DE202014007155U1 - Turbolader - Google Patents

Abstract

Ein Turbolader (100) für einen Verbrennungsmotor, welcher einen Verdichter (5) und optional eine Turbine (4) aufweist, die über eine Welle (3) miteinander verbunden sind, wobei diese in einem Gehäuse angeordnet sind und wobei zumindest eine Lagerbuchse (2) zur Aufnahme der Welle (3) vorgesehen ist, wobei die Lagerbuchse (2) eine erste Oberfläche (2a) aufweist und wobei die Welle (3) eine zweite Oberfläche (3a) aufweist, wobei die Welle (3) innerhalb der Lagerbuchse (2) gleitend drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kohlenstoffbeschichtung auf der ersten Oberfläche (2a) und/oder auf der zweiten Oberfläche (3a) angeordnet ist.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft einen Turbolader für einen Verbrennungsmotor bei dem sowohl der Verschleiß vermindert wird und zudem Notlaufeigenschaften verbessert werden.
• Stand der Technik
• Aus dem Stand der Technik sind Turbolader mit Wellenlager bekannt. Diese Lager bzw. Radiallager sind aufgrund der hohen Drehzahlen eines Turboladers von bis zu 300 000 Umdrehungen/Minute in der Regel als Gleitlager ausgebildet. Das Radiallager in einem Turbolader wird dazu in der Regel mit Öl unter Druck beaufschlagt, wodurch eine Welle des Turboladers in Öl schwimmend gelagert ist.
• Aufgrund des konzeptionellen Aufbaus eines Motors und der damit verbundenen Öl-Leitungswege liegt der benötigte Öldruck nicht sofort nach dem Motorstart an dem Radiallager des Turboladers an. Das Lager ist somit auf das im Gleitlager noch verbliebene Restöl nach Abstellen des Motors seit dem letzten Betrieb und/oder auf Notlaufeigenschaften angewiesen. Je länger die Standzeit des Motors beträgt, desto geringer ist die noch vorhandene Restölmenge zur Schmierung des Lagers bei einem Neustart des Motors.
• Somit kann es einige Sekunden nach dem Motorstart dauern, bis der erforderliche Öldruck im Gleitlager zur Verfügung steht.
• Ein weiteres Problem stellt das Ausschalten eines Motors nach einem längeren Volllastbetrieb für den Turbolader dar. Aufgrund der hohen thermischen Belastung von Turbine und Verdichter wird auch die sie verbindende Welle thermisch stark belastet. Kommt es nun zu einem schlagartigen Abbruch des Ölflusses durch Ausschalten des Motors in dem Lager, ohne eine kurze Abkühlungsphase des Turboladers, können wiederum Schäden an der Lagerpaarung Welle-Lagerbuchse auftreten.
• Aufgrund von neueren Technologien, wie dem Einsatz von Start-Stopp-Systemen oder dem Einsatz eines Turboladers bei Hybridfahrzeugen, kommt es systembedingt zu immer häufigeren Motorabschaltungen, verbunden mit einer Vervielfachung an Neustarts und daraus resultierendem Druckabfall bei der Ölschmierung des Turboladers bzw. bei der Gleitlagerung.
• Auch durch den Einsatz von elektrisch angetriebenen Ladern bzw. Turboladern, die raschen Ladedruckaufbau und hohes Drehmoment bereits bei niedrigsten Motordrehzahlen realisieren, kommt es aufgrund des in diesem Betriebszustand vorherrschenden niederen Öldrucks in Kombination mit hohen Drehzahlen des Laders zu Problemen. Hierbei werden die Begriffe, Lader, Verdichter und Kompressor äquivalent verwendet.
• Ingesamt resultiert daraus ein höherer Verschleiß des Radiallagers, also der Paarung Gleitbuchse-Welle, des Turboladers.
• Aufgrund des Verschleißes des Lagers und der geringen Toleranzen des Lagerpaares Welle-Lagerbuchse, in Kombination mit den sehr hohen Drehzahlen, ist die häufigste Ausfallursache eines Turboladers ein Lagerschaden. Dieses bekannte Phänomen wird durch im Turbolader verbranntes Öl und dem daraus resultierenden blauen Rauch aus dem Auspuff deutlich sichtbar.
• Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Gleitlager bzw. eine Lagerpaarung Buchse-Welle eines Turboladers zur Verfügung zu stellen, das bei hoher Zuverlässigkeit einfach und kostengünstig zu fertigen ist. Zusätzlich soll das Gleitlager bzw. diese Lagerpaarung Buchse-Welle sowohl einfach und sicher montierbar sein als auch kein Mehrgewicht aufweisen. Zuletzt sollte auch die Möglichkeit der Nachrüstbarkeit zur Verfügung gestellt werden.
• Diese Aufgabe wird durch einen Turbolader mit Gleitlagerbeschichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.
• Dazu wird erfindungsgemäß ein Turbolader für einen Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt, welcher einen Verdichter und optional eine Turbine aufweist, die über eine Welle miteinander verbunden sind, wobei diese in einem Gehäuse angeordnet sind und wobei zumindest eine Lagerbuchse zur Aufnahme der Welle vorgesehen ist, wo bei die Lagerbuchse eine erste Oberfläche aufweist und wobei die Welle eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die Welle innerhalb der Lagerbuchse gleitend drehbar ist. Dazu ist eine Kohlenstoffbeschichtung auf der ersten Oberfläche und/oder auf der zweiten Oberfläche angeordnet. Aufgrund der Kohlenstoffbeschichtung, die eine extreme Härte aufweist, wird für die Lagerpaarung Buchse-Welle
• • eine hohe Abriebfestigkeit,
• • ein niedriger Reibkoeffizient,
• • eine chemische Resistenz und
• Dadurch wird der Verschleiß der Lagerpaarung Buchse-Welle auf ein Minimum reduziert. Aufgrund der stark verminderten Reibung, auch bei Normalbetrieb mit der druckbeaufschlagten Ölschmierung, kann die Trägheit des Turboladers verringert werden. Dadurch baut der Turbolader schneller Ladedruck auf.
• Alternativ können z. B. auch zwei Gleitlager zur Lagerung einer Welle eines Turboladers mit einer Kohlenstoffbeschichtung zur Verfügung gestellt werden.
• Vorteilhafterweise ist die Kohlenstoffbeschichtung des Gleitlagers eines Turboladers partiell auf der ersten Oberfläche und/oder auf der zweiten Oberfläche angeordnet. Dadurch können noch weiter verbesserte Oberflächeneigenschaften der Lagerpaarung Buchse-Welle, wie eine noch höhere Abriebfestigkeit und ein noch niederer Reibkoeffizient, zur Verfügung gestellt werden.
• Alternativ kann die Kohlenstoffbeschichtung des Gleitlagers eines Turboladers partiell auf der ersten Oberfläche und/oder auf der zweiten Oberfläche angeordnet sein. Diese Flexibilität vereinfacht eine Kombination unterschiedlicher Oberflächeneigenschaften zwischen der Lagerpaarung Buchse-Welle. Insbesondere können unterschiedliche Oberflächenhärten bei einer Gleitlagerkombination von erster und zweiter Oberfläche erzielt werden.
• Vorteilhafterweise weist das Gleitlager eines Turboladers eine Zwischenschicht auf, die zwischen der Kohlenstoffbeschichtung und der ersten Oberfläche der Lagerbuchse und/oder zwischen der Kohlenstoffbeschichtung und der zweiten Oberfläche der Welle angeordnet ist. Dadurch können die Oberflächeneigenschaften des Gleitlagers bezüglich Notlaufeigenschaften und Verschleißfestigkeit noch weiter erhöht werden. Des Weiteren können die Möglichkeiten zur Aufbringung der Kohlenstoffbeschichtung verbessert werden.
• Vorteilhafterweise weist das Gleitlager eines Turboladers eine Kohlenstoffhartschicht mit einer hohen Abriebfestigkeit, einem niedrigen Reibkoeffizienten und einer chemischen Resistenz auf.
• Vorteilhafterweise weist das Gleitlager eines Turboladers eine DLC(Diamond like Carbon)Kohlenstoffhartschicht auf. Dadurch werden eine maximale Abriebsfestigkeit und ein minimaler Reibkoeffizient zur Verfügung gestellt.
• Vorteilhafterweise weist die Kohlenstoffbeschichtung eine Dicke von 0,5 μm bis 3 μm aufweist. Dadurch kann eine sehr gute Oberflächenglätte bei gleichzeitig hohen Notlaufeigenschaften zur Verfügung gestellt werden.
• Alternativ ist auch eine CVD-(Chemical Vapour Deposition)Schicht als eine Kohlenstoffbeschichtung vorstellbar. Dadurch kann die Härte der Oberfläche noch einmal gesteigert werden.
• Die Lagerbuchse des Gleitlagers eines Turboladers kann alternativ auch Lagerschalen aufweisen. Dadurch wird eine einfachere Reparaturmöglichkeit zur Verfügung gestellt.
• Vorteilhafterweise kann der Turbolader in einem Kraftfahrzeug verwendet werden.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele zusammen mit den beigefügten Zeichnungen erläutert. Dazu zeigt:
• 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Turboladers gemäß vorliegender Erfindung,
• 2 eine vergrößerte Teildarstellung eines Gleitlagers bzw. eine Lagerpaares Buchse-Welle und
• 3 eine perspektivische Darstellung eines Turboladers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• Detaillierte Beschreibung einer ersten bevorzugten Ausführungsform
• 1 zeigt schematisch einen Turbolader 100 mit Gleitlagerbeschichtung gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieser Turbolader 100 weist auf:
• • ein (zur besseren Übersichtlichkeit nicht dargestelltes) Gehäuse,
• • eine Turbine 4,
• • einen Verdichter 5,
• • mindestens eine Lagerbuchse 2 mit einer ersten Oberfläche 2a, und
• • eine Welle 3, mit einer zweiten Oberfläche 3a.
• Die Lagerbuchse 2 und die Welle 3 sind als Gleitlager 1 ausgebildet. Dabei ist die Welle 3 in der Lagerbuchse 2 drehbar gleitend angeordnet. Die schematisch dargestellte Turbine 4 und der schematisch dargestellte Verdichter 5 sind an der Welle 3 angeordnet. Anstelle der Turbine 4 oder zusätzlich zu dieser kann auch ein Elektroantrieb vorgesehen sein.
• In dieser Ausführungsform sind sowohl auf der ersten Oberfläche 2a der Lagerbuchse 2 als auch auf der zweiten Oberfläche 3a der Welle 3 DLC(Diamond like Carbon)-Beschichtungen angebracht.
• Dadurch verfügt das Gleitlager 1, das in dieser Ausführungsform als Radiallager ausgebildet ist, über eine extrem harte Oberfläche, die den Verschleiß auf ein Minimum reduziert und gleichzeitig hervorragende Notlaufeigenschaften zur Verfügung stellt. Dadurch wird eine Abnutzung des Gleitlagers 1 bzw. der Lagerpaarung Buchse 2 – Welle 3 nahezu verhindert. Des Weiteren wird auch bei einem kurzzeitig fehlenden Öldruck ein Lagerschaden verhindert.
• Aufgrund einer deutlich verringerten Reibung zwischen Welle 3 und Lagerbuchse 2 wird zudem das Ansprechverhalten (Turboloch) des Turboladers 100 verbessert. Dadurch kann der Turbolader 100 wesentlich schneller den gewünschten Ladedruck zur Verfügung stellen.
• Die DL-Beschichtung wird je nach Bauart des Gleitlagers 1 und Anwendungsbereich des Turboladers 100 vollflächig oder partiell aufgetragen. Dabei sind unterschiedliche Muster, wie punktförmig oder streifenförmig vorstellbar. Dabei kann zusätzlich ein Ölfilm besser adhäsiv gebildet werden.
• Zweite Ausführungsform
• Die 3 zeigt perspektivisch eine zweite Ausführungsform. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform im Wesentlichen nur dadurch, dass die Turbine durch einen nicht dargestellten Elektromotor ersetzt wird.
• In einer nicht gezeigten abgewandelten Ausführungsform ist mindestens ein Gleitlager als Axiallager ausgebildet, bei dem ebenfalls die Oberflächen mit einer DLC-Beschichtung versehen sind. Auch wird hier wiederum je nach Bauart des Gleitlagers und Anwendungsbereich des Turboladers 100 die DLC-Beschichtung vollflächig oder partiell aufgetragen.
• Bezugszeichenliste

100

Turbolader mit Gleitlagerbeschichtung

1

Gleitlager

2

Lagerbuchse

2a

erste Oberfläche

3

Welle

3a

zweite Oberfläche

4

Turbine

5

Verdichter

Claims (10)

1. Ein Turbolader (100) für einen Verbrennungsmotor, welcher einen Verdichter (5) und optional eine Turbine (4) aufweist, die über eine Welle (3) miteinander verbunden sind, wobei diese in einem Gehäuse angeordnet sind und wobei zumindest eine Lagerbuchse (2) zur Aufnahme der Welle (3) vorgesehen ist, wobei die Lagerbuchse (2) eine erste Oberfläche (2a) aufweist und wobei die Welle (3) eine zweite Oberfläche (3a) aufweist, wobei die Welle (3) innerhalb der Lagerbuchse (2) gleitend drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kohlenstoffbeschichtung auf der ersten Oberfläche (2a) und/oder auf der zweiten Oberfläche (3a) angeordnet ist.
2. Der Turbolader (100) nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoffbeschichtung partiell auf der ersten Oberfläche (2a) und/oder auf der zweiten Oberfläche (3a) angeordnet ist.
3. Der Turbolader (100) nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoffbeschichtung vollständig auf der ersten Oberfläche (2a) und/oder auf der zweiten Oberfläche (3a) angeordnet ist.
4. Der Turbolader (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gleitlager (1) eine Zwischenschicht aufweist, die zwischen der Kohlenstoffbeschichtung und der ersten Oberfläche (2a) der Lagerbuchse (2) und/oder zwischen der Kohlenstoffbeschichtung und der zweiten Oberfläche (3a) der Welle angeordnet ist.
5. Der Turbolader (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kohlenstoffbeschichtung eine Kohlenstoffhartschicht ist.
6. Der Turbolader (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kohlenstoffbeschichtung eine DLC(Diamond like Carbon)Kohlenstoffhartschicht ist.
7. Der Turbolader (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kohlenstoffbeschichtung eine Dicke von 0,5 μm bis 3 μm aufweist.
8. Der Turbolader (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Kohlenstoffbeschichtung eine CVD-(Chemical Vapour Deposition)Schicht ist.
9. Der Turbolader (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lagerbuchse (2) Lagerschalen aufweist.
10. Verwendung des Turboladers (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Kraftfahrzeug.

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