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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Zweckmäßigerweise besteht ein Abgasturbolader aus mehreren Gehäuseabschnitten: Einem ersten Gehäuseabschnitt, welcher im Allgemeinen von heißen Gasen, in der Regel Abgas einer Brennkraftmaschine, durchströmt wird, einem zweiten Gehäuseabschnitt, welcher ein drehbar im zweiten Gehäuseabschnitt gelagertes Laufzeug aufnehmbar ausgebildet ist und zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt und einem dritten Gehäuseabschnitt, welcher von im Allgemeinen Umgebungsluft durchströmbar ist, positioniert ist. Zwischen den einzelnen Gehäuseabschnitten sind Flanschflächen ausgebildet, derart, dass diese Flanschflächen einander berührbar ausgestaltet sind, so dass ein Ausströmen des heißen Gases und der Umgebungsluft weitestgehend vermieden wird. Sofern es zwischen den Flanschflächen zu Undichtheiten kommt, reduziert sich einerseits ein Gesamtwirkungsgrad des Abgasturboladers und andererseits treten zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt und dem zweiten Gehäuseabschnitt umweltbelastende Abgase aus, was insbesondere zu vermeiden ist. Zu berücksichtigen ist, dass der Abgasturbolader zerlegbar sein sollte, das heißt, dass beispielsweise eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den einzelnen Flanschflächen zwar eine Dichtheit zwischen den Flanschflächen herbeiführen könnte, allerdings der Abgasturbolader dann nicht mehr einfach zerlegbar und wieder montierbar ist.
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So ist beispielsweise der Offenlegungsschrift
DE 10 2010 053 078 A1 ein Abgasturbolader entnehmbar, wobei mit Hilfe einer Kraft-Formschlussverbindung in Form einer Überwurfmutter eine fluiddichte Abdichtung zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt und dem zweiten Gehäuseabschnitt angestrebt wird. Hier allerdings ist diese, ein Gewinde aufweisende Überwurfmutter herzustellen, wodurch zusätzliche und nicht unerhebliche Kosten entstehen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Abgasturbolader bereitzustellen, welcher kostengünstig herstellbar ist und im Betrieb eine verbesserte Abgasdichtheit gegenüber der Umgebung aufweist.
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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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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, welcher einen ersten Gehäuseabschnitt und einen zweiten Gehäuseabschnitt aufweist, wobei der erste Gehäuseabschnitt und der zweite Gehäuseabschnitt an mindestens einer ersten Flanschfläche des ersten Gehäuseabschnitts und an einer zweiten Flanschfläche des zweiten Gehäuseabschnitts aneinander angrenzend positioniert sind. Der Abgasturbolader weist eine Längsachse auf, und der erste Gehäuseabschnitt und der zweite Gehäuseabschnitt sind sich um die Längsachse sowohl radial als auch entlang der Längsachse axial erstreckend ausgebildet.
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Erfindungsgemäß weist die erste Flanschfläche eine sich in Umfangsrichtung der ersten Flanschfläche erstreckende erste Kontaktkante und/oder die zweite Flanschfläche eine sich in Umfangsrichtung der zweiten Flanschfläche erstreckende zweite Kontaktkante auf, mittels derer zur Abdichtung zwischen der ersten Flanschfläche und der zweiten Flanschfläche ein ringartig ausgebildeter Kontakt zwischen der ersten Flanschfläche und der zweiten Flanschfläche herstellbar ist. Mit anderen Worten ist mit Hilfe der ersten Kontaktkante und/oder zweiten Kontaktkante eine Dichtung realisierbar, welche in Umfangsrichtung zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt und dem zweiten Gehäuseabschnitt ausbildbar ist. Der Kontakt, welcher zwischen den entsprechenden Kontaktkanten oder zwischen der entsprechenden Kontaktkante und der ihr gegenüberliegenden Flanschfläche ausgebildet ist, erwirkt die Abdichtung zwischen den beiden Flanschflächen aufgrund einer Oberflächenpressung zwischen den Gehäuseabschnitten im Bereich der entsprechenden Kontaktkante. Somit ist eine im Betrieb durchweg gesicherte Abdichtung zwischen den beiden Flanschflächen einfach und somit kostengünstig realisiert.
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Der kostengünstige Vorteilsaspekt ist dadurch herbeigeführt, dass keine zusätzliche Dichtvorrichtung, wie bspw. dem genannten Stand der Technik zu entnehmen ist, oder in Form eines üblichen metallischen Dichtringes, welcher zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt und dem zweiten Gehäuseabschnitt, aufgenommen in oder an der ersten Flanschfläche und der zweiten Flanschfläche, notwendig ist, bzw. aufgrund des Wegfalls dieser zusätzlichen Dichtvorrichtung ebenso entsprechende Montageschritte entfallen.
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Ein weiterer Vorteil der mit Hilfe der ersten Kontaktkante und/oder zweiten Kontaktkante herbeigeführten Dichtung ist die mit steigenden Temperaturen zunehmende Verstärkung der Dichtwirkung. Durch eine als Folge einer Durchströmung des ersten Gehäuseabschnitts mit heißem Fluid, bzw. Abgas, herbeigeführte Temperaturerhöhung der Gehäuseabschnitte im Betrieb infolge Konvektion, weisen die Gehäuseabschnitte entsprechend ihrer Wärmeleitungs- und Wärmeausdehnungskoeffizienten eine Ausdehnung sowohl entlang der Längsachse des Abgasturboladers als auch in radialer Richtung von der Längsachse wegführend nach außen auf. Das bedeutet, dass eine Ausdehnung in axialer Richtung erfolgt, sodass zwischen der Kontaktkante und der ihr gegenüberliegenden Flanschfläche eine Oberflächenpressung ausgebildet ist.
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Mit anderen Worten bedeutet dies, dass, da im Betrieb des Abgasturboladers der erste Gehäuseabschnitt von dem heißen Fluid, bzw. dem Abgas durchströmt wird, sich der erste Gehäuseabschnitt aufgrund einer Wärmeleitung mit Hilfe des heißen Fluids erwärmt. Entsprechend seines Wärmeausdehnungskoeffizienten weist der erste Gehäuseabschnitt somit eine Ausdehnung, mindestens in axialer Richtung, auf. Der zweite Gehäuseabschnitt, welcher an den ersten Gehäuseabschnitt angrenzend positioniert ist, wird ebenfalls durch Wärmeleitung mit Hilfe des ersten Gehäuseabschnitts erwärmt und weist somit ebenfalls eine Ausdehnung zumindest in axialer Richtung auf. Somit dehnen sich die beiden Gehäuseabschnitte derart aus, dass im Bereich ihrer Flanschflächen sich die Flanschflächen aufeinander zu bewegen, derart, dass ein Kontakt im Bereich der Kontaktkante herbeigeführt wird.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist die erste Kontaktkante zwischen einer ersten Flanschteilfläche der ersten Flanschfläche und einer zweiten Flanschteilfläche der ersten Flanschfläche ausgebildet, wobei die erste Flanschteilfläche und die zweite Flanschteilfläche in einem ersten Winkel zueinander angeordnet sind, und der erste Winkel einen Wert aufweist, welcher kleiner als 180° ist, und/oder die zweite Kontaktkante zwischen einer dritten Flanschteilfläche der zweiten Flanschfläche und einer vierten Flanschteilfläche der zweiten Flanschfläche ausgebildet ist, wobei die dritte Flanschteilfläche und die vierte Flanschteilfläche in einem zweiten Winkel zueinander angeordnet sind, und der zweite Winkel einen Wert aufweist, welcher kleiner als 180° ist. Sofern der erste Winkel und/oder der zweite Winkel als so genannte stumpfe Winkel ausgebildet sind, ergibt sich eine ideal, gesicherte Oberflächenpressung zwischen der entsprechenden Kontaktkante und der gegenüberliegenden Flanschfläche. Aus Gründen der Minimierung des Verschleißes der Kontaktkanten sollten diese möglichst stumpfwinkelig, in jedem Fall größer als 90° ausgebildet werden.
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Sofern eine erste Kontaktkante und eine zweite Kontaktkante ausgebildet sind, ist es auch hier von Vorteil, wenn beide Kontaktkanten zwischen Flanschteilflächen liegen, welche unter ihrem jeweiligen, in Form eines stumpfen Winkels ausgebildeten Winkel, vorliegen, da eine hohe Oberflächenpressung erzielbar ist.
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Idealerweise ist der erste Gehäuseabschnitt aus einem ersten Material ausgebildet, welches einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, welcher unterschiedlich ist zu einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten eines zweiten Materials, aus welchem der zweite Gehäuseabschnitt ausgebildet ist. Somit ist sichergestellt, dass die Gehäuseabschnitte unterschiedliche Ausdehnungen aufweisen, so dass die fluiddichte Dichtung realisierbar ist. Zweckmäßigerweise ist der zweite Gehäuseabschnitt aus dem Material mit einem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt. Im Allgemeinen weist das Material mit dem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hohe Dämpfungseigenschaften bei gleichzeitig guter Bearbeitbarkeit auf. Es sind filigrane Formen möglich, wie sie insbesondere bei der Bereitstellung des zweiten Gehäuseabschnitts, in diesem Falle des Lagerabschnitts notwendig sind. Ein ferritischer Grauguss ist hier als geeignetes Material zu nennen. Als Material mit einem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten, welcher dann dem ersten Gehäuseabschnitt, d. h. dem Abgasführungsabschnitt zuzuordnen wäre, wäre für einen Abgasturbolader eines Ottomotors insbesondere ein austenitischer Stahlguss bzw. für einen Abgasturbolader eines Dieselmotors ein hochsiliziumhaltiger Grauguss geeignet.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist ein Hitzeschild zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt und dem zweiten Gehäuseabschnitt mit Hilfe eines Verspannelementes positioniert. Der Vorteil des Verspannelementes ist eine gesicherte Fixierung des Hitzeschildes zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt und dem zweiten Gehäuseabschnitt. Das Verspannelement ist idealerweise elastisch bzw. federnd ausgebildet, sodass eine gesicherte Fixierung unabhängig von der thermisch abhängigen Ausdehnung der beiden Gehäuseabschnitte ausgebildet ist.
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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 Längsschnittausschnitt eines ersten Gehäuseabschnitts und eines zweiten Gehäuseabschnitts des erfindungsgemäßen Abgasturboladers in einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 eine Detailansicht eines ersten Gehäuseabschnitts und eines zweiten Gehäuseabschnitts des erfindungsgemäßen Abgasturboladers in einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
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3 eine Detailansicht eines ersten Gehäuseabschnitts und eines zweiten Gehäuseabschnitts des erfindungsgemäßen Abgasturboladers in einem dritten Ausführungsbeispiel.
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Ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader 1 ist in einem exemplarischen Ausführungsbeispiel gemäß 1 ausgebildet. Der Abgasturbolader 1 weist einen ersten Gehäuseabschnitt 2 auf, in Form eines durchströmbaren Abgasführungsabschnitts 2, welcher im Betrieb des Abgasturboladers 1 von einem Fluid, in der Regel von Abgas durchströmt wird. Das Abgas ist im Allgemeinen, aber nicht zwangsweise, ein Verbrennungsprodukt einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine.
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Dem Abgasturbolader 1 ist ein zweiter Gehäuseabschnitt 3 zugeordnet, welcher in Form eines Lagerabschnitts ausgebildet ist und der Lagerung eines nicht näher dargestellten Laufzeugs des Abgasturboladers 1 dient. Der Lagerabschnitt 3 ist zwischen einer nicht näher dargestellten durchströmbaren Luftführungsabschnitt des Abgasturboladers 1 und dem Abgasführungsabschnitt 2 positioniert.
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Das nicht näher dargestellte Laufzeug weist ein nicht näher dargestelltes Verdichterrad und ein nicht näher dargestelltes Turbinenrad auf, welche miteinander mit Hilfe einer nicht näher dargestellten Welle drehfest verbunden sind. Das Verdichterrad ist in einer nicht näher dargestellten Verdichterradkammer des Luftführungsabschnitts zum Ansaugen von im Allgemeinen Frischluft angeordnet. Das nicht näher dargestellte Turbinenrad ist in einer Radkammer 4 des Abgasführungsabschnitts 2 drehbar aufgenommen.
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Das Turbinenrad wird im Betrieb des Abgasturboladers 1 von dem den Abgasführungsabschnitt 2 durchströmenden Abgas beaufschlagt und angetrieben, wobei es eine Drehbewegung ausführen kann. Diese Drehbewegung ist mit Hilfe der Welle auf das Verdichterrad übertragbar, welches somit simultan zur Drehbewegung des Turbinenrads eine Drehbewegung ausführen kann. Mit Hilfe des Verdichterrades und dessen Drehbewegung wird Frischluft angesaugt, welche im Luftführungsabschnitt verdichtet wird.
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Der Abgasführungsabschnitt 2 weist einen durchströmbaren Spiralkanal 5 auf, mit dessen Hilfe das Fluid dem Turbinenrad zuführbar ist. Aufgrund der hohen Temperaturen des den Abgasführungsabschnitt 2 durchströmenden Fluids ist zur wärmeisolierenden Abschirmung des Lagerabschnitts 3 ein Hitzeschild 6 zwischen dem Abgasführungsabschnitt 2 und dem Lagerabschnitt 3 ausgebildet. Der Hitzeschild 6 ist im Bereich des Turbinenrades nahe dessen Radrücken positioniert.
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Der Abgasführungsabschnitt 2 weist an seinem dem Lagerabschnitt 3 zugewandt ausgebildeten Ende eine erste Flanschfläche 7 auf. Dieser ersten Flanschfläche 7 gegenüberliegend ist eine zweite Flanschfläche 8 des Lagerabschnitts 3 ausgebildet, wobei die beiden Flanschflächen weitestgehend komplementär ausgebildet sind. Ein den ersten Gehäuseabschnitt 2 und den zweiten Gehäuseabschnitt 3 umfassendes Fixierelement 17 ist in Form einer Bandschelle, insbesondere einer V-Bandschelle ausgebildet und dient einer Fixierung der beiden Gehäuseabschnitte. Die beiden Flanschflächen 7, 8 sind gegenüber einer Längsachse 11 des Abgasturboladers, welche einer Drehachse des Turbinenrades entspricht, sich überwiegend radial erstreckend ausgebildet. D. h., sie können senkrecht zur Längsachse 11 ausgebildet sein, sie können allerdings auch schräg zu der Längsachse 11 ausgebildet sein.
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Problematisch ist im Betrieb des Abgasturboladers 1, dass das durch den Spiralkanal 5 auf das Turbinenrad geführte Fluid in diverse, konstruktiv bedingte Montagespalte strömen und insbesondere im Bereich der ersten Flanschfläche 7 und der zweiten Flanschfläche 8 in die Umgebung ausströmen kann. Dieser Effekt nimmt zu mit steigenden Fluid- bzw. Abgastemperaturen und steigendem Druck des Fluids.
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Zur Vermeidung dieses Effektes, und somit zur Realisierung einer Dichtung, weist die erste Flanschfläche des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 eine sich in Umfangsrichtung erstreckende erste Kontaktkante 9 auf. Die zweite Flanschfläche 8 ist überwiegend plan bzw. eben ausgebildet. Mit Hilfe der ersten Kontaktkante 9 wird zwischen der ersten Flanschfläche 7 und der zweiten Flanschfläche 8 ein strömungsdichter, ringartiger Kontakt 10 ausgebildet. Unter dem ringartigen Kontakt 10 ist hier nicht zwingend ein kreisformartiger Kontakt zu verstehen, sondern ein in sich geschlossener Kontakt 10. Das heißt, sofern es geometrische Verhältnisse erlauben könnte ebenso ein Kontakt in Form eines Rechtecks oder eines Quadrats ausgebildet sein, ebenso ein ellipsenförmiger Kontakt, welcher in sich geschlossen ist.
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Der ringartige Kontakt 10 ist linienförmig bzw. in Form eines schmalen Kreisrings ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass die erste Flanschfläche 7 gegenüber der zweiten Flanschfläche 8 geneigt ausgebildet ist, so dass sich die erste Flanschfläche 7 und die zweite Flanschfläche 8 über ihre jeweilige Gesamtfläche entlang einer entsprechenden Linie, welche in sich geschlossen ist, berühren. In dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 ist die erste Kontaktkante 9 in einem äußeren Bereich positioniert, d. h. in einer Bereich einer ersten Flanschaußenfläche 12 des ersten Gehäuseabschnitts 2, wobei die erste Flanschaußenfläche 12 sich in Richtung der Längsachse 11 erstreckend ausgebildet ist. Ebenso könnte die erste Kontaktkante 9 auch in einem anderen Bereich der ersten Flanschfläche 7 ausgebildet sein.
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Der kalte Zustand des Abgasturboladers 1 bedeutet, dass der Abgasturbolader 1 bspw. zum Zeitpunkt des kalten Zustandes nicht von heißen Abgasen durchströmt wird oder, dass die Abgastemperaturen noch keine Werte erreicht haben, die zu einer merklichen Temperaturerhöhung des ersten Gehäuseabschnitts 2 führen, derart, dass es zu einer Wärmeausdehnung des ersten Gehäuseabschnitts 2 kommt.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1, welches gemäß 2 ausgeführt ist, weist die zweite Flanschfläche 8 eine zweite Kontaktkante 14 auf, welche ebenfalls, wie auch die erste Kontaktkante 9 des ersten Ausführungsbeispiels gem. 1, in einem äußeren Bereich, d. h. in einem Bereich einer zweiten Flanschaußenfläche 13 des zweiten Gehäuseabschnitts 3, wobei die zweite Flanschaußenfläche 13 sich ebenfalls in Richtung der Längsachse 11 erstreckend ausgebildet ist Ebenso könnte die zweite Kontaktkante 14 auch in einem anderen Bereich der zweiten Flanschfläche 8 ausgebildet sein, wie mit Hilfe der gestrichelten Konturlinie gezeigt ist.
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In einem dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 weist die erste Flanschfläche 7 die erste Kontaktkante 9 und die zweite Flanschfläche 8 die zweite Kontaktkante 14, auf, wobei die erste Kontaktkante 9 und die zweite Kontaktkante 14 einander gegenüberliegend angeordnet sind, so dass der ringartige Kontakt 10 ausbildbar ist. Eine Positionierung der ersten Kontaktkante 9 und der zweiten Kontaktkante 14 in radialer Richtung ist unerheblich, sofern die erste Kontaktkante 9 und die zweite Kontaktkante 14 gegenüberliegend angeordnet sind. Eine Variante der Positionierung der beiden Kontaktkanten 9, 14 in radialer Richtung ist mit Hilfe der strichpunktierten Linie gezeigt.
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Die erste Kontaktkante 9 ist zwischen einer ersten Flanschteilfläche 15 der ersten Flanschfläche 7 und einer zweiten Flanschteilfläche 16 der ersten Flanschfläche 7 ausgebildet, wobei die erste Kontaktkante 9 sich in Umfangsrichtung erstreckend ausgestaltet ist. Die erste Flanschteilfläche 15 und die zweite Flanschteilfläche 16 sind dabei in einem ersten Winkel α zueinander positioniert, wobei der erste Winkel α einen Wert von 135° aufweist.
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Im dritten Ausführungsbeispiel gem. 3 weist die zweite Flanschfläche 8 die ebenfalls in Umfangsrichtung zwischen einer dritten Flanschteilfläche 18 der zweiten Flanschfläche 8 und einer vierten Flanschteilfläche 19 der zweiten Flanschfläche 8 ausgebildete zweite Kontaktkante 14 auf. Die dritte Flanschteilfläche 18 und die vierte Flanschteilfläche 19 sind dabei in einem zweiten Winkel β zueinander positioniert, wobei der zweite Winkel β einen Wert von 140° aufweist. Das heißt, sowohl der erste Winkel α als auch der zweite Winkel β sind stumpfwinkelig ausgeführt.
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Der Hitzeschild 6 ist mit Hilfe eines Verspannelementes 20 zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt 2 und dem zweiten Gehäuseabschnitt 3 verklemmend zu fixieren.
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Dieses Verspannelement 20 ist vorzusehen, da aufgrund der Wärmeausdehnung eine Überbestimmung der Konstruktion möglich ist, so dass eine Klemmwirkung allein durch die beiden Gehäuseabschnitte 2, 3 möglicherweise aufgehoben wird.
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Idealerweise sind die erste Kontaktkante 9 und die zweite Kontaktkante 14 abgerundet ausgebildet, um eine vorzeitige Abnutzung im Betrieb zu vermeiden sowie die Aufrechterhaltung einer ausreichenden Flächenpressung zu sichern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010053078 A1 [0003]
