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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Radialverdichter für einen Abgasturbolader, insbesondere einer Brennkraftmaschine, sowie einen Abgasturbolader mit einem solchen Radialverdichter. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Abgasturbolader.
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Abgasturbolader kommen beispielsweise in Brennkraftmaschinen zur Anwendung, um das Druckniveau im Frischgas beim Ladungswechselvorgang zu erhöhen. Ein derartiger Abgasturbolader kann mit einem Radialverdichter ausgestattet sein, der ein Verdichterrad aufweist, mittels welchem das jeweilige Gas gefördert und komprimiert werden kann. Hierfür kann das Verdichterrad eine axiale Eingangsseite und eine radiale Ausgangsseite aufweisen und in einem Verdichterraum angeordnet sein. Ein Einlasskanal führt zur Eingangsseite des Verdichterrads und bei einer Brennkraftmaschine zu einem Niederdruckbereich einer mit dem Abgasturbolader ausgestatteten Frischgasanlage. Ein Auslasskanal führt von der Ausgangsseite des Verdichterrads weg zur Hochdruckseite der Frischgasanlage.
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Um eine ungestörte und insbesondere reibungsfreie Rotationsbewegung des Verdichterrads im Betrieb in dem Abgasturbolader sicherzustellen, muss zwischen dem Verdichterrad und einem den Verdichterraum ausbildenden Verdichtergehäuse ein Zwischenraum in der Art eines Spalts bestehen bleiben, so dass Verdichterrad und Verdichtergehäuse beabstandet zueinander angeordnet sind und folglich möglichst keine störenden Reibungseffekte zwischen diesen Bauteilen auftreten können. Allerdings führt ein zu breit ausgebildeter Spalt, d.h. eine zu große Spaltweite eines solchen Spalts, zu einer unerwünschten Leistungsschwächung des das Verdichterrad verwendenden Abgasturboladers, da der Spalt in diesem Fall zu einer Reduzierung der Förderleistung des Verdichterrads führt.
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Um eine optimale Funktionalität mit einer maximalen Förderleistung des Abgasturboladers sicherzustellen, ist also einerseits der vorangehend erläuterte Spalt zwischen Verdichterrad und Verdichtergehäuse erforderlich, andererseits sollte dieser aber eine möglichst geringe Spaltweite aufweisen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für einen Radialverdichter anzugeben, der insbesondere leicht montierbar und gleichzeitig hinsichtlich seiner Verdichterleistung optimiert ist.
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Die oben genannten Aufgaben werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, an einem Radialverdichter ein Adapterelement bereitzustellen, welches in der axialen Richtung des Verdichterrads eine Oberflächenkontur aufweist, welche zu der axialen Rad-Oberflächenkontur des Verdichterrads im Wesentlichen komplementär ausgebildet ist, so dass zwischen der Oberflächenkontur des Adapterelements und der dazu komplementären Rad-Oberflächenkontur des Verdichterrads ein Durchgangspalt ausgebildet ist. Das Adapterelement ist dabei erfindungsgemäß mittels eines Befestigungselements von außen lösbar am Verdichtergehäuse befestigt ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Montage des Adapterelements beim Zusammenbau des Radialverdichters. Die Montage des Adapterelements am Verdichtergehäuse erfolgt dabei derart, dass die Spaltweite eines zwischen der Oberflächenkontur des Adapterelements und der dazu komplementären Rad-Oberflächenkontur des Verdichterrads ausgebildeten Durchgangspalts einen Minimalwert annimmt. Dies bedeutet, dass sich Verdichterrad und Adapterelement idealerweise gerade nicht berühren – also einen sog. Nullspalt ausbilden – und somit keine oder nur geringe unerwünschte Reibungseffekte bei der Rotation des Verdichterrads auftreten. Mittels des erfindungsgemäßen Radialverdichters lässt sich somit die Spaltweite des Spalts zwischen Verdichterrad und Adapterelement minimieren und folglich die Förderleistung und den Wirkungsgrad des den Radialverdichter verwendenden Abgasturboladers gegenüber herkömmlichen Radialverdichtern mit nicht-optimierter Spaltweite stark verbessern. Die Befestigung des Adapterelements am Verdichtergehäuse kann auch derart erfolgen, dass sich Adapterelement und Verdichterrad nach der Montage zunächst berühren. In diesem Fall kann das Verdichterrad nach der Befestigung des Adapterelements mittels des Befestigungselements in Rotation versetzt werden und somit als in der Art einer Fräse wirken, so dass durch ein "Abfräsen" einer Oberflächenschicht des Adapterelements die Spaltweite des Spalts zwischen Verdichterrad und Verdichtergehäuse minimal wird. Idealerweise bildet sich somit ein Nullspalt aus, was wiederum eine Rotation des Verdichterrads ohne störende Reibungseffekte zwischen dem Adapterelement und dem Verdichterrad ermöglicht, wobei gleichzeitig lekage-bedingte Leistungsverluste des Verdichters gering gehalten werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Befestigungselement als Befestigungsschraube mit einem Außengewinde ausgebildet sein, wobei am Adapterelement eine Aufnahmeöffnung mit einem zum Außengewinde der Befestigungsschraube komplementären Innengewinde vorgesehen ist, in welches die Befestigungsschraube eingeschraubt ist. An einem Befestigungsabschnitt des Verdichtergehäuses ist eine Durchgangsöffnung vorgesehen, welche die Befestigungsschraube in einem in das Innengewinde eingeschraubten Zustand zur Fixierung des Adapterelements am Verdichtergehäuse durchgreift. Die Verwendung einer Befestigungsschraube als Befestigungselement erlaubt eine besonders einfache Montage des Adapterelements. Ebenso kann das Adapterelement, beispielsweise zu Wartungszwecken, auf einfache Weise wieder vom Befestigungsabschnitt gelöst werden.
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Bei einer alternativen, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform kann das Adapterelement einen Adapterelement-Hauptabschnitt aufweisen, welcher entgegen der axialen Richtung vom dem Verdichterrad weg in einen Adapterelement-Befestigungsabschnitt mit einem bolzenartig ausgebildeten und ein Außengewinde aufweisenden Anbringungsabschnitt übergeht. Am Befestigungsabschnitt des Verdichtergehäuses ist eine Durchgangsöffnung vorgesehen, welche der bolzenartigen axiale Anbringungsabschnitt nach außen durchgreift. Entsprechend ist das Befestigungselement als Gewindemutter ausgebildet, welches zur Fixierung des Adapterelements am Verdichtergehäuse von außen auf das Außengewinde des bolzenartigen axialen Verlängerungsabschnitt aufgeschraubt ist.
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Vorzugsweise ist der Adapterelement-Hauptabschnitt aus einem Kunststoff hergestellt und der Adapterelement-Befestigungsabschnitt aus einem Metall hergestellt.
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Besonders bevorzugt kann der Adapterelement-Befestigungsabschnitt mittels Kleben oder Pressen am Adapterelement-Hauptabschnitt befestigt ist sein. Dies ermöglicht einen einfachen und dennoch mechanisch stabilen Zusammenbau des Adapterelements.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung sind am Verdichtergehäuse zwei Aufnahmenuten vorgesehen, in welchen jeweils ein Dichtungselement zur Abdichtung des Durchgangsspalts angeordnet ist, so dass mittels der beiden Dichtungselemente der Durchgangsspalt gegen die Umgebung abgedichtet ist. Die Durchgangsöffnung ist gemäß dieser vorteilhaften Weiterbildung zwischen den beiden Aufnahmenuten angeordnet. Besonders bevorzugt kann die Dichtungseinrichtung in der Art eines Dichtungsrings oder als flüssige Dichtung ausgebildet sein.
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Besonders bevorzugt kann das Adapterelement aus einem Kunststoff-Material hergestellt sein. Alternativ dazu kann das Adapterelement auch aus einem anderen Material hergestellt sein und zumindest im Bereich des axialen Verlängerungsabschnitts mit einem Kunststoff beschichtet sein. Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das Adapterelement als ein mit Kunststoff umspritztes Hybrid-Bauteil ausgebildet sein. Die Verwendung eines Kunststoff-Materials bietet sich insbesondere dann an, wenn das Verdichterrad nach der Befestigung des Adapterelements mittels des Befestigungselements in seiner Befestigungsposition zur Nullspaltbildung mittels des Verdichterrads abgefräst werden soll. Dadurch ergibt sich eine optimale Formadaption, die herstellungsbedingte Bauteil-Toleranzen des Verdichterrads eliminiert.
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Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Kunststoff-Material besteht darin, dass es sich bei Kunststoff um ein relativ "weiches" Material handelt, so dass eine unerwünschte Deformation des Verdichterrads, wenn dieses rotiert und mit dem Adapterelement in Kontakt gebracht wird, weitgehend ausgeschlossen werden kann. Selbstverständlich kann für das Adapterelement auch ein Kunststoff-Material verwendet werden, wenn das Verdichterrad beim Einführen des Adapterelements in den Befestigungsabschnitt nicht rotiert.
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Die Erfindung betrifft auch einen Abgasturbolader mit einem Radialverdichter mit einem oder mehreren der vorhergehend genannten Merkmale, wobei der Abgasturbolader ein mit dem Verdichterrad des Radialverdichters mittels einer Läuferwelle drehfest verbundenes Turbinenrad aufweist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine sowie mit einem vorangehend vorgestellten Abgasturbolader.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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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.
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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 Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Radialverdichters mit einer Befestigungsschraube als Befestigungselement,
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2 eine erste Variante des Radialverdichters der 1 mit einer Dichtungseinrichtung zum Abdichten des Verdichterraums nach außen.
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3 eine zweite Variante des Radialverdichters der 1.
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4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Radialverdichters mit einer Gewindemutter als Befestigungselement.
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In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Radialverdichter für einen Abgasturbolader dargestellt und mit 1 bezeichnet. Der Radialverdichter 1 umfasst ein Verdichtergehäuse 2, welches einen axialen Einlasskanal 3 und einen radialen Auslasskanal 4 aufweist. Das Verdichtergehäuse 2 umgibt teilweise einen Verdichterraum 5. In dem Verdichterraum 5 ist ein Verdichterrad 6 zum Fördern und Komprimieren eines Gases angeordnet. Das Verdichterrad 6 weist eine dem Einlasskanal 3 zugewandte axiale Eingangsseite 7 und eine dem Auslasskanal 4 zugewandte radiale Ausgangsseite 8 auf. Von der Eingangsseite 7 zur Ausgangsseite 8 erstreckt sich eine axiale Rad-Oberflächenkontur 9. Am Verdichtergehäuse 2 ist im Bereich eines Befestigungsabschnitts 11 ein Adapterelement 10 befestigt, welches an einer dem Verdichterrad 6 zugewandten ersten axialen Stirnseite 12 abschnittsweise eine Oberflächenkontur 13 aufweist, die zur axialen Rad-Oberflächenkontur 9 des Verdichterrads 6 im Wesentlichen komplementär ausgebildet ist.
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In der Befestigungsposition des Adapterelements 10 nimmt eine Spaltweite w eines zwischen der Oberflächenkontur 13 des Adapterelements 10 und der dazu komplementären Rad-Oberflächenkontur 9 des Verdichterrads 6 ausgebildeten Durchgangspalts 14 einen Minimalwert an, so dass sich Verdichterrad 6 und Adapterelement 10 idealerweise gerade nicht berühren – also einen sog. Nullspalt ausbilden – und somit keine oder allenfalls geringe unerwünschte Reibungseffekte bei der Rotation des Verdichterrads 6 auftreten. Mittels des Adapterelements 10 lässt sich also die Spaltweite des Durchgangsspalts 14 zwischen Verdichterrad 6 und Adapterelement 10 minimieren und folglich die Förderleistung sowie den Wirkungsgrad des den Radialverdichter 1 verwendenden Abgasturboladers gegenüber herkömmlichen Radialverdichtern mit nicht-optimierter Spaltweite stark verbessern. Das Adapterelement 10 ist hierzu mittels eines Befestigungselements 20 lösbar von außen am Verdichtergehäuse 2 befestigt. Das Befestigungselement 20 kann hierzu als Befestigungsschraube 21 mit einem Außengewinde 22 ausgebildet sein. Zur Befestigung der Befestigungsschraube 21 am Adapterelement 10 kann in diesem eine Aufnahmeöffnung 23 mit einem zum Außengewinde 22 der Befestigungsschraube 21 komplementären Innengewinde 24 vorgesehen sein. Am Befestigungsabschnitt 11 ist eine Durchgangsöffnung 25 vorgesehen, welche die Befestigungsschraube 21 in dem in der 1 gezeigten, in das Innengewinde 24 eingeschraubten Zustand zur Fixierung des Adapterelements 10 am Verdichtergehäuse 2 durchgreift.
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Die zur Spaltoptimierung geeignete Befestigungsposition des Adapterelements 10 kann durch geeignete Dimensionierung der betroffenen Bauteile einschließlich Verdichterrad 6, Gehäuse 2 und Adapterelement 10 derart festgelegt werden, dass sich das Adapterelement 10 und das Verdichterrad 6 nach der Montage mittels des Befestigungselements 20 berühren. In diesem Fall kann das Verdichterrad 6 nach der Befestigung des Adapterelements 10 mittels des Befestigungselements 20 in Rotation versetzt werden und somit als in der Art einer Fräse wirken, so dass durch ein "Abfräsen" einer Oberflächenschicht des Adapterelements 10 die Spaltweite w des Durchgangsspalts 14 praktisch einen Nullwert annimmt wird. Der Durchgansspalt 14 ist in diesem Fall also ein sog. Nullspalt, welcher eine Rotation des Verdichterrads mit nur geringen oder gar keinen störenden Reibungseffekten zwischen dem Adapterelement 10 und dem Verdichterrad 6 ermöglicht.
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In einer in der 2 gezeigten Variante können am Verdichtergehäuse 2 des Radialverdichters 1 zwei Aufnahmenuten 27a, 27b vorgesehen sein, in welchen jeweils ein Dichtungselement 28a, 28b zur Abdichtung des Durchgangsspalts 14 gegen die Umgebung U angeordnet sind, so dass mittels der beiden Dichtungselemente der Durchgangsspalt gegen die Umgebung abgedichtet ist. Die Durchgangsöffnung 25 ist dabei zwischen den beiden Aufnahmenuten 27a, 27b angeordnet. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass ein im Verdichterraum 5 angeordnetes Fluid über die Durchgangsöffnung 25 nach außen in die Umgebung U austreten kann. Der Radialverdichter 1 gemäß der Variante der 2 weist also gegenüber dem in der 1 vorgestellten Radialverdichter 1 verbesserte Dichtungseigenschaften auf.
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In einer in der 3 gezeigten Variante des Ausführungsbeispiels der 2 ist nur ein der Auslassseite 8 zugewandter erste Teilabschnitt 19 der Oberflächenkontur 13 durch das Adapterelement 10 gebildet, wohingegen ein der Einlassseite 7 zugewandter zweiter Teilabschnitt 18 durch das Verdichtergehäuse 2 gebildet ist. Der erste, durch das Adapterelement 10 gebildete Teilabschnitt 19 geht also entgegen der axialen Richtung A in den zweiten Teilabschnitt 18 über. Im Bereich des ersten Teilabschnitts ist bei geeigneter Materialwahl durch "Abfräsen" des Adapterelements 10 die Ausbildung eines Nullspalts möglich, wohingegen im Bereich des zweiten Teilabschnitts 18 ein Abfräsen der Oberfläche des Verdichtergehäuses 2, welches aus einem Metall hergestellt ist, nicht möglich ist.
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In einer in der 4 gezeigten Variante kann das Adapterelement 10 einen Adapterelement-Hauptabschnitt 18 aufweisen, welcher entgegen der axialen Richtung A vom Verdichterrad 6 weg in einen Adapterelement-Befestigungsabschnitt 15 mit einem bolzenartig ausgebildeten und ein Außengewinde 17 aufweisenden Anbringungsabschnitt 16 übergeht. Der Adapterelement-Hauptabschnitt 18 kann aus einem Kunststoff-Material hergestellt und der Adapterelement-Befestigungsabschnitt 15 aus einem Metall hergestellt sein. Der Adapterelement-Befestigungsabschnitt 15 kann mittels Kleben oder Pressen am Adapterelement-Hauptabschnitt 18 befestigt sein.
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Der Adapterelement-Befestigungsabschnitt 15 und der Anbringungsabschnitt 16 können zusammen stempelartig ausgebildet sein. Am Befestigungsabschnitt 11 des Verdichtergehäuses 6 kann eine Durchgangsöffnung 25 vorgesehen sein, welche der bolzenartigen Anbringungsabschnitts 16 nach außen durchgreift. Das Befestigungselement 10 ist gemäß dieser Ausführungsvariante als Gewindemutter 26 ausgebildet, welche zur Fixierung des Adapterelements 10 am Verdichtergehäuse 2 von außen auf das Außengewinde 17 des Anbringungsabschnitts 16 aufgeschraubt sein kann und sich am Befestigungsabschnitt 11 abstützten kann.
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In einer weiteren Variante kann das vorangehend erläuterte Ausführungsbeispiel der 4 mit dem Ausführungsbeispiel der 2, welches die Bereitstellung zweier Aufnahmenuten 27a, 27b mit Dichtungselementen 28a, 28b zur Abdichtung des Durchgangsspalts 14 beschreibt, kombiniert sein.
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Das Verdichtergehäuse 2 kann wie in den 1 bis 4 gezeigt mehrteilig aufgebaut sein, um eine Montage des Adapterelements 10 am Gehäuse 2 zu ermöglichen. Hierzu kann in einem ersten Schritt das Adapterelement 10 mittels des Befestigungselements 20 von außen an einem dem Einlasskanal 3 zugeordneten Gehäuseteil 2a befestigt werden. Anschließend wird in einem zweiten Schritt das Verdichterrad 6 in dem Verdichterraum 5 angebracht und schließlich in einem dritten Schritt ein dem Auslasskanal 4 zugeordnetes zweites Gehäuseteil 2b am ersten Gehäuseteil 2a (vgl. 1 bis 4) befestigt. Die Gehäuseteile 2a und 2b ergänzen sich in diesem Fall also zum Gehäuse 2.
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Der hier vorgestellte Radialverdichter 1 kann in einem Abgasturbolader zum Einsatz kommen, wobei der Abgasturbolader ein mit dem Verdichterrad des Radialverdichters 1 mittels einer Läuferwelle drehfest verbundenes Turbinenrad aufweist. Ein solcher Abgasturbolader kann Teil eines eine Brennkraftmaschine aufweisenden Kraftfahrzeugs sein.