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Title:
COMPRESSION AND TURBINE WHEEL FOR A SECONDARY AIR CONVEYING DEVICE FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/040565
Kind Code:
A1
Abstract:
Known secondary air conveying devices respectively comprise a separate compressor wheel and a turbine wheel. According to the invention, in order to provided a low cost, simple structure, the compressor wheel and turbine wheel are embodied in the form of a common, combined component, i.e. a bladed wheel (1) having a mounting of compressor blades (4) on one side and a mounting of turbine blades (4) on another opposite side (11). The inventive combined compressor and turbine wheel is provided for secondary air conveying devices for internal combustion engines.

Inventors:
FLEDERSBACHER PETER (DE)
LEHMANN HANS-GEORG (DE)
SCHLEGL MARTIN (DE)
STARK HOLGER (DE)
Application Number:
PCT/EP2004/009998
Publication Date:
May 06, 2005
Filing Date:
September 08, 2004
Export Citation:
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Assignee:
DAIMLER CHRYSLER AG (DE)
FLEDERSBACHER PETER (DE)
LEHMANN HANS-GEORG (DE)
SCHLEGL MARTIN (DE)
STARK HOLGER (DE)
International Classes:
F01D15/08; F01N3/32; F04D25/04; (IPC1-7): F01N/
Foreign References:
US3299629A1967-01-24
GB1021303A1966-03-02
DE19641467A11998-04-16
GB740682A1955-11-16
US6334436B12002-01-01
US1959703A1934-05-22
EP1154133A22001-11-14
US6082975A2000-07-04
US2975959A1961-03-21
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 0163, no. 63 (M - 1290) 5 August 1992 (1992-08-05)
Attorney, Agent or Firm:
Schrauf, Matthias (Intellectual Property Management IPM - C106, Stuttgart, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Verdichterund Turbinenrad für eine Sekundärluftfördereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsames Bauteil (1) das Verdichterrad und das Turbinenrad bildet.
2. Verdichterund Turbinenrad nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, dass das gemeinsame Bauteil in Form eines Laufrades (1) ausgebildet ist, das auf einer Seite (12) eine Verdichterbeschaufelung (3) und auf einer gegenüberliegenden Seite (11) eine Turbinenbeschaufelung (4) aufweist.
3. Verdichterund Turbinenrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (1) mit Verdichterbeschaufelung (3) und Turbinenbeschaufelung (4) aus einem gemeinsamen Werkstoff besteht.
4. Verdichterund Turbinenrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei dem Werkstoff um Kunststoff, insbesondere PFA, PPS, PEEK, PA, oder um Metall, insbesondere Legierungen auf Basis von Aluminium oder Magnesium, handelt.
5. Verdichterund Turbinenrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (1) aus zumindest zwei Werkstoffen, einem metallischen Werkstoff und aus einem Kunststoff, besteht.
6. Verdichterund Turbinenrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem metallischen Werkstoff um eine Legierung auf Basis von Al, Mg, Ti, Fe, Ni, vorzugsweise in Form vom Blechen, Folien oder Gussteilen, handelt.
7. Verdichterund Turbinenrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kunststoff um PEEK, PA, PFA, PPS und/oder Schäumen, insbesondere PU, handelt.
8. Verdichterund Turbinenrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Laufrad (1) verbunden eine Buchse (20) zur Anbindung an die Welle (6) vorgesehen ist.
9. Verdichterund Turbinenrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Gehäuse (26) der Sekundärluftfördereinrichtung und dem Laufrad (1) eine Dichtung (23 ; 28 ; 33 ; 35) vorgesehen ist.
10. Verdichterund Turbinenrad nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Dichtung um eine Kolbenringdichtung (23) handelt.
11. Verdichterund Turbinenrad nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Dichtung um eine Bürstendichtung (28) handelt.
12. Verdichterund Turbinenrad nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Dichtung um eine Labyrinthdichtung (33) handelt.
13. Verdichterund Turbinenrad nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Dichtung um einen Einschleifbelag (35) handelt, der zwischen dem Laufrad (1) und einem feststehenden Leitgitterring (40) vorgesehen ist.
14. Verdichterund Turbinenrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (1) einseitig gelagert in einem Gehäuse (26) der Sekundärluftfördereinrichtung untergebracht ist.
15. Verdichterund Turbinenrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur drehfesten Verbindung von Laufrad (1) und Welle (6), das Laufrad (1) auf die Welle (6) aufgeschrumpft ist.
16. Verdichterund Turbinenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschaufelung von Verdichter (3) und Turbine (4) die Form eines Tragflächenprofils aufweist.
17. Verdichterund Turbinenrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschaufelung von Verdichter und Turbine des Laufrads (1) in für Sekundärluftfördereinrichtungen typischer Weise ausgeführt ist.
18. Verdichterund Turbinenrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff eine zusätzliche Faserverstärkung, insbesondere Glasfaser, aufweist.
Description:
VERDICHTER-UND TURBINENRAD FÜR EINE SEKUNDÄRLUFTFÖRDEREINRICHTUNG FÜR EINE BRENNKRAFTMASCHINE Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Verdichter-und Turbinenrad für eine Sekundärluftfördereinrichtung nach der Gattung des Anspruchs 1.

Es ist bereits eine Sekundärluftfördereinrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt (DE 199 37 781 Al), 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 Brennkraftmaschine 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 Sekundärluftfördereinrichtung befestigt sind.

Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verdichter-und Turbinenrad für eine Sekundärluftfördereinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil einer einfachen, kostengünstigen Bauweise, die außerdem eine vereinfachte Radmontage erlaubt. Besonders vorteilhaft ist die erzielbare Gewichtsreduzierung, so dass sich ein sehr geringes Gesamtgewicht der Sekundärluftfördereinrichtung ergibt, was außerdem zu einer hohen Dynamik und gutem Ansprechverhalten des kombinierten Verdichter-und Turbinenrades führt. Darüber hinaus ist neben der vereinfachten Radmontage auch ein vereinfachter Wuchtprozess des kombinierten Verdichter-und Turbinenrades möglich.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in Anspruchs 1 angegebenen Verdichter-und Turbinenrades für eine Sekundärluftfördereinrichtung möglich.

Von Vorteil ist außerdem, dass eine vereinfachte Abdichtung der Verdichter-und Turbinenbeschaufelung zum Gehäuse hin erreicht wird, so dass Spaltverluste deutlich verringert werden können.

Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen : Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Laufrades eines kombinierten Verdichter-und Turbinenrades mit Blickrichtung auf die Turbinenseite gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Laufrades des kombinierten Verdichter-und Turbinenrades mit Blickrichtung auf die Verdichterseite gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, Fig. 3 eine Schnittdarstellung des Laufrades mit befestigter Welle gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, Fig. 4 eine Schnittdarstellung des Laufrades mit befestigter Welle gemäß einem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, Fig. 5 eine Schnittdarstellung eines Endbereichs des Laufrades, das in einem Gehäuse eingebracht und im Gehäuse über einen Kolbenring abgedichtet ist, Fig. 6 eine Schnittdarstellung eines Endbereichs des Laufrades, das in dem Gehäuse untergebracht und im Gehäuse über eine Bürstendichtung abgedichtet ist, Fig. 7 eine Schnittdarstellung eines Endbereichs des Laufrades, das in dem Gehäuse untergebracht und im Gehäuse über eine Labyrinthdichtung abgedichtet ist, Fig. 8 eine perspektivische Ansicht des Laufrades mit stirnseitig radial umlaufenden Dichtring und einem Leitgitter mit Blickrichtung auf die Turbinenseite, Fig. 9 eine perspektivische Ansicht des Laufrades gemäß Figur 8 im montierten Zustand mit Blickrichtung auf die Turbinenseite, Fig. 10 eine perspektivische Ansicht des Laufrades gemäß Figur 8 mit Blickrichtung auf die Verdichterseite, Fig. 11 eine perspektivische Ansicht des Laufrades gemäß Figur 8 im montierten Zustand mit Blickrichtung auf die Verdichterseite.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen 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.

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 A1 verwiesen.

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.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist das Laufrad 1 mit Verdichterbeschaufelung 3 und Turbinenbeschaufelung 4 aus einem Stück beziehungsweise aus einem Werkstoff hergestellt.

Geeignete Fertigungsverfahren 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 Al (Aluminium) oder Mg (Magnesium)], Feinguss (Legierungen auf Basis von Al oder Mg), Druckguss (Legierungen auf Basis von Al 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 Al, 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.

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.

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 Schaufelträger 16 im Bereich seines Übergangs zwischen Laufrad 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 kombinierte 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.

Die Figur 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel 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.

Die Erfindung sieht 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 Dichtungskonzepte näher dargestellt. Die Dichtung ist im Umfangsbereich zwischen Verdichter und Turbinenseite vorgesehen. Die Figur 5 zeigt eine erste Variante 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.

Die Figur 6 zeigt eine weitere Dichtungsvariante, bei der 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 eine weitere Dichtungsvariante, bei der 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.

Möglich ist aber auch, wie die Figuren 8 bis 11 näher zeigen, 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 Turbinenschaufeln 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 Tragflächenprofil (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 verbunden.