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Die
Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Vorrichtungen,
welche für eine im Betrieb ausführbare Rotationsbewegung
vorgesehen sind, können im Allgemeinen nicht unwuchtfrei
hergestellt werden. Es bedarf in der Regel einer Nachbearbeitung,
mit Hilfe derer die Unwucht reduzierbar beziehungsweise entfernbar
und ein so genanntes „balancing” herstellbar ist.
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Aus
der Patentschrift
DE
25 37 538 C3 ist ein Abgasturbolader für eine
Brennkraftmaschine bekannt, welcher ein durchströmbares
Gehäuse aufweist, welches ein Laufzeug des Abgasturboladers drehbar
aufnehmend ausgestaltet ist, wobei das Laufzeug ein erstes Laufrad
und ein zweites Laufrad aufweist. Das erste Laufrad ist mit dem
zweiten Laufrad drehfest mit Hilfe einer Welle verbunden. Im Betrieb
des Abgasturboladers wird das zweite Laufrad von Abgas der Brennkraftmaschine
beaufschlagt, sodass das Laufzeug in eine Rotationsbewegung versetzt
wird. Die Nachbearbeitung welche hier vorgesehen ist, ist ein Setzen
so genannter Wuchtmarken, wobei die Wuchtmarke durch ein Auftragen
von Material an einem Radrücken eines oder beider Laufräder
vorgesehen ist.
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Aus
der Offenlegungsschrift
JP
2002 047944 A ist ein Abgasturbolader bekannt, bei dem
Wuchtmarken durch ein Abtragen von Material an einem Radrücken
eines oder beider Laufräder vorgesehen sind. Diese Ausnehmung
weist in einem Querschnitt entlang einer Drehachse des Laufrades
ein überwiegend quadratisches bzw. rechteckiges Wuchtmarkenprofil
auf.
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In
beiden Fällen weist das Wuchtmarkenprofil eine radiale äußere
Wuchtmarkenkante und eine radiale innere Wuchtmarkenkante am Radrücken auf.
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Der
Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Abgasturbolader
ist darin zu sehen, dass aufgrund von Rissbildungen an dem Profil
der Wuchtmarke ein vorzeitiges Versagen des Abgasturboladers herbeigeführt
wird.
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Damit
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Abgasturbolader
der Eingangs genannten Art bereitzustellen, welcher gegenüber
dem Stand der Technik eine verbesserte Lebensdauer aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader gemäß dem
Anspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß weist
eine durch einen ersten Schnittpunkt der äußeren
Wuchtmarkenkante mit dem Wuchtmarkenprofil gehende erste Tangente des
Wuchtmarkenprofils zwischen ihrer dem Wuchtmarkenprofil abgewandt
positionierten Verlängerung und dem Radrücken
einen ersten Tangentenwinkel auf und/oder eine durch einen Schnittpunkt
der inneren Wuchtmarkenkante mit dem Wuchtmarkenprofil gehende zweite
Tangente des Wuchtmarkenprofils weist zwischen ihrer dem Wuchtmarkenprofil
abgewandt positionierten Verlängerung und dem Radrücken
einen zweiten Tangentenwinkel auf, wobei der Wert des ersten Tangentenwinkels
und/oder der Wert des zweiten Tangentenwinkels kleiner als 40° ist.
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Der
Vorteil der Begrenzung des Wertes des ersten Tangentenwinkels und/oder
des zweiten Tangentenwinkels führt dazu, dass im Bereich
der radialen äußeren als auch der radialen inneren
Wuchtmarkenkante scharfen Kanten an einem Radrücken des Laufrads
vermieden sind, wodurch eine hohe Festigkeit gegenüber
Zentrifugalkräften im Betrieb des Abgasturboladers erreicht
wird.
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In
einer besonderen Ausgestaltung des Abgasturboladers ist das radiale
Wuchtmarkenprofil bogenförmig ausgebildet, wodurch eine
weitere Steigerung der Festigkeit herbeigeführt wird. Das
radiale Wuchtmarkenprofil kann beispielsweise kreis-, ellipsen-,
parabelförmig oder ovalförmig ausgebildet sein. Wichtig
ist eine bogenförmige Ausgestaltung des radialen Wuchtmarkenprofils,
da dadurch kerbspannungsrelevante Kanten und die damit verbundenen erhöhten
Spannungen vermeidbar sind.
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Idealerweise
weist das radiale Wuchtmarkenprofil zur weiteren Steigerung der
Festigkeit in einer weiteren Ausgestaltung des Abgasturboladers
einen relativen Wuchtmarkenradius auf, dessen Wert mindestens das
0,08-fache eines äußeren Laufradradius aufweist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasturboladers
weist eine Wuchtmarkentiefe des radialen Wuchtmarkenprofils höchstens
den 0,025-fachen Wert des äußeren Laufradradius
auf, wodurch die Festigkeit des Laufrades zusätzlich gesteigert
wird.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Abgasturboladers weist die innere Wuchtmarkenkante einen inneren
Wuchtmarkenradius auf, dessen Wert mindestens den 0,51-fachen Wert
des äußeren Laufradradius beträgt. Der Vorteil
ist eine weitere Steigerung der Festigkeit des Laufrads.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Abgasturboladers zur weiteren Steigerung der Festigkeit des Laufrades
weist die äußere Wuchtmarkenkante einen äußeren
Wuchtmarkenradius auf, dessen Wert maximal den 0,85-fachen Wert des äußeren
Laufradradius beträgt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Abgasturboladers ist die Wuchtmarkentiefe sich axial parallel zur
Drehachse in Richtung der Laufradschaufeln erstreckend ausgebildet. Zur
Gewährleistung einer reibungsfreien Rotation des Laufrades
gegenüber einem Gehäuseabschnitt ist ein notwendiger
Mindestspalt zwischen Radrücken des Laufrades und dem entsprechenden
Gehäuseabschnitt, Luftführungsabschnitt oder Abgasführungsabschnitt,
notwendig. Ist die Wuchtmarkentiefe sich in Richtung der Laufradschaufeln
erstreckend ausgebildet, so kann eine Auswuchtung des entsprechenden
Laufrades kostengünstig ohne Veränderung des Mindestspalts
erfolgen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Abgasturboladers ist die Wuchtmarkentiefe sich axial parallel zur
Drehachse in Richtung der Welle erstreckend ausgebildet. Dies hat
insbesondere bei filigran ausgebildeten Laufrädern in Leichtbauweise
den Vorteil, dass eine Auswuchtung herbeigeführt werden
kann ohne weiteres Material abzutragen. Würde nämlich
bei sowieso schon einer geringen Wandstärke des Radrückens
zusätzlich noch Material abgetragen werden, könnte
im Betrieb eine Zerstörung des Laufrades erwirkt werden,
da die aufgrund der Zentrifugalkraft entstehenden Spannungen im Laufrad
die Festigkeit des Laufrades übersteigt.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
der Erfindung sind den Ansprüchen, der Figurenbeschreibung
und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Dabei
zeigen:
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1 in
einer schematischen Darstellung eine Brennkraftmaschine mit einem
erfindungsgemäßen Abgasturbolader und
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2 in
einem Längsschnitt ein erstes Laufrad des erfindungsgemäßen
Abgasturboladers mit einer Wuchtmarke.
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Die
in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1,
welche als Dieselmotor oder als Ottomotor ausgeführt ist,
weist einen Frischluftstrang 2 und einen Abgastrakt 3 auf.
Im Betrieb saugt die Brennkraftmaschine 1 über
den Frischluftstrang 2 Verbrennungsluft an, die nach einer
unter Zufuhr von Kraftstoff erfolgten Verbrennung in der Brennkraftmaschine 1 als Abgas über
den Abgastrakt 3 abgeführt wird.
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Der
Frischluftstrang 2 weist eine Ladeluftleitung 4 auf,
welche an ihrem der Brennkraftmaschine 1 zugewandt angeordneten
Ende mit der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist. Stromauf
der Brennkraftmaschine 1 ist in der Ladeluftleitung 4 ein
Ladeluftkühler 5 zur Kühlung angesaugter
Verbrennungsluft angeordnet. Ein nicht näher dargestellter
Verbrennungsluftfilter zum Reinigen der angesaugten Verbrennungsluft
ist an dem anderen Ende der Ladeluftleitung 4 angeordnet,
welches von der Brennkraftmaschine 1 abgewandt positioniert
ist.
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Der
Abgastrakt 3 umfasst einen mit der Brennkraftmaschine 1 verbundenen
Abgaskrümmer 6, welchem eine Abgasleitung 7 zugeordnet
ist. An einem von der Brennkraftmaschine 1 abgewandten Ende
der Abgasleitung 7 ist zur Abgasnachbehandlung ein Abgasnachbehandlungssystem 8 angeordnet,
welches in Form eines Rußfilters und/oder Katalysators
ausgebildet ist.
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Die
Brennkraftmaschine 1 weist ergänzend ein Abgasrückführsystem 9 auf,
dem eine Verbindungsleitung 10 in Form einer Abgasrückführleitung von
der Abgasleitung 7 abzweigend und in die Ladeluftleitung 4 stromab
des Ladeluftkühlers 5 einmündend zugeordnet
ist. In der Abgasrückführleitung 10 ist
zur Kühlung von rückgeführtem Abgas ein
Abgaskühler 11 angeordnet. Eine Einstellung einer
rückgeführten Abgasmenge erfolgt mit Hilfe eines
Abgasrückführventils 12.
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Zur
Regelung und Steuerung vieler Funktionen ist der Brennkraftmaschine 1 ein
Regelungs- und Steuerungssystem 13 zugeordnet. Über
das Regelungs- und Steuerungssystem 13 sind insbesondere die
Kraftstoffzufuhr und das Abgasrückführventil 12 regelbar.
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Des
Weiteren ist der Brennkraftmaschine 1 ein Abgasturbolader 14 zugeordnet,
welcher ein Gehäuse aufweist, umfassend einen durchströmbaren Luftführungsabschnitt 15,
einen durchströmbaren Abgasführungsabschnitt 16 und
einen Lagerabschnitt 17.
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Der
Abgasturbolader 14 weist weiterhin ein Laufzeug 18 auf,
welches ein erstes Laufrad 19, ein zweites Laufrad 20 sowie
eine Welle 21 umfasst, welche zur drehfesten Verbindung
des ersten Laufrades 19 mit dem zweiten Laufrad 20 vorgesehen
ist. Das erste Laufrad 19 ist im Luftführungsabschnitt 15, das zweite
Laufrad 20 ist im Abgasführungsabschnitt 16 und
die Welle 21 ist im Lagerabschnitt 17 drehbar
positioniert.
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Der
Luftführungsabschnitt 15 ist im Frischluftstrang 2 der
Brennkraftmaschine 1 angeordnet. Der Abgasführungsabschnitt 16 ist
im Abgastrakt 3 der Brennkraftmaschine 1 aufgenommen.
Im Betrieb wird das zweite Laufrad 20 vom Abgas der Brennkraftmaschine 1 beaufschlagt,
sodass das Laufzeug 18 in eine Rotationsbewegung versetzt
wird. Durch die drehfeste Verbindung des ersten Laufrades 19 mit
dem zweiten Laufrad 20 mit Hilfe der Welle 21, wird
das erste Laufrad 19 ebenfalls in eine Rotationsbewegung
versetzt, so dass Frischluft mit Hilfe des ersten Laufrades 19 angesaugt
wird, welche im Luftführungsabschnitt 15 verdichtet
wird.
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Zur
Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades des Abgasturboladers 14 ist
im Abgasführungsabschnitt 16 stromauf des zweiten
Laufrades 20 eine variable Laufradgeometrie 20a vorgesehen.
Zusätzlich ist die Abgaszuströmung zum zweiten
Laufrad 20 mit Hilfe eines Regelventils 20b mögliche,
welches in einer Umgehungsleitung 20c positioniert ist.
Die Umgehungsleitung zweigt stromauf des zweiten Laufrades 20 von
der Abgasleitung 7 ab und mündet stromab des zweiten
Laufrades 20 wieder in die Abgasleitung 7 ein.
Der Luftführungsabschnitt 15 könnte ebenfalls
mit einer variablen Laufradgeometrie versehen sein.
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Die
variablen Laufradgeometrie 20a und das Regelventil 20b sind
mit Hilfe des Regelungs- und Steuerungssystems 13 einstellbar.
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Das
in 2 in einem Längsschnitt dargestellte
erste Laufrad 19 mit einer Drehachse 22 weist auf
einer Nabe 23 eine Vielzahl von Laufradschaufeln 24 auf,
welche zum Ansaugen und Verdichten von gasförmigem Medium,
insbesondere von Frischluft, geeignet sind. Im Falle des zweiten
Laufrades 20 ist die Vielzahl von Laufradschaufeln 24 zum
Expandieren von gasförmigem Medium, insbesondere von heißem
Abgas, geeignet. In der nachfolgenden Beschreibung ist exemplarisch
das erste Laufrad 19 beschrieben. In gleicher Weise kann
das zweite Laufrad 20 aufgebaut sein.
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An
einem Radrücken 25 des ersten Laufrads 19,
welcher von den Laufradschaufeln 24 abgewandt angeordnet
ist, weist das erste Laufrad 19 eine Welle 26 auf,
welche koaxial mit dem Laufrad 19 verbunden ist.
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Am
Radrücken 25 des ersten Laufrades 19 ist
eine Wuchtmarke 27 zur Reduktion von Unwuchten bei einer
Rotationsbewegung im Betrieb des Abgasturboladers 14 positioniert.
Die Wuchtmarke 27 weist ein radiales Wuchtmarkenprofil 28 mit
einer radialen äußeren Wuchtmarkenkante 29 und
einer radialen inneren Wuchtmarkenkante 30 auf.
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Die äußere
Wuchtmarkenkante 29 weist einen ersten Schnittpunkt S1
mit dem Wuchtmarkenprofil 28 auf. Eine durch diesen ersten
Schnittpunkt S1 gehende erste Tangente T1 des Wuchtmarkenprofils 28 weist
zwischen ihrer dem Wuchtmarkenprofil 28 abgewandt positionierten
Verlängerung und dem Radrücken 25 einen
ersten Tangentenwinkel α auf. Der Wert des ersten Tangentenwinkels α beträgt 35°.
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Ebenso
weist die innere Wuchtmarkenkante 30 einen zweiten Schnittpunkt
S2 mit dem Wuchtmarkenprofil 28 auf. Ein zweiter Tangentenwinkel β ist
zwischen dem Radrücken 25 und einer dem Wuchtmarkenprofil 28 abgewandt
positionierten Verlängerung einer durch den zweiten Schnittpunkt
S2 gehenden zweiten Tangente T2 des Wuchtmarkenprofils 28 ausgebildet.
Der Wert dieses Tangentenwinkels β beträgt ebenfalls
35°.
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Die
beiden Tangentenwinkel α, β müssen nicht
zwingend gleich groß ausgestaltet sein.
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Das
radiale Wuchtmarkenprofil 28 ist in diesem Ausführungsbeispiel
kreisförmig ausgebildet, wobei das radiale Wuchtmarkenprofil 28 einen
relativen Wuchtmarkenradius RMK aufweist, dessen Wert das 0,08-fache
des äußeren Laufradradius RLA beträgt.
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Eine
sich in axialer Richtung, parallel zur Drehachse 22 erstreckende
Wuchtmarkentiefe MT des radialen Wuchtmarkenprofils 28 weist
in diesem Ausführungsbeispiel von der äußeren
Wuchtmarkenkante 29 denselben radialen Abstand auf wie
von der inneren Wuchtmarkenkante 30. Der Wert der Wuchtmarkentiefe
MT entspricht dem 0,025-fachen Wert des äußeren
Laufradradius RLA.
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In
einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das radiale Wuchtmarkenprofil 28 bogenförmig
ausgebildet, wobei der radiale Abstand der Wuchtmarkentiefe MT von
der äußeren Wuchtmarkenkante 29 nicht
dem radialen Abstand von der inneren Wuchtmarkenkante 30 entspricht.
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Die
Wuchtmarke 27 ist so am Radrücken 25 positioniert,
dass die innere Wuchtmarkenkante 30 einen inneren Wuchtmarkenradius
RMI aufweist, welcher einen Abstand der inneren Wuchtmarkenkante 30 von
der Drehachse 22 bestimmt, dessen Wert dem 0,51-fachen
Wert des äußeren Laufradradius RLA entspricht.
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Eine
radiale Ausdehnung der Wuchtmarke 27, welche durch die äußere
Wuchtmarkenkante 29 charakterisiert ist, ist durch einen äußeren
Wuchtmarkenradius RMA bestimmt, dessen Wert dem 0,85-fachen Wert
des äußeren Laufradradius RLA entspricht.
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Der äußere
Wuchtmarkenradius RMA entspricht dabei einem Abstand der äußeren
Wuchtmarkenkante 29 von der Drehachse 22.
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In
diesem Ausführungsbeispiel ist die Wuchtmarkentiefe MT
sich vom Radrücken 25 ausgehend axial in Richtung
der Laufradschaufeln 24 erstreckend ausgebildet. In einem
weiteren, nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Wuchtmarkentiefe MT sich vom Radrücken 25 ausgehend axial
in Richtung der Welle 26 erstreckend ausgebildet.
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Frischluftstrang
- 3
- Abgastrakt
- 4
- Ladeluftleitung
- 5
- Ladeluftkühler
- 6
- Abgaskrümmer
- 7
- Abgasleitung
- 8
- Abgasnachbehandlungssystem
- 9
- Abgasrückführsystem
- 10
- Abgasrückführleitung
- 11
- Abgaskühler
- 12
- Abgasrückführventil
- 13
- Regelungs-
und Steuerungssystem
- 14
- Abgasturbolader
- 15
- Luftführungsabschnitt
- 16
- Abgasführungsabschnitt
- 17
- Lagerabschnitt
- 18
- Laufzeug
- 19
- erstes
Laufrad
- 20
- zweites
Laufrad
- 20a
- variable
Laufradgeometrie
- 20b
- Regelventil
- 20c
- Umgehungsleitung
- 21
- Welle
- 22
- Drehachse
- 23
- Nabe
- 24
- Laufradschaufel
- 25
- Radrücken
- 26
- Welle
- 27
- Wuchtmarke
- 28
- radiales
Muldenprofil
- 29
- radial äußere
Muldenkante
- 30
- radial
innere Muldenkante
- RLA
- äußerer
Laufradradius
- RMK
- relativer
Muldenradius
- MT
- Muldentiefe
- RMI
- innerer
Muldenradius
- RMA
- äußerer
Muldenradius
- S1
- erster
Schnittpunkt
- S2
- zweiter
Schnittpunkt
- T1
- erste
Tangente
- T2
- zweite
Tangente
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2537538
C3 [0003]
- - JP 2002047944 A [0004]