DE102008038006B4

DE102008038006B4 - Turbocharger with sealing ring

Info

Publication number: DE102008038006B4
Application number: DE102008038006.7A
Authority: DE
Inventors: Jörg Jennes; Dr. Nguyen-Schäfer Hung
Original assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2008-08-16
Filing date: 2008-08-16
Publication date: 2021-02-18
Anticipated expiration: 2028-08-17
Also published as: DE102008038006A1

Abstract

Abgasturbolader mit einer ein Turbinenrad und ein Verdichterrad tragenden Welle (1), die mittels zumindest eines Dichtrings (5) abgedichtet ist, wobei sowohl verdichterseitig als auch turbinenseitig jeweils ein Dichtring (5) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet,- dass der Dichtring (5) als stationärer Dichtring (5), insbesondere als ein an einem Gehäuse (6) des Abgasturboladers fixierter Dichtring (5), ausgebildet ist, der in eine Umfangsnut (7) der Welle (1) des Abgasturboladers eingreift,- dass zumindest eine axiale Stirnseite (8) des Dichtrings (5) mit einer haihautartigen Mikrostruktur versehen ist, die als so genannte Riefenstruktur ausgebildet ist und im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Riefenkämme (9) sowie dazwischen liegende Riefentäler (10) aufweist,- dass die Riefenstruktur spitze, einen keilförmigen Querschnitt aufweisende Riefenkämme (9) mit einem jeweils zwischen zwei Riefenkämmen (9) liegenden abgrundeten Riefengrund aufweist.Exhaust gas turbocharger with a shaft (1) carrying a turbine wheel and a compressor wheel, which is sealed by means of at least one sealing ring (5), a sealing ring (5) being provided both on the compressor side and on the turbine side, characterized in that the sealing ring (5) is designed as a stationary sealing ring (5), in particular as a sealing ring (5) fixed to a housing (6) of the exhaust gas turbocharger, which engages in a circumferential groove (7) of the shaft (1) of the exhaust gas turbocharger, - that at least one axial end face ( 8) of the sealing ring (5) is provided with a shark-like microstructure, which is designed as a so-called groove structure and has groove ridges (9) running essentially parallel to one another and groove valleys (10) lying in between - that the groove structure has a pointed, wedge-shaped cross section Has grooved ridges (9) with a deep grooved bottom lying between two grooved ridges (9).

Description

Die Erfindung betrifft einen, mit einem Dichtring abgedichteten Abgasturbolader sowie einen, mit einem derartigen Abgasturbolader ausgestatteten Verbrennungsmotor.The invention relates to an exhaust gas turbocharger sealed with a sealing ring and to an internal combustion engine equipped with such an exhaust gas turbocharger.

Zur Erhöhung des Ladedrucks in einem Verbrennungsmotor, wird üblicherweise ein so genannter Abgasturbolader verwendet, mit welchem mehr Luft und damit auch mehr Sauerstoff pro Arbeitstakt in eine Brennkammer des Verbrennungsmotors eingebracht werden kann. Über die derart erhöhte eingebrachte Sauerstoffmenge, kann auch mehr Kraftstoff in die Brennkammer eingespritzt und damit die Leistung des Verbrennungsmotors gesteigert werden. Eine, ein Turbinenrad und ein Verdichterrad tragende Welle des Abgasturboladers ist dabei oftmals hydrodynamisch gelagert, wobei ein Austreten eines Lagerfluids, bspw. des Lageröls, insbesondere auf die Turbinenseite unbedingt vermieden werden muss, da es dort aufgrund der hohen Temperaturen zu einer Verkokung des Öls und damit langfristig zu einer Beschädigung des Abgasturboladers führen wird. Neben derartigen, die Funktionsfähigkeit des Abgasturboladers beeinträchtigenden Wirkungen, muss eine Lagerfluidleckage auch aufgrund immer strenger werdender Umweltschutzauflagen nach Möglichkeit vermieden werden. Hierzu sind bei bisher bekannten Abgasturboladern so genannte Kolbenringe vorgesehen, welche gehäuseseitig stationär angeordnet sind und in eine an der Welle eingebrachte Umfangsnut eingreifen. Durch eine derartige Labyrinthdichtung, soll der Austritt des Lagerfluids verhindert werden. Trotz derartiger Dichtringe, kann es bei bestimmten Betriebsbedingungen des Abgasturboladers zu einer Leckage und damit zu einem unerwünschten Austritt des Lagerfluids auf die Verdichterseite und/oder auf die Turbinenseite sowie zu einem ebenfalls unerwünschten Durchtritt von so genannten Blow-By-Gasen kommen.To increase the boost pressure in an internal combustion engine, what is known as an exhaust gas turbocharger is usually used, with which more air and thus more oxygen can be introduced into a combustion chamber of the internal combustion engine per work cycle. The increased amount of oxygen introduced in this way also allows more fuel to be injected into the combustion chamber and thus the output of the internal combustion engine to be increased. A shaft of the exhaust gas turbocharger, which carries a turbine wheel and a compressor wheel, is often hydrodynamically supported, with the escape of a bearing fluid, for example the bearing oil, in particular on the turbine side, since the high temperatures cause coking of the oil and thus will lead to damage to the exhaust gas turbocharger in the long term. In addition to such effects that impair the functionality of the exhaust gas turbocharger, bearing fluid leakage must also be avoided if possible due to increasingly strict environmental protection regulations. For this purpose, so-called piston rings are provided in previously known exhaust gas turbochargers, which are arranged stationary on the housing side and engage in a circumferential groove made on the shaft. Such a labyrinth seal is intended to prevent the bearing fluid from escaping. Despite such sealing rings, under certain operating conditions of the exhaust gas turbocharger, leakage and thus an undesired escape of the bearing fluid to the compressor side and / or to the turbine side as well as an undesired passage of so-called blow-by gases can occur.

Aus der US 4,198,063 A ist ein gattungsgemäßer Abgasturbolader bekannt.From the U.S. 4,198,063 A a generic exhaust gas turbocharger is known.

Aus der DE 103 47 097 A1 ist eine Dichtungsanordnung zur Spaltabdichtung bekannt.From the DE 103 47 097 A1 a sealing arrangement for gap sealing is known.

Aus der DE 101 40 742 A1 , der DE 100 17 669 A1 sowie aus der DE 103 53 827 A1 sind weitere Dichtvorrichtungen bekannt.From the DE 101 40 742 A1 , of the DE 100 17 669 A1 as well as from the DE 103 53 827 A1 further sealing devices are known.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Abgasturbolader der gattungsgemäßen Art, eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, mit welcher eine verbesserte Dichtwirkung erzielt werden kann.The present invention deals with the problem of specifying an improved embodiment for an exhaust gas turbocharger of the generic type, with which an improved sealing effect can be achieved.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.According to the invention, this problem is solved by the subjects of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem an sich bekannten Kolben- bzw. Wellendichtring zumindest eine axiale Stirnseite des Dichtrings mit einer haihautartigen Mikrostruktur zu versehen, welche beim Betrieb des Abgasturboladers Mikrowirbel erzeugt, die ein Austreten von Lagerfluid zuverlässig verhindern, zumindest aber reduzieren können. In gleicher Weise wird durch die haihautartige Mikrostruktur, welche Riefenkämme und dazwischen liegende Riefentäler aufweist, eine Abdichtung gegen unerwünschte Blow-By-Gase erreicht, wodurch insbesondere der Wirkungsgrad eines mit einem derartigen erfindungsgemäßen Dichtring ausgestatteten Abgasturboladers gesteigert werden kann. Die zumindest eine Stirnseite des Dichtrings ist somit unter bionischen Gesichtspunkten ausgebildet, wobei aus der Biologie bekannte Effekte innovativ in technische Anwendungen umgesetzt werden. Die Bionik ist dabei ein interdisziplinärer Bereich, in dem Naturwissenschaftler und Ingenieure zusammen arbeiten. Im konkreten Beispiel wird dabei die Übertragung von aus der Biologie bekannten Effekten auf den Dichtring dadurch erreicht, dass zumindest eine axiale Stirnseite mit der erfindungsgemäßen haihautartigen Mikrostruktur versehen ist. Hierzu muss man wissen, dass die Haihaut mit einer Vielzahl an Zähnen bzw. Riefen ausgestattet ist, welche sowohl einen Reibungswiderstand des Hai's im Wasser verringern, als auch einen Befall von Parasiten nahezu gänzlich unterbinden. Die reibungsreduzierende Wirkung, wird dabei durch Mikrowirbel bewirkt, welche im Bereich der Riefenkämme und der dazwischen liegenden Riefentäler entstehen, wobei gleichzeitig eine Quer zu den Riefenkämmen gerichtete Strömung vermindert wird. Die Riefenstruktur weist spitze, einen keilförmigen Querschnitt aufweisende Riefenkämme mit einem jeweils zwischen zwei Riefenkämmen liegenden abgrundeten Riefengrund auf.The invention is based on the general idea of providing at least one axial face of the sealing ring with a skin-like microstructure in a piston or shaft sealing ring known per se, which generates micro-eddies when the exhaust gas turbocharger is in operation, which reliably prevent or at least reduce the leakage of bearing fluid can. In the same way, the skin-like microstructure, which has ridges and valleys lying in between, seals against undesired blow-by gases, which in particular increases the efficiency of an exhaust gas turbocharger equipped with such a sealing ring according to the invention. The at least one end face of the sealing ring is thus designed from a bionic point of view, with effects known from biology being innovatively implemented in technical applications. Bionics is an interdisciplinary area in which natural scientists and engineers work together. In the specific example, the transfer of effects known from biology to the sealing ring is achieved in that at least one axial end face is provided with the skin-like microstructure according to the invention. For this you have to know that the shark skin is equipped with a large number of teeth or grooves, which both reduce the shark's frictional resistance in the water and almost completely prevent infestation by parasites. The friction-reducing effect is brought about by micro-eddies, which arise in the area of the ridges and the troughs in between, while at the same time a flow directed transverse to the ridges is reduced. The grooved structure has pointed grooved ridges having a wedge-shaped cross-section with a deep groove base lying between two grooved ridges.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, sind Riefen der Mikrostruktur kreisartig ausgebildet. Eine solch kreisartige Ausbildung der einzelnen Riefen der Mikrostruktur erschwert somit eine in Radialrichtung der Kolben- bzw. Dichtringe gerichtete Strömung, wodurch die mit den derartig ausgebildeten Dichtringen erzielbare Dichtwirkung deutlich verbessert werden kann. Darüber hinaus ist eine derartige haihautartige Riefenstruktur technisch einfach und kostengünstig an die entsprechenden Stirnseiten der Kolben- bzw. Wellendichtringe anzubringen, so dass die erhöhte Dichtwirkung mit relativ geringen Fertigungskosten erzielbar ist.In an advantageous development of the solution according to the invention, grooves in the microstructure are circular. Such a circular design of the individual grooves of the microstructure thus makes a flow directed in the radial direction of the piston or sealing rings difficult, whereby the sealing effect that can be achieved with the sealing rings designed in this way can be significantly improved. In addition, such a skin-like groove structure is technically simple and inexpensive to attach to the corresponding end faces of the piston or shaft sealing rings, so that the increased sealing effect can be achieved with relatively low production costs.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention emerge from the subclaims, from the drawings and from the associated description of the figures on the basis of the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.Preferred exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description, the same reference symbols referring to the same or similar or functionally identical components.

Dabei zeigen, jeweils schematisch,

1 einen Längsschnitt durch einen Abgasturbolader im Bereich eines erfindungsgemäßen Dichtrings,
2 eine Axialansicht auf den erfindungsgemäßen Dichtring,
3 eine Detaildarstellung der erfindungsgemäßen haihautartigen Mikrostruktur.

Show, each schematically,

1 a longitudinal section through an exhaust gas turbocharger in the area of a sealing ring according to the invention,
2 an axial view of the sealing ring according to the invention,
3 a detailed representation of the skin-like microstructure according to the invention.

Entsprechend der 1, rotiert eine, ein Verdichterrad und ein Turbinenrad tragende Welle 1 eines im Übrigen nicht gezeigten Abgasturboladers um eine Wellenachse 2. Um dabei eine unerwünschte Leckage von Lagerfluid von einer Ölseite 3 her oder einen ebenfalls unerwünschten Durchtritt von so genannten Blow-By-Gasen von einer Abgasseite 4 her verhindern zu können, ist ein Dichtring 5 vorgesehen, welcher bspw. als Kolben- oder als Wellendichtring ausgebildet ist und welcher sich relativ zur Gehäuseseite 6 nicht bewegt, dass heißt insbesondere nicht mit der Welle 1 mitdreht. Mit seiner der Welle 1 zugewandten radialen Innenseite, greift der Dichtring 5 in eine an der Welle vorgesehene Umfangsnut 7 ein, wodurch zwischen der Ölseite 3 und der Abgasseite 4 eine Art Labyrinthdichtung erzeugt werden kann. Erfindungsgemäß ist nun zumindest eine axiale Stirnseite 8 des Dichtrings 5 mit einer haihautartigen Mikrostruktur (vgl. insbesondere 3) versehen.According to the 1 , rotates a shaft carrying a compressor wheel and a turbine wheel 1 of an exhaust gas turbocharger, otherwise not shown, about a shaft axis 2 . To avoid undesirable leakage of bearing fluid from an oil side 3 or a likewise undesired passage of so-called blow-by gases from an exhaust side 4th to be able to prevent her is a sealing ring 5 provided, which is, for example, designed as a piston or shaft sealing ring and which is located relative to the housing side 6th does not move, that means in particular not with the wave 1 turns. With his the wave 1 facing radial inside, engages the sealing ring 5 into a circumferential groove provided on the shaft 7th a, creating between the oil side 3 and the exhaust side 4th a kind of labyrinth seal can be generated. According to the invention, there is now at least one axial end face 8th of the sealing ring 5 with a shark-like microstructure (cf. in particular 3 ) Mistake.

Die Mikrostruktur ist dabei vorzugsweise als so genannte Riefenstruktur ausgebildet und weist demgemäß im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Riefenkämme 9 sowie dazwischen liegende Riefentäler 10 auf. Die Riefenkämme 9 besitzen dabei gemäß der 3 einen spitzen, keilförmigen Querschnitt, wogegen die Riefentäler 10 einen abgerundeten Riefengrund aufweisen. Betrachtet man insbesondere die 2, so erkennt man, dass die einzelnen Riefenkämme 9 der Riefenstruktur kreisartig ausgebildet sind. Durch die erfindungsgemäß ausgebildete Mikrostruktur an zumindest einer axialen Stirnseite 8 des Dichtrings 5 wird aufgrund der sich dort beim Betrieb des Abgasturboladers, dass heißt bei einem Drehen der Welle 1, bildenden Mikrowirbel 11, ein Durchtritt von Blow-By-Gasen bzw. ein Durchtritt von Lagerfluid zumindest deutlich erschwert. Eine Riefenbreite S liegt dabei vorzugsweise zwischen 30 und 50 µm, während eine Riefenhöhe H vorzugsweise zwischen 15 und 25 µm liegt.The microstructure is preferably designed as a so-called groove structure and accordingly has groove ridges running essentially parallel to one another 9 as well as deep valleys in between 10 on. The grooved ridges 9 have according to the 3 a pointed, wedge-shaped cross-section, whereas the groove valleys 10 have a rounded groove base. If one considers in particular the 2 so you can see that the individual ridges 9 the corrugated structure are circular. Because of the microstructure formed according to the invention on at least one axial end face 8th of the sealing ring 5 is due to the there when the exhaust gas turbocharger is operating, that is, when the shaft rotates 1 , forming micro-vortices 11 , a passage of blow-by gases or a passage of bearing fluid at least significantly more difficult. A groove width S is preferably between 30 and 50 μm, while a groove height H is preferably between 15 and 25 μm.

Wie insbesondere der 2 dabei zu entnehmen ist, sind die einzelnen Riefenkämme 9 konzentrisch zueinander angeordnet und vorzugsweise auf beiden axialen Stirnseiten 8 des Dichtrings 5 vorgesehen.Like the one in particular 2 it can be seen here are the individual ridges 9 arranged concentrically to one another and preferably on both axial end faces 8th of the sealing ring 5 intended.

Aufgrund der beim Betrieb des Abgasturboladers, dass heißt bei einem sich Drehen der Welle 1, ergebende Zentrifugalkraft, strömt ein Ölfilm bzw. Luft oder Abgas aus der Umfangsnut 7 über die Stirnseite 8 des Dichtrings 5 aus. Die Querströmung des Fluids trifft dabei direkt an die Kante der Riefenstruktur und strömt in dieser Riefenstruktur zurück, wodurch die Mikrowirbel 11, insbesondere die Mikroringwirbel 11, in den konzentrisch verlaufenden Riefentälern 10 induziert werden. Selbstverständlich können derartige Dichtringe 5 sowohl auf einer Verdichterseite als auch auf einer Turbinenseite des Abgasturboladers angeordnet sein.Due to the operation of the exhaust gas turbocharger, that is, when the shaft rotates 1 , resulting centrifugal force, an oil film or air or exhaust gas flows out of the circumferential groove 7th over the front 8th of the sealing ring 5 out. The cross-flow of the fluid hits the edge of the groove structure directly and flows back in this groove structure, creating the micro-vortex 11 , especially the micro ring vertebrae 11 , in the concentric groove valleys 10 be induced. Of course, such sealing rings 5 be arranged both on a compressor side and on a turbine side of the exhaust gas turbocharger.

Mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Dichtringen 5, lässt sich somit sowohl eine unerwünschte Leckage von Lagerfluid, bspw. Öl, als auch eine unerwünschte Leckage von Blow-By-Gasen zumindest erheblich reduzieren, wodurch einerseits die Funktionssicherheit eines mit derartig ausgebildeten Dichtringen 5 versehenen Abgasturboladers gesteigert werden kann und wodurch andererseits den immer strenger werdenden Umweltschutzauflagen Rechnung getragen werden kann.With the sealing rings designed according to the invention 5 , both an undesired leakage of bearing fluid, for example oil, and an undesired leakage of blow-by gases can thus be at least considerably reduced, whereby on the one hand the functional reliability of a sealing ring designed in this way 5 provided exhaust gas turbocharger can be increased and on the other hand, the increasingly strict environmental protection requirements can be taken into account.

Claims

Exhaust gas turbocharger with a shaft (1) carrying a turbine wheel and a compressor wheel, which is sealed by means of at least one sealing ring (5), a sealing ring (5) being provided both on the compressor side and on the turbine side, characterized in that the sealing ring (5) is designed as a stationary sealing ring (5), in particular as a sealing ring (5) fixed to a housing (6) of the exhaust gas turbocharger, which engages in a circumferential groove (7) of the shaft (1) of the exhaust gas turbocharger, - that at least one axial end face ( 8) of the sealing ring (5) is provided with a shark-like microstructure, which is designed as a so-called groove structure and has groove ridges (9) running essentially parallel to one another and groove valleys (10) lying in between - that the groove structure has a pointed, wedge-shaped cross section Has grooved ridges (9) with a deep grooved bottom lying between two grooved ridges (9).

Exhaust gas turbocharger after Claim 1 , characterized in that the microstructure is designed as a groove structure, with a groove width 30 <S <50 µm and a groove height 15 <H <25 µm.

Exhaust gas turbocharger after Claim 2 , characterized in that ridges (9) of the ridges are circular.

Internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger according to one of the Claims 1 to 3 .

Motor vehicle with an internal combustion engine Claim 4 .