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Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für einen Abgasturbolader oder ein Turbocompound-System nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 9 näher definierten Art.
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Turbocompound-Systeme und Abgasturbolader sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie sind typischerweise mit einem Gehäuse versehen, welches im Allgemeinen mehrteilig ausgebildet ist. Das Gehäuse umfasst dabei in jedem Fall wenigstens ein Laufradgehäuse, welches ein Laufrad des Abgasturboladers oder des Turbocompound-Systems umfangsseitig umgibt. Ein solches Laufrad kann das Turbinenrad des Abgasturboladers oder des Turbocompound-Systems sein. Im Falle des Abgasturboladers kann es außerdem das Verdichterrad sein. Das Gehäuse kann neben dem wenigstens einen Laufradgehäuse, typischerweise einem Laufradgehäuse beim Turbocompound-System und zwei Laufradgehäuse beim Abgasturbolader, außerdem ein Lagergehäuse umfassen, welches die Welle des wenigstens einen Laufrads umgibt und welches eine Verbindung mit dem Laufradgehäuse aufweist. Diese Verbindung wird im Allgemeinen lösbar ausgebildet sein, um die Montage des Gehäuse um dem Abgasturbolader oder das Turbocompound-System zu erleichtern. Lagergehäuse und Laufrad können dann reibschlüssig, formschlüssig oder gegebenenfalls auch stoffschlüssig durch Verschweißen miteinander verbunden werden.
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Bei den Laufrädern von Abgasturboladern oder Turbocompound-Systemen treten im Betrieb typischerweise sehr hohe Drehzahlen auf, mit welchen das in jedem Fall vorhandene Turbinenrad als Laufrad durch den heißen Abgasstrom angetrieben wird, und im Falle des Abgasturboladers über eine Welle das Verdichterrad mit derselben Drehzahl antreibt. Kommt es nun zu einem Schaden in einem derartigen Abgasturbolader oder Turbocompound-System, so kann dies zu einem Bersten des Laufrads und/oder der Laufräder führen. Um einen sicheren Aufbau des Gehäuses zu gewährleisten und auch in einem solchen Fall die Beschädigung umliegender Bauteile und gegebenenfalls in diesem Bereich befindlichen Personen zu vermeiden, sollte in jedem Fall sichergestellt werden, dass keine Teile das Laufradgehäuse durchschlagen und in die Umgebung gelangen können. Aufgrund des hohen kinetischen Energieinhalts dieser Teile ist daher das Gehäuse mit geeigneten hochfesten Materialien auszuführen und/oder mit einer entsprechend hohen Wandstärke auszubilden, so dass ein Großteil der Energie dieser Teile aufgenommen wird, und dass die Restenergie eventuell austretender Teilchen so gering ist, dass diese eine Schutzabdeckung, beispielsweise ein 0,5 mm starkes Aluminium nicht mehr durchschlagen können.
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Der Einsatz hochfester Materialien führt typischerweise zu einem aufwendigeren Herstellungsprozess und erhöht dadurch die Kosten für das Gehäuse oder zumindest für das Laufradgehäuse, welches aus den derartigen Materialien ausgebildet werden muss.
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Eine Erhöhung der Wandstärken des Laufradgehäuses führt zu einem insgesamt größeren Bauteil, welches bei den oft beengten Raumverhältnissen beim Packaging eines Motors mit Turbocompound-System oder Abgasturbolader einen entscheidenden Nachteil darstellt. Außerdem verursachen größere Materialstärken einen größeren Materialaufwand und ein größeres Gewicht. Der größere Materialaufwand stellt dabei einen Kostennachteil dar, das größere Gewicht ist im Hinblick auf Verbrauchssenkungen im Bereich von Kraftfahrzeugen ebenfalls ein entscheidender Nachteil.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Gehäuse für einen Abgasturbolader oder ein Turbocompound-System zu schaffen, welches die oben genannten Nachteile vermeidet und dennoch im Falle eines Berstens des Laufrads sicher und zuverlässig den größten Teil der kinetischen Energie der Teile des geborstenen Laufrads abbaut.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Eine alternative Lösung ist im kennzeichnenden Teil des nebengeordneten Anspruchs 9 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösungen ergeben sich aus den von den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen abhängigen Unteransprüchen.
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Die erste Möglichkeit zum Lösen der oben genannten Aufgabe besteht darin, ein erfindungemäßes Gehäuse für einen Abgasturbolader oder ein Turbocompound-System so auszubilden, dass das Laufradgehäuse einen um seinen Umfang verlaufenden Verformungsbereich aufweist. Bei der Konstruktion des Laufradgehäuses wird also darauf geachtet, dass ein spezieller Verformungsbereich vorgesehen ist, welcher im regulären Zustand das Laufradgehäuse sicher und zuverlässig trägt bzw. einen Bestandteil desselben bildet. Im Berstfall des von dem Laufradgehäuse umgebenden Laufrads kann dieser Verformungsbereich sich dann entsprechend verformen und/oder brechen, wodurch ein großer Teil der Energie der Teile des geborstenen Laufrads abgebaut wird. Dadurch lässt sich mit vergleichsweise einfach zu verarbeitenden kostengünstigen Materialien und entsprechend geringer Wandstärke des Laufradgehäuses ein Gehäuse für einen Abgasturbolader oder ein Turbocompound-System schaffen, welches sowohl einfach, leicht, klein und kostengünstig als auch sicher im Falle eines Berstens des Laufrads ausgebildet ist.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gehäuses ist es dabei vorgesehen, dass der Verformungsbereich als um den gesamten Umfang verlaufender Bereich mit verringerter Materialstärke ausgebildet ist. Ein solcher, um den gesamten Umfang verlaufender Bereich geringerer Materialstärke erlaubt eine entsprechende Verformung und/oder ein Brechen des Materials bei übermäßig großer Beanspruchung durch ein geborstenes Laufrad und kann so einen Großteil der Energie aufnehmen. Dadurch, dass er um den gesamten Umfang angelegt ist, ist die Funktionalität in jedem Fall sichergestellt, egal in welche Richtung die entsprechenden Teile des Laufrads beim Bersten tangential von dem Laufrad wegfliegen.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gehäuses ist es dabei vorgesehen, dass der Verformungsbereich als wenigstens eine um den gesamten Umfang verlaufende Nut als Sollbruchstelle ausgebildet ist. Eine solche Sollbruchstelle kann einfach und effizient, beispielsweise beim Gießen des Laufradgehäuses oder anschließend über eine mechanische Bearbeitung eingebracht werden und gewährleistet die erfindungsgemäße Funktionalität als Verformungsbereich ideal. Dabei können eine oder mehrere Nuten, beispielsweise parallel zueinander, angebracht werden.
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In einer besonders günstigen Weiterbildung ist es auch denkbar, dass die Nuten von innen und/oder außen in das Laufradgehäuse eingebracht werden. Sie können dann in idealer Art und Weise die Aufgabe als Verformungsbereich bzw. Sollbruchstelle erfüllen.
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In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gehäuses ist es außerdem vorgesehen, dass der Verformungsbereich auf einer einem Lagergehäuse, welches die Welle des wenigstens einen Laufrads umgibt, zugewandten Seite des Laufradgehäuses angeordnet ist. Die Anbindung des Laufradgehäuses an das Lagergehäuse, welches die Welle des Läufers mit Turbinenrad und Verdichterrad beim Abgasturbolader bzw. die Welle des Turbinenrads mit Turbocompound-System umgibt, erfolgt über einen Verbindungsbereich. In diesem Bereich überlappt das Laufradgehäuse typischerweise das Lagergehäuse um ein gewisses Stück, so dass die Befestigungsmöglichkeit zwischen den beiden Gehäusen in einem gewissen axialen Abstand zu dem Laufrad selbst ausgebildet ist. In diesem Bereich kann der Verformungsbereich nun ideal angeordnet werden, da so sichergestellt ist, dass der Verformungsbereich sicher und zuverlässig wirken kann und außerdem nicht im unmittelbaren Deformationsbereich liegt, der von den Teilen eines berstenden Laufrads getroffen wird. Dadurch wird ein Durchschlagen des Laufradgehäuses im Bereich des Verformungsbereichs unmöglich und es entsteht ein sehr sicherer Aufbau mit den oben genanten Vorteilen.
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Eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufbaus, welches die oben genannte Aufgabe löst, sieht es vor, dass das Gehäuse neben dem Laufradgehäuse in jedem Fall auch das Lagergehäuse mit umfasst. Das Laufradgehäuse und das Lagergehäuse weisen dabei eine Verbindung untereinander auf. Der Verformungsbereich wird bei dieser Ausgestaltung der erfindungemäßen Lösung nicht im Bereich des Lagergehäuses selbst angeordnet, sondern im Bereich dieser Verbindung. Die Verbindung wird dazu so ausgelegt, dass diese im regulären Betrieb eine sichere Verbindung gewährleistet, und dass diese sich im Falle eines Berstens des Laufrads verformt und/oder löst.
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Die Verbindung kann gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung dieser Variante des erfindungsgemäßen Gehäuses als form- und/oder reibschlüssige Verbindung ausgeführt sein, beispielsweise über entsprechende Schrauben oder insbesondere über Spannelemente, welche das Lagergehäuse und das Laufradgehäuse in axialer Richtung gegeneinander verspannen. Die Spannelemente können dann so ausgelegt sein, dass diese im regulären Betrieb die Verspannung von Lagergehäuse und Laufradgehäuse sicher und zuverlässig gewährleisten. Im Berstfall und bei erhöhten einwirkenden Kräften auf das Laufradgehäuse kann diese Verbindung dann gezielt versagen, entweder durch eine geeignete Auslegung der Verbindung oder eine in der Verbindung eingebrachte Sollbruchstelle. Dadurch lässt sich ebenfalls ein Abbau von kinetischer Energie, in diesem Fall nicht über eine Verformung oder ein Brechen des Lagergehäuses selbst, sondern über eine Verformung und/oder ein Brechen der zur Verbindung genutzten Elemente realisieren.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Aufbaus ergeben sich dabei aus den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen, welche anhand von beispielhaften Figuren prinzipmäßig dargestellt werden.
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Dabei zeigen:
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1 einen Ausschnitt aus einem Verdichtergehäuse als Laufradgehäuse eines Abgasturboladers;
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2 einen Ausschnitt aus einem Turbinengehäuse eines Abgasturboladers oder Turbocompound-Systems in einer ersten Ausführungsform; und
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3 einen Ausschnitt aus einem Turbinengehäuse eines Abgasturboladers oder Turbocompound-Systems in einer zweiten Ausführungsform.
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In der Darstellung der 1 ist beispielhaft ein Ausschnitt aus einem Abgasturbolader zu erkennen. Der Ausschnitt zeigt die obere Hälfte eines Laufrads 1, in diesem Fall eines Verdichterrads. Das Laufrad 1 ist zusammen mit der Welle 2 drehbeweglich gelagert, beispielsweise über ein prinzipmäßig angedeutetes Lager 3 in einem Lagergehäuse 4. Zwischen dem Lagergehäuse 4 und der Welle 2 kann außerdem eine Abdichtung angeordnet sein, welche hier ebenfalls nur prinzipmäßig angedeutet und mit dem Bezugszeichen 5 versehen ist. Das Laufrad 1 wird im Umfang von einem Laufradgehäuse 6, in diesem Fall also dem Verdichtergehäuse des Abgasturboladers, umgeben. Das Laufradgehäuse 6 ist in der Darstellung der 1 nur prinzipmäßig angedeutet und nicht in seiner gesamten axialen Ausdehnung dargestellt. Es wird bei einem realistischen Aufbau typischerweise links des dargestellten Aufbaus noch einen entsprechenden Fortsatz als Ansaugbereich für die von dem Laufrad 1 zum Verdichten angesaugte Luft aufweisen. Das Laufradgehäuse 6 umfasst außerdem einen im Wesentlichen spiralförmigen Kanal 7, durch welchen die verdichtete Luft in die Ansaugkanäle eines Verbrennungsmotors, welcher mit einem derartigen Abgasturbolader ausgestattet ist, gelangt. Dieser Aufbau entspricht dabei im bisher beschriebenen Umfang dem Stand der Technik und kann weitere konstruktive Details aufweisen, welche für die hier beschriebene Erfindung jedoch nicht relevant und daher nicht dargestellt und beschrieben sind.
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Falls es zu einem Bersten des Laufrads 1 kommt, werden Einzelteile mit hoher kinetischer Energie, da das Laufrad 1 typischerweise mit sehr hohen Drehzahlen betrieben wird, in tangentialer Richtung wegfliegen. Um ein Austreten dieser Teile aus dem Laufradgehäuse 6 zu vermeiden, muss ein großer Teil der Energie der im Berstfall auftretenden Teile im Bereich des Laufradgehäuses 6 aufgenommen werden. In dem hier dargestellten Fall erfolgt diese Aufnahme der kinetischen Energie in einem Verformungsbereich 8. Dieser Verformungsbereich 8 ist dabei so ausgestaltet, dass in seinem Bereich die Materialstärke des Laufradgehäuses 6 entsprechend reduziert ausgebildet ist. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Nut 9, welche zur Aufnahme eines später noch näher beschriebenen Verbindungselements 10 ausgestaltet ist, entsprechend tiefer ausgeführt wird, als zur Aufnahme des Verbindungselements 10 notwendig. Dadurch kommt es bei einer entsprechenden Krafteinwirkung auf das Laufradgehäuse 6 im Falle eines Berstens des Laufrads 1 in dem Verformungsbereich 8 entweder zu einer Verformung des Materials des Laufradgehäuses 6 und/oder zu einem Bruch des Verformungsbereichs 8. Sowohl die Verformung als auch der Bruch absorbieren dabei einen großen Teil der kinetischen Energie, so dass im Falle eines Berstens des Laufrads 1 die kinetische Energie so weit abgebaut wird, dass das Laufradgehäuse 6 selbst nicht – oder allenfalls von stark abgebremsten Teilen – durchschlagen wird. Ohne hochfeste Materialien und/oder höheren Wandstärken des Laufradgehäuses realisieren zu müssen, lässt sich damit ein sehr sicherer Aufbau gewährleisten. Der Verformungsbereich 8, kann dabei insbesondere, wie hier dargestellt, auf der dem Lagergehäuse 4 zugewandten Seite des Laufradgehäuses 6 ausgebildet sein. Insbesondere befindet er sich in einem Bereich, welcher im Falle eines Berstens des Laufrads 1 nicht unmittelbar von den Teilen mit hoher kinetischer Energie getroffen wird, so dass ein Durchschlagen des Laufradgehäuses 6 in diesem Verformungsbereich 8 sicher und zuverlässig ausgeschlossen wird. Der Verformungsbereich 8 kann dazu auf der dem Lagergehäuse 4 zugewandeten Seite, insbesondere in einem Bereich, wo sich Material des Lagergehäuses 4 zwischen dem Verformungsbereich 8 und dem Laufrad 1 befindet, angeordnet sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Lagergehäuse 4 und das Laufradgehäuse 6 dabei über das oben schon erwähnte Verbindungselement 10 verbunden. Dieses Verbindungselement 10 ist dabei so ausgestaltet, dass es um den Umfang gespannt wird und durch zwei entsprechende Laschen 11 mit dem Lagergehäuse 4 einerseits und dem Laufradgehäuse 6 andererseits zusammenwirkt. Das Laufradgehäuse 6 wird dabei in axialer Richtung gegen das Lagergehäuse 4 gepresst und das Lagergehäuse 4 wird so sicher und zuverlässig mit dem Laufradgehäuse 6 verbunden. Da zur Aufnahme der Laschen 11 die umlaufende Nut 9 ohnehin notwendig ist, kann diese – wie erwähnt – genutzt werden, um sie entsprechend tiefer auszugestalten und dadurch einen umlaufenden geschwächten Bereich als Verformungsbereich 8 auszubilden. Der Fertigungsaufwand für das Lagergehäuse 4 erhöht sich dadurch nicht.
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In der Darstellung der 2 ist ein vergleichbarer Aufbau mit einem Turbinenrad als Laufrad 1 dargestellt. Das Turbinenrad befindet sich dabei in einem Turbinengehäuse als Laufradgehäuse 6, für welches im Wesentlichen die oben genannten Erläuterungen ebenso gelten. Das Laufradgehäuse 6 ist auch hier mit einem Lagergehäuse 4 verbunden, welches über entsprechende Lager 3 und Dichtungen 5 die Welle 2 für das Laufrad 1 trägt. Das Laufradgehäuse 6 weist in diesem Fall einen Abgaskanal als Spiralkanal 7 auf, welcher beispielhaft zweiflutig aufgebaut ist. Das Laufrad 1 kann dabei Teil eines Abgasturboladers sein, wozu dieses beispielsweise mit dem in 1 gezeigten Verdichterrad kombiniert werden könnte. Außerdem kann das Laufrad 1 in der Darstellung der 2 auch als Turbinenrad eines Turbocompound-Systems eingesetzt werden.
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Der Aufbau des Laufradgehäuses 6 ist dabei im Wesentlichen vergleichbar zu dem in der Darstellung der 1. Auch hier ist ein Verformungsbereich 8 vorgesehen, welcher so angeordnet ist, dass er nicht unmittelbar von gegebenenfalls umherfliegenden Teilen des geborstenen Laufrads 1 getroffen werden kann. Der Verformungsbereich 8 ist dabei im Wesentlichen analog zu den in 1 dargestellten Erläuterungen ausgeführt. Ergänzend dazu kann der Verformungsbereich 8 außerdem durch eine von innen in das Laufradgehäuse 6 eingebrachte Nut, welche in der Darstellung der 2 beispielhaft dargestellt und mit dem Bezugszeichen 12 versehen ist, ausgeformt werden. Selbstverständlich wäre es auch denkbar, den Verformungsbereich 8 lediglich durch die von innen eingebrachte Nut 12 auszubilden. Diese Nut 12 kann dabei entweder alleine deshalb eingebracht sein, dass der Verformungsbereich 8 durch sie ausgebildet wird. Sie kann zusätzlich auch genutzt werden, um beispielsweise eine Dichtung für die Abdichtung zwischen dem Lagergehäuse 4 und Laufradgehäuse 6 aufzunehmen und so eine Abdichtung des Laufradgehäuses 6 gegenüber dem Lagergehäuse 4 und damit auch gegenüber der Umgebung zu gewährleisten.
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In der Darstellung der 3 ist bei einem Aufbau, welcher weitgehend analog zu dem in 2 aufgebaut ist, eine alternative Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verformungsbereichs gezeigt. Es ist zu erkennen, dass hier die Nuten, welche zur Aufnahme der Laschen 11 des Verbindungselements 10 dienen, nicht tiefer ausgeführt sind als unbedingt notwendig, so dass hierdurch der Verformungsbereich 8 nicht wie in den oben dargestellten Ausführungsbeispielen entsteht. Vielmehr ist der Verformungsbereich 8 hier in das Verbindungselement 10 selbst verlegt, welches beispielhaft durch eine Nut 13 in dem die Laschen 11 verbindenden Element entsprechend geschwächt ist, so dass hier der Verformungsbereich 8 entsteht. Das Verbindungselement 10 ist so in der Lage, im regulären Betrieb eine sichere Verbindung zwischen dem Lagergehäuse 4 und dem Laufradgehäuse 6 zu gewährleisten. Kommt es zu einem Bersten des Laufrads 1, so treten erhöhte Kräfte auf und es kommt zu einem Verformen und/oder Brechen des Verbindungselements 10, insbesondere im Bereich der Nut 13. Dadurch wird entsprechend Energie abgebaut und das Laufradgehäuse 6 kann sich von dem Lagergehäuse 4 lösen und weitere kinetische Energie aufnehmen. Dadurch entsteht die oben bereits beschriebene vorteilhafte Funktionalität, so dass auch hier das Laufradgehäuse 6 mit minimalem Materialaufwand, minimaler Wandstärke, minimalem Gewicht und minimalen Kosten realisiert werden kann.
