DE60313541T2

DE60313541T2 - Ölabdichtung eines Turboladers

Info

Publication number: DE60313541T2
Application number: DE60313541T
Authority: DE
Inventors: Philip Mark Wild
Original assignee: Holset Engineering Co Ltd
Current assignee: Cummins Turbo Technologies Ltd
Priority date: 2002-08-03
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2023-08-01
Also published as: EP1387061A3; GB0218092D0; KR20040014244A; US20040057847A1; CN100393984C; JP2004068820A; EP1387061A2; CN1493771A; EP1387061B1; US7086842B2; DE60313541D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turbolader für eine Verbrennungskraftmaschine. Im Einzelnen betrifft die vorliegende Erfindung das Verringern des Ölauslaufens aus einem Turbolader-Lagergehäuse in ein Turbolader-Turbinengehäuse.
Turbolader sind gut bekannte Vorrichtungen zum Zuführen von Luft zur Ansaugöffnung einer Verbrennungskraftmaschine bei Drücken oberhalb des atmosphärischen Drucks (Ladedrücken). Ein herkömmlicher Turbolader umfasst im Wesentlichen ein abgasgetriebenes Turbinenlaufrad, das an einer drehbaren Welle innerhalb eines Turbinengehäuses angebracht ist. Das Drehen des Turbinenlaufrads dreht ein innerhalb eines Verdichtergehäuses am anderen Ende der Welle angebrachtes Verdichterlaufrad. Das Verdichterlaufrad führt dem Ansaugverteiler der Kraftmaschine verdichtete Luft zu, wodurch die Kraftmaschinenleistung gesteigert wird.
Die Turboladerwelle wird herkömmlicherweise an Radial- und Axiallagern, einschließlich geeigneter Schmiersysteme, getragen, die innerhalb eines mittigen Lagergehäuses angeordnet sind, das zwischen das Turbinen- und das Verdichterlaufradgehäuse geschaltet ist. Es ist gut bekannt, dass das Bereitstellen eines wirksamen Abdichtungssystems, um ein Ölauslaufen aus dem mittigen Lagergehäuse in das Verdichter- oder das Turbinengehäuse zu verhindern, problematisch ist. Das Ölauslaufen wird als ein besonderes Problem am Verdichterende des Turboladers betrachtet, da es bei niedrigen Ladedrücken einen bedeutsamen Abfalls des Drucks vom Lagergehäuse zum Verdichtergehäuse geben kann, was ein Ölauslaufen in das Verdichtergehäuse fördert. Es ist zum Beispiel üblich, einen Ölschleuderring in die Baugruppe aus Verdichter und Dichtung einzuschließen. Ein Ölschleuderring ist ein ringförmiges Bauteil, das sich mit der Turboladerwelle dreht und Oberflächen oder Durchgänge hat, dafür angeordnet, Öl von der Welle weg zu treiben, wenn sie sich dreht, und insbesondere von dem Durchgang durch das Lagergehäuse in das Verdichtergehäuse.
Obwohl das Ölauslaufen am Turbinenende des Turboladers als weniger problematisch betrachtet wird, ist es nichtsdestotrotz wichtig, zu verhindern, dass Öl in das Turbinengehäuse ausläuft, wo es sich mit dem Abgas vermischen und die Abgasemissionen steigern wird. Das Turbolader-Turbinenlaufrad ist herkömmlicherweise mit einem Dichtungsauge am Ende der Turboladerwelle reibverschweißt, wobei das Dichtungsauge einen größeren Durchmesser hat als die Welle und sich innerhalb eines ringförmigen Durchgangs durch eine Gehäusewand dreht, die das Lagergehäuse vom Turbinengehäuse trennt. Herkömmliche Öldichtungsanordnungen umfassen einen oder mehrere Dichtungsringe, angeordnet in dem ringförmigen Spalt, der das Dichtungsauge umgibt, innerhalb des Durchgangs, was eine Labyrinthdichtung in der Art von Kolbenringen bereitstellt.
Ein Beispiel einer bekannten Öldichtungsanordnung am Turbinenende eines Turboladers wird in JP 08284675 offenbart. Zusätzlich zum Bereitstellen eines Dichtungsrings, angeordnet in dem ringförmigen Spalt, der das Dichtungsauge am Ende der Turboladerwelle umgibt, wird ebenfalls eine Ölschleuderringanordnung bereitgestellt. Der Ölschleuderring umfasst eine in der Außenfläche des Auges geformte ringförmige Rille, um Öl in eine Ölsammelrille zu treiben, die in dem Lagergehäuse um das Dichtungsauge geformt ist. Eine ringförmige gummiartige Schutzplatte sitzt innerhalb der Ölschleuderrille und erstreckt sich in die Ölsammelrille, um dazu beizutragen, zu verhindern, dass Öl durch den ringförmigen Durchgang fließt, der das Lagergehäuse vom Turbinengehäuse trennt. Ein Ölableitungsdurchgang wird bereitgestellt, um das Öl, das sich innerhalb der Ölsammelrille sammelt, von der Dichtungsbaugruppe weg abzuleiten.
Das Ölauslaufen über die Turbinenenddichtung kann ein Problem werden, wenn der Motor verschleißt und der Motor-Kurbelwellengehäusedruck zunimmt, wenn die Abdichtungswirksamkeit der Motorkolbenringe abnimmt. Der Ölabfluss aus dem Turbolader-Lagergehäuse wird dem Motor-Kurbelwellengehäuse zugeführt, und folglich wird jegliche Zunahme des Kurbelwellengehäusedrucks zum Lagergehäuse ubertragen, was zu einem „Vorbeiströmen" uber die Turbinenenddichtung fuhren kann. Mit zunehmend strengen Abgasemissionsregeln gibt es eine fortdauernde Notwendigkeit, die Wirksamkeit der Turbinenenddichtungsanordnung zu verbessern.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Probleme des Ölauslaufens aus dem Turbolader-Lagergehäuse in das Turbolader-Turbinengehäuse zu beseitigen oder zu mindern.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Turbolader bereitgestellt, der Folgendes umfasst:
ein Turbinenlaufrad, zum Drehen um eine Achse innerhalb eines Turbinengehäuses angebracht an einem Dichtungsauge, das an dem einen Ende einer Welle bereitgestellt wird,
ein Verdichterlaufrad, zum Drehen um die Achse innerhalb eines Verdichtergehäuses angebracht an dem anderen Ende der Welle,
wobei sich die Welle auf Lagerbaugruppen dreht, untergebracht innerhalb eines Lagergehäuses, das zwischen dem Verdichtergehäuse und dem Turbinengehäuse angeordnet und mit Öldurchgängen zum Zuführen von Öl zu den Lagerbaugruppen versehen ist,
wobei das Turbinenlaufrad durch eine Gehäusewand vom Inneren des Lagergehäuses getrennt ist,
wobei sich das Dichtungsauge durch einen ringförmigen Durchgang erstreckt, der durch die Gehäusewand bereitgestellt wird und in Bezug auf dieselbe durch Dichtungsmittel abgedichtet wird, die innerhalb eines um das Dichtungsauge innerhalb des ringförmigen Durchgangs definierten ringförmigen Spalts angeordnet sind,
wobei das Dichtungsauge ein nach innen gerichtetes Axialende hat, das sich in das Lagergehäuse erstreckt und eine ringförmige Fläche hat, die einen Radialabsatz um die Welle bildet,
wobei das Lagergehäuse eine Ölsammelrille definiert, die angrenzend an die Lagergehäusewand in Radialrichtung in das Lagergehäuse eingelassen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Ölsammelrille eine Öffnung hat, welche die Welle wenigstens teilweise umschließt und das nach innen gerichtete Ende des Dichtungsauges in Axialrichtung überlappt,
wobei die ringförmige Fläche des Dichtungsauges im Verhältnis zu einer Radialebene, die sich durch die Welle erstreckt, abgewinkelt ist, so dass, wenn sich die Welle dreht, auf der ringförmigen Fläche des Dichtungsauges vorhandenes Öl in einer axialen Richtung weg von der Welle und in einer axialen Richtung weg von dem Durchgang durch die Gehäusewand in die Ölsammelrille geschleudert wird.
Tests haben gezeigt, dass durch das verhältnismäßig einfache Hilfsmittel, das Öl in Axialrichtung weg von dem Durchgang durch die Lagergehäusewand und folglich weg von der Turbinenenddichtung zu treiben, das Ölauslaufen über die Dichtung bedeutsam verringert wird. Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung hat die Ölsammelrille eine erste und eine gegenüberliegende zweite Seitenwand, wobei die zweite Seitenwand im Verhältnis zur ersten Seitenwand nach innen gerichtet ist und das Dichtungsauge abgewinkelt ist, um Öl auf die zweite Seitenwand statt auf die erste Seitenwand zu schleudern.
Das abgewinkelte Profil der ringförmigen Dichtungsaugenfläche kann variieren, aber vorzugsweise wird die in Radialrichtung äußere Kante der Fläche über die in Radialrichtung innere Kante der Fläche hängen. Zum Beispiel kann die ringförmige Fläche wesentlich kegelstumpfförmig sein.
Die abgewinkelte Dichtungsaugenfläche kann durch Formen einer Aussparung eines geeigneten Profils, z.B. einer Unterschneidung, in einer ansonsten in Radialrichtung verlaufenden Fläche geformt sein. Mit anderen Worten kann eine herkömmliche Baugruppe aus Turboladerwelle und Turbinenlaufrad leicht durch entsprechendes Bearbeiten eines ansonsten herkömmlichen Dichtungsauges modifiziert werden.
Andere bevorzugte und besonders vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden offensichtlich aus der folgenden Beschreibung.
Es werden nun, nur als Beispiel, spezifische Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 ein Querschnitt durch einen herkömmlichen Turbolader ist,
2 eine auseinandergezogene Ansicht der Turbinenendlager- und der Öldichtungsbaugruppe des Turboladers von 1 ist und
3 eine Modifikation der Baugruppe aus Turbinenlaufrad und Welle von 2 nach der vorliegenden Erfindung illustriert.
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 umfasst der illustrierte Turbolader eine Turbine 1, die über ein mittiges Lagergehäuse 3 mit einem Verdichter 2 verbunden ist. Die Turbine 1 umfasst ein Turbinenlaufrad 4, das sich innerhalb eines Turbinengehäuses 5 dreht. Ähnlich umfasst der Verdichter 2 ein Verdichterlaufrad 6, das sich innerhalb eines Verdichtergehäuses 7 dreht. Das Turbinenlaufrad 4 und das Verdichterlaufrad 6 sind an entgegengesetzten Enden einer gemeinsamen Turboladerwelle 8 angebracht, die sich durch das mittige Lagergehäuses 3 erstreckt.
Das Turbinengehäuse 5 hat eine Abgaseinlass-Schnecke 9, die ringförmig um das Turbinenlaufrad 4 angeordnet ist, und einen axialen Abgasauslass 10. Das Verdichtergehäuse 7 hat einen axialen Lufteinlassdurchgang 11 und eine Druckluftauslass-Schnecke 12, die ringförmig um das Verdichterlaufrad 6 angeordnet ist.
Bei Anwendung wird das Turbinenlaufrad 4 durch den Durchgang von Abgas vom ringförmigen Abgaseinlass 9 zum Abgasauslass 10 gedreht, was wiederum das Verdichterlaufrad 6 dreht, was dadurch Ansaugluft durch den Verdichtereinlass 11 zieht und über die Verdichterauslass-Schnecke 12 der Ansaugöffnung einer Verbrennungskraftmaschine Ladeluft zuführt.
Die Turboladerwelle 8 dreht sich auf vollständig freibeweglichen Radiallagern 13 und 14, die zu dem Turbinenende bzw. dem Verdichterende des Lagergehäuses 3 hin untergebracht sind. Die Verdichterende-Lagerbaugruppe 14 schließt ferner ein Axiallager 15 ein, das mit einer Öldichtungsbaugruppe einschließlich eines Ölschleuderrings 16 in Wechselwirkung steht. Einzelheiten des Verdichterendlagers und der Öldichtung sind für ein Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht wichtig und werden nicht weiter beschrieben. Das Öl wird dem Lagergehäuse über einen Öleinlass 17 vom Ölsystem der Verbrennungskraftmaschine zugeführt und wird durch Öldurchgänge 18 in die Lagerbaugruppen eingespeist.
Die Turbinenende-Lagerbaugruppe und die Öldichtung werden in 2 detaillierter gezeigt. Das Turbinenlaufrad 4 ist an einem Dichtungsauge 19 mit dem Ende der Turboladerwelle 8 verbunden. Im Allgemeinen ist ein erster Abschnitt des Dichtungsauges 19 integral mit der Welle 8 geformt und ist (zum Beispiel durch Reibschweißen) mit einem zweiten Augenabschnitt am Turbinenlaufrad 4 verbunden. Das Dichtungsauge 19 erstreckt sich durch einen ringförmigen Durchgang 20 in einer Lagergehäusewand 3a und in die Turbinengehäuse. Das Dichtungsauge 19 ist durch einen Dichtungsring 21 (Kolbenring) in Bezug auf den ringförmigen Durchgang 20 abgedichtet.
Im Einzelnen (unter besonderer Bezugnahme auf 2) ist der Durchgang 20 durch die Lagergehäusewand 3a in Radialrichtung abgestuft, wobei sie einen nach innen gerichteten Abschnitt 20a mit verhältnismäßig schmalem Durchmesser und einen nach außen gerichteten Abschnitt 20b mit verhältnismäßig großem Durchmesser hat. Dies stellt einen ringförmigen Widerlagerabsatz 22 für den Dichtungsring 21 bereit, der innerhalb einer ringförmigen Rille 23 sitzt, die in der Außenfläche des Dichtungsauges 19 bereitgestellt wird. Der Dichtungsring 21 ist unbeweglich in Bezug auf das Lagergehäuse 3 und wird bereitgestellt, um das Auslaufen von Luft/Öl durch den Durchgang 20 zu verhindern. Der Widerlagerabsatz 22 verhindert, dass der Dichtungsring 21 nach innen zum Lagergehäuse 3 hin kriecht. Um einen abrupten, nicht gerundeten Wechsel des Durchmessers des Durchgangs 20 bereitzustellen, ist eine leichte ringförmige Aussparung 24 in die Oberfläche des ringförmigen Durchgangs 20 eingeschnitten, um den Absatz 22 zu definieren.
Das Turbinenende-Radiallager 13 ist zwischen Sicherungsringen 25 und 26 angeordnet. Öl wird dem Lager 13 über den Öldurchgang 18 zugeführt, und das Lager 13 ist mit in Umfangsrichtung mit Zwischenraum angeordneten Radiallöchern 27 versehen, damit Öl zur Turboladerwelle 8 hindurchgeht. Eine ringförmige Ölrückführungsrille 28 ist angrenzend an den Durchgang 20 durch die Gehäusewand 3a in Radialrichtung in die Lagergehäusewand eingelassen. Die Ölrückführungsrille 28 umgibt die Welle 8 und hat einen Eingang 29.
Das Dichtungsauge 19 erstreckt sich über die Innenfläche der Lagergehäusewand 3a hinaus geringfügig in das Lagergehäuse 3 und überlappt den Eingang 29 zur Ölrille 28 in Axialrichtung. Das nach innen gerichtete Ende des Dichtungsauges 19 bildet einen radialen Absatz um die Welle 8, der eine ringförmige Fläche 30 hat. Wenn sich die Turboladerwelle 8 dreht, wird das Öl, das die ringförmige Fläche 30 erreicht, in Radialrichtung abgeführt und von der Fläche 30 des Auges 19 in die Ölrille 28 getrieben, aus der es über ein Ölableitungsloch 31 (gezeigt in 1) zurück zum Motor-Kurbelwellengehäuse abgeleitet wird. Das Bereitstellen der Ölrille 28 verhindert folglich, dass sich das Öl im Bereich des Durchgangs 20 sammelt, und ähnlich sichert das Sichern, dass das Auge 19 in das Lagergehäuse 3 vorspringt, dass das Öl in die Ölrille 28 und nicht zu dem ringförmigen Spalt hin getrieben wird, der definiert wird, wo das Auge 19 durch den Durchgang 20 hindurchgeht.
Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass bei der oben beschriebenen und in 1 und 2 illustrierten herkömmlichen Anordnung ein bedeutsamer Teil des in die Ölrille getriebenen Öls längs der Innenwand 3a des Lagergehäuses zum Durchgang 20 zurückfließt. Die vorliegende Erfindung, wie sie durch die in 3 illustrierte Ausführungsform veranschaulicht wird, wendet sich diesem Problem zu.
Unter Bezugnahme auf 3 ist die illustrierte Baugruppe identisch mit der von 2, mit der Ausnahme, dass nach der vorliegenden Erfindung die ringförmige Fläche 31 des Dichtungsauges mit einer Unterschneidung bearbeitet ist, so dass es sich in einem Winkel weg vom Durchgang 20 durch die Lagergehäusewand 3a erstreckt, statt sich streng in Radialrichtung von der Welle 8 aus zu erstrecken. Folglich wird, wenn sich die Welle 8 dreht, das auf der ringförmigen Fläche 31 vorhandene Öl nicht nur in Radialrichtung weg von der Welle 8, sondern ebenfalls in Axialrichtung weg vom Durchgang 20, geschleudert. Bei dieser besonderen Ausführungsform wird das Öl auf eine vom Durchgang 20 entfernte Seitenfläche 32 der Ölrille 28 geschleudert, und folglich wird die Wahrscheinlichkeit, dass das Öl zurück zum Durchgang 20 hin fließt, stark verringert.
Die vorliegende Erfindung stellt folglich ein wirksames Verfahren bereit, um das Ölauslaufen über die Turbinenenddichtung zu verringern, ohne irgendwelche zusätzlichen Bauteile zur Dichtungsbaugruppe hinzuzufügen und mit einer nur minimalen Modifikation gegenüber herkömmlichen Turboladerbauteilen, nämlich dem entsprechenden Profilieren der ringförmigen Fläche des Dichtungsauges 19.
Es wird zu erkennen sein, dass das genaue Profil der ringförmigen Dichtungsaugenfläche 31 von dem illustrierten abweichen kann, vorausgesetzt, es hat die Wirkung, das Öl in einer Richtung zu treiben, die eine Axialkomponente weg vom Durchgang 20 hat.
Es wird ebenfalls zu erkennen sein, dass die Einzelheiten der Wellenlager- und der Öldichtungsanordnungen vollständig herkömmlich sein und von den illustrierten abweichen können. Zum Beispiel kann die Öldichtung mehr als einen Dichtungsring 21 umfassen, und der Durchgang 20 kann eine gerade Bohrung mit gleichbleibendem Durchmesser sein. Ähnlich kann die detaillierte Form des Lagergehäuses und des Turbinengehäuses von der illustrierten abweichen. Zum Beispiel ist bei der illustrierten Ausführungsform der Durchgang vom Lagergehäuse zum Turbinengehäuse in einer Wand des Lagergehäuses geformt. Bei anderen Anordnungen kann die Wand, welche die zwei Gehäuse trennt, einen Teil des Turbinengehäuses statt des Lagergehäuses bilden.
Es wird ebenfalls zu erkennen sein, dass die genaue Form der Ölrille 28 variieren kann. Zum Beispiel kann sich die Ölrille bei einigen Turbolader-Lagergehäuseauslegungen nahezu 360° um die Welle erstrecken, und bei anderen kann sich die Welle durch einen kleineren Winkel erstrecken. Wieder können die Einzelheiten der Ölrille 28 vollständig herkömmlich sein. Alternativ dazu könnte die Ölrille durch Abwinkeln der Seitenwände der Rille und insbesondere der nach innen gerichteten Seitenwand modifiziert sein, um die Ölsammelleistung zu verbessern.
Andere mögliche Modifikationen der Erfindung werden einer Person mit entsprechenden Fachkenntnissen leicht offensichtlich sein.

Claims

Turbolader, der Folgendes umfasst: ein Turbinenlaufrad (4), zum Drehen um eine Achse innerhalb eines Turbinengehäuses angebracht an einem Dichtungsauge (19), das an dem einen Ende einer Welle (8) bereitgestellt wird, ein Verdichterlaufrad, zum Drehen um die Achse innerhalb eines Verdichtergehäuses angebracht an dem anderen Ende der Welle (8), wobei sich die Welle (8) auf Lagerbaugruppen (13) dreht, untergebracht innerhalb eines Lagergehäuses (3), das zwischen dem Verdichtergehäuse und dem Turbinengehäuse angeordnet und mit Öldurchgängen zum Zuführen von Öl zu den Lagerbaugruppen (13) versehen ist, wobei das Turbinenlaufrad (4) durch eine Gehäusewand (3a) vom Inneren des Lagergehäuses getrennt ist, wobei sich das Dichtungsauge (19) durch einen ringförmigen Durchgang erstreckt, der durch die Gehäusewand (3a) bereitgestellt wird und in Bezug auf dieselbe durch Dichtungsmittel (21) abgedichtet wird, die innerhalb eines um das Dichtungsauge (19) innerhalb des ringförmigen Durchgangs definierten ringförmigen Spalts (20) angeordnet sind, wobei das Dichtungsauge (19) ein nach innen gerichtetes Axialende hat, das sich in das Lagergehäuse (3) erstreckt und eine ringförmige Fläche (31) hat, die einen Radialabsatz um die Welle (8) bildet, wobei das Lagergehäuse (3) eine Ölsammelrille (28) bildet, die angrenzend an die Lagergehäusewand (3a) in Radialrichtung in das Lagergehäuse (3) eingelassen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölsammelrille (28) eine Öffnung (29) hat, welche die Welle (8) wenigstens teilweise umschließt und das nach innen gerichtete Ende des Dichtungsauges (19) in Axialrichtung überlappt, wobei die ringförmige Fläche (31) des Dichtungsauges im Verhältnis zu einer Radialebene, die sich durch die Welle (8) erstreckt, abgewinkelt ist, so dass, wenn sich die Welle dreht, auf der ringförmigen Fläche (31) des Dichtungsauges vorhandenes Öl in einer axialen Richtung weg von der Welle (8) und in einer axialen Richtung weg von dem Durchgang (20) durch die Gehäusewand (3a) in die Ölsammelrille (28) geschleudert wird.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei die ringförmige Augenfläche (31) eine in Radialrichtung äußere Umfangskante und eine in Radialrichtung innere Umfangskante hat, wobei die äußere Kante über die innere Kante hängt.
Turbolader nach Anspruch 2, wobei die innere Kante gerundet ist, um einen glatten Übergang von der Axialfläche der Welle (8) zu der ringförmigen Augenfläche (31) bereitzustellen.
Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ringförmige Fläche (31) des Dichtungsauges (19) wesentlich kegelstumpfförmig ist.
Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die abgewinkelte Dichtungsaugenfläche (31) durch Formen einer Aussparung eines geeigneten Profils in einer ansonsten in Radialrichtung verlaufenden Fläche geformt ist.
Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ölsammelrille eine erste und eine gegenüberliegende zweite Seitenwand hat, wobei die zweite Seitenwand (32) im Verhältnis zur ersten Seitenwand nach innen gerichtet ist, und wobei die ringförmige Fläche des Dichtungsauges abgewinkelt ist, um Öl auf die zweite Seitenwand der Ölsammelrille zu schleudern.
Turbolader nach Anspruch 6, wobei die erste Seitenwand der Ölsammelrille (28) durchgehend mit der Lagergehäusewand (3a) ist, durch die sich der Durchgang (20) erstreckt.
Turbolader nach Anspruch 6, wobei die Lagergehäusewand (3a) die erste Seitenwand der Ölsammelrille (28) definiert.
Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dichtungsmittel wenigstens einen Dichtungsring (21) umfasst.
Turbolader nach Anspruch 9, wobei der wenigstens eine Dichtungsring (21) in einer ringförmigen Rille (23) angeordnet ist, die in einer in Radialrichtung äußeren Fläche des Dichtungsauges (19) bereitgestellt wird.