DE3014297A1

DE3014297A1 - Turbolader fuer eine verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE3014297A1
Application number: DE19803014297
Authority: DE
Inventors: V Durga Nageswar Rao
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1979-04-23
Filing date: 1980-04-15
Publication date: 1980-10-30
Also published as: GB2048431B; CA1153741A; DE3014297C2; JPH0141840B2; GB2048431A; US4269570A; JPS566100A

Description

Patentanmeldung Turbolader für eine Verbrennungskraftmaschine

Die Erfindung betrifft einen Turbolader für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Rotor, der auf einer Welle drehbar gelagert ist und sich in einem Gehäuse dreht, wobei auf beiden Seiten des Rotors unter Zwischenschaltung von Stator-Einheiten Luft-bzw. Abgaskanäle angeschlossen sind und Luft bzw. Abgase in axial verlaufende Kammern des Rotors eintreten.

Ein Turbolader, bei dem die Erfindung verwendet werden kann, ist in der ASME-Publikation mit dem Titel "Performance and Sociability of Comprex Supercharged Diesel Engine", verfasst von Groenwold und anderen, veröffentlicht im September 1977, beschrieben.

Der in dieser Veröffentlichung gezeigte Turbolader weist einen Rotor auf, der auf einer Welle gelagert ist. Diese Konstruktion hat den Nachteil, daß Schwingungen von der Welle auf den keramischen Rotor unmittelbar übertragen werden können, was für den Rotor und seine Festigkeit sehr nachteilig ist. Als Folge davon, kann es zu Brüchen des Rotors kommen. 030044/0762

Sitz der Gesellschaft: Köln ■ Registergericht Köln, HRB 84 ■ Vorsitzender des Aufsichtsrates: Robert A.Lutz

Vorstand: Peter Weiher, Vorsitzender · Hermann Dederichs · Waldemar Ebers · Hans Wilhelm Gab · Paul A.Guckel · Wilhelm Inden

Alfred Langer ■ Hans-Joachim Lehmann ■ Dieter Ullsperger

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Außerdem ist bei der bekannten Ausfuhrungsform des Rotors eine relativ gute Wärmeübertragung von den äußeren Bereichen des Rotors zu den Bereichen, die in Nähe der Nabe angeordnet sind, möglich. Dieses ist ebenfalls nachteilig.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile der bekannten Anordnung dadurch zu vermeiden, daß eine bessere Isolation gegen Übertragung von Schwingungen und gegen die Übertragung auch von Wärme erreicht wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Rotor, aus keramischem Material mit möglichst geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt, mit seinem Bereich, der die Zellen enthält, einstückig eine Nabe bildet, die eine zentrale Bohrung enthält, durch die sich eine Welle erstreckt, wobei der Raum zwischen der Nabe und der Welle mit einem elastomerem Material auf Silikonbasis ausgefüllt ist und wobei das elastomere Material mit der Nabe und der Welle verbunden ist.

In Ausgestaltung der Erfindung ist die Anordnung so getroffen, daß die Welle mit sich radial erstreckenden Fortsätzen versehen ist, denen entsprechend den Fortsätzen geformte Ausnehmungen in der Nabe des Rotors entsprechen, wobei der Raum zwischen den Fortsätzen und den Ausnehmungen mit einem elastomerem Material ausgefüllt ist.

Auch kann die als Rohr ausgebildete Welle innerhalb einer öffnung der Nabe des Rotors angeordnet sein, wobei die Nabe mit nach innen, in radialer Richtung weisenden Vorsprüngen versehen ist und der Raum zwischen der Nabe und der Welle mit elastomerem Material ausgestattet ist.

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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann auch die Nabe des Rotors aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten Nabenringen bestehen, die durch Radialstege miteinander verbunden sind und die Antriebswelle als Hohlwelle ausgebildet sein,die mit axial verlaufenden Schlitzen versehen ist und zwischen den Nabenringen angeordnet ist, wobei der Raum zwischen den Nabenringen einerseits und der Hohlwelle andererseits mit elastomerem Material ausgefüllt ist.

Dabei kann auch der Rotor eine innenliegende Ringnabe, eine mittflere Ringnabe sowie eine äußere Ringnabe aufweisen, wobei die äußere Ringnabe mit der mittleren Ringnabe durch Radialstege verbunden ist, die die Zellen für den Rotor bilden und die mittlere Nabe mit der inneren Nabe durch Radialstege verbunden ist, wobei die Bereiche zwischen den Radialstegen einerseits und der mittleren Ringnabe und der inneren Ringnabe andererseits die mit Schlitzen versehene Hohlwelle aufnehmen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Es zeigen :

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung des Turbo

laders gemäß der Erfindung ;

Fig. 2 einen Rotor der Anordnung gemäß Fig. 1 ;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 der Anordnung

nach Fig. E ;

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Teil eines Rotors,

wobei eine andere Ausführungsform der Erfindung gezeigt ist ;

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Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Linie 5-5 der

Anordnung nach Fig. 6;

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine andere Anwendungs

form der Erfindung, wobei ein Rotor gezeigt ist ;

Fig. 7 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungs

form der Erfindung, wobei ein Rotor gezeigt ist.

Insbesondere in der Fig. 1 ist ein Einlaßsystem dargestellt, das mit der Ziff. 10 bezeichnet ist. Ein Aus puffs ystem trägt die Bezeichnung 12. Das Einlaßsystem 10 enthält einen Lufteinlaßkanal 11, der in Verbindung steht mit dem Vergaser der Verbrennungskraftmaschine. Eine Drosselklappe 14 ist in den Kanälen angeordnet ; durch sie ist die Menge an Luft, die dem Einlaßsystem zugeführt wird, regelbar. Ein Niederdrucklufteinlaßkanal ist im Einlaßsystem angeordnet und mit 16 bezeichnet.

Das Auspuffsystem 12 enthält einen Hochdruckauspuffkanal 18 sowie einen Niederdruckauspuffkanal 20. Ein zylinder is ches Gehäuse 22 ist zwischen dem Einlaßsystem 10 und dem Auspuffsystem 12 angeordnet. Wie insbesondere aus der Fig. 2 hervorgeht, ist ein Rotor 24 innerhalb des Gehäuses 22 drehbar gelagert. Der Rotor besitzt axial verlaufende Zellen 26 und weiterhin eine Nabe 28, die auf einer Welle 30 sitzt. Letztere ist innerhalb einer Bohrung 32 im Einlaßsystem 10 angeordnet.' Im Einlaßsystem 10 können entsprechende Lager einrichtungen vorgesehen sein, wodurch sichergestellt ist, daß sich die Welle 30 drehen kann.

Die Zellen 26 stehen in Verbindung mit den Kanälen 16, 12, 18 und 20 durch Öffnungen, die im Stator 34 bzw. im Stator 37 vorgesehen sind. Der Stator 34 sitzt zwischen dem Gehäuse 22 und dem Auspuffsystem

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Er ist mit einem Hochdruckauslaß 38 sowie einem Niederdruckaus laß 40 versehen. Der Stator 36 weist einen Einlaßkanal für Hochdruckabgase 42 sowie einen Auslaßkanal für Niederdruckabgase 44 auf . Diese Kanäle stehen in Verbindung mit den Zellen 26 im Rotor, und zwar nur zeitweise. Auf diese Weise wird die Energie der Abgase den Zellen durch den Einlaßkanal für Hochdruckabgase 42 zugeleitet und übertragen auf die Luft, die mit Niederdruck sich in den Zellen befindet. Die Kompressionswelle bewirkt somit eine Kompression der eintretenden Luft und entläßt dann die kompressierte Luft durch den Hochdruckauslaß 38 zum Lufteinlaßkanal 11. Die expandierten und relativ kühlen Abgase gelangen dann von der Zelle durch den Auslaßkanal für die Niederdruckabgase 44 an den Niederdruckauspuffkanal 20.

Bei der Ausführungsfortn gemäß den Figuren 2 und 3 ist die Nabe 28 des Rotors mit einer zentralen Bohrung 46 versehen, durch die sich die Welle 30 erstreckt. Die Welle 30 ist mit radial verlaufenden Fortsätzen 43 versehen, die eingreifen in entsprechende Ausnehmungen 50 auf der rechten Seite der Nabe 28. Auf diese Weise kann die Drehung von der Welle auf den Rotor übertragen werden. Zwischen den Fortsätzen 48 und den Ausnehmungen 50 ist elastomeres Material 52 vorgesehen, um eine .abdämpfende Wirkung zu erreichen. Auf diese Weise wird die Übertragung unerwünschter Vibrationen verhindert oder reduziert, die sonst von der Welle auf den keramischen Rotor übertragen werden könnten. Eine Mutter 54 ist auf die Welle 30 aufgeschraubt und hält die Nabe 28 auf der Welle. Das elastomere Material ist im Zwischenraum zwischen der Welle 30 und dem keramischen zylinderischen Wänden der Nabe 28 angeordnet. Es sitzt auch auf der Stirnfläche 56 der Nabe 28, die benachbart ist einer Scheibe 58.

In der Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt.

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Hier sind eine keramische Nabe 60 und eine Hohlwelle 62 aus Metall vorgesehen. Elastomeres Material 64 sitzt zwischen der Welle 62 und der Nabe 60. Dabei ist die Nabe vorzugsweise mit radial verlaufenden Vorsprüngen 66 versehen, die die Übertragung des Drehmomentes zwischen der Welle und der Nabe 60 erleichtern. Das elastomere Material kann ein Elastomer auf Silikonbasis sein, so beispielsweise Dimethylsiloxan. Dieses Material hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der etwa 100 mal so groß ist wie der Wärmeausdehnungskoeffizient von keramischem Material. Die metallische Welle 62 weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der ungefähr 10 mal so groß ist wie der der Wärmeausdehnungskoeffizient des keramischen Materials.

Das elastomere Material wird in den Zwischenraum zwischen der keramischen Nabe 60 und der metallischen Welle eingebracht und härtet dort aus bei einer Temperatur, die kleiner ist als die Betriebstemperatur.

Dabei kann die Aushärtung etwa bei einer Temperatur von ca. 150 Celsius erfolgen, während die Betriebstemperatur bis zu 370 Celsius betragen kann.

Wenn die Anordnung abkühlt bis auf die Raumtemperatur, nachdem der Aushärtvorgang abgeschlossen ist, schrumpft das elastomere Material und zieht sich somit zurück von den umgebenden Wänden der Nabe 60 ; dabei wird die Nabe unter Druck gesetzt. Wenn der Rotor nun bei einer relativ hohen Drehzahl im Betrieb arbeitet, werden diese Kompressionskräfte ausgeglichen durch die Zentrifugalkräfte, die auf diese Teile wirken, so daß die Nettobelastung geringer ist als bei anderen Anordnungen, wo eine Vorspannung durch die Schrumpfung des elastomeren Materials nicht vorhanden ist.

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In den Figuren 5 und 6 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hier weist der Rotor Zellen 68 auf. Die Nabe ist insgesamt mit 70 bezeichnet. Sie enthält einen Nabenring 72 sowie einen Nabenring 74, die durch radial verlaufende Radialstege 76 verbunden sind. Der Nabenring 72 , der Nabenring 74 und die Radialstege 76 wie auch die Zellen 68 sind einstückig aus Keramikmaterial hergestellt. Die Hohlwelle 78 erstreckt sich durch die Nabe und zwar in einem Bereich, der zwischen dem Nabenring 72 und dem Nabenring 74 liegt. Die Hohlwelle 78 ist geschlitzt ausgeführt, wie bei 80 dargestellt ; auf diese Weise erstrecken sich die Radialstege 76 durch die Welle hindurch. Eine Antriebswelle 82 verläuft durch den Mittelbereich des Nabenringes 74. Die Antriebswelle 82~wird auf geeignete Weise mit der Hohlwelle 78 verbunden.

Das elastomere Material wird in fester Form zwischen den Nabenring und der Innenfläche der Hohlwelle 78 eingebracht, wie aus dem Bereich 84 zu ersehen ist. Das elastomere Material erstreckt sich somit durch die Schlitze 80, so daß die Hohlwelle 78 isoliert ist von den aus Keramikmaterial hergestellten Radialstegen 76. Elastomeres Material 86 wird sodann in die Abstände zwischen dem Nabenring 72 und der Außenfläche der Hohlwelle 78 eingebracht. Das gleiche gilt für den Außenbereich der Hohlwelle 78 und den Radialstegen 76.

Das elastomere Material bei der Aus führ ungs form gemäß Fig. 5 härtet bei einer Temperatur aus, die wesentlich unter der Betriebstemperatur der Einrichtung liegt. Wenn der Rotor die Betriebstemperatur erreicht, die beispielsweise 370 Celsius betragen kann, dehnt sich das elastomere Material wesentlich aus, da es einen relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt. Verglichen mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Metall ist dieser Ausdehnungskoeffizient etwa 10 mal so groß. Infolge dieser unterschiedlichen Wärmeausdehungskoeffizienten wird,

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wie bereit vorerwähnt ausgeführt, die Nabe des Rotors unter Druck gesetzt. Diesem Druck entgegengesetzt wirkt im Betrieb die herrschende Fliehkraft, so daß die resultierende Belastung verringert wird.

Das elastomere Material 86 isoliert thermisch die heißen Bereiche des Rotors von den Bereichen der Nabe. Die in diesen Bereichen angeordneten Zwischenräume wirken dabei als Wärmeübertragungssperre.

Wenn der Rotor auf Raumtemperatur abkühlt und dabei eine Temperatur erreicht, die unterhalb der Aushärttemperatur liegt, wird dadurch die Nabe des Rotors unter Druck gesetzt, wodurch der Wirkung der Zentrifugalkräfte entgegengewirkt wird. Auf diese Weise wird der Rotor nicht nur gegen die Übertragung von Schwingungen und Vibrationen gesichert, gegen die Wirkung von ex essiven Zentrifugalkräften geschützt sondern auch gegen eine Überhitzung durch die außenliegenden Zellen geschützt.

In der Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hier ist eine Ringnabe 88 und eine Ringnabe 90 vorgesehen. Die Zellen 92 des Rotors liegen axial zwischen der Ringnabe 90 und der Ringnabe 88. Die Nabe 94 des Rotors gemäß Fig. 7 besitzt wiederum eine Ringnabe 96 und Radialstege 98, die die Ringnabe 96 und die Ringnabe 90 verbinden. Zwischen den Radialstegen 98 sind Räume 100 angeordnet, die die Welle aufnehmen können. Die Anordnung des festen elastomeren Materials sowie des einzubringenden elastomeren Materials, durch das eine Verbindung des festen elastomeren Materials mit den umgebenden Teilen erfolgt, wird vorgenommen in den Zwischenräumen zwischen den genannten Teilen. Die Zellen der Ausführungsform nach Fig. 7 sind länger ausgeführt in radialer Richtung als die Zellen der Ausführungsform nach den Figuren 5 und 6. Das hat zur Folge, daß kleinere Räume für die Anordnung des elastomeren Materials zur Verfügung stehen.

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Claims

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Patentansprüche

Turbolader für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Rotor, der auf einer Welle drehbar gelagert ist und sich in einem Gehäuse dreht, wobei auf beiden Seiten des Rotors unter Zwischenschaltung von Stator - Einheiten Luft- bzw. Abgaskanäle angeschlossen sind und Luft bzw. Abgase in axial verlaufende Kammern des Rotors eintreten, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (24), aus keramischem Material mit möglichst geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt, mit seinem Bereich, der die Zellen (26) enthält, einstückig eine Nabe (28) bildet, die eine zentrale Bohrung enthält, durch die sich eine Welle (30) erstreckt, wobei der Raum zwischen der Nabe (28) und der Welle (30) mit einem aus elastomerem Material auf Silikonbasis ausgefüllt ist und wobei das elastomere Material mit der Nabe (28) und der Welle (30) verbunden ist.

Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (30) mit sich radial erstreckenden Fortsätzen (48) versehen ist, denen entsprechend den Fortsätzen (48) geformte Ausnehmungen (50) in der Nabe des Rotors entsprechen, wobei der Raum zwischen den Fortsätzen (48) und den Ausnehmungen (50) mit einem elastomeren Material ausgefüllt ist.

Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Rohr ausgebildete Welle (62) innerhalb einer öffnung der Nabe (60) des Rotors angeordnet ist, wobei die Nabe (60) mit nach innen, in radialer Richtung weisenden Vorsprüngen (66) versehen ist und der Raum zwischen der Nabe (60) und der Welle (62) mit elastomerem Material ausgestattet ist.

Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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ORIGINAL INSPECTED

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daß die Nabe des Rotors aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten Nabenringen (72, 74) besteht, die durch Radialstege (76) miteinander verbunden sind und die Antriebswelle als Hohlwelle (78) ausgebildet ist, die mit axial verlaufenden Schlitzen (80) versehen ist und zwischen den Nabenringen (72, 72) angeordnet ist, wobei der Raum zwischen den Nabenringen (72, 74) einerseits und der Hohlwelle (78) andererseits mit elastomerem Material ausgefüllt ist.

5. Turbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor eine innenliegende Ringnabe (76), eine mittlere Ringnabe (70) sowie eine äußere Ringnabe (88) aufweist, wobei die äußere Ringnabe (88) mit der mittleren Ringnabe (90) durch Radialstege verbunden ist, die die Zellen (92) für den Rotor bilden und die mittlere Nabe (90) mit der inneren Nabe (96) durch Radialstege (98) verbunden ist und die Bereiche zwischen den Radialstegen (98) einerseits und der mittleren Ringnabe (90) und der inneren Ringnabe (96) andererseits die mit Schlitzen (80) versehene Hohlwelle (78) aufnehmen.

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