WO2005040573A1 - Compressor and turbine rotor for a secondary air supply device on an internal combustion engine - Google Patents

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WO2005040573A1
WO2005040573A1 PCT/EP2004/009999 EP2004009999W WO2005040573A1 WO 2005040573 A1 WO2005040573 A1 WO 2005040573A1 EP 2004009999 W EP2004009999 W EP 2004009999W WO 2005040573 A1 WO2005040573 A1 WO 2005040573A1
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impeller
turbine wheel
wheel according
turbine
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PCT/EP2004/009999
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Peter Fledersbacher
Hans-Georg Lehmann
Martin Schlegl
Holger Stark
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Daimlerchrysler Ag
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    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
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    • F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • F01D15/08—Adaptations for driving, or combinations with, pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
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    • F04D25/04—Units comprising pumps and their driving means the pump being fluid-driven
    • F04D25/045—Units comprising pumps and their driving means the pump being fluid-driven the pump wheel carrying the fluid driving means, e.g. turbine blades
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention is based on a compressor and turbine wheel for a secondary air delivery device according to the preamble of claim 1.
  • a secondary air delivery device for an internal combustion engine is already known (DE 199 37 781 AI), which has a compressor driven by a turbine via a shaft in order to use the compressor, in particular in the starting phase of the internal combustion engine, to introduce additional air to the exhaust gas side of the internal combustion engine to enable. This is accompanied by an oxidation of the hydrocarbons and carbon monoxides, which leads to an improvement in the exhaust gas values of the internal combustion engine.
  • the compressor is driven by the turbine, which is driven to the surroundings by the pressure difference in the intake system caused by the throttle valve.
  • the compressor and the turbine each have an impeller with appropriate blading, which are each attached to a shaft of the secondary air conveying device.
  • the blades of the wheels are inserted into a housing of the secondary air conveying device, there being always a radial gap between the blades and the housing, which leads to losses.
  • the compressor and turbine wheel according to the invention for a secondary air delivery device with the characterizing features of claim 1 has the advantage that a simplified sealing of the compressor and turbine blades to the housing is achieved, so that gap losses can be significantly reduced. Furthermore, a simple, inexpensive construction is possible, which also allows a simplified wheel assembly of the impeller.
  • the associated weight reduction is particularly advantageous, so that there is a very low total weight of the secondary air conveying device, which also leads to high dynamics and good response behavior of the impeller.
  • a simplified wheel balancing process is also possible.
  • Show it : 1 is a perspective view of an impeller of a combined compressor and turbine wheel looking towards the turbine side,
  • FIG. 2 is a perspective view of the impeller of the combined compressor and turbine wheel looking towards the compressor side
  • FIG. 5 shows a sectional illustration of an end region of the impeller, which is introduced into a housing and is sealed in the housing according to a first exemplary embodiment according to the invention via a piston ring,
  • FIG. 6 shows a sectional illustration of an end region of the impeller, which is accommodated in the housing and is sealed in the housing according to a second exemplary embodiment according to the invention by means of a brush seal,
  • FIG. 7 shows a sectional illustration of an end region of the impeller, which is accommodated in the housing and is sealed in the housing according to a third exemplary embodiment according to the invention by means of a labyrinth seal,
  • Fig. 8 is a perspective view of the impeller with a radial circumferential sealing ring according to a fourth exemplary embodiment according to the invention and a guide grill with a view of the turbine side,
  • FIG. 9 is a perspective view of the impeller according to FIG. 8 in the assembled state, looking towards the turbine side,
  • FIG. 10 is a perspective view of the impeller according to FIG. 8 looking towards the compressor side
  • FIG. 11 shows a perspective view of the impeller according to FIG. 8 in the assembled state, looking towards the compressor side.
  • FIG. 1 shows a perspective view of an integral impeller 1 for a secondary air delivery device, which has a compressor blading 3, a turbine blading 4 and a shaft 6.
  • the connection between impeller 1 and shaft 6 is rotationally fixed, for example by shrinking the impeller 1 onto the shaft 6.
  • the impeller 1 has a cylindrical support body, which faces the shaft 6, the turbine blades 4 and the shaft 6, which supports the compressor blades 3.
  • a shaft end of the shaft 6 is dome-shaped on one side 12 of the compressor blading 3.
  • the design of the shaft end as a dome 10 results in an optimized introduction of air into the compressor, which is known to take place from radially inside to radially outside. The opposite occurs accordingly Flow onto the turbine blading 4 from the radially outside to the radially inside towards the shaft 6.
  • Turbine blading 4 like compressor blading 3, has, for example, an airfoil profile, as is the case with a cross section through an airfoil.
  • Turbine blading method it is also possible to switch to a conventional, spatial, three-dimensional blading method, as is also common in exhaust gas turbochargers.
  • DE 100 50 161 AI reference is made to DE 100 50 161 AI.
  • the turbine blading 4 extends in the axial direction transversely to a side face 11 of the impeller 1 of the turbine blading 4.
  • the compressor blading 3 extends in the axial direction from the side face 12 of the impeller 1 opposite the side face 11
  • Turbine blading 4 have a larger width than the wing profiles of the compressor blading 3 and are therefore thicker and more curved.
  • the hook-shaped curved turbine blades 4 are evenly distributed in the circumference of the impeller 1 and are with their; longest extension oriented approximately in the radial direction towards the shaft 6.
  • the compressor blades 3, on the other hand have an elongated, narrow, arcuate shape, a longer blade being followed by a shorter blade.
  • the compressor blades 3 are also oriented with their longest extension approximately radially to the shaft 6.
  • the impeller 1 with compressor blading 3 and turbine blading 4 is made from one piece or from one material.
  • Suitable manufacturing processes for providing this design are: Injection molding [plastics, for example PEEK (polyether ether ketone, a further development from polyether sulfones), PA (polyamide), PPS (polyphenylene sulfide), PFA (perfluoroalkoxy copolymer) and alloys based on Al (aluminum) or Mg (Magnesium)], investment casting (alloys based on Al or Mg), die casting (alloys based on Al or Mg) or milling, where a variety of machinable and light materials are possible.
  • plastics for example PEEK (polyether ether ketone, a further development from polyether sulfones), PA (polyamide), PPS (polyphenylene sulfide), PFA (perfluoroalkoxy copolymer) and alloys
  • a hybrid construction of the integral impeller 1 is also possible by combining at least two assemblies made of identical or different materials.
  • metallic alloys based on Al, Mg, Ti (titanium), Fe (iron), Ni (nickel) in the form of sheets, foils or cast parts or in combination with plastics, for example PEEK, PA (polyamide), PFA (Perfluoro alkoxyalkane) and / or foams, such as PU (polyurethane) come into question.
  • the plastics can be with or without additional fiber reinforcement, e.g. B. with glass fibers (40%).
  • Such an example of an impeller 1 can be seen in FIG.
  • the impeller 1 has two blade plates 15, which can be made of sheet metal or a steel or aluminum alloy, for example. Embossing, deep-drawing or electrochemical etching are possible as possible manufacturing processes for structuring the blade plates 15.
  • the space between the two blade plates 15 is injection-molded or foamed with plastic, which forms the blade carrier 16. This results in an inseparable combination of the compressor blading, the blade plates 15 and the blade carrier 16. Via one, for example Metallic bushing 20 connects the impeller 1 to the shaft 6.
  • the blade carrier 16 should not have sufficient creep resistance, for example because it is made of a foamed or non-foamed plastic, it may be necessary to fit the blade carrier 16 with a metallic bushing 20 in the area of its transition between impeller 1 and shaft 6 to reinforce.
  • the bushing 20 can be designed as a separate component but can also be an integral part of at least one blade plate 15.
  • the bearing of the impeller 1 is preferably only on one side. At its end, the shaft 6 is guided both axially and radially in a bearing, not shown, preferably a ball bearing.
  • the combined turbine-compressor impeller 1 is located at the other end of the shaft 6.
  • the compressor Since the design of the air path in the compressor has a more critical behavior compared to the air outflow from the turbine, the compressor is provided on the side of the impeller 1 facing away from the ball bearings , A one-sided bearing support of the impeller 1 is only possible if the forces acting on the bearing remain comparatively low. It is important to ensure that the length of the cantilever is kept short. Due to the compact design of the impeller 1 according to the invention, such a cantilevered mounting of the impeller 1 is possible since it can be made of light materials.
  • FIG. 4 shows an embodiment variant of the impeller 1 in section, in which the blade plates 15 are connected directly to one another, so that no separate blade carrier is required.
  • these can be glued or thermally joined, for example by welding or soldering.
  • the two embossed plates 15 can also be made of the same material. A further connection to the socket 20 may be required.
  • the invention further provides for the turbine and compressor wheel to be combined into a single, combined, integral component 1. For this it is necessary to effectively seal the air spaces between the turbine and compressor sides. A small leakage can be tolerated, but this would have an unfavorable impact on the overall efficiency of the secondary air conveyor.
  • the seal is provided in the peripheral area between the compressor and the turbine side.
  • FIG. 5 shows a first exemplary embodiment of the seal according to the invention, in which the impeller 1 has on its radial circumference 22 a piston ring 23 which is accommodated in a groove 24 in the radial circumference 22 of the impeller 1.
  • FIG. 6 shows a second exemplary embodiment according to the invention of sealing the impeller 1 in the housing 26 of the secondary air conveying device, in which a radially rotating brush seal 28 is provided.
  • the brush seal 28 is accommodated in the radial land area 30 of the housing 26 of the secondary air conveying device and acts with its brushes 28 on a radial groove 31 provided on the radial circumference 22 of the impeller 1.
  • FIG. 7 shows a third exemplary embodiment of a seal according to the invention, in which a radially circumferential labyrinth seal is provided in the housing 26 for sealing the impeller 1. As can be seen in FIG.
  • a labyrinth-shaped groove course 33 is provided in the radial web area 30 of the housing 26 of the secondary air conveying device and surrounds an end area 22 of the impeller 1 with the compressor blading 3.
  • FIGS. 8 to 11 show in more detail, according to a fourth exemplary embodiment according to the invention, to use grinding pads 35 for sealing, which can be arranged radially and / or on the end face.
  • the grinding pads for example in the form of a slip ring 35 surrounding the impeller 1, are received in a corresponding receiving groove 37 on the impeller 1 and correspondingly in a receiving groove 38 in the housing or in a guide vane 40 radially surrounding the impeller 1.
  • the slip ring 35 is received between the impeller 1 and the fixed guide vane 40. By grinding in the slip ring 35, a seal is made to the fixed guide vane ring 40 and thus to the housing.
  • a guide vane 40 can be provided in order to further improve the flow onto the turbine blades 4.
  • the guide vane 40 is in turn accommodated in the subsequent housing 26 of the secondary air conveying device, which is not shown in detail.
  • a sealing surface 29 for the slip ring 35 is also provided in FIG. 4, for example, radially above the turbine blading 4 on the impeller 1.
  • the compressor blading and turbine blading shown as wing profile quadsi two-dimensional

Abstract

Conventional secondary air supply devices comprise a separate compressor rotor and turbine rotor. The blades of the compressor rotor are housed in a housing with a permanent radial gap between the blades and the housing which leads to losses. The sealing of the blades with the housing is a permanent problem. According to the invention, the sealing can be improved with a simplified construction, whereby the compressor rotor and the turbine rotor are embodied in the form of a common combined component as a rotor (1) with compressor blades (3) provided on one side (12) thereof and turbine blades (4) on the other side (11), whereby a seal (23; 28; 33; 35) is provided between a housing for the secondary air supply device and the rotor (1). Said compressor and turbine rotor is provided for secondary air supply devices on internal combustion engines.

Description

VERDICHTER- UND TURBINENRAD FÜR EINE SΞKUNDARLUFTFORDEREINRICHTUNG FÜR EINECOMPRESSOR AND TURBINE WHEEL FOR A SECONDARY AIR RECEIVER FOR ONE
BRΞNNKRAFTMAS CHINEBRNNKRAFTMAS CHINE
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem Verdichter- und Turbinenrad für eine Sekundärluftfördereinrichtung nach der Gattung des Anspruchs 1.The invention is based on a compressor and turbine wheel for a secondary air delivery device according to the preamble of claim 1.
Es ist bereits eine Sekundärluftfördereinrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt (DE 199 37 781 AI) , die einen von einer Turbine über eine Welle angetriebenen Verdichter aufweist, um mittels des Verdichters, insbesondere in der Startphase der Brennkraftmaschine, die Einleitung zusätzlicher Luft auf die Abgasseite der Brennkraftmaschine zu ermöglichen. Damit geht eine Aufoxidation der Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxide einher, was zu einer Verbesserung der Abgaswerte der Brennkra tmaschine führt. Der Antrieb des Verdichters erfolgt über die Turbine, welche durch den durch die Drosselklappe bewirkten Druckunterschied im Ansaugtrakt zur Umgebung angetrieben wird. Der Verdichter wie auch die Turbine weisen jeweils ein Laufrad mit entsprechender Beschaufelung auf, welche jeweils an einer Welle der Sekundärluftfδrdereinrichtung befestigt sind.A secondary air delivery device for an internal combustion engine is already known (DE 199 37 781 AI), which has a compressor driven by a turbine via a shaft in order to use the compressor, in particular in the starting phase of the internal combustion engine, to introduce additional air to the exhaust gas side of the internal combustion engine to enable. This is accompanied by an oxidation of the hydrocarbons and carbon monoxides, which leads to an improvement in the exhaust gas values of the internal combustion engine. The compressor is driven by the turbine, which is driven to the surroundings by the pressure difference in the intake system caused by the throttle valve. The compressor and the turbine each have an impeller with appropriate blading, which are each attached to a shaft of the secondary air conveying device.
Die Räder sind mit ihren Schaufeln in ein Gehäuse der Sekundärluftfördereinrichtung eingebracht, wobei zwischen den Schaufeln und dem Gehäuse stets ein Radialspalt gegeben ist, der zu Verlusten führt . Vorteile der ErfindungThe blades of the wheels are inserted into a housing of the secondary air conveying device, there being always a radial gap between the blades and the housing, which leads to losses. Advantages of the invention
Das erfindungsgemäße Verdichter- und Turbinenrrad für eine Sekundärluftfördereinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine vereinfachte Abdichtung der Verdichter- und Turbinenbeschaufelung zum Gehäuse hin erreicht wird, so dass Spaltverluste deutlich verringert werden können. Des Weiteren ist eine einfache, kostengünstige Bauweise möcjlich, die außerdem eine vereinfachte Radmontage des Laufrades erlaubt .The compressor and turbine wheel according to the invention for a secondary air delivery device with the characterizing features of claim 1 has the advantage that a simplified sealing of the compressor and turbine blades to the housing is achieved, so that gap losses can be significantly reduced. Furthermore, a simple, inexpensive construction is possible, which also allows a simplified wheel assembly of the impeller.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in Anspruchs 1 angegebenen Verdichter- und Turbinenrades für eine Sekundärluftfördereinrichtung möglich.The measures listed in the subclaims allow advantageous developments and improvements of the compressor and turbine wheel specified in claim 1 for a secondary air delivery device.
Besonders vorteilhaft ist die damit einhergehende Gewichtsreduzierung, so dass sich ein sehr geringes Gesamtgewicht der Sekundärluftfördereinrichturxg ergibt, was außerdem zu einer hohen Dynamik und gutem Ansprechverhalten des Laufrades führt . Darüber hinaus ist neben der vereinfachten Radmontage auch ein vereinfachter Wuchtprozess des Laufrades möglich.The associated weight reduction is particularly advantageous, so that there is a very low total weight of the secondary air conveying device, which also leads to high dynamics and good response behavior of the impeller. In addition to the simplified wheel assembly, a simplified wheel balancing process is also possible.
Zeichnungdrawing
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert .Embodiments of the invention are shown in simplified form in the drawing and explained in more detail in the following description.
Es zeigen : Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Laufrades eines kombinierten Verdichter- und Turbinenrades mit Blickrichtung auf die Turbinenseite,Show it : 1 is a perspective view of an impeller of a combined compressor and turbine wheel looking towards the turbine side,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Laufrades des kombinierten Verdichter- und Turbinenrades mit Blickrichtung auf die Verdichterseite,2 is a perspective view of the impeller of the combined compressor and turbine wheel looking towards the compressor side,
Fig. 3 eine Schnittdarstellung des Laufrades einer ersten Variante mit befestigter Welle,3 is a sectional view of the impeller of a first variant with the shaft attached,
Fig. 4 eine Schnittdarstellung des Laufrades einer zweiten Variante mit befestigter Welle,4 is a sectional view of the impeller of a second variant with the shaft attached,
Fig. 5 eine Schnittdarstellung eines Endbereichs des Laufrades, das in einem Gehäuse eingebracht und im Gehäuse gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel über einen Kolbenring abgedichtet ist,5 shows a sectional illustration of an end region of the impeller, which is introduced into a housing and is sealed in the housing according to a first exemplary embodiment according to the invention via a piston ring,
Fig. 6 eine Schnittdarstellung eines Endbereichs des Laufrades, das in dem Gehäuse untergebracht und im Gehäuse gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel über eine Bürstendichtung abgedichtet ist,6 shows a sectional illustration of an end region of the impeller, which is accommodated in the housing and is sealed in the housing according to a second exemplary embodiment according to the invention by means of a brush seal,
Fig. 7 eine Schnittdarstellung eines Endbereichs des Laufrades, das in dem Gehäuse untergebracht und im Gehäuse gemäß einem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel über eine Labyrinthdichtung abgedichtet ist,7 shows a sectional illustration of an end region of the impeller, which is accommodated in the housing and is sealed in the housing according to a third exemplary embodiment according to the invention by means of a labyrinth seal,
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht des Laufrades mit stirnseitig radial umlaufenden Dichtring gemäß einem vierten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel und einem Leitgitter mit Blickrichtung auf die Turbinenseite,Fig. 8 is a perspective view of the impeller with a radial circumferential sealing ring according to a fourth exemplary embodiment according to the invention and a guide grill with a view of the turbine side,
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht des Laufrades gemäß Figur 8 im montierten Zustand mit Blickrichtung auf die Turbinenseite,9 is a perspective view of the impeller according to FIG. 8 in the assembled state, looking towards the turbine side,
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht des Laufrades gemäß Figur 8 mit Blickrichtung auf die Verdichterseite,10 is a perspective view of the impeller according to FIG. 8 looking towards the compressor side,
Fig. 11 eine perspektivische Ansicht des Laufrades gemäß Figur 8 im montierten Zustand mit Blickrichtung auf die Verdichterseite.11 shows a perspective view of the impeller according to FIG. 8 in the assembled state, looking towards the compressor side.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
In Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht eines integralen Laufrades 1 für eine Sekundärluftfördereinrichtung gezeigt, das über eine Verdichterbeschaufelung 3, eine Turbinenbeschaufelung 4 und eine Welle 6 verfügt . Die Verbindung zwischen Laufrad 1 und Welle 6 erfolgt drehfest, beispielsweise durch Aufschrumpfen des Laufrades 1 auf die Welle 6. Das Laufrad 1 weist einen zylindrischen Trägerkörper auf, welcher der Welle 6 zugewandt die Turbinenbeschaufelung 4 und der Welle 6 abgewandt, die Verdichterbeschaufelung 3 trägt. Wie die Figur 2 näher zeigt, ist ein Wellenende der Welle 6 an einer Seite 12 der Verdichterbeschaufelung 3 domförmig ausgeführt. Durch die Ausführung des Wellenendes als Dom 10 ergibt sich eine optimierte Lufteinleitung in den Verdichter, die bekanntermaßen von radial innen nach radial außen erfolgt. Entsprechend entgegengesetzt erfolgt die Anströmung der Turbinenbeschaufelung 4 von radial außen nach radial innen zur Welle 6 hin.FIG. 1 shows a perspective view of an integral impeller 1 for a secondary air delivery device, which has a compressor blading 3, a turbine blading 4 and a shaft 6. The connection between impeller 1 and shaft 6 is rotationally fixed, for example by shrinking the impeller 1 onto the shaft 6. The impeller 1 has a cylindrical support body, which faces the shaft 6, the turbine blades 4 and the shaft 6, which supports the compressor blades 3. As FIG. 2 shows in more detail, a shaft end of the shaft 6 is dome-shaped on one side 12 of the compressor blading 3. The design of the shaft end as a dome 10 results in an optimized introduction of air into the compressor, which is known to take place from radially inside to radially outside. The opposite occurs accordingly Flow onto the turbine blading 4 from the radially outside to the radially inside towards the shaft 6.
Die Turbinenbeschaufelung 4 weist wie die Verdichterbeschaufelung 3 beispielsweise ein Tragflächenprofil auf, wie es sich bei einem Querschnitt durch eine Tragfläche ergibt. Neben der dargestellten, quasi flächigen, zweidimensionalen Beschaufelungsweise ist es auch möglich, auf eine konventionelle, räumliche, dreidimensionale Beschaufelungsweise überzugehen, wie sie auch bei Abgasturboladern üblich ist. Beispielhaft wird hierzu auf die DE 100 50 161 AI verwiesen.Turbine blading 4, like compressor blading 3, has, for example, an airfoil profile, as is the case with a cross section through an airfoil. In addition to the quasi-flat, two-dimensional blading method shown, it is also possible to switch to a conventional, spatial, three-dimensional blading method, as is also common in exhaust gas turbochargers. For example, reference is made to DE 100 50 161 AI.
Die Turbinenbeschaufelung 4 erstreckt sich in axialer Richtung quer zu einer Seitenfläche 11 des Laufrades 1 der Turbinenbeschaufelung 4. In gleicher Weise erstreckt sich in axialer Richtung entgegengesetzt zur Turbinenbeschaufelung 4 die Verdichterbeschaufelung 3 von der der Seitenfläche 11 gegenüberliegenden Seitenfläche 12 des Laufrades 1. Die Tragflächenprofile der Turbinenbeschaufelung 4 weisen eine größere Breite als die Tragflächenprofile der Verdichterbeschaufelung 3 auf und sind somit dicker und stärker gekrümmt. Die hakenförmig gekrümmten Turbinenschaufeln 4 sind im Umfang des Laufrades 1 gleichmäßig verteilt und sind mit ihrer; längsten Erstreckung in etwa in radialer Richtung zur Welle 6 hin orientiert. Die Verdichterschaufeln 3 hingegen haben eine längliche, schmale bogenförmige Form, wobei einer längeren Schaufel eine kürzere Schaufel folgt. Auch die Verdichterschaufeln 3 sind mit ihrer längsten Erstreckung in etwa radial zur- Welle 6 ausgerichtet.The turbine blading 4 extends in the axial direction transversely to a side face 11 of the impeller 1 of the turbine blading 4. In the same way, opposite to the turbine blading 4, the compressor blading 3 extends in the axial direction from the side face 12 of the impeller 1 opposite the side face 11 Turbine blading 4 have a larger width than the wing profiles of the compressor blading 3 and are therefore thicker and more curved. The hook-shaped curved turbine blades 4 are evenly distributed in the circumference of the impeller 1 and are with their; longest extension oriented approximately in the radial direction towards the shaft 6. The compressor blades 3, on the other hand, have an elongated, narrow, arcuate shape, a longer blade being followed by a shorter blade. The compressor blades 3 are also oriented with their longest extension approximately radially to the shaft 6.
Gemäß einer ersten Variante ist das Laufrad 1 mit Verdichterbeschaufelung 3 und Turbinenbeschaufelung 4 aus einem Stück beziehungsweise aus einem Werkstoff hergestellt. Geeignete Fertigungsverf hren zur Bereitstellung dieser Bauform sind: Spritzguss [Kunststoffe, zum Beispiel PEEK (Polyetheretherketon, eine Weiterentwicklung aus Polyethersulfone) , PA (Polyamid) , PPS (Polyphenylensulfid) , PFA (Perfluoralkoxy-Copolymer) auch Legierungen auf Basis von AI (Aluminium) oder Mg (Magnesium) ] , Feinguss (Legierungen auf Basis von AI oder Mg) , Druckguss (Legierungen auf Basis von AI oder Mg) oder Fräsen, wobei eine Vielzahl -von zerspanbaren und leichten Werkstoffen in Frage kommen. Neben der beschriebenen einteiligen Ausführung des Laufrades 1 ist auch eine Hybrid-Bauweise des integralen Laufrades 1 durch Kombination von mindestens zwei Baugruppen aus identischen oder jeweils unterschiedlichen Werkstoffen möglich. Hierzu können metallische Legierungen auf Basis von AI, Mg, Ti (Titan) , Fe (Eisen) , Ni (Nickel) in Form von Blechen, Folien oder Gussteilen oder auch in Kombination mit Kunststoffen, zum Beispiel PEEK, PA (Polyamid) , PFA (Perfluoro Alkoxyalkan) und/oder Schäumen, wie zum Beispiel PU (Polyurethan) , in Frage kommen. Die Kunststoffe können mit oder ohne zusätzliche Faserverstärkung, z. B. mit Glasfasern (40%) , ausgestattet sein. Ein derartiges Beispiel eines Laufrades 1 ist der Figur 3 entnehmbar, die einen Schnitt durch das Laufrad 1 mit Verdichterbeschaufelung 3 und Turbinenbeschaufelung 4 sowie Welle 6 zeigt. Das Laufrad 1 weist zwei Schaufelplatten 15 auf, die zum Beispiel aus Blech oder einer Stahl- oder Aluminiumlegierung bestehen können. Als mögliche Fertigungsverfahren zur Strukturierung der Schaufelplatten 15 sind Prägen, Tiefziehen oder elektrochemisches Ätzen möglich.According to a first variant, the impeller 1 with compressor blading 3 and turbine blading 4 is made from one piece or from one material. Suitable manufacturing processes for providing this design are: Injection molding [plastics, for example PEEK (polyether ether ketone, a further development from polyether sulfones), PA (polyamide), PPS (polyphenylene sulfide), PFA (perfluoroalkoxy copolymer) and alloys based on Al (aluminum) or Mg (Magnesium)], investment casting (alloys based on Al or Mg), die casting (alloys based on Al or Mg) or milling, where a variety of machinable and light materials are possible. In addition to the described one-piece design of the impeller 1, a hybrid construction of the integral impeller 1 is also possible by combining at least two assemblies made of identical or different materials. For this purpose, metallic alloys based on Al, Mg, Ti (titanium), Fe (iron), Ni (nickel) in the form of sheets, foils or cast parts or in combination with plastics, for example PEEK, PA (polyamide), PFA (Perfluoro alkoxyalkane) and / or foams, such as PU (polyurethane), come into question. The plastics can be with or without additional fiber reinforcement, e.g. B. with glass fibers (40%). Such an example of an impeller 1 can be seen in FIG. 3, which shows a section through the impeller 1 with compressor blading 3 and turbine blading 4 and shaft 6. The impeller 1 has two blade plates 15, which can be made of sheet metal or a steel or aluminum alloy, for example. Embossing, deep-drawing or electrochemical etching are possible as possible manufacturing processes for structuring the blade plates 15.
Der Zwischenraum zwischen beiden Schaufelplatten 15 ist mit Kunststoff ausgespritzt oder ausgeschäumt, welcher den Schaufelträger 16 bildet. Damit ergibt sich ein untrennbarer Verbund aus der Verdichterbeschaufelung, den Schaufelplatten 15 und dem Schaufelträger 16. Über eine zum Beispiel metallisch ausgebildete Buchse 20 erfolgt die Anbindung des Laufrades 1 an die Welle 6.The space between the two blade plates 15 is injection-molded or foamed with plastic, which forms the blade carrier 16. This results in an inseparable combination of the compressor blading, the blade plates 15 and the blade carrier 16. Via one, for example Metallic bushing 20 connects the impeller 1 to the shaft 6.
Falls der Schaufelträger 16 über eine nicht ausreichende Kriechbeständigkeit verfügen sollte, zum Beispiel weil er aus einem geschäumten oder ungeschäumten Kunststoff gefertigt ist, kann es erforderlich sein, den Scnaufelträger 16 im Bereich seines Übergangs zwischen Laufr-ad 1 und Welle 6 mit einer metallischen Buchse 20 zu verstärken. Die Buchse 20 kann sowohl als separates Bauteil ausgeführt sein aber auch ein integraler Bestandteil mindestens einer Schaufelplatte 15 sein. Die Lagerung des Laufrades 1 erfolgt vorzugsweise nur einseitig. Die Welle 6 wird an ihrem Ende sowohl axial als auch radial in einem nicht näher dargestellten Lager, vorzugsweise einem Kugellager, geführt. An ihrem anderen Ende der Welle 6 befindet sich das kombinier-te Turbinen- Verdichterlaufrad 1. Da die Gestaltung des Luftpfades im Verdichter im Vergleich zur Luftausströmung aus der Turbine ein kritischeres Verhalten aufweist, ist der Verdichter auf der der Kugellager abgewandten Seite des Laufrades 1 vorgesehen. Eine einseitig tragende Lagerung des Laufrades 1 ist nur möglich, wenn die Kräfte die auf das Lager wirken vergleichsweise gering bleiben. Es ist darauf zu achten, dass die Länge des Kragarms gering zu halten ist . Durch die kompakte Bauweise des erfindungsgemäßen Laufrades 1 ist eine derartige kragende Lagerung des Laufrades 1 möglich, da es aus leichten Werkstoffen gefertigt werden kann.If the blade carrier 16 should not have sufficient creep resistance, for example because it is made of a foamed or non-foamed plastic, it may be necessary to fit the blade carrier 16 with a metallic bushing 20 in the area of its transition between impeller 1 and shaft 6 to reinforce. The bushing 20 can be designed as a separate component but can also be an integral part of at least one blade plate 15. The bearing of the impeller 1 is preferably only on one side. At its end, the shaft 6 is guided both axially and radially in a bearing, not shown, preferably a ball bearing. The combined turbine-compressor impeller 1 is located at the other end of the shaft 6. Since the design of the air path in the compressor has a more critical behavior compared to the air outflow from the turbine, the compressor is provided on the side of the impeller 1 facing away from the ball bearings , A one-sided bearing support of the impeller 1 is only possible if the forces acting on the bearing remain comparatively low. It is important to ensure that the length of the cantilever is kept short. Due to the compact design of the impeller 1 according to the invention, such a cantilevered mounting of the impeller 1 is possible since it can be made of light materials.
Die Figur 4 zeigt eine Ausführungsvariante des Laufrades 1 im Schnitt, bei welchem die Schaufelplatten 15 direkt miteinander verbunden sind, so dass kein eigener Schaufelträger erforderlich ist. Zur Verbindung beider Schaufelplatten 15 können diese verklebt oder thermisch gefügt sein, zum Beispiel durch Schweißen oder Löten. Die beiden geprägten Platten 15 können auch aus dem gleichen Material hergestellt sein. Gegebenenfalls ist eine weitere Verbindung mit der Buchse 20 erforderlich.FIG. 4 shows an embodiment variant of the impeller 1 in section, in which the blade plates 15 are connected directly to one another, so that no separate blade carrier is required. To connect the two blade plates 15, these can be glued or thermally joined, for example by welding or soldering. The two embossed plates 15 can also be made of the same material. A further connection to the socket 20 may be required.
Die Erfindung sieht weiter vor, das Turbinen- und Verdichterrad zu einem einzigen, kombinierten, integralen Bauteil 1 zusammenzufassen. Hierzu ist es erforderlich, die Lufträume zwischen der Turbinen- und Verdichterseite wirkungsvoll gegeneinander abzudichten. Eine geringe Leckage kann zwar toleriert werden, diese hätte jedoch einen ungünstigen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad der Sekundärluftfördereinrichtung . Im Folgenden werden verschiedene erfindungsgemäße Dichtungskonzepte näher dargestellt. Die Dichtung ist im Umfangsbereich zwischen Verdichter und Turbinenseite vorgesehen. Die Figur 5 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Abdichtung, bei der das Laufrad 1 an seinem radialen Umfang 22 einen Kolbenring 23 aufweist, der in einer Nut 24 im radialen Umfang 22 des Laufrades 1 untergebracht ist . Denkbar ist auch, die Nut 24 in einem radialen Stegbereich 30 des Gehäuses 26 der Sekundärluftfördereinrichtung vorzusehen. Die Verdichterbeschaufelung 3 wie auch die Turbinenbeschaufelung 4 sind beidseitig von Gehäuseabschnitten 27 des Gehäuses 27 der Sekundärluftfördereinrichtung umgeben.The invention further provides for the turbine and compressor wheel to be combined into a single, combined, integral component 1. For this it is necessary to effectively seal the air spaces between the turbine and compressor sides. A small leakage can be tolerated, but this would have an unfavorable impact on the overall efficiency of the secondary air conveyor. Various sealing concepts according to the invention are described in more detail below. The seal is provided in the peripheral area between the compressor and the turbine side. FIG. 5 shows a first exemplary embodiment of the seal according to the invention, in which the impeller 1 has on its radial circumference 22 a piston ring 23 which is accommodated in a groove 24 in the radial circumference 22 of the impeller 1. It is also conceivable to provide the groove 24 in a radial land area 30 of the housing 26 of the secondary air delivery device. The compressor blading 3 as well as the turbine blading 4 are surrounded on both sides by housing sections 27 of the housing 27 of the secondary air conveying device.
Die Figur 6 zeigt ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Abdichtung des Laufrades 1 im Gehäuse 26 der Sekundärluftfördereinrichtung, bei dem eine radial umlaufende Bürstendichtung 28 vorgesehen ist. Die Bürstendichtung 28 ist in dem radialen Stegbereich 30 des Gehäuses 26 der Sekundärluftfördereinrichtung untergebracht und wirkt mit ihren Bürsten 28 auf eine am radialen Umfang 22 des Laufrades 1 vorgesehene Radialnut 31. Die Figur 7 zeigt ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiels einer Abdichtung, bei dem eine radial umlaufende Labyrinthdichtung zur Abdichtung des Laufrades 1 im Gehäuse 26 vorgesehen ist. Wie in Figur 7 entnehmbar, ist in dem radialen Stegbereich 30 des Gehäuses 26 der Sekundärluftfördereinrichtung ein labyrinthförmiger Nutverlauf 33 vorgesehen, welcher einen Endbereich 22 des Laufrades 1 mit der Verdichterbeschaufelung 3 umgibt. Denkbar ist aber auch, die Turbinenbeschaufelung 4 über eine Labyrinthdichtung zum Gehäuse hin abzudichten.FIG. 6 shows a second exemplary embodiment according to the invention of sealing the impeller 1 in the housing 26 of the secondary air conveying device, in which a radially rotating brush seal 28 is provided. The brush seal 28 is accommodated in the radial land area 30 of the housing 26 of the secondary air conveying device and acts with its brushes 28 on a radial groove 31 provided on the radial circumference 22 of the impeller 1. FIG. 7 shows a third exemplary embodiment of a seal according to the invention, in which a radially circumferential labyrinth seal is provided in the housing 26 for sealing the impeller 1. As can be seen in FIG. 7, a labyrinth-shaped groove course 33 is provided in the radial web area 30 of the housing 26 of the secondary air conveying device and surrounds an end area 22 of the impeller 1 with the compressor blading 3. However, it is also conceivable to seal the turbine blades 4 to the housing via a labyrinth seal.
Möglich ist aber auch, wie die Figuren 8 bis 11 näher zeigen, gemäß einem vierten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel Einschleifbeläge 35 zur Abdichtung zu verwenden, die radial und/oder stirnseitig angeordnet sein können. Die Einschleifbeläge, zum Beispiel in Form eines das Laufrad 1 umgebenden Schleifrings 35, werden in einer entsprechenden Aufnahmenut 37 am Laufrad 1 und korrespondierend in einer Aufnahmenut 38 im Gehäuse beziehungsweise in einem das Laufrad 1 radial umgebenden Leitgitter 40 aufgenommen. Wie die Figuren 8 bis 11 näher zeigen, wird der Schleifring 35 zwischen dem Laufrad 1 und dem feststehenden Leitgitter 40 aufgenommen. Durch Einschleifen des Schleifrings 35 erfolgt eine Abdichtung zum feststehenden Leitgitterring 40 und damit zum Gehäuse. Ein Leitgitter 40 kann vorgesehen sein, um die Anströmung auf die Turbinenschau eln 4 weiter zu verbessern. Das Leitgitter 40 ist wiederum im anschließenden, nicht näherer dargestellten Gehäuse 26 der Sekundärluftfördereinrichtung aufgenommen. Eine Dichtungsfläche 29 für den Schleifring 35 ist in Figur 4 zum Beispiel auch radial oberhalb der Turbinenbeschaufelung 4 am Laufrad 1 gegeben. Neben der dargestellten Verdichterbeschaufelung und Turbinenbeschaufelung als Tragflächenprof il (quasi zweidimensional ) ist es auch möglich, auf eine herkömmliche , dreidimensionale , räumliche Beschaufelung zurückzugreifen . Bei allen Varianten für die Beschaufelung, flächig oder räumlich, ist diese nicht lösbar mit dem Schaufelträger 16 verbunde . However, it is also possible, as FIGS. 8 to 11 show in more detail, according to a fourth exemplary embodiment according to the invention, to use grinding pads 35 for sealing, which can be arranged radially and / or on the end face. The grinding pads, for example in the form of a slip ring 35 surrounding the impeller 1, are received in a corresponding receiving groove 37 on the impeller 1 and correspondingly in a receiving groove 38 in the housing or in a guide vane 40 radially surrounding the impeller 1. As FIGS. 8 to 11 show in more detail, the slip ring 35 is received between the impeller 1 and the fixed guide vane 40. By grinding in the slip ring 35, a seal is made to the fixed guide vane ring 40 and thus to the housing. A guide vane 40 can be provided in order to further improve the flow onto the turbine blades 4. The guide vane 40 is in turn accommodated in the subsequent housing 26 of the secondary air conveying device, which is not shown in detail. A sealing surface 29 for the slip ring 35 is also provided in FIG. 4, for example, radially above the turbine blading 4 on the impeller 1. In addition to the compressor blading and turbine blading shown as wing profile (quasi two-dimensional), it is also possible to use conventional, three-dimensional, spatial blading. In all variants for blading, flat or spatial, it is not detachably connected to the blade carrier 16.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verdichter- und Turbinenrad für eine Sekundärluftfördereinrichtung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein gemeinsames Bauteil (1) das Verdichterrad und das Turbinenrad bildet, das in Form eines Laufrades (1) ausgebildet ist, welches auf einer Seite (12) eine Verdichterbeschaufelung (3) und auf einer gegenüberliegenden Seite (11) eine Turbinenbeschaufelung (4) aufweist, wobei zwischen einem Gehäuse (26) der Sekundärluftfördereinrichtung und dem Laufrad (1) eine Dichtung (23; 28; 33; 35) vorgesehen ist.1. Compressor and turbine wheel for a secondary air delivery device, characterized in that a common component (1) forms the compressor wheel and the turbine wheel, which is designed in the form of an impeller (1) which on one side (12) has a compressor blading (3) and Has a turbine blading (4) on an opposite side (11), a seal (23; 28; 33; 35) being provided between a housing (26) of the secondary air delivery device and the impeller (1).
2. Verdichter- und Turbinenrad nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass es sich bei der Dichtung um eine Kolbenringdichtung (23) handelt.2. Compressor and turbine wheel according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the seal is a piston ring seal (23).
3. Verdichter- und Turbinenrad nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass es sich, bei der Dichtung um eine Bürstendichtung (28) handelt.3. compressor and turbine wheel according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that it is, the seal is a brush seal (28).
4. Verdichter- und Turbinenrad nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass es sich, bei der Dichtung um eine Labyrinthdichtung (33) handelt. 4. compressor and turbine wheel according to claim 1, characterized in that it is, in the seal to a labyrinth seal (33).
5. Verdichter- und Turbinenrad nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass es sich bei der Dichtung um einen Einschleifbelag (35) handelt, der zwischen dem Laufrad (1) und einem feststehenden Leitgitterring (40) vorgesehen ist.5. compressor and turbine wheel according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the seal is a grinding pad (35) which is provided between the impeller (1) and a fixed guide vane ring (40).
6. Verdichter- und Turbinenrad nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Laufrad (1) mit Verdichterbeschaufelung (3) und Turbinenbeschaufelung (4) aus einem gemeinsamen Werkstoff besteht .6. Compressor and turbine wheel according to claim 1, so that the impeller (1) with compressor blading (3) and turbine blading (4) consists of a common material.
7. Verdichter- und Turbinenrad nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sich, bei dem Werkstoff um Kunststoff, insbesondere PFA, PPS, PEEK, PA, oder um Metall, insbesondere Legierungen auf Basis von Aluminium oder Magnesium, handelt .7. compressor and turbine wheel according to claim 6, d a d u r c h g e k e n n e e c h n e t that, the material is plastic, in particular PFA, PPS, PEEK, PA, or metal, in particular alloys based on aluminum or magnesium.
8. Verdichter- und Turbinenrad nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Laufrad (1) aus zumindest zwei Werkstoffen, einem metallischen Werkstoff und aus einem Kunststoff, besteht .8. Compressor and turbine wheel according to claim 1, so that the impeller (1) consists of at least two materials, a metallic material and a plastic.
9. Verdichter- und Turbinenrad nach Anspruch 8, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass es sich bei dem metallischen Werkstoff um eine Legierung auf Basis von AI, Mg, Ti, Fe, Ni, vorzugsweise in Form vom Blechen, Folien oder Gussteilen, handelt.9. Compressor and turbine wheel according to claim 8, so that the metallic material is an alloy based on Al, Mg, Ti, Fe, Ni, preferably in the form of sheet metal, foils or castings.
10. Verdichter- und Turbinenrad nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass es sich bei dem Kunststoff um PEEK, PA, PFA, PPS und/oder Schäumen, insbesondere PU, handelt.10. compressor and turbine wheel according to claim 8, characterized in that the plastic is PEEK, PA, PFA, PPS and / or foams, especially PU.
11. Verdichter- und Turbinenrad nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mit dem Laufrad (1) verbunden eine Buchse (20) zur Anbindung an die Welle (6) vorgesehen ist.11. compressor and turbine wheel according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that with the impeller (1) connected a socket (20) for connection to the shaft (6) is provided.
12. Verdichter- und Turbinenrad nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Laufrad (1) einseitig gelagert in einem Gehäuse (26) der Sekundärluftfördereinrichtung untergebracht ist.12. Compressor and turbine wheel according to claim 1, so that the impeller (1) is accommodated on one side in a housing (26) of the secondary air conveying device.
13. Verdichter- und Turbinenrad nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur drehfesten Verbindung von Laufrad (1) und Welle (6) , das Laufrad (1) auf die Welle (6) aufgeschrumpft ist .13. compressor and turbine wheel according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that for the rotationally fixed connection of the impeller (1) and shaft (6), the impeller (1) on the shaft (6) is shrunk.
14. Verdichter- und Turbinenrad nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Beschaufelung von Verdichter (3) und Turbine (4) die Form eines Tragflächenprofils aufweist.14. Compressor and turbine wheel according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the blading of the compressor (3) and turbine (4) has the shape of an airfoil.
15. Verdichter- und Turbinenrad nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Beschaufelung von Verdichter und Turbine des Laufrads (1) in für Sekundärluftfördereinrichtungen typischer Weise ausgeführt ist.15. Compressor and turbine wheel according to claim 1, that the blading of the compressor and turbine of the impeller (1) is carried out in a manner typical of secondary air conveying devices.
16. Verdichter- und Turbinenrad nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kunststoff eine zusätzliche Faserverstärkung, insbesondere Glasfaser, aufweist. 16. Compressor and turbine wheel according to claim 7, d a d u r c h g e k e n e z e i c h n e t that the plastic has an additional fiber reinforcement, in particular glass fiber.
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