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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor.
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Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht mit dem Ziel den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO2-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen um den Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken um mehr Treibstoff, Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
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Dazu weist der Abgasturbolader eine im Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnete Abgasturbine, einen im Ansaugtrakt angeordneten Luftverdichter und ein dazwischen angeordnetes Läuferlager auf. Die Abgasturbine weist ein Turbinengehäuse und ein darin angeordnetes, durch den Abgasmassenstrom angetriebenes Turbinenlaufrad auf. Der Luftverdichter weist ein Verdichtergehäuse und ein darin angeordnetes, einen Ladedruck aufbauendes Verdichterlaufrad auf. Das Turbinenlaufrad und das Verdichterlaufrad sind auf den sich gegenüberliegenden Enden einer gemeinsamen Welle, der sogenannten Läuferwelle, drehfest angeordnet und bilden so den sogenannten Turboladerläufer. Die Läuferwelle erstreckt sich axial zwischen Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad durch das zwischen Abgasturbine und Frischluftverdichter angeordnete Läuferlager und ist in diesem, in Bezug auf die Läuferwellenachse, radial und axial drehgelagert. Gemäß diesem Aufbau treibt das vom Abgasmassenstrom angetriebene Turbinenlaufrad über die Läuferwelle das Verdichterlaufrad an, wodurch der Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors, bezogen auf den Luftmassenstrom hinter dem Frischluftverdichter, erhöht und dadurch eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff bewirkt wird.
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In der Regel weist ein gebräuchlicher Abgasturbolader 1, wie in 1 dargestellt, einen mehrteiligen Aufbau auf. Dabei sind eine im Abgastrakt des Verbrennungsmotors anordenbares Turbinengehäuse 21 einer Abgasturbine 20, ein im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors anordenbares Verdichtergehäuse 31 eines Luftverdichters 30 und zwischen Turbinengehäuse 21 und Verdichtergehäuse 31 ein Lagergehäuse 41 einer Lagereinheit 40 auf einer gemeinsamen Turboladerachse 7 nebeneinander angeordnet und montagetechnisch miteinander verbunden. Eine weitere Baueinheit des Abgasturboladers 1 stellt der Turboladerläufer 10 dar, der die Läuferwelle 14, das in dem Turbinengehäuse 21 angeordnete Turbinenlaufrad 12 und das in dem Verdichtergehäuse 31 angeordnete Verdichterlaufrad 13 aufweist. Das Turbinenlaufrad 12 und das Verdichterlaufrad 13 sind auf den sich gegenüberliegenden Enden der gemeinsamen Läuferwelle 14 angeordnet und mit diesen drehfest verbunden. Die Läuferwelle 14 erstreckt sich in Richtung der Turboladerachse 7 axial durch das Lagergehäuse 41 und ist in diesem mittels Radiallager 40.1 und Axiallager 40.2 um seine Längsachse, die Läuferwellendrehachse 15, drehgelagert, wobei die Läuferwellendrehachse 15 in der Turboladerachse 7 liegt, also mit dieser zusammenfällt.
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Das Turbinengehäuse 21 weist einen oder mehrere ringförmig um die Turboladerachse 7 und das Turbinenlaufrad 12 angeordnete, sich schneckenförmig zum Turbinenlaufrad 12 hin verjüngende Abgas-Spiralkanäle 22 auf. Die Abgas-Spiralkanäle 22 weisen einen jeweiligen oder gemeinsamen, tangential nach außen gerichteten Abgaszuführkanal 23 mit einem Krümmer-Anschlussflansch 24 zum Anschluss an einen Abgaskrümmer (nicht dargestellt) eines Verbrennungsmotors auf, durch den der Abgasmassenstrom AM in den jeweiligen Abgas-Spiralkanal 22 strömt. Die Abgas-Spiralkanäle 22 weisen weiterhin jeweils eine zumindest über einen Teil des Innenumfanges verlaufende Öffnung, den sogenannten Abgas-Ringkanal 25, (oder Abgas-Eintrittspalt) auf, der in zumindest anteilmäßig radialer Richtung auf das Turbinenlaufrad 12 hin gerichtet verläuft und durch den der Abgasmassenstrom AM auf das Turbinenlaufrad 12 strömt. Das Turbinengehäuse 21 weist weiterhin einen Abgasabführkanal 26 auf, der vom axialen Ende des Turbinenlaufrades 12 weg in Richtung der Turboladerachse 7 verläuft und einen Auspuff-Anschlussstutzen 27 zum Anschluss an das Auspuffsystem (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors aufweist. Über diesen Abgasabführkanal 26 wird der aus dem Turbinenlaufrad 12 austretende Abgasmassenstrom AM in das Auspuffsystem des Verbrennungsmotors abgeführt.
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Über einen bestimmten Bereich hinweg, zwischen Abgas-Ringkanal 25 und Abgasabführkanal 26, folgt die radiale Innenkontur des Turbinengehäuses 21 der Außenkontur des darin aufgenommenen Turbinenlaufrades 12. Dieser Bereich der Innenkontur des Turbinengehäuses 21 wird als Turbinen-Dichtkontur 28 bezeichnet und bewirkt, dass der Abgasmassenstrom AM möglichst vollständig durch die Beschaufelung des Turbinenlaufrades 12 strömt und nicht daran vorbei. Insofern ist es erforderlich, dass zwischen Turbinen-Dichtkontur 28 des Turbinengehäuses 21 und Außenkontur des Turbinenlaufrades 12 im Betrieb ein möglichst kleiner Spalt gewährleistet ist, der zwar ein freies Drehen des Turbinenlaufrades 12 erlaubt, jedoch die Umströmungsverluste auf ein Minimum beschränkt.
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Das Verdichtergehäuse 31 weist einen Luftzuführkanal 36 auf, der einen Saugrohr-Anschlussstutzen 37 zum Anschluss an das Luft-Saugsystem (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors aufweist und in Richtung der Turboladerachse 7 auf das axiale Ende des Verdichterlaufrades 13 zu verläuft. Über diesen Luftzuführkanal 36 wird ein Luftmassenstrom LM vom Verdichterlaufrad 13 aus dem Luft-Saugsystem angesaugt.
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Weiterhin weist das Verdichtergehäuse 31 in der Regel einen, ringförmig um die Turboladerachse 7 und das Verdichterlaufrad 13 angeordneten, sich schneckenförmig vom Verdichterlaufrad 13 weg erweiternden Luft-Spiralkanal 32 auf. Dieser weist eine zumindest über einen Teil des Innenumfanges verlaufende Ringkanal-Öffnung mit definierter Spaltbreite, den sogenannten Diffusorspalt 35 auf, der in radialer Richtung vom Außenumfang des Verdichterlaufrades 13 weg gerichtet in den Luft-Spiralkanal 32 hinein verläuft und durch den der Luftmassenstrom LM vom Verdichterlaufrad 13 weg unter erhöhtem Druck in den Luft-Spiralkanal 32 strömt. Der Luft-Spiralkanal 32 weist weiterhin einen tangential nach außen gerichteten Luftabführkanal 38 mit einem Verteiler-Anschlussflansch 38.1 zum Anschluss an ein Luft-Verteilerrohr (nicht dargestellt) eines Verbrennungsmotors auf.
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Durch den Luftabführkanal 38 wird der Luftmassenstrom LM unter erhöhtem Druck in das Luft-Verteilerrohr des Verbrennungsmotors geleitet. Über einen bestimmten Bereich hinweg, zwischen Luftzuführkanal 36 und Diffusorspalt 35, folgt die radiale Innenkontur des Verdichtergehäuses 31 der Außenkontur des darin aufgenommenen Verdichterlaufrades 13. Dieser Bereich der Innenkontur des Verdichtergehäuses 31 wird als Verdichter-Dichtkontur 34 bezeichnet und bewirkt, dass der Luftmassenstrom LM möglichst vollständig durch die Beschaufelung des Verdichterlaufrades 13 strömt und nicht daran vorbei. Insofern ist es erforderlich, dass zwischen Verdichter-Dichtkontur 34 des Verdichtergehäuses 31 und Außenkontur des Verdichterlaufrades 13 im Betrieb ein möglichst kleiner Spalt gewährleistet ist, der zwar ein freies Drehen des Verdichterlaufrades 13 erlaubt, jedoch die Umströmungsverluste auf ein Minimum beschränkt.
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Turbinen und Verdichter sind Strömungsmaschinen und haben aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeiten einen jeweils von Baugröße und Bauart abhängigen optimalen Betriebsbereich der durch den Massedurchsatz, das Druckverhältnis und die Drehzahl des jeweiligen Laufrades gekennzeichnet ist. Im Gegensatz dazu ist der Betrieb eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug von dynamischen Änderungen der Last und des Betriebsbereiches gekennzeichnet.
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Um nun den Betriebsbereich des Abgasturboladers 1 an sich ändernde Betriebsbereiche des Verbrennungsmotors anpassen zu können und so ein gewünschtes Ansprechverhalten möglichst ohne spürbare Verzögerungen (Turboloch) zu gewährleisten, werden Abgasturbolader mit zusätzlichen Funktionen, wie zum Beispiel einer sogenannten variablen Turbinengeometrie (VTG) oder einer Wastegate-Einrichtung (WG) auf der Abgas- oder Turbinenseite und Schubumluft- oder Abblas-Einrichtungen auf der Zuluft- oder Verdichterseite ausgestattet. Diese dienen dazu das träge Verhalten und somit das verzögerte Ansprechverhalten des Turboladers zu minimieren und schädliche Betriebszustände zu vermeiden. Je nach Drehzahl und Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors wird in Abhängigkeit von den Lastanforderungen das Wastegate-Ventil bzw. die Variable Turbinengeometrie so eingestellt, dass die Drehzahl von Turbinen- und Verdichterlaufrad sowie das Druckverhältnis, insbesondere an der Abgasturbine, innerhalb des gewünschten Arbeitsbereichs des Abgasturboladers 1 gehalten werden kann. Im Beispiel der 1 weist die Abgasturbine 20 ein Wastegate-Ventil 29 auf und der Luftverdichter 30 weist ein Schubumluft-Ventil 39 auf.
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Das Lagergehäuse 41 ist axial zwischen dem Turbinengehäuse 21 und dem Verdichtergehäuse 31 angeordnet. Im Lagergehäuse 41 ist die Läuferwelle 14 des Turboladerläufers 10 sowie die erforderliche Lageranordnung zur Axiallagerung und zur Drehlagerung der Läuferwelle 14 aufgenommen.
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Die Lageranordnung besteht in der Regel aus zwei in axialem Abstand zueinander angeordneten Radiallagern 40.1 zur Drehlagerung und einem Axiallager 40.2 zur Abstützung von im Betreib auf die Läuferwelle 14 wirkenden Axialkräften. Die Lager können dabei als Gleitlager, als Wälzlager oder auch Magnetlager ausgeführt sein. Weiterhin besteht, zum Beispiel bei Wälzlagerungen, die Möglichkeit der Kombination von Axiallagerung und Drehlagerung. Auch die Zusammenfassung der Lagerkomponenten zu einer kompakten Lagereinheit, auch als Wellenlagerkartusche bezeichnet, kann hier Anwendung finden.
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Zur Schmierung und Ölversorgung der Lagerkomponenten sind im Lagergehäuse 41 Ölversorgungskanäle 44 vorgesehen, die über einen Ölanschluss mit einer externen Ölversorgung (nicht dargestellt) in Verbindung stehen und zu den zu versorgenden Lagerkomponenten führen.
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Weiterhin ist auf dieser Seite des Lagergehäuses 41 zwischen Turbinengehäuse 21 und Lagergehäuse 41 ein sogenanntes Hitzeschild 49 angeordnet, das die dem Turbinengehäuse 21 zugewandte Gehäusewand des Lagergehäuses 41 sowie die Lagerkomponenten im Lagergehäuse 41 abdeckt und so gegen die hohen Abgastemperaturen in der Abgasturbine 20 abschirmt.
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Auf der, dem Luftverdichter 30 zugewandten Seite des Lagergehäuses 41 ist ein Verdichtergehäuse-Anschlussflansch 47 vorgesehen, an dem das Verdichtergehäuse 31 am Lagergehäuse 41 angeschlossen ist.
Auf der, der Abgasturbine 20 zugewandten Seite des Lagergehäuses 41 ist ein Turbinengehäuse-Anschlussflansch 48 vorgesehen, an dem das Turbinengehäuse 21 am Lagergehäuse 41 angeschlossen ist.
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Die erforderlichen Verbindungen und Abdichtungen der einzelnen Gehäuseteile an Verdichtergehäuse-Anschlussflansch 47 und Turbinengehäuse-Anschlussflansch 48 stellen hierbei stetige Problemstellen dar die einen erhöhten Aufwand an konstruktiven Maßnahmen, zusätzlichen Bauteilen und erhöhtem Montageaufwand verursachen.
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In dem Dokument
US 3, 734, 650 A ist dagegen ein Turboladergehäuse dargestellt, bei dem Turbinengehäuse und Lagergehäuse eine einstückige Einheit bilden, die durch ein den Luft-Spiralkanal und die Verdichter-Dichtkontur ausbildendes Verdichtergehäuse vervollständigt wird. In einer zentralen Aufnahmebohrung im Bereich des Lagergehäuses ist die Läuferwelle gelagert aufgenommen.
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Weiterhin ist aus Dokument
DE 10 2010062749 A1 ein Turbolader bekannt der eine Turbine mit einem Turbinenrad, einen Verdichter mit einem Verdichterrad und eine in einer Lagerungseinheit gelagerte Welle aufweist. Das Turbinengehäuse und die Lagereinheit sind in den Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors eingeformt. Auch hier ist das den Verdichter-Spiralkanal beinhaltende Verdichtergehäuse separat ausgebildet. Insgesamt ist dies ein Konzept, das starken Einfluss nimmt bzw. stark abhängig ist von der konstruktiven Gestaltung des kompletten Verbrennungsmotors und insbesondere dessen Zylinderkopfes.
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In beiden vorgenannten Lösungen ist die Verbindungsstelle zwischen Verdichtergehäuse und Lagergehäuse am Außenumfang des Verdichter-Spiralkanals angeordnet und erstreckt sich so über maximalen Umfang des Verdichtergehäuses, was die Abdichtung der Verbindungsstelle konstruktiv erschwert.
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Die beschriebenen und aus dem Stand der Technik bekannten Gehäusekonzepte weisen somit unterschiedliche Nachteile auf, wie zum Beispiel eine Mehrzahl von zu verbindenden Gehäuseteile mit entsprechenden Anforderungen der Abdichtung und erhöhtem Montageaufwand oder starke Abhängigkeit bzw. Beeinflussung des jeweiligen Aufbaus des Verbrennungsmotors. Insbesondere im Hinblick auf immer restriktivere Vorgaben in Bezug auf die Emissionen von Kraftfahrzeugantrieben stellen Konzepte mit mehreren Gehäuseschnittstellen ein potentielles Risiko von Undichtheiten dar.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader anzugeben, der als eigenständiges Aggregat ausgebildet ist und sich durch eine stark reduzierte Anzahl von Einzelkomponenten, Verbindungsschnittstellen und erforderlichen Montagevorgängen beim Zusammenbau auszeichnet. Dadurch sollen letztlich eine vom einzelnen Verbrennungsmotor unabhängige Einsetzbarkeit bei reduzierten Kosten und eine höhere Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit in Bezug auf Dichtheit gegenüber der Umgebung gewährleistet werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der erfindungsgemäße Abgasturbolader weist unter anderem eine Turbinenläuferbaugruppe auf, die ein Turbinenlaufrad, ein Verdichterlaufrad, eine Läuferwelle und eine Wellenlagerkartusche aufweist, wobei die Läuferwelle ein ersten Wellenende, ein zweites Wellenende sowie eine Läuferwellendrehachse aufweist.
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Dabei sind das Turbinenlaufrad mit dem ersten Wellenende der Läuferwelle und das Verdichterlaufrad mit dem zweiten Wellenende der Läuferwelle drehfest verbunden und die Läuferwelle ist zusammen mit dem Turbinenlaufrad und dem Verdichterlaufrad um die Läuferwellendrehachse drehbar in der Wellenlagerkartusche gelagert.
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Weiterhin weist der erfindungsgemäße Abgasturbolader auf:
- - eine Abgasturbine, die ein Turbinengehäuse mit zumindest einem Abgas-Spiralkanal und das damit zusammenwirkende Turbinenlaufrad umfasst;
- - einen Luftverdichter, der ein Verdichtergehäuse mit einem Luft-Spiralkanal und das damit zusammenwirkende Verdichterlaufrad umfasst; und
- - ein Lagergehäuse, das zwischen dem Turbinengehäuse und dem Verdichtergehäuse angeordnet ist und in dem die Wellenlagerkartusche aufgenommen ist.
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Erfindungsgemäß zeichnet sich der Abgasturbolader dadurch aus, dass das Turbinengehäuse, inclusive des Abgas-Spiralkanals, das Lagergehäuse und das Verdichtergehäuse, inclusive des Luft-Spiralkanals, zusammengefasst sind zu einem Turboladergehäuse, das als einteiliges Gussteil ausgeführt ist und einen Aufnahmeschacht mit einer Innengeometrie für die Turbinenläuferbaugruppe aufweist.
Dabei ist die Innengeometrie des Aufnahmeschachtes des Turboladergehäuses zur Aufnahme der kompletten Turbinenläuferbaugruppe, inclusive Verdichterlaufrad und Turbinenlaufrad, als vormontierte Einheit, in nur einer parallel zur Läuferwellendrehachse verlaufenden, axialen Füge-Richtung, durch eine stirnseitige Montageöffnung, ausgestaltet.
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Durch die vorgenannte Ausgestaltung des Abgasturboladers wird vorteilhaft die Gesamtzahl der Einzelbauteile und der erforderlichen Montagevorgänge reduziert. Des Weiteren wird auch die Anzahl der gegenüber der Umgebung abzudichtenden Gehäuseschnittstellen auf ein Minimum reduziert und in ihrer Gesamtlänge ebenfalls auf ein Minimum reduziert. Dies wirkt sich wiederum vorteilhaft auf die Herstellkosten sowie auf einen im Hinblick auf unerwünschte Emissionen verbesserten Betrieb aus.
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Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen und Fortbildungen des erfindungsgemäßen Gegenstands werden in den Unteransprüchen offenbart, die anhand der einzelnen Figuren der beigefügten Zeichnung erläutert werden sollen.
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Die Zeichnung zeigt anhand der einzelnen Figuren eine Auswahl von Ausführungsbeispielen der Erfindung sowie verschiedene Kombinationsmöglichkeiten von Merkmalen verschiedener Ausführungen, gemäß der Ansprüche.
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Es zeigen:
- 1 einen Abgasturbolader mit den wesentlichen Komponenten, in vereinfachter schematischer Schnitt-Darstellung, zur Darstellung des Standes der Technik und zur Erläuterung der benutzten Begriffe;
- 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers in vereinfachter Schnittdarstellung;
- 3 eine Ausführung eines Turboladergehäuses alleine, das gemäß der Erfindung, als einteiliges Gussteil ausgeführt ist, in Schnittdarstellung;
- 4 eine weitere Ausführung eines Turboladergehäuses zusammen mit einer erfindungsgemäßen Turbinenläuferbaugruppe in getrennter Darstellung, zur Verdeutlichung des Fügevorgangs in nur einer parallel zur Läuferwellendrehachse verlaufenden, axialen Füge-Richtung;
- 5 eine Ausführung des Turboladergehäuses zusammen mit der in dessen Aufnahmeschacht eingefügten Turbinenläuferbaugruppe und einem noch getrennt davon angeordneten Verdichtergehäusedeckel und
- 6 eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers in Schnittdarstellung und in komplett montiertem Zustand.
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Funktions- und Benennungsgleiche Teile sind in den Figuren übergreifend mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die Darstellung in 1 zeigt schematisiert einen Abgasturbolader 1 in Schnitt-Darstellung, gemäß dem bekannten Stand der Technik und dient zur Erläuterung des prinzipiellen Aufbaus eines Abgasturboladers 1 aus Abgasturbine 20 Luftverdichter 30, Turboladerläufer 10 und Lagereinheit 40. Der Aufbau im Detail wurde bereits einleitend oben beschrieben.
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2 zeigt eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1, der bei der Endmontage im Wesentlichen lediglich aus drei konstruktiven Komponenten bzw. Komponentenbaugruppen besteht, nämlich aus einem Turboladergehäuse 3, einer Turbinenläuferbaugruppe 2 und einem Verdichtergehäusedeckel 33.
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Die Turbinenläuferbaugruppe 2, die als fertig vormontierte Baugruppe zur Endmontage bereitgestellt werden kann, weist ein Turbinenlaufrad 12, ein Verdichterlaufrad 13, eine Läuferwelle 14 mit einem ersten Wellenende 14.1, einem zweiten Wellenende 14.2 sowie einer Läuferwellendrehachse 15 und eine Wellenlagerkartusche 42 auf. Dabei sind das Turbinenlaufrad 12 mit dem ersten Wellenende 14.1 der Läuferwelle 14 und das Verdichterlaufrad 13 mit dem zweiten Wellenende 14.2 der Läuferwelle 14 drehfest verbunden und die Läuferwelle 14 ist, zusammen mit dem Turbinenlaufrad 12 und dem Verdichterlaufrad 13, um die Läuferwellendrehachse 15 drehbar in der Wellenlagerkartusche 42 gelagert.
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Das Turboladergehäuse 3 umfasst
- - das Turbinengehäuse 21 der Abgasturbine 20, in dem das das damit zusammenwirkende Turbinenlaufrad 12 angeordnet ist und das in diesem Fall nur einen Abgas-Spiralkanal 22 aufweist,
- - das Verdichtergehäuse 31 des Luftverdichters 30, in dem das damit zusammenwirkende Verdichterlaufrad 13 angeordnet ist und das einen Luft-Spiralkanal 32 aufweist und
- - das Lagergehäuse 41, das zwischen dem Turbinengehäuse 21 und dem Verdichtergehäuse 31 angeordnet ist und in dem die Wellenlagerkartusche 42 aufgenommen ist.
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Dabei ist das Turboladergehäuse 3 als einteiliges Gussteil ausgeführt und weist einen Aufnahmeschacht 4 mit einer Innengeometrie für die Turbinenläuferbaugruppe 2 auf. Dabei ist die Innengeometrie des Aufnahmeschachtes 4 des Turboladergehäuses 3 so ausgestaltet, dass die komplette Turbinenläuferbaugruppe 2 als vormontierte Einheit, in nur einer parallel zur Läuferwellendrehachse 15 verlaufenden, axialen Füge-Richtung 8 (dargestellt durch einen Pfeil), durch eine stirnseitige Montageöffnung 5, aufnehmbar bzw. montierbar ist.
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Die Montageöffnung 5 ist mittels eines Verdichtergehäusedeckels 33 verschlossen, der zumindest eine, an das Verdichterlaufrad 13 angepasste, Verdichter-Dichtkontur 34 und einen Saugrohr-Anschlussstutzen 37 aufweist und so das Turboladergehäuse 3 vervollständigt.
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In diesem, sowie auch in den folgenden Beispielen weist das Turbinengehäuse 21 zu seiner Vervollständigung zusätzlich den Abgaszuführkanal 23 mit Krümmer-Anschlussflansch 24, die Turbinen-Dichtkontur 28 und den Auspuff-Anschlussstutzen 27 auf, die ebenfalls integraler Bestandteil des einteiligen als Gussteil ausgeführten Turboladergehäuses 3 sind. Dadurch wird auch die Turbinen-Dichtkontur 28 zum Bestandteil der Innengeometrie des Aufnahmeschachtes 4 zur Aufnahme der Turbinenläuferbaugruppe 2.
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In gleicher Weise weist das Verdichtergehäuse 31 einen Luftabführkanal 38 mit einem Verteiler-Anschlussstutzen 38.1 auf (in der Darstellung in die Zeichenebene hinein gerichtet), die ebenfalls integraler Bestandteil des einteiligen als Gussteil ausgeführten Turboladergehäuses 3 sind.
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Das Beispiel der 2 ist auch dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterlaufrad 13, die Wellenlagerkartusche 42 und das Turbinenlaufrad 12 jeweils zumindest einen maximalen Außendurchmesser DV, DL, DT aufweisen und der Aufnahmeschacht 4 des Turboladergehäuses 3 im Bereich des Verdichtergehäuses 31, des Lagergehäuses 41 und des Turbinengehäuses 21 dazu zugeordnete Innendurchmesser DI_1 bis DI_4 aufweist.
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Zur übersichtlicheren Darstellung ist in 3 das Turboladergehäuse 3 aus 2 nochmal alleinstehend, ohne die Turbinenläuferbaugruppe 2 dargestellt. Hier ist gut zu erkennen, dass die zugeordneten Innendurchmesser DM der Montageöffnung 5 und DI_1 bis DI_4 des Aufnahmeschachtes 4 von der Seite des Verdichtergehäuses 31 her, in axialer Füge-Richtung (durch Pfeil 8 dargestellt) hin zum Turbinengehäuse 21 kleiner werden. Die Abnahme der Durchmesser DM und DI_1...4, erfolgt im gezeigten Beispiel stufenweise, aber auch eine zumindest über Teilbereiche der axialen Erstreckung des Aufnahmeschachtes 4 kontinuierliche Abnahme, also eine konische Verjüngung des Aufnahmeschachtes 4 kann hier realisiert werden. Auch eine Kombination von stufenweiser und kontinuierlicher Verjüngung der Innendurchmesser DM und DI_1 bis DI_4 kann realisiert werden. Eine stufenweise Verjüngung des Innendurchmessers des Aufnahmeschachtes 4 bietet hier vorteilhaft einen axialen Anschlag-Absatz 6 aus, der eine exakte axiale Positionierung der Turbinenläuferbaugruppe 2 im Turboladergehäuse 3 gewährleistet.
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In der Darstellung der 3 zeigt von links beginnend als größten Innendurchmesser den Montageöffnungsdurchmesser DM der stirnseitigen Montageöffnung 5 im Verdichtergehäuse 31. Darauf folgt in axialer Fügerichtung 8 der Innendurchmesser DI_1 des Aufnahmeschachtes 4, der gemäß 2 dem maximalen Außendurchmesser der Wellenlagerkartusche DB entspricht, der durch den maximalen Außendurchmesser der Wellenlagerkartusche DL, gebildet durch das verdichterseitige Lagerschild 43 der Wellenlagerkartusche 42, gegeben ist. Darauf folgt in axialer Fügerichtung 8 der Innendurchmesser DI_2, der im Übergang zum darauffolgenden Innendurchmesser DI_3 einen Anschlag-Absatz 6 ausbildet. Die Innendurchmesser DI_2 und DI_3 entsprechen dem jeweils zugeordneten Außendurchmesser der Wellenlagerkartusche 42. Der Innendurchmesser DI_3 ist dabei zumindest gleich oder größer als der maximale Außendurchmesser DT des Turbinenlaufrades 12 und erstreckt sich in axialer Fügerichtung 8 bis zum turbinenseitigen Ende des Lagergehäuses 41. Der kleinste Innendurchmesser DI_4 des Aufnahmeschachtes 4 ist hier gegeben durch den Innendurchmesser des Abgasabführkanals 26 und entspricht zugleich dem Austrittsdurchmesser der Turbinenlaufrads 12. Dies ermöglicht die Aufnahme der kompletten Turbinenläuferbaugruppe 2 als vormontierte Einheit, in nur einer parallel zur Läuferwellendrehachse (15) verlaufenden, axialen Füge-Richtung 8, durch eine stirnseitige Montageöffnung (5), wie in 4 dargestellt.
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Wie beispielsweise aus 3 bis 5 ersichtlich ist, ist die stirnseitige Montageöffnung 5 im Verdichtergehäuse 31 vorgesehen und weist einen Montageöffnungsdurchmesser DM auf, der größer ist als der maximale Außendurchmesser DB der Turbinenläuferbaugruppe 2. Die Montageöffnung 5 wird nach der Montage der Turbinenläuferbaugruppe 2 mittels eines Verdichtergehäusedeckels 33 verschlossen. Der Verdichtergehäusedeckel 33 weist zumindest eine, an das Verdichterlaufrad 13 angepasste, Verdichter-Dichtkontur 34 und einen Saugrohr-Anschlussstutzen 37 aufweist. Auf diese Weise komplettiert der Verdichtergehäusedeckel 33 in vorteilhafter und einfacher Weise das Verdichtergehäuse 31.
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Um eine einfache und positionsgenaue Montage zu gewährleisten ist in diesem Beispiel an dem Verdichtergehäusedeckel 33 ein Zentrier-Absatz 33.1 vorgesehen, dessen Außendurchmesser DZ dem Montageöffnungsdurchmesser DM entspricht. Zur Befestigung des Verdichtergehäusedeckels 33 ist ein Deckel-Flansch 33.2 vorgesehen, der beispielsweise mittels mehrerer Schrauben (symbolisch angedeutet durch eine jeweilige Strichlinie) mit der stirnseitigen Gehäusewand des Verdichtergehäuse 31 verbunden ist.
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Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Montageöffnungsdurchmesser DM der stirnseitigen Montageöffnung 5, um maximal 20%, oder sogar noch weiter reduziert maximal 10%, größer ist als der maximale Außendurchmesser DB der Turbinenläuferbaugruppe 2. Eine solche Ausführung entspricht den Darstellungen 4, 5 und 6. In 4 hervorgehoben ist der maximale Außendurchmesser DB der Turbinenläuferbaugruppe 2, der in diesem Fall dem Außendurchmesser des verdichterseitigen Lagerschildes 43 und somit der Wellenlagerkartusche 42 entspricht. Dadurch ist der Montageöffnungsdurchmesser DM und somit die abzudichtende Länge des Umfangs der Montageöffnung 5 auf ein Maß reduziert, das eine einfache Montage der Turbinenläuferbaugruppe 2 und gleichwohl die Abdichtung des Turboladergehäuses 3 gegenüber der Umgebung erleichtert.
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Weiterhin ist aus den 2, 4 und 5 ersichtlich, dass das verdichterseitige Lagerschild 43 die Wellenlagerkartusche als 42 als Deckelelement verschließt und den maximalen Außendurchmesser DV des Verdichterrades 13 radial so weit überragt, dass die Befestigung der Wellenlagerkartusche 42 mittels Verschraubung 43.1 in axialer Fügerichtung 8 ermöglicht. Dies ermöglicht eine einfache und sichere Fixierung der Wellenlagerkartusche 42 im Aufnahmeschacht 4 des Turboladergehäuses 3.
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Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein um die Wellenlagerkartusche 42 umlaufender Kühlmittelkanal 45 vorgesehen ist, dessen Begrenzung zu einem Teil durch die Innenkontur des Aufnahmeschachts 4 des Turboladergehäuses 3 und zu einem anderen Teil durch die Außenkontur der Wellenlagerkartusche 42 gebildet ist. Dies ist durchgängig in 2, 5 und 6 dargestellt.
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Dies ermöglicht zum einen eine einfache Herstellung, indem der Kühlmittelkanal 45 sowohl am Außenumfang der Wellenlagerkartusche 42 als auch am Innenumfang des Aufnahmeschachtes 4 des Turboladergehäuses 3 als einfacher umlaufender Außen-Einstich 45.1 bzw. Innen-Einstich 45.2, siehe 3 und 4, zum Beispiel im Zuge einer Nachbearbeitung, gestaltet werden kann. Zum anderen hat dies den Vorteil, dass der im Betrieb den Kühlmittelkanal 45 durchströmende Kühlmittelstrom zugleich die Wellenlagerkartusche und das Turboladergehäuse 3, zum Beispiel in räumlicher Nähe zum Turbinengehäuse 21, zur Kühlung umspült und so eine besonders effektive Kühlung, insbesondere der Lagereinheit 40, gewährleistet. Die Zuführung und Abführung des Kühlmittelstroms erfolgt hier beispielsweise über Anschlussöffnungen 45.3 des Kühlmittelkanals 45 in der der Außenwand des zum Turboladergehäuse 3 gehörenden Lagergehäuse 41.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Ausführung mit dem vorausgehend beschriebenen Kühlmittelkanal 45 ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Abdichtung des umlaufenden Kühlmittelkanals 45 zwischen der Wellenlagerkartusche 42 und dem Aufnahmeschacht 4 des Turboladergehäuses 3 zumindest beiderseits des Kühlmittelkanals 45 umlaufende Dichtungsringe 46 vorgesehen sind. Diese können auf einfache Weise zum Beispiel als sogenannte O-Ringe gestaltet sein, die bei der Montage der Turbinenläuferbaugruppe 2 in dafür vorgesehene umlaufende Nuten am Außenumfang der Wellenlagerkartusche 42 eingelegt und zusammen mit der Turbinenläuferbaugruppe 2 in den Aufnahmeschacht 4 des Turboladergehäuses 3 eingeschoben werden. Beispielsweise können noch weitere Dichtungsringe 46 über die axiale Erstreckung der Wellenlagerkartusche 42 verteilt angeordnet sein, die beispielsweise das Eindringen von Gasen, Öl und Kühlmittel in unerwünschte Bereiche verhindern und ggf. gleichzeitig eine schwingungsgedämpfte Lagerung der Wellenlagerkartusche 42 im Aufnahmeschacht 4 gewährleisten. Siehe hierzu insbesondere 4, 5 und 6.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 ist, wie in den 2 bis 6 durchgehend dargestellt, vorgesehen, dass der Luft-Spiralkanal 32 des Verdichtergehäuses 31 einen Teil des Lagergehäuses 41 in axialer Richtung überkragt und in Umfangsrichtung umfasst. Dies stellt eine besonders raumsparende Anordnung dar und reduziert so den Bauraumbedarf in der Umgebung des Verbrennungsmotors.
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Die Zeichnung zeigt in 2 und 5 Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1, bei denen zwischen dem Außenumfang des Verdichterlaufrades 13 und dem Luft-Spiralkanal 32 ein umlaufend in radialer Richtung verlaufender Diffusorspalt 35 vorgesehen ist, der zwischen einer verdichterseitigen Stirnfläche 41.1 des Lagergehäuses 41 und/oder einer verdichterseitigen Stirnfläche 42.1 der Wellenlagerkartusche 42 und vollständig (2) oder zumindest zu einem Teil (5) von der gegenüberliegenden Wandfläche 33.3 des Verdichtergehäusedeckel 33 ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass die Spaltbreite des Diffusorspaltes 35 zumindest zum Teil durch entsprechende Bearbeitung des Verdichtergehäusedeckels 33 eingestellt werden kann.
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Andererseits zeigen 4, 5 und 6 verschiedene Ausführungen des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1, die dadurch gekennzeichnet sind, dass zwischen dem Außenumfang des Verdichterlaufrades 13 und dem Luft-Spiralkanal 32 ein umlaufend in radialer Richtung verlaufender Diffusorspalt 35 vorgesehen ist, der zumindest über 20% oder auch zumindest über 50% oder über 100% seiner radialen Erstreckung, zwischen einer verdichterseitigen Stirnfläche 41.1 des Lagergehäuses 41 und einer dieser gegenüberliegenden Gehäusewandfläche 31.1 einer stirnseitigen, einteilig mit dem Turboladergehäuse 3 ausgebildeten Gehäusewand des Verdichtergehäuses 31 ausgebildet ist. Dies ermögliche vorteilhaft die Reduzierung des Montageöffnungsdurchmessers DM auf ein Minimum, wie dies in 6 beispielsweise dargestellt ist.
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5 beispielsweise zeigt eine Ausführung, bei der der Diffusorspalt 35 über ca. 50% seiner radialen Erstreckung, zwischen der verdichterseitigen Stirnfläche 41.1 des Lagergehäuses 41 und der dieser gegenüberliegenden Gehäusewandfläche 31.1 einer stirnseitigen, einteilig mit dem Turboladergehäuse 3 ausgebildeten Gehäusewand des Verdichtergehäuses 31 ausgebildet ist.
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Dagegen zeigt 6 eine Ausführung bei der der Diffusorspalt 35 über 100% seiner radialen Erstreckung, zwischen der verdichterseitigen Stirnfläche 41.1 des Lagergehäuses 41 und der dieser gegenüberliegenden Gehäusewandfläche 31.1 einer stirnseitigen, einteilig mit dem Turboladergehäuse 3 ausgebildeten Gehäusewand des Verdichtergehäuses 31 ausgebildet ist.
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Dies wird, unter Anderem, auch dadurch ermöglicht, dass der maximale Außendurchmesser DB der Turbinenläuferbaugruppe 2 durch den maximalen Außendurchmesser DV des Verdichterlaufrades 13 gegeben ist. Dadurch kann der Montageöffnungsdurchmesser auf ein Minimum reduziert werden, zum Beispiel auf einen um 10% gegenüber dem maximalen Außendurchmesser DV des Verdichterlaufrades vergrößerten Durchmesser. Durch diese Maßnahme wird die, durch den Verdichtergehäusedeckel 33 abzudichtende, Umfangslänge der Montageöffnung vorteilhaft auf ein Minimum reduziert. Da, wie in 6 erkennbar ist, eine Fixierung der Wellenlagerkartusche 42 im Aufnahmeschacht 4 hier nicht durch Verschraubung des verdichterseitigen Lagerschildes 43 erfolgen kann, muss hier die Fixierung der Wellenlagerkartusche 42 auf andere Weise, wie beispielsweise durch eindrehen einer Klemmschraube oder einpressen eines Passstiftes durch den Außenmantel des Lagergehäuses 41, nicht dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3734650 A [0018]
- DE 102010062749 A1 [0019]