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Abgasturbolader werden sowohl bei nach dem Dieselverfahren als auch bei nach dem Ottoverfahren arbeitenden Brennkraftmaschinen zunehmend häufiger eingesetzt. Gründe hierfür sind die Erhöhung von Drehmoment und Leistung sowie Vorteile hinsichtlich Wirkungsgrad und Emissionsverhalten.
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Im Betrieb erreichen die Laufräder und die Welle des Turboladers Drehzahlen von bis zu 300.000 pro Minute.
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Aus der
KR 100774336 B1 , der
KR 1020070039996 A und der
KR 10 2001 59357 ist jeweils ein gattungsgemäßer Abgasturbolader bekannt.
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Wenn, beispielsweise durch eine fehlerhafte Ansteuerung der Ladedruckregelung die zulässige Höchstdrehzahl signifikant überschritten wird, kann es zum Bersten des Verdichterrades oder des Turbinenrades kommen. Die Trümmer eines geborstenen Laufrades können durch die Abgasleitung zu anderen Bauteilen der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise zu den Ventilen im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine oder in einen Rußpartikelfilter oder einen Katalysator im Abgasnachbehandlungssystem gelangen. Dort können die Trümmer erhebliche Beschädigungen verursachen. Daher ist das Bersten von Teilen des Abgasturboladers möglichst zu vermeiden. Bei herkömmlichen Abgasturboladern kann das Bersten nicht unter allen Umständen ausgeschlossen werden, so dass das Gehäuse des Abgasturboladers mit einer entsprechend großen Wandstärke ausgeführt wird, um wenigstens zu verhindern, dass die geborstenen Teile des geborstenen Laufrades das Turboladergehäuse verlassen.
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Diese großen Wandstärken führen, gerade auf der Turbinenseite, wo hoch temperaturfeste Nickelbasislegierungen eingesetzt werden müssen, zu vergleichsweise hohen Materialkosten. Außerdem geht mit den großen Wandstärken des Gehäuses ein hohes Gewicht einher. Damit nimmt auch das Gesamtgewicht des Abgasturboladers zu, was den Bemühungen der Fahrzeughersteller, nach einer Senkung des Fahrzeuggewichts, entgegenläuft. Des Weiteren haben Gehäuse mit großer Wandstärke eine große thermische Trägheit des Abgasturboladers zur Folge, was insbesondere beim Kaltstart der Brennkraftmaschine das Aufheizen der nachfolgenden Abgasnachbehandlungseinrichtungen, wie Rußpartikelfilter und Katalysatoren verzögert. Dies ist ebenfalls unerwünscht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Abgasturbolader bereitzustellen, dessen rotierende Bauteile zuverlässig gegen Bersten geschützt sind und bei dem infolgedessen auf zusätzliche Maßnahmen, wie beispielsweise dickwandige und berstsichere Gehäuse verzichtet werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse, mit einer Welle, mit einem Turbinenlaufrad und mit einem Verdichterlaufrad, wobei das Turbinenlaufrad und das Verdichterlaufrad drehfest mit der Welle verbunden sind, dadurch gelöst, dass drehfest mit der Welle mindestens ein Bremskörper verbunden ist, und dass der mindestens eine Bremskörper bei Überschreiten einer höchstzulässigen Höchstdrehzahl der Welle in Kontakt mit dem Gehäuse gelangt.
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Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass der Bremskörper vor dem Erreichen der Berstdrehzahl in Kontakt mit dem Gehäuse gelangt und dadurch die Welle abbremst. Dadurch wird zuverlässig das Erreichen der Berstdrehzahl verhindert. Infolgedessen kann es auch nicht zum Bersten der Laufräder oder anderer Bauteile des Abgasturboladers kommen. Daher kann die Wandstärke des Gehäuses des Abgasturboladers deutlich reduziert werden, was sich positiv auf die Materialkosten, das Gewicht und die thermische Trägheit des erfindungsgemäßen Abgasturboladers auswirkt.
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Dabei ist vorgesehen, dass der oder die Bremskörper mit einem Bremselement verbunden sind oder integraler Bestandteil des Bremselements sind, und dass das Bremselement direkt oder mittelbar drehfest mit der Welle verbunden ist.
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Dabei kann das Bremselement als separates Bauteil, insbesondere als scheibenförmiges Bauteil ausgebildet sein. Alternativ ist es auch möglich, das Bremselement in das Verdichterlaufrad, eine Lagerbuchse, eine Scheibe des Axiallagers oder das Turbinenlaufrad zu integrieren. Bevorzugt ist die Integration des Bremselements in die Lagerbuchse des Axiallagers oder das Verdichterlaufrad, da dort die thermische Belastung des Bremselements geringer sind.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Belastungsgrenze der Verbindung zwischen Bremskörper und Bremselement bei der zulässigen Höchstdrehzahl der Welle erreicht wird.
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Dies bedeutet, dass beim Überschreiten der zulässigen Höchstdrehzahl der Welle die Verbindung zwischen Bremskörper und Bremselement plastisch verformt wird, so dass der Bremskörper radial nach außen wandert und am Gehäuse des Abgasturboladers zu schleifen beginnt. Dadurch wird eine weitere Drehzahlerhöhung der Welle verhindert. Bei zunehmend größerem Bremsmoment, zum Beispiel aufgrund der Selbstverstärkung, kann es auch dazu kommen, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen Bremskörper und Bremselement bricht. Dann verkeilt sich der Bremskörper zunehmend fester zwischen Bremselement und Gehäuse und die Welle des Abgasturboladers wird abgebremst.
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Zusätzlich oder alternativ ist vorgesehen, den Bremskörper über einen oder mehrere Stege mit dem Bremselement zu verbinden und diese Stege dadurch herzustellen, dass zwischen Bremskörper und Bremselement mindestens ein Schlitz vorhanden ist.
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Dieser Schlitz kann durch Sägen, Erodieren oder auch durch Laserschneiden hergestellt werden. Vorteilhaft am Laserschneiden ist, erstens die hohe Produktivität, die geringe Dicke des Schlitzes und die Möglichkeit, mit nahezu alle Formen, seien es gerade, gekrümmte oder sonst wie geformte Schlitze in das Bauteil, welches Bremselement und Bremskörper bildet, zu formen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem mindestens einen Schlitz und einem Radiusstrahl, ein Winkel > 0° vorhanden ist. Dadurch wird beim Brechen der stoffschlüssigen Verbindung zwischen Bremskörper und Bremselement eine Klemmwirkung zwischen Bremskörper und Bremselement einerseits sowie Gehäuse und Bremskörper andererseits erzielt, was zu einem raschen Abbremsen der Welle führt.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen beschriebenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers,
- 2 und 3 verschiedene Ausführungsbeispiels erfindungsgemäßer Bremskörper
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In 1 ist ein Gehäuse des Abgasturboladers mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Das Gehäuse 1 kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein, je nach den Erfordernissen bei der Herstellung und Montage des Abgasturboladers.
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Wie hinlänglich bekannt, weisen Abgasturbolader einen Turbinenteil, der in 1 rechts angeordnet ist und einen Verdichterteil, der in 1 links angeordnet ist, auf. Im Turbinenteil ist ein Turbinenlaufrad 3 drehbar auf einer Welle 5 gelagert.
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An dem linken Ende der Welle 5 ist ein Verdichterlaufrad 7 angebracht. Die zu verdichtende Verbrennungsluft strömt dem Verdichterlaufrad 7 in axialer Richtung zu und verlässt es in radialer Richtung. Die Bewegungsrichtung der zu verdichtenden Verbrennungsluft ist in 1 durch Pfeile 9 angedeutet. Im rechten Teil des Gehäuses 1 ist eine Einlaufspirale 11 ausgebildet, durch die das von der nicht dargestellten Brennkraftmaschine ausgestoßene Abgas dem Turbinenlaufrad 3 zugeführt wird.
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Der erfindungsgemäße Berstschutz kann bei allen Bauarten von Abgasturboladern, insbesondere auch bei Abgasturboladern mit variabler Turbinengeometrie oder mit Schiebehülse (nicht dargestellt)eingesetzt werden.
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Die Radiallagerung der Welle 5 erfolgt durch zwei beabstandet zueinander angeordnete Gleitlager 13. Dabei kann, wie in 1 dargestellt, eine sogenannte Schwimmbuchsenlagerung oder eine sogenannte Einbuchsenlagerung (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
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Um die auf die Welle 5 wirkenden Axialkräfte aufzunehmen, ist an dem Gehäuse 1 eine Lagerscheibe 15 angeordnet, die in einer von zwei Lagerhülsen 17 und 19 gebildete Nut eintaucht. Die Axiallagerhülsen 17 und 19 sind drehfest mit der Welle 5 verbunden.
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Um zu verhindern, dass Öl in das Verdichterlaufrad 7 gelangt, ist ein Ölabweisblech 21 vorgesehen.
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In 1 sind zwei alternative Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Berstschutzes ausgebildet. Üblicherweise ist es ausreichend, einen Berstschutz vorzusehen.
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Bei der ersten Ausführungsform ist an der ersten Lagerhülse 19 ein scheibenförmiges Bremselement 23 ausgebildet, das sich in einem entsprechend dimensionierten Absatz 25 des Gehäuses 1 dreht. Dabei hat das Bremselement 23 keinen Kontakt mit dem Gehäuse 1.
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Um zu verhindern, dass an dem Bremselement 23 befestigte und in 1 nicht sichtbare Bremskörper in axialer Richtung „wandern“ können, ist das Gehäuse 1 so ausgebildet, dass das Bremselement 23, nur einen geringen Abstand, von beispielsweise einem halben Millimeter, zu dem Bremselement 23 in axialer Richtung aufweist. Auf der in 1 rechten Seite des Bremselements 23 ist das Ölabweisblech 21 so ausgebildet, dass es das Wandern des Bremselements 23 in axialer Richtung verhindert.
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In 1 ist eine weitere zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bremselements 23 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist das Bremselement 23 am Verdichterlaufrad 7 ausgebildet. Ebenso wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, ist das Bremselement 23 in einem Absatz 25 des Gehäuses 1 aufgenommen.
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Für das Integrieren des Bremselements 23 in das Verdichterlaufrad 7 (zweites Ausführungsbeispiel) spricht der größere Durchmesser und damit die bessere Bremswirkung, während für die Integration des Bremselements 23 in die Lagerbuchse 19 (erstes Ausführungsbeispiel) die einfache Herstellbarkeit und die geringeren Herstellungskosten sprechen. Alternativ wäre es auch möglich, das Bremselement 23 als separates Bauteil auszubilden und mit der Welle 5 drehfest zu verbinden. Dieses dritte Ausführungsbeispiel ist in 1 nicht dargestellt
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Anhand der 2 und 3 werden nachfolgend verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Bremselements dargestellt und dessen Funktion erläutert.
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In 2 ist eine Ansicht von vorne auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bremselements 23 sowie das Gehäuse 1 und der zugehörige Absatz 25 im Gehäuse 1 dargestellt. Das Bremselement 23 ist, vereinfacht ausgedrückt, als flache Scheibe ausgebildet, die drehfest mit der Welle 5 verbunden ist und bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel im Gegenuhrzeigersinn rotiert.
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An dem Bremselement 23 sind zwei Bremskörper 27 ausgebildet. Die Bremskörper 27 sind um 180° zueinander versetzt angeordnet, so dass das Bremselement 23 zusammen mit den Bremskörpern 27 im Normalbetrieb ausgewuchtet ist.
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Die Bremskörper 27 werden durch jeweils zwei Schlitze 29 vom übrigen Bremselement 23 getrennt. Die beiden Schlitze 29.1 und 29.2 berühren sich nicht, so dass zwischen den Schlitzen 29.1 und 29.2 bei dem in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ein Steg 31 mit einer Breite X vorhanden ist. Die Dimensionierung des Stegs 31 erfolgt nun so, dass der Steg 31 im Normalbetrieb, das heißt bei allen Drehzahlen unterhalb der zulässigen Höchstdrehzahl des Abgasturboladers, die von den Bremskörpern 27 auf ihn ausgeübten Fliehkräfte übertragen kann. Erst wenn die zulässige Höchstdrehzahl signifikant überschritten wird, wird der Werkstoff des Bremselements 23 beziehungsweise des Stegs 31 plastisch verformt, oder es kommt sogar zum Bruch des Stegs 23.
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Dadurch wandert der Bremskörper 27 radial nach außen und gelangt schließlich in Anlage an die Aussparung 25 des Gehäuses 1.
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Durch die zwischen Bremskörper 27 und Aussparung 25 ausgeübten Bremskräfte, verschiebt sich der Bremskörper 27 relativ zum Bremselement 23 und verkeilt sich dadurch mit dem Teil des Schlitzes 29.2, der am Bremselement 23 vorhanden ist. Diese Position des Bremskörpers 27 ist in 2 gestrichelt dargestellt.
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Dadurch, dass der Schlitz 29.2 mit einem Radiusstrahl 33 des Bremselements 27 einen Winkel > 0° einschließt, verkeilt sich der Bremskörper 27 mit dem Bremselement 23 beziehungsweise im Bereich des Schlitzes 29.2 und mit dem Gehäuse 1 im Bereich der Aussparung 25. Dadurch wird das Bremselement 23 und mit ihm die Welle 5 abgebremst und blockiert, so dass ein Bersten der Laufräder sicher verhindert wird.
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Die Schlitze 29.1 und 29.2 können auf verschiedenste Weisen, wie beispielsweise durch Fräsen, Sägen, Erodieren oder Laserschneiden hergestellt werden.
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Selbstverständlich ist stets darauf zu achten, dass das Bremselement 23 und die Bremskörper 27 bei intakten Stegen 31 gut ausgewuchtet sind. Daher empfiehlt es sich in aller Regel zwei um 180° gegenüberliegend angeordnete Bremskörper 27 vorzusehen.
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In 3 sind weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Bremskörper 27 dargestellt. Allerdings ist hier jeweils nur ein Bremskörper 27 dargestellt. Ein zweites Ausführungsbeispiel eines Bremskörpers 27 ist im oberen Teil der 3 dargestellt. Dabei ist der Bremskörper 27 durch einen Schlitz 29.3, der als Sekante zum Außendurchmesser des Bremselements 23 ausgeführt ist, gebildet. Da der Schlitz 29.3 den Außendurchmesser des Bremselements 23 auf beiden Seiten nicht ganz erreicht, bleiben zwei Stege 31 stehen, die ebenfalls so zu dimensionieren sind, dass erst beim Überschreiten der zulässigen Höchstdrehzahl diese Stege 31 plastisch verformt werden und damit der Bremskörper 27 radial nach außen wandert.
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Bei dem in 3 unten liegenden Teil des unten gezeichneten Bremskörpers 27 sind die Schlitze 29.4 und 29.5 als Viertelkreise ausgebildet, so dass insgesamt drei Stege 31 zwischen Bremselement 23 und Bremskörper 27 vorhanden sind.
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Bei dem in 3 auf der rechten Seite des Bremselements dargestellten Ausführungsbeispiels sind die Schlitze 29.6 gradlinig ausgeführt und es sind auch wieder drei Stege 31 zwischen Bremskörper 27 und Bremselement 23 ausgebildet. Wie sich aus der Darstellung der verschiedenen Geometrien der Bremskörper 27 in den 2 und 3 ergibt, sind bei der Gestaltung der Bremskörper 27 viele Freiheitsgrade vorhanden.
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Wichtige Kriterien für die Gestaltung der Bremskörper sind die reproduzierbare Dimensionierung der Stege 31, da von deren Querschnitt unter anderem die Drehzahl abhängt, oberhalb derer der Bremskörper 27 radial nach außen wandert. Des Weiteren sind die eingesetzten Fertigungsverfahren, wie beispielsweise Sägen, Fräsen oder Laserschneiden auch von Bedeutung bei der Gestaltung der Bremskörper 27 beziehungsweise der Schlitze 29 und der Stege 31.
