DE112004002481T5

DE112004002481T5 - Lageranordnung für schnell drehende Maschinen

Info

Publication number: DE112004002481T5
Application number: DE112004002481T
Authority: DE
Inventors: William E. Carlsbad Woollenweber; Jon A. Simi Valley Meyer
Original assignee: Innovative Turbo Systems Corp Valley; Innovative Turbo Systems Corp
Current assignee: Innovative Turbo Systems Corp Valley; Innovative Turbo Systems Corp
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2004-12-14
Publication date: 2006-11-02
Also published as: US20040200215A1; US7025579B2; WO2005059331A2; WO2005059331A3

Abstract

Turbolader für eine Verbrennungskraftmaschine mit:
einer rotierenden Anordnung mit einem Turbinen- und einem Verdichterrad, die auf den entgegengesetzten Enden einer Welle sitzen;
einem ortsfesten Gehäuse mit einem Abgasdiffusor, mit dem Abgase der Maschine durch das Turbinenrad richtbar sind, um die rotierende Anordnung zu drehen, einem Verdichtergehäuse zur Aufnahme verdichteter Luft aus dem Verdichterrad sowie einem Lagergehäuse; und
einem Lagerungssystem, mit dem die rotierende Anordnung im ortsfesten Gehäuse lagerbar ist und das einen lang gestreckten Lagerträger, der mit einer Vielzahl von zwischen dem langen Lagerträger und dem Lagergehäuse angeordneten elastischen Elementen herausnehmbar gelagert ist, sowie ein Paar Kugel-Wälzlager aufweist, wobei die Kugel-Wälzlager axial beabstandet angeordnet sind und vom langen Lagerträger jeweils an einem Ende desselben getragen werden, wobei die Kugel-Wälzlager im Eingriff mit der Welle stehen und die rotierende Anordnung drehbar im ortsfesten Gehäuse lagern.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Lageranordnungen für Maschinen mit Wellen, die mit hoher Drehzahl umlaufen und mit einem Ende hohen Temperaturen ausgesetzt sind – bspw. Turbolader an Verbrennungskraftmaschinen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Turbolader für Verbrennungskraftmaschinen werden seit Jahren an Diesel- und Benzinmotoren eingesetzt. In den frühen Jahren ihrer Entwicklung hat man viel Aufwand in die Entwicklung einer Lageranordnung investiert, die dauerhaft genug war, um einen kleinen Turbolader gewerblich lebensfähig zu machen. Frühe Versuche mit Kugellagern waren erfolglos, da sich diese Dauerhaftigkeit nicht erreichen ließ. Weiterhin müssen Lagerungen für kleine Turbolader sich für die Verfahrensweisen der Massenfertigung eignen, kostengünstig sein und sich im Feld problemlos warten lassen.
Forschungs- und Entwicklungstests in den 60-er Jahren führten zur Vervollkommnung von Gleitlagern mit "schwimmender" Lagerhülse, mit denen sich die Probleme mit der Welleninstabilität lösen ließen, die akzeptable Reibungsverluste aufwiesen und deren Standzeit in verschiedenen Turboladern für Verbrennungskraftmaschinen zufriedenstellend war. Einige dieser erfolgreichen Lagersysteme sind in den US-Patenten 3 056 634, 3 096126, 3 390 926, 3 993 370 und 4 641 977 offenbart. In den Lagern der oben aufgeführten Patentschriften war das Stabilitätsproblem allgemein gelöst durch eine zwischen der umlaufenden Welle und deren ortsfester Abstützung "schwimmend" angeordnete Hülse, die einen Schmierstofffilm zwischen ihrer Innenfläche und der umlaufenden Welle sowie auch zwischen ihrer Außenfläche und der ortsfesten Abstützung erzeugen sollte. In diesen Systemen konnten die schwimmenden Hülsen frei drehen, aber nur mit Drehzahlen weiter unterhalb der der umlaufenden Welle, und sich radial bewegen, damit die rotierende Anordnung ihren Massenmittelpunkt finden und um ihn drehen konnte. Der innere und der äußere Schmierfilm lieferten die Schmierung, die nötig war, um Verschleiß zu verhindern und um ein "Polster" gegen Schwingungs- und Stoßbelastungen zu erzeugen.
Die oben beschriebenen Lageranordnungen mussten auch ein Drucklager zur Aufnahme der Axiallasten enthalten, die das Kompressor- und das Turbinenrad in den Turboladern erzeugten, und ein Kragen war auf der umlaufenden Welle vorgesehen, der an einem ortsfesten Drucklagerelement anlag. Die hohe Drehzahl des an die Welle angesetzten Kragens führte jedoch zu hohen Druckreibungsverlusten, was zusätzlich zu den Reibungsverlusten der Lagerhülsen einen erheblichen Reibungsverlust für die Lageranordnung insgesamt ergab.
Da eine Lageranordnung mit hohem mechanischem Wirkungsgrad vorteilhaft ist, ist in schnell drehenden Maschinen wie Turboladern die Verwendung von Wälzlagern ratsam. Die US-PS 4 370106 offenbart eine Lageranordnung für den Rotor eines Turboladers, die kompressorseitig ein Kugellager und turbinenseitig ein Hülsengleitlager aufweist. In dieser Anordnung sind sowohl das Wälz- als auch das Gleitlager in einem nicht drehenden langen Zylinder angeordnet. Der das Kugel- und das Gleitlager enthaltende Zylinder wird gegen Drehung durch einen Vierkant am kompressorseitigen Ende arretiert, der sich an Anschläge im ortsfesten Gehäuse anlegt. Zwischen dem nicht drehenden Zylinder und dem lagernden Gehäuse befindet sich Schmierstoff, um die exzentrische Rotorbewegung in Folge der restlichen Unwucht zu dämpfen. In dieser Lagerung ist jedoch die Drehzahldifferenz zwischen dem Hülsengleitlager und dem Rotor die sehr hohe Drehgeschwindigkeit des Rotors. Da die Reibungsverluste der Gleitlagerhülse proportional zum Quadrat der Drehzahldifferenz sind, sind diesem System höhere Reibungsverluste eigen als bei einer Lagerung mit frei schwimmender Lagerhülse. Da weiterhin der die Lager enthaltende, nicht drehende Zylinder am ortsfesten Gehäuse anliegen muss, trägt er die volle Drucklast des Rotors. Das restliche Ungleichgewicht der Rotorkräfte zwingt dem nicht drehenden Zylinder eine Orbitalbewegung auf, in Folge der die komplementären Oberflächen aneinander "fressen". Zwischen diesen Oberflächen ist also ein massiver Schmierstofffilm vorzusehen, um das Fressen zu mildern; das Problem selbst bleibt aber ein inhärenter Nachteil solcher Systeme mit nicht drehenden Zylindern und trägt zu einer begrenzten Standzeit im Feld bei.
Das Fressproblem nicht drehender, radial bewegbarer Systeme wird mit der Lageranordnung nach der US-PS 4 641 977 gelöst. Hier ist ein Kugellager in einem langen Zylinder angeordnet, der an einem Ende einen radial abstehenden Flansch aufweist. Der lang gestreckte Zylinder kann sich in begrenztem Ausmaß radial bewegen und im ortsfesten tragenden Element frei drehen. Der radial vorstehende Flansch liegt am ortsfesten Gehäuse an und trägt die Drucklast des Rotors. Da jedoch der lang gestreckte Zylinder verhältnismäßig langsam dreht, sind die Druckverluste minimal. In diesem Lagerungssystem ist jedoch die Lagerung des Rotors am anderen Zylinderende durch ein Gleitlager mit frei schwimmender Hülse vervollständigt. Das Kugel- und das Gleithülsenlager vermindern die Reibungsverluste dieses Systems und sein mechanischer Wirkungsgrad ist gegenüber bekannten Lagerungen verhältnismäßig hoch.
Die weitere Entwicklung hat zu den Systemen geführt, die in der US-Patentanmeldung Ser. No. 10/369 801 vom 20. Februar 2003, einer CIP-Anmeldung der Ser. No. 09/978 935 vom 16. Oktober 2001, beschrieben sind. Das in diesen Anmeldungen beschriebene System weist eine Lagerung mit einem Schrägkugellager in jedem Ende eines drehbaren langen Zylinders auf, der an einem Ende einen radial abstehenden Flansch hat und von einem ortsfesten Lagergehäuse getragen wird. Die Schrägkugellager nehmen Drucklasten in nur einer Richtung auf, wobei die Richtungen entgegengesetzt sind. Der radial abstehende Flansch am Ende des drehbaren langen Zylinders liegt am ortsfesten Lagergehäuse an, um die beidseitigen Drucklasten des Rotors aufzunehmen. Zwischen seiner Außenfläche und dem ortsfesten Lagergehäuse wird dem drehbaren langen Zylinder ein Schmierstoff zugeführt, der für die umlaufende Anordnung als Stoß- und Schwingungspolster wirkt. Weiterhin enthält der drehbare lange Zylinder Kanäle, die den Schmierstoff von seiner Außenfläche den Kugellagern in den Zylinderenden zuführen. Zwischen dem äußeren Laufring des turbinenseitigen Kugellagers und dem ortsfesten Lagergehäuse ist ein Toleranzlagerring vorgesehen, der eine axiale Verschiebung des Lagers in Folge der Axialexpansion der Welle bei Erwärmung zulässt, aber gleichzeitig eine Drehung des äußeren Laufrings im Gehäuse verhindert.
Diese Lagerung hat sich als für den gewerblichen Einsatz in schnell laufenden Turboladern als sehr zufriedenstellend erwiesen, erfordert aber die Zufuhr von druckbeaufschlagtem Schmierstoff aus der Motorschmierung; historisch gesehen hat aber die Verwendung von Schmieröl in Turboladern eine Anzahl von Betriebsproblemen aufgeworfen.
Um ein Eindringen von Öl in das Kompressor- und die Turbinengehäuse zu verhindern, werden in handelsüblichen Turboladern Kolbenringdichtungen eingesetzt. Da die Kolbenringe nicht mit Zwangsberührung arbeiten, besteht um sie herum ein kleiner Leckflussweg, so dass unter bestimmten Arbeitsbedingungen der Maschine Leckagen auftreten können. Schmierölleckagen in das Turbinengehäuse des Turboladers können zu unerwünschten Emissionen im Maschinenabgas beitragen. Ölleckagen in das Verdichtergehäuse werden in das Zuluftsystem der Maschine mitgerissen und im Motorzylinder dann verbrannt. Auch dabei können unerwünschte Emissionen im Maschinenabgas entstehen.
Weiterhin kann sich in kaltem Wetter nach dem anfänglichen Anlassen des Motors ein zufriedenstellender Schmiermittelzustrom zu den Lagern des Turboladers signifikant verzögern; diese Verzögerung kann zu einem Versagen des Lager beitragen, wenn es übermäßig lange dauert, bis das kalte viskose Schmiermittel die Lager des Turboladers erreicht hat.
Ein anderes Problem tritt auf, wenn eine Maschine abgeschaltet wird, nachdem sie unter hoher Last gearbeitet hat und die Abgastemperaturen sehr hoch sind. Dann kann Wärme vom heißen Abgasverteiler das Lagergehäuse des Turboladers erreichen und dort Ölreste verkohlen. Diese Ansammlung von verkohltem Schmierstoff kann schließlich zu einem Ausfall der gesamten Lageranordnung führen.
Schließlich sind die Kosten der mechanischen Details zum Leiten des Schmieröls von der Maschine zum Ölzulauf des Turboladers und des verbrauchten Schmieröls in das Kurbelgehäuse der Maschine zu berücksichtigen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt ein Lagersystem für schnell drehende Maschinen bzw. Maschinenteile wie bspw. Turbolader für Verbrennungskraftmaschinen bereit, das durch die Verwendung von Kugel-Wälzlagern äußerst niedrige Verluste bietet, die Notwendigkeit der Zufuhr von Schmieröl aus der Verbrennungskraftmaschine eliminiert, Stoß- und Schwingungsbelastungen aufnimmt und sich auf erheblich niedrigeren Arbeitstemperaturen halten lässt als bekannte Lagersysteme.
Nach einem Aspekt der Erfindung bilden das Lagersystem für die rotierende Anordnung und das sie tragende Gehäuse gemeinsam eine Kühlmittelkammer mittels eines lang gestreckten Lagerträgers, dessen Außenflächen eine Oberfläche der Kühlmittelkammer bilden und der gegen das Gehäuse mittels eines Elastomer-Bandes auf jeder Seite der die Kühlmittelkammer bildenden Oberflä che zwischen der Außenfläche des langen Lagerträgers und dem Gehäuse abgedichtet ist. Die Elastomer-Bänder stützen auch das Lagersystem ab; sie ermöglichen der rotierenden Anordnung sich um ihren Massenmittelpunkt zu drehen, und sie dämpfen auf das Lagersystem aufgebrachte Stoß- und Schwingungslasten. Vorzugsweise hat der lange Lagerträger eine zylindrische Außenfläche mit beiderseits der die Kühlmittelkammer bildenden Oberfläche umlaufend eingeformten O-Ring-Nuten und sind die Elastomer-Bänder in diese Umfangsnuten eingelegte O-Ringe.
Nach einem anderen Aspekt ist die vorliegende Erfindung ein Lagersystem für eine von einem Gehäuse getragene rotierende Anordnung, bspw. in einem Turbolader, und weist auf: einen lang gestreckten Lagerträger, der von einer Vielzahl ihn umgebender elastischer Elemente, im Gehäuse herausnehmbar abgestützt ist, wobei nahe an jedem Ende des langen Lagerträgers zwischen letzterem und dem Gehäuse mindestens ein elastisches Element angeordnet ist; und ein Paar Schrägkugel-Wälzlager, die im langen Lagerträger gelagert sind, wobei die inneren Laufringe der Wälzlager die rotierende Anordnung drehend lagern, an jedem Ende des langen Lagerträgers eines der beiden Schrägkugel-Wälzlager des Paares angeordnet ist und Drucklasten in einer Richtung aufnimmt, wobei die von jedem Schrägkugel-Wälzlager aufgenommene Drucklast der vom anderen Schrägkugel-Wälzlager aufgenommenen entgegengesetzt gerichtet ist. Vorzugsweise bildet das Gehäuse eine Kühlmittelkammer in Kontakt mit einem lang gestreckten zylindrischen Lagerträger, sind die elastischen Elemente O-Ringe und ist die Kühlmittelkammer mit O-Ringen abgedichtet, so dass Wärme von der rotierenden Anordnung und den Schrägkugel-Wälzlagern an das der Kühlmittelkammer zugeführte Kühlmittel abgegeben wird. Zusätzlich kann der lange zylindrische Lagerträger auswärts abstehende Flanschflächen, kann das Gehäuse Flächen an den auswärts abstehenden Flanschflächen aufweisen und kann ein reibungsminderndes Material zwischen den auswärts abstehenden Flanschflächen und den Gehäuseflächen vorgesehen sein, wobei die auswärts abstehenden Flansch- und die Gehäuseflächen gemeinsam die Drucklasten der rotierenden Anordnung aufnehmen.
Erfindungsgemäße Lagerungssysteme können eine Doppel-Kugellagerung mit zwei Schrägkugel-Wälzlager in den entgegengesetzten Enden eines lang gestreckten Zylinders aufweisen, die Druckkräfte jeweils in nur einer Richtung aufnehmen. Der lang gestreckte Zylinder kann an einem Ende einen radial abstehenden Flansch aufweisen, der an ortsfesten Gehäuseelementen anliegt, um die Drucklast der rotierenden Anordnung in beiden Richtungen aufzunehmen. Der lange Zylinder kann mit zwei Umfangsnuten versehen sein, in die jeweils ein elastisches Element wie ein O-Ring eingelegt ist. Diese elastischen Elemente können aus einem temperaturfesten Gummi wie Viton hergestellt sein. Der lange Zylinder, der die Schrägkugel-Wälzlager und die O-Ring-Dichtungen enthält, lässt sich in eine Bohrung in einem Turbolader-Lagergehäuse einsetzen, der mit einem ringartig umlaufenden Kühlwassermantel versehen ist, der den langen Zylinder so umgibt, dass die Außenfläche des in das Lagergehäuse eingesetzten langen Zylinders die innere Grenzfläche des Kühlwassermantels bildet und die elastischen Elemente als Dichtungen wirken, die den Kühlwasserdurchlass verschließen. Die neuartige Anordnung dieser Teile ermöglicht dem Kühlmittel, über den Mittelteil des langen Zylinders zu fließen und so sowohl die Schrägkugel-Wälzlager als auch die O-Ring-Dichtungen zu kühlen. In dieser Lagerung wirken die elastischen O-Ringe auch als radiale Federn und ermöglichen geringe Orbitalauslenkungen des langen Zylinders, die in Folge einer restlichen Unwucht der rotierenden Anordnung auftreten, so dass der Rotor um seinen Massenmittelpunkt drehen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Wälzlager einen vollständigen Satz Lagerkugeln auf und erfordern keinen Käfig zur Abstandhaltung derselben. Auch die Anwendung von Keramikkugeln ist bevorzugt, da sie leichter als Stahlkugeln sind. Die Verwendung von Keramikkugeln ohne Käfig ermöglicht den Lagern einen sehr zufriedenstellenden Betrieb bei den sehr hohen Drehzahlen, die der Rotor des Turboladers beim Arbeiten an einer Verbrennungskraftmaschine erreicht.
So schafft die Erfindung ein Lagerungssystem für einen Turbolader, das keine Druckölzufuhr aus der zugeordneten Maschine erfordert. Diese Lagerung beseitigt weiterhin eine mögliche Quelle unerwünschter Abgasemissionen durch den Wegfall von Schmierölleckagen aus dem Turbolader, erbringt einen maximierten mechanischen Wirkungsgrad und ermöglicht in Folge minimaler Reibungsverluste ein schnelles Beschleunigen des Turboladerrotors und so beim Beschleunigen der Maschine unter Last eine schnelle Zufuhr von Verbrennungsluft zur den Maschinenzylindern. Schließlich arbeitet die erfindungsgemäße Lagerung bei niedrigeren Temperaturen und wird zuverlässiger sein.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch, Probleme und Komplikationen motorgestützter Turboladersysteme zu überwinden, indem ein Motor-Generator-Satz am Verdichterzulauf des Turboladers angeordnet ist, wo er vom Ansaugluftstrom gekühlt wird. Der Rotor des Motor-Generator-Satzes lässt sich mit dem Turbolader-Rotor mit einem permanenten Verbinder koppeln, der über den gesamten Arbeitsdrehzahlbereich des Turboladers im Eingriff bleibt. Die Steuerelektronik für den Motor-Generator-Satz, die in den Beschleunigungsintervallen der Maschine diesen aus dem Akkumulator speist, lässt sich im Verdichterzulauf anordnen, so dass sie von der Lüftung durch die Zuluft profitiert. Bei hohen Maschinendrehzahlen, wenn im Abgas der Maschine ein Energieüberschuss vorhanden ist, ermöglicht die Steuerung dem Motor, als Generator zu arbeiten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Schnitt in einer Ebene durch die Rotationsachse eines Turboladers, der die vorliegende Erfindung benutzt; und
2 ist ein Schnitt in einer Ebene durch die die Rotationsachse einer erfindungsgemäßen Einheit mit einem Turbolader und einem elektrischen Motor-Generator-Satz.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Mit dem erfindungsgemäßen Lagerungssystem ist eine mit hoher Drehzahl umlaufende Welle in einem stationären Maschinenelement lagerbar. Ein Turbolader 10 – vergl. 1 – ist ein Beispiel einer Maschine, in der die Erfindung sich mit Vorteil einsetzen lässt. Die Erfindung wird unten am Turbolader der 1 und an einem motorgestützten Turbolader nach 2 ausführlich beschrieben.
Die 1 zeigt einen Turbolader 10, wie er häufig zur Zufuhr von Ladeluft zu den Zylindern einer Verbrennungskraftmaschine Einsatz findet. Wie bekannt, hat der Turbolader 10 ein ortsfestes Gehäuse 11 mit einem Abgasdiffusor 12, einem Verdichtergehäuse 13 und einem Lagergehäuse 14, das die rotierende Anordnung 20 umfasst. Die rotierende Anordnung 20 wird vom Abgas aus einer Verbrennungskraftmaschine (nicht gezeigt) angetrieben, das aus dem Abgasdiffusor durch das Turbinenrad 21 der rotierenden Anordnung geführt wird. Mit seiner Drehung treibt das Turbinenrad 21 das Verdichterrad 22 des Turboladers über eine drehbar gelagerte Welle 23 an; alle diese Elemente sind im ortsfesten Gehäuse 11 des Turboladers 10 mit einer erfindungsgemäßen Lagerung 30 gelagert. Das drehende Verdichterlaufrad 22 saugt Luft in den Luftzulauf 15 und führt sie verdichtet durch das Verdichtergehäuse 13 hindurch den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine zu. Die erfindungsgemäße Lagerung 30 trägt die drehende Welle 23 und ist selbst vom Lagergehäuse 14 getragen. Die Wellen von Turboladern arbeiten, wie bekannt, mit Drehzahlen von 200.000 U/min und mehr und sind an den Turbinenenden hohen Temperaturen aus Maschinenabgasen ausgesetzt.
Das in 1 dargestellte erfindungsgemäße Lagerungssystem 30 weist einen lang gestreckten Lagerträger 31 auf, der über die Anlage an ihren äußeren Laufringen ein Paar Kugel-Wälzlager 32, 33 trägt, und zwar ein Kugel-Wälzlager 32 am Turbinenende und ein anderes Kugel-Wälzlager 33 am Verdichteren de. Die drehbare Welle 23 wird von den inneren Laufringen der Wälzlager 32, 33 getragen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es sich bei den Kugel-Wälzlagern 32, 33 um Schrägkugellager handeln, die Druck jeweils in nur einer Richtung aufnehmen. Bspw. wird ein Schrägkugel-Wälzlager 32 den Druck der rotierenden Anordnung aufnehmen, wenn er zum Verdichter hin wirkt, während ein Schrägkugel-Wälzlager 33 den Druck der rotierenden Anordnung aufnimmt, wenn er zum Turbinenende hin wirkt.
Wie in 1 dargestellt, weist der Lagerträger 31 vorzugsweise einen lang gestreckten Zylinder mit einer – vorzugsweise zylindrischen – Außenfläche 31a und einer inneren Bohrung (innerer Durchgang) auf. Das Kugel-Wälzlager 32 ist am Verdichterende des Lagerträgers 31 mit dem äußeren Laufring in den Bohrungsabschnitt 31b eingepresst. Das Kugel-Wälzlager 33 am Turbinenende des Lagerträgers 31 ist mit einem Toleranzring 34 zwischen seinem äußeren Laufring und dem Bohrungsabschnitt 41c im Turbinenende des Lagerträgers 31 versehen. Der Toleranzring 34 verhindert, dass der äußere Laufring des Wälzlagers 33 im Lagerträger 31 in Folge der Anlage am Bohrungsteil 31c dreht, ermöglicht aber dem äußeren Laufring 33 eine axiale Verschiebung, wenn die Welle 23 am Turbinenende heißen Abgasen ausgesetzt ist.
Verdichterseitig hat der Lagerträger 31 einen auswärts abstehenden Flansch 31d mit zwei Druck aufnehmenden Flächen 31e, 31f. Die Fläche 31e wirkt mit einer angrenzenden, Druck aufnehmenden Fläche auf einer Endplatte 16 des ortsfesten Gehäuses 11 zusammen, die Fläche 31f mit einer angrenzenden, Druck aufnehmenden Fläche am Lagergehäuse 14. Beide Flächen 31e, 31f können mit einem reibungsmindernden Material bzw. Belag versehen sein, um ein Fressen der Flächen in Folge der kleinen Orbitalbewegung des Lagerträgers 31 zu verhindern, die bei einer restlichen Unwucht der rotierenden Anordnung 20 entstehen kann.
Wie die 1 zeigt, ist der Lagerträger 31 im Lagergehäuse 14 mit einer Vielzahl elastischer Elemente 35 gelagert, bei denen es sich vorzugsweise um um den Lagerträger 31 außen umlaufende Elastomer-Bänder handelt, die an der Außenfläche 31a des Lagerträgers und an den Innenwandflächen 14a, 14b des Lagergehäuses 14 anliegen. Die elastischen Elemente 35 wirken radial federnd und lassen eine evtl. von einer restlichen Unwucht der rotierenden Anordnung 20 verursachte geringe Orbitalbewegung der Lagerung 30 zu, so dass letztere um ihren Massenmittelpunkt umlaufen kann. Die elastischen Elemente 35 federn auch die rotierende Anordnung 20 und die Lagerung 30 gegen Stoß- und Schwingungsbelastungen ab.
In der in 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform kann die Außenfläche 31a des Lagerträgers 31 zwei Umfangsnuten 31g, 31h enthalten, die axial beabstandet sind und die elastischen Elemente 35 aufnehmen, bei denen es sich um O-Ringe handeln kann, die in den Umfangsnuten 31g, 31h sitzen. Die Elastizität der Elemente 35 lässt eine radiale Bewegung des Lagerträgers 31 aus einer restlichen Unwucht der rotierenden Anordnung zu, während gleichzeitig eine Drehung des Lagerträgers 31 im Lagergehäuse 14a, 14b verhindert ist. Die elastischen Elemente 35, die O-Ringe sein können, wirken so als radiale Federn und federn die rotierende Anordnung die Lagerung 20 gegen Stoß- und Schwingungslasten ab.
Wie die 1 zeigt, weist das Lagergehäuse 14 eine Kühlmittelkammer 18 mit einem Kühlwassermantel 18c für Kühlwasser auf, das aus heißen Turbinenbereichen des Turboladers auf das Lagergehäuse 14 und die Lagerung 30 übertragene Wärme abführt.
Die Kühlmittelkammer 18 hat einen Zulauf 18a, der mit der Kühlung einer Verbrennungskraftmaschine verbunden sein kann, und einen Ablauf 18b, der Kühlmittel aus dem Mantel 18 übernimmt und zur Kühlung der Verbrennungskraftmaschine zurück führt.
Wie in 1 weiter dargestellt, bilden in einem Aspekt der Erfindung das Lagerungssystem 30 für die rotierende Anordnung 20 und das Lagergehäuse 14 ge meinsam die Kühlmittelkammer 18, wobei der Lagerträger 31, dessen Außenfläche 31a eine der die Kühlmittelkammer 18 bildende Flächen ist, gegen die Wände 14a, 14b des Lagergehäuses 14 durch Elastomer-Bänder 35 abgedichtet wird, die zwischen der Außenfläche 31a des Lagerträgers und den Wänden 14a, 14b des Lagergehäuses 14 beiderseits des die Kühlmittelkammer bildenden Flächenteils angeordnet sind. Wie oben festgestellt, tragen die Elastomer-Bänder 35 auch die Lagerung 30 und ermöglichen der rotierenden Anordnung 20 ein Drehen um ihren Massenmittelpunkt und federn die Lagerung 30 und die rotierende Anordnung 20 gegen Stöße und Schwingungen ab. In der dargestellten bevorzugten Ausführung hat der Lagerträger 31 eine zylindrische Außenfläche 31a mit umlaufenden O-Ring-Nuten 31g, 31h beiderseits des die Kühlmittelkammer 18 mit bildenden Teils der Außenfläche 31a; die Elastomer-Bänder 35 sind in diese umlaufenden Nuten eingelegte O-Ringe.
Das Lagergehäuse 14 enthält die Öffnungen 14e, 14f, die einen Kühlmittelfluss durch einen Wassermantelteil 18c des Lagergehäuses 14, einen Umlauf des Kühlmittels um den Lagerträger 31 und die Abfuhr von Wärme erlauben, die auf die Lagerung 30 übertragen wird und in ihm entsteht. Die elastischen Elemente 35 dichten den Kühlmittelkanal ab und verhindert ein Entweichen von Kühlmittel in die angrenzenden Bereiche um den langen Zylinder 31 herum. Die elastischen Elemente 35 bestehen vorzugsweise aus einem hochtemperaturfesten Gummi wie Viton und können Viton-O-Ringe sein. Der Kühlmittelfluss durch die Kühlmittelkammer 18 schützt die Lagerung 30 und die elastischen Elemente 35 vor Wärme aus dem heißen Turbinengehäuse 12 und dem heißen Turbinenrad 21. Eine Kolbenringdichtung 28 und eine zweite Kolbenringdichtung 29 verhindern ein Eindringen von heißem Gas bzw. verdichteter Luft in den die Lagerung enthaltenden Innenraum.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung ist der lange Lagerträger 31 im Lagergehäuse 14 herausnehmbar mit einer Vielzahl von elastischen Elementen 35 gelagert, die ihn umgeben, wobei sich an jedem Ende des Lagerträgers 31 zwischen ihm und dem Lagergehäuse 14 jeweils mindestens ein elastisches Element 35 befindet. In dem Träger 31 ist ein Paar Schrägkugel-Wälzlager 32, 33 mit deren äußeren Laufringen gelagert; ihre inneren Laufringe tragen die rotierende Anordnung 20. An jedem Ende des Lagerträgers befindet sich eines der Schrägkugel-Wälzlager 32, 33 des Paares und nimmt Druck in einer Richtung auf, wobei der Druck, den ein Schrägkugel-Wälzlager 32, 33 aufnimmt, dem vom anderen Wälzlager aufgenommenen entgegengesetzt ist. Weiterhin weist der Lagerträger 31 vorzugsweise einen auswärts abstehenden Flansch 31d mit einem Paar Druck aufnehmender Flächen 31e, 31f auf, die gemeinsam mit angrenzenden Flächen des ortsfesten Gehäuses 11 Drucklasten aus der rotierenden Anordnung 20 aufnehmen.
Die vorliegende Erfindung erlaubt, einen Turbolader, wie er in 1 dargestellt ist, wirtschaftlicher zu fertigen als die in derzeit handelsüblichen Turboladern angewandten komplizierteren Konstruktionen.
Turbolader, in denen die vorliegende Erfindung angewandt ist, können u.a. die folgenden Vorteile erbringen:

1. Ein höchstmöglicher mechanischer Wirkungsgrad in Folge der Verwendung von Wälzlagern.
2. Der Wegfall der Verwendung von Schmieröl der Verbrennungskraftmaschine, was die in derzeit handelsüblichen Turboladern herrschenden Leckageprobleme, Lagerausfälle in Folge verzögerter Ölzufuhr beim Anlaufen in kaltem Wetter und das Verkohlen von Ölresten beseitigt, das beim Abschalten der heißen Maschine auftreten kann.
3. Eine außergewöhnliche Kühlung eines Turboladers mittels einer Kühlmittelkammer, die einen übermäßigen Wärmeübergang von heißen Turbinenteilen in das Lagergehäuse verhindert und einen direkten Kontakt zwischen dem Kühlmittel und dem Lagerungssystems des Turboladers erbringt, in Folge dessen an das Lagerungssystems übertragene und in ihm bei hoher Drehzahl erzeugte Wärme abgeführt wird.
4. Die Verwendung von Schrägkugel-Wälzlagern mit einem vollständigen Satz von Keramikkugeln erlaubt einen zufriedenstellenden Betrieb bei ultrahohen Drehzahlen bei vernünftigen Kosten, da der in üblicheren Kugellagern vorhandene Kugelkäfig entfällt.
5. Die elastischen Lagerungselemente trennen einen lang gestreckten Lagerträger von den Innenwandflächen des Lagergehäuses; sie lassen kleinere Radialbewegungen des Lagersystems zu, schützen es vor Stößen und Schwingungen und schließen einen Kühlmittelkanal um den langgestreckten Zylinder herum dicht ab.
6. Die Einfachheit der mechanischen Konstruktion erlaubt eine wirtschaftliche Fertigung.

Die 2 zeigt einen motorgestützten Turbolader 50, der das erfindungsgemäße Lagerungssystem 30 verwendet. Dabei ist die drehbare Welle 23 am Verdichterende mit einem extern aufgesetzten Motor-Generator-Satz 60 verbunden, dessen Steuerelektronik 61 direkt auf einem Motorgehäuse 62 sitzt. Der in 2 gezeigte Motor-Generator-Satz 60 hat einen permanentmagnetischen Rotor 63 und einen drahtgewickelten Stator 64, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Das Motorgehäuse 62 ist direkt auf ein modifiziertes Verdichtergehäuse 51 aufgesetzt und enthält Luftkanäle 65, die Umluft aus einer Luftreinigungseinrichtung übernehmen und in das Verdichterlaufrad 22 leiten. Die Steuerelektronik 61 für den Motor-Generator-Satz 60, deren Schaltung aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist mittels kurzer Leitungen 66 an den Motor-Generator-Satz 64 angeschlossen. Eine flexible Kupplung 67 verbindet die Welle 23 des Turbnoladers mit dem Rotor 63 des Motor-Generator-Satzes 60; die Verbindung bleibt über den gesamten betrieblichen Drehzahlbereich des Turboladers erhalten.
Die auf das Motorgehäuse 62 aufgesetzte Steuerelektronik 61 erregt den Motor mit Akkumulatorstrom beim Anlauf der Verbrennungskraftmaschine. Die Steuerelektronik 61 erlaubt bei hohen Drehzahlen der Maschine, wenn deren Abgasstrom überschüssige Energie enthält, ein Umschalten des MotorGenera tor-Satzes 60 zu einem Generator. In derzeit üblichen Turboladern enthält das Turbinengehäuse ein Abgastor bzw. Beipassventil, um den Energieüberschuss im Abgas abzuleiten; so wird verhindert, dass der Rotor des Turboladers seine Grenzdrehzahl übersteigt, aber auch der im Abgas enthaltene Energieüberschuss verschwendet. Die vorgeschlagene Nutzung erlaubt, mit dem verfügbaren Energieüberschuss elektrischen Strom zu erzeugen, der in die Fahrzeugelektrik zurückgeführt werden kann und bspw. zum Aufladen von Akkumulatoren verwendbar ist.
Die neuartige Lagerung des Motor-Generator-Satzes 60 auf dem Verdichtergehäuse lässt zu, ihn mit ringförmig umlaufenden Zuluftkanälen 65 zu umgeben und die Teile des Motor-Generator-Satzes zu kühlen. Das Aufsetzen der Elektronik 61 auf dem Motorgehäuse 62 bewirkt eine Kühlung der Teile derselben.
Indem man den Motor-Generator-Satz 60 vor dem Verdichter des Turboladers extern im kühlen Zuluftstrom anordnet, lässt ersterer sich erheblich größer ausführen als eine in das Innere des Turboladers aufzunehmende Konstruktion, so dass dem Rotor des Turboladers beim Beschleunigen viel mehr Leistung zugeführt werden kann. Die hier offenbarte neuartige Ausführung nach der Erfindung überwindet also die Komplikationen, die sich aus einem separaten motorgetriebenen Verdichter mit einem Beipassventil in der Ansaugleitung der Verbrennungskraftmaschine ergeben. Die Steuerung lässt sich am Motor anordnen und hält so die elektrischen Zuleitungen zwischen ihr und dem Motor möglichst kurz. Man erhält so den gesamten für die erfindungsgemäßen Lagerungen beschriebenen Nutzen. Der gedrängte Aufbau und die Einfachkeit eines solchen motorgestützten Turboladers fasst alle wesentlichen Elemente eine Ladesystems in einer einzigen Vorrichtung zusammen, die ein kostengünstigeres, leistungsfähigeres und effizienteres System als andere Alternativen ergibt.
Es sind oben derzeit bevorzuge Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben. Ohne Verlassen des Umfangs der folgenden Ansprüche sind jedoch auch andere Ausführungsformen möglich.
Daher ist die vorgehende ausführliche Beschreibung lediglich als erläuternd, nicht als die Erfindung einschränkend aufzufassen; der Grundgedanke und der Umfang der vorliegenden Erfindung sowie ihre Äquivalente ergeben sich ausschließlich aus den folgenden Ansprüchen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Lagerungssystem für eine Turboladerwelle weist einen lang gestreckten Lagerträger mit zwei in dessen Enden eingesetzten Kugellagern sowie einem radial abstehenden Flansch an einem Ende auf, der mit ortsfesten Gehäuseteilen zusammenwirkt und Rotor-Drucklasten in beiden Richtungen aufnimmt. Der lange Lagerträger ist im Gehäuse mittels axial beabstandeter elastischer Elemente abgestützt, die die rotierende Anordnung um ihren Massenmittelpunkt drehen lassen und sie gegen Stöße und Schwingungen abfedern. Der lange Lagerträger und das Gehäuse bilden gemeinsam eine Kühlmittelkammer, die mit der Außenfläche des Lagerträgers zwischen den axial beabstandeten elastischen Stützelementen in Strömungsverbindung steht, die auch als Kühlmitteldichtungen zwischen dem langen Lagerträger und dem Lagergehäuse wirken. Die Kühlmittelkammer schützt die Lagerung und die Kugellager vor Wärme aus der vom Abgas angetriebenen Turbine und kühlt auch das Gehäuse. Zusätzlich kann der Turbolader einen extern angebrachten Motor-Generator-Satz tragen, dessen Rotor mit dem Turboladerrotor mit einer Kupplung verbunden ist, die über den gesamten Arbeitsdrehzahlbereich des Turboladers im Eingriff bleibt. Die Steuerelektronik des Motor-Generator-Satzes ist auf dem Motorgehäuse angeordnet, das von in den Verdichter des Turboladers eingesaugter Luft gekühlt wird (1).

Claims

Turbolader für eine Verbrennungskraftmaschine mit: einer rotierenden Anordnung mit einem Turbinen- und einem Verdichterrad, die auf den entgegengesetzten Enden einer Welle sitzen; einem ortsfesten Gehäuse mit einem Abgasdiffusor, mit dem Abgase der Maschine durch das Turbinenrad richtbar sind, um die rotierende Anordnung zu drehen, einem Verdichtergehäuse zur Aufnahme verdichteter Luft aus dem Verdichterrad sowie einem Lagergehäuse; und einem Lagerungssystem, mit dem die rotierende Anordnung im ortsfesten Gehäuse lagerbar ist und das einen lang gestreckten Lagerträger, der mit einer Vielzahl von zwischen dem langen Lagerträger und dem Lagergehäuse angeordneten elastischen Elementen herausnehmbar gelagert ist, sowie ein Paar Kugel-Wälzlager aufweist, wobei die Kugel-Wälzlager axial beabstandet angeordnet sind und vom langen Lagerträger jeweils an einem Ende desselben getragen werden, wobei die Kugel-Wälzlager im Eingriff mit der Welle stehen und die rotierende Anordnung drehbar im ortsfesten Gehäuse lagern.
Turbolader nach Anspruch 1, dessen Lagergehäuse und lang gestreckter Lagerträger eine Kühlmittelkammer bilden, die zwischen dem Lagergehäuse und dem langen Lagerträger von der Vielzahl elastischer Elemente abgedichtet wird, wobei Kühlmittel durch die Kühlmittelkammer in Kontakt mit dem langen Lagerträger im Umlauf haltbar ist, um Wärme von der rotierenden Anordnung und den Kugel-Wälzlagern abzuführen.
Turbolader nach Anspruch 1, dessen Lagergehäuse einen ringförmig umlaufenden Kühlwasserkanal enthält, der in Strömungsverbindung mit der Außenfläche des langen Lagerträgers steht und einen Zu- und einen Ablauf aufweist, durch die Maschinenkühlmittel zu- bzw. abströmen kann.
Turbolader nach Anspruch 1, bei dem die Kugel-Wälzlager Schrägkugellager sind, die Schub in nur einer Richtung aufnehmen.
Turbolader nach Anspruch 4, dessen Schrägkugel-Wälzlager Kugellager mit vollständigem Kugelsatz sind.
Turbolader nach Anspruch 1, dessen Kugel-Wälzlager Keramikkugeln aufweisen.
Turbolader nach Anspruch 1, dessen Kugel-Wälzlager Schrägkugel-Wälzlager mit einem vollständigen Satz Keramikkugeln aufweisen.
Turbolader nach Anspruch 1, dessen Kugel-Wälzlager an einem Ende des lang gestreckten Zylinders in einen Toleranzring eingesetzt ist, der das Kugel-Wälzlager außen umgibt.
Turbolader nach Anspruch 1, bei dem der lang gestreckte Lagerträger auswärts abstehende Flanschflächen und das ortsfeste Gehäuse an die auswärts abstehenden Flanschflächen des langen Lagerträgers angrenzende Flächen aufweisen, zwischen den auswärts abstehenden Flanschflächen und den Flächen des ortsfesten Gehäuses ein reibungsminderndes Material angeordnet ist und die auswärts abstehenden Flansch- und die angrenzenden Gehäuseflächen zusammenwirkend Drucklasten der rotierenden Anordnung aufnehmen.
Turbolader nach Anspruch 1 weiterhin mit einem elektrischen Motor-Generator-Satz mit einem Motorgehäuse, das mit dem Verdichtergehäuse verbunden ist und von ihm getragen wird, und einem Motor-Generator-Rotor, der mit der Turbuladerwelle verbunden ist.
Turbolader nach Anspruch 10, bei dem das Motorgehäuse einen Zulauf zum Verdichterrad des Turboladers bildet und Flächen vorgesehen sind, die zur Wärmeübertragung von den Motorkomponenten und der elektronischen Steuerung her angeordnet sind.
Turbolader nach Anspruch 2, dessen lang gestreckter Lagerträger eine zylindrische Außenfläche hat und die elastischen Stützelemente ein Paar O-Ringe sind, die die zylindrische Außenfläche des langen Lagerträgers jeweils an einem Ende desselben umgeben.
Verbessertes Lagerungssystem für eine rotierende Anordnung im Gehäuse eines Turboladers für eine Verbrennungskraftmaschine, bei dem das Lagerungssystem und das Gehäuse gemeinsam eine Kühlmittelkammer bilden, indem ein herausnehmbarer, lang gestreckter Lagerträger vorgesehen ist, dessen Außenfläche eine Abschlussfläche der Kühlmittelkammer bildet und gegen das Gehäuse mit einem elastomeren Band auf jede Seite der einen Fläche abgedichtet ist, wobei die elastomeren Bänder das Lagerungssystem und die rotierende Anordnung auch tragen und gegen Stoß- und Schwingungsbelastungen abfedern.
Verbesserung nach Anspruch 13, bei der der lange herausnehmbare Lagerträger eine zylindrische Außenfläche aufweist, in die beiderseits eine umlaufende O-Ring-Nut eingeformt ist, wobei die elastomeren Bänder in die Umfangsnuten eingelegte O-Ringe sind.
Verbessertes Lagerungssystem für eine rotierende Anordnung im Gehäuse eines Turboladers für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem lang gestreckten zylindrischen Lagerträger, der im Gehäuse herausnehmbar mittels eines Paares elastomerer Bänder gelagert ist, die den lang gestreckten Lagerträger umgeben, wobei die elastomeren Bänder jeweils an einem Ende des langen zylindrischen Lagerträgers zwischen diesem und dem Gehäuse angeordnet sind, sowie mit einem Paar Schrägkugel-Wälzlager mit einem vollständigen Satz Kermikkugeln, die mit ihren äußeren Laufringen im langen zylindrischen Lagerträger getragen werden und mit ihren inneren Laufringen die rotierende Anordnung lagern, wobei an den Enden des langen zylindrischen Lagerträgers jeweils ein Schrägkugel-Wälzlager des Paares vorgesehen ist, das Druck in nur einer Richtung aufnimmt, und wobei der von dem einen Schrägkugel- Wälzlager aufgenommene dem von dem anderen Schrägkugel-Wälzlager aufgenommenen Druck entgegengesetzt ist.
Verbesserung nach Anspruch 15, bei der das Gehäuse eine Kühlmittelkammer bildet, die in Berührung mit dem langen zylindrischen Lagerträger steht und von dem Elastomer-Bänderpaar abgedichtet ist, wobei Wärme von der rotierenden Anordnung und den Schrägkugel-Wälzlagern auf das der Kühlmittelkammer zugeführte Kühlmittel übertragen wird.
Verbesserung nach Anspruch 16, bei der der lange zylindrische Lagerträger eine zylindrische Außenfläche mit einem Paar umlaufender Nuten jeweils an den Enden desselben aufweist und die elastomeren Bänder des Paares O-Ringe sind, die in die umlaufenden Nuten eingelegt sind, am Gehäuse anliegen und die Kühlmittelkammer abdichten.
Lagerungssystem für eine mit hoher Drehzahl um eine Rotationsachse umlaufende Welle mit: einem lang gestreckten Zylinder mit einer zylindrischen Außenfläche, einem mittigen Durchgang und einem auswärts abstehenden ringförmigen Flansch zur Bildung eines Paares von Druck aufnehmenden Flächen, einem ersten Kugel-Wälzlager im mittigen Durchgang an einem Ende des lang gestreckten Zylinders, einem zweiten Kugel-Wälzlager im mittigen Durchgang am anderen Ende des langen Zylinders, zwei umlaufenden Nuten, die axial beabstandet um die zylindrische Außenfläche verlaufen, zwei elastischen Elementen, die jeweils in einer der umlaufenden Nuten eingelegt sind, und einem Abstandhalter zwischen den die Welle tragenden inneren Laufringen der Kugel-Wälzlager.
Lagerungssystem nach Anspruch 18, bei dem die Flächen der auswärts abstehenden ringförmigen Flansche mit einem reibungsmindernden Material versehen sind.
Lagerungssystem nach Anspruch 18, bei dem die Kugel-Wälzlager Schrägkugellager sind, die Druck in nur einer Richtung aufnehmen.
Lagerungssystem nach Anspruch 20, bei dem die Schrägkugel-Wälzlager einen vollständigen Satz Lagerkugeln enthalten.
Lagerungssystem nach Anspruch 18, bei die Lagerkugeln der Wälzlager Keramikkugeln sind.
Lagerungssystem nach Anspruch 18, bei dem die Kugel-Wälzlager Schrägkugellager mit einem vollständigen Satz Keramikkugeln sind.
Lagerungssystem nach Anspruch 18, bei dem das Kugel-Wälzlager an einem Ende des langen Zylinders in einen Toleranzring eingesetzt ist, der das Kugel-Wälzlager außen umgibt.