Abgasturbolader für zweistufige Aufladung eines Verbrennungsmotors mit einer Einrichtung zur Vermeidung von Schmiermittelverlusten

Abstract

 Um Schmiermittelverluste im Lagergehäuse (39) der Hochdruckstufe (44, 45) eines Abgasturboladers für zweistufige Aufladung zu vermeiden, ist der Innenraum des Lagergehäuses (39) über einen Sperrluftringkanal (40), an diesen angeschlossenen Leitungen (50, 51) und eine Ausgleichsleitung (52) mit der Niederdruckladeluftleitung (53) vor dem Hochdruckverdichter (44) leitend verbunden. Eine weitere leitende Verbindung zwischen dem Lagergehäuse (39) und der Niederdruckladeluftleitung (53) besteht über eine ÖI- rücklaufleitung zu einem Schmieröltank (54) und eine Ausgleichsleitung (54) zwischen dem Schmieröltank (54) und der Niederdruckladeluftleitung (53).

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für zweistufige Aufladung eines Verbrennungsmotors mit einer Einrichtung zur Vermeidung von Schmiermittelverlusten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Bei zweistufiger Aufladung von Verbrennungsmotoren durch Abgasturbolader ist die Lagerung der Welle der Hochdruckstufe oft in einem Lagergehäuse zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad angeordnet, wobei dieses Gehäuse als Auffangbehälter für das aus den Lagern austretende Oel dient, aus dem es in den Oelsumpf des Motors oder in einen von diesem getrennten Oeltank zurückfliesst oder durch eine Pumpe dahin gefördert wird. Da es nicht möglich ist, das obgenannte Gehäuse gegen das Verdichtergehäuse und das Turbinengehäuse so abzudichten, dass das Eintreten von Oel in diese vermieden wird, muss der Druck im Lagergehäuse immer niedriger sein als die Drücke im Verdichter- bzw. Turbinengehäuse. Die Druckdifferenz darf aber nicht so gross sein, dass daraus Wirkungsgradeinbussen von Verdichter und Turbine resultieren. Der Druck im Lagergehäuse soll also nur möglichst knapp unter dem jeweils niedrigeren der Drücke im Verdichter- bzw. Turbinengehäuse liegen.

[0003] Das aus den Lagern in das Lagergehäuse abfliessende Oel gelangt von dort, wie erwähnt, entweder in den Oelsumpf des Motors oder in einen von diesem getrennten Oeltank, wobei in beiden Fällen für eine Entlüftung gesorgt werden muss. Die obenerwähnte Forderung einer möglichst geringen Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Lagergehäuses, in dem der Umgebungsdruck herrscht, und dem Verdichter- bzw. dem Turbinengehäuse folgt auch daraus, dass bei zu grosser Druckdifferenz zuviel Luft in den betreffenden Oelsammelbehälter gelangt und damit unzulässig grosse Oelnebelmengen entstehen, die durch die Oeltank- bzw. Kurbelgehäuseentlüftung ins Freie entweichen und zur Umweltverschmutzung beitragen.

[0004] Dazu kommt, dass bei kleinen Druckdifferenzen für die Dichtung zwischen dem Lagergehäuse und dem Verdichtersowie Turbinengehäuse nichtabgestützte Dichtungsringe verwendet werden können, die eine bessere Dichtwirkung als abgestützte Dichtringe haben und auch billiger sind.

[0005] Bei einstufigen Turboladern wird oft zur Kühlung des turbinenseitigen Wellenstummels und zur Verhinderung des Eintretens von Abgasen in das Lagergehäuse und in den Verdichter aus der Ladeluftleitung Sperrluft abgezweigt, die durch Sperrluftkanäle an den Uebergangsbereich zum turbinenseitigen Wellenende zum Turbinenrad geleitet wird und in die Umgebung austritt. Bei dieser Konzeption ist die Labyrinthdichtung zwischen dem Verdichtergehäuse und dem Verdichterrad mit einem solchen Radius ausgeführt, dass sich die auf das Verdichterrad und das Turbinenrad wirkenden Axialschübe im wesentlichen aufheben. Die Luft hinter dem Labyrinth wird ebenfalls in die Umgebung abgeführt.

[0006] Hersteller von Turboladern sind bestrebt, solche ursprünglich als einstufig entworfene Turboladertypen mit möglichst geringen Modifikationen als Hochdruckstufe von zweistufigen Turboladern verwenden zu können. Die dafür wichtigsten Aenderungen und Anpassungen an die höheren Drücke vor dem Verdichter und hinter der Turbine bestehen in Massnahmen, die den Druck in den Sperrluftkanälen und im Lagergehäuse so weit erhöhen, dass die eingangs erwähnte kleine Druckdifferenz erreicht wird.

[0007] Aus dem deutschen Gebrauchsmuster GM 80 26 375 der Firma Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG ist eine Vorrichtung bekannt, mit der bei einstufigen Turboladern für Ottomotoren Schmiermittelverluste infolge der eingangs beschriebenen Ursachen vermieden werden sollen. Dazu ist der Luftraum eines Oeltanks, in dem das aus dem Lagergehäuse abfliessende Oel gesammelt wird und der als Luftabscheider dient, mit einem zwischen einer Drosselklappe und dem Verdichter liegenden Stelle der Ansaugleitung verbunden. Je nach Stellung der Drosselklappe, die als Leistungsregelorgan dient, herrscht in der Ansaugleitung vor dem Verdichter ein mehr oder weniger grosser Unterdruck, der sich in den Oeltank und in das Lagergehäuse überträgt, so dass das Austreten von Oel aus letzterem in das Verdichtergehäuse verhindert wird und gleichzeitig der im Oeltank gebildete Oelnebel über die Ansaugleitung und den Verdichter in die Verbrennungsräume des Motors zurückgelangt. Da das Oel wegen des erwähnten Unterdrucks nicht von selbst in das Kurbelgehäuse des Motors zurückfliesst, muss eine Pumpe vorgesehen sein, die das Oel in das Kurbelgehäuse zurückfördert.

[0008] Diese Einrichtung ist, wie gesagt, für Ottomotoren gedacht, die in der Ansaugleitung vor dem Verdichter eine Drosselklappe aufweisen. Ein- oder zweistufige Turbolader von Dieselmotoren weisen in der Ansaugleitung keine Drosselklappe auf, sind also für das beschriebene System nicht geeignet.

[0009] Mit der vorliegenden, im Patentanspruch 1 definierten Erfindung soll die eingangs gestellte Erfindungsaufgabe gelöst werden, und zwar, da die Verhütung von Schmiermittelverlusten bei einstufigen Abgasturboladern von Dieselmotoren wegen der in der Einleitung erwähnten Druckverhältnisse im Verdichter-, Turbinen- und Lagergehäuse kein Problem darstellt, für zweistufig aufgeladene Dieselmotoren, wo sich dieses Problem in der Hochdruckstufe stellt.

[0010] Die Erfindung wird im folgenden anhand von drei in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

[0011] In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen konventionellen Abgasturbolader, der durch erfindungsgemässe Massnahmen als Hochdruckstufe eines zweistufigen Abgasturboladers verwendbar gemacht werden soll,

Fig..2 erste Mittel zur Modifikation des in Fig. 1 gezeigten Abgasturboladers,

Fig. 3 weitere Mittel zur Modifikation des Abgasturboladers nach Fig. l,

Fig. 4 ein Detail zu Fig. 3,

Fig. 5 die Hochdruckstufe eines erfindungsgemässen zweistufigen Abgasturboladers mit Sperrluftkanälen, und die

Fig. 6 zeigt, wie der in Fig. 5 mit VI bezeichnete Ausschnitt bei einem nichtmodifizierten Turbolader gestaltet ist.

[0012] Der in Fig. 1 dargestellte einstufige Turbolader weist einen Verdichter 1 auf, der durch eine Ansaugleitung 2 atmosphärische Luft ansaugt, diese verdichtet und durch eine Ladeluftleitung 3 in die Arbeitszylinder eines nicht dargestellten Dieselmotors fördert. Der Verdichter 1 wird von einer Abgasturbine 4 angetrieben, die über eine Abgasleitung 5 von den aus dem Motor kommenden Abgasen beaufschlagt wird. Das in der Turbine 4 sich entspannende Abgas tritt durch eine Auspuffleitung 6 ins Freie.

[0013] Verdichter 1 und Turbine 5 sitzen auf einer gemeinsamen Welle 7, die in einem Lagergehäuse 8 in Lagern 9 und 10 gelagert ist. Die Schmierölzufuhr zu den Lagern 9 und 10 erfolgt aus einem Schmieröltank 11, aus dem eine Schmier- ölpumpe 12 das Oel über eine Oelsaugleitung 13 und eine Oeldruckleitung 14 durch einen Oelfilter 15, einen Oelkühler 16 und eine Schmierölzuleitung 17 in die Lager 9 und 10 drückt. Das aus den Lagern abtropfende Oel sammelt sich im Lagergehäuse 8, aus dem es durch eine Oelrückleitung 18 in den Schmieröltank 11 zurückfliesst.

[0014] Dieser Schmierölkreislauf gilt für grössere Motoren mit einem eigenen, ausserhalb des Motorkurbelgehäuses vorgesehenen Schmieröltank. Bei kleineren Motoren wird zur Schmierung des Abgasturboladers gewöhnlich das im Kurbelgehäuse befindliche Motorschmieröl benutzt. In diesem Fall fördert die Pumpe 12 durch eine von der Oelzuleitung 17 abzweigende, strichliert gezeichnete Oelzuleitung 19 einen Teil des Oeles zu den Schmierstellen des Motors, von denen es, wie durch eine Oelrückleitung 20 symbolisiert, in das vom Oeltank 11 symbolisierte Kurbelgehäuse des Motors zurückfliesst.

[0015] Was bisher beschrieben wurde, ist ein Abgasturbolader für einstufige Aufladung eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Dieselmotors. Dabei erfolgt die Entlüftung des Schmieröltanks 11 über einen Entlüftungsstutzen 21 in die Umgebung. Ein strichliert gezeichneter Kasten 22 zeigt demnach die Verhältnisse im Bereich des Schmier- ölrückflusses und der Schmieröltankentlüftung bei einstufiger Aufladung eines Motors.

[0016] Zwei Massnahmen, die einen solchen Abgasturbolader als Hochdruckstufe bei zweistufiger Aufladung geeignet machen, sind in den Kästen 23 und 24 gemäss den Fig. 2 und 3 gezeigt.

[0017] Die Modifikation im Kasten 23 gegenüber der Ausbildung im Kasten 22 besteht darin, dass der Entlüftungsstutzen 21 durch eine Ausgleichsleitung 25 mit der Niederdruckladeluftleitung 26 leitend verbunden ist, wobei letztere materiell identisch mit der Ansaugleitung 2 ist, jetzt aber zwischen dem nicht dargestellten Niederdrucklader und dem oben dargestellten Hochdrucklader die vorverdichtete Ladeluft aufnimmt. Damit herrscht auch im Oeltank 11, in der Oelrückleitung 18 und im Lagergehäuse 8 der gegenüber der Atmosphäre höhere Druck der Niederdruckladeluftleitung 26, womit die Druckdifferenz zwischen Lagergehäuse 8 und dem Verdichter 1, der jetzt die Hochdruckaufladung besorgt, so klein wird, dass die eingangs erwähnte Erfindungsaufgabe,Verhütung von Schmiermittelverlusten und geringstmögliche Luftverluste aus dem Hochdruckverdichter, erfüllt ist. Die Druckdifferenz, die die Oelpumpe 12 zu überwinden hat, ist dabei die gleiche wie bei Verwendung des Laders für einstufige Aufladung.

[0018] Der Kasten 24 zeigt eine Einrichtung für den Fall, dass der Schmierölkreislauf des Laders von jenem des Motors abgezweigt wird, wobei es nicht erwünscht ist, dass der zugehörige Oeltank oder das Kurbelgehäuse unter Druck gesetzt wird. Diese in Fig. 4 grösser dargestellte Einrichtung sitzt am Boden eines eigens dafür vorgesehenen Luftabscheidergefässes und besteht aus einem Niveauregelschwimmer 27 in Verbindung mit einem Oelablaufrohr 28, dessen oberes Ende durch eine Abschlussplatte 29 verschlossen ist und zwei über einen grossen Teil des Umfangs sich erstreckende Schlitze 30 aufweist. Der Schwimmer 27 besteht aus einem Schwimmergefäss 31 und einer an dessen Unterseite befestigten Glocke 32 mit Schlitzen 33 in der Art der obenerwähnten Schlitze 30 im Oelablaufrohr 28. Die Wirkungsweise erkennt man aus Fig. 4. Steigt der Schmierölspiegel im Tank 11 über ein gewisses Niveau, so gibt die Unterkante der Glocke 32 die Schlitze 30 im Ablaufrohr 28 frei und es fliesst Oel in das Kurbelgehäuse des Motors ab, bis der Schmierölspiegel wieder auf das niedrigste Niveau abgesunken ist. Der Oelinhalt trennt das Kurbelgehäuse, in dem im wesentlichen Umgebungsdruck herrscht, von dem Raum oberhalb des Schmierölspiegels, der durch eine Ausgleichsleitung 28 mit der Niederdruckladeluftleitung 26 verbunden ist und in dem also ebenso wie im Lagergehäuse 8 der Druck nach der ersten Aufladestufe herrscht. Für die Entlüftung des Kurbelgehäuses ist ein Entlüftungsstutzen 35 vorgesehen.

[0019] Der in Fig. 5 dargestellte Hochdruckabgasturbolader für zweistufige Aufladung kann durch erfindungsgemässe Modifikationen aus einem Niederdruckabgaslader mit Sperrluftkanälen für einstufige Aufladung erhalten werden.

[0020] Der in Fig. 6 dargestellte, strichliert begrenzte Ausschnitt VI zeigt die Gestaltung des Laders für die einstufige Aufladung vor der Modifikation. Die durch die kleinen weissen Pfeile 36 symbolisierte Sperrluft strömt aus der Hochdruckladeluftleitung 37 in einen Sperrluftkanal 38, der mit einem das Lagergehäuse 39 umgebenden Sperrluftringkanal 40 in Verbindung steht. Dieser Sperrluftringkanal 40 ist von einem inneren, das Lagergehäuse 39 bildenden Mantel und einem Aussengehäuse 41 begrenzt. Querwände 42 und 43 grenzen von diesem Sperrluftringkanal 40 separierte Kammern ab, die zwischen diesen Querwänden 42, 43 und dem Verdichter 44 bzw. der Abgasturbine 45 liegen, wobei diese Kammern aber mit dem Sperrluftringkanal in leitender Verbindung stehen.

[0021] Bei Verwendung für einstufige Aufladung steht der Sperrluftringkanal, wie aus Fig. 6 hervorgeht, über Entlüftungsstutzen 46 und 47, die durch Kappen 48 und 49 abgedeckt sind, mit der Umgebung in leitender Verbindung.

[0022] Bei der für Hochdruckaufladung modifizierten Ausführung nach Fig. 5 sind diese Entlüftungsstutzen 46 und 47 durch Leitungen 50 und 51, die in eine gemeinsame Ausgleichsleitung 52 münden, mit dem Niederdruckladeluftkanal 53 leitend verbunden, wodurch sich im Sinne der Erfindungsaufgabe eine solche Druckdifferenz zwischen dem Verdichter 44 und dem Inneren des Lagergehäuses 39 einstellt, dass ein Austreten von Schmiermittel aus dem Lagergehäuse in das Verdichter- und/oder in das Turbinengehäuse vermieden wird.

[0023] Zusätzlich kann auch das Innere des Schmieröltanks 54 wie bei den Varianten nach den Fig. 2 und 3 durch eine Ausgleichsleitung 55 mit der Niederdruckladeluftleitung 53 verbunden werden, wodurch auch das Problem der Tankentlüftung gelöst ist.

[0024] Aristatt die Lagergehäuse 8 und 39 bei den Ausführungen nach den Fig. 2 und 3 bzw. nach Fig. 5 mit den betreffenden Niederdruckladeluftleitungen 26 bzw. 53 zu verbinden, können sie auch mit der Abgasleitung zwischen der Abgasturbine der Hochdruckstufe und jener der Niederdruckstufe verbunden werden. Da die Drücke in der vorerwähnten Abgasleitung und in der Niederdruckladeluftleitung zwar von ähnlicher Grösse sind, je nach Betriebszustand und Anwendungsfall sich aber erheblich unterscheiden können, sollen alle Ausgleichsleitungen nur an die eine oder andere der beiden Leitungen angeschlossen werden, und zwar vorzugsweise an die Niederdruckladeluftleitung, damit bei allen Betriebszuständen ein Oelverlust auf der Verdichterseite oder im Leerlauf eine Verschmutzung des Verdichterrades durch Abgase aus der Turbine verhindert wird.

[0025] Durch die Entlüftung der Schmieröltanks 11 und 54 in die betreffende Niederdruckladeluftleitung 26 bzw. 55 anstatt in die Umgebung stehen die Tanks unter dem gleichen Druck wie die Niederdruckladeluftleitungen, so dass die von der Oelpumpe zu überwindende Druckdifferenz die gleiche ist wie bei Verwendung des Abgasturboladers für eine einstufige Aufladung.

Ansprüche

1. Abgasturbolader für zweistufige Aufladung eines Verbrennungsmotors mit einer Einrichtung zur Vermeidung von Schmiermittelverlusten, mit einem Niederdruckabgasturbolader und einem Hochdruckabgasturbolader, wobei die Lager (9, 10) des Hochdruckabgasturboladers in einem zwischen dem Verdichter (1; 44) und der Abgasturbine (4; 45) angeordneten Lagergehäuse (8; 39) und für die Schmierung der Lager ein eigener oder ein an das Schmiersystem des Motors angeschlossener Schmierölkreislauf vorgesehen sind, ferner das Lagergehäuse (8; 39) durch eine Oelrückleitung (18) mit einem Schmieröltank (11; 54) oder dem Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors verbunden ist und eine Entlüftungseinrichtung für das aus dem Lagergehäuse in den Schmieröltank oder in das Kurbelgehäuse zurückfliessende Schmieröl vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum des Lagergehäuses (8; 39) der Hochdruckstufe durch Ausgleichsleitungen (25; 34; 52, 54) mit der Niederdruckladeluftleitung (26; 53) zwischen dem Verdichter der Niederdruckstufe und dem Verdichter (1; 44) der Hochdruckstufe oder mit der Niederdruckabgasleitung zwischen der Abgasturbine (4; 45) der Hochdruckstufe und der Abgasturbine der Niederdruckstufe leitend verbunden ist.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagergehäuse (8) durch eine Oelrückleitung (18) mit einem Schmieröltank (11) und der Schmieröltank (11) durch eine Ausgleichsleitung (25; 34) mit der Niederdruckladeluftleitung (26) verbunden ist.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schmieröltank (11) in der Oelrückleitung (18) ein Luftabscheidergefäss mit einem Niveauregelschwimmer (27) und einem in den Schmieröltank mündenden Oelablaufrohr (28) vorhanden sind.

4. Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors ein Schmieröltank (11) mit einem Niveauregelschwimmer (27) und einem in das Kurbelgehäuse mündenden Oelablaufrohr (28) vorhanden sind.

5. Abgasturbolader nach Anspruch 1, mit einem Sperrluftringkanal (40) zwischen dem Lagergehäuse (39) und einem Aussengehäuse (41) mit Entlüftungsstutzen für das Lagergehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsstutzen über je eine Leitung (50, 51) und eine diese Leitungen aufnehmende Ausgleichsleitung (52) mit der Niederdruckladeluftleitung (53) vor dem Hochdruckverdichter (44) oder mit der Niederdruckabgasleitung nach der Hochdruckabgasturbine (45) in leitender Verbindung steht.

6. Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagergehäuse (39) über eine Oelrückleitung mit einem Schmieröltank (54) und dieser über eine Ausgleichsleitung (55) mit der Niederdruckladeluftleitung (53) vor dem Hochdruckverdichter (44) in leitender Verbindung steht.

Zeichnung