DE3430146A1

DE3430146A1 - Abgasturbolader

Info

Publication number: DE3430146A1
Application number: DE19843430146
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Ryugasaki Okazaki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-08-22
Filing date: 1984-08-16
Publication date: 1985-03-14
Also published as: JPS6045722A

Description

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Abgasturbolader

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit einem Turbinenrotor und einem Kompressorrotor, die beide auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, und mit Lagern für diese Welle.

Bekanntlich ist ein Abgasturbolader ein Lader bzw. Vorverdichter mit einem Kompressorrotor und einem Turbinenrotor, die von einer gemeinsamen Welle getragen werden. In Betrieb treibt das Abgas aus der Brennkraftmaschine ^° den Turbinenrotor, der seinerseits den Kompressorrotor mit hoher Drehzahl antreibt, wodurch die Brennkraftmaschine geladen wird.

Das Schmieröl zum Schmieren der Lager des Abgasturboladers wird über ein Schmierölrohr, das von einer Maschinen- ^5 schmierölleitung abgezweigt wird, die mit dem Schmieröl von einer Schmierölpumpe versorgt wird, die direkt von der Maschine angetrieben wird, zugeführt und dann zur Schmierölleitung der Maschine zurückgeführt.

Die Temperatur des dem Turbinenrotor zugeführten Abgases überschreitet 8oo°C weit, so daß der Turbinenrotor und das Turbinengehäuse nahezu auf Rotglut erhitzt sind und somit die Lager und die zugehörigen Dichtungen angrenzend an den Turbinenrotor aufheizen. Obwohl die Temperatur der Lager selbst unter einem tolerierbaren Temperaturniveau durch die dauernde Zuführung von Schmieröl gehalten werden kann, wird, wenn die Temperatur der Teile um die Lager herum 25o°C überschreitet, das versprühte Schmieröl verkohlt und auf den Umfangsabschnitten der Lager und der Dichtungen abgeschieden, was deren Haltbarkeit stark beeinträchtigt. Um dies zu vermeiden, hat man vorgeschlagen, die Wärmeübertragung vom Turbinenrotor mit Hilfe einer Wärme abschirmenden Wand zu unterbrechen und einen Teil

des Schmieröls direkt auf den Wandabschnitt angrenzend an den Turbinenrotor zu spritzen, um so die Teile um den Turbinenrotor herum zu kühlen.

Diese Gegenmaßnahmen genügen jedoch nicht, da dann, wenn die Maschine gestoppt wird, die Schmierölpumpe gleichzeitig die Zufuhr von Schmieröl unterbricht, so daß die Welle des Abgasturboladers fressen kann. Aus diesem Grund darf die Maschine nicht unmittelbar nach einem Betrieb unter schwerer Last angehalten werden, wenn die Maschine mit einem Abgasturbolader versehen ist. Es muß also für das Weiterlaufen der Maschine im Leerlauf während einiger Minuten nach dem Betrieb bei hoher Last gesorgt werden.

Brennkraftmaschinen für Baumaschinen, die häufigen und großen Lastschwankungen ausgesetzt sind, neigen jedoch dazu, daß sie beispielsweise wegen überlastung gestoppt werden. Ein solches zufälliges Anhalten der Maschine wird im allgemeinen als Abwürgen oder Festfahren bezeichnet. Ein solches Abwürgen unmittelbar nach einem überlastbetrieb der Maschine kann zu einem Fressen und anderen Schwierigkeiten oder zu Lagerschäden am Abgasturbolader führen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, einen Abgasturbolader zu schaffen, bei welchem, wenn die ölzufuhr aufgrund eines Abwürgens der Maschine unterbrochen wird, die vom Turbinenrotor übertragene Wärme wirksam absorbiert wird, um einen übermäßigen Temperaturanstieg in den Lagern und den Dichtungen des Turboladers zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von der Tatsache Gebrauch gemacht wird, daß ein Metall eine große Wärmemenge absorbieren kann, wenn es schmilzt. Erfindungsgemäß wird somit ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt in die Teile des Abgasturboladers eingeschlossen,

welche die Lager umgeben, die die gemeinsame Welle für den Turbinenrotor und den Kompressorrotor tragen. Wenn bei dieser Anordnung die ölzufuhr, beispielsweise durch Abwürgen der Maschine, unterbrochen wird, wird das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt geschmolzen und absorbiert die von dem Turbinenrotor übertragene Wärme, wodurch ein übermäßiger Temperaturanstieg der Lager und Dichtungen vermieden wird.

Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Abgasturboladers.

Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt :

Fig. 1 im Axialschnitt eine erste Ausführungsform eines Abgasturboladers,

Fig. 2 in einem Diagramm den Temperaturanstieg in der Dichtung des Abgasturbolader unmittelbar nach dem Abwürgen der Brennkraftmaschine, abhängig von der Zeit für verschiedene, für die Dichtung verwendete Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt, und

Fig. 3 im Axialschnitt eine zweite Ausführungsform eines Abgasturboladers.

Der in Fig. 1 gezeigte Abgasturbolader hat eine Rotorwelle 3, welche gemeinsam einen Turbinenrotor 1 und einen Kompressorrotor 2 trägt« Die Rotorwelle 3 wird durch Radiallager 5 und 6 und ein Axiallager 7 drehbar gelagert,' die an einem Lagergehäuse 4 angebracht sind. An einem Ende des Lagergehäuses 4 ist durch einen Klemmring 8 ein Turbinengehäuse 9 befestigt, das den Turbinenrotor 1 aufnimmt. Das Turbinengehäuse 9 hat einen Gaskanal, durch den Abgas aus einer zugehörigen Brennkraftmaschine für den Antrieb des Turbinenrotors 1 eingeführt wird. Zwischen dem Lagergehäu-

se 4 und dem Turbinengehäuse 9 ist eine Wärmeabschirmung Io so angeordnet, daß ein Wärmeübergang auf das Lagergehäuse 4 unterbrochen wird. An dem anderen Ende des Lagergehäuses 4 ist durch einen Klemmring 11 ein Kompressorgehäuse 12 befestigt, welches den Kompressorrotor 2 aufnimmt. Um die Rotorwelle 3 herum sind axial im Abstand angeordnete Dichtungen 3a und 3b vorgesehen, um den Innenraum des Lagergehäuses 4 von dem Turbinengehäuse 9 und dem Kompressorgehäuse 12 zu trennen. Das Lagergehäuse 4 ist mit einer SchmierölZuführungsöffnung 13 für die Versorgung der Lager 5 und 6 mit Schmieröl versehen. Das Lagergehäuse 4 ist an seinem an den Turbinenrotor 1 angrenzenden Abschnitt mit einem ringförmigen Hohlraum 14a versehen, der mit einem Metall 14 mit niedrigem Schmelzpunkt gefüllt ist, das durch eine Füllöffnung eingegossen ist, die normalerweise von einem Stopfen 15 verschlossen ist. In dem an den Hohlraum 14a angrenzenden Abschnitt des Gehäuses 4 ist eine Schmieröleinspritzöffnung 16 ausgebildet, so daß ein Teil des Schmieröls durch diese öffnung 16 als Strahl eingebracht wird. Das Schmieröl, welches die Lager 5 und 6 und den Gehäuseabschnitt um den Hohlraum 14a, der mit dem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt gefüllt ist, gekühlt hat, wird zur Maschine über eine Schmierölabführöffnung 17 zurückgeführt, die ebenfalls im Lagergehäuse 4 ausgebildet ist.

In Betrieb ist der Abgasturbolader mit dem Ladesystem der Brennkraftmaschine verbunden. Das Abgas aus der Maschine expandiert beim Durchgang durch die Turbine, wenn es diese und somit den Kompressor antreibt. Die komprimierte Luft wird in die Brennkraftmaschine über eine Einlaßsammelleitung zugeführt.

Wenn die Maschine läuft, sind der Rotor 1 und das Turbinengehäuse 9 der Wärme des Abgases aus der Maschine ausgesetzt, dessen Temperatur etwa 8oo C beträgt. Die inneren Teile des Lagergehäuses 4 und insbesondere die Radiallager

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5 und 6 werden von dem Schmieröl so gekühlt, daß eine Verkohlung des Schmieröls nicht stattfindet. Der an die Dichtung 3a angrenzende Teil des Lagergehäuses wird ebenfalls benetzt, um das Auftreten einer Verkohlung des Schmieröls zu verhindern. Der Teil des Lagergehäuses 4, der mit dem Metall 14 mit niedrigem Schmelzpunkt gefüllt ist, wird auf einer Temperatur gehalten, die zwischen etwa 15o°und etwa 18o C liegt. Deswegen hat das Metall 14 mit niedrigem Schmelzpunkt vorzugsweise einen Schmelzpunkt von etwa 2oo°C oder dergleichen, so daß Metall während des Normalbetriebs der Maschine im Festzustand gehalten werden kann.

Wenn die Brennkraftmaschine gestoppt wird, wird gleichzeitig die Schmierölzufuhr zum Abgasturbolader unterbrochen, wodurch der Kühleffekt des Schmieröls wegfällt. Demzufolge wird Wärme von dem Turbinenabschnitt zur Dichtung 3a und dem Radiallager 5 übertragen. Ein übermäßiger Temperaturanstieg der Dichtung 3a angrenzend an die Turbine wird jedoch durch die Verwendung des Metalls 14 mit niedrigem Schmelzpunkt verhindert, dessen Kennlinie T₂ in Fig. 2 dargestellt ist. Wenn nämlich die Brennkraftmaschine gestoppt worden ist, beginnt das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, das sich im Festzustand befindet, zu schmelzen, wobei die latente Schmelzwärme absorbiert wird, wodurch ein übermäßiger Temperaturanstieg in der Dichtung 3a unterdrückt wird. Demzufolge werden das unerwünschte Verkohlen und Absetzen des Schmieröls auf dem Lager und der Dichtung angrenzend an die Turbine vermieden, wodurch die Lebensdauer und Betriebssicherheit der drehenden Teile verbessert wird.

Als Metall mit niedrigem Schmelzpunkt kann eine Legierung aus Blei, Zinn, Wismut, Kadmium und anderen ähnlichen Elementen verwendet werden. Eine Legierung mit einem Schmelzpunkt von 15o C ist beispielsweise eine Legierung, die im wesentlichen aus 6o % Wismut und 4o % Kadmium besteht.

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Einen Schmelzpunkt von 2oo°C hat eine Legierung, die im wesentlichen aus 7o % Zinn und 3o % Blei besteht. In gleicher Weise-sind Schmelztemperaturen von 2oo°C bzw. 25o°C erreichbar mit einer Legierung, die im wesentlichen aus 82,5 % Blei und 17,5 % Kadmium bzw. aus 97,5 % Blei und 2,5 % Silber besteht.

Die während des Schmelzens absorbierte Wärmemenge, d. h. die latente Schmelzwärme, beträgt 6o,8 J/g im Falle von Zinn und 27 J/g im Falle von Blei. Somit sind die latenten Schmelzwärmen dieser Metalle viel größer als die Wärmemenge von o,42 J, die erforderlich ist, um 1 g Eisen um 1 C zu erwärmen. Durch den Einsatz solcher Metalle ist es deshalb möglich, den unerwünschten übermäßigen Temperaturanstieg zu verhindern. Es können verschiedene Metalle, welche niedrige Schmelzpunkte haben, verwendet werden, was von den Betriebsbedingungen der Maschinen und der Turbolader abhängt. Bevorzugt wird jedoch ein Metall verwendet, welches einen Schmelzpunkt hat, der etwa 5o°C höher als die Temperatur der Dichtung 3a während des Betriebs der Maschine liegt, und das sich im festen Zustand während des Betriebs der Maschine befindet.

Fig. 2 zeigt die Temperaturverläufe an der Dichtung nach einem plötzlichen Stoppen der Maschine für verschiedene Legierungen, die als Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt eingesetzt wurden. Während des Betriebs der Brennkraftmaschine hat die Dichtung 3a eine Temperatur von etwa 14o°C. Die Kurve T₃ zeigt den Temperaturanstieg der Dichtung, den man beobachtet, wenn das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt einen Schmelzpunkt von 15o C hat. Da in diesem Fall der Schmelzpunkt des Metalls in der Nähe der Normaltemperatur der Dichtung während des Betriebs der Maschine liegt, ist das Metall während des Betriebs der Maschine teilweise geschmolzen, so daß das Schmelzen des Metalls ansprechend auf den Temperaturanstieg, der nach

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dem Abwürgen der Maschine eintritt, schnell erfolgt. Obwohl die Dichtungstemperatur auf einem niedrigen Niveau gehalten wird, steigt demzufolge in einem kurzen Zeitraum unmittelbar nach dem Abwürgen der Maschine die Temperatur bald danach. Die Kurven T. und T₅ zeigen jeweils die Dichtungstemperaturanstiege, die man beobachtet, wenn Metalle mit Schmelzpunkten von 3oo°C bzw. 2oo°C verwendet werden. Dabei wird in jedem dieser Fälle die Temperatur der Dichtung auf dem gleichen Niveau wie die Schmelztemperatur des Metalls gehalten. Das Schmieröl ( SAE 2o W 4o) wird bei einer Temperatur von 3oo C jedoch verkühlt, so daß das Metall mit einem Schmelzpunkt von 3oo°C keine Kühlwirkung zeigt. Um deshalb einen übermäßigen Temperaturanstieg der Dichtung, nachdem das Metall geschmolzen worden ist, wirksam zu verhindern, ist es erforderlich, daß der Schmelzpunkt des eingesetzten Metalls etwas höher als die Normaltemperatur der Dichtung bei laufender Maschine ist. Wenn jedoch der Schmelzpunkt zu hoch ist, hat das Metall keine Kühlwirkung mehr. Bevorzugt wird deshalb in der Praxis, daß der Schmelzpunkt des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt um etwa 5o C höher ist als die Temperatur der Dichtung oder des Lagers . Bei einem Turbolader wird somit der Einsatz eines Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt bevorzugt, das einen Schmelzpunkt von etwa 2oo°C hat. Die Menge des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt wird abhängig von der Größe des Abgasturboladers und des Abgasrohres sowie vom Betriebszustand des Turboladers bestimmt und sollte wenigstens 5 bis 1o Gew.-% des Turbinengehäuses betragen, um eine merkliche Wärmeabsorption zu bewirken. Die Kurve T₁ zeigt den Temperaturanstieg für den Fall, wenn kein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt verwendet wird.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist eine Trennwand 18 vorgesehen, die mit dem Metall 14 mit niedrigem Schmelzpunkt gefüllt ist, und die unabhängig vom

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Lagergehäuse 4 hergestellt und zwischen dem Lagergehäuse 4 und der Wärmeabschirmung 1o angeordnet ist. Der Teil des Kompressorgehauses 12, der den Auslaß des Kompressors bildet, ist über ein Rohr 19 mit dem Innenraum des Lagergehäuses 4 verbunden. Der Mengenstrom der komprimierten Luft in das Lagergehäuse 4 wird über ein Steuerventil 2o gesteuert, das im Rohr 19 angeordnet ist. Somit wird ein Teil der komprimierten Luft, der vom Auslaß des Kompressorrotors 2 abgezweigt wird, durch das Rohr 19 zur Oberfläche der Trennwand 18 geführt, die mit dem Teil 14 mit niedrigem Schmelzpunkt gefüllt ist, um das Metall 14 auf eine Temperatur unter seinem Schmelzpunkt bei laufender Maschine zu kühlen. Das Steuerventil 2o wird für eine Unterbrechung des Stroms an kühlender komprimierter Luft zur Wand 18 während des Laufes der Maschine mit niedriger Drehzahl geschlossen gehalten, da dabei die Abgastemperatur niedrig genug ist, so daß ein Kühlen der Wand 18 nicht erforderlich ist. Das Steuerventil 2o wird nur dann geöffnet, wenn die Maschine mit hoher Drehzahl läuft, so daß die komprimierte, vom Kompressor geförderte Luft das Metall 14 mit niedrigem Schmelzpunkt während des Maschinenlaufes mit hoher Drehzahl kühlen kann.

Das Steuerventil 2o kann automatisch abhängig von einem der verschiedenen Parameter gesteuert werden, beispielsweise von dem Förderdruck des Kompressors, der Maschinendrehzahl, der Abgastemperatur usw.. Durch Einbau der Trennwand 18, die mit dem Metall 14 mit niedrigem Schmelzpunkt gefüllt ist, als vom Lagergehäuse 4 gesondertes Teil, ist es möglich, den Aufbau des Lagergehäuses 4 zu vereinfachen und gleichzeitig das Einfüllen des Metalls 14 mit niedrigem Schmelzpunkt zu erleichtern.

Die komprimierte Luft und das Schmieröl werden beide vom Turbolader durch die Schmierölabgabeöffnung 17 in eine zugehörige Brennkraftmaschine abgeführt, in welcher das

öl abschließend in einen ölspeicher am Boden der Maschine geführt und die Luft vom öl getrennt und aus der Maschine an die Atmosphäre über ein Entlüftungsventil abgeführt wird.

Bei den gezeigten Ausführungsformen wird das Metall 14 mit niedrigem Schmelzpunkt in einen Teil des Lagergehäuses 4 oder in eine Trennwand 18 eingeführt, die als vom Gehäuse 4 getrenntes Teil gebaut ist. Das Metall 14 mit niedrigem Schmelzpunkt kann jedoch auch in die gemeinsame Rotorwelle 3 gefüllt werden, die drehbar von den Lagern abgestützt ist und den Turbinenrotor 1 und den Kompressorrotor 2 trägt.

Erfindungsgemäß wird somit ein übermäßiger Temperaturanstieg in den Lagern und den Dichtungen eines Abgasturboladers nach einer Unterbrechung der Schmierölzufuhr, beispielsweise beim Abwürgen der Maschine, vermieden, da das Metall 14 mit niedrigem Schmelzpunkt, das in den Teil des Turboladers angrenzend an ein Lager eingefüllt ist, schmelzen kann und aufgrund der latenten Schmelzwärme die Wärme absorbiert. Demzufolge wird erfindungsgemäß ein unerwünschtes Verkohlen und Abscheiden von Schmieröl auf den Lagern und Dichtungen vermieden und die Lebensdauer und Betriebssicherheit der drehenden Teile des Abgasturboladers verbessert.

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16. August 1984

Abgasturbolader

Patentansprüche

( 1.!Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit einem Turbinenrotor und einem Kompressorrotor, die beide auf einer gemeinsamen Welle angebracht sind, und mit Lagern für diese Welle, dadurch g e k e η η zeichnet, daß in ein Teil (4, 18, 3) des Turboladers angrenzend an wenigstens eines der Lager (5, 6) ein Metall (14) mit niedrigem Schmelzpunkt eingefüllt ist.
2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Teil ein Gehäuse (4) ist, welches um das eine Lager (5) herum angeordnet ist.
3. Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das eine Lager (5) angrenzend an den Turbinenrotor (1) angeordnet ist und daß das Gehäuse eine Trennwand (18) ist, die

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zwischen dem Turbinenrotor (1) und dem einen Lager (5) vorgesehen ist.
4. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Teil die gemeinsame Welle (3) ist.
5. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Metall (14) mit dem niedrigen Schmelzpunkt einen Schmelzpunkt von etwa 2oo C hat.
6. Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Metall (14) mit niedrigem Schmelzpunkt eine Legierung ist, die im wesentlichen aus 7o % Zinn und 3o % Blei besteht.
7. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Teil (4, 18, 3) eine Oberfläche hat, gegen die ein Kühlfluid gerichtet ist.
8. Abgasturbolader nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das Kühlfluid ein Teil des Schmieröls für die Lager (5, 6) ist.
9. Abgasturbolader nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das Kühlfluid komprimierte Luft ist, die vom Auslaß des Kompressors (2) abgeleitet wird.