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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 100 61 847 A1 ist bereits ein Abgasturbolader bekannt, der ein Verdichtergehäuse aufweist. Innerhalb des Verdichtergehäuses ist ein Einströmbereich für Ladeluft angeordnet, dem stromab in Richtung auf einen Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors ein Vorsatzläuferrad und ein Verdichterrad aufeinanderfolgen. Das Verdichterrad und das Vorsatzläuferrad sind um eine gemeinsame Mittelachse drehbar gelagert. Das Vorsatzläuferrad wird von einem Elektromotor angetrieben, sodass die Ladeluft vorverdichtet den Schaufeln des Verdichterrades zugeführt werden kann. Damit wird unter anderem erreicht, dass die Pumpgrenze in Richtung kleinerer Volumenströme verschoben werden kann. Dabei weist das Vorsatzläuferrad eine Vorsatzläufernabe auf, die drehfest mit einem Rotor des Elektromotors verbunden ist, der ebenfalls koaxial zu Vorsatzläuferrad und Verdichterrad angeordnet ist. Der Elektromotor ist innerhalb eines Motorgehäuses angeordnet, das mit dem Verdichtergehäuse über eine Stützstrebe verbunden ist, die sich bezüglich der Mittelachse sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung erstreckt und dabei viel Platz im Einströmbereich einnimmt. Eine derart große Dimensionierung der Stützstrebe ist auch deshalb notwendig, weil das Motormoment des Elektromotors über einen relativ langen Hebelarm abgestützt werden muss. Sowohl diese groß dimensionierte Stützstrebe als auch der Elektromotor sind derart im Einströmbereich angeordnet, dass der Ladeluftstrom in Richtung auf das Verdichterrad behindert wird, was dem zu erzielenden Effekt zuwider läuft.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Abgasturbolader zu schaffen, der bereits im niedrigen Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors einen hohen Ladedruck und im gesamten Drehzahlbereich nur geringe Strömungsverluste 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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Erfindungsgemäß ist die Lagereinrichtung derart radial außerhalb der Mittelachse angeordnet, dass die Mittelachse im Einströmbereich der Ladeluft liegt. Da der Einströmbereich im Bereich der Mittelachse somit frei von Strömungshindernissen sein kann, ist es möglich bereits bei niedriger Drehzahl des Verdichters einen relativ hohen Ladedruck aufzubauen, was durch das Vorsatzläuferrad noch weiter verbessert wird. Insofern lässt sich das umgangssprachlich als „Turboloch“ bezeichnete Problem minimieren, gemäß dem die Leistung des Verbrennungsmotors erst bei Erreichen einer relativ hohen Antriebsmotordrehzahl einsetzt.
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Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verdichterrad mehrere Schaufeln mit Eintrittskanten aufweist, deren radial innere Enden einen kleineren Radialabstand zur Mittelachse aufweisen, als das gesamte Vorsatzläuferrad und dessen Lagereinrichtung. Mithin wird der vom Vorsatzläuferrad bewirkte zusätzliche Volumenstrom in einem Bereich zwischen den Schaufeln eingeleitet, der relativ weit von der Mittelachse entfernt liegt, sodass die daraus resultierende Kraft das Verdichterrad mit einem relativ großen Hebelarm angreift, wodurch ein entsprechend großes Drehmoment in das Verdichterrad eingeleitet wird.
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Dabei kann das Vorsatzläuferrad bezüglich der Mittelachse so weit radial außen angeordnet sein, dass mit dem Vorsatzläuferrad vorrangig dem radial äußersten Bereich der Eintrittskanten Ladeluft zuführbar ist.
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Dieser Effekt kann in vorteilhafter Weise dadurch noch verstärkt werden, dass eine Ladeluft-Leitwand zumindest bereichsweise radial innerhalb des Vorsatzläuferrades angeordnet ist und dasselbe dabei zumindest bereichsweise derart überdeckt, dass ein Anteil des Ladeluftstroms zu einem radial äußeren Bereich der Eintrittskante der Schaufeln geführt werden kann.
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In besonders vorteilhafter Weise kann die Ladeluft-Leitwand mittels einer Strebe mit einer Innenwand des Verdichtergehäuses verbunden sein.
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Der Kraftangriff radial außen am Verdichterrad kann in vorteilhafter Weise dadurch konstruktiv umgesetzt werden, dass das Vorsatzläuferrad um eine Rotationsachse drehbar ist, die versetzt zur Mittelachse angeordnet ist. Dabei kann die Rotationsachse des Vorsatzläuferrades parallel versetzt, windschief oder im Winkel zur Mittelachse angeordnet sein. Ferner kann die Lagereinrichtung des Vorsatzläuferrades an zumindest einem Teil gehalten sein, das mit dem Verdichtergehäuse bewegungsfest verbunden ist oder einteilig mit demselben ist. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist dieses Teil insbesondere als Strebe ausgeführt.
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Um die Lagereinrichtung möglichst weit radial nach außen zu verlagern und in besonders vorteilhafter Weise sogar außerhalb des Verdichtergehäuses anzuordnen, kann die Lagereinrichtung am Außenumfang des Vorsatzläuferrades angeordnet sein. Dabei kann Platz eingespart werden und ein Durchgriff des Vorsatzläuferrades durch das Verdichtergehäuse ermöglicht werden, indem vorgesehen ist, dass im Verdichtergehäuse eine umlaufende Ausnehmung vorgesehen ist, in der ein Teil des Vorsatzläuferrades aufgenommen, insbesondere axial abgestützt, 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. Gleichen oder funktionsgleichen Elementen sind identische Bezugszeichen zugeordnet. Es zeigen:
- 1 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers für einen als Hubkolbenmaschine ausgebildeten Verbrennungsmotor,
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Abgasturboladers in einer schematischen Längsschnittansicht ähnlich 1,
- 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Abgasturboladers in einer schematischen Längsschnittansicht ähnlich 1, und
- 4 eine schematische Querschnittansicht des Abgasturboladers gemäß drittem Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt ausschnittsweise einen Abgasturbolader 2 für einen beispielsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildeten Verbrennungsmotor 4. Der Abgasturbolader 2 umfasst eine nicht näher dargestellte Turbine mit einem Turbinenrad, deren Turbinenradschaufeln im Abgasstrom des Verbrennungsmotors 4 derart angeordnet sind, dass üblicherweise die Drehzahl des Turbinenrades mit steigendem Volumenstrom des Abgasstroms ebenfalls ansteigt. Des Weiteren umfasst der Abgasturbolader 2 einen Verdichter 3.
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Das Turbinenrad ist dabei um eine Mittelachse 6 drehbar, die zugleich die Mittelachse 6 eines Verdichterrades 8 des Verdichters 3 ist, dessen Nabe 10 über eine nicht näher dargestellte Welle drehfest mit dem Turbinenrad verbunden ist, sodass sich das Verdichterrad 8 mit der Drehzahl des Turbinenrades um die Mittelachse 6 dreht, die somit sowohl die Drehachse des Turbinenrades als auch des Verdichterrades 8 bildet. Die Turbine ist in einem nicht näher dargestellten Abgastrakt des Verbrennungsmotors durchströmbar aufgenommen.
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Das Verdichterrad 8 ist dabei in einem Aufnahmeraum 12 angeordnet, der innerhalb eines durchströmbaren Verdichtergehäuses 14 des Abgasturboladers 2 vorgesehen ist. Das Verdichterrad 8 weist mehrere Schaufeln 9 mit Eintrittskanten 11 auf.
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In den Aufnahmeraum 12 führt eine Einmündung 16, durch die Ladeluft angesaugt werden kann. Diese Ladeluft-Zufuhr ist anhand der Pfeile 18a, 18b symbolisch dargestellt.
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Der Einmündung 16 folgt dem Ladeluftstrom stromab ein Einströmbereich 20, der stromauf des Aufnahmeraums 12 innerhalb des Verdichtergehäuses 14 angeordnet ist. Stromab des Aufnahmeraums 12, und somit stromab des Verdichterrades 8, ist ein Verdichterkanal 22 im Verdichtergehäuse 14 ausgebildet, welcher in einen nicht näher dargestellten Spiralkanal mündet. Stromab des Spiralkanals ist ein ebenfalls nicht näher dargestellter Verdichteraustrittskanal im Verdichtergehäuse 14 ausgestaltet, welcher durchströmbar mit einem Ansaugtrakt 24 des Verbrennungsmotors 4 verbunden ist.
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Weiter stromab in Richtung auf einen Verdichterkanal 22 - insbesondere mit dem nicht dargestellten Spiralkanal - für einen Ansaugtrakt 24 des Verbrennungsmotors 4 sind aufeinanderfolgend ein Vorsatzläuferrad 26 und das Verdichterrad 8 angeordnet.
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Die Eintrittskanten 11 der Schaufeln 9 des Verdichterrades 8 weisen innere Enden 13 auf, die einen kleineren Radialabstand 29 zur Mittelachse 6 aufweisen, als das gesamte Vorsatzläuferrad 26 und eine nachstehend erläuterte Lagereinrichtung 28 des Vorsatzläuferrades 26.
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Das Vorsatzläuferrad 26 ist teilweise in einer umlaufenden Ausnehmung 27 aufgenommen, die im Verdichtergehäuse 14 vorgesehen ist. Ein radial außen liegender Teil des Vorsatzläuferrades 26 ist axial innerhalb der Ausnehmung 27 abgestützt. Das Vorsatzläuferrad 26 ist mittels der Lagereinrichtung 28 drehbar gelagert. Diese Lagereinrichtung 28 ist am Außenumfang des Vorsatzläuferrades 26 angeordnet. Eine Zentralachse der Lagereinrichtung 28 ist deckungsgleich mit der Mittelachse 6. Mithin ist die Lagereinrichtung 28 derart radial außerhalb der Mittelachse 6 angeordnet, dass die Mittelachse 6 im Einströmbereich der Ladeluft liegt, was insbesondere anhand des Pfeiles 18b ersichtlich ist. Die Lagereinrichtung 28 ist als lagerloser Motor ausgeführt. Bei einem lagerlosen Motor handelt es sich um eine Kombination aus einem Magnetlager und einem Elektromotor.
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Wird dieser Elektromotor entsprechend angesteuert, so wird das Vorsatzläuferrad 26 angetrieben, sodass nicht nur vom Verdichterrad Ladeluft eingesaugt wird, sondern auch vom Vorsatzläuferrad 26. Infolgedessen kann dem Verbrennungsmotor 4 selbst in dem Fall relativ hoch verdichtete Ladeluft zugeführt werden, wenn das Verdichterrad 8 von der Turbine nur mit einer niedrigen Drehzahl angetrieben wird. Dabei wird die vom Vorsatzläuferrad 26 vorverdichtete Ladeluft dem Verdichterrad 8 vorrangig an dessen radial äußeren Bereich zugeführt. Das Vorsatzläuferrad 26 ist nämlich bezüglich der Mittelachse 6 so weit radial außen angeordnet, dass mit dem Vorsatzläuferrad 26 höchstens den radial äußersten 20 % der Eintrittskantenlängen der Schaufeln Ladeluft zugeführt wird.
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Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ragt das Vorsatzläuferrad 26 radial etwas weiter nach innen, um mehr Ladeluft zur Verfügung zu stellen, wobei dann einem entsprechend größeren Anteil der Schaufeln Ladeluft zugeführt wird.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Abgasturboladers in einer schematischen Längsschnittansicht ähnlich 1.
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Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, weshalb im Folgenden vorrangig auf die Unterschiede eingegangen wird.
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Es ist eine ringförmig um die Mittelachse 6 umlaufende Ladeluft-Leitwand 30 vorgesehen, die radial innerhalb des Vorsatzläuferrades 26 angeordnet ist und die ein Radialspiel zum Vorsatzläuferrad 26 aufweist. Mit der Ladeluft-Leitwand 30 kann Ladeluft, die vom Vorsatzläuferrad 26 vorverdichtet wurde, zu dem radial äußeren Bereich 31 der Eintrittskanten 11 der Schaufeln 9 geführt werden. Dazu überdeckt ein Bereich 32 der Ladeluft-Leitwand 30 das Vorsatzläuferrad 26 auf dessen radialer Innenseite. Ausgehend von diesem Bereich 32 erstreckt sich die Ladeluft-Leitwand 30 derart in Richtung des Verdichterrades 8, dass sich eine Art ringförmiger Düsenspalt 34 bildet, der in Richtung des Verdichterrades 8 ausmündet.
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Die Ladeluft-Leitwand 30 ist mittels einer Strebe 36 mit einer Innenwand 38 des Verdichtergehäuses 14 verbunden.
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3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem ebenfalls eine Strebe 36 vorgesehen ist, die eine ringförmig um die Mittelachse 6 umlaufende Ladeluft-Leitwand 30 an der Innenwand 38 des Verdichtergehäuses 14 hält. Diese Strebe 36 erfüllt dabei einen weiteren Zweck, indem sie eine Lagereinrichtung 28 des Vorsatzläuferrades 26 hält, das um eine Rotationsachse 40 drehbar ist, die parallel versetzt zur Mittelachse 6 angeordnet ist. Mithin ist die Lagereinrichtung 28 des Vorsatzläuferrades 26 an der Strebe 36 gehalten, die mit dem Verdichtergehäuse 14 bewegungsfest verbunden ist oder in einer alternativen Ausführungsform einteilig mit dem Verdichtergehäuse ist.
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Die in 3 gezeigte Lagereinrichtung 28 kann beispielsweise ein Lagerbolzen sein, um den eine Vorsatzläufernabe des Vorsatzläuferrades 26 drehbar ist. Alternativ kann das Vorsatzläuferrad 26 auch einen Zapfen aufweisen, der drehbar in der Strebe 36 gelagert ist.
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Bei weiteren alternativen Ausführungsformen kann die Rotationsachse des Vorsatzläuferrades auch windschief oder im Winkel zur Mittelachse angeordnet sein. Bei der Anordnung im Winkel schneidet die Rotationsachse die Mittelachse, sodass sich ein Schnittpunkt bildet, der insbesondere außerhalb des Abgasturboladers liegt.
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Die nur schematisch dargestellte 4 zeigt für den Fall, dass die Rotationsachse 40 parallel versetzt zur Mittelachse 6 angeordnet ist, eine schematische Querschnittansicht des Abgasturboladers. Aus 4 geht hervor, dass die Mittelachse 6 des Verdichterrades 8 außermittig im Verdichtergehäuse 14 angeordnet sein kann.
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Die zu den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen gezeigte Lagereinrichtung
28 muss nicht als lagerloser Motor bzw. als Magnetlager ausgeführt sein. Es ist auch möglich, die Lagereinrichtung als Gleitlager oder Wälzlager auszuführen. Zum Antrieb des jeweiligen Vorsatzläuferrades kann anstelle eines Elektromotors auch eine getriebliche Kopplung mit dem Verdichterrad oder dem Turbinenrad vorgesehen sein. Analog zur
DE 100 61 847 A1 muss das Vorsatzläuferrad auch nicht unbedingt aktiv angetrieben sein.
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In der Strebe 36, die in 3 gezeigt ist, kann ein Schmiermittelkanal zur Schmierung der Lagereinrichtung 28 des Vorsatzläuferrades 26 vorgesehen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10061847 A1 [0002, 0031]
