rotor shaft is rotatably mounted in the bearing housing. The radial bearing has a bushing that surrounds the rotor shaft. The bearing bush has a first material. Between the rotor shaft and the bearing bush, a layer of a second material is arranged, wherein the first and the second material each have different thermal expansion coefficients.

Bei der Lagerbuchse handelt es sich beispielsweise um eine Gleitlagerbuchse. Die Lagerbuchse ist zwischen dem Lagergehäuse, etwa einem Teil des Lagergehäuses, und der Läuferwelle angeordnet. Typischerweise ist das Radiallager als öldurchflutetes Schwimmbuchsenlager ausgeführt. Zwischen der im Betrieb rotierenden Läuferwelle und dem Lagergehäuse nimmt die rotierende Lagerbuchse die auftretenden Radialkräfte, wie Unwuchtkräfte, auf. Am inneren Durchmesser der Lagerbuchse zur Läuferwelle hin ist hierzu ein innerer Lagerspalt und am äußeren Durchmesser der Buchse zum Lagergehäuse hin ist ein äußerer Lagerspalt ausgebildet. Die beiden Spalte sind zumindest im Betrieb mit Öl gefüllt zur Ausbildung von Schmierfilmen. The bearing bush is, for example, a plain bearing bush. The bushing is disposed between the bearing housing, such as a part of the bearing housing, and the rotor shaft. Typically, the radial bearing is designed as oil-filled floating bush bearing. Between the rotor shaft rotating during operation and the bearing housing, the rotating bushing absorbs the radial forces occurring, such as imbalance forces. At the inner diameter of the bearing bush to the rotor shaft towards this is an inner bearing gap and the outer diameter of the bush to the bearing housing out an outer bearing gap is formed. The two gaps are filled at least during operation with oil to form lubricating films.

Neben einem grundsätzlichen Design des Radiallagers stellen die Lagerspalte Parameter zur Erreichung der Tragfähigkeit dar, um etwa Unwucht- und Starrkörperkräfte aufnehmen zu können. Diese sind im Wesentlichen durch Fertigungstoleranzen beeinflusst. Darüber hinaus verändern sich die Lagerspalte aufgrund der verschiedenen thermischen Dehnungen der entsprechenden Lagerkomponenten, insbesondere der Lagerbuchse, im Betrieb. Beispielhafte Lagerspalte bewegen sich im Bereich von wenigen Hundertstel Millimetern, wobei die Veränderung eines Spaltes ab wenigen Tausendstel Millimeter bereits signifikanten Einfluss auf das Lagersystem haben kann. In addition to a basic design of the radial bearing, the bearing gaps represent parameters for achieving the load capacity in order to be able to absorb imbalance and rigid body forces, for example. These are essentially influenced by manufacturing tolerances. In addition, the bearing gaps change due to the different thermal expansions of the corresponding bearing components, in particular the bearing bush, during operation. Exemplary bearing gaps are in the range of a few hundredths of a millimeter, whereby the change of a gap from a few thousandths of a millimeter can already have a significant influence on the bearing system.

So nimmt bei zunehmender Öltemperatur (und damit der Bauteiltemperatur von Lagerbuchse und Welle) die Viskosität des Öls ab, wodurch die Tragfähigkeit des Lagersystems reduziert würde. Weiterhin wurde erkannt, dass die thermische Ausdehnung der Lagerbuchse bei hohen (Öl-)Temperaturen zu einer Reduzierung des äußeren Lagerspalts und einer Vergrößerung des inneren Lagerspalts führt. Entsprechend würde sich die Tragfähigkeit des Radiallagers am inneren Spalt verschlechtern, während sie sich am äußeren Spalt verbessert. Thus, with increasing oil temperature (and thus the component temperature of the bearing bush and shaft), the viscosity of the oil decreases, which would reduce the bearing capacity of the bearing system. Furthermore, it was recognized that the thermal expansion of the bearing bush at high (oil) temperatures leads to a reduction of the outer bearing gap and an enlargement of the inner bearing gap. Accordingly, the bearing capacity of the radial bearing at the inner gap would deteriorate while improving at the outer gap.

Durch das Vorsehen der Lage des zweiten Materials wird zu einem effizienten Betrieb des Turboladers beigetragen. Die Lage kann beispielsweise an der Läuferwelle oder der Lagerbuchse angeordnet sein. Es ist auch denkbar, dass zwei solcher Lagen vorgesehen sind, eine an der Buchse und eine an der Läuferwelle. Die Lage des zweiten Materials bedeutet beispielsweise eine Schicht, Beschichtung oder anderweitige Materialanhäufung. Die Lage des zweiten Materials weist beispielsweise eine Gleitfläche auf, die je nach Anordnung entweder in der Lagerbuchse oder um die Läuferwelle gleitet. Das Anordnen zwischen der Buchse und der Welle bedeutet, dass in der folgenden Reihenfolge ein Wellenmaterial der Welle, das zweite Material und das erste Material der Buchse übereinander, etwa schichtartig, angeordnet sind. Mit anderen Worten findet in einer radialen Richtung bezüglich der Läuferwelle ein Materialübergang von dem Wellenmaterial zu dem zweiten und dem ersten Material statt. By providing the location of the second material, efficient operation of the turbocharger is contributed. The position can be arranged for example on the rotor shaft or the bearing bush. It is also conceivable that two such layers are provided, one on the bush and one on the rotor shaft. The location of the second material means, for example, a layer, coating or other material accumulation. The position of the second material has, for example, a sliding surface which, depending on the arrangement, slides either in the bearing bush or around the rotor shaft. The arrangement between the bushing and the shaft means that in the following order, a shaft material of the shaft, the second material and the first material of the bushing are arranged one above the other, such as layer-like. In other words, in a radial direction with respect to the rotor shaft, a material transfer from the shaft material to the second and the first material takes place.

Durch die Ausnutzung der unterschiedlichen Wärmekoeffizienten der Lagerkomponenten kann das Lagerspiel des Radiallagers im Betrieb vorteilhaft verändert werden. Durch die Kombination des ersten und zweiten Materials mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten können der innere und äußere Lagerspalt im Betrieb positiv beeinflusst werden. Insbesondere lässt sich durch geeignete Wahl des ersten und zweiten Materials erreichen, dass sich der innere Spalt im Betrieb bei erhöhten Temperaturen nicht oder nicht signifikant vergrößert, während sich der äußere Spalt im Betrieb verringert. By exploiting the different thermal coefficients of the bearing components, the bearing clearance of the radial bearing can be advantageously changed during operation. By combining the first and second material with different thermal expansion coefficients, the inner and outer bearing gaps can be positively influenced during operation. In particular, can be achieved by appropriate choice of the first and second material that the inner gap does not increase or not significantly increased in operation at elevated temperatures, while the outer gap decreases in operation.

Dadurch kann bei hohen Temperaturen der Lagerkomponenten die Tragfähigkeit auf der der Welle abgewandten äußeren Seite der Buchse verbessert werden, während die Tragfähigkeit auf der der Welle zugewandten Seite der Buchse im Vergleich zu herkömmlichen Lagersystem nicht oder nicht signifikant verringert wird. As a result, at high temperatures of the bearing components, the load bearing capacity on the outer side of the bush facing away from the shaft can be improved, while the load bearing capacity on the shaft-facing side of the bushing is not or not significantly reduced in comparison to conventional bearing systems.

Es sei erwähnt, dass ein Wärmeausdehnungskoeffizient eines Wellenmaterials der Läuferwelle typischerweise sehr gering ist. It should be noted that a thermal expansion coefficient of a shaft material of the rotor shaft is typically very small.

Unter dem Begriff Material wird beispielsweise ein Stoff, ein Werkstoff, ein Rohstoff oder ein Verbundwerkstoff verstanden. Es kann sich dabei um ein Reinmaterial, etwa Kupfer, aber auch eine Legierung, beispielsweise Messing, handeln. Ein Material unterscheidet sich von einem anderen Material durch den Wärmeleitkoeffizient. By the term material is meant, for example, a substance, a material, a raw material or a composite material. It may be a pure material, such as copper, but also an alloy, such as brass act. A material differs from another material in its thermal conductivity coefficient.

Des Weiteren lässt sich bei kaltem Zustand des Motors beziehungsweise Öls ein weiterer Lagerspalt im Vergleich zu dem Betriebszustand mit hohen Temperaturen realisieren. Weiterhin können akustische Beeinträchtigungen, beispielsweise aufgrund der Anregung des sogenannten Sub2, aufgrund der unterdrückten oder zumindest verringerten Zunahme des inneren Spiels vermieden oder reduziert werden. Unter dem Sub2 wird der translatorische Starrkörpermod verstanden, der aufgrund von Instabilitäten im inneren Schmier-(Lager-)spalt angeregt wird. Diese Schwingung wird über den äußeren Lagerspalt nach außen übertragen und kann dort beispielsweise als Konstantton hörbar sein.Furthermore, when the engine or oil is cold, a further bearing gap can be realized in comparison to the operating state with high temperatures. Furthermore, acoustic impairments, for example due to the excitation of the so-called Sub2, due to the suppressed or at least reduced increase of the internal game can be avoided or reduced. Sub2 is understood to mean the translatory rigid body mod, which is excited due to instabilities in the inner lubricating (bearing) gap. This vibration is transmitted to the outside via the outer bearing gap and can be heard there as a constant tone, for example.

Mittels des beschriebenen Turboladers ist es zudem nicht zwingend oder nur teilweise notwendig, die Lagerspalte durch Lagerspieleinengungen, etwa durch geeignete Wahl von Fertigungstoleranzen, anzupassen, um die Tragfähigkeit und/oder akustische Eigenschaften des Radiallagers bei einem vorgegebenen Design zu verbessern. Weiter ist es beispielsweise nicht zwingend notwendig, auftretende Kräfte durch Reduzierung von Unwuchten und/oder Anpassungen des Verdichter- und/oder Turbinenrads zu reduzieren. Die Anpassung der Räder würde Einschränkungen in Auslegung der Verdichter- beziehungsweise Turbinenräder und somit auch hinsichtlich einer thermodynamischen Auslegung haben. Anpassungen des Lagerspiels beziehungsweise von Toleranzen der Lagerkomponenten würden erhöhte Produktionskosten und Fertigungskosten bedingen. By means of the turbocharger described it is also not mandatory or only partially necessary to adapt the bearing gaps by Lagerpieleinengungen, such as by a suitable choice of manufacturing tolerances, to improve the carrying capacity and / or acoustic properties of the radial bearing in a given design. Furthermore, it is not absolutely necessary, for example, to reduce occurring forces by reducing imbalances and / or adaptations of the compressor and / or turbine wheel. The adaptation of the wheels would have limitations in the design of the compressor or turbine wheels and thus also in terms of a thermodynamic design. Adjustments of the bearing clearance or tolerances of the bearing components would require increased production costs and production costs.

Weiterhin ist es nicht zwingend notwendig, die Unwucht des Verdichter- beziehungsweise Turbinenrads zu reduzieren, was ebenfalls erhöhte Kosten bedingen würde. Weiterhin ist es nicht zwingend notwendig, erhöhte Anforderungen an Schmieröle zu stellen, was beispielsweise Anforderungen von Kunden zuwiderlaufen könnte. Schließlich ist es auch nicht zwingend notwendig, das Radiallagerdesign grundsätzlich zu optimieren, beispielsweise breitere Buchsen und/oder Gleitlagerflächen vorzusehen. All die vorbeschriebenen Maßnahmen würden stets einen Kompromiss verschiedener Ziele darstellen, wobei die Anpassung eines Elements oder Komponente eine andere Eigenschaft negativ beeinflusst. Beispielsweise führt eine Erhöhung der Tragfähigkeit durch größere Tragflächen zu Nachteilen hinsichtlich des Gesamtaufbaus, der Reibleistung oder der Akustik des Turboladers. Furthermore, it is not absolutely necessary to reduce the imbalance of the compressor or turbine wheel, which would also require increased costs. Furthermore, it is not absolutely necessary to make increased demands on lubricating oils, which could, for example, run counter to customer requirements. Finally, it is not absolutely necessary to fundamentally optimize the radial bearing design, for example to provide wider bushes and / or slide bearing surfaces. All the above-described measures would always be a compromise of different objectives, with the adaptation of one element or component negatively affecting another property. For example, an increase in the carrying capacity due to larger wings leads to disadvantages with respect to the overall structure, the frictional power or the acoustics of the turbocharger.

Gemäß einer Ausgestaltung weist die Lagerbuchse die Lage des zweiten Materials auf. Mit anderen Worten ist die Lage des zweiten Materials direkt an der Buchse angeordnet. Somit ist die Lage Teil der Buchse, die zwei Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Die Lagerbuchse ist somit zweiteilig aufgebaut. Dadurch wird beispielsweise der innere Lagerspalt zwischen der Läuferwelle und der Lage des weiteren Materials ausgebildet. Die Lagerbuchse weist etwa einen äußeren Ring mit dem ersten Material und einen inneren Ring mit dem zweiten Material auf. Dadurch werden die oben beschriebenen Vorteile und Funktionen ermöglicht.According to one embodiment, the bearing bush on the position of the second material. With In other words, the position of the second material is arranged directly on the bushing. Thus, the layer is part of the bush, which has two materials with different thermal expansion coefficients. The bearing bush is thus constructed in two parts. As a result, for example, the inner bearing gap between the rotor shaft and the position of the other material is formed. The bushing has approximately an outer ring with the first material and an inner ring with the second material. This allows the advantages and functions described above.

Gemäß einer Ausgestaltung weist die Lage des zweiten Materials eine separate Beschichtung auf. Insbesondere ist die Lage an der der Welle zugewandten Seite mit der zusätzlichen Gleitschicht zum Gleiten an der Welle versehen. Mittels der Gleitschicht können Trockenlaufeigenschaften der Lagerbuchse verbessert werden. Bei der Gleitbeschichtung handelt es sich beispielsweise um eine Schicht DLC (englisch = diamond like carbon), chemisch Nickel, Chrom oder Teflon. According to one embodiment, the layer of the second material has a separate coating. In particular, the layer on the side facing the shaft is provided with the additional sliding layer for sliding on the shaft. By means of the sliding layer dry running properties of the bearing bush can be improved. The lubricious coating is, for example, a layer of DLC (English = diamond-like carbon), chemically nickel, chromium or Teflon.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Läuferwelle die Lage des zweiten Materials auf. Mit anderen Worten ist die Lage direkt an der Läuferwelle angeordnet. Die Lage ist somit Teil der Läuferwelle. Somit ist die Buchse einteilig aus dem ersten Material gefertigt. In dieser Ausgestaltung ist der innere Lagerspalt zwischen der Buchse und der Lage des zweiten Materials ausgebildet. Etwa sind die Wärmeleitkoeffizienten so gewählt, dass eine Wärmeausdehnung der Welle mittels der Lage des zweiten Materials erhöht wird, wodurch sich der innere Lagerspalt nicht oder nicht signifikant erhöht. Auch diese Ausgestaltung ermöglicht die vorgenannten Vorteile und Funktionen. According to a further embodiment, the rotor shaft has the position of the second material. In other words, the situation is arranged directly on the rotor shaft. The position is thus part of the rotor shaft. Thus, the socket is made in one piece from the first material. In this embodiment, the inner bearing gap between the socket and the position of the second material is formed. For example, the heat conduction coefficients are selected such that a thermal expansion of the shaft is increased by means of the position of the second material, as a result of which the inner bearing gap does not increase or does not increase significantly. This embodiment also allows the aforementioned advantages and functions.

Gemäß einer Ausgestaltung ist auf die Lage des zweiten Materials eine separate Beschichtung aufgebracht. Insbesondere ist die Lage an der der Buchse zugewandten Seite mit der zusätzlichen Gleitschicht zum Gleiten versehen. Mittels der Gleitschicht können Trockenlaufeigenschaften verbessert werden. Bei der Gleitbeschichtung handelt es sich analog zu oben beispielsweise um eine Schicht DLC, chemisch Nickel, Chrom oder Teflon. Beispielsweise muss nicht die gesamte Lage des zweiten Materials mit der Beschichtung versehen sein, sondern es können kostengünstig nur einzelne Bereiche beschichtet sein. According to one embodiment, a separate coating is applied to the layer of the second material. In particular, the position on the side facing the bush is provided with the additional sliding layer for sliding. By means of the sliding layer dry running properties can be improved. The slide coating is analogous to above, for example, a layer of DLC, chemically nickel, chromium or Teflon. For example, the entire layer of the second material need not be provided with the coating, but only individual regions can be cost-effectively coated.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das zweite Material einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Buchsenmaterial auf. Dadurch wird zu den vorbeschriebenen Funktionen und Vorteilen beigetragen. According to a further embodiment, the second material has a lower coefficient of thermal expansion than the bushing material. This contributes to the functions and advantages described above.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das Wellenmaterial Stahlmaterial. Das Stahlmaterial weist typischerweise einen sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Dies ist insbesondere notwendig, um die hohen auf die Welle wirkenden Kräfte aufnehmen zu können. According to a further embodiment, the shaft material is steel material. The steel material typically has a very low thermal expansion coefficient. This is especially necessary to be able to absorb the high forces acting on the shaft.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das Buchsenmaterial Messing. According to a further embodiment, the bushing material is brass.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das weitere Material Aluminium. According to a further embodiment, the further material is aluminum.

Weitere Vorteile und Funktionen sind in der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung von Ausführungsbeispielen offenbart. Further advantages and functions are disclosed in the following detailed description of exemplary embodiments.

Die Ausführungsbeispiele werden unter Zuhilfenahme der angehängten Figuren nachfolgend beschrieben. Gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen. The embodiments are described below with the aid of the appended figures. Similar or equivalent elements are provided across the figures with the same reference numerals.

In den Figuren zeigen: In the figures show:

1 eine schematische Schnittansicht eines Turboladers, 1 a schematic sectional view of a turbocharger,

2 ein Ausführungsbeispiel eines Radiallagers des Turboladers in einer schematischen Querschnittsansicht und 2 an embodiment of a radial bearing of the turbocharger in a schematic cross-sectional view and

3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Radiallagers des Turboladers in einer schematischen Querschnittsansicht. 3 a further embodiment of a radial bearing of the turbocharger in a schematic cross-sectional view.

1 zeigt schematisiert einen exemplarischen Abgasturbolader 1 in Schnittdarstellung, der eine Abgasturbine 20, einen Frischluftverdichter 30 und ein Läuferlager 40 umfasst. Die Abgasturbine 20 ist mit einem Wastegateventil 29 ausgestattet und ein Abgasmassestrom AM ist mit Pfeilen angedeutet. Der Frischluftverdichter 30 weist ein Schub-Umluftventil 39 auf und ein Frischluft-Massestrom FM ist ebenfalls mit Pfeilen angedeutet. Ein sogenannter Turboladerläufer 10 des Abgasturboladers 1 weist ein Turbinenlaufrad 12 (auch Turbinenrad bezeichnet), ein Verdichterlaufrad 13 (auch Verdichterrad bezeichnet) sowie eine Läuferwelle 14 auf (auch Welle bezeichnet). Der Turboladerläufer 10 rotiert im Betrieb um eine Läuferdrehachse 15 der Läuferwelle 14. Die Läuferdrehachse 15 und gleichzeitig die Turboladerachse 2 (auch Längsachse bezeichnet) sind durch die eingezeichnete Mittellinie dargestellt und kennzeichnen die axiale Ausrichtung des Abgasturboladers 1. Der Turboladerläufer 10 ist mit seiner Läuferwelle 14 mittels zweier Radiallager 42 und einer Axiallagerscheibe 43 gelagert. Sowohl die Radiallager 42 als auch die Axiallagerscheibe 43 werden über Ölversorgungskanäle 44 eines Ölanschlusses 45 mit Schmiermittel versorgt. 1 schematically shows an exemplary exhaust gas turbocharger 1 in sectional view, of an exhaust gas turbine 20 , a fresh air compressor 30 and a runner camp 40 includes. The exhaust gas turbine 20 is with a wastegate valve 29 equipped and an exhaust gas mass flow AM is indicated by arrows. The fresh air compressor 30 has a thrust recirculation valve 39 on and a fresh air mass flow FM is also indicated by arrows. A so-called turbocharger rotor 10 the exhaust gas turbocharger 1 has a turbine runner 12 (also called turbine wheel), a compressor impeller 13 (also called compressor wheel) and a rotor shaft 14 on (also called wave). The turbocharger rotor 10 rotates in operation around a rotor axis of rotation 15 the rotor shaft 14 , The rotor axis of rotation 15 and at the same time the turbocharger axle 2 (also called longitudinal axis) are represented by the drawn center line and indicate the axial orientation of the exhaust gas turbocharger 1 , The turbocharger rotor 10 is with his runner shaft 14 by means of two radial bearings 42 and a thrust washer 43 stored. Both the radial bearings 42 as well as the thrust washer 43 be over Oil supply channels 44 an oil connection 45 supplied with lubricant.

In der Regel weist ein gebräuchlicher Abgasturbolader 1, wie in 1 dargestellt, einen mehrteiligen Aufbau auf. Dabei sind ein im Abgastrakt des Verbrennungsmotors anordenbares Turbinengehäuse 21, ein im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors anordenbares Verdichtergehäuse 31 und zwischen Turbinengehäuse 21 und Verdichtergehäuse 31 ein Lagergehäuse 41 bezüglich der gemeinsamen Turboladerachse 2 nebeneinander angeordnet und montagetechnisch miteinander verbunden. In general, a common exhaust gas turbocharger has 1 , as in 1 shown, a multi-part construction. Here, a turbine housing can be arranged in the exhaust tract of the internal combustion engine 21 , A can be arranged in the intake tract of the internal combustion engine compressor housing 31 and between turbine housing 21 and compressor housing 31 a bearing housing 41 with respect to the common turbocharger axis 2 arranged side by side and connected to each other montagetechnisch.

Eine weitere Baueinheit des Abgasturboladers 1 stellt der Turboladerläufer 10 dar, der die Läuferwelle 14, das in dem Turbinengehäuse 21 angeordnete Turbinenlaufrad 12 mit einer Laufradbeschaufelung 121 und das in dem Verdichtergehäuse 31 angeordnete Verdichterlaufrad 13 mit einer Laufradbeschaufelung 131 aufweist. Das Turbinenlaufrad 12 und das Verdichterlaufrad 13 sind auf den sich gegenüberliegenden Enden der gemeinsamen Läuferwelle 14 angeordnet und mit dieser drehfest verbunden. Die Läuferwelle 14 erstreckt sich in Richtung der Turboladerachse 2 axial durch das Lagergehäuse 41 und ist in diesem axial und radial um seine Längsachse, die Läuferdrehachse 15, drehgelagert, wobei die Läuferdrehachse 15 in der Turboladerachse 2 liegt, also mit dieser zusammenfällt. Another unit of the exhaust gas turbocharger 1 represents the turbocharger rotor 10 representing the rotor shaft 14 that in the turbine housing 21 arranged turbine wheel 12 with an impeller blading 121 and in the compressor housing 31 arranged compressor impeller 13 with an impeller blading 131 having. The turbine wheel 12 and the compressor impeller 13 are on the opposite ends of the common rotor shaft 14 arranged and rotatably connected with this. The rotor shaft 14 extends in the direction of the turbocharger axis 2 axially through the bearing housing 41 and is in this axially and radially about its longitudinal axis, the rotor axis of rotation 15 , rotatably mounted, wherein the rotor axis of rotation 15 in the turbocharger axis 2 lies, so coincides with this.

Das Lagergehäuse 41 ist axial zwischen dem Turbinengehäuse 21 und dem Verdichtergehäuse 31 angeordnet. Im Lagergehäuse 41 ist die Läuferwelle 14 des Turboladerläufers 10 sowie die erforderliche Lageranordnung zur Axiallagerung und zur Drehlagerung der Läuferwelle 14 aufgenommen.The bearing housing 41 is axial between the turbine housing 21 and the compressor housing 31 arranged. In the bearing housing 41 is the rotor shaft 14 of the turbocharger rotor 10 and the required bearing arrangement for axial bearing and for pivotal mounting of the rotor shaft 14 added.

Die Lageranordnung besteht in der Regel aus zwei in axialem Abstand zueinander angeordneten Radiallagern 42 zur Drehlagerung und einer Axiallagerscheibe 43 zur Abstützung von im Betrieb auf die Läuferwelle 14 wirkenden Axialkräften. Die Lager können dabei als Gleitlager, als Wälzlager oder auch Magnetlager ausgeführt sein. Weiterhin besteht, zum Beispiel bei Wälzlagerungen, die Möglichkeit der Kombination von Axiallagerung und Drehlagerung. Auch die Zusammenfassung der Lagerkomponenten zu einer kompakten Lagereinheit, auch als Lagerkartusche bezeichnet, kann hier Anwendung finden.The bearing assembly is usually made of two axially spaced radial bearings 42 for rotary bearing and a thrust washer 43 to support in operation on the rotor shaft 14 acting axial forces. The bearings can be designed as plain bearings, as rolling bearings or magnetic bearings. Furthermore, there is the possibility of the combination of axial bearing and pivot bearing, for example in rolling bearings. The summary of the bearing components to a compact storage unit, also referred to as a storage cartridge, can be applied here.

Zur Schmierung und Ölversorgung der Lagerkomponenten sind im Lagergehäuse 41 Ölversorgungskanäle 44 vorgesehen, die über einen Ölanschluss 45 mit einer externen Ölversorgung (nicht dargestellt) in Verbindung stehen und zu den zu versorgenden Lagerkomponenten führen. For lubrication and oil supply of the bearing components are in the bearing housing 41 Oil supply channels 44 provided, via an oil connection 45 with an external oil supply (not shown) in connection and lead to the bearing components to be supplied.

Auf der, dem Frischluftverdichter 30 zugewandten Seite des Lagergehäuses 41 ist ein Verdichtergehäuse-Anschlussflansch 47 vorgesehen, an dem das Verdichtergehäuse 31 am Lagergehäuse 41 angeschlossen ist.On the, the fresh air compressor 30 facing side of the bearing housing 41 is a compressor housing connection flange 47 provided on which the compressor housing 31 on the bearing housing 41 connected.

Auf der, der Abgasturbine 20 zugewandten Seite des Lagergehäuses 41 ist ein Turbinengehäuse-Anschlussflansch 46 vorgesehen, an dem das Turbinengehäuse 21 am Lagergehäuse 41 angeschlossen ist. Weiterhin ist auf dieser Seite des Lagergehäuses 41 zwischen Turbinengehäuse 21 und Lagergehäuse 41 ein sogenanntes Hitzeschild 48 angeordnet, das die dem Turbinengehäuse 21 zugewandte Gehäusewand des Lagergehäuses 41 sowie die Lagerkomponenten im Lagergehäuse 41 abdeckt und so gegen die hohen Abgastemperaturen in der Abgasturbine 20 abschirmt.On the, the exhaust gas turbine 20 facing side of the bearing housing 41 is a turbine housing flange 46 provided on which the turbine housing 21 on the bearing housing 41 connected. Furthermore, on this side of the bearing housing 41 between turbine housing 21 and bearing housing 41 a so-called heat shield 48 arranged, which is the turbine housing 21 facing housing wall of the bearing housing 41 as well as the bearing components in the bearing housing 41 covers and so against the high exhaust gas temperatures in the exhaust gas turbine 20 shields.

Weitere Details des Turboladers 1 werden nicht näher erläutert. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass der Turbolader 1 exemplarischer Natur ist und auch anderweitig ausgestaltet sein kann. Further details of the turbocharger 1 are not explained in detail. It should be mentioned at this point that the turbocharger 1 is exemplary nature and can also be otherwise configured.

2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele eines Radiallagers 42 des Turboladers 1 in schematisierten Querschnittsansichten. 2 and 3 show exemplary embodiments of a radial bearing 42 of the turbocharger 1 in schematic cross-sectional views.

2 zeigt die Läuferwelle 14 mit entsprechender Läuferdrehachse 15. Weiterhin ist ein Teil des Lagergehäuses 41 zu erkennen. Das Radiallager 42 weist eine Radiallagerbuchse 421 auf, die zwischen der Läuferwelle 14 und dem Lagergehäuse 41 angeordnet ist. Die Lagerbuchse 421 ist als schwimmende Gleitlagerbuchse ausgebildet. Die Lagerbuchse 421 weist einen zweiteiligen Aufbau aus zwei verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Wärmeleitkoeffizienten auf. In einem äußeren, der Läuferwelle 14 abgewandten Bereich hat die Lagerbuchse 421 ein erstes Material 422, an welchem direkt angeordnet eine Lage eines zweiten Materials 423 angeordnet ist, welche der Läuferwelle 14 zugeordnet und zugewandt ist. Mit anderen Worten ist die Lagerbuchse 421 aus zwei ringartigen, miteinander verbundenen Materiallagen oder -schichten 422 und 423 gebildet. 2 shows the rotor shaft 14 with corresponding rotor axis of rotation 15 , Furthermore, a part of the bearing housing 41 to recognize. The radial bearing 42 has a radial bearing bush 421 on that between the rotor shaft 14 and the bearing housing 41 is arranged. The bearing bush 421 is designed as a floating plain bearing bush. The bearing bush 421 has a two-part construction of two different materials with different coefficients of thermal conductivity. In an outer, the rotor shaft 14 remote area has the bearing bush 421 a first material 422 at which directly arranged a layer of a second material 423 is arranged, which is the rotor shaft 14 assigned and facing. In other words, the bearing bush 421 from two ring-like, interconnected material layers or layers 422 and 423 educated.

Zwischen dem ersten Material 422 und dem Lagergehäuse 41 ist ein äußerer Lagerspalt 424 ausgebildet, während zwischen dem der Lage des zweiten Materials 423 der Lagerbuchse 421 und der Läuferwelle 14 ein innerer Lagerspalt 425 ausgebildet ist.Between the first material 422 and the bearing housing 41 is an outer bearing gap 424 formed while between the location of the second material 423 the bearing bush 421 and the rotor shaft 14 an inner bearing gap 425 is trained.

Die Läuferwelle 14 ist aus einem Stahlwerkstoff oder einem Stahlmaterial als Wellenmaterial gefertigt. Das erste Material 422 ist beispielsweise Messing (CuZn) und die Lage des zweiten Materials 423 besteht im Ausführungsbeispiel aus Aluminium. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Lage des weiteren Materials 423 ist geringer als der des ersten Materials 422. Beispielsweise ist die Buchse aus einem Messing-Rohr gebildet, welches mit Aluminium zur Bildung der Lage des zweiten Materials 423 aufgefüllt und anschließend fertigungstechnisch bearbeitet ist.The rotor shaft 14 is made of a steel material or a steel material as a shaft material. The first material 422 For example, brass (CuZn) and the location of the second material 423 consists in the embodiment of aluminum. The thermal expansion coefficient of the position of the other material 423 is less than that of the first material 422 , For example, the bushing is formed of a brass tube which is filled with aluminum to form the ply of the second material 423 filled and then processed by manufacturing technology.

Die Lagerbuchse 421 umgibt die Läuferwelle 14 derart, dass die Lage des zweiten Materials 425 um die Welle 14 gleiten kann. The bearing bush 421 surrounds the rotor shaft 14 such that the location of the second material 425 around the shaft 14 can slide.

Mittels des beschriebenen Radiallagers können die eingangs erwähnten Vorteile und Funktionen erreicht werden. Insbesondere wird aufgrund der Kombination zweier unterschiedlicher Materialien mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten erreicht, dass sich der äußere Bereich der Lagerbuchse 421, etwa das erste Material 422, im Betrieb aufgrund der Wärme in radialer Richtung 16 ausdehnt. Dadurch wird der äußere Lagerspalt 424 reduziert. Die Reduzierung des äußeren Lagerspalts 424 bewirkt eine Erhöhung der Tragfähigkeit der Radiallagerung 42. Die Lage des weiteren Materials 423 dehnt sich verglichen mit dem ersten Material 422 weniger stark in radialer Richtung 16 aus, sodass der innere Lagerspalt 425 gar nicht oder deutlich weniger stark vergrößert wird. Beispielsweise kann eine Spielzunahme der Lagerbuchse 421 im Betrieb um 15 % im Vergleich zu einer herkömmlichen Lageranordnung ohne zusätzliches zweites Material 423 reduziert werden. By means of the radial bearing described above, the advantages and functions mentioned above can be achieved. In particular, due to the combination of two different materials with different coefficients of thermal expansion is achieved that the outer region of the bearing bush 421 , like the first material 422 , in operation due to the heat in the radial direction 16 expands. This will cause the outer bearing gap 424 reduced. The reduction of the outer bearing gap 424 causes an increase in the bearing capacity of the radial bearing 42 , The location of the other material 423 expands compared to the first material 422 less strong in the radial direction 16 out, so that the inner bearing gap 425 not enlarged at all or significantly less. For example, an increase in play of the bearing bush 421 in operation by 15% compared to a conventional bearing assembly without additional second material 423 be reduced.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Radiallagerung 42, um die vorbeschriebenen Vorteile und Funktionen zu erreichen. Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist die Lage des zweiten Materials 423 nicht Teil der Lagerbuchse 421, sondern Teil der Läuferwelle 14. Beispielsweise ist die Lage des zweiten Materials 423 als Beschichtung auf die Läuferwelle 14 aufgebracht. Somit bildet sich der innere Lagerspalt 425 zwischen der Lagerbuchse 421 und der Lage des weiteren Materials 423 aus. Wiederum sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten analog zu oben unterschiedlich gewählt, sodass der innere Lagerspalt 425 in vorteilhafter Weise beim Betrieb nicht signifikant vergrößert wird. Beispielsweise kann die Spielzunahme im inneren Lagerspalt 425 halbiert werden im Vergleich zu einer herkömmlichen Lagerung. 3 shows a further embodiment of the radial bearing 42 To achieve the advantages and functions described above. In the embodiment according to 3 is the location of the second material 423 not part of the bearing bush 421 but part of the rotor shaft 14 , For example, the location of the second material 423 as a coating on the rotor shaft 14 applied. Thus, the inner bearing gap is formed 425 between the bearing bush 421 and the location of the other material 423 out. Again, the thermal expansion coefficients are chosen differently analogous to above, so that the inner bearing gap 425 advantageously does not increase significantly during operation. For example, the increase in play in the inner bearing gap 425 be halved compared to a conventional storage.

Die beschriebenen Radiallagerungen 42 gemäß der Ausführungsbeispiele sind insbesondere kostengünstig zu realisieren. Beispielsweise lässt sich der Turbolader 1 deutlich kostengünstiger herstellen als im Vergleich zu einem Turbolader, wobei die Lagerspalte und Toleranzen der Lagerkomponenten fertigungstechnisch, beispielsweise durch höhere Produktions- und Fertigungsvorgaben, eingestellt werden. Stellen die Toleranzen auf Basis der Anforderung bereits die möglichen Fertigungsgrenzen dar, ermöglichen die beschriebenen Radiallager-Konzepte den Einsatz eines bestimmten Radiallagerdesigns. The radial bearings described 42 According to the embodiments are particularly inexpensive to implement. For example, the turbocharger can be 1 produce significantly cheaper than compared to a turbocharger, the bearing gaps and tolerances of the bearing components manufacturing technology, for example, by higher production and manufacturing specifications are set. If the tolerances on the basis of the requirement already represent the possible production limits, the radial bearing concepts described make it possible to use a specific radial bearing design.

Es sei darauf hingewiesen, dass anstelle zweier Radiallager 42 auch nur ein Radiallager 42 denkbar ist. Es ist auch denkbar, dass die Radiallager 42 über einen Verbindungsabschnitt verbunden und somit einstückig ausgebildet sind. Wichtig ist die zusätzliche Materiallage, die entweder Teil der Welle 14 oder der Buchse 421 ist.It should be noted that instead of two radial bearings 42 also only a radial bearing 42 is conceivable. It is also conceivable that the radial bearings 42 connected via a connecting portion and thus formed in one piece. Important is the additional material layer, which is either part of the wave 14 or the socket 421 is.

Claims (9)

Turbolader (1) für eine Brennkraftmaschine, aufweisend – ein Lagergehäuse (41), – eine Läuferwelle (14), auf welcher ein Turbinenrad (12) sowie ein Verdichterrad (13) drehfest anordenbar sind; und – zumindest ein Radiallager (42), mittels welchem die Läuferwelle (14) in dem Lagergehäuse (41) drehbar gelagert ist, wobei – das Radiallager (42) eine Lagerbuchse (421) aufweist, die die Läuferwelle (14) umgibt, – die Lagerbuchse (421) ein erstes Material (422) aufweist; und – zwischen der Läuferwelle (14) und der Lagerbuchse (421) eine Lage eines zweiten Materials (423) angeordnet ist, wobei das erste Material (422) und die Lage des zweiten Materials (423) jeweils unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.Turbocharger ( 1 ) for an internal combustion engine, comprising - a bearing housing ( 41 ), - a rotor shaft ( 14 ) on which a turbine wheel ( 12 ) and a compressor wheel ( 13 ) are rotatably arranged; and at least one radial bearing ( 42 ), by means of which the rotor shaft ( 14 ) in the bearing housing ( 41 ) is rotatably mounted, wherein - the radial bearing ( 42 ) a bearing bush ( 421 ), which the rotor shaft ( 14 ), - the bearing bush ( 421 ) a first material ( 422 ) having; and between the rotor shaft ( 14 ) and the bearing bush ( 421 ) a layer of a second material ( 423 ), the first material ( 422 ) and the location of the second material ( 423 ) each have different thermal expansion coefficients. Turbolader (1) nach Anspruch 1, wobei die Lagerbuchse (421) die Lage des zweiten Materials (423) aufweist.Turbocharger ( 1 ) according to claim 1, wherein the bearing bush ( 421 ) the position of the second material ( 423 ) having. Turbolader (1) nach Anspruch 2, wobei die Lage des zweiten Materials (423) eine separate Beschichtung aufweist.Turbocharger ( 1 ) according to claim 2, wherein the position of the second material ( 423 ) has a separate coating. Turbolader (1) nach Anspruch 1, wobei die Läuferwelle (14) die Lage des zweiten Materials (423) aufweist.Turbocharger ( 1 ) according to claim 1, wherein the rotor shaft ( 14 ) the position of the second material ( 423 ) having. Turbolader (1) nach Anspruch 4, wobei auf die Lage des zweiten Materials (423) eine separate Beschichtung aufgebracht ist. Turbocharger ( 1 ) according to claim 4, wherein the position of the second material ( 423 ) a separate coating is applied. Turbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lage des zweiten Materials (423) einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das erste Material (422) aufweist.Turbocharger ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the position of the second material ( 423 ) has a lower thermal expansion coefficient than the first material ( 422 ) having. Turbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Wellenmaterial der Läuferwelle (14) ein Stahlmaterial ist.Turbocharger ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein a shaft material of the rotor shaft ( 14 ) is a steel material. Turbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Material (422) Messing ist. Turbocharger ( 1 ) according to any one of the preceding claims, wherein the first material ( 422 ) Is brass. Turbolader (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Material (423) Aluminium ist.Turbocharger ( 1 ) according to any one of the preceding claims, wherein the second material ( 423 ) Is aluminum.
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