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Die Erfindung betrifft einen Verdichter eines Abgasturboladers sowie einen Abgasturbolader mit einem solchen Verdichter.
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Zur Erhöhung des Ladedrucks in einer Brennkraftmaschine wird üblicherweise ein Abgasturbolader mit einem Verdichter verwendet, mittels welchem mehr Luft und damit auch mehr Sauerstoff pro Arbeitstakt in eine Brennkammer der Brennkraftmaschine eingebracht werden kann. Über die erhöhte eingebrachte Sauerstoffmenge kann auch mehr Kraftstoff in die Brennkammer eingespritzt und damit die Leistung der Brennkraftmaschine verbessert werden. Der Abgasturbolader umfasst verdichterseitig einen Verdichter mit einem Verdichtergehäuse, in welchem ein Verdichterrad, welches Laufschaufeln trägt, zum Ansaugen von Luft drehbar gelagert ist. Um eine ungestörte und insbesondere reibungsfreie Drehbewegung des Verdichterrads im Verdichtergehäuse sicherzustellen, muss zwischen dem Verdichterrad und dem Verdichtergehäuse ein Zwischenraum in der Art eines Spalts vorhanden sein, so dass Verdichterrad und Verdichtergehäuse beabstandet zueinander angeordnet sind und folglich keine oder nur geringe störenden Reibungseffekte zwischen Verdichterrad und Verdichtergehäuse auftreten können. Dabei ist allerdings zu berücksichtigen, dass ein Spalt mit einer zu großen Spaltbreite zu einer unerwünschten Reduktion des Wirkungsgrads des Verdichters und damit des gesamten Abgasturboladers führen kann. Die Spaltbreite des Spalts kann durch geeignete Festlegung der Fertigungstoleranz sowohl des Verdichterrads als auch des Verdichtergehäuses innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs grob festgelegt werden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für einen Verdichter eines Abgasturboladers anzugeben, die sich durch eine möglichst geringe Luftströmung durch den sich zwischen dem Verdichterrad und Verdichtergehäuse ausbildenden Durchgangspalts und somit durch einen verbesserten Wirkungsgrad bei gleichzeitig hoher Betriebssicherheit auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, am Verdichtergehäuse oder am Laufrad zumindest eine Erhebung vorzusehen, die in eine zugehörige komplementäre Nut am Laufrad oder am Verdichtergehäuse eingreift und auf diese Weise eine Labyrinthdichtung bildet. Durch die Ausbildung einer solchen Labyrinthdichtung kann ein unerwünschter Luftstrom entlang des zwischen Verdichtergehäuse und Verdichterrad ausgebildeten Durchgangspalts zumindest behindert werden, ohne dass dieser Durchgangspalts technisch aufwändig als definierter Konturspalt mit definierter Spaltbreite oder als sogenannter Nullspalt ausgebildet werden muss und dadurch höchsten Toleranzanforderungen unterliegt. Mit Nullspalt ist dabei gemeint, dass nach der Montage des Verdichterrads der zum reibungsfreien Rotieren des Verdichterrads benötigte minimale Durchgangspalts durch Einschleifen eines solchen Spalts in die Gehäusekontur in das Verdichtergehäuse erzeugt wird. Da ein solcher Nullspalt zunächst eine hohe Antriebsleistung erfordert, um das Verdichterrad zu Beginn des Einschleifvorgangs erstmalig in Rotation zu versetzen, können auf das Verdichterrad starke Kräfte und Momente wirken, die zu Beschädigungen, beispielsweise aufgrund von Unwucht-Änderungen führen können. Auch die Laufschaufeln des Verdichterrads und dabei insbesondere die Kanten der Laufschaufeln können auf diese Weise beschädigt werden. Auch kann beim Einschleifen des Gehäusebauteils im Bereich des Verdichterrads eine auf den Laufschaufeln gegebenenfalls vorhandene Beschichtung auf unerwünschte Weise abgetragen werden. Ebenso kann ein Wellenlager, mittels welchem das Verdichterrad drehbar am Verdichtergehäuse gelagert ist, beschädigt werden.
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Durch die erfindungsgemäß vorgesehen Labyrinthdichtung kann der Durchgangspalt zwischen Verdichterrad und Verdichtergehäuse bereits bei Inbetriebnahme des Verdichterrads mit größerer Spaltbreite ausgelegt werden, so dass ein Einschleifen in die Gehäusekontur des Verdichtergehäuses nicht mehr erforderlich ist. Auf diese Weise kann die Lebensdauer des bzw. des einen solchen Verdichter verwendenden Abgasturboladers erhöht werden. Da die Bauteile des Verdichters, insbesondere das Verdichterrad und das Verdichtergehäuse, hinsichtlich ihrer Fertigungstoleranzen nicht wie beim Nullspalt hochgenau, also mit sehr kleinen Toleranzen, gefertigt werden müssen, lassen sich auch die Herstellungskosten für den erfindungsgemäßen Verdichter reduzieren. Da die Labyrinthdichtung einen Luftstrom in dem Durchgangspalt zwischen Verdichterrad und Verdichtergehäuse unterbindet, ist der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verdichters dennoch hoch.
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In einer bevorzugten Ausführungsform bilden die Erhebung und die zugehörige Nut eine Nullspaltdichtung aus. Auf diese Weise kann mittels der Labyrinthdichtung ein besonders ausgeprägter Abdichtungseffekt und ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden.
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In einer technisch besonders einfach und somit kostengünstig herzustellenden Ausführungsform kann sich die Erhebung konisch verjüngen. Insbesondere kann die Erhebung dabei im Querschnitt dreiecksförmig ausgebildet sein.
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Um eine optimale Dichtwirkung der Labyrinthdichtung sicherzustellen, können sich die Nut und die Erhebung entlang einer Umfangsrichtung des Verdichterrads bzw. des Verdichtergehäuses erstrecken.
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In einer weiterbildenden Ausführungsform kann die als Labyrinthdichtung wirkende Nut/Erhebung im Bereich des Spalts einen axialen Einlasskanal gegen einen radialen Auslasskanal des Verdichtergehäuses abdichten. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Labyrinthdichtung auch in einem Radialverdichter verwendet werden, wie er in modernen Abgasturboladern oftmals zum Einsatz kommt.
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In einer besonders einfach herzustellenden Ausführungsform kann die Erhebung/Nut im Querschnitt trapezförmig oder halbkreisförmig ausgebildet sein.
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Zur weiteren Optimierung der Dichtwirkung der Labyrinthdichtung kann die Erhebung zumindest eine materialabtragende Kante aufweisen, die sich in die Nut eingräbt.
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Vorzugsweise können das Verdichterrad und/oder das Verdichtergehäuse zumindest im Bereich der Nut aus Kunststoff ausgebildet sein.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Abgasturbolader mit einem Verdichter mit einem oder mehreren der vorgehend genannten Merkmale und mit einem mit dem Verdichterrad mittels einer Läuferwelle drehfest verbundenen Turbinenrad.
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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 Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verdichters,
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2 eine Variante des Ausführungsbeispiels der 1,
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verdichters.
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In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Verdichter in einer Teilansicht und in einem Längsschnitt dargestellt und mit 1 bezeichnet. Der Verdichter 1 umfasst ein Verdichtergehäuse 2, welches in der 1 nur teilweise dargestellt ist, sowie ein Verdichterrad 3. Das Verdichterrad 3 trägt Laufschaufeln. Das Verdichterrad 3 ist um eine axiale Achse A drehbar gelagert. Mittels des Verdichterrads 3 kann ein Gas, beispielsweise Luft, von einer axialen Eingangsseite 4 zu einer radialen Ausgangsseite 5 gefördert werden.
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In dem in der 1 gezeigten montierten Zustand des Verdichterrads 3 bildet sich zwischen der axialen Eingangsseite 4 und der radialen Ausgangsseite 5 ein Durchgangsspalt 6 aus. Um einen leistungsmindernden unerwünschten Luftstrom von der axialen Eingangsseite 4 über den Durchgangsspalt 6 zur radialen Ausgangsseite 5 möglichst gering zu halten oder sogar vollständig zu unterbinden, ist entlang des Durchgangsspalts 6 am Verdichtergehäuse 2 eine Erhebung 7 vorgesehen, welche in eine am Verdichterrad 3 vorgesehene komplementäre Nut 8 eingreift. Die Erhebung 7 und die Nut 8 bilden zusammen eine Labyrinthdichtung 9 aus. Mittels der Labyrinthdichtung 9 kann die axiale Eingangsseite 4 gegen die radiale Ausgangsseite 5 abgedichtet werden und somit ein unerwünschter Luftstrom durch den Durchgangsspalt 6 weitgehend oder sogar vollständig verhindert werden. Dies führt zu einer Wirkungsgradsteigerung des Verdichters 1.
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Die Erhebung 7 kann sich konisch verjüngen und insbesondere im Querschnitt dreiecksförmig ausgebildet sein. Die Nut 8 und die Erhebung 7 können sich entlang einer Umfangsrichtung des Verdichterrads 3 bzw. des Verdichtergehäuses 2 erstrecken.
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Die die Labyrinthdichtung 9 ausbildende Erhebung 7 und die Nut 8 können auch eine Nullspaltdichtung bilden. Dies bedeutet, dass bei der Montage des Verdichterrads 3 im Verdichtergehäuse 2 und einem damit verbundenen Einschleifen der Oberfläche des Verdichtergehäuses 2 im Bereich des Verdichterrads 3 nur die Labyrinthdichtung 9 eingeschliffen werden muss, nicht aber der gesamte dem Verdichtergehäuse 2 gegenüberliegende Bereich des Verdichterrads 3, denn nur die Labyrinth-Dichtung 9 bildet einen Nullspalt aus, d.h. vor einem Einschleifvorgang greift die Erhebung 7 in die Nut 8 ein, und die entsprechenden Oberflächen von Erhebung 7 und Nut 8 liegen aneinander an. Demgegenüber ist der restliche Bereich des Verdichtergehäuses 2, der dem Verdichterrad 3 gegenüberliegt, im Abstand zu diesem angeordnet. Beim Einschleifen wird also nur Material des Verdichtergehäuses 2 bzw. des Verdichterrads 3 im Bereich der Erhebung 7 bzw. Nut 8 abgetragen, nicht jedoch über den gesamten Bereich des Durchgangsspalts 6 hinweg, entlang welchem sich Verdichtergehäuse 2 und Verdichterrad 3 gegenüberliegen.
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Aufgrund eines derart reduzierten Einschleifgebiets gestaltet sich der Einschleifvorgang besonders einfach, wobei insbesondere die Gefahr von Beschädigungen des Verdichterrads 3 in Form von unerwünschten Unwuchten sowie Beschädigungen der Schaufelkanten der am Verdichterrad 3 angebrachten Laufschaufeln usw. vermieden werden können. Auf diese Weise lässt sich die Lebensdauer des Verdichters 1 und damit eines diesen Verdichter 1 verwendenden Abgasturboladers deutlich erhöhen. Gleichzeitig ist aufgrund der Dichtwirkung der Labyrinthdichtung 9 der Wirkungsgrad des Verdichters 1 gegenüber herkömmlichen Verdichtern ohne Labyrinthdichtung bzw. Nullspaltdichtung deutlich erhöht.
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Die Ausbildung der Erhebung 7 und der Nut 8 als Nullspaltdichtung ist in der Darstellung der 2 gezeigt. Im Bereich der Labyrinthdichtung 9 greift die Erhebung 7 in die Nut 8 ein, wobei eine Oberfläche der Nut 8 auf der korrespondierenden Oberfläche der Erhebung 7 liegt. Durch erstmaliges In-Rotation-Versetzen des Verdichterrads 3 kann die Labyrinthdichtung 9 eingeschliffen werden. Die Erhebung 7 bzw. die Nut 8 können im Querschnitt trapezförmig oder halbkreisförmig ausgebildet sein. Die Erhebung 7 kann zumindest eine materialabtragende Kante 10 aufweisen, die sich beim Einschleifen des Verdichterrads 3 in die Nut 8 eingräbt. Um den Einschleifvorgang besonders einfach durchführen zu können, können das Verdichterrad 3 oder/und das Verdichtergehäuse 2 zumindest im Bereich der Nut 8 aus Kunststoff ausgebildet sein.
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In der 3 ist eine Variante des Verdichters 1 der 1 gezeigt, in welcher die Nut 8 am Verdichtergehäuse 2 und die Erhebung 7 am Verdichterrad 3 ausgebildet ist. Auch in dieser Variante bilden die Nut 8 und die Erhebung 7 eine Labyrinthdichtung 9 aus, die in einer weiterbildenden Variante auch als Nullspaltdichtung entsprechend der Variante der 2 ausgebildet sein kann. Im Übrigen gelten alle Erläuterungen zu den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 auch für die Variante der 3 mutatis mutandis.
