DE60122348T2 - Rotor-und lageranordnung für einen elektrisch unterstützten turbolader - Google Patents

Rotor-und lageranordnung für einen elektrisch unterstützten turbolader Download PDF

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen den Bereich der elektrisch unterstützten Turbolader und insbesondere ein verbessertes Drehaggregat mit einzelnem Lageraufbau wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 festgelegt. Ein solcher Rotor und Lageraufbau sind zum Beispiel aus US-A-3 811 741 bekannt. Das weitere Bereitstellen eines unterstützten Elektromotors mit Drehmagneten auf dem Rotor und einem Abstandskragen benachbart mit der Verdichtereinheit des Rotors sind bekannt aus US-A-6 032 466.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Der Einsatz von Turboladern zum Aufladen von Luft in Verbrennungsmotoren wurde als ein effizientes Mittel zum Steigern der Leistungsausgabe und Effizienz des Motors nachgewiesen. Der Gebrauch ansonsten verschwendeter Energie in dem Abgas des Motors zum Antreiben des Turboladers trägt zu seiner Effizienz als Beschleunigungsvorrichtung bei. Das Zurückgreifen auf Abgase trägt jedoch zu einem so genannten „Turbo-lag"-Effekt (Turboverzögerungseffekt) beim Entwickeln der Leistung in dem Motor zur Beschleunigung bei. Das Beschleunigen Boosten, das von dem Turbolader bereitgestellt wird, hängt von der Abgasenergie ab. Bei Anfrage nach sofortiger Leistung tritt daher das Hinzufügen von Kraftstoff zu der Charge, die zu dem Motor geliefert wird, zuerst mit Abgasenergie auf, die langsam steigende Energie zu der Turbine des Turboladers aufbaut, der wiederum den Verdichter durch die verbindende Welle treibt, um Aufladedruck durch den Turbolader in einem „Boot-strapping"-Effekt bereitzustellen.
  • Turboverzögerung kann durch das Hinzufügen eines Elektromotors, der Energie zu dem drehenden Rotoraggregat unabhängig von der aktuellen Abgasenergie hin zufügen kann, zum Turbolader verringert oder eliminiert werden. Das Hinzufügen des Elektromotors erlaubt das Hochdrehen des Rotors im Wesentlichen sofort, um Kraftstoff und Beschleunigen für die gewünschte Leistungsausgabe anzupassen, wobei das Eingeben elektrischer Leistung verringert wird, wenn die Abgasenergie ausreichend wird, um das erforderliche Beschleunigungsniveau aufrechtzuerhalten.
  • Das Hinzufügen des Elektromotors als fester Teil des Rotoraggregats fügt zu der Länge hinzu und verändert die dynamischen Merkmale des Rotors. Um einen effizienten Betrieb des Turboladers aufrechtzuerhalten, sind daher Änderungen an dem Lagersystem und dem Rotor erforderlich. Verbesserte schwimmende Lagersysteme, wie zum Beispiel das in US Patent 5 857 332 mit dem Titel BEARING SYSTEMS FOR MOTOR-ASSISTED TURBOCHARGERS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES, herausgegeben am 12. Januar 1999, offenbarte, stellen einen Ansatz zum Verwirklichen solcher Änderungen bereit. Es ist jedoch wünschenswert, einen Rotor und ein Lagersystem mit gesteigerter Effizienz und Robustheit zu schaffen, um das elektrische Unterstützungsmotorsystem in dem Turbolader anzupassen.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Turbolader, der einen Rotor und ein Lagersystem der vorliegenden Erfindung enthält, weist ein Turbinenrad auf, das in einem Turbinengehäuse getragen wird, um Abgas von einem Verbrennungsmotor zu erhalten. Das Turbinenrad ist an einer Welle durch Reibschweißen oder ähnliche Mittel befestigt und weist einen Nabenabschnitt auf, der eine Kolbendichtung enthält, die in das Mittengehäuse des Turboladers eingreift. Ein Verdichterrad ist an der Welle an dem der Turbine entgegengesetzten Ende befestigt und wird in einem Kompressorgehäuse getragen, das den Lufteinlass aufnimmt und einen Verteiler und ein Spiralgehäuse auf weist, um beschleunigte Luft von dem Kompressor zu dem Motoreinlasssystem zu tragen. Ein Lagerabschnitt der Welle benachbart mit der Turbinennabe weist zwei Lagerflächen auf, die durch einen entlasteten Abschnitt getrennt sind. Die Flächen haben eine Schnittstelle mit einem verstifteten halb frei tragenden einzelnen Lager, das in einer Lagerbohrung in dem Mittengehäuse getragen wird. Das einzelne Lager weist eine erste Gegenlagerfläche auf, die sich in die Turbinennabe fügt. Ein Dauermagnet für den Elektromotor wird von einem Abstandskragen getragen, der über einen Kragenabschnitt der Welle aufgenommen wird, der sich von dem Lagerabschnitt der Turbinennabe entgegengesetzt erstreckt, und wobei das einzelne Lager ferner eine zweite Gegenlagerfläche enthält, die in den Abstandskragen eingreift. Der Abstandskragen weist ferner eine Kolbendichtung auf, die in das Mittengehäuse eingreift. Der Abstandskragen greift in das Verdichterrad ein, um eine feststehende Länge des Rotors aufrechtzuerhalten.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung wird klarer unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen und die detaillierte Beschreibung verstanden.
  • 1 ist eine Querschnittansicht eines Turboladers, der die vorliegende Erfindung in seiner Rotor- und Lageranordnung verwendet.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnung weist ein Turbolader 10, der die vorliegende Erfindung enthält, ein Turbinengehäuse 12 auf, das an einem Mittengehäuse 14 befestigt ist. Ein Verdichtergehäuse 16 ist an dem Mittengehäuse befestigt, wobei eine Rückplatte 18 verwendet wird, die einen ersten Abschnitt eines Motorgehäuses aufweist, und einen Motorgehäuseguss 20. In der Zeichnung wird das Befestigen des Turbinengehäuses an dem Mittengehäuse durch Bolzen 22 verwirklicht, wobei das Mittengehäuse an dem Motorgehäuseguss durch Bolzen 24 befestigt wird, der Motorgehäuseguss an der Rückplatte durch Bolzen 26 und die Rückplatte an dem Verdichtergehäuse durch Bolzen 28 befestigt wird. Das Abdichten des Motorgehäuses erfolgt mit dem O-Ring 30. Weitere Ausführungsformen von Turboladern, die die Erfindung enthalten, verwenden alternative Befestigungsvorrichtungen, darunter Befestigungsbänder.
  • Der Rotor für den Turbolader hat eine Turbine 32, die innerhalb des Turbinengehäuses getragen wird. Abgase treten in das Turbinengehäuse durch das Spiralgehäuse 34 ein und fließen durch die Turbinenschaufeln und treten durch den Auslass 36 aus. Die Turbine weist einen Nabenabschnitt 38 auf, der eine Rille 40 enthält, um einen Kolbenring 42 zurückzuhalten. Der Kolbenring greift in eine Fläche 44 auf dem Mittengehäuse durch die Bohrung ein, um eine Abdichtung bereitzustellen, die das Schmieröl daran hindert, in das Turbinengehäuse und Abgassystem zu fließen. Bei der gezeigten Ausführungsform ist ein Hitzeschild 46 zwischen das Turbinengehäuse und das Mittengehäuse zur Verbesserung der thermischen aerodynamischen Steuerung eingefügt.
  • Eine Rotorwelle 48 ist an der Turbinennabe durch Reibschweißen befestigt. Die Welle weist einen Lagerabschnitt 50 auf, der Flächen 52 hat, die von einem entlasteten Abschnitt 54 getrennt sind. Ein einzelnes Lager 56 wird in einer Lagerbohrung 58 des Mittengehäuses getragen. Das Lager ist halb frei tragend, hat Lagerzapfen 60 an jedem Ende mit Schmierung und Filmdämpfer-Entlastungsabschnitten 62. Eine zentrale Schulter 64 enthält eine Öffnung 66, um einen Stift 68 aufzunehmen, um das Drehen des Lagers einzuschränken.
  • Benachbart zu dem Lagerabschnitt und der Turbine entgegengesetzt ist der Wellendurchmesser verringert, um einen Abstandskragen 70 zu tragen. Der Abstandskragen enthält eine Rille 72, die einen Kolbenring 74 trägt, um sich in die Mittenbohrung des Mittengehäuses zu fügen, um den Verdichterabschnitt von dem Schmieröl abzudichten. Ein Ölschleuderring 76 ist in den Abstandskragen in der gezeigten Ausführungsform gearbeitet. Das Verdichterrad liegt an den Kragen an. Bei der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsform ist das Verdichterrad an der Welle mit einer durchgehenden Bohrung 78 und Mutter 80 befestigt. Die Maßtoleranz des Rotors wird durch Festziehen der Mutter auf dem Verdichterrad gesteuert, um den Abstandskragen fest eingreifen zu lassen, der wiederum in den benachbarten größeren Durchmesser des Zapfens auf dem Lagerabschnitt der Welle eingreift. Der Elektromotor für den elektrisch unterstützten Turbolader weist einen gewickelten Stator 82 auf, der in dem Motorgehäuse getragen wird, und ein Dauermagnet 84 ist auf dem Abstandskragen montiert. Der Reibungseingriff des Verdichterrads, Abstandskragens und der Lagerfläche der Welle fixiert das gesamte drehende Aggregat des Turboladers und erlaubt den Betrieb des Motors, um den Rotor ohne zusätzliches Befestigen des Abstandskragens und den Magneten an der Welle zu drehen.
  • Das einzelne Lager enthält eine erste Gegenlagerfläche 86, die in die Turbinenradnabe eingreift, und eine zweite Gegenlagerfläche 88, die in den Abstandskragen eingreift. Die Lageranordnung der vorliegenden Erfindung nimmt die zusätzliche von dem Elektromotor erforderte Rotorlänge auf. Ferner stellt die Kombination des verstifteten frei tragenden Lagers mit den integralen Gegenlagerflächen ein Gegenmoment für negative Federkraft bereit, die von dem Magneten und Stator des Elektromotors während des Betriebs erzeugt werden kann. Die einzelnen Wirkungen des Gegenmoments von dem Gegenlagerflächen und dem verstifteten einzelnen Lager sind komplementär, um verbesserte Leistung im Vergleich zu der Wirkung zu ergeben, die sie allein bereitstellen würden.

Claims (3)

  1. Ein Rotor und ein Lager für einen Turbolader (10) für Verbrennungsmotoren, aufweisend: ein Turbinenrad (32), das in einem Turbinengehäuse (12) getragen wird, um Abgas von einem Verbrennungsmotor zu erhalten, wobei das Turbinenrad (32) einen Nabenabschnitt (38) umfasst, der an einer Welle (48) befestigt ist, die sich durch ein Mittengehäuse (14) erstreckt, ein Verdichterlaufrad, das an der Welle (48) der Turbine entgegengesetzt befestigt ist, und innerhalb eines Verdichtergehäuses (18) getragen wird, einen Lagerabschnitt (50) der Welle (48) benachbart zu der Turbinennabe (38), der zwei Lagerflächen (52) aufweist, die durch einen spannungsarm geglühten Abschnitt (54) getrennt sind, wobei die Flächen (52) innerhalb eines verstifteten halb freitragenden einzelnen Lagers (56) aufgenommen sind, das in einer Lagerbohrung (58) in dem Mittengehäuse (14) getragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das einzelne Lager (56) eine erste Gegenlagerfläche (86) aufweist, die sich in die Turbinennabe (38) einfügt, einen Dauermagneten (84) für einen Elektromotor, der von einem Abstandskragen (70) getragen wird, der über einen Kragenabschnitt der Welle (48) aufgenommen wird, der sich von dem Lagerabschnitt der Turbinennabe entgegengesetzt erstreckt, und wobei das einzelne Lager ferner eine zweite Gegenlagerfläche (88) enthält, die in den Abstandskragen (70) eingreift.
  2. Rotor und Lager nach Anspruch 1, wobei die Turbinennabe eine Kolbendichtung (42) aufweist, die in eine Mittenbohrung in dem Mittengehäuse eingreift und wobei der Abstandskragen eine Kolbendichtung (72) aufweist, die in die Mittenbohrung eingreift.
  3. Rotor und Lager nach Anspruch 1, wobei der Wellendurchmesser in dem Kragenabschnitt verringert ist und der Abstandskragen (70) ferner in das Laufrad und eine Lagerfläche (52) auf der Welle eingreift, um eine feststehende Länge des Rotors aufrechtzuerhalten.
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