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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung, insbesondere
einen Abgasturbolader, für eine Brennkraftmaschine, insbesondere
eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1.
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Üblicherweise
umfasst eine Ladeeinrichtung, insbesondere in Form eines Abgasturboladers,
einen Rotor und einen Stator, wobei der Rotor im Stator um eine
Rotationsachse drehbar gelagert ist.
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Für
einen ordnungsgemäßen Betrieb der Ladeeinrichtung
ist es erforderlich, zwischen dem Rotor und dem Stator zumindest
eine Dichtung vorzusehen, bspw. um ein Eindringen von Hochdruckluft
an der Verdichterseite in die Lagerung des Rotors oder um ein Eindringen
von Hochdruckabgas von der Turbinenseite in die Lagerung des Rotors
oder um einen Durchschlag des Abgases von der Turbinenseite zur Verdichterseite
zu vermeiden.
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Aus
der
EP 1 394 451 B1 ist
ein Abgasturbolader bekannt, bei dem zwischen einem Gehäusedeckel
eines Lagergehäuses des Stators und einer mit einer Welle
des Rotors mitdrehenden Buchse zwei axial voneinander beabstandete
Radialdichtungen angeordnet sind. Die eine Radialdichtung ist dabei als
Kolbenring ausgebildet, während die andere als Lippendichtung
ausgestaltet ist. Die Realisierung von Kolbendichtungen benötigt
enge Herstellungstoleranzen, was kostenintensiv ist. Eine Lippendichtung, die
vorgespannt an der zugehörigen Dichtfläche anliegt,
ist hohem Verschleiß ausgesetzt. Bei einem Abgasturbolader
können Drehzahlen bis 200.000 Umdrehungen pro Minute erreicht
werden.
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Eine
weitere Ladeeinrichtung mit einer Radialdichtung zwischen Rotor
und Stator ist aus der
JP 63-013965 bekannt.
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Im
Hinblick auf strengere Abgasemissionsgesetze ist es erwünscht,
die Dichtung zwischen Rotor und Stator zu verbessern.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
für eine Ladeeinrichtung der eingangs genannten Art eine
verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere
durch eine preiswerte Realisierbarkeit auszeichnet und die außerdem
eine verbesserte Dichtungswirkung aufweisen soll.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand
des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zwischen einem Bauteil
des Stators und einem Bauteil des Rotors zumindest eine Axialdichtung
anzuordnen. Eine derartige Axialdichtung kann vergleichsweise preiswert
realisiert werden, da sie auch bei größeren Toleranzen
so gefertigt werden kann, dass sie die erwünschte Dichtungswirkung
ermöglicht. Sofern eine derartige Axialdichtung zusätzlich
zu herkömmlichen Radialdichtungen zur Anwendung kommt,
kann auf preiswertem Weg eine effektive Verbesserung der Dichtungswirkung
realisiert werden.
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Bevorzugt
ist eine Ausführungsform, bei welcher die Axialdichtung
am Statorteil befestigt ist, davon axial absteht und mit einer am
Rotorteil ausgebildeten Dichtfläche zusammenwirkt. Am Statorteil steht
mehr Bauraum zum Einbauen einer derartigen Axialdichtung zur Verfügung,
was die Unterbringung der Axialdichtung mit geringem konstruktiven
Aufwand vereinfacht. Desweiteren ist durch die statorseitige Anordnung
der Axialdichtung die Masse des Rotors nicht erhöht. Somit
kann ein das Beschleunigungsverhalten nachteilig beeinflussender
Effekt der Axialdichtung vermindert bzw. vermieden werden.
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Besonders
vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang eine Ausführungsform,
bei welcher axial zwischen der Axialdichtung und der Dichtfläche
ein Drosseldichtspalt ausgebildet ist. Mit anderen Worten, die Axialdichtung
liegt an der Dichtfläche nicht an, sondern ist dazu axial
beabstandet. Ein solcher Drosseldichtspalt kann eine ausreichende
Dichtungswirkung realisieren, ohne dass es hierbei zu einem körperlichen
Kontakt zwischen der Axialdichtung und der Dichtfläche
kommt. Die Axialdichtung ist dadurch quasi verschleißfrei.
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Zusätzlich
oder alternativ kann die Axialdichtung aus einem Kunststoff hergestellt
sein, bei dem es sich insbesondere um einen Hochtemperaturthermoplast
handeln kann. Die Verwendung von Kunststoff für die Herstellung
der Axialdichtung vereinfacht es, die Axialdichtung einschleifend
auszugestalten. Das bedeutet, dass die Axialdichtung so dimensioniert
wird, dass sie bei der Montage bei allen auftretenden Lagetoleranzen
an der Dichtfläche zur Anlage kommt. Im Betrieb schleift
sich die Kunststoffdichtung an der metallischen Dichtfläche
soweit ein, bis sie die Dichtfläche nur noch kraftlos berührt
bzw. gerade nicht mehr berührt, wodurch ein besonders enger Drosseldichtspalt
entsteht. Diese Bauweise führt zum einen zu einer effektiven
Dichtungswirkung und ermöglicht zum anderen relativ große
Herstellungstoleranzen hinsichtlich der Positionierung der Axialdichtung.
Die Axialdichtung selbst kann preiswert mit relativ engen Herstellungstoleranzen
gefertigt werden, z. Bsp. als Spritzgussteil, was aber grundsätzlich
nicht erforderlich ist.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen
stark vereinfachten Längsschnitt durch eine Ladeeinrichtung,
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2 eine
vergrößerte Schnittansicht wie in 1,
jedoch im Bereich einer Axialdichtung,
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3 bis 8 stark
vereinfachte, vergrößerte Darstellungen der Axialdichtung
bei unterschiedlichen Ausführungsformen.
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Entsprechend 1 umfasst
eine Ladeeinrichtung 1, bei der es sich bevorzugt um einen
Abgasturbolader handelt, einen Rotor 2 und einen Stator 3.
Der Rotor 2 ist im Stator 3 um eine Rotationsachse 4 drehbar
gelagert. Die Ladeeinrichtung 1 dient zum Aufladen einer
Brennkraftmaschine, die in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein kann.
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Der
Rotor 2 umfasst ein Verdichterrad 5, ein Turbinenrad 6 und
eine Welle 7. Die Welle 7 trägt das Verdichterrad 5 und
das Turbinenrad 6 jeweils drehfest und ist über
eine Lagereinrichtung 8 im Stator 3 um die Rotationsachse 4 drehbar
gelagert. Der Stator 3 umfasst ein Lagergehäuse 9,
in dem die Lagerung der Welle 7 erfolgt, in dem also die
Lagereinrichtung 8 angeordnet ist. Darüber hinaus
kann der Stator 3 in üblicher Weise ein hier nicht
gezeigtes Verdichtergehäuse sowie ein hier ebenfalls nicht
gezeigtes Turbinengehäuse aufweisen. Die Lagereinrichtung 8 umfasst
im gezeigten Beispiel zwei hydrodynamische Radialgleitlager 10,
die axial, also parallel zur Rotationsachse 4 voneinander
beabstandet sind. Ferner ist ein hydrodynamisches Axialgleitlager 11 vorgesehen.
Zur Versorgung der hydrodynamischen Lager 10, 11 mit
Schmieröl ist eine Ölzuführung 12 vorgesehen,
die mehrere im Lagergehäuse 9 ausgebildete, nicht
näher bezeichnete Kanäle umfassen kann. Zum Abführen
des Schmieröls ist eine Ölabführung 13 vorgesehen.
Diese umfasst im Lagergehäuse 9 einen nicht näher
bezeichneten Sammelraum für Schmieröl.
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Zum
Montieren der Welle 7 besitzt das Lagergehäuse 9 einen
Gehäusedeckel 14, der koaxial zur Rotationsachse 4 angeordnet
ist und axial in eine Deckelaufnahme 15 des Lagergehäuses 9 eingesetzt
ist.
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Die
Ladeeinrichtung 1 weist außerdem zumindest eine
Axialdichtung 16 auf, die zwischen einem Statorteil und
einem Rotorteil angeordnet ist bzw. wirksam ist. Entsprechend 2 handelt
es sich beim Statorteil im gezeigten, bevorzugten Beispiel um den
Gehäusedeckel 14, so dass das Statorteil im Folgenden
ebenfalls mit 14 bezeichnet wird. Grundsätzlich
kann auch ein anderer Bestandteil des Stators 3 zur Aufnahme
oder Anordnung der Axialdichtung 16 vorgesehen sein. Beim
Rotorteil handelt es sich im gezeigten Beispiel um eine Buchse 17,
die an der Welle 7 so angeordnet ist, dass sie mit der Welle 7 mitdreht.
Beispielsweise ist die Buchse 17 hierzu radial mit der
Welle 7 verspannt, z. B. mittels eines Schrumpfsitzes.
Ebenso ist es möglich, die Buchse 17 in axialer
Richtung über eine Scheibe 18 mit einem Bund 19 der
Welle 7 axial zu verspannen. Diese axiale Verspannung kann
bspw. durch die Montage des Verdichterrads 5 erfolgen.
Das Rotorteil wird im Folgenden daher ebenfalls mit 17 bezeichnet. Grundsätzlich
kann auch ein anderer Bestandteil des Rotors 2, z. B. die
Welle 7 oder die Scheibe 18, mit der Axialdichtung 16 zusammenwirken.
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Bevorzugt
ist die Axialdichtung 16 am Statorteil 14 befestigt.
Sie dreht also mit dem Rotor 2 nicht mit. Die Axialdichtung 16 wirkt
dabei mit einer Dichtfläche 20 zusammen, die am
Rotorteil 17 ausgebildet ist und dementsprechend mit dem
Rotor 2 mitdreht. Hierzu steht die Axialdichtung 16 axial
vom Statorteil 14 in Richtung zur Dichtfläche 20 ab.
Im gezeigten Beispiel ist die Axialdichtung 16 verdichterseitig
angeordnet. Das bedeutet, dass die Axialdichtung 16 gegenüber
der verdichteten Luft dichten soll. Hierzu befindet sie sich in
der Nähe des Verdichterrads 5.
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Das
Rotorteil 17 bzw. die Buchse 17 besitzt einen
radial abstehenden Kragen 21, an dem die Dichtfläche 20 ausgebildet
ist. Die Axialdichtung 16 ist somit im Bereich des Kragens 21 angeordnet.
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Die
Buchse 17, die das Rotorteil 17 bildet, weist
im Beispiel außerdem zumindest eine Radialdichtung 22 auf.
Im Beispiel sind zwei derartige Radialdichtungen 22 an
der Buchse 17 ausgebildet. Die Radialdichtungen 22 wirken
im Beispiel mit dem genannten Statorteil 14, also mit dem
Gehäusedeckel 14 zusammen. Grundsätzlich
kann die jeweilige Radialdichtung 22 auch mit einem anderen
Statorteil zusammenwirken. Im Beispiel sind die Radialdichtungen 22 als
Kolbenringe ausgestaltet, die in Ringnuten 23 eingesetzt
sind, die am Umfang der Buchse 17 ausgebildet sind.
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Die
Axialdichtung 16 kann aus Kunststoff hergestellt sein.
Bevorzugt ist dann die Herstellung aus einem Hochtemperaturthermoplast,
also ein Thermoplast, der bis 200°C stabil bleibt. Geeignete Hochtemperaturthermoplaste
sind bspw. PPS, PEEK, PEAK, PI und PEI. Der jeweilige Kunststoff, insbesondere
der jeweilige Thermoplast, kann bei einer bevorzugten Ausführungsform
faserverstärkt sein. Geeignete Verstärkungsfasern
sind bspw. Glasfasern oder Karbonfasern. Optional kann außerdem vorgesehen
sein, den jeweiligen Kunststoff bzw. den Thermoplasten mit einem
reibungsreduzierenden Zusatz zu versehen. Die reibungsreduzierenden
Zusätze sind bspw. PTFE, Grafit und MoS2. Die Kunststoff-Axialdichtung 16 befindet
sich bevorzugt verdichterseitig, da die Hochdruckluft deutlich kleinere Temperaturen
aufweist als die Abgase der Brennkraftmaschine, mit denen die Axialdichtung 16 bei
einer turbinenseitigen Anordnung in Kontakt kommen könnte.
Desweiteren besitzt die Ladeeinrichtung 1 an der Verdichterseite
ohnehin geringere Temperaturen als an der Turbinenseite.
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Die
Herstellung der Axialdichtung 16 aus Kunststoff ermöglicht
es außerdem, die Axialdichtung 16 so zu dimensionieren,
dass sie sich im Betrieb selbst einschleift, also mit der Dichtfläche 20 abrasiv zusammenwirkt.
Im Hinblick auf einzuhaltende Herstellungstoleranzen vereinfacht
sich dadurch die Herstellung der Axialdichtung 16.
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Entsprechend
den 3 bis 5 kann die Axialdichtung 16 so
dimensioniert sein, dass sie an der Dichtfläche 20 nicht
anliegt, sondern dass axial zwischen der Axialdichtung 16 und
der Dichtfläche 20 ein Drosseldichtspalt 24 ausgebildet
ist. Eine Spaltweite 25 dieses Drosseldichtspalts 24 kann
dabei so niedrig dimensioniert sein, dass die gewünschte Drosselwirkung
bzw. Dichtwirkung entsteht. Alternativ dazu zeigen die 6 bis 8 Ausführungsformen,
bei denen die Axialdichtung 16 an der Dichtfläche 20 axial
anliegt. Dabei ist es insbesondere möglich, dass die Axialdichtung 16 an
der Dichtfläche 20 in axialer Richtung quasi kraftlos
anliegt, derart, dass die Axialdichtung 16 die Dichtfläche 20 nur
berührt. Gleichzeitig kann dabei ein geringfügiger
Abstand zwischen der Axialdichtung 16 und der Dichtfläche 20 nicht
immer vermieden werden, so dass hierbei auch ein extrem kleiner
Drosseldichtspalt entstehen kann. Der Übergang zwischen
kraftloser Berührung und Beabstandung mit Drosseldichtspalt 24 ist
dabei verschwommen, so dass nicht immer eine eindeutige Zuordnung
möglich ist. Dies gilt vor allem für die Ausführungsformen,
bei denen die Axialdichtung 16 einschleifend ausgestaltet
ist. Die abrasive Wirkung des Reibkontakts zwischen Axialdichtung 16 und
Dichtfläche 20 bewirkt, dass die Axialdichtung 16 nach dem
Einschleifen die Dichtfläche 20 nur noch kraftlos oder
gerade nicht mehr berührt. Dies unterscheidet sich von
einer Ausführungsform, bei der ein gezielter Drosseldichtspalt 24 mit
definierter Spaltweite 25 realisiert werden soll.
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Bei
den Ausführungsformen der 3, 4 und 6 bis 8 ist
die Dichtfläche 20 flächenbündig
zu radial benachbarten Bereichen des Rotorteils 17 ausgebildet.
Im Unterschied dazu zeigt 5 eine Ausführungsform,
bei welcher am Rotorteil 17 eine Ringnut 26 ausgebildet
ist, derart, dass die Ringnut 26 in axialer Richtung offen
ist. Die Dichtfläche 20 ist in dieser Ringnut 26,
an deren Nutgrund ausgebildet. Hierdurch ergibt sich eine versenkte
Anordnung für die Dichtfläche 20. Die
Axialdichtung 16 taucht in die Ringnut 26 axial
ein.
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6 zeigt
eine besondere Ausführungsform, bei welcher sich die Axialdichtung 16 in
einem Axialspalt 27, der axial zwischen dem Statorteil 14 und
dem Rotorteil 17 ausgebildet ist, in der durch einen Pfeil
angedeuteten Drehrichtung 28 und bezogen auf die Rotationsachse 4 in
der Umfangsrichtung geneigt erstreckt. Im Unterschied dazu erstrecken sich
die Axialdichtungen 16 bei den Ausführungsformen
der 3 bis 5 jeweils axial, also parallel zur
Rotationsachse 4.
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7 zeigt
eine Ausführungsform, bei welcher die Axialdichtung 16 mehrere
Dichtlippen 29 aufweist, die radial zueinander versetzt
angeordnet sind. Die Radialrichtung bezieht sich dabei auf die Rotationsachse 4.
Die radial zueinander versetzten Dichtlippen 29 wirken
dabei jeweils mit der Dichtfläche 20 zusammen,
wodurch sich eine Reihenschaltung mehrerer Dichtlippen 29 ergibt,
die eine besonders hohe Dichtungswirkung ermöglicht.
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Bei
den Ausführungsformen der 2, 3, 6 und 7 ist
die Axialdichtung 16 so ausgestaltet, dass sie eine linienförmige
Dichtlippe 29 aufweist, die auch als Dichtkante bezeichnet
werden kann. Im Unterschied dazu zeigen die 4 und 5 jeweils
eine Ausführungsform, bei der die Axialdichtung 16 eine
flächige Dichtlippe 29 besitzt. Flächige
Dichtlippen 29 kommen z. B. dann zur Anwendung, wenn die
Axialdichtung 16 mit einem Drosseldichtspalt 24 arbeitet.
Im Unterschied dazu kommen linienförmige Dichtlippen 29 bzw.
Dichtkanten bevorzugt dann zur Anwendung, wenn die Axialdichtung 16 die
Dichtfläche 20 kontaktiert und/oder wenn die Axialdichtung 16 einschleifend
ausgestaltet ist.
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8 zeigt
eine Ausführungsform, bei welcher die Axialdichtung 16 aus
Metall hergestellt ist. Verwendet wird hierzu ein Blechkörper 30,
der im Profil z. Bsp. L-förmig gestaltet sein kann. Der
Blechkörper 30 kann mit einer Beschichtung 31 versehen sein.
Diese Beschichtung 31 kann reibungsmindernd gestaltet sein.
Es kann sich um eine Keramikbeschichtung oder um eine Kunststoffbeschichtung oder
um eine Metallbeschichtung handeln.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1394451
B1 [0004]
- - JP 63-013965 [0005]