DE102008057729A1

DE102008057729A1 - Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102008057729A1
Application number: DE200810057729
Authority: DE
Inventors: Michal Klusácek; Martin Dr. Schlegl
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2008-11-17
Filing date: 2008-11-17
Publication date: 2010-05-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem ein Rotor (2) in einem Stator (3) gelagert ist. Ein vereinfachter Aufbau lässt sich für eine besonders reibungsarme Lagerung realisieren, wenn zumindest ein pneumatisches Radiallager (5) im Betrieb durch den Rotor (2) pneumatisch aufgeladen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
Üblicherweise umfasst ein Abgasturbolader einen Rotor sowie einen Stator, in dem der Rotor um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Der Rotor umfasst üblicherweise eine Welle, die ein Turbinenrad und ein Verdichterrad trägt. Der Rotor kann über Gleitlager, insbesondere über hydrodynamische Gleitlager, radial im Stator gelagert sein. Ebenso ist eine axiale Abstützung des Rotors am Stator über Gleitlager, insbesondere über hydrodynamische Gleitlager, möglich. Hydrodynamische Gleitlager zeichnen sich durch extrem niedrige Reibungsbeiwerte aus, wodurch der Rotor insbesondere schnell beschleunigen kann und auch bei hohen Drehzahlen einen großen Wirkungsgrad ermöglicht. Problematisch ist bei hydrodynamischen Gleitlagern die Versorgung mit Schmieröl, insbesondere im Hinblick auf einen vergleichsweise großen Betriebstemperaturbereich, der von –30° bis +150°C reichen kann. Damit gehen gravierende Viskositätsänderungen im Schmieröl sowie Spaltmaßänderungen in den Gleitlagern einher.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Abgasturbolader der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass der Aufwand zur Realisierung einer ausreichenden Lagerung des Rotors im Stator reduziert ist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Rotor im Stator über pneumatische Gleitlager zu lagern, die im Betrieb des Abgasturboladers durch den Rotor hindurch pneumatisch aufgeladen werden. Pneumatische Gleitlager arbeiten mit einem Gaspolster zur Lagerung und zeichnen sich durch extrem niedrige Reibungsbeiwerte aus. Problematisch ist dabei die Aufladung der pneumatischen Gleitlager, also die Versorgung mit Gas zur Bereitstellung des die Lagerung bewirkenden Gaspolsters. Hierzu schlägt die Erfindung vor, die Aufladung wenigstens eines pneumatischen Radiallagers durch den Rotor hindurch zu realisieren. Das bedeutet, dass die Pneumatikversorgung des jeweiligen Pneumatiklagers zumindest in einem an das jeweilige Pneumatiklager anschließenden Bereich innerhalb des Rotors verläuft. Das jeweilige Radiallager wird dadurch radial von innen mit dem Gas versorgt. Auf eine aufwändige, im Stator verlaufende Leitungsführung zur Gasversorgung pneumatischer Lager kann dadurch weitgehend verzichtet werden. Der Aufbau des Abgasturboladers, insbesondere eines den Stator bildenden Gehäuses, wird dadurch vergleichsweise einfach, auch wenn mit pneumatischen Gleitlagern gearbeitet wird.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher der Rotor ein Kanalsystem enthält, das ausgangsseitig an das wenigstens eine pneumatische Radiallager und eingangsseitig an einen Verdichterraum angeschlossen ist. In diesem Verdichterraum rotiert im Betrieb des Abgasturboladers ein am Rotor drehfest angeordnetes Verdichterrad. Ferner ist dieser Verdichterraum zweckmäßig im Stator ausgebildet. Bei dieser Bauweise wird zur Aufladung des wenigstens einen pneumatischen Radiallagers ein ausschließlich im Inneren des Rotors verlaufendes, internes Kanalsystem verwendet, so dass statorseitig kein Aufwand betrieben werden muss, um das jeweilige pneumatische Radiallager mit Gas zu versorgen.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der Rotor außerdem so ausgestaltet werden, dass im Betrieb des Turboladers außerdem zumindest ein pneumatisches Axiallager durch den Rotor hindurch aufgeladen werden kann. Insbesondere sind somit sämtliche Radiallager und Axiallager, mit denen der Rotor im Stator gelagert ist, pneumatisch betrieben und durch den Rotor hindurch aufgeladen. Der Aufwand zur Realisierung einer pneumatischen Lagerung wird dadurch erheblich reduziert.
Alternativ ist es grundsätzlich auch möglich, ein pneumatisches Axiallager im Betrieb durch den Stator hindurch pneumatisch aufzuladen. Das bedeutet, dass eine entsprechende Gasversorgung im Stator verlegt ist, die nicht wie beim Rotor von innen, sondern von außen an das jeweilige Axiallager raugeführt ist. Hierzu kann insbesondere vorgesehen sein, im Stator ein Kanalsystem auszubilden, das eingangsseitig an einen im Stator ausgebildeten Hochdruckraum angeschlossen ist. Hierdurch ist es insbesondere möglich, für das jeweilige Axiallager eine Hochdruckaufladung zur realisieren, während für das jeweilige Radiallager über den stromauf des Hochdruckraums angeordneten Verdichterraum eine Niederdruckaufladung realisiert wird.
Die Aufladung der pneumatischen Radiallager durch den Rotor führt zu einer von innen nach außen orientierten Gasströmung im jeweiligen Radiallager. Dies kann insbesondere dazu genutzt werden, im jeweiligen Radiallager zusätzlich eine pneumatische Dichtung zu realisieren, mit deren Hilfe beispielsweise ein Eintritt von heißen Abgasen in das jeweilige Radiallager verhindert werden kann.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch
1 und 2 jeweils einen stark vereinfachten, prinzipiellen Längsschnitt durch einen Abgasturbolader, bei verschiedenen Ausführungsformen.
Entsprechend den 1 und 2 umfasst ein Abgasturbolader 1, der beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine zum Einsatz kommt, die bevorzugt in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein kann, einen Rotor 2, der in einem nur teilweise dargestellten Stator 3 um eine Rotationsachse 4 drehbar gelagert ist. Hierzu sind zwischen Stator 3 und Rotor 2 pneumatische Gleitlager ausgebildet, nämlich entsprechend den hier gezeigten Ausführungsformen zwei pneumatische Radiallager 5 und ein pneumatisches Axiallager 6. Dabei wird zumindest eines der pneumatischen Radiallager 5 im Betrieb des Turboladers 1 durch den Rotor 2 hindurch pneumatisch aufgeladen. Bei den gezeigten Beispielen sind dabei beide Radiallager 5 durch den Rotor 2 aufgeladen. Es ist klar, dass bei anderen Ausführungsformen auch eine andere Anzahl an pneumatischen Lagern 5, 6 vorhanden sein kann. Insbesondere ist denkbar, das Axiallager 6 konventionell auszugestalten, insbesondere als hydrodynamisches Gleitlager.
Der Rotor 2 enthält ein (rotorseitiges) Kanalsystem 7. Dieses ist ausgangsseitig an das jeweilige Radiallager 5 und eingangsseitig an einen Verdichterraum 8 angeschlossen. Dieser Verdichterraum 8 befindet sich im Stator 3. In diesem Verdichterraum 8 ist ein Verdichterrad 9 angeordnet, das drehfest am Rotor 2 ausgebildet ist und im Betrieb des Turboladers 1 rotiert. Auf diese Weise gelangt ein Gas, bevorzugt Luft, vom Verdichterraum 8 über das Kanalsystem 7 und somit durch den Rotor 2 zu den Radiallagern 5. Das rotorseitige Kanalsystem 7 weist bei den gezeigten Beispielen jeweils einen im Rotor 2 koaxial angeordneten Längskanal 10 auf. Im Bereich der Radiallager 5 zweigen vom Längskanal 10 mehrere Radialkanäle 11 ab, über die der Längskanal 10 mit den Radiallagern 5 kommuniziert. Des Weiteren kann der Längskanal 10 über zumindest einen (anderen) Radialkanal 12 an den Verdichterraum 8 angeschlossen sein. Während die mit den Radiallagern 5 kommunizierenden Radialkanäle 11 ausgangsseitige Radialkanäle 11 bilden, bildet der mit dem Verdichterraum 8 kommunizierende wenigstens eine andere Radialkanal 12 einen eingangsseitigen Radialkanal 12, durch den das jeweilige Gas vom Verdichterraum 8 in den Längskanal 10 eintritt. Dieser eingangsseitige Radialkanal 12 kann dabei im Verdichterrad 9 ausgebildet sein, beispielsweise durch eine Bohrung.
Alternativ oder zusätzlich zum eingangsseitigen Radialkanal 12 kann das Kanalsystem 7 auch einen Einlassraum 13 aufweisen, der mit dem Längskanal 10 kommuniziert. Dieser Einlassraum 13 kann dabei zweckmäßig axial zwischen dem Verdichterrad 9 und einem Turbinenrad 14 angeordnet sein, das ebenfalls am Rotor 2 drehfest angeordnet ist. Der Einlassraum 13 befindet sich dabei wie das übrige Kanalsystem 7 ebenfalls innerhalb des Rotors 2. Zur kommunizierenden Verbindung zwischen dem Einlassraum 13 und dem Verdichterraum 8 ist im Verdichterrad 9 zumindest ein Axialkanal 15 vorgesehen, beispielsweise in Form einer entsprechenden Bohrung.
Der hier vorgestellte Rotor 2 zeichnet sich dadurch aus, dass das pneumatische Kanalsystem 7 zur Versorgung der beiden Radiallager 5 des Rotors 2 vollständig innerhalb des Rotors 2 verläuft, so dass auf externe Zuführungskanäle und dergleichen verzichtet werden kann.
Entsprechend 1 kann auch das axiale Gleitlager 6 an das interne Kanalsystem 7 des Rotors 2 angeschlossen sein, so dass auch das pneumatische Axiallager 6 durch den Rotor 2 hindurch aufgeladen ist. Zu diesem Zweck kann der Längskanal 10 bis in einen scheibenförmigen Bereich 16 des Rotors 2 verlängert sein, über den die Axiallagerung des Rotors 2 am Stator 3 erfolgt. In diesem Lagerbereich 16 können Axialbohrungen 17 vorgesehen sein, durch die das Gas axial in das axiale Gleitlager 6 eintreten kann. Diese Bohrungen 17 kommunizieren über entsprechende Kanäle 18 oder über einen entsprechenden Raum 18 mit dem Längskanal 10.
Im Unterschied zu 1 wird bei der in 2 gezeigten Ausführungsform die Aufladung des pneumatischen Axiallagers 6 nicht intern über den Rotor 2, sondern extern über den Stator 3 realisiert. Das heißt, die Aufladung des pneumatischen Axiallagers 6 erfolgt bei der in 2 gezeigten Ausführungsform durch den Stator 3 hindurch. Hierzu enthält auch der Stator 3 ein statorseitiges Kanalsystem 19, das hier jedoch nur vereinfacht dargestellt ist. Das statorseitige Kanalsystem 19 ist ausgangsseitig an das pneumatische Axiallager 6 angeschlossen, so dass dieses von außen, also über den Stator 3 mit Gas versorgt wird. Eingangsseitig ist das statorseitige Kanalsystem 19 beim gezeigten Bespiel an einen Hochdruckraum 20 angeschlossen, der im Frischluftpfad im Stator 3 stromab auf den Verdichterraum 8 folgt. Gezeigt ist somit in 2 eine Hochdruckaufladung des axialen Gleitlagers 6. Alternativ ist es ebenso möglich, das statorseitige Kanalsystem 19 eingangsseitig ebenfalls an den Verdichterraum 8 anzuschließen, um eine Niederdruck-Aufladung des axialen Gleitlagers 6 zu realisieren. 2 zeigt eine Niederdruck-Aufladung der radialen Gleitlager des Rotors 2. Bei der in 1 gezeigten Variante erfolgt sowohl bei den Radiallagern 5 als auch beim Axiallager 6 eine Niederdruckaufladung.
Der hier vorgestellte Rotor 2 umfasst neben einer Welle 21 das Verdichterrad 9 und das Turbinenrad 14. Dabei sind Verdichterrad 9 und Turbinenrad 14 unmittelbar aneinander gebaut. Insbesondere kann dadurch auf ein zentrales Hauptlager, das bei herkömmlichen Abgasturboladern axial zwischen dem Verdichterrad 9 und dem Turbinenrad 14 angeordnet ist, verzichtet werden. Dementsprechend ist der Rotor 2 bei der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform axial zwischen dem Verdichterrad 9 und dem Turbinenrad 14 ungelagert. Die aneinander angebauten Räder 9, 14 gehen bei der gezeigten Bauweise unmittelbar ineinander über. Sie können grundsätzlich separat hergestellt werden, zum Beispiel als Gussteile, und dabei integral ausgeformte Bestandteile aufweisen, die jeweils einen Axialabschnitt der Welle 21 bilden. Die separat hergestellten Räder 9, 14 können dann zum Rotor 2 vereinigt werden, insbesondere mittels einer Schweißverbindung. Hierdurch ist es insbesondere vergleichsweise einfach möglich, den Einlassraum 13 im Inneren des Rotors 2 auszubilden. Der Stator 3 ist üblicherweise durch ein Gehäuse des Turboladers 1 gebildet.
Durch eine gezielt gewählte Positionierung und/oder Dimensionierung und/oder Ausrichtung der Radialkanäle 11 zur Versorgung der Radiallager 5 mit Gas, kann insbesondere eine Pneumatikdichtung realisiert werden. Hierbei kann eine gewünschte Leckage eine Sperrgasströmung erzeugen, die beispielsweise dazu genutzt werden kann, das Eindringen von heißen Abgasen in die Radiallager 5 zu erschweren oder zu vermeiden. Entsprechendes gilt dann auch für das Axiallager 6. Des Weiteren ist klar, dass die Anzahl, die Lage und die Geometrie der einzelnen Versorgungskanäle auf die jeweilige Belastung der Axiallager 6 bzw. Radiallager 5 angepasst ist.

Claims

Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Rotor (2), der über pneumatische Gleitlager (5, 6) in einem Stator (3) gelagert ist, wobei zumindest ein pneumatisches Radiallager (5) im Betrieb durch den Rotor (2) pneumatisch aufgeladen ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) ein Kanalsystem (7) enthält, das ausgangsseitig an das wenigstens eine pneumatische Radiallager (5) und eingangsseitig an einen Verdichterraum (8) angeschlossen ist, in dem im Betrieb ein am Rotor (2) drehfest angeordnetes Verdichterrad (9) rotiert.
Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalsystem (7) einen koaxial im Rotor (2) angeordneten Längskanal (10) aufweist, der über Radialkanäle (11) mit wenigstens einem pneumatischen Radiallager (5) kommuniziert.
Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Längskanal (10) über wenigstens einen, sich im Verdichterrad (9) erstreckenden Radialkanal (12) an den Verdichterraum (8) angeschlossen ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalsystem (7) einen Einlassraum (13) umfasst, der zwischen dem Verdichterrad (9) und einem drehfest am Rotor (2) angeordneten Turbinenrad (14) im Rotor (2) angeordnet ist und der mit dem Längskanal (10) kommunizierend verbunden ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassraum (13) über wenigstens einen im Verdichterrad (9) angeordneten Axialkanal (15) mit dem Verdichterraum (8) kommuniziert.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein pneumatisches Axiallager (6) im Betrieb durch den Rotor (2) pneumatisch aufgeladen ist.
Abgasturbolader nach den Ansprüchen 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalsystem (7) ausgangsseitig auch an das pneumatische Axiallager (6) angeschlossen ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein pneumatisches Axiallager (6) im Betrieb durch den Stator (3) pneumatisch aufgeladen ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (3) ein Kanalsystem (19) enthält, das ausgangsseitig an das pneumatische Axiallager (6) und eingangsseitig an einen Verdichterraum (8), in dem im Betrieb ein am Rotor (2) drehfest angeordnetes Verdichterrad (9) rotiert, oder an einen Hochdruckraum (20) angeschlossen ist, der im Stator (3) auf den Verdichterraum (8) folgt.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) ein Verdichterrad (9) und ein Turbinenrad (14) aufweist und axial zwischen Verdichterrad (9) und Turbinenrad (14) ungelagert ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Verdichterrad (9) und Turbinenrad (14) unmittelbar ineinander übergehen.