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Die
Erfindung betrifft einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Es
ist bekannt, dass Abgasturbolader zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen
eingesetzt werden. Der Abgasturbolader weist ein Gehäuse und
ein Laufzeug auf. Das Gehäuse
umfasst einen Luftführungsabschnitt
in dem im Allgemeinen Luft mit Hilfe eines Verdichterrades des Laufzeugs angesaugt
und verdichtet wird und einen Abgasführungsabschnitt, in dem im
Allgemeinen Abgas mit Hilfe eines Turbinenrades des Laufzeugs expandiert. Üblicherweise
werden der Luftführungsabschnitt
und der Abgasführungsabschnitt
aufgrund eines hinterschneidungsbehafteten Designs im Sandgussverfahren
hergestellt, welches sich durch eine verlorene Form auszeichnet.
Dieses Sandgussverfahren ist bei hohen Stückzahlen wesentlich teurer
als ein Druckgussverfahren, wobei beim Druckgussverfahren aufgrund
der Hinterschneidungen eine nur bedingt strömungsgünstige Kontur eines Spiralkanals
herstellbar ist. Die strömungsgünstige Kontur
des Spiralkanals zeichnet sich dadurch aus, dass sie frei von scharfen Kanten
und Ecken gestaltet ist. Scharfkantige Übergänge und/oder Ecken innerhalb
der Strömungsführung fördern die
Ausbildung einer Ablösung
der sich in Wandnähe
befindenden Strömungsfäden, so
dass in diesen Bereichen Turbulenzfelder ausgebildet werden können. Turbulenzfelder
stellen Störfelder
dar, die sich ungünstig
auf einen Wirkungsgrad des Abgasturboladers auswirken können.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Abgasturbolader bereitzustellen, der
sich durch eine Steigerung des Wirkungsgrades bei kostengünstiger Herstellung
auszeichnet.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der
erfindungsgemäße Abgasturbolader weist
in einem Luftführungsabschnitt
einen durchströmbaren
Konturring zur Strömungsführung auf, wobei
der Konturring zwischen einem Abströmkanal und einem Spiralkanal
positioniert ist. Der Konturring ist in den Luftführungsabschnitt
einsetzbar ausgestaltet. Stromauf des Abströmkanals weist der Luftführungsabschnitt
eine Radkammer auf, in welcher ein Verdichterrad zum Ansaugen und
Verdichten von Luft drehbar positioniert ist. Im Betrieb wird die
vom Verdichterrad angesaugte und verdichtete Luft über den
Abströmkanal
in den Spiralkanal geleitet. Je geringer die Möglichkeit einer Ablösung eines
Stromfadens innerhalb der Strömungsführung ist,
desto größer ist
der erzielbare Wirkungsgrad des Abgasturboladers. Mit Hilfe des
Konturrings ist eine Strömungsführung realisierbar,
die sich durch eine Bereitstellung einer abgerundeten Spiralquerschnittskontur auszeichnet,
wodurch die Ablösung
des Stromfadens reduzierbar ist. Üblicherweise ist die abgerundete Spiralquerschnittskontur
in einem Sandgussverfahren mit verlorenen Formen realisierbar, das
gegenüber
einem Druckgussverfahren, welches sich durch eine Formenerhaltung
auszeichnet, bei hohen Stückzahlen
kostenintensiv ist. Da der Konturring in den Luftführungsabschnitt
einsetzbar ausgestaltet ist, ist sowohl der Luftführungsabschnitt
als auch der Konturring kostengünstig
im Druckgussverfahren oder Spritzgussverfahren herstellbar. Als
eine Folge dieser Ausgestaltung ist eine weitgehend laminare Strömung realisierbar,
die sich im Vergleich mit einer turbulenzbehafteten Strömung durch
geringere Verluste auszeichnet, wodurch ein höherer Wirkungsgrad des Abgasturboladers
erzielbar ist.
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In
einer Ausgestaltung nach Anspruch 2 weist der Konturring eine erste
Ringhälfte
und eine zweite Ringhälfte
auf, wobei die erste Ringhälfte
mit der zweiten Ringhälfte
mit Hilfe eines Trägers
verbunden ist. Vorteilhafterweise ist eine mögliche Dreiteilung des Konturringes
realisierbar, so dass jedes der drei Teile jeweils unabhängig voneinander
herstellbar ist. Für
eine spätere
Montage in den Luftführungsabschnitt
ist der Konturring sowohl in einem einteiligen Zustand als auch
bei Bedarf in einem dreiteiligen Zustand verbaubar. Mit Hilfe zum
Beispiel eines Reibschweißverfahrens,
eines Klebeverfahrens und/oder Schweißverfahrens sind die drei Teile
des Konturrings miteinander verbindbar.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 3 weist die erste Ringhälfte eine
konkav ausgebildete erste Ringfläche
auf. Mit Hilfe der konkav ausgebildeten Ringfläche ist eine Kontur des Spiralkanals
realisierbar, die einer Ablösung
des in diesem Strömungsbereich
ausgebildeten Strömungsfadens entgegenwirkend
ausgebildet ist. Die der ersten Ringfläche angrenzend oder gegenüberliegend
ausgebildeten weiteren Flächen
weisen bevorzugt eine ebene, kostengünstig herzustellende Form auf,
wobei das jeweilige Komplement im Luftführungsabschnitt ebenfalls einfach
und kostengünstig
realisierbar ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 4 weist die zweite Ringhälfte eine
erste Mantelfläche
auf, wobei ein erster Mantelflächenabschnitt konvex
und ein zweiter Mantelflächenabschnitt
konkav ausgebildet ist. Mit Hilfe der derartig ausgebildeten Mantelfläche ist
eine Kontur des Spiralkanals realisierbar, die der Ablösung des
Strömungsfadens entgegenwirkend
ausgebildet ist. Die dem Spiralkanal abgewandten Seiten weisen bevorzugt
eine ebene, kostengünstig
herzustellende Form auf, wobei das jeweilige Komplement im Luftführungsabschnitt ebenfalls
einfach und kostengünstig
realisierbar ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 5 ist der Träger in den
Abströmkanal
hineinragend ausgebildet, so dass mit Hilfe des Trägers eine Funktion
eines Leitgitters zur Strömungskonditionierung
realisierbar ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 6 ist der Konturring
aus einem ersten Werkstoff hergestellt, welcher sich von einem zweiten Werkstoff
unterscheidet, aus dem der Luftführungsabschnitt
hergestellt ist. So kann vorteilhafterweise der Konturring als ein
Kunststoffspritzteil kostengünstig
und gewichtsreduzierend hergestellt werden.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
der Erfindung sind der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Dabei
zeigen:
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1 in
einem Längsschnitt
einen Luftführungsabschnitt
eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers
in einem ersten Ausführungsbeispiel
und
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2 in
einem Längsschnitt
den Luftführungsabschnitt
des Abgasturboladers in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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In
den Figuren sind alle gleichen oder gleich wirkenden Bauteile mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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Eine
Brennkraftmaschine, die als Dieselmotor ausgeführt ist, weist einen Frischluftstrang
und einen Abgastrakt auf. Die Brennkraftmaschine weist ein Maschinengehäuse mit
einem Zylinderkopf und einem Kurbelgehäuse auf. Im Kurbelgehäuse sind Zylinder
angeordnet, wobei jeder Zylinder einen axial bewegbaren Kolben aufweist.
Des Weiteren ist im Kurbelgehäuse
eine Kurbelwelle drehbar gelagert. Jeder Kolben ist mit Hilfe eines
Pleuels mit der Kurbelwelle verbunden, so dass relevante Kolbenkräfte auf
die Kurbelwelle übertragbar
sind und in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgesetzt werden können.
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In
den Zylindern der Brennkraftmaschine sind Brennräume ausgebildet zur Verbrennung
eines Kraftstoff-Luftgemisches. Jeder Brennraum ist von einer Innenwandung
eines Zylinders, von dem im Zylinder bewegbaren Kolben sowie von
einer Wandung des Zylinderkopfes begrenzt, wobei die Wandung des
Zylinderkopfes und der jeweilige Kolben in etwa gegenüberliegend
angeordnet sind. Die Brennräume sind
mit Hilfe der entsprechenden Kolben in ihren Volumina veränderbar
gestaltet, so dass darin ein an sich bekannter Verbrennungsprozess
durchgeführt werden
kann.
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Der
Zylinderkopf umfasst ein Einlasssystem mit Einlasskanälen und
Einlassventilen, ein Auslasssystem mit Auslasskanälen und
Auslassventilen sowie ein Einspritzsystem zum Einspritzen von Kraftstoff
in den zugehörigen
Brennraum, wobei der Kraftstoff mit Hilfe einer Kraftstoffpumpe
aus einem Kraftstofftank förderbar
ist. Jeder Einlasskanal weist in bevorzugter Weise wenigstens ein
Einlassventil auf, mit Hilfe dessen der Einlasskanal zu öffnen beziehungsweise
zu schließen
ist, wobei das Einlassventil an einem dem Brennraum zugewandten
Ende des Einlasskanals angeordnet ist. Über den Einlasskanal ist dem
Brennraum bei geöffnetem
Einlassventil Luft oder ein Kraftstoff-Luftgemisch zuführbar. Ein
dem Brennraum abgewandtes Ende des Einlasskanals ist mit einem Sammelbehälter verbunden,
welcher dem Frischluftstrang zugeordnet ist und einer Strömungsberuhigung
dient.
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Jeder
Auslasskanal weist bevorzugt wenigstens ein Auslassventil auf, mit
Hilfe dessen der Auslasskanal zu öffnen beziehungsweise zu schließen ist,
wobei das Auslassventil an einem Ende des Auslasskanals angeordnet
ist, welches dem Brennraum zugewandt ist. Bei einer Verbrennung
von im Brennraum gebildetem Kraftstoff-Luftgemisch entsteht im Betrieb
der Brennkraftmaschine Abgas, welches über den Auslasskanal aus dem
Brennraum in den Abgastrakt strömen
kann.
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Der
Frischluftstrang weist eine Ladeluftleitung auf, wobei an einem
Ende der Ladeluftleitung, welches der Brennkraftmaschine zugewandt
ist, der Sammelbehälter
angeordnet ist. Stromauf des Sammelbehälters ist in der Ladeluftleitung
ein Ladeluftkühler
zur Kühlung
der angesaugten Luft positioniert. Ein Luftfilter zum Reinigen der
angesaugten Luft ist an dem anderen Ende der Ladeluftleitung angeordnet,
welches von der Brennkraftmaschine abgewandt positioniert ist.
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Der
Abgastrakt umfasst einen Abgaskrümmer
sowie eine Abgasleitung, wobei der Abgaskrümmer Abgaskanäle und einen
die Abgaskanäle
zusammenführenden
Sammelkanal aufweist. Der Abgaskrümmer ist stromab des Auslasssystems
angeordnet, wobei je ein Abgaskanal einem Auslasskanal zugeordnet
ist. Die Abgasleitung ist an einer Öffnung des Sammelkanals mit
dem Abgaskrümmer
verbunden, wobei die Öffnung
stromab der Abgaskanäle
positioniert ist. An einem der Brennkraftmaschine abgewandten Ende
der Abgasleitung ist zur Abgasnachbehandlung ein Abgasnachbehandlungssystem
angeordnet, wobei das Abgasnachbehandlungssystem in Form eines Russfilters
und/oder Katalysators ausgebildet ist.
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Die
Brennkraftmaschine weist ergänzend
ein Abgasrückführsystem
auf, wobei zwischen dem Abgaskrümmer
und dem Sammelbehälter
eine Verbindungsleitung in Form einer Abgasrückführleitung angeordnet ist. In
der Abgasrückführleitung
ist zur Kühlung
von rückgeführtem Abgas
ein Abgasrückführkühler angeordnet.
Eine Einstellung einer rückgeführten Abgasmenge
erfolgt mit Hilfe eines Abgasrückführventils.
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Zur
Regelung und Steuerung vieler Funktionen ist der Brennkraftmaschine
ein Regelungs- und Steuerungssystem zugeordnet. Über das Regelungs- und Steuerungssystem
sind insbesondere die Kraftstoffzufuhr und das Abgasrückführventil
regelbar.
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Der
Brennkraftmaschine ist ein Abgasturbolader 1 zugeordnet,
mit Hilfe dessen ein Teil einer Energie des der Brennkraftmaschine
entströmenden Abgases
nutzbar gemacht werden kann. Der Abgasturbolader 1 weist
ein Gehäuse 2 und
ein im Gehäuse 2 gelagertes
Laufzeug 3 auf. Das Laufzeug 3 umfasst ein Verdichterrad 4 in
Radialbauweise zum Ansaugen und Verdichten von Luft, ein Turbinenrad
in Radialbauweise zur Expansion von Abgas und eine das Verdichterrad 4 drehfest
mit dem Turbinenrad verbindende Welle 5.
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Das
Gehäuse 2 umfasst
einen Luftführungsabschnitt 7,
wobei der Luftführungsabschnitt 7 im Frischluftstrang
in der Ladeluftleitung positioniert ist, sowie einen Abgasführungsabschnitt,
welcher im Abgastrakt in der Abgasleitung angeordnet ist. Des Weiteren
weist das Gehäuse 2 einen
Lagerabschnitt auf, in welchem die Welle 5 drehbar gelagert
ist. Der Lager abschnitt ist zwischen dem Luftführungsabschnitt 7 und
dem Abgasführungsabschnitt
angeordnet.
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Der
Lagerabschnitt weist eine Lagervorrichtung zur drehbaren Lagerung
der Welle 5 auf. Zur reibungsarmen Rotation der Welle 5 ist
der Lagerabschnitt mit einem Kanalsystem ausgebildet, welches Schmiermittel
weiterleitbar gestaltet ist. Des Weiteren weist der Lagerabschnitt
Dichtelemente zur Abdichtung des Luftführungsabschnitts 7 und
des Abgasführungsabschnitts
gegen Eindringen von Schmiermittel auf. Ebenso ist mit Hilfe der
Dichtelemente das Eindringen von angesaugter Luft und Abgas in den
Lagerabschnitt reduzierbar.
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Zur
Einströmung
des Abgases in den Abgasführungsabschnitt
ist im Abgasführungsabschnitt
ein Eintrittskanal ausgebildet. Der Eintrittskanal dient zur Konditionierung
des Abgases, welches im Betrieb der Brennkraftmaschine das Turbinenrad
in eine rotierende Bewegung versetzt. Bevorzugterweise ist der Eintrittskanal
senkrecht zu einer Drehachse 6 der Welle 5 angeordnet.
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An
einem Ende des Eintrittskanals, welches von der Abgasleitung abgewandt
positioniert ist, ist ein erster Spiralkanal ausgebildet, welcher
zur Bereitstellung einer rotationssymmetrischen Strömung dient.
Des Weiteren ist der erste Spiralkanal als Verbindungskanal zwischen
dem Eintrittskanal und einem Zuströmkanal des Abgasführungsabschnitts ausgebildet.
Stromab des ersten Spiralkanals ist der Zuströmkanal positioniert, welcher
zur Aufnahme eines verstellbaren Leitapparates ausgebildet sein kann,
wobei der Leitapparat zur Konditionierung der Strömung des
Abgases auf das Turbinenrad ausgelegt ist.
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Stromab
des Zuströmkanals
ist die erste Radkammer im Abgasführungsabschnitt angeordnet, wobei
in der ersten Radkammer das Turbinenrad positioniert ist. Stromab
der ersten Radkammer ist ein Austrittskanal im Abgasführungsabschnitt
angeordnet.
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Mit
Hilfe des expandierenden Abgases wird das Turbinenrad in eine Rotationsbewegung
versetzt, welche mit Hilfe der Welle 5 auf das Verdichterrad 4 übertragen
wird, woraufhin Luft vom Verdichterrad 4 angesaugt und
komprimiert wird.
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Im
Luftführungsabschnitt 7 ist
das Verdichterrad 4 in einer zweiten Radkammer 8 drehbar
positioniert. Stromauf der zweiten Radkammer 8 ist ein Einströmkanal 9 im
Luftführungsabschnitt 7 angeordnet,
wobei der Einströmkanal 9 und
das Verdichterrad 4 bevorzugt koaxial angeordnet sind.
Der Einströmkanal 9 dient
zur Konditionierung der vom Verdichterrad 4 angesaugten
Luft.
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Stromab
der zweiten Radkammer 8 ist ein Abströmkanal 10 in Form
eines Diffusors im Luftführungsabschnitt 7 ausgebildet,
welcher zur Weiterleitung der vom Verdichterrad 4 angesaugten
und verdichteten Luft ausgelegt ist. Dem Abströmkanal 10 ist an seinem
der zweiten Radkammer 8 abgewandten Ende ein zweiter Spiralkanal 11 des
Luftführungsabschnitts 7 angeschlossen,
welcher zur Bereitstellung einer rotationssymmetrischen Strömung dient.
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Des
Weiteren ist der zweite Spiralkanal 11 als Verbindungskanal
zwischen dem Abströmkanal 10 und
einem im Luftführungsabschnitt 7 ausgebildeten
Ausströmkanal
ausgeführt.
Zur einfachen Montage des Verdichterrades 4 ist der Luftführungsabschnitt 7 mehrteilig
ausgebildet und umfasst insbesondere einen ersten Teilabschnitt 12 und
einen zweiten Teilabschnitt 13. Mehrere Wandungen der zweiten
Radkammer 8, des Abströmkanals 10 und des
zweiten Spiralkanals 11 sind somit dem ersten Teilabschnitt 12 und
weitere Wandungen sind dem zweiten Teilabschnitt 13 zuzuordnen.
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Optional
weist der Luftführungsabschnitt 7 eine
Vorrichtung zur Änderung
der Anströmung
des Verdichterrades 4 auf. Aufgrund der Änderung
der Anströmung
ist eine Expansion der angesaugten Luft erreichbar, so dass ein
Betrieb des Verdichterrades 4 in einem so genannten Kaltluftturbinenbetrieb
möglich
ist.
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Im
Luftführungsabschnitt 7 ist,
wie in 1 dargestellt, ein Konturring 14 zur
Strömungsführung angeordnet,
welcher durchströmbar
ausgestaltet ist. Der Konturring 14 ist zwischen dem Abströmkanal 10 und
dem zweiten Spiralkanal 11 positioniert.
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Der
Konturring 14 ist derart ausgebildet, dass vom Verdichterrad 4 angesaugte
und verdichtete Luft aus dem Abströmkanal 10 über den
Konturring 14 in den zweiten Spiralkanal 11 strömen kann.
Mit Hilfe des Konturrings 14 ist ein Strömungsquerschnitt 15 des
zweiten Spiralkanals 11 derart realisierbar, dass innerhalb
des Konturrings 14 eine Ausbildung von Turbulenzen als
Folge eines Abrisses beziehungsweise einer Ablösung eines Strömungsfadens der
Strömung
reduziert ist. Vorteilhafterweise ist dadurch eine Steigerung des
Abgasturboladerwirkungsgrades erzielbar, da keine unnötigen Verluste infolge
Turbulenzen erzeugt werden.
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Der
Konturring 14 weist eine erste Ringhälfte 17 und eine zweite
Ringhälfte 18 auf,
wobei die erste Ringhälfte 17 mit
der zweiten Ringhälfte 18 mit
Hilfe eines Trägers 19 des
Konturrings 14 verbunden ist. Die zweite Ringhälfte 18 weist einen äußeren Durchmesser
auf, welcher kleiner ausgebildet ist als ein innerer Druckmesser
der ersten Ringhälfte,
so dass zwischen der ersten Ringhälfte 17 und der zweiten Ringhälfte 18 ein
durchströmbarer
Ringkanal 20 realisiert ist, wobei der Träger 19 abschnittsweise
in den Ringkanal 20 hineinragend, in Form eines Abstandhalters
angeordnet ist Die erste Ringhälfte 17 weist eine
erste Ringfläche 21 auf,
welche konkav ausgebildet ist. Weiterhin weist die erste Ringhälfte 17 eine erste
Grundfläche 25 auf.
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Die
zweite Ringhälfte 18 weist
eine annähernd
S-förmige
Mantelfläche 22 mit
einem ersten Mantelflächenabschnitt 23 und
einem zweiten Mantelflächenabschnitt 24 auf,
wobei der erster Mantelflächenabschnitt 23 konvex
und zweite Mantelflächenabschnitt 24 konkav
ausgebildet ist. Der zweiten Ringhälfte 18 ist des Weiteren
eine zweite Grundfläche 27 sowie
eine Ringinnenfläche 30 zuordenbar.
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Im
Zusammenbau ist die erste Ringfläche 21 der
Mantelfläche 22 gegenüberliegend
angeordnet. Der Träger 19 ist
einerseits mit der ersten Ringfläche 21 und
andererseits mit der zweiten Grundfläche 27 verbunden,
wobei der Träger 19 im
verbauten Zustand in den Abströmkanal 10 hineinragend
positioniert ist. Ein Leitgitter zur Strömungskonditionierung ist mit
Hilfe einer Mehrzahl von Trägern 19 realisierbar,
welche zwischen der ersten Ringhälfte 17 und der
zweiten Ringhälfte 18 positioniert
ist.
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Zur
Aufnahme der ersten Ringhälfte 17 des Konturrings 14 ist
im ersten Teilabschnitt 12 eine ringförmige erste Vertiefung 26 in
komplementärer
Form zur ersten Grundfläche 25 ausgebildet.
Im an den ersten Teilabschnitt 12 angrenzenden zweiten
Teilabschnitt 13 ist eine ringförmige zweite Vertie fung 28 in komplementärer Form
zur zweiten Mantelfläche 29 ausgestaltet.
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Zur
Aufnahme der zweiten Ringhälfte 18 im zweiten
Teilabschnitt 13 ist eine ringförmige dritte Vertiefung 29 in
komplementärer
Form zur Ringinnenfläche 30 im
zweiten Teilabschnitt 13 ausgebildet.
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Der
Konturring 14 ist in den Luftführungsabschnitt 7 eingesetzt.
Komplemente im Luftführungsabschnitt 7 sind
so ausgestaltet, dass der Konturring 14 mit Hilfe von Presspassungen
im Luftführungsabschnitt 7 fixiert
anzuordnen ist. Da der Konturring 14 als separates Bauteil
ausgestaltet ist, ist er aus einem ersten Werkstoff herstellbar,
welcher sich von einem zweiten Werkstoff unterscheidet, der zur
Herstellung des Luftführungsabschnitts 7 verwendet wird.
Bevorzugt ist der Konturring 14 in Form eines Kunststoffspritzgussteils
herzustellen. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist der Konturring 14 mit
Hilfe eines Klebstoffes im Luftführungsabschnitt 7 fixiert.
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Die 2 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel
des Luftführungsabschnitts 7.
Die Ringinnenfläche 30 der
zweiten Ringhälfte 18 ist
als eine die zweite Radkammer 8 begrenzende Wandung ausgeführt und
weist eine einer Schaufelform des Verdichterrades 4 angepasste
Abrundung auf. Zur Fixierung des Konturrings 14 weist eine
der zweiten Grundfläche 27 gegenüberliegend
angeordnete Ringfläche 31 einen Absatz 32 auf,
mit Hilfe dessen eine Abstützung
im zweiten Teilabschnitt 13 möglich ist. Eine Ringfläche 31 angrenzende
Wandung 33 des zweiten Teilabschnitts 13 ist komplementär zur Ringfläche 31 ausgebildet.
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Die
Beschreibung der Erfindung ist exemplarisch am Beispiel des Luftführungsabschnittes 7 vorgenommen,
wobei die Beschreibung ebenfalls auf den Abgasführungsabschnitt übertragbar
ist. Generell ist bei einem Einsatz eines ersten Werkstoffes zur Herstellung
des Konturrings 14 und bei einem Einsatz eines zweiten
Werkstoffes zur Herstellung des Abgasführungsabschnitts darauf zu
achten, einen hochtemperaturfesten Werkstoff, z. B. in Form eines Keramikwerkstoffes,
zu wählen,
da Abgastemperaturen von ca. 1000°C
im Volllastbereich auftreten können.