DE3023010A1

DE3023010A1 - Turbocharger unit for IC engine - has heat reflecting sheet behind turbine backplate to protect bearing housing

Info

Publication number: DE3023010A1
Application number: DE19803023010
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl.-Ing. 2800 Bremen Behnert; Werner Dipl.-Ing. 8070 Ingolstadt Dommes; Wilfried Dipl.-Ing. 8071 Wettstetten Gerwig
Original assignee: Audi NSU Auto Union AG; Audi AG; Vereinigte Flugtechnische Werke Fokker GmbH
Current assignee: Audi AG; Vereinigte Flugtechnische Werke Fokker GmbH
Priority date: 1980-06-20
Filing date: 1980-06-20
Publication date: 1982-01-21

Abstract

The turbocharger has a turbine (10) on a shaft (11) which also carries a compressor. The turbine has a casing with a backplate (12) close to the turbine impeller (10). Beyond the radius of the impeller the casing extends out axially (20) and supports a bearing housing (13). A sheet of metal (18) is fixed between the outside of the casing backplate (12) and the bearing housing (13). It is polished and plated with chromium or nickel on the side facing the backplate. The sheet acts as a heat reflector to reduce the temp. of the bearing housing. It is sealed to the backplate and to the bearing housing by elastic strips (15,16,19).

Description

Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen Exhaust gas turbochargers for internal combustion engines

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen mit einer in einem Gehäuse angeordneten, von den Abgasen beaufschlagten Turbine, die über eine Welle einen Verdichter antreibt.The invention relates to an exhaust gas turbocharger for internal combustion engines with a turbine arranged in a housing and acted upon by the exhaust gases, which drives a compressor via a shaft.

Abgasturbolader werden seit geraumer Zeit zum Aufladen von Brennkraftmaschinen eingesetzt, um die Leistung der Brennkraftmaschinen zu steigern.Exhaust gas turbochargers have been used for charging internal combustion engines for some time used to increase the performance of internal combustion engines.

Bei den so betriebenen Turboladern dienen die sonst nutzlos abgeleiteten Abgase zum Antrieb der Turbine, während ein mit der Turbine gekoppelter Verdichter die Brennkammern mit Frischluft oder Mischgas auflädt. Turbolader können daher bei richtiger Abstimmung eine sinnvolle Maßnahme zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen sein.In the case of the turbochargers operated in this way, the otherwise uselessly derived ones are used Exhaust gases to drive the turbine, while a compressor coupled to the turbine charges the combustion chambers with fresh air or mixed gas. Turbochargers can therefore with correct coordination a useful measure to increase the performance of internal combustion engines be.

Beim Aufbau und Betrieb eines Turboladers ist jedoch mit verschiedenen Schwierigkeiten zu rechnen. So bereiten z.B. die relativ hohen Temperaturen der Abgase Probleme, weil eine zu große Erwärmung des Gehäuses negative Auswirkungen auf die Funktion haben kann. Die Erwärmung eines Turboladergehäuses erfolgt durch Wärmeübertragung vom heißen Laufrad der Turbine, und zwar im wesentlichen durch Strahlung. Eine der Turbine benachbarte Gehäusewand wird nach dem Stephan-Boltzmann schen Gesetz überproportional der 4. Potenz der Temperatur des Strahlungskörpers ausgesetzt. Daher hat z.B. eine Temperaturänderung von 11730K auf W 12730K (T = 8,5 °Ó) eine Änderung der Wärmestromdichte von 10,73 W auf 14,9 c (AW = 38,8 %) zur Folge.The construction and operation of a turbocharger, however, involves different Expect difficulties. For example, the relatively high temperatures of the Exhaust problems, because excessive heating of the housing has negative effects can have on the function. A turbocharger housing is heated by Heat transfer from the hot impeller of the turbine, essentially through Radiation. A housing wall adjacent to the turbine is named after the Stephan-Boltzmann s law disproportionately to the 4th power of the temperature of the radiating body exposed. Therefore, e.g. a temperature change from 11730K to W 12730K (T = 8.5 ° Ó) a change in heat flow density from 10.73 W to 14.9 c (AW = 38.8%) result.

Aus der Theorie der Strahlungstechnik ist z.B. bekannt, daß ein idealer Strahler (schwarzer Strahler) eine Emissivität von E = 1 und eine Reflektanz von g = 0 hat. Im Gegensatz hierzu hat ein nichtstrahlender Körper eine Reflektanz von 9 = 1 und eine Emissivität von E = O. Um die Erwärmung eines Turboladers durch Wärmeübertragung zu vermindern, ist es daher sinnvoll, eine Reflexionsschicht in den Strahlengang einzubauen. Diese an sich einleuchtende Maßnahme läßt sich aber nicht so ohne weiteres verwirklichen, weil beim Betrieb eines Turboladers mit der Verschmutzung, insbesondere Verkokung einer solchen Reflexionsschicht zu rechnen ist. Dadurch wird aber die Wirkung der Reflexion je nach eingesetztem Werkstoff bis nahezu auf Null vermindert und die als Hitzeschild eingesetzte Reflexionsschicht bedeutungslos.From the theory of radiation technology it is known, for example, that an ideal Emitter (black body) has an emissivity of E = 1 and a reflectance of has g = 0. In contrast, a non-radiating body has a reflectance of 9 = 1 and an emissivity of E = O. About the heating of a turbocharger through heat transfer to reduce it, it is therefore useful to place a reflective layer in the beam path to be built in. However, this measure, which is obvious in itself, cannot be carried out without further ado realize because when operating a turbocharger with pollution, in particular Coking of such a reflective layer is to be expected. But this makes the Effect of reflection reduced to almost zero, depending on the material used and the reflective layer used as a heat shield is meaningless.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader der eingangs genannten Art vor zu großer Erwärmung zu schützen. Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Rückseite einer neben der Turbine vorgesehenen Gehäusewand ein Hitzeschild aufweist und zur Welle hin durch eine elastische Ringdichtung gegen Verschmutzung geschützt ist.The invention is therefore based on the object of an exhaust gas turbocharger of the type mentioned to protect against excessive heating. According to the invention this object is achieved in that the back of a provided next to the turbine Housing wall has a heat shield and towards the shaft by an elastic ring seal is protected against pollution.

Die erfindungsgemäße Maßnahme verhindert bei allen Betriebszuständen eine Verzunderung, Oxydation oder Verschmutzung des Hitzeschildes und ge- währleistet damit einen konstanten Reflexionsfaktor. Dabei kann das Hitzeschild z.B. aus einem dünnen vernickelten Blech bestehen und mittels Distanzstücken an der Rückseite der Gehäusewand befestigt sein. Es ist aber auch möglich, die Gehäusewand aus Keramik herzustellen und die Rückseite zu vernickeln. Die elastische Ringabdichtung, die auch zur Abstandshaltung des als Hitzeschild wirkenden vernickelten Bleches benutzt werden kann, kann wegen der verschiedenen thermischen Belastungen selbst aus einem elastischen Isolierstoff bestehen oder dafür eine Ringfeder enthalten.The measure according to the invention prevents in all operating states scaling, oxidation or soiling of the heat shield and ensures thus a constant reflection factor. The heat shield can, for example, consist of a thin nickel-plated sheet metal and using spacers on the back of the Be attached to the housing wall. But it is also possible to have the housing wall made of ceramic manufacture and nickel-plating the back. The elastic ring seal that also used to keep the nickel-plated sheet metal, which acts as a heat shield, at a distance can be, because of the different thermal loads even from a consist of elastic insulating material or contain a ring spring.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zichnung näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to the accompanying drawing.

Es zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Hitzeschild eines Abgasturboladers, Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel für ein Hitzeschild eines Abgasturboladers, Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Hitzeschild eines Abgasturboladers, Fig. 4 eine elastische Ringdichtung im Schnitt und Fig. 5 eine weitere elastische Ringdichtung im Schnitt.1 shows a first exemplary embodiment for a heat shield of an exhaust gas turbocharger, FIG. 2 shows a second exemplary embodiment for a heat shield an exhaust gas turbocharger, FIG. 3 shows a further exemplary embodiment for a heat shield of an exhaust gas turbocharger, FIG. 4 shows an elastic ring seal in section and FIG. 5 a further elastic ring seal in section.

In der Darstellung nach Fig. 1 ist ein Ausschnitt eines Abgasturboladers zu sehen, mit einer Turbine lo und einer damit starr gekoppelten Welle 11. Die Welle 11 führt zu einem nicht näher dargestellten Verdichter.In the illustration according to FIG. 1, there is a section of an exhaust gas turbocharger to see, with a turbine lo and a shaft rigidly coupled to it 11. The shaft 11 leads to a compressor not shown in detail.

Neben der Turbine lo ist eine Gehäusewand 12 vorgesehen, die zunächst parallel zur Rückseite der Turbine lo verläuft und in Höhe des Turbinenaußendurchmessers sich z-förmig abwinkelt. Parallel zu dieser Gehäusewand 12 ist ein Lagerschild 13 derart angeordnet, daß sich zwischen diesen beiden Bauteilen ein Zwischenraum 14 ergibt. Dieser Zwischenraum 14 ist zur Welle 11 hin durch eine aus zwei Ringhälften 15, 16 bestehende Ringdichtung 17 abgedichtet, wobei die Ringhälften 15, 16 zwischen sich ein dünnes zur Gehäusewand 12 vernickeltes Ringblech 18 fixieren. Das Ringblech 18 erstreckt sich über den gesamten parallel zur Turbinenrückseite verlaufenden Teil der Gehäusewand 12 und ist darüber hinaus an seinem Außenende durch einen als Distanzstück wirkenden Isolierung 19 gehaltert. Die Innenseite des Ringbleches 18 ist poliert und entweder vernickelt oder verchromt und dient daher für die von der Turbine lo ausgehende Wärmestrahlung als Hitzeschild. Neben einer Vernickelung oder Verchromung ist es auch möglich, das Ringblech zu vergolden oder mit einer anderen geeigneten Reflexionsschicht zu versehen. Die Ringdichtung 17, welche aus den beiden Ringhälften 15, 16 besteht, ist hierbei aus elastischem Isolierstoff hergestellt, um bei den verschiedenen thermischen Belastungen die Abdichtung zur Welle 11 zu gewåhrleisten.In addition to the turbine lo a housing wall 12 is provided, which initially runs parallel to the rear of the turbine lo and at the level of the turbine outer diameter bends in a z-shape. A bearing plate 13 is parallel to this housing wall 12 arranged in such a way that there is a gap 14 between these two components results. This gap 14 is towards the shaft 11 through one of two ring halves 15, 16 existing ring seal 17 sealed, the ring halves 15, 16 between a thin ring plate 18, nickel-plated towards the housing wall 12, is fixed. The ring plate 18 extends over the entire parallel to the rear of the turbine Part of the housing wall 12 and is also on its outer end supported by an insulation 19 acting as a spacer. The inside of the Annular sheet 18 is polished and either nickel-plated or chrome-plated and is therefore used for the heat radiation emanating from the turbine lo as a heat shield. In addition to a Nickel-plating or chrome-plating, it is also possible to gold-plate the ring plate or to be provided with another suitable reflective layer. The ring seal 17, which consists of the two ring halves 15, 16 is here made of elastic insulating material manufactured to provide the seal with the various thermal loads Wave 11 to ensure.

Beim Betrieb eines erfindungsgemäß ausgebildeten Abgasturboladers verhindert damit die Ringabdichtung 17 eine Verschmutzung des als Hitzeschild wirkenden Ringbleches 18, so daß die Wirkung des Hitzeschildes dauerhaft erhalten bleibt. Der von der Turbine lo ausgehende Wärmestrom erwärmt zwar die Gehäusewand 12, aber diese Wärme wird, wie durch den Pfeil 2o angedeutet, nach außen abgeleitet. Das als Hitzeschild eingesetzte Ringblech 18 reflektiert die Wärmestrahlen und verhindert damit eine zu starke Erwärmung der auf seiner Rückseite liegenden Bauteile des Turboladers. Wie Überschlagsrechnungen ergeben haten, läßt sich mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahme eine wesentliche Verringerung der Wärmestromdichte, und zwar auf rund - der sonst auftretenden Werte erzielen.When operating an exhaust gas turbocharger designed according to the invention thus prevents the ring seal 17 from contamination of the heat shield acting Annular sheet 18, so that the effect of the heat shield is permanently retained. The heat flow emanating from the turbine lo heats the housing wall 12, but as indicated by the arrow 2o, this heat is dissipated to the outside. That Ring plate 18 used as a heat shield reflects the heat rays and prevents them thus excessive heating of the turbocharger components on its rear side. As rough calculations have shown, can be with the help of the invention Measure a significant reduction in the heat flux density, to around - of the otherwise occurring values.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 2 ist für das Hitzeschild ebenfalls ein Ringblech 25 vorgesehen, das aber mit Einbuchtungen 26, 27 im Bereich des Innen- und Außendurchmessers zur Abstandshaltung versehen ist. Das auf der zur Gehäusewand 12 weisenden Seite vernickelte Ringblech 25 ist durch Punktschweißung an den Einbuchtungen an der aus Stahl bestehenden Gehäusewand 12 befestigt und übt in gleicher Weise die Funktion als Hitzeschild wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 aus. Zu diesem Zweck ist ebenfalls die Ringdichtung 17 vorgesehen, die hier aus einem Teil besteht und durch Abdichtung zur Welle hin das Hitzeschild dauerhaft vor Verschmutzung schützt.In the second embodiment of the invention according to FIG. 2 is for the heat shield is also provided with an annular plate 25, but with indentations 26, 27 are provided in the area of the inner and outer diameter for spacing purposes is. The nickel-plated ring plate 25 on the side facing the housing wall 12 is by spot welding the indentations on the steel housing wall 12 attached and exercises the function of a heat shield in the same way as in the exemplary embodiment according to Fig. 1. For this purpose, the ring seal 17 is also provided, which here consists of one part and the heat shield is permanent due to the seal towards the shaft protects against contamination.

Beim dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Hitzeschild durch eine einfache Schicht 30 gebildet, die auf die Rückseite der Gehäusewand 12 aufgebracht ist. Hier kann die Gehäusewand 12 aus Keramik oder einem anderen geeigneten Werkstoff bestehen, während die Schicht 30 aus einer Nickelschicht, Chromschicht, Goldschicht oder einem anderen geeigneten Werkstoff bestehen kann.In the third embodiment of the invention, the heat shield formed by a simple layer 30 which is applied to the rear side of the housing wall 12 is upset. Here, the housing wall 12 can be made of ceramic or another suitable one Consist of material, while the layer 30 consists of a nickel layer, chromium layer, Gold layer or another suitable material can exist.

In den Darstellungen nach Fig. 4 und Fig. 5 sind Ausführungsbeispiele für elastische Ringdichtungen 17 gezeigt, die mit Ringfedern 35 bzw. 36 versehen sind. Die Ringfeder 35 nach Fig. 4 hat die Form eines Kegelstumpfringes, wobei der größere Durchmesser am Lagerschild 13 dicht anliegt, während der kleinere Durchmesser in eine Ringkerbe 37 der Ringdichtung 17 eingreift. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 hat die Ringfeder 36 einen winkelförmigen Querschnitt, wobei die Schenkel dicht am Lagerschild 13 anliegen, während die Winkelspitze ebenfalls in eine Ringkerbe 38 der Ringdichtung 17 eingreift.In the representations according to FIG. 4 and FIG. 5 are exemplary embodiments shown for elastic ring seals 17, which are provided with ring springs 35 and 36, respectively are. The ring spring 35 of FIG. 4 has the shape of a truncated cone ring, the larger diameter on the bearing plate 13 rests tightly, while the smaller diameter engages in an annular notch 37 of the annular seal 17. In the embodiment according to Fig. 5, the annular spring 36 has an angular cross-section, with the legs close to the bearing plate 13, while the angle tip is also in an annular notch 38 of the ring seal 17 engages.

Das erfindungsgemäße Hitzeschild bietet die Möglichkeit, einen Abgasturbolader vor zu großen Erwärmungen zu schützen. Dadurch ergibt sich auch eine bessere thermische Situation für die verdichtete Ladeluft bzw. die verdichteten Mischgase.Auf eine Temperaturabsenkung nach Verdichtung kann daher gegebenenfalls verzichtet werden.The heat shield according to the invention offers the possibility of an exhaust gas turbocharger to protect against excessive heating. This also results in a better thermal Situation for the compressed charge air or the compressed mixed gases Lowering the temperature after compression can therefore be dispensed with if necessary.

BEZUGSZEICHENLISTE zu Akte 8023-12 lo Turbine 11 Welle 12 Gehäusewand 13 Lagerschild 14 Zwischenraum 15 Ringhälfte 16 Ringhälfte 17 Ringdichtung 18 Ringblech 19 Isolierung 20 Pfeil 25 Ringblech 26 Einbuchtung 27 Einbuchtung 30 Schicht 35 Ringfeder 36 Ringfeder 37 Ringkerbe 38 RingkerbeREFERENCE CHARACTERISTICS LIST for file 8023-12 lo turbine 11 shaft 12 housing wall 13 end shield 14 gap 15 ring half 16 ring half 17 ring seal 18 ring plate 19 Insulation 20 Arrow 25 Ring plate 26 Indentation 27 Indentation 30 Layer 35 Ring spring 36 Ring spring 37 Ring notch 38 Ring notch

Claims

PATENT CLAIMS 1 ß exhaust gas turbocharger for internal combustion engines with a 4 arranged in a housing, acted upon by the exhaust gases turbine, which via a Shaft drives a compressor, characterized in that the back of a has a heat shield (18, 30) next to the turbine (lo) provided housing wall (12) and towards the shaft (11) through an elastic ring seal (17) to protect against contamination is protected.

2. exhaust gas turbocharger according to claim 1, characterized in that the Heat shield made from a thin, polished, nickel-plated or chrome-plated ring (18) and fixed by means of spacers on the back of the housing wall (12) is.

3. Exhaust gas turbocharger according to claim 1 or 2, characterized in that that the ring plate acting as a heat shield (18) indentations (26, 27) as spacers and at these points by spot welding with the existing steel Housing wall (12) is connected.

4. exhaust gas turbocharger according to claim 1 or 2, characterized in that that the elastic ring seal (17) consists of two between them holding the ring plate (18) and ring halves arranged between the housing wall (12) and a bearing plate (13) (15, 16) exists.

5. exhaust gas turbocharger according to claim 1, characterized in that the Housing wall (12) consists of ceramic, which is protected by the ring seal (17) against contamination protected back is nickel-plated or chrome-plated.

6. exhaust gas turbocharger according to one of claims 1 to 5, characterized in that that the ring seal (17) consists of heat insulating material.

7. exhaust gas turbocharger according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the ring seals have an annular spring (35, 36) to achieve an elastic sealing effect contain.

8. exhaust gas turbocharger according to one of claims 1 to 7, characterized in that that the ring spring (36) has an angular cross-section and with its legs rests against a sealing surface, while the angle tip in one in the ring seal provided ring notch (38) engages.

9. exhaust gas turbocharger according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the annular spring (35) has the shape of a truncated cone ring and thus on the one hand rests against a sealing surface and on the other hand in an annular notch (37) of the ring seal (17) engages.