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Die
Erfindung betrifft einen Lagerabschnitt für einen Abgasturbolader
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Abgasturbolader
nach dem Oberbegriff Anspruch 8.
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Aus
der Patentschrift
DE
1 243 465 B geht ein Abgasturbolader hervor, welcher einen
Luftführungsabschnitt, einen Abgasführungsabschnitt
sowie eine Welle aufweist, wobei die Welle als eine drehfeste Verbindung
zwischen einem in einem ersten Aufnahmeraum des Luftführungsabschnitts
positionierten ersten Laufrad und einem in einem zweiten Aufnahmeraum
des Abgasführungsabschnitts positionierten zweiten Laufrad
ausgebildet ist. Die Welle ist in einem Lagerabschnitt drehbar gelagert.
Der Lagerabschnitt weist eine Lagervorrichtung mit mindestens einer
Lagerbuchse auf. Die Welle ist innerhalb der Lagerbuchse rotierbar
gelagert. Zwischen einer Gehäusewandung des Lagerabschnitts
und der Lagerbuchse herrscht ein Spalt vor, in welchem ein Fluid
aufgenommen werden kann. Die Lagerbuchse ist im Lagerabschnitt somit
schwimmend gelagert aufgenommen, wodurch eine Relativbewegung zwischen
der Lagerbuchse und dem Lagerabschnitt möglich ist.
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Im
Betrieb schnelllaufender Maschinen, insbesondere bei Abgasturboladern,
treten bei hohen Drehzahlen Vibrationen auf. Abgasturbolader, die
mit sehr hohen Drehzahlen, Drehzahlen von etwa 270000 U/min, betrieben
werden, sind davon insbesondere betroffen. Die schwimmend gelagerten Gleitlager,
welche als so genannte full-floating-Gleitlager bezeichnet werden,
haben den Vorteil, dass im Betrieb auftretende Vibrationen gedämpft
werden können, da zwischen dem Lagerabschnitt und der Lagerbuchse
ein Fluid vorliegt, im Allgemeinen ein Schmieröl. Mit Hilfe
dieses Fluids werden die Vibrationen gedämpft, so dass
ein relativ ruhiger und gleichmäßiger Lauf der
Welle gesichert werden kann.
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Neben
diesen full-floating-Gleitlagern, die sich dadurch auszeichnen,
dass die Relativbewegung zwischen Welle und Lagerbuchse möglich
ist, gibt es so genannte semi-floating-Gleitlager, mit deren Hilfe
ebenfalls die Vibrationsdämpfung herbeiführbar
ist, allerdings ist hier keine Relativbewegung zwischen Lagerbuchse
und Lagerabschnitt möglich, da die Lagerbuchse mit Hilfe
eines Fixierelements gegen Verdrehung in dem Lagerabschnitt gesichert ist.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Lagerabschnitt für
einen Abgasturbolader, sowie einen Abgasturbolader bereitzustellen,
mit Hilfe dessen ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes
Anlauf- und Instationärverhalten erzielbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Lagerabschnitt mit den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie einem Abgasturbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 8
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen
und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen
Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen
des Lagerabschnitts als vorteilhafte Ausgestaltungen des Abgasturboladers – soweit
anwendbar – und umgekehrt anzusehen sind.
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Erfindungsgemäß weist
der Lagerabschnitt einen durchströmbaren Anströmkanal
auf, welcher in seiner virtuellen Verlängerung mindestens
einen Bereich eines Umfangs der Lagerbuchse berührend ausgebildet
ist. Der Anströmkanal ist von einem Fluid durchströmbar
und so im Lagerabschnitt positioniert, dass mit Hilfe eines durch
den Anströmkanal strömenden Fluids die Lagerbuchse
antreibbar ist. Durch die entsprechende Positionierung des Anströmkanals
kann das Fluid so auf die Lagerbuchse auftreffen, dass die Lagerbuchse
in eine Rotationsbewegung versetzbar ist und eine Beschleunigung
erfahren kann. Durch diese Beschleunigung kann sich die Relativgeschwindigkeit
zwischen der Welle und der Lagerbuchse, insbesondere einer Innenfläche
der Lagerbuchse reduzieren. Eine Reibleistung der Lagervorrichtung
ist direkt abhängig von der Relativgeschwindigkeit zwischen
der Welle und der Lagerbuchse. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen
Lagerabschnitts ist es infolge der Reduktion der Relativgeschwindigkeit
möglich die Reibleistung des Gleitlagers zu reduzieren
wodurch eine Steigerung der Abgasturboladerleistung herbeiführbar
ist. Die Steigerung der Abgasturboladerleistung führt schließlich
zu einer Verbesserung des Anfahr- und Instationärverhaltens
des Abgasturboladers und zu einer Reduzierung des so genannten „Turbolochs”.
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In
einer Ausgestaltung weist eine Kanalmittelachse des Anströmkanals
einen Abstand von einer Rotationsachse der Lagerbuchse auf, wobei
der Wert des Abstandes größer Null ist. Der Vorteil
dieser Ausgestaltung ist, dass die Beschleunigung der Lagerbuchse
steigerbar ist, wodurch die Reibleistung der Lagervorrichtung weiter
reduzierbar ist. Je geringer der Abstand von der Rotationsachse
ist desto geringer wird die Beschleunigung der Lagerbuchse.
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In
einer weiteren Ausgestaltung entspricht ein weiterer Abstand zwischen
einer von einer Lagerachse der Lagerbuchse abgewandt positionierten Kanalaußenkante
und der Lagerachse einem Außenradius der Lagerbuchse. Mit
Hilfe dieser Ausgestaltung ist eine maximale, vom Abstand abhängige
Beschleunigung der Lagerbuchse erzielbar.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist die Lagerbuchse mindestens teilweise
eine schaufelartig ausgebildete Struktur auf, wobei diese sich mindestens
teilweise über eine sich axial erstreckende Außenoberfläche
der Lagerbuchse ausdehnend angeordnet ist. Die schaufelartig ausgebildete
Struktur weist einem Mühlrad ähnlich funktionale
Schaufeln auf, welche von dem Fluid beaufschlagbar sind. Mit Hilfe
der schaufelartig ausgebildeten Struktur ist eine weitere Steigerung
der Beschleunigung der Lagerbuchse erzielbar.
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Vorteilhafterweise
ist in einer weiteren Ausgestaltung die schaufelartig ausgebildete
Struktur mindestens über einen vollständigen Umfang
der Lagerbuchse angeordnet, so dass zum einen eine effektive und
ununterbrochene Beschleunigung in einem stationären Betrieb
des Abgasturboladers gesichert ist und zum anderen eine Beschleunigung
der Lagerbuchse in jeder Position der Lagerbuchse erreicht werden
kann.
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In
einer weiteren Ausgestaltung entspricht ein Durchmesser des Anströmkanals
einer axialen Länge der schaufelartig ausgebildeten Struktur,
wodurch eine effektive Beschleunigung der Lagerbuchse erzielbar
ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist das Fluid ein Schmieröl,
so dass das üblicherweise im Schmierungssystem des Abgasturboladers
vorliegende Schmiermittel Schmieröl nutzbar ist.
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Der
erfindungsgemäße Abgasturbolader zeichnet sich
dadurch aus, dass ein die Welle drehbar aufnehmend ausgestalteter
Lagerabschnitt entsprechend dem aufgeführten erfindungsgemäßen Lagerabschnitt
ausgebildet ist, mit Hilfe dessen eine Reduktion der Reibleistung
herbeiführbar ist, so dass eine Steigerung der Abgasturboladerleistung
insbesondere im Anfahr- und im Stationärbetrieb erzielt werden
kann.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
der Erfindung sind den Ansprüchen, der Figurenbeschreibung
und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Dabei
zeigen:
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1 In
einem Schnitt einen Abgasturbolader gemäß dem
Stand der Technik,
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2 in
einem Querschnitt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen
Lagerabschnitt mit einer Lagervorrichtung,
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3 in
einer ersten perspektivischen Darstellung ein Ausschnitt der Lagervorrichtung
gem. 2 mit einer Lagerbuchse in einer ersten Ausführungsform,
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4 in
einer zweiten perspektivischen Darstellung ein Ausschnitt der Lagervorrichtung
gem. 3 und
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5 in
einer perspektivischen Darstellung die Lagerbuchse der Lagervorrichtung
in einer zweiten Ausführungsform.
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In
den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bauteile mit denselben
Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
einen Abgasturbolader 1 gemäß dem Stand
der Technik für eine Brennkraftmaschine, beispielsweise
ein Ottomotor oder ein Dieselmotor, mit einem Luftführungsabschnitt 2,
einem Abgasführungsabschnitt 3 sowie einem Lagerabschnitt 4.
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Im
Lagerabschnitt 4 ist eine Welle 5 drehbar gelagert,
welche ein in einem ersten Aufnahmeraum 6 des Luftführungsabschnitts 2 positioniertes
erstes Laufrad 7 mit einem in einem zweiten Aufnahmeraum 8 des
Abgasführungsabschnitts 3 positioniertes zweite
Laufrad 9 drehfest verbindet. Im Betrieb wird das aus der
Brennkraftmaschine ausgestoßene Abgas durch nicht näher
dargestellte Abgasleitungen geführt, wobei die Abgasleitungen
einen nicht näher dargestellten Auslassbereich der Brennkraftmaschine
mit einem Eintrittsbereich 10 des Abgasführungsabschnitts 3 verbindend
angeordnet sind.
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Das
Abgas wird über den Eintrittsbereich 10 das zweite
Laufrad 9 anströmend geleitet, unter Herbeiführung
einer Expansion des Abgases im Abgasführungsabschnitt 3,
so dass das zweite Laufrad 9 in eine Drehbewegung versetzt
wird. Mit Hilfe der Welle 5 wird das erste Laufrad 7 ebenfalls
in eine Drehbewegung versetzt, so dass Luft angesaugt und im Luftführungsabschnitt 2 verdichtet
wird. Die verdichtete Luft wird über nicht näher
dargestellte Frischluftleitungen, welche einen Austrittsbereich 11 des
Luftführungsabschnitts 2 mit einem nicht näher
dargestellten Einlassbereich der Brennkraftmaschine verbindend angeordnet
sind, der Brennkraftmaschine zugeführt. Üblicherweise
ist ein Ladeluftkühler zwischen dem Luftführungsabschnitt 2 und
dem Einlassbereich angeordnet, zur Kühlung der durch den
Verdichtungsprozess im Luftführungsabschnitt 2 erwärmten
Luft.
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Der
in 1 dargestellte Lagerabschnitt 4 weist
eine Lagervorrichtung 14 auf, welche eine hülsenartige
erste Lagerbuchse 16 und eine hülsenartige zweite
Lagerbuchse 17 umfasst, wobei die erste Lagerbuchse 16 in
einem ersten Lagerabschnittsbereich 12 und die zweite Lagerbuchse
in einem zweiten Lagerabschnittsbereich 13 positioniert
ist. Die erste Lagerbuchse 16 bzw. die zweite Lagerbuchse 17 sind
im jeweiligen Lagerabschnittsbereich 12, 13 schwimmend
gelagert. Das heißt, dass zwischen einer ersten Gehäusewandung 18 des
ersten Lagerabschnittsbereichs 12 bzw. einer zweiten Gehäusewandung 19 des
zweiten Lagerabschnittsbereichs 13 und einer Mantelfläche
der entsprechenden Lagerbuchse 16, 17 je ein Spalt
vorherrscht. Die Lagerbuchsen 16, 17 sind dabei
im jeweiligen Lagerabschnittsbereich 12, 13 drehbar
aufgenommen. Zur Fixierung eines bestimmten Abstandes zwischen der
ersten Lagerbuchse 16 und der zweiten Lagerbuchse 17 weist
die Lagervorrichtung 14 weiterhin einen so genannten hülsenartigen
Abstandshalter 20 auf, welcher zwischen den beiden Lagerbuchsen 16, 17 im
Lagerabschnitt 4 angeordnet ist.
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Eine
Schmiermittelzufuhr zur Lagervorrichtung 14 erfolgt mit
Hilfe eines ersten Ölzufuhrkanals 21 bzw. eines
zweiten Ölzufuhrkanals 22, welche von einem im
Lagerabschnitt 4 positionierten Ölversorgungskanal 23 abzweigend
angeordnet sind.
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Die
Welle 5 ist innerhalb der ersten bzw. der zweiten Lagerbuchse 16, 17 sowie
im Abstandshalter 20 drehbar gelagert. Zur Verhinderung
einer Festkörperreibung zwischen einer Innenwandung der
Lagerbuchse 15, 16 und einer Außenwandung
der Welle 5 weisen die Lagerbuchsen 15, 16 mehrere
radial angeordnete, durchströmbare Zuflussöffnungen 24 auf, mit
Hilfe derer Schmiermittel einem Innenraum der entsprechenden Lagerbuchse 15, 16 sowie
einem Innenraum des Abstandshalters 20 zuführbar
ist. Eine Abfuhr des Schmieröls erfolgt über zwei
im Abstandhalter 20 radial positionierter, durchströmbarer
Abflussöffnungen 25.
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Der
erste Ölzufuhrkanal 21 bzw. der zweite Ölzufuhrkanal 22 und
eine erste Symmetrieachse S1 der Lagerbuchse 16, 17 sind
im Lagerabschnitt 4 koaxial positioniert (s. 2).
Diese Anordnung der Ölzufuhrkanäle 21, 22 sichert
eine gleichmäßige Verteilung des Schmiermittels
sowohl innerhalb der Lagerbuchsen 16, 17 als auch über
einen Umfang der Lagerbuchsen 16, 17.
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Abgasturbolader 1,
insbesondere Abgasturbolader für Personenkraftwagen, weisen
eine einteilig ausgebildete Lagervorrichtung 14 auf, das
heißt die erste Lagerbuchse 16, die zweite Lagerbuchse 17 und
der Abstandshalter 20 sind fest miteinander verbunden und
als ein einziges Bauteil ausgebildet. Die weitere Beschreibung bezieht
sich auf eine derartig einteilig ausgebildete Lagervorrichtung 14.
D. h. die Lagervorrichtung 14 weist eine einzige hülsenartige Buchse
auf, welche im Folgenden als Lagerbuchse bezeichnet wird. Der einheitliche
Begriff Lagerbuchse ist deswegen gewählt, da die bei einer
mehrteilig ausgebildeten Lagervorrichtung 14 vorliegende
Lagerbuchse in einer entsprechenden Ausgestaltung die gleichen Funktionen
und Merkmale aufweisen kann, wie nachfolgend beschrieben.
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Der
Lagerabschnitt 4 weist gemäß 2 – zusätzlich
zu dem ersten Ölzufuhrkanal 21 und dem zweiten Ölzufuhrkanal 22 – einen
durchströmbaren Anströmkanal 26 auf,
der in seiner virtuellen Verlängerung einen Bereich eines
Umfangs der Lagerbuchse 16 berührend ausgebildet
ist. Eine Kanalmittelachse 27 des Anströmkanals 26 weist
einen Abstand A von einer Rotationsachse 28 der Lagerbuchse 16 auf.
Der Abstand A ist in diesem Ausführungsbeispiel so gewählt,
dass ein weiterer Abstand B zwischen einer von der Rotationsachse 28 abgewandt
angeordneten Außenkante 29 des Anströmkanals 26 und
der Rotationsachse 28 einem Außenradius RA der
Lagerbuchse 16 entspricht.
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Wie
in 3 dargestellt, ist eine sich über eine
axial erstreckende Außenoberfläche 30 der
Lagerbuchse 16 ausdehnende schaufelartig ausgebildete Struktur 31 angeordnet,
welche sich über den vollständigen Umfang der
Lagerbuchse 16 erstreckt. Schaufeln 32 der schaufelartig
ausgebildeten Struktur 31 weisen in diesem Ausführungsbeispiel
bezogen auf ihre Anströmung eine konkave Krümmung auf.
In einer einfachsten Gestaltung sind die Schaufeln 32 eben,
das heißt krümmungslos ausgebildet.
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Die
Schaufeln 32 erstrecken sich in axialer Richtung und weisen
dabei eine Länge LA auf. Weiterhin erstrecken sich die
Schaufeln 32 in radialer Richtung, wobei ihr größter
Radius RG im dargestellten Ausführungsbeispiel größer
ist als der Außenradius RA und ihr kleinster Radius RK
kleiner ist als der Außenradius RA. Der größte
Radius RG könnte auch dem Außenradius RA entsprechen.
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Ein
Innendurchmesser D1 des Anströmkanals 26 entspricht
der axialen Länge LA der schaufelartig ausgebildeten Struktur 31.
Der Innendurchmesser D1 könnte auch größer
oder kleiner als die axiale Länge LA sein.
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Die
Abflussöffnungen 25 der Lagerbuchse 16 sind über
den Umfang der Lagerbuchse 16 verteilt angeordnet, wobei
sie neben der schaufelartig ausgebildeten Struktur 31 positioniert
sind.
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In 5 ist
eine Variante der schaufelartig ausgebildeten Struktur dargestellt.
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In
den 3 bis 5 ist die schaufelartig ausgebildete
Struktur 31 idealerweise bei einer einteiligen Lagervorrichtung 14 axial
symmetrisch zu einer zweiten Symmetrieachse S2 der Lagerbuchse 16 ausgebildet.
Ist die Lagervorrichtung 14 mehrteilig ausgebildet, so
könnte die schaufelartig ausgebildet Struktur 31 auch
an je einem oder an beiden axialen Enden der Lagerbuchsen 16, 17 oder
asymmetrisch zur zweiten Symmetrieachse S2 der Lagerbuchsen 16, 17 ausgebildet
sein. Ebenso könnte bei einer mehrteilig ausgebildeten
Lagervorrichtung 14 der Abstandshalter 20 die
schaufelartige Struktur 31 aufweisen, wobei der Anströmkanal 26 im
Bereich der schaufelartig ausgebildeten Struktur 31 im
Lagerabschnitt 4 angeordnet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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