DE19652754A1 - Abgasturbolader - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einem Radialverdichter und einer
Kühlvorrichtung für dessen Verdichterrad, gemäß dem Oberbegriff des An
spruchs 1.
Die Laufräder von Radialverdichtern für Abgasturbolader sind Bauteile mit einer
komplizierten Oberfläche, welche heute vorwiegend aus Aluminium gefertigt wer
den. Ein wichtiges Kriterium für die Lebensdauer eines solchen Verdichterrades
ist die Temperatur, welche das Aluminium während dem Betrieb erreicht. Je ge
ringer diese Materialtemperatur gehalten werden kann, desto länger ist die Le
bensdauer des Verdichterrades.
Durch Reibung entsteht in dem zwischen der rotierenden Verdichterradrückwand
und dem stillstehenden Verdichtergehäuse ausgebildeten Spalt viel Wärmeener
gie. Mit Zunahme der Relativgeschwindigkeit zwischen Verdichterrad und Gehäu
se steigt die Reibleistung stark an, so daß die Betriebstemperatur im Außenbereich
des Verdichterrades am größten ist. Außerdem erwärmt sich die vom Ver
dichter geförderte Luft während des Verdichtungsprozesses und erreicht ihre
größte Temperatur ebenfalls im äußeren Bereich des Verdichterrades.
Bei Ableitung der Reibungswärme in andere Bauteile als das Verdichterrad könn
te die Materialtemperatur des Verdichterrades verringert und damit dessen Stand
zeit erhöht werden. Eine solche Ableitung über das Verdichtergehäuse ist jedoch
behindert, da auf der dem Verdichter abgewandten Gehäuseseite die mit den
heißen Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagte Turbine des Turboladers
angeordnet ist.
Entsprechend dem auf der CIMAC-Konferenz, in London 1993, von K. Imakiire
u. a. zum Thema "Further development of high pressure ratio turbocharger" (s. ins
besondere S. 5, Punkt 3.3. sowie Fig. 2, 11 und 12) gehaltenen Vortrag ist ei
ne Lösung zur Senkung der Materialtemperatur durch direkte Kühlung der Rück
wand des Verdichterrades bekannt. Dabei wird Luft als Kühlmedium eingesetzt.
Um eine Kühlwirkung entfalten zu können, muß dieses externe Medium aller
dings mit einem größeren als dem vom Verdichter erzeugten Druck zur Verfü
gung gestellt werden. Somit ist ein Hilfskompressor erforderlich. Eine solche Lö
sung kompliziert und verteuert jedoch den Turbolader. Außerdem werden für den
Hilfskompressor zusätzlicher Bauraum und Energie benötigt. Ein weiterer Nachteil
der Luftkühlung ist die niedrige spezifische Wärmekapazität und die geringe Dich
te von Luft, wodurch ein großes Kühlluftvolumen eingesetzt werden muß. Der
hohe Kühlluftbedarf erfordert den vermehrten Einsatz von Fremdenergie zur För
derung der Kühlluft. Damit verschlechtert sich jedoch die Energiebilanz des Tur
boladers. Andere bekannte Kühlmedien können zur direkten Kühlung des Ver
dichterrades nicht eingesetzt werden, da diese die vom Verdichter geförderte Luft
verunreinigen und somit die Funktion der Brennkraftmaschine gefährden würden.
Eine Alternative zur Kühlung könnte die Verwendung von höherwertigen, d. h. wär
mebeständigeren Materialien, wie z. B. Titan, sein. Jedoch ist sowohl der Material
preis als auch der Fertigungsaufwand von Verdichterrädern aus Titan wesentlich
höher als bei solchen aus Aluminium.
Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe
zugrunde, eine einfache und preisgünstige Kühlvorrichtung zur Senkung der Ma
terialtemperatur des Verdichterrades eines Abgasturboladers zu schaffen, welche
ohne ein externes Kühlmedium auskommt.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einer Vorrichtung gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die Kühlvorrichtung aus zumindest einem mit
dem Schmierölsystem des Abgasturboladers verbundenen Zuführkanal und einer
Verteileinrichtung zur Verteilung von Schmieröl aus dem Schmierölsystem an der
Zwischenwand besteht. Die Verteileinrichtung ist mit dem Zuführkanal verbunden,
in der oder turbinenseitig der Zwischenwand angeordnet und zu dieser ausgerich
tet.
Bei dieser Anordnung wird mit dem Schmieröl ein ohnehin vorhandenes Medium,
welches bisher jedoch ausschließlich für die Schmierung und die Kühlung der
Lager des Abgasturboladers verwendet wurde, zur Kühlung des Verdichterrades
eingesetzt. Dabei wird die Verdichterradrückwand jedoch nicht direkt, sondern
indirekt über die ihr benachbarte Zwischenwand gekühlt. Auf diese Weise kann
die durch Reibung im Spalt zwischen der rotierenden Verdichterradrückwand und
der stillstehenden Zwischenwand entstehende Wärmeenergie abgeführt werden,
ohne die im Verdichter komprimierte Luft zu beeinflussen. Somit wird eine effek
tive Kühlung der Verdichterradrückwand ohne den Einsatz eines externen Kühl
mittels erreicht.
Vor seinem Eintritt in die Lager hat das Schmieröl eine geringere Temperatur als
die Materialtemperatur des Verdichterrades. Zudem besitzt es gegenüber der im
Stand der Technik verwendeten Kühlluft etwa die doppelte spezifische Wärmeka
pazität und eine wesentlich größere Dichte. Dadurch kann bereits bei Verwen
dung von relativ kleinen Ölmengen eine ausreichende Kühlung des Verdichterra
des erreicht werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Zuführkanal in einen Ringkanal mündet,
welcher seinerseits über zumindest einen Kanal mit der Verteileinrichtung verbun
den ist. Aufgrund dieser Ausbildung reicht ein einziger Zuführkanal zum Aufbau
eines ausreichenden und konstanten Öldruckes im Bereich der zu kühlenden Ver
dichterradrückwand aus.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Verteileinrichtung als Kühl
kanal ausgebildet, welcher einerseits von der Zwischenwand und andererseits
vom der Zwischenwand benachbarten Gehäuseteil des Abgasturboladers be
grenzt wird. Dabei schließt das Lagergehäuse turbinenseitig an der Zwischen
wand an, so daß der Kühlkanal zwischen dem Lagergehäuse und der Zwischen
wand angeordnet ist. Weil damit ein relativ großer Bereich der Zwischenwand
gekühlt wird und der Kühlkanal zudem direkt an der Zwischenwand anliegt, kann
eine besonders intensive Kühlwirkung erzielt werden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist die am oder im der Zwi
schenwand benachbarten Gehäuseteil des Abgasturboladers angeordnete Ver
teileinrichtung als zumindest eine Spritzdüse ausgebildet. Dabei schließt das La
gergehäuse turbinenseitig an die Zwischenwand an, so daß die zumindest eine
Spritzdüse am oder im Lagergehäuse angeordnet ist. Bei dieser Ausbildung der
Verteileinrichtung kann ein noch größerer Bereich der Zwischenwand mit
Schmieröl beaufschlagt und damit die Kühlwirkung verbessert werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn mehrere Spritzdüsen am oder im Lagergehäu
se angeordnet und gleichmäßig über dessen Umfang verteilt sind. Dadurch wird
eine gleichmäßige Verteilung des Schmieröls über den Umfang der Zwischen
wand erreicht, was eine weitere Verbesserung der Kühlwirkung zur Folge hat.
In einer nächsten Ausführungsform der Erfindung besteht die Verteileinrichtung
aus einem zweiten, an der Zwischenwand angeordneten Ringkanal sowie aus zu
mindest einer mit letzterem verbundenen und in der Zwischenwand ausgebildeten
Spritzdüse. Dadurch kann das Schmieröl bei Bedarf gezielt auf heiße Stellen der
Zwischenwand geleitet werden.
Es ist wiederum besonders zweckmäßig, wenn mehrere Spritzdüsen in der Zwi
schenwand angeordnet und gleichmäßig über deren Umfang verteilt sind.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand des
Radialverdichters eines Abgasturboladers mit Innenlagerung dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 den Längsschnitt eines Abgasturboladers des Standes der Technik;
Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Radialverdich
ter;
Fig. 3 einen Darstellung gemäß Fig. 2, jedoch in einem zweiten Ausfüh
rungsbeispiel;
Fig. 4 einen Darstellung gemäß Fig. 2, jedoch in einem dritten Ausfüh
rungsbeispiel.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Nicht dargestellt ist von der Anlage beispielsweise die mit dem Abgasturbolader
verbundene Brennkraftmaschine. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit
Pfeilen bezeichnet.
Die Fig. 1 zeigt den Längsschnitt durch einen Abgasturbolader 1 des Standes
der Technik. Dieser besteht hauptsächlich aus einem Verdichter 2 und einer Ab
gasturbine 3, welche auf einer gemeinsamen Welle 4 angeordnet sind. Turbinen
seitig schließt an den Verdichter 2 ein als Lagergehäuse ausgebildeter, benach
barter Gehäuseteil 5 an. Da demnach das Lagergehäuse 5 zwischen dem Ver
dichter 2 und der Abgasturbine 3 angeordnet ist, handelt es sich um einen Abgas
turbolader 1 mit einer sogenannten Innenlagerung. Das Lagergehäuse 5 ist mit
zwei druckölgespeisten Lagern 6, 7 für die Welle 4 ausgestattet und nimmt ein zur
Versorgung der Lager 6, 7 dienendes Schmierölsystem 8 auf (Fig. 1). Letzteres ist
mit der Schmierölversorgung einer nicht dargestellten, mit dem Abgasturbolader 1
zusammenwirkenden und als Dieselmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine ver
bunden.
Die als Axialturbine ausgebildete Abgasturbine 3 besitzt ein aus einem axialen
Gaseintrittgehäuse 9 und einem Gasaustrittgehäuse 10 bestehendes Turbinenge
häuse 11, welches ein Turbinenrad 12 mit einer Anzahl von Turbinenlaufschaufeln
13 aufnimmt. Im Turbinengehäuse 11 ist ein Strömungskanal 14 für die Abga
se des Dieselmotors ausgebildet. Stromauf der im Strömungskanal 14 befindli
chen Laufschaufeln 13 ist ein Düsenring 15 angeordnet.
Der Verdichter 2 ist als Radialverdichter ausgebildet. Er besteht aus einem Ver
dichtergehäuse 16 und einem mit Verdichterlaufschaufeln 17 sowie einer Nabe 18
ausgestatteten Verdichterrad 19. Zur Aufnahme der Welle 4 ist die Nabe 18 mit
einer Durchgangsbohrung 20 versehen. Die Welle 4 besitzt ein verdichterseitiges
Wellenende 21 mit einem Außengewinde 22, welches eine der drehfesten Ver
bindung von Welle 4 und Nabe 18 dienende Mutter 23 aufnimmt. Das Verdich
tergehäuse 16 ist mittels einer Zwischenwand 24 zum Lagergehäuse 5, als dem
benachbarten Gehäuseteil des Abgasturboladers 1, abgeschlossen. Das Ver
dichterrad 19 weist eine der Zwischenwand 24 benachbarte Verdichterradrück
wand 25 auf. Zwischen dem rotierenden Verdichterrad 19, d. h. zwischen seiner
Verdichterradrückwand 25 und der feststehenden Zwischenwand 24 ist ein Dicht
spalt 26 ausgebildet. In diesem Dichtspalt 26 ist eine das Verdichtergehäuse 16
gegenüber dem Lagergehäuse 5 abdichtende Labyrinthdichtung 27 angeordnet.
Beim Betrieb des Dieselmotors gelangen dessen heiße Abgase durch das Gas
eintrittgehäuse 9 der Axialturbine 3 bzw. den darin angeordneten Strömungskanal
14 zum Turbinenrad 12 der Axialturbine 3. Dabei hat der Düsenring 15 die Aufga
be, die Abgase optimal auf die Turbinenlaufschaufeln 13 zu leiten. Das somit an
getriebene Turbinenrad 12 sorgt seinerseits für den Antrieb des mit ihm über die
Welle 4 verbundenen Verdichterrades 19. Die im Verdichter 2 komprimierte Luft
wird zur Aufladung, d. h. zur Leistungssteigerung des Dieselmotors eingesetzt. Zur
Schmierung der Lager 6, 7 des Abgasturboladers 1 wird Schmieröl 28 über das
Schmierölsystem 8 zugeführt und anschließend über einen Ölablauf 29 wieder
abgeleitet.
Erfindungsgemäß besitzt der Radialverdichter 2 eine zur Verdichterradrückwand
25 ausgerichtete Kühlvorrichtung 30. Diese besteht aus einem mit dem Schmier
ölsystem 8 verbundenen Zuführkanal 31 und einer Verteileinrichtung 32 für das
Schmieröl 28 aus dem Schmierölsystem 8 an der Zwischenwand 24. In einem er
sten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Verteileinrichtung 32 als Kühlkanal
ausgebildet, der einerseits von der Zwischenwand 24 und andererseits vom La
gergehäuse 5 des Abgasturboladers 1 begrenzt wird. Dazu mündet der Zuführka
nal 31 in einen Ringkanal 33, welcher seinerseits über mehrere Kanäle 34 mit
dem Kühlkanal 32 verbunden ist (Fig. 2).
Beim Verdichtungsvorgang entsteht in dem zwischen der rotierenden Verdichter
radrückwand 25 und der stillstehenden Zwischenwand 24 des Verdichtergehäu
ses 16 ausgebildeten Dichtspalt 26 viel Wärmeenergie. Dabei ist die Betriebs
temperatur im äußeren Bereich des Verdichterrades 19 am größten, so daß
dort eine große Materialbelastung auftritt. Unmittelbar benachbart zu diesem kri
tischen Bereich, d. h. turbinenseitig der Zwischenwand 24, ist der Kühlkanal 32
angeordnet. Es kommt somit zu einer indirekten Kühlung der Verdichterradrück
wand 25. Dabei wird durch das relativ kalte, noch vor den Lagern 6, 7 aus dem
Schmierölsystem 8 abgezweigte Schmieröl 28 eine effektive Kühlwirkung erzielt.
Anschließend wird das erhitzte Schmieröl durch den Ölablauf 29 abgeleitet und
gelangt über einen nicht dargestellten Ölkühler erneut zur Schmierölversorgung
des Dieselmotors. Natürlich kann das Schmieröl 28 auch nach der Schmierung
und Kühlung der Lager 6, 7 verwendet werden. Weil allerdings die Temperatur
differenz des gebrauchten Schmieröls 28 zur Zwischenwand 24 niedriger als bei
ungebrauchtem Schmieröl 28 ist, resultiert daraus eine geringere Kühlwirkung.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel besteht die ebenfalls zur Verdichterrad
rückwand 25 ausgerichtete Kühlvorrichtung 30 aus dem mit dem Schmierölsystem
8 verbundenen Zuführkanal 31 und einer Verteileinrichtung 35. Die Verteileinrich
tung 35 ist als eine Anzahl von im Lagergehäuse 5 angeordneten Spritzdüsen
ausgebildet, welche gleichmäßig über den Umfang des Lagergehäuse 5 verteilt
sind. Dazu mündet der Zuführkanal 31 wiederum in den Ringkanal 33, welcher
seinerseits über jeweils einen Kanal 36 mit jeder der Spritzdüsen 35 verbunden
ist. Turbinenseitig der Zwischenwand 24 sind mehrere, gleichmäßig über deren
Umfang verteilte Versteifungsrippen 37 angeordnet (Fig. 3). Entsprechend dem
Spritzwinkel der Spritzdüsen 35 wird somit gegenüber dem ersten Ausführungs
beispiel ein noch größerer Bereich der Zwischenwand 24 mit Schmieröl 28 be
aufschlagt, so daß die Kühlwirkung weiter verbessert werden kann.
In einem dritten Ausführungsbeispiel ist die Kühlvorrichtung 30 gleichfalls zur Ver
dichterradrückwand 25 ausgerichtet. Sie besteht aus dem mit dem Schmierölsy
stem 8 verbundenen Zuführkanal 31 und einer Verteileinrichtung 38. Letztere
weist einen zweiten, in der Zwischenwand 24 angeordneten Ringkanal 39 sowie
eine Anzahl mit diesem verbundene und in der Zwischenwand 24 ausgebildete
sowie gleichmäßig über deren Umfang verteilte Spritzdüsen 40 auf. Dazu mündet
der Zuführkanal 31 ebenfalls in den Ringkanal 33, welcher seinerseits über meh
rere Kanäle 41 mit dem Ringkanal 39 verbunden ist (Fig. 4). Die Funktion ist ähn
lich der des zweiten Ausführungsbeispiels, wobei hier jedoch der Abstand von der
Spritzdüse 40 zur Zwischenwand 24 kürzer ist. Dadurch kann bei Bedarf ein klei
ner Teil der Zwischenwand 24 gezielt gekühlt werden.
Natürlich können die Lösungen entsprechend der o.g. Ausführungsbeispiele auch
bei einem Abgasturbolader mit Außenlagerung eingesetzt werden. In diesem Fall
ist die Zwischenwand 24 nicht zwischen der Verdichterradrückwand 25 und dem
Lagergehäuse 5 sondern zwischen der Verdichterradrückwand 25 und einem an
deren benachbarten Gehäuseteil 5, beispielsweise dem Turbinengehäuse ange
ordnet.
1
Abgasturbolader
2
Verdichter, Radialverdichter
3
Abgasturbine, Axialturbine
4
Welle
5
benachbarter Gehäuseteil, Lagergehäuse
6
Lager
7
Lager
8
Schmierölsystem
9
Gaseintrittgehäuse
10
Gasaustrittgehäuse
11
Turbinengehäuse
12
Turbinenrad
13
Turbinenlaufschaufel
14
Strömungskanal
15
Düsenring
16
Verdichtergehäuse
17
Verdichterlaufschaufel
18
Nabe
19
Verdichterrad
20
Durchgangsbohrung
21
Wellenende, verdichterseitig
22
Außengewinde
23
Mutter
24
Zwischenwand
25
Verdichterradrückwand
26
Dichtspalt
27
Labyrinthdichtung
28
Schmieröl
29
Ölablauf
30
Kühlvorrichtung
31
Zuführkanal
32
Verteileinrichtung, Kühlkanal
33
Ringkanal
34
Kanal, zu
32
35
Verteileinrichtung, Spritzdüse
36
Kanal, zu
35
37
Versteifungsrippe
38
Verteileinrichtung
39
Ringkanal, in
24
40
Spritzdüse
41
Kanal, zu
38
Claims (9)
1. Abgasturbolader mit einem Radialverdichter (2), einer Abgasturbine (3), ei
ner gemeinsamen Welle (4) sowie einem Lagergehäuse (5), wobei der Ra
dialverdichter (2) ein Verdichtergehäuse (16), ein Verdichterrad (19) mit ei
ner Verdichterradrückwand (25), eine Zwischenwand (24) zu einem turbi
nenseitig benachbarten Gehäuseteil des Abgasturboladers (1) sowie eine
zur Verdichterradrückwand (25) ausgerichtete Kühlvorrichtung (30) auf
weist und das Lagergehäuse (5) ein integriertes Schmierölsystem (8) sowie
zumindest ein druckölgespeistes Lager (6, 7) für die Welle (4) des Abgas
turboladers (1) besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung
(30) aus zumindest einem mit dem Schmierölsystem (8) verbundenen Zu
führkanal (31) sowie einer Verteileinrichtung (32, 35, 38) besteht, wobei
letztere mit dem Zuführkanal (31) verbunden, in der oder turbinenseitig der
Zwischenwand (24) angeordnet und zu dieser ausgerichtet ist.
2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zu
führkanal (31) in einen Ringkanal (33) mündet und letzterer über zumindest
einen Kanal (34, 36, 41) mit der Verteileinrichtung (32, 35, 38) verbunden
ist.
3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verteileinrichtung (32) als ein einerseits von der Zwischenwand (24)
und andererseits vom der Zwischenwand (24) benachbarten Gehäuseteil
des Abgasturboladers (1) begrenzter Kühlkanal ausgebildet ist.
4. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das La
gergehäuse (5) turbinenseitig an die Zwischenwand (24) anschließt und
der Kühlkanal (32) zwischen Lagergehäuse (5) und Zwischenwand (24)
angeordnet ist.
5. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verteileinrichtung (35) am oder im der Zwischenwand (24) benachbar
ten Gehäuseteil des Abgasturboladers (1) angeordnet und als zumindest
eine Spritzdüse ausgebildet ist.
6. Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das La
gergehäuse (5) turbinenseitig an die Zwischenwand (24) anschließt und
die zumindest eine Spritzdüse (35) am oder im Lagergehäuse (5) angeord
net ist.
7. Abgasturbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere
Spritzdüsen (35) am oder im Lagergehäuse (5) angeordnet und gleichmäßig
über dessen Umfang verteilt sind.
8. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verteileinrichtung (38) aus einem an der Zwischenwand (24) angeord
neten Ringkanal (39) sowie aus zumindest einer mit letzterem verbundenen
und in der Zwischenwand (24) ausgebildeten Spritzdüse (40) besteht.
9. Abgasturbolader nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere
Spritzdüsen (40) in der Zwischenwand (24) angeordnet und gleichmäßig
über deren Umfang verteilt sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19652754A DE19652754A1 (de) | 1996-12-18 | 1996-12-18 | Abgasturbolader |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19652754A DE19652754A1 (de) | 1996-12-18 | 1996-12-18 | Abgasturbolader |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19652754A1 true DE19652754A1 (de) | 1998-06-25 |
Family
ID=7815186
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19652754A Withdrawn DE19652754A1 (de) | 1996-12-18 | 1996-12-18 | Abgasturbolader |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19652754A1 (de) |
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