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Die
Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine eines
Kraftfahrzeugs der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen
Art sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasturboladers einer
Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 11 angegebenen Art.
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Ein
derartiger Abgasturbolader ist dabei bereits aus dem Kraftfahrzeugserienbau
bekannt und umfasst ein in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine
anordenbares Verdichtergehäuse,
ein in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine anordenbares Turbinengehäuse sowie
ein Laufzeug, welches seinerseits ein innerhalb des Verdichtergehäuses angeordnetes
Verdichterrad und ein innerhalb des Turbinengehäuses angeordnetes und über eine
Welle drehfest mit dem Verdichterrad gekoppeltes Turbinenrad aufweist.
Das Verdichterrad übernimmt
dabei das Ansaugen und Verdichten von Frischluft und fördert den
vorverdichteten Frischluftstrom weiter zur Brennkraftmaschine. Auf
diese Weise steht der Brennkraftmaschine mehr Sauerstoff zur Verbrennung
einer entsprechend größeren Kraftstoffmenge zur
Verfügung.
Die Antriebsleistung des Verdichterrads wird durch das Turbinenrad
geliefert, welches durch die Abgase der Brennkraftmaschine angetrieben
wird. Die Abdichtung der einzelnen Gehäuseteile des Abgasturboladers
gegeneinander wird üblicherweise
durch Radialwellendichtungen bewerkstelligt, wobei im Bereich des
Turbinenrads zusätzlich ein Hitzeschutzblech
zur Verringerung der thermischen Belastung der Welle bzw. der Verdichterseite
des Abgasturboladers angeordnet ist.
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Als
nachteilig an den bekannten Abgasturboladern ist dabei der Umstand
anzusehen, dass diese unter hohem Kostendruck entworfen sind und
daher normalerweise nicht optimal hinsichtlich ihrer aerodynamischen
und mechanischen Eigenschaften ausgelegt werden können. Wesentliche
Probleme betreffen hierbei insbesondere Sicherstellung der korrekten axialen
Positionierung des Turbinenrads während des Betriebs, um den über die
Turbinenseite des Abgasturboladers auftretenden Schmiermittelverlust gering
zu halten und einen möglichst
hohen Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine sicherstellen zu können.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Abgasturbolader der
eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasturboladers
zu schaffen, welche eine verbesserte axiale Positionierung des Turbinenrads
ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
einen Abgasturbolader für
eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines
Abgasturboladers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und
nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben,
wobei die vorteilhaften Ausgestaltungen sowie deren Vorteile – soweit
anwendbar – entsprechend
für das
erfindungsgemäße Verfahren gelten.
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Ein
Abgasturbolader, welcher eine verbesserte axiale Positionierung
des Turbinenrads ermöglicht,
ist erfindungsgemäß dadurch
geschaffen, dass eine Gaszuführleitung
vorgesehen ist, mittels welcher dem Turbinenrad Gas zum zumindest
mittelbaren Beaufschlagen seines Turbinenradrückens zuführbar ist. Mit anderen Worten
ist es im Unterschied zum Stand der Technik vorgesehen, den Turbinenradrücken mittels
des durch die Gaszuführleitung
zuführbaren
Gases mittelbar oder unmittelbar mit einer Stellkraft zu beaufschlagen,
die einer durch den Abgasstrom auf das Turbinenrad wirkenden Stellkraft entgegenwirkt,
wodurch eine dauerhaft zuverlässige axiale
Positionierung des Turbinenrads während des Betriebs des Abgasturboladers
sichergestellt ist. Die somit herbeigeführte optimierte Rotordynamik
des Laufzeugs führt
zu einer Steigerung des Wirkungsgrads des Abgasturboladers und ermöglicht dadurch eine
entsprechende Senkung des Kraftstoffbedarfs der Brennkraftmaschine.
Der erfindungsgemäße Abgasturbolader
besitzt somit eine deutlich gesteigerte Qualität sowie eine signifikant verlängerte Lebensdauer.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Gaszuführleitung, vorzugsweise
stromab des Verdichterrads, in das Verdichtergehäuse mündet. Auf diese Weise kann vorteilhaft
die von der Verdichterseite des Abgasturboladers geförderte Frischluft
als Gas zum Beaufschlagen des Turbinenradrückens verwendet werden. Zudem
wird hierdurch vorteilhaft eine drehzahlabhängige Beaufschlagung des Turbinenradrückens erzielt,
so dass höhere
Abgasdrücke
automatisch durch entsprechend erhöhte Frischluftdrücke kompensiert
werden können.
Das Turbinenrad befindet sich somit betriebssicher und unabhängig vom
jeweiligen Betriebszustand des Abgasturboladers in einer definierten
axialen Position gegenüber
dem Turbinengehäuse.
Die Gaszuführleitung
kann zudem durch ihre einfache Integrierbarkeit in das Gehäuse des
Abgasturboladers konstruktiv besonders einfach und kostengünstig ausgebildet
werden.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem die Gaszuführleitung im Bereich des Turbinenradrückens einen
Gasaufnahmeraum umfasst. Durch einen derartigen Gasaufnahmeraum
können
während des Betriebs
auftretende Druckdifferenzen des durch die Gaszuführleitung
zugeführten
Gases vorteilhaft nivelliert und geglättet werden. Weiterhin ist
durch das erhöhte
Gasvolumen eine zusätzlich
verbesserte Kühlleistung
des Turbinenrads und der Welle gegeben.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens
ein Dichtelement vorgesehen, mittels welchem die Gaszuführleitung
abzudichten ist. Hierdurch können
unerwünschte
Gasübergänge aus
der Gaszuführungsleitung
zuverlässig verhindert
und der jeweilige, zum Beaufschlagen des Turbinenradrückens erforderliche
Gasdruck zuverlässig
bereitgestellt werden. Bei Bedarf können natürlich auch zwei oder mehr Dichtelemente
vorgesehen sein. Durch die relative Lage mehrerer Dichtelemente
zueinander kann dabei die durch das Gas ausübbare Stellkraft auf das Turbinenrad
angepasst werden. Dabei kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass
das Dichtelement separat oder einstückig mit einem zugeordneten
Bauteil des Abgasturboladers ausgebildet ist.
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Dabei
hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, dass
das Dichtelement wenigstens eine Labyrinthdichtung umfasst. Mit
Hilfe der Labyrinthdichtung kann eine berührungs- und damit verschleißfreie Abdichtung
der Gaszuführleitung auch
unter extremen Betriebsbedingungen wie beispielsweise hohen Drehzahlen,
Drücken
oder Temperaturen sichergestellt werden.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem die Labyrinthdichtung bezüglich der
Welle radial und/oder axial angeordnet ist. Dies erlaubt eine optimale
Anpassung der Labyrinthdichtung an die jeweiligen geometrischen
Gegebenheiten, wobei vorteilhafterweise die geforderte Abdichtung
der Gaszuführungsleitung
auch bei einer axialen Verschiebung des Turbinenrads sichergestellt
ist.
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Eine
konstruktiv besonders flexible Möglichkeit
zur Abdichtung der Gaszuführleitung
ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch
ermöglicht,
dass das Dichtelement am Verdichtergehäuse und/oder am Turbinengehäuse und/oder
an einem Lagergehäuse
und/oder an der Welle und/oder am Turbinenrad angeordnet ist.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem zumindest Wandbereiche des Gasaufnahmeraums
der Gaszuführleitung
durch das Turbinengehäuse und/oder
das Lagergehäuse
und/oder den Turbinenradrücken
gebildet sind. Hierdurch kann der Gasaufnahmeraum konstruktiv besonders
einfach und kostensparend ausgebildet werden.
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Eine
gesteuerte bzw. geregelte Gaszufuhr ist in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung dadurch ermöglicht,
dass ein Ventilelement vorgesehen ist, mittels welchem ein Strömungsquerschnitt
der Gaszuführleitung
veränderbar
ist. Ein derartiges Ventilelement erlaubt eine einfach an den jeweiligen
Betriebszustand des Abgasturboladers anpassbare Zuführung des
Gases und eine damit verbundene einstellbare Beaufschlagung des
Turbinenradrückens.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Ventilelement mit einer Steuereinrichtung, insbesondere
einer Motorsteuereinrichtung, des Kraftfahrzeugs koppelbar ist und
ausgebildet ist, den Strömungsquerschnitt
in Abhängigkeit
von Steuersignalen der Steuereinrichtung zu verändern. Hierdurch ist eine optimal
an den jeweiligen Betriebszustand des Abgasturboladers bzw. der
zugeordneten Brennkraftmaschine anpassbare Zuführung des Gases ermöglicht,
wodurch die zum Beaufschlagen des Turbinenradrückens erforderlichen Druckverhältnisse
besonders exakt eingestellt werden können.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben
eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs,
wobei eine verbesserte axiale Positionierung des Turbinenrads erfindungsgemäß dadurch
ermöglicht
wird, dass dem Turbinenrad mittels einer Gaszuführleitung Gas zugeführt und
dessen Turbinenradrücken
zumindest mittelbar mit dem Gas beaufschlagt wird. Hierdurch ist
es möglich,
das Turbinenrad mit einer Stellkraft zu beaufschlagen, welche dem
durch den Abgasstrom auf das Turbinenrad wirkenden Stellkraft entgegenwirkt.
Auf diese Weise wird eine dauerhaft zuverlässige axiale Positionierung
des Turbinenrads während des
Betriebs des Abgasturboladers sicherstellt. Weitere Vorteile sind
bereits den vorhergehenden Beschreibungen zu entnehmen. Die im Zusammenhang mit
dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader
vorgestellten Ausführungsformen
und Weiterbildungen sowie deren Vorteile gelten – soweit anwendbar – entsprechend
für das
erfindungsgemäße Verfahren.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand
der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente
mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
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1 eine
schematische seitliche Schnittansicht eines Abgasturboladers gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel;
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2 eine
schematische und ausschnittsweise Schnittansicht des in 1 gezeigten
Abgasturboladers entlang der Schnittebene II-II;
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3 eine
schematische seitliche Schnittansicht eines Abgasturboladers gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel;
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4 eine
schematische und ausschnittsweise Schnittansicht des in 3 gezeigten
Abgasturboladers entlang der Schnittebene IV-IV;
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5 eine
schematische und teilgeschnittene Perspektivansicht eines Dichtelements
des Abgasturboladers gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel;
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6 eine
schematische und geschnittene Perspektivansicht eines Lagergehäuses des
Abgasturboladers gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel;
und
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7 eine
schematische und teilgeschnittene Perspektivansicht eines Turbinenrads
des Abgasturboladers gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt
eine schematische seitliche Schnittansicht eines Abgasturboladers
für eine Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel.
Der Abgasturbolader umfasst ein in einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine
anordenbares Verdichtergehäuse 10,
ein in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine anordenbares Turbinengehäuse 12 sowie
ein Laufzeug 14, welches seinerseits ein innerhalb des
Verdichtergehäuses 10 angeordnetes
Verdichterrad 16 und ein innerhalb des Turbinengehäuses 12 angeordnetes und über eine
Welle 18 drehfest mit dem Verdichterrad 16 gekoppeltes
Turbinenrad 20 umfasst. Die Welle 18 ist in einem
Lagergehäuse 22 gelagert, über welches
das Verdichtergehäuse 10 und
das Turbinengehäuse 12 miteinander
gekoppelt sind. Das Verdichtergehäuse 10 und das Verdichterrad 16 bilden den
sogenannten Verdichter, das Turbinengehäuse 12 und das Turbinenrad 20 die
sogenannte Turbine des Abgasturboladers, wobei das Turbinengehäuse 12 im
gezeigten Ausführungsbeispiel
zwei asymmetrisch ausgebildete Spiralkanäle 23a, 23b umfasst. Grundsätzlich kann
der Abgasturbolader natürlich auch
eine abweichende Anzahl an Gehäuseteilen umfassen,
wobei stets ein Verdichter und eine Turbine ausgebildet sind. Ebenso
kann das Turbinengehäuse 12 eine
unterschiedliche Anzahl an Spiralkanälen 23 bzw. unterschiedlich
ausgebildete Spiralkanäle 23 aufweisen.
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1 wird
im Folgenden in Zusammenschau mit 2 erläutert werden,
welche eine schematische und ausschnittsweise Schnittansicht des Abgasturboladers
entlang der Schnittebene II-II zeigt. Zur Schmierung der Welle 18 wird
dem Lagergehäuse 22 gemäß Pfeil
I Schmiermittel zugeführt. Um
einen Verlust des Schmiermittels während des Betriebs des Abgasturboladers
insbesondere über das
Turbinengehäuse 12 zu
verhindern, ist eine definierte und betriebssichere axiale Positionierung
des Turbinenrads 20 gegenüber dem Turbinengehäuse 12 erforderlich.
Um die geforderte axiale Positionierung des Turbinenrads 20 sicherzustellen,
umfasst der Abgasturbolader zwei Gaszuführleitungen 24a, 24b,
mittels welchen dem Turbinenrad 20 zumindest während des
Betriebs des Abgasturboladers Gas zum zumindest mittelbaren Beaufschlagen
seines Turbinenradrückens 26 zuführbar ist.
Die Gaszuführleitungen 24a, 24b münden hierbei
stromab des Verdichterrads 16 in das Verdichtergehäuse 10,
so dass verdichtete Frischluft gemäß den Pfeilen IIa, IIb in die Gaszuführleitungen 24a, 24b gedrückt und
zum Beaufschlagen des Turbinenradrückens 26 verwendet wird.
Hierdurch wird das Turbinenrad 20 mit einer Stellkraft
beaufschlagt, die einer durch den Abgasstrom auf das Turbinenrad 20 wirkenden
Stellkraft entgegenwirkt, so dass eine dauerhaft zuverlässige axiale
Positionierung des Turbinenrads 20 während des Betriebs des Abgasturboladers
sicherstellt ist. Dies optimiert den Wirkungsgrad des Abgasturboladers
und ermöglicht
dadurch eine signifikante Senkung des Kraftstoffbedarfs der Brennkraftmaschine. Da
bei zunehmender Abgasmenge auch die Drehzahl des Laufzeugs 14 und
damit die Menge der verdichteten Frischluft bzw. die von diesem
erzeugte Stellkraft proportional steigt, wird die definierte Position
des Turbinenrads 20 unabhängig vom Betriebszustand des
Abgasturboladers aufrechterhalten. Mit Hilfe der Gaszuführleitungen 24a, 24b kann
zudem vorteilhaft auf bisher erforderliche Radialwellendichtungen
und dergleichen verzichtet werden, wodurch die Reibleistungsverluste
des Laufzeugs 14 erheblich reduziert werden. Zudem werden
die Welle 18 und das Turbinenrad 20 durch die
Frischluft gekühlt, so
dass auch auf zusätzliche
Hitzeschutzschilde verzichtet werden kann. Aufgrund der in jedem
Betriebszustand definierten Positionierung des Turbinenrads 20 wird
auch das Ansprechverhalten des Abgasturboladers und damit die Agilität der Brennkraftmaschine
spürbar
erhöht,
wodurch entsprechend verbesserte Fahrleistungen ermöglicht sind.
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Die
Gaszuführleitungen 24a, 24b umfassen im
Bereich des Turbinenradrückens 26 einen
gemeinsamen Gasaufnahmeraum 28 mit einem vergrößerten Volumen,
mittels welchem während
des Betriebs auftretende Druckdifferenzen des zugeführten Gases
nivelliert und geglättet
werden können.
Weiterhin ist durch das erhöhte
Gasvolumen eine zusätzlich
verbesserte Kühlung
des Turbinenrads 20 und der Welle 18 gegeben.
Um ein unerwünschtes
Entweichen des Gases und einen damit verbundenen Abfall der Stellkraft
zu verhindern, ist ein Dichtelement 30 (s. 5)
vorgesehen, mittels welchem die Gaszuführleitungen 24a, 24b im
Bereich des Turbinenrads 20 abgedichtet sind. Das Dichtelement 30 ist im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
als separates Bauteil ausgeführt
und im Bereich des Turbinenradrückens 26 drehfest
mit der Welle 18 verbunden. Die Beaufschlagung des Turbinenradrückens 26 mit Gas
erfolgt somit mittelbar über
das Dichtelement 30. Das Dichtelement 30 weist
zwei Labyrinthdichtungen 32a, 32b auf, durch welche
eine berührungs-
und verschleißfreie
Abdichtung der Gaszuführleitung 24a, 24b bzw.
des Gasaufnahmeraums 28 unter extremen Betriebsbedingungen
wie beispielsweise hohen Drehzahlen, Drücken oder Temperaturen sichergestellt
ist. Die Wände
des Gasaufnahmeraums 28 werden somit durch das Dichtelement 30 sowie
durch Wandbereiche des Turbinengehäuses 12 und des Lagergehäuses 22 gebildet.
Die Labyrinthdichtungen 32a, 32b sind dabei bezüglich der
Welle 18 radial angeordnet, so dass die geforderte Dichtleistung
auch bei axialen Bewegungen des Laufzeugs 14 gegenüber den
einzelnen Gehäuseteilen
des Abgasturboladers sichergestellt ist. Über die relative Lage der Labyrinthdichtungen 32a, 32b kann
der mittels des zugeführten
Gases auf den Turbinenradrücken 26 ausgeübte Gasdruck
beeinflusst werden. Zur besonders präzisen Steuerung bzw. Regelung
des Gasdrucks kann weiterhin ein Ventilelement (nicht gezeigt) vorgesehen
sein, mittels welchem ein Strömungsquerschnitt
wenigstens einer der Gaszuführleitungen 24a, 24b veränderbar
ist. Das Ventilelement kann zusätzlich
mit einer Steuereinrichtung, insbesondere einer Motorsteuereinrichtung,
des Kraftfahrzeugs gekoppelt sein und beispielsweise getaktet betrieben
werden, um den Strömungsquerschnitt
und damit den Gasdruck in Abhängigkeit
des Betriebszustands der Brennkraftmaschine zu verändern.
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3 zeigt
eine schematische seitliche Schnittansicht eines Abgasturboladers
gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel
und wird im Folgenden in Zusammenschau mit 4 erläutert werden,
wobei in 4 eine schematische und ausschnittsweise Schnittansicht
des Abgasturboladers entlang der Schnittebene IV-IV gezeigt ist.
Der grundsätzliche konstruktive
Aufbau des Abgasturboladers ist dabei bereits aus der vorhergehenden
Beschreibung bekannt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel
ist das Dichtelement 30 einteilig mit dem Turbinenrad 20 ausgebildet.
Weiterhin ist die Labyrinthdichtung 32a axial gegenüber der
Welle 18 angeordnet und umfasst miteinander korrespondierende
Teildichtungen, welche einander gegenüberliegend am Lagergehäuse 22 und
am Turbinenrad 20 bzw. an dessen Turbinenradrücken 26 angeordnet
sind. Die Wände
des Gasaufnahmeraums 28 der Gaszuführleitungen 24a, 24b sind
somit im vorliegenden Ausführungsbeispiel
durch den Turbinenradrücken 26 sowie
durch Wandbereiche des Turbinengehäuses 12 und des Lagergehäuses 22 gebildet.
Der Turbinenradrücken 26 wird
daher im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel unmittelbar
mit Frischluft beaufschlagt.
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5 zeigt
eine schematische und teilgeschnittene Perspektivansicht des als
separates Bauteil ausgebildeten Dichtelements 30 des Abgasturboladers
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel.
Dabei sind insbesondere die radial angeordneten Labyrinthdichtungen 32a, 32b erkennbar.
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6 zeigt
eine schematische und geschnittene Perspektivansicht des Lagergehäuses 22 des Abgasturboladers
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel.
Neben einem Lagerbereich 34 für die Welle 18 ist
vor allem der Gasaufnahmeraum 28 erkennbar. Weiterhin sind
der mit der am Turbinenrad 20 ausgebildeten Labyrinthdichtung 32b zusammenwirkende Wandbereich 36 des
Lagergehäuses 22 sowie
die axial angeordnete Labyrinthteildichtung 32a erkennbar,
welche als Dichtelement 30 mit der am Turbinenrad 20 ausgebildeten
Labyrinthteildichtung 32a (s. 7) zusammenwirkt.
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7 zeigt
schließlich
eine schematische und teilgeschnittene Perspektivansicht des Turbinenrads 20 des
Abgasturboladers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Dabei sind die bezüglich
der Welle 18 axial angeordnete Labyrinthteildichtung 32a sowie
die radial angeordnete Labyrinthdichtung 32b des Dichtelements 30 erkennbar.