DE69001636T2

DE69001636T2 - Turbolader mit einer Lagerungsvorrichtung für eine Hochgeschwindigkeitswelle.

Info

Publication number: DE69001636T2
Application number: DE90302977T
Authority: DE
Inventors: Masaki Okada
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1989-04-13
Filing date: 1990-03-20
Publication date: 1993-10-07
Anticipated expiration: 2010-03-21
Also published as: JPH0674809B2; EP0392677B1; DE69001636D1; EP0392677A1; US5076755A; JPH02271105A; DE392677T1

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbolader mit einer Lagerungsvorrichtung für eine Hochgeschwindigkeitswelle, die eine Welle hält, welche sich mit extrem hoher Geschwindigkeit dreht.
Ein Turbolader zur wirksamen Ausnützung von Auspuffenergie durch Anordnen eines Motor-Generators an der Welle einer von der Auspuffenergie eines Motors getriebenen Turbine ist z.B. in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 51723/1987 offenbart. Ein derartiger Turbolader wird unter Bezugnahme auf Fig. 7 der beigefügten Zeichnung beschrieben. Der Turbolader 61 umfaßt eine Turbine 63, welche durch die Auspuffgasenergie eines Verbrennungsmotors getrieben wird, und einen Kompressor 62, der von der Turbine 63 angetrieben wird und Luft in einen Zylinder vorverdichtet. Er enthält auch einen Motor-Generator 64, der von der Turbine 63 angetrieben wird, und außerdem sind Turbine 63, Motor-Generator 64 und Kompressor 62 der Reihe nach auf einer Welle 66 angeordnet. Der Motor-Generator 64 wird entweder als Motor oder als Generator betrieben, je nach den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors. Die Drehzahl der Welle 66 des Turboladers 61 reicht von einem Bereich niedriger Drehzahlen bis zu einem Bereich extrem hoher Drehzahlen von zeitweilig 150.000 bis 200.000 U/min. Bei diesem Turbolader 61 ist ein Schaufelrad 69 der Turbine 63 an einem der Enden der Welle 66 angeordnet, und ein Laufrad 68 des Kompressors 62 ist auf das andere Ende aufgesetzt, und der Motor-Generator 64 mit einem Rotor 71 und einer Statorwicklung 72 ist zwischen dem Schaufelrad 69 und dem Laufrad 68 angeordnet. Zwei Lager 65, 65 sind auf der Welle zwischen dem Schaufelrad 60 der Turbine 63 und dem Motor-Generator 64 vorgesehen, um die Welle 66 an einem Gehäuse 70 drehbar zu halten. Ein Schmieröl oder ein Schmiermittel wird dem tragenden Teil dieser Lager 65, 65 durch einen am Gehäuse 70 ausgebildeten Schmiermittelkanal 67 zugeführt, um sie zu schmieren.
Bei dem oben beschriebenen Aufbau, bei welchem die Welle 66 von den beiden Lagern 65, 65 getragen wird, der tragende Teil der Lager 65 auf einer Seite liegt und die großen Massen wie der Rotor 71 des Motor-Generators 64 und das Laufrad 68 des Kompressors 62 am anderen Ende angeordnet sind, verursacht der die Drehbewegung aufnehmende Zustand der Welle 66 keinerlei Probleme, wie in Fig. 5 durch die ausgezogene Linie a dargestellt, wenn sich die Welle mit niedriger Drehzahl wie z.B. unterhalb von 120.000 U/min dreht, doch treten folgende Probleme auf, wenn sie sich mit hoher Drehzahl dreht. Wenn sich die Welle 66 mit hoher Drehzahl wie z.B. 120.000 U/min oder mehr dreht, wird die Zentrifugalkraft groß aufgrund der mit hoher Drehzahl rotierenden Teile wie Rotor 71 und Laufrad 68, so daß in der Welle 66 eine Unwucht entsteht und die Biegung der Welle 66 groß wird, wie durch die gestrichelte Linie b in Fig. 5 dargestellt. Daher wird eine Gleichgewichtskorrektur der Welle 66 erforderlich, um eine Biegung der Welle 66 zu vermeiden. Die Eigenfrequenz der Welle sinkt ab, und die Drehzahl sinkt ebenfalls ab, so daß die Biegungsamplitude groß wird.
Aus den oben beschriegenen Gründen liegt der vertretbare Bereich als Höchstwert für die normale Drehzahl z.B. im Fall einer Zweipunkt-Auslegung, bei der die Welle 66 von zwei Lagern 65 getragen wird, bei 120.000 U/min, doch wenn die Drehzahl der Welle 66 zunimmt und in einen hohen Drehzahlbereich eintritt, wird die Biegung der Welle 66 so groß, daß die Drehzahl der Welle 66 z.B. nicht auf eine Nenndrehzahl von 150.000 U/min erhöht werden kann.
Um die Welle der hohen Drehzahl standhalten zu lassen und das Auftreten einer Biegung der Welle zu verhindern, wurden daher Gegenmaßnahmen versucht, indem man den Durchmesser der Welle vergrößerte oder ein geeignetes Material auswählte, um die Steifheit zu verbessern, das Gewicht für das Aufsetzen von Massen wie Stator und Laufrad reduzierte oder eine extrem genaue Korrektur des Unwuchtausmaßes vornahm. Wenn jedoch derartige Gegenmaßnahmen angewandt werden, erhöht sich die Reibung zwischen den sich im Verhältnis zueinander drehenden Teilen, und das Reaktionsvermögen z.B. für Drehung und Stillstand der Welle sowie deren Drehsteuerung wird verschlechtert. Außerdem fällt der Wirkungsgrad des Turboladers und des Motor-Generators ab, die Herstellbarkeit leidet ebenfalls, und die Herstellungskosten nehmen zu.
Ein weiterer Turbolader, der die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 umfaßt, ist in der EP-A-0310426 offenbart.
Es ist die Hauptaufgabe der Erfindung, die oben beschriebenen Probleme zu lösen. Bei einer Konstruktion, in welcher drehende Teile mit großer Masse an beiden Enden einer Welle befestigt sind und eines der Wellenenden in zwei Lagern drehbar gehalten ist, wobei das andere Ende in einem freien Zustand gehalten wird, wie z.B. der Aufbau eines Turboladers, bei dem ein Schaufelrad einer Turbine als erster drehender Teil an einem Ende einer Welle befestigt, ein Laufrad eines Kompressors als zweiter rotierender Teil am anderen Ende befestigt, ein Motor-Generator mit einem Rotor als dem dritten rotierenden Teil zwischen dem Schaufelrad und dem Laufrad angeordnet und der Teil der Welle zwischen dem Flügelrad und dem Motor-Generator durch zwei Lager drehbar an einem Gehäuse gehalten ist, richtet sich die Erfindung darauf, eine Lagerungsvorrichtung für eine Hochgeschwindigkeitswelle zu schaffen, unter Verwendung der Konstruktion, bei welcher die oben beschriebene Welle durch die beiden oben beschriebenen Lager im Drehzahlbereich bis zur normalen Drehzahl der Welle drehbar gehalten ist, auf der Grundlage der Voraussetzung, daß das Problem der Wellenbiegung bei normaler Drehzahl der Welle, z.B. bis zu 120.000 U/min nicht auftritt, daß es jedoch jenseits dieser Größenordnung in Erscheinung tritt, wobei die Welle von einem weiteren Lager neben den beiden oben beschriebenen Lagern bzw. von insgesamt drei Lagern im hohen Drehzahlbereich der Welle gehalten ist, wie durch die ausgezogene Linie c in Fig. 5 gezeigt, um die Reibungszunahme zwischen den sich im Verhältnis zueinander drehenden Teilen im niedrigen Drehzahlbereich zu verhindern, die Abnahme des Reaktionsvermögens für die Drehung und das Anhalten der Welle und ihre Drehsteuerung zu vermeiden sowie eine Abnahme des Wirkungsgrads des Turboladers und des Motor-Generators auszuschalten.
Die Erfindung ist bestrebt, eine Lagerungsvorrichtung für eine Hochgeschwindigkeitswelle zu schaffen, die ein funktionsabhängiges Lager umfaßt, das auf einer Welle angeordnet ist, welche durch zwei Lager an einem Gehäuse drehbar gehalten wird, und das in der Lage ist, die Welle drehbar zu halten, einen Drehzahlfühler zum Messen der Drehzahl der Welle sowie eine Steuereinrichtung zum Schalten des funktionsabhängigen Lagers in den die Welle haltenden Zustand aufgrund eines Drehzahlmeßsignals des Drehzahlfühlers, welches anzeigt, daß die Drehzahl der Welle oberhalb einer vorbestimmten Drehzahl liegt.
Gemäß der Erfindung wird ein Turbolader mit einer Lagerungsvorrichtung zur Aufnahme einer Hochgeschwindigkeitswelle geschaffen, bestehend aus:
einem Gehäuse;
einer Turbine, welche für den Antrieb durch die Energie eines von einem Motor abgegebenen Auspuffgases ausgelegt ist;
einer Welle mit einem Endteil, an welchem ein Schaufelrad der Turbine befestigt ist;
einem Kompressor mit einem auf das andere Ende der Welle montierten Laufrad (8);
einem an einem Teil der Welle angeordneten Motor-Generator, der sich zwischen der Turbine und dem Kompressor befindet;
zwei Lagern, welche zwischen der Turbine und dem Motor- Generator angeordnet sind und die Welle am Gehäuse drehbar halten;
gekennzeichnet durch ein funktionsabhängiges Lager, welches zwischen dem Motor-Generator und dem Kompressor angeordnet ist, wobei dieses funktionsabhängige Lager einen Haltezustand aufweist, in welchem das funktionsabhängige Lager die Welle drehbar am Gehäuse hält, sowie einen freien Zustand, in dem die Welle nicht durch das funktionsabhängige Lager gehalten ist;
ein Betätigungsorgan, welches umschaltbar ist, um das funktionsabhängige Lager zu veranlassen, daß es den Haltezustand oder den freien Zustand einnimmt;
eine Ölpumpe für die Zufuhr von Schmieröl zum Motor;
eine Ölzufuhreinrichtung für die zusätzliche Zufuhr von Öl aus der Ölpumpe zum Betätigungsorgan, um dasselbe umzuschalten, wobei diese Ölzufuhreinrichtung einen Ölkanal, umfaßt, welcher die Verbindung zwischen der Ölpumpe und dem Betätigungsorgan herstellt, sowie ein Magnetventil, welches im Ölkanal zum Öffnen bzw. Schließen dieses Ölkanals untergebracht ist;
einen Drehzahlfühler, welcher zum Messen der Drehzahl der Welle ausgelegt ist; und
eine Steuereinrichtung, welche zum Öffnen des Magnetventils aufgrund eines Drehzahlmeßsignals von dem Drehzahlfühler ausgelegt ist, welches anzeigt, daß die gemessene Drehzahl der Welle nicht niedriger ist als eine vorgegebene Drehzahl, wodurch Öl von der Ölpumpe dem Betätigungsorgan zugeführt wird, um dasselbe derart zu schalten, daß es das funktionsabhängige Lager in den Haltezustand bringt, so daß die Welle sowohl in den beiden Lagern als in dem funktionsabhängigen Lager drehbar gehalten ist, sowie zum Schließen des Magnetventils aufrund eines Drehzahlmeßsignals vom Drehzahlfühler, welches anzeigt, daß die gemessene Drehzahl der Welle niedriger ist als der vorgegebene Wert, um das Betätigungsorgan in einen Nicht-Betriebszustand und das funktionsabhängige Lager in einen freien Zustand zu bringen, so daß die Welle lediglich in den beiden Lagern drehbar gehalten ist.
Diese Lagerungsvorrichtung kann die Welle in der Dreipunktlagerungsauslegung mit den drei Lagern zur Zeit hoher Drehzahl der Welle halten, und schaltet die Welle in den Zustand mit Dreipunkt-Lagerung, um das Auftreten einer starken Biegung am freien Wellenende und die Entstehung von Schwingungen an der Welle zu verhindern, eine ruhige Drehung der Welle sicherzustellen, ein Nicht-Drehen der Welle aufgrund ihrer Biegung zu vermeiden, die Zuverlässigkeit der Wellendrehung im hohen Drehzahlbereich sowie ihr Reaktionsvermögen zu verbessern ohne mechanische Verluste zu erzeugen. Außerdem schaltet die Lagerungsvorrichtung gemäß der Erfindung eine Reibung der funktionsabhängigen Lager mit der Welle aus, wenn die Welle im hohen Drehzahlbereich arbeitet.
Vorzugsweise enthält das funktionsabhängige Lager einen ersten ringartigen Lagerteil, der rund um die Welle angesetzt ist und eine konisch zulaufende Fläche aufweist, sowie einen axial verschiebbaren zweiten ringartigen Lagerteil, der am Gehäuse befestigt ist und eine konisch zulaufende Fläche aufweist;
der Haltezustand des funktionsabhängigen Lagers, bei dem die Welle drehbar im Gehäuse gelagert ist, wird durch axiale Verschiebung des zweiten ringartigen Lagerteils unter der Einwirkung des Öls erreicht, so daß dessen konisch zulaufende Fläche die konisch zulaufende Fläche des ersten ringartigen Lagerteils hält, welcher drehbar über diese konisch zulaufende Fläche des zweiten ringartigen Lagerteils gleitet;
der freie Zustand, bei dem das funktionsabhängige Lager die Welle nicht drehbar im Gehäuse hält, wird dadurch erreicht, daß die konisch zulaufende Fläche des ersten ringartigen Lagerteils und die konisch zulaufende Fläche des zweiten ringartigen Lagerteils im nicht-berührenden Zustand gehalten werden.
Der Massenzuwachs an der Welle ist lediglich die Masse des ersten ringartigen Lagerteils, wenn sich das funktionsabhängige Lager außerhalb des Funktionszustands befindet, daher wird die Masse der Welle nicht stark erhöht, die Drehbewegung der Welle wird nicht behindert, das funktionsabhängige Lager selbst ist ein Lager vom Typ mit Flüssigkeitsdruck, und der Flüssigkeitsdruck kann in Abhängigkeit von der Drehzahl der Welle, die Haltekraft stabilisierungsweise gesteuert werden.
Vorzugsweise ist die konisch zulaufende Fläche des zweiten ringartigen Lagerteils mit einem Durchgangsloch versehen, durch welches Öl von der Ölpumpe einleitbar ist, um die in Berührung stehenden Flächen zu schmieren und eine erstklassige Lagerfläche an der Berührungsfläche, bzw. in anderen Worten, an den konisch zulaufenden Flächen zu erzielen, darüber hinaus kann die Schmierfunktion zur Zeit des Betriebszustands des funktionsabhängigen Lagers durchgeführt werden, und da die Zufuhröffnung das oben beschriebene Durchgangsloch ist, braucht keinerlei Schmiereinrichtung vorgesehen zu werden, insbesondere können die Herstellungskosten reduziert werden, und der Aufbau kann somit vereinfacht werden.
Die Lagerungsvorrichtung kann in einem Turbolader verwendet werden, bei welchem ein Turbinenschaufelrad an einem Ende einer Welle und ein Kompressorlaufrad am anderen Ende befestigt, ein Motor-Generator auf der Welle angeordnet und der Wellenteil zwischen dem Schaufelrad und dem Motor-Generator durch die beiden Lager drehbar am Gehäuse gelagert ist.
Das funktionsabhängige Lager wird im freien Zustand betrieben, und nur die beiden Lager halten die Welle drehbar, wenn sich die Welle mit normaler Drehzahl wie z.B. 120.000 U/min dreht, da das Problem der Wellenbiegung in einem derartigen Drehzahlbereich nicht auftritt, um die Drehreibung der Welle zu reduzieren und ein Abfallen des Reaktionsvermögens für die Drehung und das Anhalten der Welle sowie deren Drehsteuerung zu vermeiden. Die Welle wird im hohen Drehzahlbereich der Welle durch ein weiteres Lager bzw. das oben beschriebene funktionsabhängige Lager zusätzlich zu den beiden Lagern, oder durch drei Lager gehalten, um das Auftreten der durch die Wellenbiegung bedingten Drehstörung zu verhindern, einen ruhigen Lauf der Welle zu gewährleisten und das Absinken des Wirkungsgrads des Turboladers und des Motor-Generators zu vermeiden.
Nachstehend werden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in welcher:
Fig. 1 eine Schnittansicht ist, welche einen Turbolader mit einer eingebauten Lagerungsvorrichtung für Hochgeschwindigkeitswellen zeigt;
Fig. 2 eine Schnittansicht ist, welche den ausgerückten Zustand der Hauptteile eines in Fig. 1 dargestellten funktionsabhängigen Lagers zeigt;
Fig. 3 eine Schnittansicht ist, welche den eingerückten Zustand der Hauptteile des in Fig. 1 dargestellten funktionsabhängigen Lagers zeigt;
Fig. 4 eine erläuternde Darstellung ist, die zur Erklärung der Lagerungsvorrichtung für eine Hochgeschwindigkeitswelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dienlich ist;
Fig. 5 ein Schaubild ist, das zur Erklärung der Funktionsweise der Lagerungsvorrichtung für eine Hochgeschwindigkeitswelle bei der Erfindung dienlich ist;
Fig. 6 ein Ablaufdiagramm ist, das zur Erklärung des Turboladers mit eingebauter Lagerungsvorrichtung für eine Hochgeschwindigkeitswelle gemäß der Erfindung dienlich ist; und
Fig. 7 eine Schnittdarstellung ist, welche ein Beispiel eines herkömmlichen Turboladers eines Verbrennungsmotors zeigt.
Im folgenden wird eine Ausführungsform einer Lagerungsvorrichtung für eine Hochgeschwindigkeitswelle gemäß der Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. In Fig. 1 ist der Turbolader mit eingebauter Lagerungsvorrichtung für eine Hochgeschwindigkeitswelle allgemein durch die Bezugszahl 1 bezeichnet. Dieser Turbolader 1 umfaßt eine von einem Auspuffgas eines Motors getriebene Turbine 3, einen Kompressor 2 zum Vorverdichten von Luft in einen Motor, wenn er durch die Turbine 3 angetrieben wird, und einen von der Turbine 3 getriebenen Motor-Generator 4.
Der Motor-Generator 4 wirkt als Generator zur Erzeugung von Wechselstromenergie und als Motor zur Erzeugung mechanischer Energie unter Aufnahme von Wechselstromenergie. Es handelt sich um einen extrem schnellen Motor-Generator 4, der zu extrem hohen Drehzahlen von ca. 150.000 bis 200.000 U/min fähig ist. Die Turbine 3 enthält ein Schaufelrad 9 als ersten rotierenden Teil, das in einem Turbinengehäuse 13 untergebracht ist. Der Kompressor 2 umfaßt ein Laufrad 8 als zweiten rotierenden Teil in einem Kompressorgehäuse 14. Eine Verdichtervolute 18 des Kompressors 2 steht mit einem Ansaugkrümmer des Motors über ein Ansaugrohr in Verbindung. Schaufelrad 9 der Turbine 3 und Laufrad 8 sind in Kraftübertragungskopplung verbunden. In anderen Worten, das Laufrad 8 ist an einem Ende der Welle 6 des Turboladers 1 über einen Kompressorwellenteil befestigt, welcher mit der Welle 6 einstückig ausgeführt ist, und das Schaufelrad 9 ist am anderen Ende der Welle 6 des Turboladers 1 über eine Turbinenwelle befestigt.
Der Motor-Generator 4, der im mittleren Teil der Welle 6 angeordnet ist, welche das Schaufelrad 9 der Turbine 3 mit dem Laufrad 8 verbindet, hat den gleichen Aufbau und die gleiche Funktion wie diejenigen der herkömmlichen Motor-Generatoren im Turbolader eines Verbrennungsmotors nach dem Stand der Technik, und er arbeitet als Motor oder als Generator. Dieser Motor-Generator 4 enthält einen Rotor 11 als dritten rotierenden Teil, der an der Welle 6 befestigt ist, welche das Innere des mittleren Gehäuses 15 durchsetzt, in Axialrichtung verläuft und aus einem Permanentmagneten hergestellt ist, sowie einen Stator 12, der aus einem Statorkern, einer Statorwicklung usw. besteht. Die Welle 6 des Turboladers 1 ist von zwei am mittleren Gehäuse 15 befestigten Lagern 5, 5 drehbar gehalten. Das Schaufelrad 9 der Turbine 3 dreht sich durch Aufnahme des vom Auspuffkrümmer des Motors zur Turbinenvolute 17 geleiteten Auspuffgasstroms, d.h. der Auspuffenergie, und das Auspuffgas wird in Axialrichtung der Welle 6, bzw. in der durch den Pfeil B angezeigten Richtung ausgestoßen. Das Laufrad 8 des Kompressors 2 formt den Druck der aus der Eintrittsöffnung 16 in die Verdichtervolute 18 eingetretenen Luft durch einen Diffusor um, wie durch den Pfeil A angezeigt, und schickt sie in den Ansaugkrümmer des Motors durch den Luftdurchtritt, oder in anderen Worten, durch das Ansaugrohr.
Der Motor-Generator 4 wird durch die Steuereinrichtung gesteuert, von der Turbine 3 angetrieben, um eine Spannung in der Statorwicklung zu erzeugen, und gibt diese Spannung zur Energiequelle zurück. Er arbeitet als Motor, der in der Lage ist, die regenerierte Spannung in einen Akkumulator zu laden bzw. ihn als Last zu benützen, und als Motor durch Aufnahme der Wechselstromenergie vom Akkumulator. Die Welle 6 wird am mittleren Gehäuse 15 durch zwei Lager 5, 5 gehalten, und ein Schmiermittel wird diesen Lagern 5, 5 aus einem Schmiermittel-Zufuhrkanal 7 zugeleitet, welcher mit einer Schmiermittel-Versorgungsquelle wie z.B. einer Ölleitung in Verbindung steht, um sie zu schmieren.
Die Lagerungsvorrichtung für eine Hochgeschwindigkeitswelle gemäß der Erfindung umfaßt ein funktionsabhängiges Lager 19, um die Welle 6, von der ein Ende durch die beiden Lager 5, 5 drehbar gehalten wird und deren andere Seite in einen freien Zustand mit großer Masse versetzt ist, im Gleichgewichtszustand zu halten. So enthält beispielsweise beim Turbolader 1 von der Art, bei welcher das Schaufelrad 9 der Turbine 3 an einem Ende der Welle 6 angeordnet, das Laufrad 8 des Kompressors 2 am anderen Ende angesetzt und der Motor-Generator 4 mit dem Rotor 11 zwischen dem Schaufelrad 9 und dem Laufrad 8 angeordnet ist, wie oben beschrieben, die Lagerungsvorrichtung gemäß der Erfindung zwei Lager 5, 5, um die Welle zwischen dem Schaufelrad 9 und dem Motor-Generator 4 am Gehäuse 15 drehbar zu halten, und das funktionsabhängige Lager 19, um die Welle 9 an einer Stelle in der Nähe des Kompressors 2 im Bereich hoher Drehzahlen zu halten.
Als nächstes wird das funktionsabhängige Lager 19 unter Bezugnahme auf Fig. 1, 2, 3 und 4 beschrieben. Eine große Masse wie z.B. ein aus einem Permanentmagneten hergestellter Rotor ist am freien Ende der Welle 6 in der gleichen Weise wie bei der oben beschriebenen Welle 6 des Turboladers 1 befestigt, und die Welle wird durch die gleiche Bezugszahl wie oben beschrieben bezeichnet. Die Welle 6 ist von den beiden Lagern drehbar gehalten, und das funktionsabhängige Lager 19, welches in der Lage ist, die Welle 6 drehbar zu halten, ist am freien Ende dieser Welle 6 angeordnet. Das funktionsabhängige Lager 19 umfaßt einen ersten ringartigen Lagerteil 23 mit einer konisch zulaufenden Fläche 22, die als lagerbildende Fläche dient und an der Welle 6 befestigt ist, und einen zweiten ringartigen Lagerteil 25 mit einer konisch zulaufenden Fläche 24, welche gegen die konisch zulaufende Fläche 22 des ersten ringartigen Lagerteils 23 anlegbar und in Axialrichtung verschiebbar ist. Ein Ende eines dehnbaren ringartigen Wellrohrs 27 ist am Gehäuse 26 und das andere Ende am zweiten ringartigen Lagerteil 25 befestigt. Eine dehnbare Öldruckkammer 28 wird durch dieses ringartige Wellrohr 27 in Zusammenwirkung mit dem zweiten ringartigen Lagerteil 25 und dem Gehäuse 26 gebildet. Das Öl wird in die Öldruckkammer 28 durch einen am Gehäuse 26 ausgebildeten Öldruckkanal 29 geleitet. Das dieser Öldruckkammer 28 zuzuführende Öl wird ihr von einer Ölpumpe 30 geliefert, welche für die Schmiermittelzufuhr in den Motor 20 vorgesehen ist, wie z.B. in Fig. 4 gezeigt. Ein am Gehäuse 26 befestigter ringartiger Halteteil 34 ist an der äußeren Umfangsfläche des zweiten ringartigen Lagerteils 25 vorgesehen. Außerdem ist ein am Gehäuse 26 befestigter ringartiger Halteteil 34 an der äußeren Umfangsfläche des zweiten ringartigen Lagerteils 25 vorgesehen. Dieser ringartige Halteteil 34 verhindert Schwingungen des zweiten ringartigen Lagerteils 25 in Radialrichtung. Ein an der Spitze des ringartigen Halteteils 34 ausgebildeter Anschlag 35 begrenzt den Bewegungsbereich des zweiten ringartigen Lagerteils 25 in Axialrichtung und vermeidet somit, daß die konisch zulaufende Fläche 22 des ersten ringartigen Lagerteils 23 und die konisch zulaufende Fläche 24 des zweiten ringartigen Lagerteils 25 in einen übermäßig gepreßten Zustand geraten, und liefert eine erstklassige Auflagefläche. Außerdem ist ein Federsitz 36 an der Spitze des ringartigen Halteteils 34 vorgesehen, und eine Rückstellfeder 37 ist zwischen den Federsitz 36 und den zweiten ringartigen Lagerteil 25 eingesetzt. Wenn der Öldruck in der Öldruckkammer 28 abgebaut wird, drückt die Rückstellfeder 37 die Öldruckkammer 28 zusammen und schiebt den zweiten ringartigen Lagerteil 25 in seine Ausgangsstellung zurück. Ein Durchgangsloch 38 ist am zweiten ringartigen Lagerteil 25 ausgebildet, um das Öl oder Schmiermittel zur Berührungsfläche zwischen der konisch zulaufenden Fläche 22 und der konisch zulaufenden Fläche 24 als der die Lagerung bildenden Fläche zu leiten.
Das funktionsabhängige Lager 19 weist den oben beschriebenen Aufbau auf. Wenn das Öl an das ringartige Wellrohr 27 geliefert bzw. abgesperrt wird, bewirkt die Öldruckkammer 28 eine Ausdehnung bzw. Zusammenziehung, und gleichzeiting bewegt sich der zweite ringartige Lagerteil 25 in Axialrichtung hin und her. In anderen Worten, die Hin- und Herbewegung des zweiten ringartigen Lagerteils 25 in Axialrichtung stellt ein Stellorgan dar, und wenn das Öl zur Öldruckkammer 28 gefördert wird und das ringartige Wellrohr 27 sich ausdehnt, bewegt sich der zweite ringartige Lagerteil 25 in Axialrichtung, wie in Fig. 3 gezeigt, so daß seine konisch zulaufende Fläche 24 in Berührung mit der konisch zulaufenden Fläche 22 des ersten ringartigen Lagerteils 23 kommt, und das funktionsabhängige Lager 19 tritt in den wirksamen Zustand ein, in dem es die Welle 6 zwischen dem ersten und zweiten ringartigen Lagerteil 23 und 25 drehbar hält. Auf diese Weise wirkt der zweite ringartige Lagerteil 25, um die Schwingung der Welle 6 zu vermeiden. Die Zufuhr des Öls zur Öldruckkammer 28 des funktionsabhängigen Lagers 19 erfolgt auf folgende Weise. Ein Drehzahlfühler 33 erfaßt die Drehzahl R der Welle 6, wenn sie eine vorbestimmte Drehzahl Ro überschreitet, und die Steuereinrichtung 10 empfängt dieses Meßsignal und erzeugt ein Signal zum Öffnen eines Magnetventils 21 als Reaktion auf dieses Meßsignel.
Als nächstes wird die Arbeitsweise der Lagerungsvorrichtung für eine Hochgeschwindigkeitswelle gemäß der Erfindung und deren Steuerung speziell unter Bezugnahme auf das in Fig. 6 gezeigte Ablaufdiagramm erläutert.
Wenn der Motor 20 angelassen wird, wird der Turbolader 1 in Betrieb gesetzt, und die Drehung des Schaufelrads der Turbine 3 treibt den Motor-Generator 4 an, um die Spannung in der Statorwicklung zu induzieren. Diese Spannung wird in Richtung zur Energiequelle zurückgeleitet, und die regenerierte Spannung wird in den Akkumulator geladen oder als Last verwendet. Diese Funktionen des Motors und die Funktion des Motor-Generators 4 als Motor durch Aufnahme der Wechselstromenergie aus dem Akkumulator sind die gleichen wie diejenigen des herkömmlichen Turboladers 1, und deren Beschreibung entfällt.
Die Funktionen des Turboladers 1 mit der eingebauten Lagerungsvorrichtung für eine Hochgeschwindigkeitswelle gemäß der Erfindung weisen folgende Merkmale auf.
Zunächst wird der Motor 20 angelassen (Schritt 40), und der Turbolader 1 wird in Betrieb gesetzt (Schritt 41). Der Drehzahlfühler 33 mißt die Drehzahl der Welle 6 des Turboladers 1 in Abhängigkeit von seiner Betriebsweise (Schritt 42). Das vom Drehzahlfühler 33 erhaltene Drehzahlsignal für die Welle 6 wird in die Steuereinrichtung 10 eingegeben.
Das in die Steuereinrichtung 10 eingegebene Drehzahlsignal der Welle 6 wird zu einem für die Steuerung geeigneten elektrischen Signal verstärkt. Übrigens ist die Grenzdrehzahl Ro der Welle, bei welcher die Welle 6 in zwei Punkten oder, in anderen Worten, durch die beiden Lager 5 gehalten werden kann, d.h. der Höchstwert der normalen Drehzahl der Welle 6, im voraus festgelegt, und diese Drehzahl Ro wird in einen Parameter-Einsteller der Steuereinrichtung 10 eingegeben. Daher wird beurteilt, ob die Drehzahl R der Welle 6 höher ist als die eingestellte Drehzahl Ro oder nicht, indem das elektrische Signal der gemessenen Drehzahl R der Welle 6 mit dem elektrischen Signal der Drehzahl Ro im hohen Drehzahlbereich verglichen wird, welche vorab eingestellt ist (Schritt 43).
Nehmen wir den Fall an, in welchem das Fahrzeug z.B. auf einer Straße fährt, die Drehung des Motors 20 nimmt zu, um die Auspuffenergie zu erhöhen, und die Drehzahl R der Welle 6 des Turboladers 1 steigt an und wird größer als die vorbestimmte Drehzahl Ro. Dann wird das Stellorgan des funktionsabhängigen Lagers 19 betätigt, und das funktionsabhängige Lager 19 verhindert das Auftreten von Schwingungen am freien Ende der Welle 6. Demzufolge schreitet der Ablauf weiter zum Schritt 46.
Wenn sowohl Motor 20 als Turbolader 20 arbeiten (Schritt 44), die Drehzahl des Motors 20 jedoch nicht zunimmt und die Drehzahl R der Welle 6 des Turboladers 1 niedriger ist als die vorbestimmte Drehzahl Ro, mißt der Drehzahlfühler 33 nacheinander die Drehzahl R der Welle 6 und gibt das Meßsignal in die Steuereinrichtung 10 ein, um die Drehzahl R zu beurteilen und mit der vorbestimmten Drehzahl Ro zu vergleichen (Schritt 43). Wenn jedoch der Betrieb des Motors 20 beendet wird, wird der Betrieb des Turboladers 1 ebenfalls angehalten (Schritt 45), und die Ablaufsteuerung für die Betätigung der Lagerungsvorrichtung für eine Hochgeschwindigkeitswelle ist abgeschlossen.
Wenn die Drehzahl R der Welle 6 zunimmt und höher wird als die vorbestimmte Drehzahl Ro, erzeugt die Steuereinrichtung 10 das Signal zum Öffnen des Magnetventils 21, erregt den Tauchmagneten zum Betätigen des Magnetventils und öffnet das Magnetventil 21 (Schritt 46). Wenn sich das Magnetventil 21 öffnet, tritt das von der Ölpumpe 30 gelieferte Öl, welche zum Schmieren aller Teile des Motors 20 betrieben wird, hintereinander durch den Ölkanal 31, das Magnetventil 21, den Ölkanal 32 und den Ölkanal 29 des mittleren Gehäuses 15 des Turboladers 1 und wird in die Öldruckkammer 28 des funktionsabhängigen Lagers 19 geleitet. Wenn das Öl in die Öldruckkammer 28 eintritt, dehnt sich das ringartige Wellrohr 27 aus und spielt die Rolle des Stellorgans (Schritt 47), so daß sich der zweite ringartige Lagerteil 25 in Axialrichtung der Welle 6 aus dem in Fig. 2 dargestellten Zustand in den in Fig. 3 gezeigten Zustand verschiebt. Die Verschiebung des zweiten ringartigen Lagerteils 25 in Axialrichtung bringt die konisch zulaufende Fläche 24 des zweiten ringartigen Lagerteils 25 als lagerbildende Fläche in Berührung mit der konisch zulaufenden Fläche 22 des ersten ringartigen Lagerteils 23 als lagerbildender Fläche, und das funktionsabhängige Lager 19 arbeitet im Lager-Haltezustand (Schritt 48). Da das funktionsabhängige Lager 19 wirksam ist oder, in anderen Worten, da es die Lagerfunktion zum Halten der Welle 6 ausübt, befindet sich die Welle 6 im Zustand mit Dreipunkt- Stützung durch die beiden Lager 55 und durch das funktionsabhängige Lager 19 (Schritt 49). Zu diesem Zeitpunkt wird das in die Öldruckkammer 28 geförderte Öl den konisch zulaufenden Flächen 22, 24 als den lagerbildenden Flächen durch das Durchgangsloch 38 zugeführt und schmiert die Berührungsflächen. Folglich kann das funktionsabhängige Lager 19 eine glatte Lagerfunktion erzielen, ohne ein Festfressen o. dgl. zu verursachen. Wenn die Welle 6 in den Zustand eintritt, in welchem sie an den drei Punkten gelagert und der freie Endteil der Welle 9 vom funktionsabhängigen Lager 19 gehalten ist, wird selbst dann, wenn sich die Welle 6 mit einer Nenndrehzahl von z.B. 150.000 U/min dreht, welche den Höchstwert ihrer normalen Drehzahl, d.h. 120.000 U/min überschreitet, eine Biegung der Welle 6, welche durch die Zentrifugalkraft in herkömmlicher Weise entstanden ist (gestrichelte Linie b in Fig. 5), unterdrückt, und die Biegung der Welle 6 tritt nicht auf (ausgezogene Linie c in Fig. 5).
Anschließend mißt der Drehzahlfühler 33 die Drehzahl R der Welle 6, und diese Drehzahl R wird mit der vorbestimmten Drehzahl Ro zur Beurteilung verglichen (Schritt 50). Falls der Zustand anhält, bei welchem die Drehzahl R höher ist als Ro (R ≥ Ro), wird der wirksame Zustand des funktionsabhängigen Lagers 19 beibehalten, und die Welle 6 wird als solche im Zustand der Dreipunkt-Lagerung gehalten.
Wenn jedoch die Drehung der Welle 6 abnimmt und die Drehzahl R kleiner wird als Ro, ist es nicht mehr erforderlich, die Welle 6 in Dreipunkt-Lagerung unter dem wirksamen Zustand des funktionsabhängigen Lagers 19 zu halten. Daher wird der wirksame Zustand des funktionsabhängigen Lagers 19 aufgehoben. Die Reibung durch das funktionsabhängige Lager 19 nimmt jedoch zu, wenn die Welle 6 in den drei Punkten gehalten wird, insbesondere zum Zeitpunkt niedriger Drehzahl. Daher wird die Wirksankeit des funktionsabhängigen Lagers 19 aufgehoben, um die Reibung zwischen der Welle 6 und dem funktionsabhängigen Lager 19 auszuschalten, das Ansprechverhalten zu verbessern und das Abfallen des Wirkungsgrads zu vermeiden. In anderen Worten, wenn die vom Drehzahlfühler 33 gemessene Drehzahl R niedriger ist als die Drehzahl Ro, erzeugt die Steuereinrichtung ein Signal zum Abschalten des Magnetventils 21, betätigt den Tauchmagneten zum Ansteuern des Magnetventils und schließt das Magnetventil 21 (Schritt 51). Wenn das Magnetventil 21 geschlossen ist, wird das Öl nicht zur Öldruckkammer 28 gefördert, sondern entweicht aus dem Durchgangsloch 38 des zweiten ringartigen Lagerteils 25 aufgrund der Wirkung der Rückstellfeder 37, so daß die Funktion des Stellorgans ausgeschaltet ist (Schritt 52). Wenn das Stellorgan ausgeschaltet ist, zieht sich die Öldruckkam-28 zusammen, und die konisch zulaufende Fläche 24 des zweiten ringartigen Lagerteils 25 wird aus ihrer Anlage gegen die konisch zulaufende Fläche 22 des ersten ringartigen Lagerteils 23 gelöst. Folglich ist die Wirksamkeit des funktionsabhängigen Lagers 19 ausgeschaltet (Schritt 53).
Wenn die Wirksamkeit des funktionsabhängigen Lagers 19 ausgeschaltet ist, geht der Ablauf zu Schritt 43 über. In anderen Worten, das Drehzahlmeßsignal vom Drehzahlfühler 33 wird in die Steuereinrichtung 10 eingegeben, und die Vergleichs-/Beurteilungs-Kontrolle der Drehzahl R der Welle 6 mit der vorbestimmten Drehzahl Ro wird in der Steuereinrichtung 10 wiederholt.

Claims

1. Turbolader mit einer Lagerungsvorrichtung zur Aufnahme einer Hochgeschwindigkeitswelle, bestehend aus

einem Gehäuse (15);

einer Turbine (3), welche für den Antrieb durch die Energie eines von einem Motor (20) abgegebenen Auspuffgases ausgelegt ist;

einer Welle (6) mit einem Endteil, an welchem ein Schaufelrad (9) der Turbine (3) befestigt ist;

einem Kompressor (2) mit einem auf das andere Ende der Welle (6) montierten Laufrad (8);

einem an einem Teil der Welle (6) angeordneten Motor-Generator (4), der sich zwischen der Turbine (3) und dem Kompressor (2) befindet;

zwei Lagern (5), welche zwischen der Turbine (3) und dem Motor-Generator (4) angeordnet sind und die Welle (6) am Gehäuse (15) drehbar halten;

gekennzeichnet durch ein funktionsabhängiges Lager (19), weiches zwischen dem Motor-Generator (4) und dem Kompressor (2) angeordnet ist, wobei dieses funktionsabhängige Lager (19) einen Haltezustand aufweist, in welchem das funktionsabhängige Lager die Welle (6) drehbar am Gehäuse (15) hält, sowie einen freien Zustand, in dem die Welle (6) nicht durch das funktionsabhängige Lager (19) gehalten ist;

ein Betätigungsorgan, welches umschaltbar ist, um das funktionsabhängige Lager (19) zu veranlassen, daß es den Haltezustand oder den freien Zustand einnimmt;

eine Ölpumpe (30) für die Zufuhr von Schmieröl zum Motor (20);

eine Ölzufuhreinrichtung für die zusätzliche Zufuhr von Öl aus der Ölpumpe (30) zum Betätigungsorgan, um dasselbe zu schalten, wobei diese Ölzufuhreinrichtung einen Ölkanal (31, 32, 29) umfaßt, welcher die Verbindung zwischen der Ölpumpe (30) und dem Betätigungsorgan herstellt, sowie ein Magnetventil (21), welches im Ölkanal (31, 32, 29) zum Öffnen bzw. Schließen dieses Ölkanals untergebracht ist;

einen Drehzahlfühler (33), welcher zum Messen der Drehzahl der Welle (6) ausgelegt ist; und

eine Steuereinrichtung (10), welche zum Öffnen des Magnetventils aufgrund eines Drehzahlmeßsignals von dem Drehzahlfühler (33) ausgelegt ist, welches anzeigt, daß die gemessene Drehzahl der Welle (6) nicht niedriger ist als eine vorgegebene Drehzahl, wodurch Öl von der Ölpumpe (30) dem Betätigungsorgan zugeführt wird, um dasselbe derart zu schalten, daß es das funktionsabhängige Lager (19) in den Haltezustand bringt, so daß die Welle (6) sowohl in den beiden Lagern (5) als in dem funktionsabhängigen Lager (19) drehbar gehalten ist, sowie zum Schließen des Magnetventils (21) aufrund eines Drehzahlmeßsignals vom Drehzahlfühler (33), welches anzeigt, daß die gemessene Drehzahl der Welle (6) niedriger ist als der vorgegebene Wert, um das Betätigungsorgan in einen Nicht-Betriebszustand und das funktionsabhängige Lager (19) in einen freien Zustand zu bringen, so daß die Welle (6) lediglich in den beiden Lagern (5) drehbar gehalten ist.

2. Turbolader mit einer Lagerungsvorrichtung zur Aufnahme einer Hochgeschwindigkeitswelle nach Anspruch l, wobei das funktionsabhängige Lager (19) einen ersten ringartigen Lagerteil (23) mit einer konisch zulaufenden Fläche (22) enthält, der rund um die Welle (6) angesetzt ist, sowie einen axial verschiebbaren zweiten ringartigen Lagerteil (25) mit einer konisch zulaufenden Fläche (24), der am Gehäuse (26) befestigt ist;

wobei der Haltezustand des funktionsabhängigen Lagers (19), bei dem die Welle (6) drehbar im Gehäuse (15) gelagert ist, durch axiale Verschiebung des zweiten ringartigen Lagerteils (25) unter der Einwirkung des Öls erreicht wird, so daß dessen konisch zulaufende Fläche (24) die konisch zulaufende Fläche (22) des ersten ringartigen Lagerteils (23) hält, welcher drehbar über diese konisch zulaufende Fläche (24) des zweiten ringartigen Lagerteils (25) gleitet;

wobei der freie Zustand, bei welchem das funktionsabhängige Lager (19) die Welle (6) nicht drehbar im Gehäuse (15) hält, dadurch erreicht wird, daß die konisch zulaufende Fläche (22) des ersten ringartigen Lagerteils (23) und die konisch zulaufende Fläche (24) des zweiten ringartigen Lagerteils (25) im nicht-berührenden Zustand gehalten sind.

3. Turbolader mit einer Lagerungsvorrichtung zur Aufnahme einer Hochgeschwindigkeitswelle nach Anspruch 2, wobei das Betätigungsorgan ein ringartiges Wellrohr (27) enthält, von dem ein Ende am zweiten ringartigen Lagerteil (25) befestigt ist, wobei das Wellrohr (27) derart ausgelegt ist, daß es von dem in dasselbe eingeleitete Öl ausgedehnt wird und die Ausdehnung dieses Wellrohrs (27) bewirkt, daß der zweite ringartige Lagerteil (25) axial verschoben wird, so daß dessen konisch zulaufende Fläche (24) die konisch zuiaufende Fläche (22) des ersten ringartigen Lagerteils (23) hält, welche drehbar über diese konisch zulaufende Fläche (24) des zweiten ringartigen Lagerteils (25) gleitet.

4. Turbolader mit einer Lagerungsvorrichtung zur Aufnahme einer Hochgeschwindigkeitswelle nach Anspruch 3, wobei die konisch zulaufende Fläche (24) des zweiten ringartigen Lagerteils (25) mit einem Durchgangsloch (38) versehen ist, durch welches Öl von der Ölpumpe (30) einleitbar ist.