Abgasturbolader

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1) mit einer welle (2), die ein in einem Turbinengehäuse (6) angeordnetes Turbinenrad (3) und ein Verdichterrad verbindet, und mit einer dazwischen angeordneten Lagerung mit einem Lagergehäuse (5) und darin angeordneten Lagern für die welle (2), welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß die Welle (2) zwischen Turbinenrad (3) und Lagerung wenigstens eine Wärmeisolierung (16, 17) aufweist, deren wärmedurchlässigkeit geringer ist als die der an die wärmeisolierung angrenzenden Bereiche der welle (2) und die den Wärmedurchgang durch die welle (2) behindert.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einer Welle, die ein in einem Turbinengehäuse angeordnetes Turbinenrad und ein Verdichterrad verbindet, und mit einer dazwischen angeordneten Lagerung mit einem Lagergehäuse und darin angeordneten Lagern für die Welle.

[0002] Abgasturbolader dienen der verbesserung des Wirkungsgrades und damit der Leistungssteigerung von Verbrennungmotoren. Sie weisen eine welle auf, die einerends mit einem Turbinenrad und anderenends mit einem Verdichterrad versehen ist. Das Turbinenrad wird von Abgasstrom des verbrennermotors beaufschlagt, wobei im wesentlichen die thermische Energie des Abgases durch das Turbinenrad in eine Drehbewegung umgesetzt wird. über die Welle wird das Verdichterrad angetrieben, das Frischluft ansaugt und mit Überdruck in die Einlaßkanäle des Verbrennungsmotors einströmen läßt und damit den Füllungsgrad verbessert.

[0003] An die Lagerung der Welle von Abgasturboladern werden hohe Anforderungen gestellt. Zum einen erreicht die Welle hohe Drehzahlen von bis zu 300.000 U/min. Zum anderen wird der Abgasturbolader auf der Turbinenseite durch den Abgasstrom hohen Temperaturen ausgesetzt, die bei Ottomotoren mehr als 1.000° C erreichen können, während die Temperatur auf der Verdichterseite im allgemeinen nicht mehr als 150° C erreicht. Es versteht sich, daß hierdurch eine enorme thermische Belastung der Lager entsteht, die der Turbinenseite benachbart sind.

[0004] Bei Gleit- oder Kugellagern ist vor allem der Ölkreislauf durch Temperaturen dieser Größenordnung gefährdet. Bei Überschreiten kritischer Temperaturen entstehen Ölrückstände in Form von Kohleablagerungen, die nach relativ kurzer Zeit zum Ausfall des Abgasturboladers durch Festfressen der welle führen. Um die Aufheizung des Lagergehäuses in Grenzen zu halten, ist es bei Ottomotoren bekannt, das Lagergehäuse mit einem wasserkühlmantel zu versehen. Dies verteuert den Abgasturbolader.

[0005] In neuerer zeit sind vorschläge gemacht worden, die bisherigen Lager, also Gleit- oder Wälzlager, durch Magnetlager zu ersetzen und damit die Welle berührungslos zu führen (vgl. DE 102 16 447 C1). Diese haben den Vorteil, daß sie schmiermittelfrei betrieben werden können und deshalb die oben genannte Ausfallursache nicht gegeben ist. Die dabei zum Einsatz kommenden Permanentmagnete verlieren jedoch ihre magnetischen Eigenschaften bei einer Erwärmung auf höhere Temperaturen irreversibel.

[0006] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader der eingangs genannten Art so auszubilden, daß mit kostengünstigen Maßnahmen eine Erwärmung der Lager auf Temperaturen, die ihre Betriebssicherheit beeinträchtigen, vermieden wird.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Welle zwischen Turbinenrad und Lagerung wenigstens eine wärmeisolierung aufweist, deren Wärmedurchlässigkeit geringer ist als die der an die Wärmeisolierung angrenzenden Bereiche der Welle und die den Wärmedurchgang durch die Welle behindert. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein wesentlicher Teil der auf Turbinenseite entstehenden Wärme über die Welle in die Lagerung übertragen wird. Durch die wärmeisolierung wird die Wärmeübertragung auf die Lagerung herabgesetzt, wobei das Maß der Herabsetzung durch entsprechende Ausbildung der Wärmeisolierung und durch deren Dimensionierung an die jeweiligen Anforderungen angepaßt werden kann.

[0008] In Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Wärmeisolierung eine über den Querschnitt der Welle gehende Isolierschicht aufweist, deren Wärmeleitfähigkeit geringer ist als die des Materials der welle ansonsten. Dabei muß die Isolierschicht so beschaffen sein, daß sie einerseits gegenüber den aufgetretenen Temperaturen standfest ist, andererseits aber auch die Welle nicht oder nicht zu stark geschwächt wird. Besonders geeignet sind aus Festigkeitsgründen Metalle, deren wärmeleitfähigkeit geringer, insbesondere erheblich geringer ist als das Material, aus dem die Welle im übrigen besteht, nämlich in der Regel Stahl. Als Metalle für die Isolierschicht kommen vor allem Nickel-Chrom-Legierungen in Frage, wie sie unter den Marken INCONEL® oder INCOLOY® bekannt sind, aber auch Edelstahllegierungen.

[0009] Anstatt oder in Kombination mit einer Isolierschicht kann die Wärmeisolierung aber auch einen Bereich aufweisen, wo die Querschnittsfläche der Welle reduziert ist und auf diese Weise der Wärmedurchgang behindert wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß in die Welle ein Hohlraum eingeformt ist, wobei sich der Hohlraum auch über die gesamte Länge der welle erstrecken kann, also eine Hohlwelle vorliegt.

[0010] Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann alternativ zu oder auch in Kombination mit den vorgenannten Maßnahmen dadurch gelöst werden, daß die Welle zwischen Turbinenrad und Lagerung und/oder das Lagergehäuse zusätzliche Wärmeübergangsflächen aufweist bzw. aufweisen. Diese zusätzlichen Wärmeübergangsflächen verbessern die Wärmeabfuhr an die Umgebung. Die wärmeübergangsflächen können beispielsweise als wenigstens eine auf der Welle sitzende Kühlscheibe ausgebildet sein.

[0011] Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann alternativ zu oder in Kombination mit den vorgenannten Maßnahmen auch dadurch gelöst werden, daß die Flansche, über die Lagergehäuse und Turbinengehäuse miteinander gekoppelt sind, eine Wärmeisolierung aufweisen, deren Wärmedurchlässigkeit geringer ist als die der Flansche selbst. Auf diese Weise kann die durch Wärmeleitung über die Gehäuse bewirkte wärmeübertragung reduziert werden.

[0012] Am einfachsten kann dies dadurch geschehen, daß die Wärmeisolierung eine Isolierschicht aufweist, deren Wärmeleitfähigkeit geringer ist als die des Materials der Flansche ansonsten und die zwischen den Flanschen angeordnet ist. Die Isolierschicht kann - wie bei der Wärmeisolierung der Welle - aus einem Metall, beispielsweise einer Nickel-Chrom-Legierung oder einer Edelstahllegierung, bestehen. Es können jedoch auch andere, schlecht wärmeleitende Materialien, insbesondere Mineral- oder Keramikmaterialien, verwendet werden.

[0013] Statt oder in Kombination mit einer Isolierschicht kann die Wärmeisolierung Isolierstege aufweisen, über die die Flansche der Flanschverbindung aneinander liegen. Dem liegt der Gedanke zugrunde, die Flächen, über die die beiden Flansche aneinander liegen, möglichst klein zu halten. Dabei besteht die Möglichkeit, die Isolierstege so auszubilden, daß sie einen Hohlraum einschließen, der mit einem Isoliermaterial gefüllt sein kann.

[0014] Eine weitere Maßnahme zur Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, daß das Turbinengehäuse und/oder das Lagergehäuse außenseitig wenigstens teilweise mit einer Beschichtung versehen ist bzw. sind, die die Wärmeabgabe an die Umgebung verbessert. Auch diese Maßnahme kann mit den vorbeschriebenen Maßnahmen kombiniert werden, um die Schutzwirkung gegen Wärmebeanspruchung der Lager zu verbessern. Die Beschichtung kann eine bessere Wärmeleitfähigkeit haben als das Material des Turbinengehäuses bzw. des Lagergehäuses. So kann die Oberfläche durch Flammspritzen mit Aluminium versehen werden. Alternativ oder in Kombination sollte die Beschichtung auch ein höheres Wärmeemissionsvermögen haben als das Material des Turbinengehäuses bzw. Lagergehäuses.

[0015] Schließlich besteht eine letzte Maßnahme zur Lösung der gestellten Aufgabe darin, das Turbinengehäuse auf seiner Innenseite wenigstens teilweise mit einer Beschichtung zu versehen, die die Wärmeaufnahme des Turbinengehäuses verringert. Die Beschichtung sollte ein geringeres Wärmeabsorptionsvermögen haben als das Material des Turbinengehäuses. Auf diese weise wird die Wärmeaufnahme des Gehäuses reduziert.

[0016] In der Zeichnung ist die Erfindung anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher veranschaulicht. Es zeigen:

Figur 1

einen Längsschnitt durch einen Turbolader;

Figur 2

ein Wellendetail des Turboladers gemäß Figur 1 in der Seitenansicht;

Figur 3

ein weiteres Wellendetail des Turboladers gemäß Figur 1 in der Seitenansicht;

Figur 4

einen Gehäuseabschnitt des Turboladers gemäß Figur 1 im Längsschnitt;

Figur 5

ein Detail des Gehäuseabschnitts gemäß Figur 4 im Längsschnitt;

Figur 6

ein weiteres Detail des Gehäuseabschnitts gemäß Figur 4 im Längsschnitt;

Figur 7

die Seitenansicht eines Turbinenrades und eines verdichterrades, verbunden durch eine Welle, des Abgasturboladers gemäß Figur 1.

[0017] Der in Figur 1 dargestellte Turbolader 1 hat einen typischen Aufbau. Er hat eine welle 2, auf der rechtsseitig ein Turbinenrad 3 und linksseitig ein Verdichterrad 4 sitzen. Die Welle 2 ist über hier nicht dargestellte Lager in einem rohrartigen Lagergehäuse 5 gelagert. Die Lager können als Magnetlager ausgebildet sein, wie dies beispielsweise in der DE 102 16 447 C1 offenbart ist.

[0018] Das Turbinenrad 3 ist von einem Turbinengehäuse 6 umgeben, das eine hier nicht näher dargestellte radiale Einlaßöffnung hat. Das verdichterrad 4 ist von einem Verdichtergehäuse 9 umgeben, das mit einer zentralen Einlaßöffnung 10 versehen ist. Über diese Einlaßöffnung 10 wird aufgrund der Drehbewegung des Verdichterrades 4 Luft angesaugt und in einen Ringraum 11 umgelenkt. Diese verdichtete Luft verläßt dann den Ringraum 11 über eine hier nicht näher dargestellte Aulaßöffnung in Richtung der Einlaßseite des Verbrennungsmotors.

[0019] Das Turbinengehäuse 6 und das Verdichtergehäuse 9 sind mit dem Lagergehäuse 5 über jeweils zwei Flansche 12, 13 bzw. 14, 15 verbunden. Die Flansche 12, 13 bzw. 14, 15 sind über hier nicht dargestellte Schrauben in üblicher Weise miteinander verspannt.

[0020] Figur 2 zeigt ein Wellendetail benachbart zum Turbinengehäuse 6 bzw. zum Turbinenrad 3. In die Welle 2 ist ein Zwischenstück 16 eingeschweißt, das aus einer Nickel-Chrom-Legierung besteht und deshalb wesentlich schlechter leitet als die ansonsten aus einem Stahl bestehende Welle 2. Das Zwischenstück 16 wirkt als Isolierschicht und behindert die Wärmeleitungsübertragung in Richtung des Turbinenrades 3 und damit der Lager im Lagergehäuse 5.

[0021] Figur 3 zeigt eine andere Ausführungsform eines Wellendetails, die an gleicher Stelle angeordnet ist. Die welle 2 ist hier mit einem Hohlraum 17 versehen, der die für die Wärmeleitung zur Verfügung stehende Querschnittsfläche der Welle 2 auf einen äußeren Ringbereich reduziert und hierdurch die Wärmeübertragung behindert.

[0022] Figur 4 zeigt den oberen Teil des Lagergehäuses 5 und des angrenzenden Turbinengehäuses 6 ohne Welle 2 und ohne Turbinenrad 3. In dem Detail gemäß Figur 5 ist eine variante der Flanschverbindung zwischen dem Lagergehäuse 5 und dem Turbinengehäuse 6 dargestellt. Zwischen den beiden Flanschen 12, 13 ist eine Isolierschicht 18 angeordnet, die die Wärmeleitübertragung vom Turbinengehäuse 6 zum Lagergehäuse 5 reduziert.

[0023] Die Wärmeübertragung zwischen den Flanschen 12, 13 kann aber auch dadurch behindert werden, daß die gegenseitige Anlage der Flansche 12, 13 nur über Stege 19, 20 erfolgt, wie dies in dem Detail gemäß Figur 6 zu sehen ist. Die Stege 19, 20 erstrecken sich ringförmig über den gesamten Umfang der Flansche 12, 13 und schließen deshalb einen Hohlraum 21 ein. Die geringe Querschnittsfläche der Stege 19, 20 behindert die Wärmeleitung vom zum Turbinengehäuse 6 gehörenden Flansch 12 auf den zum Lagergehäuse 5 gehörenden Flansch 13.

[0024] In Figur 7 ist die Welle 2 mit dem Turbinenrad 3 und dem Verdichterrad 4 ohne jedes Gehäuse dargestellt. Auf der Welle 2 sitzt eine Kühlscheibe 22, die sich mit der Welle 2 dreht. Die Kühlscheibe 22 vergrößert die wärmeübertragungsfläche an die Umgebung und sorgt durch ihre Drehbewegung für eine die Wärmeableitung fördernde Konvektionsströmung.

[0025] Im übrigen kann das Turbinengehäuse 6 an einer Außenseite mit einer Beschichtung versehen sein, die den Wärmeübergang an die Umgebung verbessert, also eine bessere Wärmeleitfähigkeit und/oder ein höheres Wärmeemissionsvermögen hat als das Material, aus dem das das Turbinengehäuse 6 besteht. Zusätzlich kann das Turbinengehäuse 6 auf seiner Innenseite mit einer die Wärmeaufnahme reduzierenden Beschichtung versehen sein.

Ansprüche

1. Abgasturbolader (1) mit einer welle (2), die ein in einem Turbinengehäuse (6) angeordnetes Turbinenrad (3) und ein verdichterrad verbindet, und mit einer dazwischen angeordneten Lagerung mit einem Lagergehäuse (5) und darin angeordneten Lagern für die Welle (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (2) zwischen Turbinenrad (3) und Lagerung wenigstens eine wärmeisolierung (16, 17) aufweist, deren Wärmedurchlässigkeit geringer ist als die der an die Wärmeisolierung angrenzenden Bereiche der Welle (2) und die den Wärmedurchgang durch die welle (2) behindert.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeisolierung eine über den Querschnitt der Welle (2) gehende Isolierschicht (16) aufweist, deren Wärmeleitfähigkeit geringer ist als die des Materials der Welle (2) ansonsten.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (16) aus einem Metall besteht.

4. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall eine Nickel-Chrom-Legierung oder eine Edelstahllegierung ist.

5. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeisolierung (17) einen Bereich aufweist, wo die Querschnittsfläche der Welle (2) reduziert ist.

6. Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Welle (2) dadurch reduziert ist, daß in die Welle (2) ein Hohlraum (17) eingeformt ist.

7. Abgasturbolader (1) mit einer Welle (2), die ein in einem Turbinengehäuse (6) angeordnetes Turbinenrad (3) und ein Verdichterrad (4) verbindet, und mit einer dazwischen angeordneten Lagerung mit einem Lagergehäuse (5) und darin angeordneten Lagern für die Welle (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (2) zwischen Turbinenrad (3) und Lagerung zusätzliche Wärmeübergangsflächen (22) aufweist bzw. aufweisen.

8. Abgasturbolager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübergangsflächen als wenigstens eine auf der Welle sitzenden Kühlscheibe (22) ausgebildet ist.

9. Abgasturbolader nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeübergangsflächen (22) von einem Kühlgas angeströmt ist, das von der Verdichterseite des Abgasturboladers (1) abgezweigt ist.

10. Abgasturbolader (1) mit einer Welle (2), die ein in einem Turbinengehäuse (6) angeordnetes Turbinenrad (3) und ein verdichterrad (4) verbindet, und mit einer dazwischen angeordneten Lagerung mit einem Lagergehäuse (5) und darin angeordneten Lagern für die Welle (2), wobei Lagergehäuse (5) und Turbinengehäuse (6) über Flansche (12, 13) gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche (12, 13) eine Wärmeisolierung (18, 19, 20) aufweisen, deren Wärmedurchlässigkeit geringer ist als die der Flansche (12, 13) selbst.

11. Abgasturbolader nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeisolierung eine Isolierschicht (18) aufweist, deren Wärmeleitfähigkeit geringer ist als die des Materials der Flansche (12, 13) ansonsten.

12. Abgasturbolader nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (18) aus einem Metall besteht.

13. Abgasturbolader nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall eine Nickel-Chrom- Legierung oder eine Edelstahllegierung ist.

14. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeisolierung Isolierstege (19, 20) aufweist, über die die Flansche (12, 13) der Flanschverbindung aneinander anliegen.

15. Abgasturbolader nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstege (19, 20) wenigstens einen Hohlraum (21) einschließen.

16. Abgasturbolader (1) mit einer welle (2), die ein in einem Turbinengehäuse (6) angeordnetes Turbinenrad (3) und ein Verdichterrad (4) verbindet, und mit einer dazwischen angeordneten Lagerung mit einem Lagergehäuse (5) und darin angeordneten Lagern für die welle (2), dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinengehäuse (6) und/oder das Lagergehäuse (5) außenseitig wenigstens teilweise mit einer Beschichtung versehen ist bzw. sind, die die Wärmeabgabe an die Umgebung verbessert.

17. Abgasturbolader nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine bessere Wärmeleitfähigkeit hat als das Material des Turbinengehäuses (6) bzw. Lagergehäuses (5).

18. Abgasturbolader nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung ein höheres Wärmeemissionsvermögen hat als das Material des Turbinengehäuses (6) bzw. Lagergehäuses (5).

19. Abgasturbolader (1) mit einer Welle (2), die ein in einem Turbinengehäuse (6) angeordnetes Turbinenrad (3) und ein verdichterrad (4) verbindet, und mit einer dazwischen angeordneten Lagerung mit einem Lagergehäuse (5) und darin angeordneten Lagern für die welle (2), dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinengehäuse (6) auf seiner Innenseite wenigstens teilweise mit einer Beschichtung versehen ist, die die Wärmeaufnahme des Turbinengehäuses (6) verringert.

20. Abgasturbolader nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung ein geringeres Wärmeabsorptionsvermögen hat als das Material des Turbinengehäuses (6).

Zeichnung