DE60105464T2

DE60105464T2 - Dichtungsanordnung für einen Turbolader

Info

Publication number: DE60105464T2
Application number: DE60105464T
Authority: DE
Inventors: Francis Joseph Geoffrey Heyes
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Napier Turbochargers Ltd
Priority date: 2000-03-04
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2021-03-01
Also published as: JP4524050B2; JP2001271651A; EP1130220A2; EP1130220B1; GB2359863A; GB0005157D0; DE60105464D1; US6406253B2; GB2359863B; US20010036403A1; EP1130220A3

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen abgasbetriebenen Turbolader für eine Brennkraftmaschine.
Hintergrund der Erfindung
Turbolader für Brennkraftmaschinen umfassen im Allgemeinen eine abgasbetriebene Motorturbine, die wiederum einen Motorlufteinlassverdichter antreibt. Der Turbinen- und der Verdichterabschnitt können auf einer gemeinsamen Welle befestigt sein, so dass die Turbine den Verdichter direkt antreiben kann, und die Wellenlager können mit Öl vom Motorsumpf geschmiert werden. Die GB-A-2023241 zeigt eine Turboladerwellendichtung.
Bei solch einer Anordnung kann es bekannterweise zu einer Luftleckage vom Verdichterabschnittsdiffusor durch die Wellenlager und in den Motorsumpf kommen (was als Blow-By bekannt ist). Dadurch kann der Sumpf mit Druck beaufschlagt werden, was sich negativ auf den Motor auswirkt. Bei größeren Industriemotoren ist es des Weiteren üblich, vor dem Anlassen des Motors die Turboladerwellenlager mit Öl vorzubereiten. Bei einer unzureichenden Ölabdichtung für die Lager kann Öl auf die Rückseite des Verdichterlaufrads lecken. Wenn das Laufrad beginnt, sich zu drehen, wird das Lecköl nach außen geschleudert, mischt sich mit der Verdichterluft und tritt so in die Brennkammern des Motors ein, was wiederum für den Motor möglicherweise abträglich ist.
In einem Versuch, dieses Problem zu lösen, ist eine ringförmige Metalldichtung nach Art eines Kolbenrings bereitgestellt worden, um das Lager von dem Verdichterdiffusor zu isolieren. Diese Ringdichtung ist in Gleit- oder „schwimmender" Passung in einer Bohrung eines die Welle umgebenden Gehäuses angeordnet und ragt in eine Nut in der Laufradwelle, wodurch sie damit eine Dichtungsgrenzfläche bildet.
Obgleich diese Anordnung bei relativ kleinen Turboladern akzeptabel sein kann, ist sie bei größeren Turboladern, bei denen der Ladedruck hoch ist, weniger zufrieden stellend. Blow-By-Druck in großen Turboladern zwingt die Ringdichtung zu einer axialen Bewegung in der Gehäusebohrung zum Wellenlager. Dadurch berührt die Ringdichtung eine Seitenfläche ihrer Aufnahmenut. Obgleich dies zur Herstellung einer guten Dichtung wünschenswert ist, wird dadurch die Ringdichtung so lange verschlissen, bis sie schließlich an eine Schulter in der Gehäusebohrung (zur Bereitstellung einer Grenze für eine weitere axiale Bewegung der Ringdichtung) anstößt. An diesem Punkt führt ein weiterer Verschleiß der Seitenfläche der Ringdichtung gegen die Seitenfläche der Nut meistens zur Bildung einer Lücke zwischen der Ringdichtung und der Seitenfläche der Nut, wodurch die Wirksamkeit der Dichtung reduziert wird.
Kurze Darstellung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird ein Turbolader für eine Brennkraftmaschine bereitgestellt, der Folgendes umfasst:
ein eine Bohrung definierendes Gehäuse,
ein in der Bohrung aufgenommenes Lager,
ein zur Drehung in der Bohrung im Lager angebrachtes Laufradwellenmittel, und
eine schwimmende Ringdichtung, die sich in der Bohrung neben dem Lager befindet und sich radial in eine Umfangsaussparung im Wellenmittel erstreckt, wobei die Ringdichtung im Gebrauch mit einer Druckdifferenz beaufschlagt wird, die sie dazu drängt, in einer vorbestimmten Axialrichtung entlang der Bohrung zu gleiten, so dass sie an einer Seitenfläche der Aussparung anliegt und so eine Dichtungsgrenzfläche damit bildet, wobei die Ringdichtung aufgrund einer relativen Drehung zwischen ihr und der Seitenfläche Verschleiß gegen die Seitenfläche ausgesetzt ist und in der Bohrung eine Schulter vorgesehen ist, um ein übermäßiges axiales Gleiten der Ringdichtung aufgrund eines Abnutzens der Ringdichtung gegen die Seitenfläche der Aussparung zu begrenzen; wobei die Dichtungsleistung verbessert und die Verschleißgeschwindigkeit der Ringdichtung reduziert wird, indem die Ringdichtung mit mindestens einer nach innen weisenden ringförmigen Nut und die Aussparung mit einer Umfangsrippe, die jeder Nut entspricht, versehen wird, wobei jede Rippe in einer Nut aufgenommen werden kann, wodurch eine Seite jeder Nut unter der Druckdifferenz eine Dichtungsgrenzfläche mit einer Seite der entsprechenden Rippe bildet.
Wenn die Seitenfläche der Ringdichtung verschlissen wird, bewegt sie sich zum Lager, aber der Verschleiß wird auch auf die Seitenflächen der Nuten verteilt, wodurch die Geschwindigkeit, mit der Verschleiß auftritt, verringert wird. Im Vergleich zum Stand der Technik bedeutet die Bereitstellung einer oder mehrerer zusätzlicher Dichtungsgrenzflächen in Reihe mit der Grenzfläche zwischen der Ringdichtung und der Seite der Aussparung, dass jede Grenzfläche nur einen Teil der Gesamtdruckdifferenz aufnehmen muss und jede davon deshalb nicht so wirksam wie eine einzige Grenzfläche für einen gegebenen Gesamtdruckabfall sein muss. Im Laufe der Zeit geht der Dichtungsverschleiß weiter, bis die Ringdichtung die Schulter in der Bohrung berührt, wonach an den Nuten/Rippen- und Dichtungs/Aussparungs-Grenzflächen gleichmäßig kleine Lücken gebildet werden. Die Kombination dieser Dichtungsgrenzflächen ist jedoch aufgrund der wellenförmigen Beschaffenheit des Leckwegs und des Vorhandenseins von Öl in den Lücken immer noch wirksamer als die Ringdichtungs/Aussparungs-Grenzfläche allein.
Das Wellenmittel, in dem die Aussparung vorgesehen ist, kann eine mittlere Nabe eines Laufrads umfassen.
Die Ringdichtung weist vorzugsweise mehrere nach innen weisende Ringnuten aufweist, wobei die Aussparung mit einer entsprechenden Vielzahl von Umfangsrippen versehen ist. Zum Beispiel können zwei Ringnuten vorgesehen sein, wobei darin zwei Rippen aufgenommen werden. Die Ringdichtung kann aus Metall, zum Beispiel Gusseisen, ausgebildet sein, wobei die Welle aus Stahl vorzugsweise nitrocarburiert, besteht. Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Ringdichtung aus Kunststoffmaterial hergestellt.
Zur Erleichterung des Anbringens der Ringdichtung auf der Welle ist sie nach Art eines Motorkolbenrings auf geeignete Weise geschlitzt. Zum Beispiel kann der Schlitz eine abgeknickte Konfiguration aufweisen, die sich über die halbe Breite der Ringdichtung, dann über eine kurze Strecke um den Umfang der Ringdichtung erstreckt, bevor sie quer über den Rest der Breite des Rings verläuft.
Die im Turbolader verwendete Luft/Öl-Dichtung der Erfindung verlängert die nutzbare Lebensdauer des Turboladers, indem sie viel länger als herkömmliche Ringdichtungen in beiden Richtungen eine zufrieden stellende Dichtungsleistung aufrechterhält. Gleichzeitig gewährleistet die einfache Konstruktion der Ringdichtung, dass die Herstellungskosten des Turboladers nicht deutlich erhöht werden.
Des Weiteren stellt die Erfindung eine mit einem Turbolader gemäß der Erfindung ausgestattete Brennkraftmaschine bereit.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Teilschnittansicht eines Teils eines Turboladers mit einer schwimmenden Ringdichtung gemäß dem Stand der Technik;
2 eine vergrößerte Schnittansicht der Ringdichtung in dem in 1 gezeigten Turbolader;
3 eine Ansicht entsprechend der von 2, die eine Ringdichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung neu installiert zeigt;
4 die gleiche Ansicht wie in 3, die aber die Ringdichtung nach dem Verschleiß zeigt; und
5 eine Teilansicht auf die Ringdichtung nach 4 in Richtung von Pfeil V.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Bei dem in den 1 und 2 gezeigten Turbolader nach dem Stand der Technik wird eine Welle 1 von einem Lager 2 getragen, und an einem Ende der Welle ist über eine mittlere Nabe 8 ein Laufrad 3 mit radialer Beschaufelung 4 angebracht. Das andere Ende der Welle trägt die (nicht gezeigte) abgasbetriebene Turbine, die den Verdichter antreibt. Der Turbolader weist ein äußeres Gehäuse 5 auf, in dem die Komponenten angebracht sind, wobei das Gehäuse zu einem Druckluftdiffusor 6 geformt ist, aus dem Druckluft dem Einlasskrümmer der Brennkraftmaschine, mit der der Turbolader verbunden ist, zugeführt wird. Das Lager 2 ist mittels einer zwischen der Nabe 8 des Laufrads 3 und einer Bohrung B des Gehäuses 5 befindlichen Dichtung 7 von dem Druck der Luft im Diffusor 6 isoliert, wie in 2 in näherer Einzelheit zu sehen ist.
Die Dichtung 7 umfasst eine schwimmende Ringdichtung 11, die in der Bohrung B sitzt und sich radial von der Bohrung in eine um die Nabe 8 herum ausgebildete Umfangsnut 10 erstreckt. Der Blow-By-Luftdruck bewirkt, dass die Ringdichtung 11 in ihrer Nut 10 axial der Nabe 8 und Bohrung B zum Lager 2 gleitet und anfangs an der rechten Seite 9 der Nut 10 zur Anlage kommt, gegen die die Seitenfläche 12 der Ringdichtung eine im Wesentlichen luft- und öldichte Dichtungsgrenzfläche bildet. Da es zwischen der Ringdichtung 11 und der Seite 9 zu einer relativen Drehung kommt, tritt Verschleiß der Ringdichtung auf. Eine Anstoßschulter 13 in der Bohrung B des Gehäuses ist von der Seite 9 der Nut 10 axial beabstandet und bietet so eine Grenze für die Axialbewegung der Ringdichtung 11 zum Lager 2 mit auftretendem Verschleiß. Die Position und die Form der Ringdichtung 11 an der Verschleißgrenze sind in 2 durch die gestrichelte Linie dargestellt. Es ist zu sehen, dass weiterer Verschleiß zwischen der Ringdichtung und der sich bewegenden Nabe zu einer Vergrößerung des Zwischenraums zwischen der Seite 9 der Nut 10 und der Fläche 12 der Ringdichtung 11 führt, wodurch die Wirksamkeit der Luftdichtung vermindert wird. Darüber hinaus kann der Öldruck beim Start eine Leckage von Öl zum Verdichter zurück bewirken, und zwar insbesondere, wenn der Druck bewirkt, dass sich die Ringdichtung axial vom Lager weg bewegt.
Die 3 und 4 zeigen die beim Turbolader der Erfindung verwendete Dichtung. Die Ringdichtung 14 ist mit sich um ihre Innenseite herum erstreckende Nute 15 ausgebildet. Obgleich zwei beabstandete Nuten 15 gezeigt werden, versteht sich, dass eine größere Anzahl oder auch möglicherweise nur eine davon vorhanden sein kann. Die Aussparung 17 in der Nabe 8 ist mit zwei Umfangsrippen 18 ausgebildet, die so dimensioniert sind, dass sie in den Nuten 15 aufgenommen werden können, aber noch eine freie Drehung der Nabe 8 bezüglich der Ringdichtung 14 gestatten. In der in 3 gezeigten Position ist die Ringdichtung 14 neu und nicht verschlissen, und ihre Seitenfläche 16 stößt gegen die Seite der Aussparung 17 und bildet so eine Dichtungsgrenzfläche damit auf die gleiche Weise wie bei der in 1 dargestellten Anordnung nach dem Stand der Technik. Jedoch dient der zwischen den Nuten 15 und den Rippen 18 gebildete wellen- oder labyrinthförmige Weg dazu, die Öldichtungswirkung beim Start zu verbessern.
Wenn die Seitenfläche 16 der Ringdichtung 14 im Gebrauch verschlissen wird, bewegt sie sich auf das Lager zu, wie oben unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben. Aufgrund des Vorhandenseins der Rippen 18 in den Nuten 15 ist der Verschleiß nicht sämtlichst auf die Seitenfläche 16 konzentriert, wie zuvor, sondern wird auch auf die Seitenflächen der Nuten verteilt, wodurch die Geschwindigkeit, mit der Verschleiß auftritt, verringert wird. Vorausgesetzt, die Nuten und die Rippen sind axial mit geeigneten Toleranzen bemessen, kommen darüber hinaus die Seitenflächen aller Rippen und Nuten schließlich in innigen Dichtungskontakt miteinander. Die Nuten 15 im Ring 14 werden weiter verschlissen, bis der Ring 14 die Schulter 13 berührt, wie in 4 dargestellt, und dann bilden sich kleine Lücken gleichmäßig an den benachbarten Flächen der Nuten und Rippen. Die Bereitstellung von zwei oder mehr Dichtungen in Reihe bedeutet, dass jede nur einen Teil der Gesamtdruckdifferenz aufnehmen muss und deshalb für einen gegebenen Druckabfall nicht so wirksam sein muss wie eine einzige Dichtung. Des Weiteren neigt die Meniskuswirkung jeglichen Öls in den kleinen Lücken dazu, einem Ölleckstrom aus dem Wellenlagerbereich beim Start entgegenzuwirken. Somit bietet die im erfindungsgemäßen Turbolader verwendete Dichtung eine effektive Steuerung des Luftstroms in einer Richtung und des Ölstroms in der umgekehrten Richtung.
Zur Erleichterung des Anbringens der Ringdichtung auf der Welle kann sie auf geeignete Weise nach Art eines Motorkolbenrings geschlitzt sein. Wie in 5 gezeigt, kann der Schlitz S eine abgeknickte Konfiguration aufweisen, die sich über die halbe Breite der Ringdichtung 14, dann um eine kurze Strecke um den Umfang der Ringdichtung erstrecken, bevor sie quer über den Rest der Breite des Rings verläuft.

Claims

Turbolader für eine Brennkraftmaschine, der Folgendes umfasst: ein eine Bohrung (B) definierendes Gehäuse (5), ein in der Bohrung aufgenommenes Lager (2), ein zur Drehung in der Bohrung im Lager angebrachtes Laufradwellenmittel (8), und eine schwimmende Ringdichtung (14), die sich in der Bohrung neben dem Lager befindet und sich radial in eine Umfangsaussparung (17) im Wellenmittel erstreckt, wobei die Ringdichtung (14) im Gebrauch mit einer Druckdifferenz beaufschlagt wird, die sie dazu drängt, in Axialrichtung entlang der Bohrung (B) zu gleiten, so dass sie an einer Seitenfläche (9) der Aussparung (17) anliegt und so eine Dichtungsgrenzfläche damit bildet, wobei die Ringdichtung aufgrund einer relativen Drehung zwischen ihr und der Seitenfläche (9) Verschleiß gegen die Seitenfläche ausgesetzt ist und in der Bohrung (B) eine Schulter (13) vorgesehen ist, um ein übermäßiges axiales Gleiten der Ringdichtung (14) aufgrund eines Abnutzens der Ringdichtung gegen die Seitenfläche (9) der Aussparung (17) zu begrenzen; dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsleistung verbessert und die Verschleißgeschwindigkeit der Ringdichtung reduziert wird, indem die Ringdichtung mit mindestens einer nach innen weisenden ringförmigen Nut (15) und die Aussparung (17) mit einer Umfangsrippe (18), die jeder Nut entspricht, versehen wird, wobei jede Rippe in einer Nut aufgenommen werden kann, wodurch eine Seite jeder Nut unter der Druckdifferenz eine Dichtungsgrenzfläche mit einer Seite der entsprechenden Rippe bildet.
Turbolader nach Anspruch 1, bei dem das Wellenmittel, in dem die Aussparung vorgesehen ist, eine mittlere Nabe (8) eines Laufrads (3) umfasst.
Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Ringdichtung mehrere nach innen weisende Ringnuten aufweist und die Aussparung mit einer entsprechenden Vielzahl von Umfangsrippen versehen ist.
Turbolader nach Anspruch 3, bei dem die Ringdichtung mit zwei Ringnuten versehen ist.
Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ringdichtung durch einen Schlitz in eine abgeknickte Konfiguration geteilt wird, die sich über die halbe Breite der Ringdichtung, dann über eine kurze Strecke um den Umfang der Ringdichtung erstreckt, bevor sie quer über den Rest der Breite der Ringdichtung verläuft.
Brennkraftmaschine mit einem Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche.