DE112014003073T5

DE112014003073T5 - Turboladerspüldichtung mit axialsymmetrischem Versorgungsholraum

Info

Publication number: DE112014003073T5
Application number: DE112014003073.2T
Authority: DE
Inventors: Allan D. Kelly; E. Perry Ellwood; Robert T. Race; Zachary Ashton
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2014-07-18
Publication date: 2016-03-17
Also published as: WO2015013114A1; CN105378247A; JP2016525183A; CN105378247B; US20160160872A1; KR20160040212A; US10240610B2

Abstract

Eine rotierende Turboladerbaugruppe (125) weist eine Welle (20) auf, die über Lager (26, 128) drehbar in einem Lagergehäuse (123) gelagert ist, ein an der Welle (20) montiertes Verdichterrad (18) und eine Ölschleudervorrichtung (122), die zwischen den Lagern (26, 128) und dem Verdichterrad (18) an der Welle (20) angeordnet ist. Der Turbolader (100) weist ferner einen Einsatz (134) auf, der so in der die Welle aufnehmenden axialen Bohrung (120) angeordnet ist, dass er die Ölschleudervorrichtung (122) umgibt, und eine Spüldichtung (160), die funktionsmäßig in einem Zwischenstück (131) zwischen dem Einsatz (134) und der Ölschleudervorrichtung (122) positioniert ist, wobei die Spüldichtung (160) so konfiguriert ist, dass sie ein Eindringen von Öl aus dem Lagergehäuse (123) in das Zwischenstück (131) auf ein Minimum beschränkt. Ein ringförmiger Hohlraum (150) umgibt die radial nach außen weisende Fläche (138) des Einsatzes (134), wobei der Hohlraum (150) einen Abschnitt eines Fluidwegs bildet, der so konfiguriert ist, dass er Druckfluid zu dem Zwischenstück (131) leitet.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht das Prioritätsrecht der am 26. Juli 2013 eingereichten vorläufigen US-amerikanischen Patentanmeldung Nr. 61/858,978 mit dem Titel „Turbocharger Purge Seal Utilizing Axisymmetric Volume to Facilitate Supply Gas Passage Fabrication”, deren gesamter Inhalt durch Verweis darauf als hier mit aufgenommen gilt.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Turbolader werden an einem Motor dafür bereitgestellt, Luft mit höherer Dichte zum Motoreinlass zu liefern, als dies bei einer normalen Ansaugkonfiguration möglich wäre. Dadurch kann mehr Kraftstoff verbrannt werden, was die Leistung des Motors steigert, ohne dass sich das Motorgewicht wesentlich erhöht.
Turbolader nutzen in der Regel den Abgasstrom aus dem Motorabgaskrümmer, der an einem Turbinengehäuseeingang in die Turbinenstufe des Turboladers eintritt und dadurch ein Turbinenrad antreibt, das sich in dem Turbinengehäuse befindet. Das Turbinenrad ist an einem Ende einer Welle befestigt, das drehbar in einem Lagergehäuse gelagert ist. Die Welle treibt ein Verdichterrad an, das am anderen Ende der Welle montiert ist. Das Turbinenrad selbst liefert Rotationsenergie zum Antreiben des Verdichterrads und somit zum Antreiben des Verdichters des Turboladers. Diese Druckluft wird dann wie oben beschrieben zum Motoreinlass geleitet.
Die Verdichterstufe des Turboladers umfasst das Verdichterrad und das zugehörige Verdichtergehäuse. Gefilterte Luft wird axial in einen Verdichterlufteingang gesaugt, der einen Kanal definiert, welcher axial zum Verdichterrad verläuft. Durch Rotation des Verdichterrads wird Luft mit Druck beaufschlagt, wodurch eine aus dem Verdichterrad radial nach außen in die Verdichterspirale gerichtete Strömung zum Motor entsteht.
Die Druckbedingungen in der Turbinenstufe und der Verdichterstufe können oft dazu führen, dass Öl durch die Mechanismen angesaugt wird, die die rotierende Baugruppe zum Lagergehäuse hin abdichten. Das interne Strömen von Öl aus dem Lagergehäuse zur Verdichterstufe und zum Motorbrennraum wird allgemein als „verdichterseitiges Eindringen von Öl” bezeichnet. Verdichterseitiges Eindringen von Öl sollte vermieden werden, da es zu einer Kontaminierung der Katalysatoren und zu unerwünschten Emissionen führen kann. Angesichts immer strengerer Emissionsnormen wird die Tendenz des verdichterseitigen Eindringens von Öl ein immer wichtigeres Thema.
Somit besteht insbesondere bei geringer Drehzahl des Turboladers ein Bedarf für verbesserte Dichtungsanordnungen zwischen den rotierenden und den statischen Komponenten auf der Verdichterseite eines Turboladers.
KURZDARSTELLUNG
Unter manchen Aspekten wird ein Dichtungssystem für einen Turbolader bereitgestellt, der ein Lagergehäuse mit einer axialen Bohrung, eine rotierende Baugruppe und einen Einsatz aufweist. Die rotierende Baugruppe weist eine Welle mit einer Rotationsachse auf, die über Lager in der axialen Bohrung drehbar gelagert ist, ein an der Welle montiertes Verdichterrad und eine Ölschleudervorrichtung, die zwischen den Lagern und dem Verdichterrad an der Welle angeordnet ist. Der Einsatz ist so in der axialen Bohrung angeordnet, dass er die Ölschleudervorrichtung umgibt und eine radial nach außen weisende Fläche definiert. Das Dichtungssystem weist eine Spüldichtung auf, die funktionsmäßig in einem Zwischenstück zwischen dem Einsatz und der Ölschleudervorrichtung positioniert ist. Die Spüldichtung ist so konfiguriert, dass sie Druckfluid in das Zwischenstück einleitet, und weist einen ringförmigen Hohlraum auf, der die radial nach außen weisende Fläche des Einsatzes umgibt. Der Hohlraum bildet einen Abschnitt eines Fluidwegs, der so konfiguriert ist, dass er das Druckfluid zu dem Zwischenstück leitet.
Das Dichtungssystem kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen: Der Einsatz weist mindestens eine radiale Bohrung auf, die sowohl zu dem Hohlraum als auch zu dem Zwischenstück hin offen ist, und bildet einen weiteren Abschnitt des Fluidwegs. Das Dichtungssystem weist einen ersten und einen zweiten Kolbenring auf. Der erste und der zweite Kolbenring sind zwischen einer radial nach außen weisenden Fläche der Ölschleudervorrichtung und dem Einsatz angeordnet. Die radiale Bohrung ist an einer Stelle zwischen dem ersten und dem zweiten Kolbenring mit dem Zwischenstück verbunden. Der Einsatz weist einen radial verlaufenden Dichtflansch auf, und der Hohlraum ist zwischen dem Lagergehäuse, der radial nach außen weisenden Fläche des Einsatzes und dem Dichtflansch definiert. Der Dichtflansch liegt an einer axialen Fläche des Lagergehäuses an. Der Dichtflansch wird in Bezug zu dem Lagergehäuse durch einen Sprengring in Position gehalten. Die Position des Einsatzes in Bezug zu dem Lagergehäuse wird durch einen Sprengring beibehalten, der zwischen dem Einsatz und einem Abschnitt des Lagergehäuses angeordnet ist. Ein Versorgungskanal steht mit dem Hohlraum in Fluidverbindung, wobei der Versorgungskanal einen weiteren Abschnitt des Fluidwegs bildet. Ein O-Ring ist in einer Nut an der radial nach außen weisenden Fläche des Einsatzes angeordnet und sorgt für eine Abdichtung zwischen der radial nach außen weisenden Fläche des Einsatzes und einer radial nach innen weisenden Fläche des Lagergehäuses.
Unter manchen Aspekten weist ein Turbolader ein Lagergehäuse mit einer axialen Bohrung, eine mit einem Ende des Lagergehäuses verbundene Turbinenstufe, eine mit einem gegenüberliegenden Ende des Lagergehäuses verbundene Verdichterstufe und eine rotierende Baugruppe auf. Die rotierende Baugruppe weist eine Welle mit einer Rotationsachse auf, die über Lager in der axialen Bohrung drehbar gelagert ist, ein an der Welle montiertes Verdichterrad und eine Ölschleudervorrichtung, die zwischen den Lagern und dem Verdichterrad an der Welle angeordnet ist. Der Turbolader weist ferner einen Einsatz auf, der so in der axialen Bohrung angeordnet ist, dass er die Ölschleudervorrichtung umgibt, wobei er eine radial nach außen weisende Fläche definiert. Eine Spüldichtung ist funktionsmäßig in einem Zwischenstück zwischen dem Einsatz und der Ölschleudervorrichtung positioniert, wobei die Spüldichtung so konfiguriert ist, dass sie Druckfluid in das Zwischenstück einleitet, und einen die radial nach außen weisende Fläche des Einsatzes umgebenden ringförmigen Hohlraum aufweist, wobei der Hohlraum einen Abschnitt eines Fluidwegs bildet, der so konfiguriert ist, dass er das Druckfluid zur Spüldichtung leitet.
Der Turbolader kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen: Der Einsatz weist mindestens eine radiale Bohrung auf, die sowohl zu dem Hohlraum als auch zu dem Zwischenstück hin offen ist und einen weiteren Abschnitt des Fluidwegs bildet. Der Einsatz weist einen radial verlaufenden Dichtflansch auf, und der Hohlraum ist zwischen dem Lagergehäuse, der radial nach außen weisenden Fläche des Einsatzes und dem Dichtflansch definiert. Der erste und der zweite Kolbenring sind zwischen einer radial nach außen weisenden Fläche der Ölschleudervorrichtung und dem Einsatz angeordnet, und die radiale Bohrung ist an einer Stelle zwischen dem ersten und dem zweiten Kolbenring mit dem Zwischenstück verbunden. Ein Versorgungskanal steht mit dem Hohlraum in Fluidverbindung, wobei der Versorgungskanal einen weiteren Abschnitt des Fluidwegs bildet. Die Position des Einsatzes in Bezug zu dem Lagergehäuse wird durch einen Sprengring beibehalten, der zwischen dem Einsatz und einem Abschnitt des Lagergehäuses angeordnet ist.
Ausführungsformen betreffen ein Dichtungssystem zwischen der Rückseite des Verdichterrads und benachbarten Komponenten wie dem Lagergehäuse und/oder dem Einsatz. Das Dichtungssystem kann die Abdichtung zwischen den dynamischen rotierenden Baugruppenkomponenten und den komplementären statischen Komponenten auf der Verdichterseite eines Turboladers verbessern und dadurch verdichterseitiges Eindringen und Vorbeiströmen von Öl auf ein Minimum beschränken. Der Begriff „Vorbeiströmen” (Blow-by) bezieht sich hier auf Hochdruck-Austauschluft (auf der Verdichterseite) oder Abgas (auf der Turbinenseite), die beziehungsweise das in das Lagergehäuse und das Kurbelgehäuse austritt. Das Dichtungssystem kann Dichtelemente wie ein externes Spülgas zum Verbessern einer Spaltdichtung aufweisen. Die Dichtungselemente können funktionsmäßig an einem Zwischenstück zwischen der rotierenden Baugruppe und den komplementären statischen Komponenten positioniert sein. Die Spüldichtung liefert gezielt externes Druckgas oder intern bereitgestelltes Ladegas (d. h. Luft) zu dem Zwischenstück an der Spaltdichtung, um unabhängig von den Betriebsbedingungen des Turboladers einen nach innen gerichteten Druckgradienten beizubehalten. Die Spüldichtung wird über einen Gasversorgungsweg, zu dem ein in dem Lagergehäuse ausgebildeter Gaskanal, eine oder mehrere radiale Bohrungen in einem Einsatz der rotierenden Baugruppe und ein axialsymmetrischer Hohlraum gehören, der zwischen dem Gasversorgungsweg und den radialen Bohrungen des Einsatzes in dem Lagergehäuse ausgebildet ist und damit in Fluidverbindung steht, mit Gas versorgt. Der axialsymmetrische Hohlraum dient als ringförmiger Krümmer, der unabhängig von der Ausrichtung des Einsatzes in dem Lagergehäuse Gas zu den radialen Bohrungen des Einsatzes leitet. Es versteht sich jedoch, dass das Hinzufügen von Spülgas ein Austreten durch Vorbeiströmen nicht stärker reduziert, als die Spaltdichtung dies normalerweise unterbinden kann.
Der axialsymmetrische Hohlraum im Gasversorgungsweg ermöglicht das Herstellen der Kanäle zwischen der Gasversorgungsquelle und dem Labyrinthvolumen der Spaltdichtung. Es können beispielsweise Kanäle in Winkeln, die für die maschinelle Fertigung besser geeignet sind, und in geringeren Abständen maschinell gefertigt werden. Darüber hinaus brauchen aufeinanderfolgende Kanalabschnitte nicht mehr ausgerichtet werden. Der Hohlraum ist für den strategischen Zugang zu sowohl internen als auch externen Spülgasquellen, einschließlich interner Quellen von der Verdichterdruckleitung durch Verbinden über die Diffusorfläche und externer Quellen wie Motorabgas, günstig angeordnet. Bei manchen Ausführungsformen sind Teile integriert, um die Komplexität auf ein Minimum zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsformen sind in den beiliegenden Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen ähnliche Teile bezeichnen, im Sinne von Beispielen und nicht einschränkend veranschaulicht:
1 ist eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Turboladers.
2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der Verdichterseite des herkömmlichen Turboladers aus 1.
3 ist eine Querschnittsansicht eines Turboladers mit einem Dichtungssystem.
4 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer Kernbaugruppe des Turboladers aus 3.
5 ist eine Seitenansicht eines Einsatzes.
6 ist eine Querschnittsansicht des Einsatzes aus 5.
7 ist eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Einsatzes.
8 ist eine Perspektivansicht einer Ölschleudervorrichtung.
9 ist eine Querschnittsansicht der Ölschleudervorrichtung aus 8.
10 ist eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Ölschleudervorrichtung.
11 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der Verdichterseite des Turboladers aus 3.
12 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der Verdichterseite des Lagergehäuses des Turboladers aus 3.
13 ist eine Querschnittsansicht des Lagergehäuses des Turboladers aus 3, wobei der Querschnitt in 13 in Bezug zu dem Querschnitt in 3 in einem Winkel verläuft.
14 ist eine Querschnittsansicht eines Turboladers mit einem Dichtungssystem gemäß einer alternativen Ausführungsform.
15 ist eine Querschnittsansicht eines Turboladers mit einem Dichtungssystem gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform.
16 ist eine Querschnittsansicht eines Turboladers mit einem Dichtungssystem gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform.
17 ist eine Querschnittsansicht eines Turboladers mit einem Dichtungssystem gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform.
18 ist eine Perspektivansicht des Einsatzes des Turboladers aus 17.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hier beschriebene Anordnungen betreffen Dichtungssysteme und -verfahren für den Gebrauch zwischen den dynamischen rotierenden Baugruppenkomponenten und den komplementären statischen Komponenten auf der Verdichterseite eines Turboladers. Hier beschriebene Ausführungsformen betreffen insbesondere das Ausbilden von Dichtungssystemen, die einen Überdruck auf einer Außenseite eines Zwischenstücks einer Spaltdichtung (z. B. Kolbendichtungsringe) aufrechterhalten können, um ein Austreten von Öl zu unterbinden. Es werden hier ausführliche Ausführungsformen offenbart, wobei es sich jedoch versteht, dass die offenbarten Ausführungsformen nur als Beispiele gedacht sind. Daher dürfen hier offenbarte spezifische Konstruktions- und Funktionsdetails nicht als einschränkend, sondern lediglich als Grundlage für die Ansprüche und als repräsentative Grundlage für das Lehren von Fachleuten interpretiert werden, wie diese Aspekte bei praktisch jeder beliebigen entsprechend ausgelegten Konstruktion einzusetzen sind. Ferner sollen die hier benutzten Begriffe und Ausdrücke nicht einschränkend sein, sondern eine verständliche Beschreibung möglicher Implementierungen liefern.
Ein Abgas-Turbolader 10 in 1 und 2 weist eine Turbinenstufe 12 und eine Verdichterstufe 14 auf. Der Turbolader 10 nutzt den Abgasstrom aus dem Abgaskrümmer eines Motors (nicht gezeigt) zum Antreiben eines Turbinenrads 16, das sich in einem Turbinengehäuse 17 befindet. Wenn das Abgas das Turbinenrad 16 passiert und das Turbinenrad 16 Energie aus dem Abgas gewonnen hat, strömt das verbrauchte Abgas durch einen Exducer aus dem Turbinengehäuse 17 und wird zum Vorrohr des Fahrzeugs und für gewöhnlich zu Nachbehandlungsvorrichtungen wie Katalysatoren, Partikelfiltern und NO_x-Filtern geleitet. Die von dem Turbinenrad 16 gewonnene Energie wird in eine Drehbewegung umgewandelt, die zum Antreiben eines Verdichterrads 18 benutzt wird, das sich in einem Verdichtergehäuse 19 befindet. Das Verdichterrad 18 saugt Luft in den Turbolader 10, verdichtet diese und leitet sie zur Einlassseite des Motors. Der Turbolader 10 weist eine rotierende Baugruppe 25 mit folgenden Hauptkomponenten auf: einer Welle 20, dem Turbinenrad 16, das an ein Ende der Welle 20 montiert ist, dem Verdichterrad 18, das an ein gegenüberliegendes Ende der Welle 20 montiert ist, und einer Ölschleudervorrichtung 22.
Die rotierende Baugruppe 25 ist zum Drehen um eine Rotationsachse 21 in einem Lagergehäuse 23 gelagert, das zwischen der Turbinenstufe 12 und der Verdichterstufe 14 angeordnet ist. Die Welle 20 rotiert insbesondere auf einem hydrodynamischen Lagersystem, in das ein Schmiermittel (z. B. Öl, das in der Regel vom Motor stammt) eingespeist wird. Das Öl wird über eine Ölzufuhröffnung 24 sowohl in beide Zapfenlager 26 als auch in ein Drucklager 28 eingespeist. Wenn das Öl aus den Lagern herausgeströmt ist, fließt es zum Lagergehäuse 23 ab und strömt durch einen mit dem Kurbelgehäuse verbundenen Ölabfluss 30 heraus.
Die Druckbedingungen in der Turbinenstufe 12 und der Verdichterstufe 14 können oft dazu führen, dass Öl durch die Dichtungsmechanismen angesaugt wird, die die rotierende Baugruppe zum Lagergehäuse 23 hin abdichten. Das interne Strömen von Öl aus dem Lagergehäuse 23 zur Rückwand 38 des Verdichterrads 18, am Verdichterrad 18 vorbei zur Verdichterstufe 14 und zum Motorbrennraum wird allgemein als „verdichterseitiges Eindringen von Öl” bezeichnet. Verdichterseitiges Eindringen von Öl sollte vermieden werden, da es zu einer Kontaminierung der Katalysatoren und zu unerwünschten Emissionen führen kann. Angesichts immer strengerer Emissionsnormen wird die Tendenz des verdichterseitigen Eindringens von Öl ein immer wichtigeres Thema. Zusätzlich zum Überschreiten von Emissionsgrenzwerten oder einer Kontamination von Nachbehandlungssystemen sind durch ein Eindringen von ÖL unerwünschterweise auch Abschnitte des Turboladerdiffusors und der Spirale sowie Luftverbindungsleitungen betroffen, was die Leistung des Turboladers reduziert.
Dichtungen werden bei dem Turbolader 10 an einem Zwischenstück 31 zwischen einem oder mehreren statischen Turboladerelementen (z. B. dem Lagergehäuse 23 und/oder einem Einsatz 34) und einem Abschnitt der dynamischen rotierenden Baugruppe (z. B. Turbinenrad 16, Verdichterrad 18, Ölschleudervorrichtung 22 und/oder Welle 20) benutzt, um ein Eindringen von Öl aus dem Lagergehäuse 23 in die Verdichterstufe 14 auf ein Minimum zu beschränken. Solche Dichtungen können auch ein unerwünschtes Strömen von Gas aus der Verdichterstufe 14 zum Lagergehäuse 23 – einen als „Vorbeiströmen” (Blow-by) bezeichneten Zustand – unterbinden. Zum Beispiel sind eine oder mehrere Spaltdichtungen 32 (z. B. Dichtungs- oder Kolbenringe) funktionsmäßig zwischen der Ölschleudervorrichtung 22 und dem Einsatz 34 positioniert. Ein Abschnitt jeder Dichtung 32 kann in einer entsprechenden Nut 33 in der Ölschleudervorrichtung 22 aufgenommen werden.
Bei manchen Betriebsbedingungen kann es jedoch dazu kommen, dass Öl im Lagergehäuse 23 eine oder mehrere Spaltdichtungen 32 umströmt und in das Verdichtergehäuse 19 eintritt. Eine solche Bedingung wird nun beschrieben. In einem äußeren Hohlraum 40 zwischen dem Einsatz 34 und dem Verdichterrad 18 befindet sich Luft. Das Verdichterrad 18 rotiert mit hoher Geschwindigkeit um die Achse 21. Luft in der Nähe der rotierenden Rückwand 38 des Verdichterrads wird aufgrund der Reibung zwischen Luft und der Rückwand 38 gleichermaßen zum Rotieren gebracht. Folglich kann es zu einer Zentrifugalbeschleunigung (d. h. in radialer Richtung) kommen, die dazu führt, dass in dem äußeren Hohlraum 40 in der Nähe der Welle 20 ein geringerer Druck und in der Nähe der Spitze 42 des Verdichterrads 18 ein höherer Druck herrscht. Dieser Druckgradient ist in Bezug zur Druckdifferenz an dem Zwischenstück 31 ungünstig, das heißt, der Druck auf der Außenseite 310 ist geringer als der Druck auf der Innenseite 31i, wodurch es potentiell zu verdichterseitigem Eindringen von Öl kommt.
In diesem Zustand gibt es einen Strom 44 von Öl aus dem inneren Hohlraum 46 zwischen dem Drucklager 28 und dem Einsatz 34 um den einen oder die mehreren Dichtungsringe 32 herum. Dieser Strom 44 wird von dem erzeugten Wirbel wie oben beschrieben angesaugt, und daraus wird hinter der Rückwand 38 des Verdichterrads ein Strom 48. Dieser Strom 48 wird durch den Diffusor 50 der Verdichterstufe gesaugt (siehe 1). In manchen Fällen kann dem Effekt dieses reduzierten Drucks entgegengewirkt werden, indem das Verdichterrad 18 mechanisch in das Lagergehäuse 23 eingelassen wird. Aufgrund dieser Anordnung kann ein Teil der Druckluft aus der Verdichterstufe 14 in den äußeren Hohlraum 40 hinter dem Verdichterrad 18 umgeleitet werden. Durch dieses Umleiten von Druckluft verändert sich das Druckgleichgewicht um den äußeren Hohlraum 40 von der Spitze 42 des Verdichterrads aus bis hin zu der einen oder den mehreren Dichtungen 32, und es verringert sich das Potential für dieses Eindringen von Öl auf der Verdichterdruckseite und danach in das Verbrennungssystem des Motors.
Der radiale Druckgradient entlang der Verdichterrückwand kann den äußeren Dichtungsdruck bei den meisten typischen Betriebsbedingungen über dem inneren Dichtungsdruck halten. Es gibt jedoch einige Betriebsbedingungen, bei denen es schwieriger oder unmöglich ist, auf der Außenseite der Dichtung einen Überdruck aufrechtzuerhalten, wie beispielsweise bei geringer Turboladerdrehzahl oder Stillstand des Turboladers, verengtem Verdichtereingang, Motorbremsung oder Starten der Niederdruckstufe bei einem zweistufigen sequentiellen Turbinensystem. In solchen Fällen kann es möglich sein, dass Öl oder ein anderes Schmiermittel 44 um die eine oder die mehreren Dichtungen 32 herumströmt. Einige dieser Beispiele werden nachfolgend ausführlicher dargestellt.
Wenn ein mit einer Motorbremse vom Verdichtungstyp ausgestatteter schwerbeladener Lastkraftwagen einen Abhang mit gleichmäßigem Gefälle hinunterfährt, kann die Motorbremse zum Blockieren des Abgasstroms hinter dem Turbinenrad 16 benutzt werden und unabhängig von den Fahrzeugradbremsen für eine Bremsung des Fahrzeugs sorgen. Masse und Trägheit des Lastkraftwagens können diesen den Hang hinunterschieben, was über das Fahrzeuggetriebe zwangsläufig zu einem Rotieren des Motors führt. Da kein Kraftstoff in den Motor eingeleitet wird, fungiert dieser wie eine Luftpumpe, die gegen die Blockade der Motorbremse wirkt, und bremst das Tempo des Lastkraftwagens. Der Gasmassenstrom durch die Turbinenstufe 12 ist stark reduziert, so dass die Drehzahl der Turboladerwelle 20 nicht hauptsächlich von der Turbinenstufe 12 bestimmt wird.
Durch die Bremswirkung des Fahrzeugs auf den Motor, der nun als Luftpumpe fungiert, über das Fahrzeuggetriebe kann ein Unterdruck erzeugt werden (z. B. ein Vakuum in dem Eingangssystem, da Luft durch die Verdichterstufe 14 gesaugt wird). Der Unterdruck in der Verdichterstufe 14 verändert die Druckdifferenz an der Spitze 42 des Verdichterrads 18 an den verdichterseitigen Dichtungen 32. Dadurch entsteht eine ungünstige Druckdifferenz an den Dichtungsringen 32, durch die es zum verdichterseitigen Eindringen von Öl kommen kann. Wenn diese motorbremsbedingte Situation auftritt, kann der entstandene Unterdruck die bei Dichtungsringen typischerweise benutzten Druckdifferenzvorkehrungen (z. B. Einlassen des Verdichterrads 18) unwirksam machen und dazu führen, dass Öl aus dem Lagergehäuse 23 auf der Verdichterdruckseite und danach in das Verbrennungssystem des Motors eindringt.
Zu einem ähnlichen Problem kann es bei der Hochdruck-Verdichterstufe (HD) in mehrstufigen Turboladern kommen, wo die Verdichter hintereinandergeschaltet sind. Bei einer hintereinandergeschalteten Konfiguration von Verdichtern wird die Abluft aus dem Niederdruckverdichter (ND) direkt zum Eingang des HD-Verdichters geleitet. Wenn der Abgasmassenstrom zur Turbinenstufe des kleineren Hochdruckturboladers (HD) (d. h. nicht zur größeren Turbinenstufe des ND-Turboladers) geleitet wird, kann die Verdichterstufe des HD-Verdichters einen größeren Luftmassenstrom in seinen Eingang saugen als den Massenstrom, den der potentiell größere ND-Verdichter abgibt, welcher langsam läuft und einen geringeren Massenstrom abgibt, als der kleinere HD-Verdichter Massenstrom aufnimmt. Infolgedessen läuft die Verdichterstufe des ND-Verdichters bei einem Niederdruck, was zu einer ungünstigen Druckdifferenz an dem verdichterseitigen Dichtungsring des HD-Turboladers führen kann.
Ein Abgasturbolader 100 in den 3 und 4 weist ein Dichtungssystem 110 auf, das ein verdichterseitiges Eindringen und Vorbeiströmen von Öl unter allen Betriebsbedingungen des Turboladers 100, wie nachfolgend ausführlich beschrieben, effektiv auf ein Minimum beschränkt oder unterbindet. Der Turbolader 100 ähnelt dem oben beschriebenen herkömmlichen Turbolader 10. Aus diesem Grund sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen, und sofern dies angemessen ist, werden gleiche Elemente nicht wiederholt beschrieben.
Der Turbolader 100 weist ein Lagergehäuse 123 auf. Das Lagergehäuse 123 ist mit einer axial verlaufenden Bohrung 120 ausgebildet, in der die rotierende Baugruppe 125 aufgenommen und gelagert ist, zu der die Welle 20, das Turbinenrad 16, das Verdichterrad 18 und eine verbesserte Ölschleudervorrichtung 122 gehören. Die rotierende Baugruppe 125 ist für das Rotieren um eine Rotationsachse 21 über die Zapfenlager 26 sowie ein Drucklager 128 gelagert, das über Schrauben 129 an dem Lagergehäuse 123 befestigt ist. Axiallasten der Welle 20 werden über eine auf einer Innenseite davon angeordnete Druckscheibe 121 und einen auf einer gegenüberliegenden Außenseite davon angeordneten, radial vorstehenden Arm 124 der Ölschleudervorrichtung 122 auf das Drucklager 128 übertragen. Ein verbesserter Einsatz 134 umgibt einen zylinderförmigen Abschnitt 126 der Ölschleudervorrichtung 122, wodurch der Einsatz 134 neben der dem Verdichter zugewandten Seite des Drucklagers 128 angeordnet ist.
Der Einsatz 134 in den 5 und 6 ist allgemein zylinderförmig und weist eine axial verlaufende mittige Öffnung 135 mit einem solchen Durchmesser auf, dass sie durch diesen hindurch einen Abschnitt der Ölschleudervorrichtung 122 aufnehmen kann. Der Einsatz 134 weist ein der Turbine zugewandtes erstes Ende 136, ein diesem gegenüberliegendes, dem Verdichter zugewandtes Ende 137 und eine radial nach außen weisende Seitenfläche 138 auf, die zwischen dem der Turbine zugewandten Ende 136 und dem dem Verdichter zugewandten Ende 137 verläuft. Der Einsatz 134 weist mindestens eine radiale Bohrung 139 auf, die einen Fluidkanal bereitstellt, der zwischen der Seitenfläche 138 und der mittigen Öffnung 135 verläuft. Bei der veranschaulichten Ausführungsform weist der Einsatz 134 zwei diametral entgegengesetzte radiale Bohrungen 139 auf, ist jedoch nicht auf eine oder zwei Bohrungen 139 beschränkt. Der Einsatz 134 kann beispielsweise 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 radiale Bohrungen 139 aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen sind die radialen Bohrungen 139 gleichmäßig um den Umfang des Einsatzes 134 herum beabstandet. Der Einsatz 134 weist einen Dichtflansch 140 auf, der von der Seitenfläche 138 radial nach außen vorsteht. Der Dichtflansch 140 ist zwischen den radialen Bohrungen 139 und dem dem Verdichter zugewandten Ende 137 angeordnet. Außerdem weist die Seitenfläche 138 des Einsatzes eine um den Umfang herum verlaufende Nut 142 auf, die zwischen den Bohrungen 139 und dem der Turbine zugewandten Ende 136 angeordnet ist. Die Nut 142 ist so geformt und bemessen, dass sie einen O-Ring 116 aufnimmt.
Die Unterschiede zwischen dem bei dem Turbolader 100 benutzten Einsatz 134 und dem bei manchen herkömmlichen Turboladern 10 benutzten Einsatz 34 aus dem Stand der Technik sind bei einem Vergleich von 6 und 7 am besten zu erkennen. Der Einsatz 134 (6) ist insbesondere in Bezug auf einige Einsätze 34 aus dem Stand der Technik (7) modifiziert, da er den radial verlaufenden Dichtflansch 140 aufweist, der so konfiguriert ist, dass er einen Abschnitt des Lagergehäuses 123 in Eingriff nimmt (z. B. nachstehend erläuterter Schritt S3), und die radialen Bohrungen 139 aufweist, während diese Merkmale bei dem Einsatz 34 aus dem Stand der Technik fehlen. Außerdem fehlt bei dem Einsatz 134 eine Ölablaufrinne 36a, die an einem der Turbine zugewandten Ende 36 des Einsatzes 34 aus dem Stand der Technik ausgebildet ist. Die Ölablaufrinne 36a wird aufgrund der Implementierung des Dichtungssystems 110 mit der Spüldichtung 160 nicht mehr benötigt und fehlt bei dem Einsatz 134, so dass eine einfachere Konstruktion entsteht und die Produktivität verbessert wird.
Die Ölschleudervorrichtung 122 in den 8 und 9 ist allgemein zylinderförmig und erstreckt sich in axialer Richtung. Die Ölschleudervorrichtung 122 weist eine axial verlaufende mittige Öffnung 127 mit einem Durchmesser auf, der dem der Welle 20 entspricht. Die Ölschleudervorrichtung 122 weist ein der Turbine zugewandtes erstes Ende 130, ein diesem gegenüberliegendes, dem Verdichter zugewandtes Ende 131 und eine radial nach außen weisende Seitenfläche 132 auf, die zwischen dem der Turbine zugewandten Ende 130 und dem dem Verdichter zugewandten Ende 137 verläuft. Die Ölschleudervorrichtung 122 weist einen Arm 124 auf, der von der Seitenfläche 132 radial nach außen vorsteht. Der Arm 124 ist neben dem der Turbine zugewandten Ende 136 positioniert, und der Abschnitt der Ölschleudervorrichtung 122, der zwischen dem Arm 124 und dem dem Verdichter zugewandten Ende 131 angeordnet ist, wird als zylinderförmiger Abschnitt 126 bezeichnet. Ein Paar in Umfangsrichtung verlaufende Nuten 133 sind innerhalb des zylinderförmigen Abschnitts 126 in der Seitenfläche 132 ausgebildet. Jede der Nuten 133 ist so konfiguriert, dass sie einen Kolbenring 32 aufnimmt.
Die Unterschiede zwischen der bei dem Turbolader 100 benutzten Ölschleudervorrichtung 122 und der bei manchen herkömmlichen Turboladern 10 benutzten Ölschleudervorrichtung 22 aus dem Stand der Technik sind bei einem Vergleich von 9 und 10 am besten zu erkennen. Die Ölschleudervorrichtung 122 (9) ist insbesondere in Bezug auf einige Ölschleudervorrichtungen 22 aus dem Stand der Technik (10) modifiziert, da die Nuten 133 bei ihr in Bezug zu dem axialen Abstand der Nuten 33 der Ölschleudervorrichtung 22 aus dem Stand der Technik einen größeren axialen Abstand aufweisen. Der größere Abstand sichert mit ab, dass der Spüldichtungsluftversorgungskanal und insbesondere die radiale Bohrung 139 des Einsatzes 134 an einer Stelle zwischen den Nuten 133 und somit auch zwischen den Kolbenringen 32 mündet. Außerdem fehlt bei der Ölschleudervorrichtung 122 ein „überhängendes” Merkmal 27a, das auf der dem Verdichter zugewandten Seite des Schleudervorrichtungsarms 27 aus dem Stand der Technik vorhanden ist. Das überhängende Merkmal 27a wird aufgrund der Implementierung des Dichtungssystems 110 mit der Spüldichtung 160 nicht mehr benötigt und fehlt bei der Ölschleudervorrichtung 122, so dass eine einfachere Konstruktion entsteht und die Produktivität verbessert wird.
Die axiale Bohrung 120 des Lagergehäuses in 11 und 12 weist einen Zapfenabschnitt 120a auf, in dem sich die Zapfenlager 26 befinden, und eine Region 120b mit vergrößertem Durchmesser neben der Verdichterseite des Lagergehäuses 123, in der sich das Drucklager 128, die Ölschleudervorrichtung 122, und der Einsatz 134 befinden. Die Region 120b mit vergrößertem Durchmesser ist in radialer Ausdehnung ungleichmäßig, so dass das Lagergehäuse 123 eine Reihe ringförmiger Stufen 123a, 123b, 123c, 123d, 123e definiert, die jeweils einen anderen Durchmesser aufweisen, der größer ist als der Durchmesser D1 des Zapfenabschnitts 120a.
Die erste ringförmige Stufe 123a weist einen Durchmesser Da auf. Die erste ringförmige Stufe 123a definiert eine radial nach innen weisende Fläche mit einer solchen axialen Ausdehnung, dass sie das Drucklager 128, den Schleudervorrichtungsarm 124 und einen Abschnitt des Einsatzes 134 umgibt. Ein axial außenliegender, dem Verdichter zugewandter erster Absatz S1 ist an dem Übergang zwischen dem Zapfenabschnitt 120a und der ersten ringförmigen Stufe 123a in dem Lagergehäuse 123 ausgebildet. Die der Turbine zugewandte Fläche des Drucklagers 128 liegt an dem ersten Absatz S1 an, und zur Turbinenseite hin gerichtete Axiallasten der Welle werden von dem Drucklager 128 über den ersten Absatz S1 auf das Lagergehäuse 123 übertragen. Außerdem werden zur Verdichterseite hin gerichtete Axiallasten über die Schrauben 129 auf den ersten Absatz S1 und das Lagergehäuse 123 übertragen. Durch Befestigen des Drucklagers 128 an dem ersten Absatz S1 über die Schrauben 129 wird sichergestellt, dass das Drucklager 128 gelagert sowie das axialsymmetrische Volumen abgedichtet ist. Diese Konfiguration ist mit manchen herkömmlichen Turboladerlagersystemen vergleichbar, bei denen ein Haltering zum Befestigen des Drucklagers benutzt wird und Fertigungstoleranzen eine ungleichmäßige Verteilung der Dichtkraft und/oder axialen Lagerkraft verursachen können.
Die zweite ringförmige Stufe 123b definiert eine radial nach innen weisende Fläche mit einer solchen axialen Ausdehnung, dass sie die Bohrungen 139 umgibt. Die zweite ringförmige Stufe weist einen Durchmesser Db auf, der größer ist als der Durchmesser Da der ersten ringförmigen Stufe 123a und der Durchmesser D2 der Seitenfläche 138 des Einsatzes und geringer ist als der Durchmesser D3 des Dichtflansches 140 des Einsatzes. Der Durchmesser Da ist insbesondere so groß, dass zwischen der Seitenfläche 138 des Einsatzes und der zweiten ringförmigen Stufe 123 ein radialer Zwischenraum besteht, wodurch ein axialsymmetrischer Hohlraum 150 gebildet wird, der einen Umfang des Einsatzes 134 umgibt. Die zweite ringförmige Stufe 123b ist axial so angeordnet, dass der Hohlraum 150 mit den radialen Bohrungen 139 des Einsatzes in Fluidverbindung steht.
Die dritte ringförmige Stufe 123c definiert eine radial nach innen weisende Fläche und weist einen Durchmesser Dc auf, der größer ist als der Durchmesser Db der zweiten ringförmigen Stufe 123b und der Durchmesser D3 des Dichtflansches 140 des Einsatzes. Ein axial außenliegender, dem Verdichter zugewandter zweiter Absatz S2 ist an dem Übergang zwischen der zweiten ringförmigen Stufe 123b und der dritten ringförmigen Stufe 123c in dem Lagergehäuse 123 ausgebildet.
Die vierte ringförmige Stufe 123d weist einen Durchmesser Dd auf, der größer ist als der Durchmesser Db der zweiten ringförmigen Stufe 123b und geringer als der Durchmesser Dc der dritten ringförmigen Stufe 123c. Ein axial innenliegender, dem Verdichter zugewandter dritter Absatz S3 ist an dem Übergang zwischen der dritten ringförmigen Stufe 123c und der vierten ringförmigen Stufe 123d in dem Lagergehäuse 123 ausgebildet. Der dritte Absatz S3 ist axial von dem zweiten Absatz S2 beabstandet, wodurch zwischen dem zweiten Absatz S2, der dritten ringförmigen Stufe 123c und dem dritten Absatz S3 eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut 152 definiert wird. Das freie Ende des Dichtflansches 140 des Einsatzes ist so in der Nut 152 angeordnet, dass die der Turbine zugewandte Fläche des Dichtflansches 140 an dem zweiten Absatz S2 anliegt. Außerdem ist ein C-förmiger Sprengring 118 zwischen dem Dichtflansch 140 des Einsatzes und dem dritten Absatz in der Nut 152 angeordnet. Der Sprengring 118 dient zum Halten des Einsatzes 134 in der veranschaulichten Konfiguration.
Die fünfte ringförmige Stufe 123e definiert eine radial nach innen weisende Fläche mit einer solchen axialen Ausdehnung, dass sie die Spitze 42 des Verdichterrads umgibt. Die zweite ringförmige Stufe weist einen Durchmesser De auf, der größer ist als der Durchmesser Dd der vierten ringförmigen Stufe 123d. Die zweite ringförmige Stufe 123d liegt axial neben der dem Verdichter zugewandten Seite des Lagergehäuses 123 und bildet eine Vertiefung, die die Rückwand 38 und die Spitze 42 des Verdichterrads aufnimmt.
Um unabhängig von den Betriebsbedingungen des Turboladers 100 ein verdichterseitiges Eindringen und Vorbeiströmen von Öl zu unterbinden, weist der Turbolader 100 in den 11 und 13 das auf der Verdichterseite des Lagergehäuses 123 angeordnete Dichtungssystem 110 auf. Das Dichtungssystem 110 weist die Spüldichtung 160 in Kombination mit einer Labyrinth- oder Spaltdichtung auf (z. B. Dichtungs- oder Kolbenringe 32). Die Dichtungselemente sind funktionsmäßig an dem Zwischenstück 131 zwischen der rotierenden Baugruppe 125 und dem Einsatz 134 positioniert.
Die Kolbenringe 32 sind in dem Zwischenstück 131 zwischen dem Einsatz 134 und der Ölschleudervorrichtung 122 angeordnet. Ein Abschnitt jedes Kolbenrings 32 wird von einer jeweiligen Nut 133 in der radial nach außen weisenden Seitenfläche 132 des zylinderförmigen Abschnitts 126 der Ölschleudervorrichtung 122 aufgenommen.
Die Spüldichtung 160 unterbindet ein Strömen von Schmiermittel aus dem Lagergehäuse in die Verdichterstufe, indem an einer Stelle zwischen den Kolbenringen 32 gezielt Druckgas zu dem Zwischenstück 131 geleitet wird, so dass ein nach innen gerichteter Druckgradient an den Kolbenringen 32 entsteht. Es ist wichtig, dass sich die Spülluft zwischen den Kolbenringen befindet, da in diesem Bereich auf beiden Seiten der Druckluft eine Abgrenzung besteht. Die Spüldichtung 160 weist einen in dem Lagergehäuse 123 ausgebildeten Gasversorgungskanal 154 (13), die in dem Einsatz 134 ausgebildeten radialen Bohrungen 139 und den axialsymmetrischen Hohlraum 150 auf, der zwischen dem Gasversorgungskanal 154 und den radialen Bohrungen 139 in dem Lagergehäuse 123 ausgebildet ist und damit in Fluidverbindung steht. Die Spüldichtung 160 mit dem Gasversorgungskanal 154, dem Hohlraum 150 und den radialen Bohrungen 139 leitet Druckgas zu dem Zwischenstück 131.
Der Gasversorgungskanal 154 ist so konfiguriert, dass er ein Druckfluid aufnimmt, das gezielt zu der Spüldichtung 160 geleitet wird. Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist der Gasversorgungskanal 154 so konfiguriert, dass er ein Lufteingangsanschlussstück 180 aufnimmt (4), er ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt.
Der axialsymmetrische Hohlraum 150 dient als ringförmiger Krümmer, der unabhängig von der Ausrichtung des Einsatzes 134 und/oder der Bohrungen 139 in dem Lagergehäuse 123 Gas zu den radialen Bohrungen 139 des Einsatzes leitet. Durch Bereitstellen des ringförmigen axialsymmetrischen Hohlraums 150 wird die Fertigung des Turboladers mit einer Spüldichtung vereinfacht, da sich der ringförmige Hohlraum 150 einfach in der verdichterseitigen Fläche des Lagergehäuses 123 fertigen lässt und unabhängig von der Ausrichtung des Einsatzes 134 Gas zu dessen radialen Bohrungen 139 leitet. Dies ist mit manchen herkömmlichen Turboladern vergleichbar, die einen Spüldichtungsgasversorgungsweg aufwiesen, bei dem die verschiedenen Teile, zu denen aufeinanderfolgende Abschnitte des Versorgungswegs gehörten, genau gefertigt und ausgerichtet werden mussten, damit ein durchgängiger Gasversorgungsweg entstand.
Der Druck auf der Innenseite 131i des Zwischenstücks 131 liegt in der Regel etwa bei Atmosphärendruck (1 bar) und kann durch den Kurbelgehäusedruck beeinflusst werden. Der Solldruck des Volumens des Zwischenstücks kann bei einem beliebigen geeigneten Druck liegen, durch den ein nach innen gerichteter Druckgradient erzielt wird. Bei einer Ausführungsform kann der Solldruck an dem Zwischenstück mindestens etwa 100 Millibar bis etwa 150 Millibar über dem Druck auf der Innenseite (300) liegen.
Die Luftversorgung des Zwischenstücks 131 kann auf beliebige geeignete Weise gezielt implementiert werden. Es kann beispielsweise ein (nicht gezeigtes) Steuergerät funktionsmäßig verbunden sein und die Versorgung des Zwischenstücks 131 mit Druckfluid gezielt steuern. Bei dem Steuergerät kann es sich um ein Motorsteuergerät, ein Turboladersteuergerät oder ein anderes geeignetes Steuergerät handeln. Das Steuergerät kann Hardware, Software oder eine beliebige Kombination davon umfassen.
Luft oder anderes Spülgas kann gezielt zu dem Zwischenstück 131 geleitet werden, wenn der Druck auf der Außenseite 1310 des Zwischenstücks 131 bei oder unter einem vorgegebenen Solldruck liegt. Alternativ oder zusätzlich dazu kann Luft oder anderes Spülgas gezielt zu dem Zwischenstück 131 geleitet werden, wenn die Druckdifferenz und/oder das Druckverhältnis zwischen der Außenseite 1310 und der Innenseite 131i des Zwischenstücks 131 bei oder unter einem vorgegebenen Sollverhältnis oder einer vorgegebenen Solldifferenz liegt. Unter solchen Bedingungen kann Luft oder anderes Spülgas zu dem Zwischenstück geleitet werden, um den Druck auf der Außenseite 1310 auf einen vertretbaren Pegel anzuheben. Beispiele für Betriebsbedingungen, bei denen es dazu kommen kann, sind Leerlauf oder geringe Motorlast. Sobald der vorgegebene Solldruck, die Solldifferenz und/oder das Sollverhältnis erreicht ist, kann die Versorgung des Zwischenstücks 131 mit Luft eingestellt werden. Auf diese Weise kann der Luftverbrauch auf ein Minimum beschränkt werden, das heißt, sie muss nicht anderswo abgezogen werden.
Es sei jedoch angemerkt, dass das Zwischenstück 131 bei anderen Implementierungen und/oder bestimmten Betriebsbedingungen möglicherweise nicht gezielt mit Druck beaufschlagt wird.
Ein alternatives Dichtungssystem 210 in 14 ist so konfiguriert, dass es unabhängig von den Betriebsbedingungen eines Turboladers 200 ein verdichterseitiges Eindringen und Vorbeiströmen von Öl auf ein Minimum beschränkt oder unterbindet. Das Dichtungssystem 210 ist auf der Verdichterseite des Lagergehäuses 223 angeordnet und weist eine Spüldichtung 260 in Kombination mit einer Labyrinth- oder Spaltdichtung auf (z. B. Dichtungs- oder Kolbenringe 32). Die Dichtungselemente sind funktionsmäßig zwischen der Ölschleudervorrichtung 22 der rotierenden Baugruppe 125 und dem Einsatz 234 an dem Zwischenstück 231 positioniert.
Die Kolbenringe 32 sind zwischen dem Einsatz 234 und der Ölschleudervorrichtung 22 in dem Zwischenstück 231 angeordnet. Ein Abschnitt jedes Kolbenrings 32 wird von einer jeweiligen Nut 33 in der radial nach außen weisenden Seitenfläche der Ölschleudervorrichtung 22 aufgenommen.
Die Spüldichtung 260 unterbindet ein Strömen von Schmiermittel aus dem Lagergehäuse 223 in die Verdichterstufe 14, indem an einer Stelle zwischen den Kolbenringen 32 gezielt Druckgas zu dem Zwischenstück 231 geleitet wird, so dass ein nach innen gerichteter Druckgradient an den Kolbenringen 32 entsteht. Die Spüldichtung 260 weist einen in dem Lagergehäuse 223 ausgebildeten Gasversorgungskanal 254, eine oder mehrere in dem Einsatz 234 ausgebildete radiale Bohrungen 239 und den axialsymmetrischen Hohlraum 250 auf, der zwischen dem Gasversorgungskanal 254 und den radialen Bohrungen 239 in dem Lagergehäuse 223 ausgebildet ist und damit in Fluidverbindung steht. Die Spüldichtung 260 mit dem Gasversorgungskanal 254, dem Hohlraum 250 und den radialen Bohrungen 239 leitet Druckgas zu dem Zwischenstück 231.
Der axialsymmetrische Hohlraum 250 ist zwischen dem dem Verdichter zugewandten Ende 237 des Einsatzes 234, einer radial nach innen weisenden Fläche des Lagergehäuses 223 und einer ringförmigen axialsymmetrischen Volumenabdeckung 256 definiert. Die Abdeckung 256 ist zwischen der Rückwand 38 des Verdichterrads und dem Einsatz 234 angeordnet und über (nicht gezeigte) Schrauben an dem Lagergehäuse 223 befestigt. Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform dient der axialsymmetrische Hohlraum 250 als ringförmiger Krümmer, der unabhängig von der Ausrichtung des Einsatzes 234 und/oder der Bohrungen 239 in dem Lagergehäuse 223 Gas zu den radialen Bohrungen 239 des Einsatzes leitet. Diese Ausführungsform ist ebenfalls vorteilhaft, da sie sich unter Verwendung eines Lagergehäuses, eines Einsatzes und einer Schleudervorrichtung herkömmlicher Art umsetzen lässt.
Ein weiteres alternatives Dichtungssystem 310 in 15 ist so konfiguriert, dass es unabhängig von den Betriebsbedingungen eines Turboladers 300 ein verdichterseitiges Eindringen und Vorbeiströmen von Öl auf ein Minimum beschränkt oder unterbindet. Das Dichtungssystem 310 ist auf der Verdichterseite des Lagergehäuses 323 angeordnet und weist eine Spüldichtung 360 in Kombination mit einer Labyrinth- oder Spaltdichtung auf (z. B. Dichtungs- oder Kolbenringe 32). Die Dichtungselemente sind funktionsmäßig zwischen der Ölschleudervorrichtung 22 der rotierenden Baugruppe 125 und dem Einsatz 334 an dem Zwischenstück 331 positioniert.
Die Kolbenringe 32 sind zwischen dem Einsatz 334 und der Ölschleudervorrichtung 22 in dem Zwischenstück 331 angeordnet. Ein Abschnitt jedes Kolbenrings 32 wird von einer jeweiligen Nut 33 in der radial nach außen weisenden Seitenfläche der Ölschleudervorrichtung 22 aufgenommen.
Die Spüldichtung 360 unterbindet ein Strömen von Schmiermittel aus dem Lagergehäuse 323 in die Verdichterstufe 14, indem an einer Stelle zwischen den Kolbenringen 32 gezielt Druckgas zu dem Zwischenstück 331 geleitet wird, so dass ein nach innen gerichteter Druckgradient an den Kolbenringen 32 entsteht. Die Spüldichtung 360 weist einen in dem Lagergehäuse 323 ausgebildeten Gasversorgungskanal 354, eine oder mehrere in dem Einsatz 334 ausgebildete radiale Bohrungen 339 und den axialsymmetrischen Hohlraum 350 auf, der zwischen dem Gasversorgungskanal 354 und den radialen Bohrungen 339 in dem Lagergehäuse 323 ausgebildet ist und damit in Fluidverbindung steht. Die Spüldichtung 360 mit dem Gasversorgungskanal 354, dem Hohlraum 350 und den radialen Bohrungen 339 leitet Druckgas zu dem Zwischenstück 331.
Der axialsymmetrische Hohlraum 350 ist zwischen dem dem Verdichter zugewandten Ende 337 des Einsatzes 334, einer radial nach innen weisenden Fläche des Lagergehäuses 323 und einer ringförmigen axialsymmetrischen Volumenabdeckung 356 definiert. Die Abdeckung 356 ist zwischen der Rückwand 38 des Verdichterrads und dem Einsatz 334 angeordnet und über Schrauben 358 an dem Lagergehäuse 323 befestigt. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen dient der axialsymmetrische Hohlraum 350 als ringförmiger Krümmer, der unabhängig von der Ausrichtung des Einsatzes 334 und/oder der Bohrungen 339 in dem Lagergehäuse 323 Gas zu den radialen Bohrungen 339 des Einsatzes leitet. Diese Ausführungsform ist ebenfalls vorteilhaft, da sie sich unter Verwendung einer herkömmlichen Schleudervorrichtung umsetzen lässt und in Bezug zu der in 14 gezeigten Ausführungsform eine verbesserte Abdichtung zwischen dem Einsatz 334 und der Abdeckung 356 aufweist.
Ein weiteres alternatives Dichtungssystem 410 in 16 ist so konfiguriert, dass es unabhängig von den Betriebsbedingungen eines Turboladers 400 ein verdichterseitiges Eindringen und Vorbeiströmen von Öl auf ein Minimum beschränkt oder unterbindet. Das Dichtungssystem 410 ist auf der Verdichterseite des Lagergehäuses 423 angeordnet und weist eine Spüldichtung 460 in Kombination mit einer Labyrinth- oder Spaltdichtung auf (z. B. Dichtungs- oder Kolbenringe 32). Die Dichtungselemente sind funktionsmäßig zwischen der Ölschleudervorrichtung 22 der rotierenden Baugruppe 125 und dem Einsatz 434 an dem Zwischenstück 431 positioniert.
Die Kolbenringe 32 sind zwischen dem Einsatz 434 und der Ölschleudervorrichtung 22 in dem Zwischenstück 431 angeordnet. Ein Abschnitt jedes Kolbenrings 32 wird von einer jeweiligen Nut 33 in der radial nach außen weisenden Seitenfläche der Ölschleudervorrichtung 22 aufgenommen.
Die Spüldichtung 460 unterbindet ein Strömen von Schmiermittel aus dem Lagergehäuse 423 in die Verdichterstufe 14, indem an einer Stelle zwischen den Kolbenringen 32 gezielt Druckgas zu dem Zwischenstück 431 geleitet wird, so dass ein nach innen gerichteter Druckgradient an den Kolbenringen 32 entsteht. Die Spüldichtung 460 weist einen in dem Lagergehäuse 423 ausgebildeten Gasversorgungskanal 454, eine oder mehrere in dem Einsatz 434 ausgebildete, allgemein radiale Bohrungen 439 und einen axialsymmetrischen Zwischenhohlraum 450 auf. Die Spüldichtung 460 mit dem Gasversorgungskanal 454, dem Hohlraum 450 und den radialen Bohrungen 439 leitet Druckgas zu dem Zwischenstück 431.
Der axialsymmetrische Hohlraum 450 ist an einer in Bezug zu dem Einsatz 434 radial außenliegenden Stelle zwischen dem Lagergehäuse 423 und einer ringförmigen axialsymmetrischen Volumenabdeckung 456 ausgebildet. Die axial innenliegende, dem Verdichter zugewandte Seite 456a der Abdeckung 456 kann mit einer ringförmigen Vertiefung ausgebildet sein, wodurch der Hohlraum 450 zwischen der vertieften Region 456b der Abdeckung 456 und einer axial außenliegenden, der Verdichterseite zugewandten Fläche 423a des Lagergehäuses 423 ausgebildet wird. Der Hohlraum 450 liegt zwischen dem Gasversorgungskanal 454 und den radialen Bohrungen 439 des Einsatzes 434 und steht damit in Fluidverbindung. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen dient der axialsymmetrische Hohlraum 450 als ringförmiger Krümmer, der unabhängig von der Ausrichtung des Einsatzes 434 und/oder der Bohrungen 439 in dem Lagergehäuse 423 Gas zu den radialen Bohrungen 439 des Einsatzes leitet. Diese Ausführungsform ist ebenfalls vorteilhaft, da sie sich unter Verwendung einer herkömmlichen Schleudervorrichtung umsetzen lässt, der Gasversorgungskanal 454 an einer beliebigen Stelle auf der Rückseite des Lagergehäuses gebohrt werden kann und sich (nicht gezeigte) Schrauben, die zum Befestigen der Abdeckung 456 an dem Lagergehäuse 423 benutzt werden, von der Rückseite des Lagergehäuses aus in der Außenfläche installieren lassen.
Ein weiteres alternatives Dichtungssystem 510 in 17 ist so konfiguriert, dass es unabhängig von den Betriebsbedingungen eines Turboladers 500 ein verdichterseitiges Eindringen und Vorbeiströmen von Öl auf ein Minimum beschränkt oder unterbindet. Das Dichtungssystem 510 ist auf der Verdichterseite des Lagergehäuses 523 angeordnet und weist eine Spüldichtung 560 in Kombination mit einer Labyrinth- oder Spaltdichtung auf (z. B. Dichtungs- oder Kolbenringe 32). Die Dichtungselemente sind funktionsmäßig zwischen der Ölschleudervorrichtung 22 der rotierenden Baugruppe 125 und dem Einsatz 534 an dem Zwischenstück 531 positioniert.
Die Kolbenringe 32 sind zwischen dem Einsatz 534 und der Ölschleudervorrichtung 22 in dem Zwischenstück 531 angeordnet. Ein Abschnitt jedes Kolbenrings 32 wird von einer jeweiligen Nut 33 in der radial nach außen weisenden Seitenfläche der Ölschleudervorrichtung 22 aufgenommen.
Die Spüldichtung 560 unterbindet ein Strömen von Schmiermittel aus dem Lagergehäuse 523 in die Verdichterstufe 14, indem an einer Stelle zwischen den Kolbenringen 32 gezielt Druckgas zu dem Zwischenstück 531 geleitet wird, so dass ein nach innen gerichteter Druckgradient an den Kolbenringen 32 entsteht. Die Spüldichtung 560 weist einen in dem Lagergehäuse 523 ausgebildeten Gasversorgungskanal 554, eine oder mehrere in dem Einsatz 534 ausgebildete Nuten 539a, 539b und einen axialsymmetrischen Zwischenhohlraum 550 auf. Die Spüldichtung 560 mit dem Gasversorgungskanal 554, dem Hohlraum 550 und den Nuten 539a, 539b leitet Druckgas zu dem Zwischenstück 531.
Der axialsymmetrische Hohlraum 550 ist an einer in Bezug zu dem Einsatz 534 radial außenliegenden Stelle zwischen dem Lagergehäuse 523 und einer ringförmigen axialsymmetrischen Volumenabdeckung 556 ausgebildet. Die axial innenliegende, der Turbine zugewandte Seite 556a der Abdeckung 556 kann zum Beispiel mit einer ringförmigen Vertiefung ausgebildet sein, wodurch der Hohlraum 550 zwischen der vertieften Region 556b der Abdeckung 556 und einer axial außenliegenden, der Verdichterseite zugewandten Fläche 523a des Lagergehäuses 523 ausgebildet wird. Der Hohlraum 550 liegt zwischen dem Gasversorgungskanal 554 und den Nuten 539a, 539b des Einsatzes 534 und steht damit in Fluidverbindung.
Bei der Ausführungsform in 18 ist der Einsatz 534 ringförmig und weist eine dem Verdichter zugewandte Fläche 534a auf, die so konfiguriert ist, dass sie der der Turbine zugewandten Seite 556a der Abdeckung 556 gegenüberliegt. Außerdem weist die dem Verdichter zugewandte Fläche 534a des Einsatzes die Nuten 539a, 539b auf, die mit der der Turbine zugewandten Seite 556a der Abdeckung 556 zusammenwirken und einen Abschnitt des Gasversorgungswegs bilden. Bei der veranschaulichten Ausführungsform weist die dem Verdichter zugewandte Fläche 534a des Einsatzes vier gleich beabstandete radiale Nuten 539a auf, die von der Seitenfläche 538 des Einsatzes aus radial nach innen verlaufen, und eine Ringnut 539b, die jede der radialen Nuten 539a verbindet. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen dient der axialsymmetrische Hohlraum 550 als ringförmiger Krümmer, der unabhängig von der Ausrichtung des Einsatzes 534 und/oder der Bohrungen 539 in dem Lagergehäuse 523 Gas zu den radialen Bohrungen 539 des Einsatzes leitet. Diese Ausführungsform ist ebenfalls vorteilhaft, da sie sich unter Verwendung einer herkömmlichen Schleudervorrichtung umsetzen lässt, und da die Nuten 539a, 539b an einer Außenfläche des Einsatzes 534 ausgebildet sind, muss der Einsatz 534 nicht radial gebohrt werden.
Hier beschriebene Aspekte können in anderer Form und Kombination ausgeführt werden, ohne dass vom Gedanken und wesentlichen Attributen hiervon abgewichen wird. So betreffen hier beispielsweise beschriebene Ausführungsformen zwar ein verdichterseitiges Eindringen von Öl, es versteht sich jedoch, dass solche Dichtungssysteme und -verfahren dafür angewendet werden können, ein turbinenseitiges Auslaufen von Öl (d. h. ein Eindringen von Öl aus dem Lagergehäuse in die Turbinenstufe) auf ein Minimum zu beschränken. Somit versteht es sich, dass Ausführungsformen natürlich nicht auf die hier beschriebenen spezifischen Einzelheiten beschränkt sind, die nur als Beispiele dienen sollen, und dass innerhalb des Schutzumfangs der nachfolgenden Ansprüche verschiedene Modifikationen und Veränderungen möglich sind.

Claims

Dichtungssystem (110) für einen Turbolader (100) mit einem Lagergehäuse (123) mit einer axialen Bohrung (120), einer rotierenden Baugruppe (125), die Folgendes aufweist: eine Welle (20) mit einer Rotationsachse (21), wobei die Welle (20) über Lager (26, 128) in der axialen Bohrung (120) drehbar gelagert ist, ein an der Welle (20) montiertes Verdichterrad (18), eine Ölschleudervorrichtung (122), die zwischen den Lagern (26, 128) und dem Verdichterrad (18) an der Welle (20) angeordnet ist, und einem Einsatz (134), der so in der axialen Bohrung (120) angeordnet ist, dass er die Ölschleudervorrichtung (122) umgibt, wobei der Einsatz (134) eine radial nach außen weisende Fläche (138) definiert, wobei das Dichtungssystem (110) Folgendes aufweist: eine Spüldichtung (160), die funktionsmäßig in einem Zwischenstück (131) zwischen dem Einsatz (134) und der Ölschleudervorrichtung (122) positioniert ist, wobei die Spüldichtung (160) so konfiguriert ist, dass sie Druckfluid in das Zwischenstück (131) einleitet, und einen die radial nach außen weisende Fläche (138) des Einsatzes (134) umgebenden ringförmigen Hohlraum (150) aufweist, wobei der Hohlraum (150) einen Abschnitt eines Fluidwegs bildet, der so konfiguriert ist, dass er das Druckfluid zu dem Zwischenstück (131) leitet.
Dichtungssystem (110) nach Anspruch 1, bei dem der Einsatz (134) mindestens eine radiale Bohrung (139) aufweist, die sowohl zu dem Hohlraum (150) als auch zu dem Zwischenstück (131) hin offen ist, und einen weiteren Abschnitt des Fluidwegs bildet.
Dichtungssystem (110) nach Anspruch 2 mit einem ersten Kolbenring (32) und einem zweiten Kolbenring (32), wobei der erste und der zweite Kolbenring (32) zwischen einer radial nach außen weisenden Fläche der Ölschleudervorrichtung (122) und dem Einsatz (134) angeordnet sind, wobei die radiale Bohrung (139) an einer Stelle zwischen dem ersten Kolbenring (32) und dem zweiten Kolbenring (32) mit dem Zwischenstück (131) verbunden ist.
Dichtungssystem (110) nach Anspruch 2, bei dem der Einsatz (134) einen radial verlaufenden Dichtflansch (140) aufweist und der Hohlraum (150) zwischen dem Lagergehäuse (123), der radial nach außen weisenden Fläche (138) des Einsatzes (134) und dem Dichtflansch (140) definiert ist.
Dichtungssystem (110) nach Anspruch 4, bei dem der Dichtflansch (140) an einer axialen Fläche (S2) des Lagergehäuses (123) anliegt.
Dichtungssystem (110) nach Anspruch 5, bei dem der Dichtflansch (140) in Bezug zu dem Lagergehäuse (123) durch einen Sprengring (118) in Position gehalten wird.
Dichtungssystem (110) nach Anspruch 1, bei dem die Position des Einsatzes (134) in Bezug zu dem Lagergehäuse (123) durch einen Sprengring (118) beibehalten wird, der zwischen dem Einsatz (134) und einem Abschnitt des Lagergehäuses (123) angeordnet ist.
Dichtungssystem (110) nach Anspruch 1 mit einem Versorgungskanal (154), der mit dem Hohlraum (150) in Fluidverbindung steht, wobei der Versorgungskanal (154) einen weiteren Abschnitt des Fluidwegs bildet.
Dichtungssystem (110) nach Anspruch 1 mit einem O-Ring (116), der in einer Nut (142) an der radial nach außen weisenden Fläche (138) des Einsatzes (134) angeordnet ist, wobei der O-Ring (116) für eine Abdichtung zwischen der radial nach außen weisenden Fläche (138) des Einsatzes (134) und einer radial nach innen weisenden Fläche (123a) des Lagergehäuses (123) sorgt.
Turbolader (100) mit Folgendem: einem Lagergehäuse (123), wobei das Lagergehäuse (123) eine axiale Bohrung (120) aufweist, einer Turbinenstufe (12), die mit einem Ende des Lagergehäuses (123) verbunden ist, einer Verdichterstufe (14), die mit einem gegenüberliegenden Ende des Lagergehäuses (123) verbunden ist, einer rotierenden Baugruppe (125), die Folgendes aufweist: eine Welle (20) mit einer Rotationsachse (21), wobei die Welle (20) über Lager (26, 128) in der axialen Bohrung (120) drehbar gelagert ist, ein an der Welle (20) montiertes Verdichterrad (18) und eine Ölschleudervorrichtung (122), die zwischen den Lagern (26, 128) und dem Verdichterrad (18) an der Welle (20) angeordnet ist, einem Einsatz (134), der so in der axialen Bohrung (120) angeordnet ist, dass er die Ölschleudervorrichtung (122) umgibt, wobei der Einsatz (134) eine radial nach außen weisende Fläche (138) definiert, einer Spüldichtung (160), die funktionsmäßig in einem Zwischenstück (131) zwischen dem Einsatz (134) und der Ölschleudervorrichtung (122) positioniert ist, wobei die Spüldichtung (160) so konfiguriert ist, dass sie Druckfluid in das Zwischenstück (131) einleitet, und einen die radial nach außen weisende Fläche (138) des Einsatzes (134) umgebenden ringförmigen Hohlraum (150) aufweist, wobei der Hohlraum (150) einen Abschnitt eines Fluidwegs bildet, der so konfiguriert ist, dass er das Druckfluid zur Spüldichtung (160) leitet.
Turbolader (100) nach Anspruch 10, bei dem der Einsatz (134) mindestens eine radiale Bohrung (139) aufweist, die sowohl zu dem Hohlraum (150) als auch zu dem Zwischenstück (131) hin offen ist, und einen weiteren Abschnitt des Fluidwegs bildet.
Turbolader (100) nach Anspruch 11, bei dem der Einsatz (134) einen radial verlaufenden Dichtflansch (140) aufweist und der Hohlraum (150) zwischen dem Lagergehäuse (123), der radial nach außen weisenden Fläche (138) des Einsatzes (134) und dem Dichtflansch (140) definiert ist.
Turbolader (100) nach Anspruch 11 mit einem ersten Kolbenring (32) und einem zweiten Kolbenring (32), wobei der erste und der zweite Kolbenring (32) zwischen einer radial nach außen weisenden Fläche der Ölschleudervorrichtung (122) und dem Einsatz (134) angeordnet sind, wobei die radiale Bohrung (139) an einer Stelle zwischen dem ersten Kolbenring (32) und dem zweiten Kolbenring (32) mit dem Zwischenstück (131) verbunden ist.
Turbolader (100) nach Anspruch 10 mit einem Versorgungskanal (154), der mit dem Hohlraum (150) in Fluidverbindung steht, wobei der Versorgungskanal (154) einen weiteren Abschnitt des Fluidwegs bildet.
Turbolader (100) nach Anspruch 10, bei dem die Position des Einsatzes (134) in Bezug zu dem Lagergehäuse (123) durch einen Sprengring (118) beibehalten wird, der zwischen dem Einsatz (134) und einem Abschnitt des Lagergehäuses (123) angeordnet ist.