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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Abgasturboladers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
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Es sind Abgasturbolader bekannt, welche zur Lagerung eines Laufzeugs, umfassend ein Verdichterrad, ein Turbinenrad sowie eine das Verdichterrad mit dem Turbinenrad drehfest verbindende Welle, Radiallager und Axiallager aufweisen. Im Allgemeinen ist ein Axiallager in einem Lagerabschnitt des Abgasturboladers vorgesehen sowie zwei Radiallager, wobei das Axiallager und eines der beiden Radiallager nahe einem Luftführungsabschnitt des Abgasturboladers im Lagerabschnitt ausgebildet sind, und das andere der beiden Radiallager nahe einem Abgasführungsabschnitt des Abgasturboladers im Lagerabschnitt angeordnet ist. Lager, gleich ob Radiallager oder Axiallager, sind zur Aufnahme entsprechender Kräfte vorgesehen, damit ein gesicherter Betrieb eines bewegbaren Bauteils in einem Gehäuse möglich ist. Im Falle eines Abgasturboladers ist das Laufzeug im Lagerabschnitt gesichert zu lagern.
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Im Betrieb des Abgasturboladers herrscht üblicherweise im Abgasführungsabschnitt ein anderer Druck als im Luftführungsabschnitt. Der jeweils vorherrschende Druck bewirkt eine auf das entsprechende Rad, im Luftführungsabschnitt auf das Verdichterrad im Abgasführungsabschnitt auf das Turbinenrad, ausgeübte Axialkraft. Da das Verdichterrad mit dem Turbinenrad mit Hilfe der Welle drehfest verbunden ist, bedeutet dies, dass sofern die auf das Verdichterrad wirkende Axialkraft kleiner ist als die auf das Turbinenrad wirkende Axialkraft, eine axiale Verschiebung des gesamten Laufzeugs im Lagerabschnitt in Richtung auf den Luftführungsabschnitt induziert wird. Ebenso gilt, dass sofern die auf das Turbinenrad wirkende Axialkraft größer ist als die auf das Verdichterrad wirkende Axialkraft, eine axiale Verschiebung des gesamten Laufzeugs im Lagerabschnitt in Richtung auf den Luftführungsabschnitt erfolgt.
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Auch ist bekannt, dass Lager, unabhängig davon ob Gleit- oder Wälzlager, im Betrieb des Abgasturboladers Lagerverluste mit sich bringen, die eine Reduzierung eines effektiven Abgasturboladerwirkungsgrades zur Folge haben. Ebenso ist insbesondere bei Axiallagern die radiale Ausdehnung zu beachten, welche sich an der Baugroße des Abgasturboladers orientiert. Die Verluste der Axiallager nehmen entsprechend ihrer Baugröße überproportional zu, das heißt, es vergrößern sich mit Zunahme der Baugröße des Abgasturboladers auch die Reibungsverluste durch das Axiallager.
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Somit ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Abgasturbolader bereitzustellen, dessen Gesamtwirkungsgrad durch Reduzierung von mechanischen und gleichzeitig aerodynamischen Verlusten wesentlich gesteigert wird. Ebenso ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung ein Verfahren für einen Abgasturbolader anzugeben, mit dessen Hilfe der Gesamtwirkungsgrad des Abgasturboladers durch Reduzierung von mechanischen und gleichzeitig aerodynamischen Verlusten wesentlich gesteigert ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst sowie durch ein Verfahren für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Ein Abgasturbolader mit einem durchströmbaren Luftführungsabschnitt, einem durchströmbaren Abgasführungsabschnitt und einem Lagerabschnitt, wobei im Lagerabschnitt ein Laufzeug des Abgasturboladers drehbar gelagert ist, und das Laufzeug ein Turbinenrad, eine mit dem Turbinenrad drehfest verbundene Welle mit einer Drehachse sowie ein drehfest mit der Welle verbundenes Verdichterrad aufweist, wobei das Verdichterrad in einer ersten Radkammer des Luftführungsabschnitts und das Turbinenrad in einer zweiten Radkammer des Abgasführungsabschnitts drehbar aufgenommen sind, wobei zur Lagerung des Laufzeugs im Lagerabschnitt ein Radiallager vorgesehen ist, weist erfindungsgemäß eine Entlastungsvorrichtung zur selbstregulierenden Kompensation von am Turbinenrad und am Verdichterrad im Betrieb angreifenden Axialkräften auf.
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Die selbstregulierende Kompensation basiert auf dem Gedanken unterschiedliche Druckverteilungen in den gasdurchströmten Abschnitten des Abgasturboladers, somit in dem Luftführungsabschnitt und dem Abgasführungsabschnitt, zu nutzen und an in diesen Abschnitten vorhandenen radialen Stirnflächen zusätzliche Axialkräfte zu erzeugen, mit deren Hilfe sich eine Reduzierung der Summe aller im Abgasturbolader auftretenden Axialkräfte ermöglichen lässt. Das bedeutet, dass jegliche Flächen, insbesondere radiale Stirnflächen von Bauteilen des Abgasturboladers in den entsprechenden Abschnitten mit Hilfe einer geeigneten Gasführung auf die Stirnflächen, zur Erzeugung von Axialkräften genutzt werden können. Mit Hilfe der selbstregulierenden Kompensation kann ein Axiallager eliminiert oder zumindest in seinen Dimensionen wesentlich reduziert werden. Des Weiteren ist eine Verbesserung des Betriebsverhaltens des Laufzeugs erzielbar hinsichtlich seiner Geräuschentwicklung und/oder hinsichtlich seines Schwingungsverhaltens. Durch die Verringerung der belastungsbedingt auftretenden Schwingungsamplituden sind performancerelevante aerodynamische Spalte reduzierbar, wodurch die aerodynamischen Verluste reduziert werden.
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Besonders vorteilhaft ist die Entlastungsvorrichtung in Form eines hülsenförmigen Entlastungselementes zu gestalten. Das hülsenförmige Entlastungselement ist einfach herzustellen und lässt sich einfach im Bereich des Verdichterrades oder des Turbinenrades auf der Welle anordnen. Mit Hilfe dieses Entlastungselementes ist es möglich eine konstante zusätzliche Axialkraft aufgrund eines zwischen dem Rad, idealerweise dem Verdichterrad, und einer dem Rad zugewandt ausgebildeten ersten Stirnfläche ausgestalteten Axialspalt zu realisieren.
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Ein weiterer Vorteil Ausgestaltung aufgrund des Axialspaltes ist, dass ein Schwingungsverhalten durch beispielweise Profilierungen von dem Axialspalt zugewandt angeordneten Oberflächen des Entlastungselementes beeinflussbar ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das hülsenförmige Entlastungselement einenends einen Bund auf. Mit Hilfe eines derart gestalteten Entlastungselementes ist im Lagerabschnitt zusätzlich zum Axialspalt ein Radialspalt ausgebildet, mit Hilfe dessen es möglich ist eine zusätzliche Axialkraft in Abhängigkeit der Betriebspunkte zu realisieren.
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In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung ist das Entlastungselement drehfest mit der Welle ausgebildet, wobei das Entlastungselement insbesondere einstückig mit der Welle ausgebildet ist.
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Weist der Abgasführungsabschnitt eine variable Turbinengeometrie auf, können auftretende Radialkräfte insbesondere mit einer in Form eines verstellbaren Leitapparates ausgestalteten variablen Turbinengeometrie reduziert werden.
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Ein Verfahren zum Betrieb eines Abgasturboladers, welcher einen durchströmbaren Luftführungsabschnitt, einen durchströmbaren Abgasführungsabschnitt und einen Lagerabschnitt umfasst, und wobei im Lagerabschnitt ein Laufzeug des Abgasturboladers drehbar gelagert ist, und das Laufzeug ein Turbinenrad, eine mit dem Turbinenrad drehfest verbundene Welle mit einer Drehachse sowie ein drehfest mit dem Turbinenrad verbundenes Verdichterrad aufweist, wobei das Verdichterrad in einer ersten Radkammer des Luftführungsabschnitts und das Turbinenrad in einer zweiten Radkammer des Abgasführungsabschnitts drehbar aufgenommen sind, wobei das Laufzeug mit Hilfe eines durch den Abgasführungsabschnitt strömendes und auf das Turbinenrad treffendes Medium rotiert, und durch die Rotation am Turbinenrad und am Verdichterrad Axialkräfte erzeugt werden, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die am Turbinenrad und am Verdichterrad angreifenden Axialkräfte selbstregulierend kompensiert werden. Das Grundprinzip ist für dieses Verfahren die Erzeugung weiterer Axialkräfte an geeigneten Flächen, insbesondere radialer Stirnflächen, des Abgasturboladers.
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Durch diese selbstregulierende Kompensation der Axialkräfte ist es vorteilhafterweise möglich das Axiallager vollständig zu eliminieren. Da jedes Lager Lagerverluste initiiert, bedeutet die Elimination des Axiallagers somit eine Reduzierung der Lagerverluste. Ein weiterer Vorteil ist auch die Reduzierung von Bauteilen des Abgasturboladers, welche einerseits eine Gewichtsreduktion und somit eine mögliche Steigerung des effektiven Abgasturboladerwirkungsgrades als auch andererseits eine kompaktere Bauweise des Abgasturboladers ermöglichen. Ebenso besteht mit Hilfe dieses erfindungsgemäßen Verfahrens die Möglichkeit das Schwingungsverhalten des Laufzeugs wesentlich zu verbessern.
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Vorteilhaft ist ein Entlastungselement zur selbstregulierenden Kompensation relativ zum Lagerabschnitt axial zu verschieben, wobei in einer Ausgestaltung des Verfahrens das Entlastungselement in Abhängigkeit eines Betriebspunktes relativ zum Lagerabschnitt axial verschoben wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele 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.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 einen Ausschnitt aus einem im Längsschnitt dargestellten Abgasturbolader gemäß dem Stand der Technik,
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2 einen Ausschnitt aus einem im Längsschnitt dargestellten erfindungsgemäßen Abgasturbolader in einem ersten Ausführungsbeispiel und
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3 einen Ausschnitt aus dem im Längsschnitt dargestellten erfindungsgemäßen Abgasturbolader in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Ein Abgasturbolader 1 gemäß dem Stand der Technik ist wie in 1 dargestellt ausgebildet. Der Abgasturbolader 1 umfasst einen Verdichter 2 mit einem durchströmbaren Luftführungsabschnitt 3, eine nicht näher dargestellte Turbine mit einem nicht näher dargestellten durchströmbaren Abgasführungsabschnitt und mit einem Lagerabschnitt 4, wobei der Lagerabschnitt 4 zwischen dem Luftführungsabschnitt 3 und dem Abgasführungsabschnitt angeordnet ist Des Weiteren weist der Abgasturbolader 1 ein Laufzeug 5, bestehend aus einem Verdichterrad 6, einem nicht näher dargestellten Turbinenrad und einer Welle 7 auf. Das Verdichterrad 6 und das Turbinenrad sind drehfest mit der Welle 7 verbunden, wobei das Verdichterrad 6 an einem Wellenende und das Turbinenrad an dem anderen Wellenende angeordnet ist. Somit ist das Turbinenrad drehfest mit Hilfe der Welle 7, mit dem Verdichterrad 6 verbunden. Zur Anpassung des Betriebs des Abgasturboladers 1 an den Betrieb an eine Verbrennungskraftmaschine, mit welcher der Abgasturbolader 1 verbunden ist, kann der Abgasführungsabschnitt eine nicht näher dargestellte variable Turbinengeometrie und/oder eine nicht näher dargestellte Umgehungsvorrichtung zur Umgehung des Turbinenrades aufweisen.
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Das Laufzeug 5 ist im Lagerabschnitt 4 des Abgasturboladers 1 drehbar gelagert, wobei im Lagerabschnitt 4 ausschließlich die Welle 7 des Laufzeugs 5 positioniert ist. Zur Aufnahme des Verdichterrades 6 und zur Aufnahme des Turbinenrades weist der Luftführungsabschnitt 3 eine erste Radkammer 8 bzw. der Abgasführungsabschnitt eine nicht näher dargestellte zweite Radkammer auf. In der ersten Radkammer 8 ist somit das Verdichterrad 6 drehbar positioniert, wobei in der zweiten Radkammer das Turbinenrad drehbar angeordnet ist.
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Zur Lagerung der Welle 7 sind im Lagerabschnitt 4 mindestens ein Radiallager 9 zur Aufnahme der radialen Kräfte sowie mindestens ein Axiallager 10 zur Aufnahme der Axialkräfte vorgesehen. in der Regel ist ein Axiallager 10 ausreichend zur Aufnahme der auftretenden Axialkräfte, und dieses Axiallager 10 ist im Lagerabschnitt 4 im Bereich einer dem Luftführungsabschnitt 3 zugewandt positionierten Wandung 11 des Lagerabschnitts 4 angeordnet. Zwischen einem Radrücken 12 des Verdichterrades 6 und dem Axiallager 10 ist eine Ringscheibe 13 ausgebildet zur Abgrenzung der ersten Radkammer 8 gemäß des Verdichterrades 6 gegenüber dem Lagerabschnitt 4. Eine Distanzhülse 14 ist zwischen dem Radrücken 12 und einem zur Abdichtung eines schmiermittelführenden Kanalsystems 15, welches zur Schmiermittelversorgung des Axiallagers 10 und des Radiallagers 9 vorgesehen ist, gegenüber dem Luftführungsabschnitt 3 dienenden Abdichtelements 16 angeordnet.
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Ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader 1 ist gem. 2 ausgebildet. Der erfindungsgemäße Abgasturbolader 1 weist ein Entlastungselement 17 zur selbstregulierenden Kompensation von am Turbinenrad und am Verdichterrad 6 im Betrieb angreifenden Axialkräften auf, wobei das Entlastungselement 17 zwischen dem Abdichtelement 16 und dem Radrücken 12 ausgebildet ist. Das Entlastungselement 17 ist drehfest mit der Welle 7 verbunden.
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Das Entlastungselement 17 ist hülsenförmig ausgebildet und weist an seinem ersten Ende 23, das Ende, welches dem Verdichterrad 6 zugewandt angeordnet ist, eine erste Stirnfläche 18 auf. Im Betrieb des Abgasturboladers 1 wirkt ein in der ersten Radkammer 8 ausgebildeter Ladedruck, welcher ebenfalls auf eine erste Stirnfläche 18 des hülsenförmigen Entlastungselements 17 wirkt. Dieser auf die erste Stirnfläche 18 wirkende Ladedruck entspricht einer ersten Axialkraft, welche der vom Verdichterrad 6 erzeugten zweiten Axialkraft entgegenwirkt. In Abhängigkeit einer resultierenden Axialkraft, welche auf das Laufzeug 5 wirkt und eine Summe der ersten Axialkraft, der zweiten Axialkraft und einer vom Turbinenrad erzeugten dritten Axialkraft ist, legt eine axiale Positionierung des Laufzeugs 5 in den Gehäuseabschnitten vor, dem Luftführungsabschnitt 3, dem Lagerabschnitt 4 und dem nicht näher dargestellten Abgasführungsabschnitt.
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Zwischen einer Mantelfläche 20 des Entlastungselementes 17 und der Wandung 11 des Lagerabschnitts 4 ist ein Axialspalt 21 ausgebildet. Dieser Axialspalt 21 ist über einer Wirkfläche 22 des Entlastungselementes 17 ausgestaltet, wobei die Wirkfläche 22 eine Länge L an einem äußeren Durchmesser D des Entlastungselements 17 aufweist. Die Länge L der Wirkfläche 22 des Entlastungselementes 17 des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 in diesem ersten Ausführungsbeispiel ist nicht als Gesamtlänge des Entlastungselementes 17 zu verstehen, sondern die Länge L ist der axiale Abstand zwischen der ersten Stirnfläche 18 und einer zweiten Stirnfläche 24 an einem zweiten Ende 25 des Entlastungselementes 17, welches vom ersten Ende 23 abgewandt ausgebildet ist.
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Der Axialspalt 21 ist als Drosselspalt ausgestaltet und dient einer gezielten Druckreduzierung des Druckes an einem Radrücken des Verdichterrades 6. Des Weiteren tritt ein so genannter Lomakin-Effekt im Betrieb des Abgasturboladers 1 aufgrund einer vorhandenen, wenn auch sehr geringen Exzentrizität bei Rotation des Laufzeugs 5, auf, welcher auch eine Elimination des Radiallagers 9 ermöglicht. Erfolgt eine Modifikation des Axialspaltes 21 hinsichtlich seiner Spaltänge SL, welche im Wesentlichen der Länge L entspricht und seiner Spalthöhe SH, so kann damit das Frequenzverhalten des Laufzeugs 5 beeinflusst, das heißt ebenfalls verändert werden.
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In einem weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Entlastungselement 17 eine Labyrinth- oder Honeycomb-Profilierung auf, wodurch des Schwingungsverhalten zusätzlich günstig beeinflusst ist.
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Vorteilhafterweise kann mit Hilfe des Entlastungselements 17 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 eine konstante Entlastungskraft eingestellt werden.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1, s. 3, weist das hülsenförmige Entlastungselement 17 an seinem zweiten Ende 25 einen Bund 19 auf. Mit Hilfe des Bundes 19 ist an seiner ersten Bundfläche 26, welche der Wandung 11 gegenüberliegend angeordnet ist, ein Radialspalt 27 ausgebildet, welcher sich in Abhängigkeit der axialen Position des Laufzeugs 5 ändert. Der Radialspalt 27 dient ebenfalls der Druckreduzierung und weist eine einer Drossel entsprechenden Wirkung auf. Im Radialspalt 27 herrscht ein Druckgradient, welcher auf die erste Bundfläche 26 wirkt und eine Axialkraft somit auf das Entlastungselement 17 ausübt. Dabei kann eine zweite Bundfläche 28 des Bundes 19, welche von der ersten Bundfläche 26 abgewandt ausgebildet ist, die Funktion des Axiallagers 10 übernehmen.
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Im Betrieb des Abgasturboladers 1 wird des Turbinenrad von den Abgasführungsabschnitt durchströmendem Abgas der Verbrennungskraftmaschine beaufschlagt und angetrieben, wobei es eine Drehbewegung ausführen kann. Diese Drehbewegung ist mit Hilfe der Welle 7 auf das Verdichterrad 6 übertragbar, welches somit simultan zur Drehbewegung des Turbinenrads eine Drehbewegung ausführen kann. Mit Hilfe des Verdichterrades 6 und dessen Drehbewegung wird Frischluft angesaugt, welche im Luftführungsabschnitt 3 verdichtet wird. Die auf das Turbinenrad und Verdichterrad wirkenden Axialkräfte werden mit Hilfe des Entlastungselementes 17 selbstregulierend kompensiert, so dass des Laufzeug 5 eine den entsprechenden Axialkräften, die wiederum von den zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Betriebspunkten abhängig sind, angepasste axiale Position einnimmt. Da das Entlastungselement 17 fest mit der Welle 7 verbunden ist, wird es aufgrund der wirkenden Axialkräfte relativ zum Lagerabschnitt 4 verschoben.
