DE102005027890B4 - Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einer Turbine zur Entspannung eines einen Motor der Brennkraftmaschine verlassenden Abgasstroms, und mit einem Verdichter zur Verdichtung eines dem Motor der Brennkraftmaschine zuzuführenden Verbrennungsluftstroms, wobei die Turbine ein Zuströmgehäuse (10) aufweist, um den in der Turbine zu entspannenden Abgasstrom einem Turbinenrotor zuzuführen, und wobei der Turbinenrotor eine Rotorscheibe und mehrere Laufschaufeln aufweist, wobei in das Zuströmgehäuase (10) eine Leitung (16) für Kühlluft integriert ist, um Kühlluft auf die Rotorscheibe des Turbinenrotors zu leiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorscheibe des Turbinenrotors gegenüber dem zu entspannenden Abgasstroms durch eine Anströmbirne (13) getrennt ist, wobei die Anströmbirne (13) den zu entspannenden Abgasstrom auf die Laufschaufeln des Turbinenrotors leitet, dass die Leitung (16) einen Einführabschnitt (17) und einen Ausblasabschnitt (18) aufweist, wobei der Ausblasabschnitt (18) in etwa parallel zu einer Längsmittelachse (19) des Zuströmgehäuses (10) bzw. in etwa parallel zu einer Rotationsachse des Turbinenrotors verläuft, dass der Ausblasabschnitt...

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Zur Steigerung des Wirkungsgrads von Brennkraftmaschinen ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, Brennkraftmaschinen mit einer Abgasaufladung auszurüsten. Bei einer Abgasaufladung bzw. Turboaufladung wird aus einem Motor abgeleitetes Abgas in einer Turbine eines Abgasturboladers entspannt, wobei die Turbine einen Verdichter des Abgasturboladers antreibt, in welchem dem Motor zuzuführende Verbrennungsluft verdichtet wird. Zwischen den Verdichter des Abgasturboladers und den Motor ist ein Ladeluftkühler des Abgasturboladers geschaltet, um die verdichtete Verbrennungsluft auf eine definierte Temperatur abzukühlen. Über eine derartige Abgasaufladung bzw. Turboaufladung kann der Wirkungsgrad von Brennkraftmaschinen gesteigert werden.
  • Die DE-PS 522 104 offenbart einen Abgasturbolader mit einem Turbinenrotor einer Brennkraftmaschine mit Leitungen für Düsen, aus denen ein beliebiges Kühlmittel, vorzugsweise Wasser, mittels Luft auf die Rotorscheibe des Turbinenrotors auftrifft.
  • Die CH-PS 267 777 zeigt einen für die vorliegende Erfindung gattungsbildenden Turbolader mit einer zentralen Kühlleitung am Zuströmgehäuse mit Abflussleitung für Wasser.
  • Die Turbine des Abgasturboladers verfügt über ein Zuströmgehäuse, um den in der Turbine zu entspannenden Abgasstrom des Motors einem Turbinenrotor zuzu führen. Der Turbinenrotor umfasst eine Rotorscheibe sowie mehrere an der Rotorscheibe befestigte, zusammen mit der Rotorschreibe rotierende Laufschaufel. Der in der Turbine entspannte Abgasstrom wird über ein Ausströmgehäuse aus der Turbine abgeleitet. Insbesondere der Turbinenrotor der Turbine des Abgasturboladers ist ein hochbelastetes Bauteil, welches hohen Temperaturen und hohen Fliehkräften standhalten muss. Nach dem Stand der Technik kommen zur Steigerung der Belastbarkeit des Turbinenrotors zunehmend höherwertige Werkstoffe zum Einsatz, diese sind jedoch teuer und erfordern aufwendige Bearbeitungsverfahren. Hierdurch erhöhen sich die Kosten für einen Abgasturbolader.
    •
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, einen Abgasturbolader, bei dem im Zuströmgehäuse für eine Turbine eine Leitung für Kühlluft integriert ist, um Kühlluft auf die Rotorscheibe des Turbinenrotors zu leiten, so weiter zu bilden, dass der von der Kühlluft zu kühlende Bereich reduziert wird.
  • Dieses Problem wird durch einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß in das Zuströmgehäuse eine Leitung für Kühlluft integriert, um Kühlluft auf die Rotorscheibe des Turbinenrotors zu leiten.
  • Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist in das Zuströmgehäuse der Turbine eine Leitung für Kühlluft integriert, um auf die Rotorscheibe des Turbinenrotors Kühlluft zu leiten. Durch eine aktive Kühlung der Rotorscheibe des Turbinenrotors kann der Wärmeeintrag in den Turbinenrotor reduziert werden. Dies macht den Einsatz zunehmend höherwertiger Werkstoffe im Bereich des Turbinenrotors überflüssig, wodurch auf aufwendige Bearbeitungsverfahren verzichtet werden kann. Hierdurch ergibt sich eine Kostenersparnis für Abgasturbolader.
    •
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfin dung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
  • 1 einen schematisierten Querschnitt durch ein Zuströmgehäuse einer Turbine eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine;
  • 2 das Detail II der 1; und
  • 3 das Detail III der 1.
  • Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 3 im größeren Detail beschrieben.
  • 1 bis 3 zeigen einen Querschnitt durch ein Zuströmgehäuse 10 einer Turbine eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers. Das Zuströmgehäuse 10 verfügt über eine Zuströmöffnung 11, um im Sinne des Pfeils 12 einen in der Turbine des Abgasturboladers zu entspannenden Abgasstrom in die Turbine einzuführen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 umfasst das Zuströmgehäuse 11 eine sogenannte Anströmbirne 13, wobei die Anströmbirne 13 den in die Turbine eingeleiteten, zu entspannenden Abgasstrom nach radial außen umlenkt und über einen sogenannten Düsenring 14 auf Laufschaufeln eines nicht-dargestellten Turbinenrotors leitet. Der nicht-dargestellte Turbinenrotor verfügt neben den Laufschaufeln über eine Rotorscheibe, die auf der stromaufwärtigen Seite derselben gegenüber dem zu entspannenden Abgasstrom von der Anströmbirne 13 abgedeckt bzw. abgetrennt ist. Die Anströmbirne 13 umschließt auf der dem Turbinenrotor zugewandten Seite einen Hohlraum 15. An das Zuströmgehäuse 10 schließt sich ein nicht-dargestelltes Ausströmgehäuse der Turbine des Abgasturboladers an, um den in der Turbine entspannten Abgasstrom aus derselben auszuleiten.
  • Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist in das Zuströmgehäuse 10 der Turbine des erfindungsgemäßen Abgasturboladers eine Leitung 16 für Kühlluft integriert. Die Leitung 16 verfügt über einen Einführabschnitt 17 sowie einen Ausblasabschnitt 18, die um etwa 90° zueinander abgewinkelt sind. Der Einführabschnitt 17 dient der Einführung von Kühlluft in das Zuströmgehäuse 10, der Ausblasabschnitt 18 hingegen richtet die in das Zuströmgehäuse 10 eingeführte Kühlluft auf die Rotorscheibe des nicht-dargestellten Turbinenrotors, um denselben zu kühlen. Der Ausblasabschnitt 18 der Leitung 16 verläuft gemäß 1 in etwa parallel zu einer Längsmittelachse 19 des Zuströmgehäuses 11, wobei die Längsmittelachse 19 mit einer Rotationsachse des nicht-dargestellten Turbinenrotors zusammenfällt. Gemäß 1 liegt der Ausblasabschnitt 18 zentrisch auf der Längsmittelachse 19 des Zuströmgehäuses 10. Über den Ausblasabschnitt 18 ist die Kühlluft auf die heiße bzw. stromaufwärts liegende Seite der Rotorscheibe des Turbinenrotors richtbar. Der Einführabschnitt 17 verläuft in etwa senkrecht zum Ausblasabschnitt 18 in radialer Richtung des Zuströmgehäuses 10.
  • Wie 1 entnommen werden kann, ist der Ausblasabschnitt 18 der Leitung 16 für die Kühlluft mit einem Abschnitt 20 in der Anströmbirne 13 geführt bzw. gelagert. Weiterhin ist ein stromabwärts liegendes Ende 21 des Ausblasabschnitts 18 in einem Halteblech 22 geführt bzw. gelagert, wodurch eine stabile Fixierung sowie zentrische Ausrichtung des Ausblasabschnitts 18 der Leitung 16 relativ zu der zu kühlenden Rotorscheibe des nicht-dargestellten Turbinenrotors etabliert wird. Zur Befestigung des stromabwärts liegenden Endes 21 des Ausblasabschnitts 18 am Halteblech 22 ist dem stromabwärts liegenden Ende 21 des Ausblasabschnitts 18 ein Fixierelement 23 zugeordnet, an welchem das Halteblech 22 gemäß 2 über Schrauben 24 befestigt ist.
  • Gemäß 3 ist das Halteblech 22 über weitere Schrauben 25 radial außen an der Anströmbirne 13 befestigt, wodurch der von der Anströmbirne umschlossene Hohlraum 15 gegenüber der Rotorscheibe des zu kühlenden Turbinenrotors abgetrennt wird. Hierdurch wird der von der Kühlluft zu kühlende Bereich reduziert, nämlich überwiegend auf den Raum zwischen der heißen bzw. stromaufwärts liegenden Seite der Rotorscheibe des Turbinenrotors und dem Halteblech 22.
  • Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers, bei welchem der Einführabschnitt 17 der Leitung 16 für die Kühlluft an den Ladeluftkühler des Abgasturboladers angeschlossen ist. In diesem Fall wird ein Teil der im Ladeluftkühler heruntergekühlten, dem Motor der Brennkraftmaschine zuzuführenden, verdichteten Verbrennungsluft als Kühlluft abgezweigt und zur Kühlung des Turbinenrotors über den Ausblasabschnitt 18 der Leitung 16 auf die Rotorscheibe des Turbinenrotors gerichtet. Alternativ ist es auch möglich, anderweitige Pressluft zur Kühlung des Turbinenrotors zu verwenden.
  • Der Leitung 16 für die Kühlluft ist vorzugsweise ein Sensor zugeordnet, um den Druck der Kühlluft innerhalb der Leitung 16 zu messen. Liegt der Druck innerhalb der Leitung 16 unterhalb eines definierten Grenzwerts, so liegt es im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, über eine ebenfalls nicht-dargestellte Regelungseinrichtung eine Lastreduktion für die Brennkraftmaschine einzuleiten. Bei Unterschreiten des vorgegebenen Drucks ist eine ausreichende Kühlung des Turbinenrotors nicht mehr gewährleistet, so dass die Last der Brennkraftmaschine reduziert werden muss.
  • Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, wobei der Turbinenrotor der Turbine des erfindungsgemäßen Abgasturboladers aktiv gekühlt wird. Hierzu ist in das Zuströmgehäuse der Turbine eine Leitung für Kühlluft integriert, welche die Kühlluft auf die Rotorscheibe des Turbinenrotors leitet. Vorzugsweise wird als Kühlluft vom Ladeluftkühler des Abgasturboladers ein Teil der verdichteten, dem Motor zuzuführenden Verbrennungsluft abgezweigt. Hierdurch wird eine autarke Kühlung des Turbinenrotors realisiert. Die erfindungsgemäße Kühlung des Turbinenrotors arbeitet im Betrieb wartungsfrei.
  • Vorzugsweise kommt der erfindungsgemäße Abgasturbolader bei Viertakt-Diesel-Brennkraftmaschinen zum Einsatz, bei welchen sehr hohe Abgastemperaturen herrschen.
    • 10
    Zuströmgehäuse
    11
    Zuströmöffnung
    12
    Pfeil
    13
    Anströmbirne
    14
    Düsenring
    15
    Hohlraum
    16
    Leitung
    17
    Einführabschnitt
    18
    Ausblasabschnitt
    19
    Längsmittelachse
    20
    Abschnitt
    21
    Ende
    22
    Halteblech
    23
    Fixierelement
    24
    Schraube
    25
    Schraube

Claims (4)

  1. Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einer Turbine zur Entspannung eines einen Motor der Brennkraftmaschine verlassenden Abgasstroms, und mit einem Verdichter zur Verdichtung eines dem Motor der Brennkraftmaschine zuzuführenden Verbrennungsluftstroms, wobei die Turbine ein Zuströmgehäuse (10) aufweist, um den in der Turbine zu entspannenden Abgasstrom einem Turbinenrotor zuzuführen, und wobei der Turbinenrotor eine Rotorscheibe und mehrere Laufschaufeln aufweist, wobei in das Zuströmgehäuase (10) eine Leitung (16) für Kühlluft integriert ist, um Kühlluft auf die Rotorscheibe des Turbinenrotors zu leiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorscheibe des Turbinenrotors gegenüber dem zu entspannenden Abgasstroms durch eine Anströmbirne (13) getrennt ist, wobei die Anströmbirne (13) den zu entspannenden Abgasstrom auf die Laufschaufeln des Turbinenrotors leitet, dass die Leitung (16) einen Einführabschnitt (17) und einen Ausblasabschnitt (18) aufweist, wobei der Ausblasabschnitt (18) in etwa parallel zu einer Längsmittelachse (19) des Zuströmgehäuses (10) bzw. in etwa parallel zu einer Rotationsachse des Turbinenrotors verläuft, dass der Ausblasabschnitt (18) der Leitung (16) einerseits in der Anströmbirne (13) und andererseits in einem Halteblech (22) geführt ist, wobei das Halteblech (22) am stromabwärts liegenden Ende der Anströmbirne (13) mit derselben verbunden ist und einen von derselben umschlossenen Hohlraum (15) gegenüber der Rotorscheibe des Turbinenrotors abtrennt.
  2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (16) den Kühlstrom auf die heiße bzw. stromaufwärts liegende Seite der Rotorscheibe des Turbinenrotors richtet.
  3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (16) mit einem Ladeluftkühler verbunden ist, um einen Teil der vom Ladeluftkühler abgekühlten, dem Motor zuzuführende Verbrennungsluft zur Kühlung auf die Rotorscheibe des Turbinenrotors zu leiten.
  4. Abgasturbolader nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck, der in der Leitung (16) für die Kühlluft durch einen Sensor messbar ist, wobei eine Regelungseinrichtung bei Unterschreitung eines Druckgrenzwerts eine Lastreduktion für die Brennkraftmaschine einleitet.
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