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Gebläse-Kühler. aggregat, insbesondere für Abgasturbogebläse bei Brennkraftmaschinen
Mit der Tendenz nach immer höherer Aufladung von Dieselmotoren tritt die Notwendigkeit der Rückkühlung der verdichteten Ladeluft immer mehr in den Vordergrund. Bisher hat man diese Aufgabe in der Regel so gelöst, dass dem Turbolader ein Luftkühler von meist prismatischer Form nachgeschaltet wurde, in welchem die Ladeluft wieder gekühlt wurde. Dabei ergibt sich für den Konstrukteur die Schwierigkeit, in dem meist engen Raum zwischen Gebläse und Luftverteilleitung den Kühler von oft beträchtlichen Ausmassen und die Übergangsstutzen zwischen Gebläse und Kühler bzw. Kühler und Luftverteilleitung unterzubringen.
Dieses Problem wird noch dadurch erschwert, dass die Luftleitung strömungsmässig so ausgebildet werden sollte, dass Wirbelverluste möglichst vermieden werden.
Eine weitere Erschwerung der Aufgabe ist dadurch gegeben, dass bei den Turboladern der herkömmlichen Bauart der Luftaustritt aus einer Spirale. erfolgt, wodurch eine bestimmte Lage und Rich-
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mit Kühlern bei Abgasturboladern ergeben, birgt auch die Verbindung der Austrittsspirale des Gebläses mit dem Kühler Schwierigkeiten in sich, da bei der bekannten Bauart dieser Maschinengruppe die beiden Teile getrennt voneinander am Motorgehäuse fixiert werden müssen.
Die Erfindung, die von einem Gebläse mit radialem Laufrad und einem nachgeschalteten Flüssigkeitskühler ausgeht, beseitigt die genannten Mängel und besteht nun darin, dass der Kühler in an sich bekannter Weise als Ringkühler mit zwei koaxial zur Gebläsewelle im Abstand voneinander angeordneten kreisringförmigen Platten und dazwischen liegenden Wärmeaustauscherelementen ausgebildet ist, dass dieser Ringkühler an der der Antriebsmaschine abgewendeten Gebläseseite unmittelbar am Gebläsegehäuse angeordnet ist und dass seine Wärmetauscherelemente in an sich bekannter Weise aus zur Gebläsewelle parallelen Kühlrohren bestehen, deren Enden in die kreisförmigen Platten eingesetzt sind, und dass diese Platten an ihren Aussenseiten ringförmige Deckel tragen,
die mit den Platten Verteilkanäle für das Kühlmittel bilden und die Anschlüsse für die Kühlmittelzu-und-abfuhr tragen.
Es ist bereits ein ringförmiges Kühleraggregat bekannt, doch handelt es sich hiebei um einen in den Kühlkreislauf einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine geschalteten Wasserrückkühler, der ein von der Brennkraftmaschine angetriebenes Radialgebläse konzentrisch umschliesst. Bei diesem Kühler sind zwischenzwei zur Gebläsewelle koaxialenRingplattendoppelwandige, ringplattenförmige Wärmetauscherelemente angeordnet und in Umfangsrichtung von der zu kühlenden Flüssigkeit durchströmt. Die Kühlluft
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ab. Der zur Gebläsewelle koaxiale Saugstutzen befindet sich an der der Brennkraftmaschine abgekehrten Seite des Gebläses. Das bekannte Kühleraggregat geht also von andern betrieblichen Voraussetzungen und konstruktiven Mitteln aus und eignet sich nicht zur Lösung des Erfindungsproblems.
Demgegenüber wird durch die erfindungsgemässe Ausbildung ein kompaktes und gedrungenes Aggregat geschaffen, bei dem beste Raumausnutzung mit günstigen Strömungsverhältnissen für die verdichtete Luft beim Übergang vom Gebläselaufrad in den Kühler gewährleistet ist. Weiterhin sind Gebläse und Kühler an Flanschflächen miteinander verbunden, deren Ausdehnung und Lage eine absolut sichere Verbindung der beiden Teile des Aggregats gewährleistet, das als Ganzes an die Brennkraftmaschine angebaut wird. Durch
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entsprechende Ausbildung des Austrittsraumes für die das Laufrad verlassende verdichtete Luft kann die Wirkung der bisher üblichen Austrittsspirale mit einer strömungsgünstigen Ausgestaltung der Überleitung der Luft in den Ringkühler verbunden werden.
Als Wärmetauscherelemente empfehlen sich in erster Linie Rohre, die in entsprechende Öffnungen der Platten eingewalzt sind. In einfacher Weise ist damit eine verhältnismässig grosse Kühlfläche auf kleinstem Raum unterzubringen. Durch die an der Aussenseite der Platten des Ringkühlers gebildeten Kanäle wird die Verteilung des Kühlmittels über den Umfang des Ringkühlers sichergestellt.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Verteilkanäle in den Gebläsedeckeln durch radiale, bis an die Platten des Ringkühlers reichende Rippen in Umfangsrichtung unterteilt sind, und die Rippen in den einander gegenüberliegenden Deckeln gegeneinander versetzt angeordnet sind. Daraus ergibt sich eine zickzackförmige Strömung des Kühlmittels innerhalb des Ringkühlers und damit die denkbar günstigste Ausnutzung der Wirkung des Kühlmittels.
Das Gebläsegehäuse kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung an seinem Aussenumfang eine umlaufende Austrittsöffnung für die verdichtete, in den Ringkühler anschliessend in Richtung zu dessen Achse einströmende Luft aufweisen. Durch'die sich dabei ergebende Verteilung der Kühlluft über den Umfang des Gebläsegehäuses und damit des Ringkühlers bilden sich im wesentlichen zentrisch symmetrische Strömungsverhältnisse innerhalb des Kühlers aus, was sich auf dessen Leistung besonders günstig auswirkt. Das Optimum dieser Wirkung wird erzielt, wenn an der freien Stirnseite des Ringkühlers ein Austrittsstutzen für die gekühlte Luft angeordnet ist, der koaxial zum Ringkühler liegt.
Der in diesem Fall auftretenden Vergrösserung der Breite des Aggregats kann, soferne dies durch besonders beengte Platzverhältnisse notwendig ist, durch eine Ausgestaltung der Erfindung begegnet werden, beider ein sektorförmiger Teil des Wärmeaustauschers für den radialen Austritt der gekühlten Luft aus dem Aggregat dient.
Eine besonders einfache und im Sinne einer weiteren Verringerung der Breite des Aggregats wirkende Ausbildung ergibt sich schliesslich, wenn das Gebläsegehäuse an seinem Aussenumfang einen um die Achse des Ringkühlers zylindrisch vorgezogenen Rand aufweist, der den Ringkühler an seinem Aussenumfang umgreift und als Umlenkung für die verdichtete Luft in die Richtung zur Achse des Ringkühlers dient.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die radiale Durchströmung des Ringkühlers noch dadurch beeinflusst werden, dass die Wärmeaustauscherelemente des Ringkühlers durch zur Kühlerachse radial liegende Leitwände für die verdichtete Luft in ringsektorförmige Sektionen unterteilt sind.
Eine zusätzliche Verminderung des Raumbedarfes für das Gebläse-Kühleraggregat ergibt sich, wenn die vorzugsweise ringförmig ausgebildete Gebläseeintrittsöffnung auf der der Abgasturbine zugekehrten Seite des Aggregats liegt und durch einen ringförmigen Filter abgedeckt ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erörtert. Fig. l zeigt den Umriss eines Aggregats nach der Erfindung im Aufriss, Fig. 2 den zugehörigen Umriss bei der Ansicht in der Richtung des Pfeiles A der Fig. l ; in den beiden Darstellungen sind strichpunktiert die Umrisse eines Abgasturboladers mit nachgeschaltetem Kühler in der bisher üblichen Ausbildung angegeben. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Aggregats nach der Erfindung, Fig. 4 einen Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel, welches im übrigen den Fig. l und 2 zugrundeliegt.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4 und Fig. 6 die Abwicklung des äusseren Teiles des entsprechend der Linie VI-VI in Fig. 5 geschnittenen Ringkühlers. In sämtlichen Zeichnungen sind die gleichen Teile mit gleichen Bezugsziffem versehen.
In den Fig. 1 und 2 ist mit 1 das Aggregat nach der Erfindung bezeichnet, das mittels der Winkelbleche 2 und 3 am Motorgehäuse befestigbar ist. An dem Aggregat ist die Abgasturbine 4 angeflanscht, in die die Abgase der Brennkraftmaschine bei 5 ein-und bei 6 wieder austreten. Die verdichtete Luft verlässt das Aggregat durch eine seitliche Öffnung 7, an die die Luftverteilleitungen der Brennkraftmaschine anzuschliessen sind.
Beim Vergleich des dargestellten Aggregats nach der Erfindung mit dem strichpunktiert wiedergegebenen Turbolader bisher üblicher Bauart ist ersichtlich, dass bei der bisherigen Ausbildung durch den an die Austrittsspirale 8 angeflanschten Kühler 9 ein sperriges Gebilde entsteht, das zufolge des abstehenden Kühlers nur unter besonders günstigen Umständen am Motorgehäuse derart untergebracht werden kann, dass die entsprechend dem Pfeil 10 austretende Luft
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übertreten kann. Demgegenüber ist das Aggre-der Erfindung rückt gegenüber der bisher üblichen Ausführung um das Mass a an den Anschlussflansch der Luftverteilleitung der Brennkraftmaschine heran.
Schliesslich ist durch die Vergrösserung der axialen Er- streckung des Abgasturbogebläses um das Ausmass b das Aggregat nach der Erfindung besser den durch Zylinderkopf, Steuerung usw., gegebenen Verhältnissen angepasst, als die zum Vergleich herangezogene bekannte Ausbildung.
Das Aggregat 1 besteht im wesentlichen aus dem Gebläse 11 mit dem den Ansaugkrümmer 12 enthaltenden stirnseitigen Deckel 13, der an seinem Aussenumfang die Eintrittsöffnung 14 für die Ladeluft aufweist. Das radiale Laufrad 15 sitzt auf der für Turbine und Gebläse gemeinsamen Welle 16. Das Gehäuse des Gebläses weist einen ringförmigen Raum 17 auf, der als Diffusor ausgebildet ist und der in seinem äusseren Bereich die Umlenkung der verdichteten Luft in den benachbarten Ringkühler bewerkstelligt.
Beiden bisher gebräuchlichen Ausbildungen von Abgasturboladern, wie sie zum Vergleich in den Fig. 1 und 2 strichpunktiert angedeutet sind, tritt die Luft an der der Turbine abgekehrten Stirnseite des Gebläses in axialer Richtung ein. Im Gegensatz hiezu strömt bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung die Lade- luft durch den Ansaugkrümmer 12 bzw. durch das Luftfilter 32 ein, wodurch sich ein wenigstens teilweiser Ausgleich der Axialschübe von Turbine- und Gebläselaufrad auf der Welle 16 erreichen lässt, wenn, wie in Fig. 2 ersichtlich, die Verbrennungsgase die Turbine bei 6, also neben dem Gebläse, verlassen.
Der Ringkühler besteht aus zwei ringförmigen Platten 18,19, in welche in üblicher Weise die Kühlrohre 20 eingewalzt, eingelötet oder eingeschweisst sind. Die Aussenseiten der Platten 18, 19 sind durch Deckel abgeschlossen, die je mit der benachbarten Platte kreisförmige Kanäle für die Verteilung und Führung des Kühlwassers bilden.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausbildung trägt der aussenliegende Deckel 21 eine umlaufende Rippe 21', durch die die beiden Ringkanäle 22 und 23 voneinander getrennt sind. Der Ringkanal 22 dient der Verteilung des durch den Anschlussstutzen 24 zuströmenden Kühlmittels über den Um- fang des Ringkühlers, wogegen der Ringkanal 23 die Aufgabe hat, das erwärmte Kühlwasser zu sammeln, das durch den Stutzen 25 den Kühler verlässt. Durch den auf der gegenüberliegenden Seite des Ringkühlers angeordneten Deckel 26 wird ein weiterer Ringkanal 27 gebildet, der der Umlenkung
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Pfeilenen Rand 34 aufweist, dessen Innenseite entsprechend den Erfordernissen für eine strömungsgünstige Um- lenkung der aus dem Ringraum 17 austretenden verdichteten Luft ausgestaltet ist.
Wie durch die Pfeile 29, 30 und 31 veranschaulicht ist, tritt die Luft durch den ringförmigen Luftfilter 32 in den Gebläse-
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Richtung, worauf sie das Aggregat durch den Krümmer 33 verlässt.
Die zweite, in den Fig. 4-6 dargestellte Ausführungsvariante nach der Erfindung stellt gegenüber der vorstehend beschriebeneninsoferne noch eine Verbesserung dar, als durch die mit Bezug auf die Achse des Ringkühlers radiale Ableitung der gekühlten Luft eine Verminderung der axialen Erstreckung des Aggregats erreicht wird. Bei dieser Ausführung besitzt der Ringkühler ein schalenförmiges Gehäuse 35, in dessen Boden die Eintrittsöffnung 36 und die Austrittsöffnung 37 für das Kühlwasser liegen, die durch den Ringkanal 38 miteinander in Verbindung stehen. Zur Entlastung des Gehäuses vom Innendruck sind Stehbolzen 51 vorgesehen.
Der Ringkanal 38 wird innen durch die Ringplatte 18 des Ringkühlers begrenzt und-im Gegensatz zu der oben beschriebenen Ausführungsform - ebenso wie der durch den inneren Deckel 40 gebildete U-förmige Kanal 41 durch radiale Rippen 39 bzw. 42 unterteilt ist, die sich bis an die ringförmigen Platten 18 bzw. 19 des Kühlers erstrecken. Die Rippen 39 und 42 in den Kanälen 38 und 41 sind, wie aus Fig. 6 ersichtlich, derart gegeneinander versetzt, dass das Kühl- wasser den Kühler auf dem Weg von der Eintrittsöffnung 36 zur Austrittsöffnung 37, wie durch die in Fig. 6 eingetragenen Pfeile veranschaulicht, nach einer Mäanderlinie durchsetzt.
Der Verlauf der Luftströmung innerhalb des Aggregats ist durch die Pfeile 43,44 und 45 veranschaulicht. Da mit Rücksicht auf den radialen Austritt der Luft durch den Stutzen 47 des Kühlergehäuses, der im Inneren des Kühlers durch den Kragen 46 fortgesetzt ist, der Ringkühler eine radiale Aus- sparungfürdenDurchtrittderaustretendenLuft aufweist, hat bei dieser Ausführung der Ringraum 17 zugleich auch die Aufgabe eines Ausgleichsraumes zu erfüllen, durch den Stauungen der Luft beim Abströmen aus dem Gebläse vermieden werden. Der Austrittskanal für die Luft wird seitlich gegen die Kühlrohre
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