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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Abgasturbolader, insbesondere für Kraftfahrzeuge, weisen üblicherweise Durchströmabschnitte zur Aufnahme von Laufrädern in Radialbauweise auf. Das bedeutet, dass ein Luftführungsabschnitt des Abgasturboladers ein Radialrad und/oder ein Abgasführungsabschnitt des Abgasturboladers ein Radialrad aufnehmend ausgebildet sind. Ein durch die Durchströmabschnitte strömendes Medium, üblicherweise Frischluft oder Abgas, wird dabei im Radialrad nahezu senkrecht ausgehend von einem Einströmkanal in eine Spirale bzw. aus der Spirale in einen Ausströmkanal umgelenkt.
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Zur Herbeiführung eines hohen Wirkungsgrades des Abgasturboladers sind dabei insbesondere Rahmenbedingungen von Herstellungsverfahren, wie bspw. Gießverfahren zu beachten. Wird bspw. ein Frischluftführungsabschnitt in einem Gießverfahren hergestellt, kann ein Übergang zwischen einer Spirale des Frischluftführungsabschnitts und einem Diffusorkanal des Frischluftführungsabschnitts, welcher einer Konditionierung der ihn durchströmenden Frischluft dient und einen wesentlichen Beitrag zur Drucksteigerung und Geschwindigkeitssteigerung der Frischluft leistet, entweder mit einem hohen Aufwand so ausgebildet werden, dass Druck- und Geschwindigkeitsverluste gering bleiben, oder bei geringen Herstellungskosten ergeben sich hohe Druck- und Geschwindigkeitsverluste.
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So geht aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 036 633 A ein Abgasturbolader hervor, welcher ein mit Schaufeln besetztes scheibenförmiges Einlegeelement aufweist, das stromauf der Spirale in einem Luftführungsabschnitt des Abgasturboladers angeordnet ist. Das Einlegeelement bildet eine so genannte überhängende Spirale aus. Damit eine Montage des Einlegeelementes möglich ist, ist zumindest ein Teil einer Diffusorwandung mit Hilfe eines weiteren einzusetzenden Elementes notwendig. Bevorzugt ist der Luftführungsabschnitt in einem Druckgussverfahren hergestellt. Somit sind ein hoher Montageaufwand und eine Steigerung der Bauteileanzahl zur Herstellung des vorgeschlagenen Abgasturboladers notwendig.
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Daher ist es die Aufgabe der Erfindung einen kostengünstigen Abgasturbolader anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader umfasst einen durchströmbaren Abgasführungsabschnitt, einen durchströmbaren Luftführungsabschnitt und einen zwischen dem Abgasführungsabschnitt und dem Luftführungsabschnitt angeordneten Lagerabschnitt. Der Lagerabschnitt ist zur drehbaren Lagerung eines Laufzeugs des Abgasturboladers ausgebildet. Der Luftführungsabschnitt weist eine Spirale auf, wobei ein Einlegeelement vorgesehen ist, welches zur Ausbildung der Spirale im Luftführungsabschnitt dem Lagerabschnitt gegenüberliegend aufgenommen ist. Zwischen einer im Luftführungsabschnitt ausgebildeten Radkammer und der Spirale ist ein Diffusorkanal zur Strömungskonditionierung ausgestaltet. Stromab der Spirale ist sich ein Ausströmkanal des Luftführungsabschnitts an diese anschließend ausgeführt. Erfindungsgemäß ist das Einlegeelement zumindest teilweise eine dem Lagerabschnitt gegenüberliegende erste Kanalfläche des Diffusorkanals und eine dem Lagerabschnitt zugewandt ausgebildete zweite Kanalfläche des Diffusorkanals ausbildend aufgebaut, wobei das Einlegeelement einen Außenring und einen Innenring aufweist, die mit Hilfe eines Abstandselementes durchströmbar gegenüberliegend ausgebildet sind. Der Vorteil ist darin zu sehen, dass eine so genannte Überhangspirale herbeigeführt werden kann, wobei das Einlegelement als ein Bauteil montierbar ist. Des Weiteren können der Luftführungsabschnitt und der Lagerabschnitt reduziert ausgebildet werden, da das Einlegeelement zumindest teilweise eine dem Lagerabschnitt gegenüberliegende erste Kanalfläche des Diffusorkanals und eine dem Lagerabschnitt zugewandt ausgebildete zweite Kanalfläche des Diffusorkanals ausbildend aufgebaut ist.
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Sofern das Abstandselement schaufelartig ausgebildet ist, kann die im Diffusorkanal vorliegende Strömungskonditionierung zusätzlich beeinflusst werden.
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Zur Vermeidung eines hohen Montagaufwandes ist das Einlegeelement einteilig ausgebildet, so dass lediglich ein Bauteil mit dem Frischluftführungsabschnitt zur Komplettierung desselben verbunden werden muss. Dies führt zu einer wesentlichen Kostenreduktion des vorgeschlagenen Abgasturboladers.
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Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit der Herbeiführung eines in seinem Umfang und somit in seinen Ausdehnungen reduzierten Abgasturboladers, zumindest eines in seinem Umfang reduzierten Luftführungsabschnitts des Abgasturboladers, so dass der Abgasturbolader einen reduzierten Bauraumbedarf aufweist im Vergleich zu einem Abgasturbolader mit einem Luftführungsabschnitt ohne Einlegeelement, da eine Diffusorlänge des Luftführungsabschnitts des erfindungsgemäßen Abgasturboladers bei reduziertem Außenumfang des Luftführungsabschnitts im Vergleich zum Luftführungsabschnitt ohne Einlegeelement unverändert gehalten werden kann.
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Zur weiteren Reduzierung der Herstellungskosten des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist das Einlegeelement in einem Druckgussverfahren hergestellt.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist das Einlegeelement sich am Lagerabschnitt und/oder am Luftführungsabschnitt abstützend ausgebildet. Der Vorteil der Abstützung an zumindest einem der Abschnitte ist eine entsprechende Sicherung des Einlegeelementes gegen eine Verschiebung. So ist es möglich bei einer Abstützung des Einlegeelementes am Lagerabschnitt eine radiale Positionssicherung auszubilden und bei einem Abstützen des Einlegeelementes am Luftführungsabschnitt eine axiale Positionssicherung herbeizuführen.
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Diese Positionssicherung kann zusätzlich durch die Ausbildung einer kraft- und/oder formschlüssigen und/oder einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Luftführungsabschnitt und/oder dem Lagerabschnitt und dem Einlegeelement unterstützt werden.
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Eine zu bevorzugende Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist die Ausbildung von Absätzen des Luftführungsabschnitt und/oder des Lagerabschnitts und des Einlegeelements, da dadurch eine axiale und/oder radiale Positionssicherung auf einfache Weise herbeigeführt ist. Die Absätze sind bspw. mit Hilfe eines Fräsvorganges auszubilden.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist ein erster Kanalabschnitt des Ausströmkanals am Einlegeelement ausgebildet. Üblicherweise sind so genannte Schieber beim Gießen des Luftführungsabschnitts des Abgasturboladers gemäß dem Stand der Technik vorzusehen, da der Ausströmkanal üblicherweise seine Erstreckungsrichtung quer zur Spirale aufweist. Da der erfindungsgemäße Abgasturbolader das Einlegeelement aufweist, kann der Ausströmkanal geteilt werden in einen ersten Kanalabschnitt, welcher dem Diffusorkanal zugewandt ausgebildet ist und einen zweiten Kanalabschnitt, welcher dem Einströmkanal zugewandt positioniert ist. Somit besteht die Möglichkeit Formelemente, welche Gussformen sind, in ihrer Entnahmerichtung hinterschnittfrei auszubilden. Dies wiederum birgt zusätzlich den Vorteil, dass auch ein gekrümmter Ausströmkanal vorgesehen werden kann.
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Bevorzugt ist zur Reduzierung von Montagekosten der erste Kanalabschnitt einstückig mit dem Einlegeelement ausgebildet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es zeigen:
- 1 in einem Längsschnitt einen Ausschnitt eines Abgasturbolader gemäß dem Stand der Technik,
- 2 in einem Längsschnitt einen Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers in einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 3 in einem ersten perspektivischen Teilschnitt ein Einlegeelement des erfindungsgemäßen Abgasturboladers in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 4 in einem zweiten perspektivischen Teilschnitt das Einlegeelement gem. 3,
- 5 in einem dritten perspektivischen Teilschnitt das Einlegeelement gem. 3,
- 6 in einer Prinzipdarstellung Gussformen zur Herstellung eines Luftführungsabschnitts des Abgasturboladers gem. 1,
- 7 in einer Prinzipdarstellung die Gussformen gem. 6 in ihrer Entnahmerichtung,
- 8 in einer Draufsicht einen Ausströmkanal des erfindungsgemäßen Abgasturboladers in einem dritten Ausführungsbeispiel, und
- 9 in einer Seitenansicht einen Luftführungsabschnitt des erfindungsgemäßen Abgasturboladers in einem vierten Ausführungsbeispiel.
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Ein in 1 dargestellter Abgasturbolader 1 gemäß dem Stand der Technik ist in einem nicht näher dargestellten Abgastrakt einer nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine, bei der es sich um einen Ottomotor oder einen Dieselmotor handeln kann, vorgesehen. Der Abgasturbolader 1 umfasst einen nicht näher dargestellten durchströmbaren Abgasführungsabschnitt, einen durchströmbaren Luftführungsabschnitt 2 und einen zwischen dem Abgasführungsabschnitt und dem Luftführungsabschnitt 2 angeordneten Lagerabschnitt 3. Der Luftführungsabschnitt 2 ist in einem nicht näher dargestellten Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet.
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Der Abgasturbolader 1 umfasst weiter ein Laufzeug 23, welches ein Verdichterrad 24 zum Ansaugen und Verdichten von Verbrennungsluft, ein nicht näher dargestelltes Turbinenrad zur Expansion von Abgas sowie eine das Verdichterrad mit dem Turbinenrad drehfest verbindende Welle 25 aufweist. Die Welle 25 ist im Lagerabschnitt 3 des Abgasturboladers 1 drehbar gelagert. Das Verdichterrad 24 ist drehbar in einer Radkammer 4 des Luftführungsabschnitts 2 aufgenommen. Ebenso ist das Turbinenrad drehbar in einer nicht näher dargestellten Radkammer des Abgasführungsabschnitts angeordnet.
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Stromauf der Radkammer 4 ist ein Einströmkanal 5 im Luftführungsabschnitt 2 ausgebildet, über den im Betrieb des Abgasturboladers 1 Frischluft in den Luftführungsabschnitt 2 einströmt. Stromab der Radkammer 4 ist ein Diffusorkanal 6 ausgebildet, welcher der weiteren Konditionierung der Frischluft dient. Stromab des Diffusorkanals 6 ist eine Spirale 7 ausgebildet, welche mit einem Ausströmkanal 8 des Luftführungsabschnitts 2 durchströmbar verbunden ist. Über den Ausströmkanal 8 strömt die verdichtete Frischluft in den Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine.
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Ein zwischen dem Diffusorkanal 6 und der Spirale 7 ausgebildeter Übergang 26 ist verlustbehaftet ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass die sprunghafte Vergrößerung eines Strömungsquerschnitts 27 des Luftführungsabschnitts 2 Druck- und Geschwindigkeitsreduzierungen der im Verdichterrad 24 und dem Diffusorkanal 6 verdichteten Frischluft herbeiführt.
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Der erfindungsgemäße Abgasturbolader 1, welcher in den 2 bis 5 dargestellt ist, weist in seinem Luftführungsabschnitt 2 zur Reduzierung von Verlusten, insbesondere Druck- und Geschwindigkeitsverluste der durchströmenden Frischluft ein Einlegeelement 9 auf, welches einstückig ausgebildet ist. Das Einlegeelement 9 ist in einem Druckgussverfahren hergestellt. Es besteht aus einem Außenring 10 und einem Innenring 11, die mit Hilfe von Abstandselementen 12 miteinander verbunden sind.
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Der Außenring 10 ist sich am Lagerabschnitt 3 abstützend ausgebildet, wobei er einen ersten Absatz 13 aufweist, der komplementär zu einem zweiten Absatz 14, welcher am Lagerabschnitt 3 ausgestaltet ist, ausgeführt ist.
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Der Innenring 11 ist sich am Luftführungsabschnitt 2 abstützend ausgeführt, wobei ein dritter Absatz 15, welcher am Innenring 11 ausgebildet ist, komplementär zu einem vierten Absatz 16, welcher am Luftführungsabschnitt 2 ausgebildet ist, ausgeführt ist.
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Zur Herbeiführung einer weitestgehend abrissfreien Strömung ausgehend vom Diffusorkanal 6 in die Spirale 7 ist der Außenring 10 an seiner dem Abstandselement 12 zugewandt ausgebildeten Innenfläche 17 eine Rundung 18 aufweisend ausgebildet, an die sich eine geradlinig ausgebildete Anschlussfläche 19 zur Vermeidung eines Strömungsabrisses von der Innenfläche 17 zu einer Spiralinnenfläche 20 der Spirale 7 erstreckend ausgebildet ist. Die Anschlussfläche 19 ist sich zumindest in axialer Richtung entlang einer Längsachse 21 des Luftführungsabschnitts 2 bis zu einem dem Innenring 11 gegenüberliegend ausgebildeten Elementende 22 der Abstandselemente 12 erstreckend ausgestaltet. Ebenso kann die Anschlussfläche 19, wie im ersten Ausführungsbeispiel dargestellt, auch über das Elementende 22 hinausragend ausgebildet sein.
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Die Abstandselemente 12 sind strömungsleitend und können des Weiteren strömungsoptimiert ausgebildet sein. Sofern sie strömungsoptimiert ausgebildet sind, weisen sie eine tragflügelartige Kontur auf.
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Ein zwischen den Abstandselementen 12 in Umfangsrichtung ausgebildeter Abstand 28 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel gleichmäßig ausgebildet. Das heißt, dass die Abstandselemente 12 zueinander jeweils einen Abstand 28 aufweisen, wobei dieser Abstand 28 zwischen jeweils zwei Abstandselementen 12 radial und in Umfangsrichtung variiert. Ebenso könnte auch der Abstand 28, der jeweils zwischen zwei Abstandselementen 12 ausgebildet ist, unterschiedlich groß sein. Das heißt mit anderen Worten, dass der Abstand 28 zwischen einem ersten Abstandselementpaar bestehend aus zwei benachbart angeordneten Abstandselementen 12 und einem zweiten Abstandselementpaar verschieden groß ist.
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Das Einlegeelement 9 ist sowohl mit dem Luftführungsabschnitt 2 als auch mit dem Lagerabschnitt 3 form- und kraftschlüssig verbunden, wobei lösbare Befestigungsmittel 34 ausgebildet sind. Ebenso könnte das Einlegeelement 9 auch stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit den beiden ihm benachbarten Abschnitten 2, 3 verbunden sein.
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Bevorzugt weist gem. 8 das Einlegeelement 9 des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 in einem dritten Ausführungsbeispiel einen ersten Kanalabschnitt 29 des Ausströmkanals 8 auf. Wie in den 6 und 7 illustriert ist, wird der Luftführungsabschnitt 2 im Gießverfahren mit Hilfe eines ersten Formelementes 30 und eines zweiten Formelementes 31 hergestellt. Die Formelemente 30, 31 werden dabei gemäß einer Entnahmerichtung 32 entfernt. Der Ausströmkanal 8 jedoch liegt nicht in der Entnahmerichtung 32, so dass ein nicht näher dargestelltes weiteres Formelement in Form eines so genannten Schiebers benötigt wird.
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Das Einlegeelement 9 des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 umfasst den ersten Kanalabschnitt 29 und der Luftführungsabschnitt 2 weist einen zweiten Kanalabschnitt 33 des Ausströmkanals 8 auf, welcher dem ersten Kanalabschnitt 29 gegenüberliegend angeordnet ist. Somit kann der erfindungsgemäße Abgasturbolader 1 auch einen gekrümmt ausgebildeten Ausströmkanal 8 aufweisen, wie in 9 illustriert, in dem der Luftführungsabschnitt 2 des Abgasturboladers 1 in einem vierten Ausführungsbeispiel dargestellt ist.
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Zur Vermeidung von Strömungsverlusten zwischen dem Einlegeelement 9 und dem Luftführungsabschnitt 2 sowie dem Lagerabschnitt 3 sind an sich gegenüberliegenden Anlageflächen 35 bevorzugt nicht näher dargestellte Dichtmittel vorzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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