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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turboladeranordnung für einen Verbrennungsmotor, umfassend ein Turboladergehäuse, welches einen Innenraum umschließt, eine das Turboladergehäuse durchlaufende Welle, auf welcher mindestens ein Turbinenrad zum Antreiben einer Kompressoreinheit angeordnet ist, eine Lageranordnung zum Lagern der Welle im Turboladergehäuse, eine Ölversorgungseinrichtung zum Schmieren der Lageranordnung, und ein Dichtsystem zum Abdichten des Turboladergehäuses gegenüber der Welle. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit einer derartigen Turboladeranordnung.
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Verbrennungsmotoren, insbesondere Diesel- und Ottomotoren, werden in zunehmendem Maße mit Turboladeranordnungen versehen. Die Turboladeranordnung dient zur Verdichtung der dem Verbrennungsmotor zugeführten Ladeluft, wodurch eine Leistungssteigerung bewirkt werden kann. Umgekehrt kann eine vorgegebene Leistung durch einen aufgeladenen Motor mit geringerem Hubraum erzielt werden, wodurch eine kleinere und leichtere Ausführung und ein im Kraftstoffverbrauch sparsamerer Antrieb erreicht werden können. Derartige Turbolader werden in der Regel vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors angetrieben, wozu die Turboladeranordnung ein Turbinenrad aufweist, die im Abgasstrom angeordnet ist. Das Turbinenrad treibt üblicherweise über eine gemeinsame Welle eine Kompressoreinheit an, welche die Ladeluft des Motors verdichtet. Sowohl das Turbinenrad als auch die Kompressoreinheit schließen sich typischerweise dem Turboladergehäuse außen an, so dass ein kompressorseitiges und turbinenradseitiges Ende des Turboladergehäuses bzw. des Innenraums definiert werden kann.
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Die Welle ist mittels einer Lageranordnung im Gehäuse gelagert, die beispielsweise Radial- und/oder Axiallager umfaßt. Die Welle kann im Betrieb bis mit zu 300.000 U/min drehen. Die Lager werden hierbei mittels eines entsprechenden Schmieröls geschmiert, wozu das Öl über die Ölversorgungseinrichtung in den Innenraum geführt wird. Die aus dem Stand der Technik bekannten Dichtsysteme können aufgrund der harschen Umgebungsbedingungen nicht verhindern, dass eine Leckage entsteht und Öl aus dem Innenraum kompressorseitig und/oder turbinenradseitig austritt. Öl, welches am kompressorseitigen Ende austritt, verunreinigt die Ladeluft, was zu unerwünschten Effekten bei der Verbrennung führt. Einige dieser unerwünschten Effekte sind beispielsweise sog. "Megaknocks" oder eine unvollständige Verbrennung. Als Resultat steigen die Partikelemissionen an, weshalb es schwierig oder gar unmöglich wird, die immer strenger werdenden Emissionsvorschriften wie die LEV der USA oder die EU6 der Europäischen Union zu erfüllen. Tritt Öl turbinenradseitig aus, kann es sich auf stromabwärts angeordnete Partikelfilter und Katalysatoren absetzen, wodurch diese in ihrer Funktionstüchtigkeit eingeschränkt werden, was sich ebenfalls negativ auf die Emissionen auswirkt. Verbesserte Dichtsysteme sind in der
US 2010/0139270 und der
EP 2 167 792 beschrieben worden, können jedoch die beschriebenen Nachteile insbesondere bezüglich der Partikelemissionen nur bedingt vermeiden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die eingangs genannte Turboladeranordnung so weiterzuentwickeln, dass die Partikelemissionen gegenüber bekannten Turboladeranordnungen gesenkt werden.
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Gelöst wird die Aufgabe mit einer mit dem Innenraum zusammenwirkenden Druckänderungseinheit zum Einstellen des Drucks im Innenraum. Es hat sich herausgestellt, dass die Leckagen zumindest teilweise den auf die eingesetzten Dichtsysteme wirkenden Druckverhältnissen geschuldet sind. Bei bestimmten Betriebsbedingungen herrscht kompressorseitig ein geringer statischer Druck, wohingegen an oder in den Dichtsystemen bzw. im Innenraum Umgebungsdruck herrscht, was die kompressorseitige Leckage des Öls begünstigt. Mittels der erfindungsgemäßen Druckänderungseinheit kann der Druck im Innenraum so geändert werden, dass die Leckage verringert wird.
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Bei der oben beschriebenen Betriebsbedingung kann der Druck im Innenraum reduziert werden, so dass die kompressorseitige Druckdifferenz und folglich die Tendenz zur Leckage des Öls verringert werden können. Allerdings ist es erfindungsgemäß genauso gut möglich, den Druck im Innenraum des Turboladergehäuses über den atmosphärischen Druck hinaus zu erhöhen, sofern es der Verringerung von Leckagen dienlich ist.
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Die erfindungsgemäße Druckänderungseinheit leistet somit einen Beitrag zur Verringerung der Partikelemission von Verbrennungsmotoren, wodurch die Umweltbelastung reduziert wird.
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Die erfindungsgemäße Turboladeranordnung wird dadurch weitergebildet, dass die Druckänderungseinheit eine in den Innenraum mündende Vakuumleitung aufweist, die mit einem Vakuumsystem zusammenwirkt. Mittels des Vakuumsystems kann die Luft über die Vakuumleitung aus dem Innenraum abgesaugt und folglich der Druck im Innenraum soweit gesenkt werden, so dass die im Betrieb auftretenden Druckdifferenzen, insbesondere die kompressorseitigen auf die Dichtsysteme wirkenden Druckdifferenzen, reduziert oder sogar gänzlich ausgeglichen werden können. Die Vakuumleitung kann dabei an einer beliebigen Stelle in den Innenraum münden und ist mit dem Vakuumsystem verbunden. Je nach verwendetem Dichtsystem kann es dabei jedoch von Vorteil sein, wenn die Vakuumleitung in der unmittelbaren Umgebung des Dichtsystems in den Innenraum mündet.
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Aus den obigen Ausführungen ergibt sich, dass im Betrieb insbesondere kompressorseitig eine hohe Druckdifferenz auftreten kann, so dass es besonders vorteilhaft ist, wenn die Vakuumleitung im Bereich des kompressorseitigen Teils des Dichtsystems in den Innenraum mündet.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist die Absenkung des Drucks im Innenraum bevorzugt, jedoch kann anstelle des Vakuumsystems auch ein Kompressorsystem verwendet werden, mit welchem der Druck im Innenraum erhöht werden kann, sofern dies der Verringerung der Leckage des Schmieröls dienlich ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Turboladeranordnung ist in der Vakuumleitung ein Vakuum-Steuerungsventil zum Steuern des Drucks im Innenraum angeordnet. Mit dem Vakuum-Steuerungsventil kann der Druck im Innenraum variabel den vorliegenden Bedingungen angepaßt werden. So kann der Druck im Innenraum in Abhängigkeit der Drehzahl der Welle oder anderer geeigneter Betriebsparameter des Motors gesteuert werden. Darüber hinaus ist auch eine Regelung des Drucks möglich, wozu ein Drucksensor im Innenraum angeordnet sein kann, mit dessen Signalen das Vakuum-Steuerungsventil aktiviert wird. Weiterhin kann ein Regelungskreislauf mit einer Prozessoreinheit vorgesehen sein, so dass ein Soll-Ist-Abgleich des Drucks im Innenraum ermöglicht werden kann. In dieser Ausgestaltung kann der Druck im Innenraum variabel und optimal an die herrschenden Betriebsbedingungen angepasst werden, um die Leckage weitgehend zu reduzieren.
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Vorzugsweise umfaßt die Turboladeranordnung eine mit dem Innenraum kommunizierende Ölabflußleitung mit einem Rückschlagventil, um zu verhindern, dass über die Ölabflußleitung ein unerwünschter Druckausgleich mit einem üblicherweise näherungsweise unter Atmosphärendruck stehenden Ölsumpf erfolgt, wenn der Druck im Innenraum mittels der Druckänderungseinheit reduziert wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann das Rückschlagventil eine vorgegebene Mindestleckage entgegen der Sperrichtung aufweisen, um zu verhindern, dass ein gewisser Mindestdruck im Innenraum unterschritten wird. Dies kann beispielsweise zur Schonung der Dichtsysteme und anderer Komponenten der Turboladeranordnung dienen.
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Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass eine aktive Druckregelung an dieser Stelle mittels eines steuerbaren Bypasses an dem Rückschlagventil erfolgt. Eine derartige Druckregelegung bzw. -steuerung kann alternativ oder zusätzlich zu der Regelung bzw. Steuerung mittels eines Steuerventils in der Vakuumleitung erfolgen, d. h., dass auf das letztgenannte Steuerventil ggf. zugunsten einer Regelung im Bereich des Rückschlagventils verzichtet werden kann.
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Ferner kann in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Ölabflußleitung nicht nur zum Abführen des Öls verwendet wird, sondern gleichzeitig auch zum Evakuieren von Luft aus dem Innenraum. Insofern zeichnet sich diese Weiterbildung durch eine bauliche Kompaktheit und eine vereinfachte Konstruktion aus, was die Herstellungskosten senkt. Dabei kann das Vakuumsystem auch im oder am Kurbelwellengehäuse untergebracht werden und dort in die Ölabflußleitung eingreifen. Insofern ist der konstruktive Gestaltungsfreiraum erhöht, da man die Platzierung des Vakuumsystems flexibel wählen kann. Weiterhin kann der Ort und die Art und Weise, wie das Vakuumsystem in die Ölabflußleitung eingreift, weitgehend frei gewählt werden. So ist es möglich, die Vakuumleitung an einer beliebigen Stelle zwischen dem Verbrennungsmotor und der Turboladeranordnung in die Ölabflußleitung eingreifen zu lassen.
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Insbesondere dann, wenn die Ölabflußleitung auch gleichzeitig mit der Vakuumleitung in Verbindung steht, ist bevorzugt eine Ölsammelzone (bzw. Beruhigungszone) zwischen Vakuumleitung und Ölabflußleitung vorgesehen. So kann das Öl aufgefangen und verhindert werden, dass das Öl beim Evakuieren des Innenraums in das Vakuumsystem gesaugt wird. Die Ölsammelzone kann durch ein zusätzliches Volumen realisiert werden. Abhängig von den konkreten Ölströmungsverhältnissen kann aber auch eine labyrinthische Anordnung oder ein Filter vorgesehen sein, um das Eindringen von Ölspritzern bzw. von Ölnebel in das Vakuumsystem zu verhindern.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Turboladeranordnung nach einem der vorherigen Ausführungsbeispiele. Die technischen Effekte und Vorteile, die für die Turboladeranordnung diskutiert worden sind, gelten gleichermaßen für den Verbrennungsmotor, der mit der erfindungsgemäßen Turboladeranordnung ausgestattet ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turboladeranordnung, und
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Turboladeranordnung.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turboladeranordnung 10 1 für einen nicht näher gezeigten Verbrennungsmotor anhand einer Seitenansicht dargestellt. Die Turboladeranordnung 10 1 umfaßt ein Turboladergehäuse 12, welches einen Innenraum 14 umschließt. Eine Welle 16 durchläuft den Innenraum 14 und ist mittels einer Lageranordnung 18 im Innenraum 14 gelagert. Im dargestellten Beispiel umfaßt die Lageranordnung 18 ein erstes Gleitlager 20 und ein zweites Gleitlager 22, mit denen die Welle 16 gelagert ist. Weiterhin umfaßt die Lageranordnung 18 ein Axiallager 24. Außerhalb des Turboladergehäuses 12 ist ein Turbinenrad 26 drehfest auf der Welle 16 angeordnet, welches im Betrieb vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors in Drehung versetzt wird. Auf der dem Turbinenrad 26 gegenüberliegenden Seite des Turboladergehäuses 12 ist eine Kompressoreinheit 28 vorgesehen, welche ein Kompressorrad 30 umfaßt, mit welchem die Ladeluft, die dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, verdichtet wird.
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Der Innenraum 14 wird gegenüber der Welle 16 mit einem Dichtsystem 32 abgedichtet, um den Austritt von Öl aus dem Innenraum 14 zu verhindern. Kompressorseitig umfaßt das Dichtsystem 32 ein Druckring 34, der auf der Welle 16 sitzt und diese gegenüber dem Turboladergehäuse 12 abdichtet, sowie einen Einsatz 36 zur Fixierung. Turbinenradseitig umfaßt das Dichtsystem 32 nicht näher dargestellte Mittel, mit denen die Welle 16 gegenüber dem Turboladergehäuse 12 abgedichtet ist.
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Zum Schmieren der Lageranordnung 18 ist eine Ölversorgungseinrichtung 38 vorgesehen, welche einen Öleingang 40 umfaßt, über den Öl in den Innenraum 14 eingebracht werden kann. Die Ölversorgungseinrichtung 38 weist mehrere Verteilerkanäle 42 auf, über welche das Öl den verschiedenen Lagern zugeführt wird. Das Axiallager 24 umfaßt einen Ausgang 44, über den das Öl wieder aus dem Axiallager 24 abgeführt werden kann. Darüber hinaus ist eine Ölabflußleitung 46 vorgesehen, mit welcher das Öl aus dem Innenraum 14 entfernt werden kann. Die Abflußleitung steht mit einem im Wesentlichen auf Atmosphärendruckniveau befindlichen Ölsumpf 66 in Verbindung.
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Zum Ändern des Drucks im Innenraum 14 ist eine Druckänderungseinheit 48 vorgesehen, welche eine Vakuumleitung 50 umfaßt, die mit dem Innenraum 14 kommuniziert. Ferner umfaßt die Druckänderungseinheit 48 im dargestellten Beispiel ein Vakuumsystem 52, mit welchem die Luft aus dem Innenraum 14 über die Vakuumleitung 50 abgeführt und so der Druck im Innenraum 14 gesenkt werden kann. Das benötigte Vakuum wird entweder aus dem Ansaugsystem des Kraftfahrzeuges oder mittels Pumpen od. dgl gewonnen. Zum Steuern des Drucks im Innenraum 14 ist ein Vakuum-Steuerungsventil 54 vorgesehen, welches beispielsweise als Drossel 56 ausgestaltet sein kann. Um zu verhindern, dass Öl aus der Ölabflußleitung 46 aufgrund des verringerten Drucks im Innenraum 14 wieder zurück in den Innenraum 14 fließt und hierdurch ein unerwünschter Druckausgleich stattfindet, ist in der Ölabflußleitung 46 ein Ölfluß-Steuerungsventil 58 angeordnet, das im dargestellten Beispiel als ein Rückschlagventil 60 realisiert ist.
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Im Betrieb des Verbrennungsmotors kann sich insbesondere kompressorseitig ein gegenüber dem Druck im Innenraum 14 reduzierter Druck bilden, wodurch im Stand der Technik kompressorseitig die Leckage von Öl gefördert wird. Mithilfe der Druckänderungseinheit 48 kann der Druck im Innenraum 14 reduziert und so die Neigung zur Leckage verringert werden, was sich günstig auf die Partikelemission des Verbrennungsmotors auswirkt.
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In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Turboladeranordnung 10 2 dargestellt. Das Vakuumsystem 52 kommuniziert hier mit der Ölabflußleitung 46, so dass keine gesondert dem Turboladergehäuse zugeführte Vakuumleitung 50 benötigt wird, wie es im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist. Wiederum kann der Druck im Innenraum 14 mittels der Druckänderungseinheit 48 geändert werden, die im dargestellten Beispiel als das Vakuumsystem 52 ausgestaltet ist. Ferner ist das als Drossel 5 6 ausgebildete Vakuum-Steuerungsventil 54 vorgesehen, um den Druck im Innenraum 14 zu steuern. Darüber hinaus kann eine Ölsammelzone vorgesehen sein, in welchem sich das abgeführte Öl sammeln kann, so dass es nicht in das Vakuumsystem 52 gelangen kann. Um zu verhindern, dass über die Ölabflußleitung 46 ein unerwünschter Druckausgleich stattfindet, ist ein als Rückschlagventil 60 ausgebildetes Ölfluß-Steuerungsventil 58 in der Ölabflußleitung 46 angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 101, 102
- Turboladeranordnung
- 12
- Turboladergehäuse
- 14
- Innenraum
- 16
- Welle
- 18
- Lageranordnung
- 20
- erstes Gleitlager
- 22
- zweites Gleitlager
- 24
- Axiallager
- 26
- Turbinenrad
- 28
- Kompressoreinheit
- 30
- Kompressorrad
- 32
- Dichtsystem
- 34
- Druckring
- 36
- Einsatz
- 38
- Ölversorgungseinrichtung
- 40
- Öleingang
- 42
- Verteilerkanal
- 44
- Ausgang
- 46
- Ölabflußleitung
- 48
- Druckänderungseinheit
- 50
- Vakuumleitung
- 52
- Vakuumsystem
- 54
- Vakuum-Steuerungsventil
- 56
- Drossel
- 58
- Ölfluß-Steuerungsventil
- 60
- Rückschlagventil
- 66
- Ölsumpf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0139270 [0003]
- EP 2167792 [0003]
