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Die
Erfindung betrifft einen Turbolader, insbesondere für ein
Kraftfahrzeug, welcher mit einer Kühlungseinrichtung zum
Kühlen des Turboladergehäuses versehen ist und
des Weiteren eine Ölzuführung zum Bereitstellen
von Schmieröl aufweist.
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Im
Allgemeinen weisen Turbolader eine Abgasturbine auf, die in einem
Abgasstrom angeordnet ist und über eine Turbowelle mit
einem Verdichter im Ansaugtrakt verbunden ist. Hierbei ist beispielsweise ein
Turbinenrad und ein Verdichterrad auf der Turbowelle drehbar gelagert,
wobei das Turbinenrad in einem Turbinengehäuse und das
Verdichterrad in einem Verdichtergehäuse angeordnet ist.
Zwischen dem Turbinengehäuse und dem Verdichtergehäuse ist
ein Lagergehäuse angeordnet, in welchem die Turbowelle
drehbar gelagert ist. Im Betrieb treibt der Abgasstrom, der durch
einen Abgaskrümmer in das Turbinengehäuse geleitet
wird, das Turbinenrad an. Das Turbinenrad treibt wiederum das Verdichterrad an,
wodurch der Verdichter den Druck im Ansaugtrakt des Motors erhöht,
so dass während des Ansaugtaktes eine größere
Menge Luft in den Zylinder gelangt. Dies bewirkt, dass mehr Sauerstoff
zur Verfügung steht und eine entsprechend größere
Kraftstoffmenge verbrannt werden kann. Dadurch kann die Leistungsabgabe
des Motors erhöht werden.
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Aus
dem Stand der Technik ist die Kühlung von heißen
Abgasturboladerteilen bei Verbrennungsmotoren von Straßenfahrzeugen
bekannt. Aufgrund der hohen Abgastemperaturen von z. B. PKW Ottomotoren,
die bis zu 1100°C betragen können, kommt es zu
einer erheblichen Temperaturbelastung von Abgasturboladerbauteilen
im Vollast- bzw. vollastnahen Betrieb. Insbesondere die Gehäusebauteile
sind aufgrund der mangelhaften Kühlung durch Konvektion
sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Tendenziell steigen die Temperaturen
der abgasführenden Bauteile auch in Zukunft weiter an,
da die Motoren immer höher aufgeladen werden und somit
spezifisch höher belastet werden.
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Gemäß dem
Stand der Technik wurden die Materialien für die Gehäuseteile
der Turbine und Krümmer unter Festigkeitsgesichtspunkten
bei hohen Temperaturen ausgelegt. Das erfordert heute einen hohen
Nickelanteil im Werkstoff, denn nur so können Gusswerkstoffe
den hohen Temperaturen standhalten. Nickel ist ein vergleichsweise
teurer Rohstoff, der außerdem starken Weltmarktschwankungen
unterworfen ist. Auch aus diesem Grund ist es wünschenswert
auf Nickel verzichten zu können. Ferner ist die Abgastemperatur
des Motors durch eine gezielte Kraftstoffanreicherung an der Volllast
zu begrenzen. Das hat allerdings den Nachteil, dass der Kraftstoffverbrauch
des Motors ansteigt. Letztendlich lässt sich die Bauteiltemperatur
nur durch eine Limitierung der Motorleistung begrenzen. Das wird
natürlich nicht gewünscht. Bei Motoren für
den Einsatz in marinen Applikationen, wie z. B. Außenbordmotoren, existieren
gesetzliche Anforderungen an die maximale Oberflächentemperatur.
So dürfen abgasführende Oberflächen maximal
80°C warm werden. Aus diesem Grund gibt es für
solche Applikationen heute bereits wassergekühlte Turbinengehäuse
in Serie.
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Aus
der
DE 103 44 868 ist
beispielsweise ein Abgasturbolader bekannt, der für den
Marineeinsatz bestimmt ist. Dieser weist ein Turbinengehäuse
auf, das von Seewasser als Kühlmedium durchströmt wird.
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Des
Weiteren ist aus der
DE 203
11 703 ebenfalls ein Turbolader für den Marineeinsatz
bekannt. Der Turbolader weist dabei ein Turbinengehäuse
auf, welches doppelwandig ausgebildet ist und mittels Seewassers
gekühlt wird. Des Weiteren weist das Lagergehäuse
des Turboladers eine zusätzliche Kühlungseinrichtung
auf. Hierbei wird das Lagergehäuse statt mit Seewasser
mittels Kühlmittel aus einem Kühlmittelkreislauf
eines angeschlossenen Motors gekühlt.
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Demnach
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten
Turbolader, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer
Kühlungseinrichtung bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 und des Patentanspruchs 2 gelöst.
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Demgemäß wird
erfindungsgemäß ein Turbolader, insbesondere für
ein Kraftfahrzeug, bereitgestellt mit:
- – einem
Turbinengehäuse und einem Lagergehäuse,
wobei
das Turbinengehäuse und das Lagergehäuse mit einer
gemeinsamen Kühlungseinrichtung versehen sind.
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Dies
hat den Vorteil, dass beide Gehäuse über eine
gemeinsame Kühlungseinrichtung gekühlt werden
können, beispielsweise mittels Kühlwasser aus
einem Kühlwasserkreislauf eines mit dem Turbolader verbundenen
Motors. Dadurch kann der Turbolader beispielsweise höher
aufgeladen werden, ohne dass das Turboladergehäuse zu stark
erhitzt wird. Des Weiteren ist eine gemeinsame Kühlungseinrichtung
kostengünstiger in der Herstellung im Gegensatz zu getrennten
Kühlungseinrichtungen, wie sie bei der zuvor genannten
marinen Applikation eingesetzt werden. Dort weisen das Turbinengehäuse
und das Lagergehäuse jeweils eine getrennte Kühlungseinrichtung
auf, wobei das Turbinengehäuse mit Seewasser und das Lagergehäuse
mit Kühlwasser gekühlt wird.
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Weiter
wird erfindungsgemäß ein Turbolader, insbesondere
für ein Kraftfahrzeug, bereitgestellt mit:
- – einem Turbinengehäuse und einem Lagergehäuse,
wobei
das Turbinengehäuse und/oder das Lagergehäuse
eine Kühlungseinrichtung aufweisen und
wobei zusätzlich
wenigstens eine Ölzuführungsleitung in einen Abgaskrümmer,
das Turbinengehäuse und/oder das Lagergehäuse
integriert ist.
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Der
Turbolader hat dabei den Vorteil, dass das Turbinengehäuse
und/oder das Lagergehäuse mit einer Kühlung versehen
ist, so dass das jeweilige Gehäuse besser hohen Temperaturen,
beispielsweise im Volllastbetrieb, standhält. Die Ausbildung
bzw. das Integrieren der Ölzuführung in einen
Abgaskrümmer, das Turbinengehäuse und/oder das
Lagergehäuse hat den Vorteil, dass hierfür keine
separate Leitung vorgesehen werden muss. Des Weiteren treten bei
der integrierten Ölzuführung weniger Vibrationen
auf. Außerdem wird das Schmieröl in der Ölzuführung
schneller erwärmt, beispielsweise durch das Abgas im Abgaskrümmer
bzw. dem Turbinengehäuse, so dass die Lager in der Anfahrphase
besser geschmiert werden können.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist die Kühlungseinrichtung
in einen Abgaskrümmer, das Turbinengehäuse und/oder
das Lagergehäuse integriert. Die integrierte Kühlungseinrichtung
hat dabei den Vorteil, dass keine separaten Leitungen notwendig
sind und daher die Herstellung und Montage kostengünstiger
ist. Des Weiteren treten weniger Vibrationen an der integrierten
Kühlungseinrichtung auf als wie an getrennt von dem Turboladergehäuse
geführten Leitungen.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
besteht die Kühlungseinrichtung aus wenigstens einer oder
mehreren Kühlmittelzuführungsleitungen und/oder
wenigstens einer oder mehreren Kühlmittelabführungsleitungen.
Dies hat den Vorteil, dass sowohl die Kühlmittelzuführung-
wie abführung in das Turboladergehäuse bzw. dessen
Abgaskrümmer integriert werden kann und dadurch auf das
Verlegen von separaten Leitungen verzichtet werden kann.
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In
einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist wahlweise zusätzlich wenigstens eine Ölzuführungsleitung
vorgesehen, die beispielsweise in den Abgaskrümmer, das
Turbinengehäuse und/oder das Lagergehäuse integriert
ist. Dies hat den Vorteil, dass die Ölzuführung
durch die abgasführenden Bauteile zusätzlich erwärmt
werden kann und daher insbesondere in der Anfahrphase eine verbesserte
Schmierung der Lager der Turbowelle ermöglicht wird.
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Gemäß einer
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist die Ölzuführungsleitung beispielsweise in
der Nähe bzw. benachbart zu der Kühlmittelzuführungs
und/oder -abführungsleitung angeordnet. Dies hat den Vorteil,
dass ein zu starkes Erhitzen des Schmieröls, beispielsweise
im Volllastbetrieb, verhindert werden kann, indem das Schmieröl durch
die Kühlleitungen zumindest teilweise mitgekühlt
wird.
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Gemäß einer
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
weist das Turbinengehäuse, der Abgaskrümmer und/oder
das Lagergehäuse Werkstoffe wie beispielsweise Aluminium,
Grauguss, niedrig legierte Stähle usw. auf. Durch die Kühleinrichtung können
auch solche weniger wärmebeständigen Werkstoffe
verwendet werden.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist der Abgaskrümmer mit wenigstens einem oder mehreren
Zylinderköpfen einteilig ausgebildet. Dies hat den Vorteil,
dass Herstellungskosten gesenkt werden können. Alternativ
kann der Abgaskrümmer auch als separates Teil ausgeführt
werden.
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Gemäß einer
anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
sind der Abgaskrümmer, das Turbinengehäuse und/oder
das Lagergehäuse einteilig ausgebildet. Dies hat den Vorteil,
dass beispielsweise keine Abdichtung notwendig ist, wie bei getrennt miteinander
verbundenen Teilen. Alternativ können die Teile aber auch
entsprechend als separate Teile ausgebildet sein.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren
der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher
erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Vorderansicht eines Flansches eines Abgaskrümmers eines
Turboladers gemäß der Erfindung; und
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Motorblocks, wobei Zylinderköpfe
des Motorblocks mit einem integrierten Abgaskrümmer versehen
sind.
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In 1 ist
eine Vorderansicht eines Flansches 10 eines Abgaskrümmers
eines erfindungsgemäßen Turboladers (nicht dargestellt)
gezeigt. Der Abgaskrümmer wird mit seinem Flansch 10 an
einem Turbinengehäuse des Turboladers befestigt. Um den Abgaskrümmer
bzw. dessen das Abgas führenden Kanal 12 ist dabei
ein Kühlmitteleinlass 14 vorgesehen zum Kühlen
eines Turbinengehäuses (nicht dargestellt) und eines Lagergehäuses
(nicht dargestellt) des Turboladers. Des Weiteren ist ein entsprechender
Kühlmittelauslass 16 an dem Abgaskrümmer
vorgesehen, um das Kühlmittel nach dem Kühlen
des Turbinengehäuses und des Lagergehäuses zurückzuführen.
Des Weiteren ist zusätzlich eine Ölzuführung 18 vorgesehen
mit der Schmieröl zum Schmieren beispielsweise der Lager
im Lagergehäuse zugeführt wird.
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Das
Kühlmittel, wie beispielsweise Kühlwasser, zum
Kühlen des Turboladergehäuses wird dabei aus einem
Kühlkreislauf eines mit dem Turbolader verbundenen Motors
entnommen. Der Kühlkreislauf (nicht dargestellt) wird dabei
beispielsweise aus einem Motorblock, einem Thermostat, einem Kühler und
einer Kühlmittelpumpe gebildet. Nach der Kühlung
des Turbinengehäuses und des Lagergehäuses kann
das Kühlmittel dem Kühlkreislauf wieder zugeführt
werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform
eines Kühlkreislaufs beschränkt. Der vorgenannte
Kühlkreislauf ist lediglich beispielhaft, um das Prinzip
der Erfindung zu erläutern.
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Das
Ausbilden einer Kühlmittelzuführung- und abführung 20, 22,
sowie einer Ölzuführung 18 an dem Abgaskrümmer
hat den Vorteil, dass nicht wie im Stand der Technik hierfür
getrennte Leitungen vorgesehen bzw. geführt werden müssen,
sondern stattdessen der Abgaskrümmer mit entsprechenden
Leitungen einfach ausgeformt wird bzw. diese darin integriert werden.
Das Turbinengehäuse und das Lagergehäuse weisen
hierbei wenigstens einen Abschnitt auf, der beispielsweise doppelwandig
ausgeführt ist, um das Kühlmittel hindurchzuleiten
und wenigstens einen Abschnitt, um das Kühlmittel anschließend
in den Kühlkreislauf zurückzuführen.
Der jeweilige Abschnitt ist dabei derart vorgesehen, dass er ausreichend
groß ist, um einen entsprechenden Bereich des Turbinengehäuses
bzw. Lagergehäuses zu umgeben, der gekühlt werden
soll. Grundsätzlich können aber auch mehrere Abschnitte
vorgesehen werden zum Zuführen und/oder Abführen
des Kühlmittels. Hierbei wird der Abgaskrümmer
mit seinen Kühlleitungen und der Ölzuführung
entsprechend ausgebildet, so dass der Abgaskrümmer mit
dem Turbinengehäuse entsprechend verbunden werden kann.
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Die
Kühlung des Turbinengehäuses und des Lagergehäuses
hat den Vorteil, dass beide Gehäuse, sowie der Abgaskrümmer,
auch aus weniger wärmebeständigen Werkstoffen
hergestellt werden können. Beispielsweise kann das jeweilige
Gehäuse Werkstoffe wie Aluminium, niedrig legierte Stähle,
Grauguss usw. aufweisen. Daher kann beispielsweise auf den Einsatz
von Nickel verzichtet werden oder dessen Anteil zumindest reduziert
werden. Dies hat weiter den Vorteil, dass Herstellungskosten gesenkt
werden können.
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Des
Weiteren sorgt die Kühlung des Turbinengehäuses
und des mit dem Turbinengehäuse verbundenen Abgaskrümmers
dafür, dass die abgasführenden Bauteile nicht
zu stark erhitzt werden, insbesondere im Volllast- bzw. volllastnahen
Betrieb. Des Weiteren kann der Turbolader hierdurch auch stärker
aufgeladen werden, da er den entstehenden erheblichen Temperaturbelastungen
besser standhält. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Lager
in dem Lagergehäuse, durch die zusätzliche Kühlung
des Lagergehäuses, nicht so einfach überhitzen
können.
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Die
Anordnung der Ölzuführung 18 an dem Abgaskrümmer
zum Zuführen von Schmiermittel zu den Lagern des Lagergehäuses
hat wiederum den Vorteil, dass das Schmieröl im Abgaskrümmer
durch das heiße Abgas beispielsweise in der Startphase des
Fahrzeugs schneller erwärmt wird und dadurch in dieser
Phase eine verbesserte Schmierung der Lager, beispielsweise der
Turbowelle, bereitgestellt werden kann. Des Weiteren kann die Ölzuführung 18 in
der Nähe oder benachbart zu der Kühlmittelzuführung 20 und/oder
der Kühlmittelabführung 22 an dem Abgaskrümmer
positioniert sein, so dass das Schmieröl beispielsweise
im Volllast- bzw. volllastnahen Betrieb nicht zu stark erhitzt wird.
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Des
Weiteren wird durch den erfindungsgemäßen Turbolader
eine definierte Schnittstelle bereitgestellt, für die Kühlmittelleitungen 20, 22 und
die Ölzuführung 18. Wie aus 1 entnommen
werden kann, wird der Abgaskrümmer mit dem Kühlmittelein- und
auslass 14, 16, sowie der Ölzuführung 18 in Form
beispielsweise des Flansches 10 direkt an dem Turbinengehäuse
befestigt, beispielsweise angeschraubt. Hierzu weist der Flansch 10 entsprechende Öffnungen 28 zum
Hindurchführen von Schrauben auf. Auf der anderen Seite
ist der Abgaskrümmer beispielsweise einteilig mit zugeordneten
Zylinderköpfen eines Motors verbunden, wie noch in 2 näher erläutert
wird. Der Abgaskrümmer kann aber auch als separates Teil
ausgeführt werden, dass mit den Zylinderköpfen
verbunden wird.
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Der
Abgaskrümmer kann beispielsweise mit dem Kühlmittelkreislauf
und der Ölzuführung des Motors verbunden werden.
Dies hat den Vorteil, dass kein separater Kühlkreislauf
eingerichtet werden muss, sondern ein bestehender Kühlkreislauf
genutzt werden kann. Grundsätzlich kann aber auch ein extra Kühlkreislauf
zur Kühlung von Abgaskrümmer und Turboladergehäuse
vorgesehen werden.
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Der Ölabfluss
selbst bleibt hierbei beispielsweise in dem Lagergehäuse
erhalten. Des Weiteren ist, wie zuvor genannt, nicht nur das Turbinengehäuse
mit einer Kühlung bzw. einem Kühlmantel versehen
sondern auch das Lagergehäuse.
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Das
Lagergehäuse kann dabei in dem Turbinengehäuse
integriert ausgebildet werden. Das Turbinengehäuse und
das Lagergehäuse können hierzu im Wesentlichen
einteilig ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass keine Abdichtung
zwischen den Kühlleitungen und der Ölzuführung
notwendig ist, wie dies bei getrennten Gehäusen der Fall
ist.
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Bei
zwei getrennten Gehäusen weist das Lagergehäuse
beispielsweise ebenfalls eine entsprechenden Kühlmittelzuführung
und eine Kühlmittelabführung auf, wobei die Kühlmittelleitungen
des Lagergehäuses an die entsprechenden Kühlmittelleitungen des
Turbinengehäuses anschließen. Der Übergang zwischen
dem Turbinengehäuse und dem Lagergehäuse ist hierbei
vorzugsweise mit einer entsprechenden Abdichtung versehen, so dass
kein Kühlmittel ungewollt austreten kann.
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Entsprechendes
gilt auch für die Ölzuführleitung 18.
Die an dem Abgaskrümmer ausgebildete Ölzuführleitung 18 ist
mit einer entsprechenden Fortsetzung der Ölzuführleitung
in dem Turbinengehäuse bzw. dem Lagergehäuse verbunden,
wobei eine geeignete Dichtungseinrichtung zwischen dem Turbinengehäuse
und dem Lagergehäuse und dem Abgaskrümmer und
dem Turbinengehäuse vorgesehen ist, wenn die Gehäuse
bzw. der Krümmer als getrennte Teile ausgebildet sind.
Das Schmieröl zum Schmieren von Lagern des Lagergehäuses
wird über die im Lagergehäuse vorhandene Ölabfuhr
(nicht dargestellt), beispielsweise in die Ölwanne des
Motors, abgeleitet.
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Die
Erfindung betrifft die Kombination eines Verbrennungsmotors mit
einem in den Zylinderkopf beispielsweise integriertem Abgaskrümmer
und ein wassergekühltes Turbinengehäuse mit integriertem Lagergehäuse
beispielsweise aus Aluminium. Dabei ist ein besonderes Augenmerk
auf eine entsprechende Schnittstelle für die Wasserversorgung
und die Öldruckversorgung des Abgasturboladers gelegt.
So ist erfindungsgemäß die Schnitt stelle zwischen
Motor (Ausgangskanal Abgas) und Abgasturbolader (Eingang Turbinengehäuse)
derart ausgebildet, dass sowohl das Kühlmedium, hier Wasser,
hin- und zurückfließen als auch das Drucköl
zur Öldruckversorgung in den Abgasturbolader fließen
kann. Die Rückführung des Drucköls erfolgt über
eine Leitung vom Lagergehäuse des Abgasturboladers direkt
in die Ölwanne zurück.
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Der
erfinderische Schritt liegt einerseits in der Kombination von Turbinengehäuse
und Lagergehäuse, beispielsweise aus Aluminium, mit einer
integrierten Führung von Kühlmittel und Drucköl.
Zum anderen in der Schnittstelle zwischen Motor und Abgasturbolader,
an der nicht nur das Kühlmittel für den Abgasturbolader
hin- und zurückgeführt wird, sondern auch das
Drucköl hingeführt wird für die Druckölversorgung
von Lagern des Turboladers.
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In 2 ist
eine perspektivische Ansicht eines Motorblocks 23 gezeigt.
Die Zylinderköpfe 24 des Motorblocks 23 sind
dabei beispielsweise mit einem integrierten Abgaskrümmer 26 ausgebildet.
Die Anordnung der Kühlleitungen und der Ölzufuhr
an dem Abgaskrümmer 26 ist hierbei aus Gründen
der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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An
dem Abgaskrümmer 26 können entsprechend
ein Turbinengehäuse und ein Lagergehäuse angeschlossen
werden oder mit diesem integriert ausgebildet sein. Dabei kann beispielsweise
das Turbinengehäuse und das Lagergehäuse über
eine entsprechende Flanschanbindung an dem Abgaskrümmer
befestigt werden, wie in 1 gezeigt ist, oder mit diesem
einteilig ausgebildet sein. Grundsätzlich können
beispielsweise aber auch nur das Turbinengehäuse und der
Abgaskrümmer einteilig ausgebildet sein.
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Des
Weiteren können, wie zuvor beschrieben wurde, das Turbinengehäuse
und das Lagergehäuse beispielsweise einteilig oder als
zwei separate Teile ausgebildet sein. Die integrierten Ausführungen,
wie sie zuvor beschrieben wurden, haben den Vorteil, dass sie einfacher
in der Herstellung sind und außerdem Abdichtungen entfallen,
die sonst zum Verbinden der einzelnen Gehäuse notwendig
sind.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern
auf vielfältige Weise modifizierbar. Die vorgenannten Ausführungsformen
sind miteinander kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmal davon.
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Grundsätzlich
ist es bei den vorgenannten Ausführungsformen möglich,
dass beispielsweise nur das Turbinengehäuse oder das Lagergehäuse gekühlt
wird. Des Weiteren kann das Vorsehen der Ölzuführung
wahlweise zusätzlich oder alternativ zu der Kühlungseinrichtung
an dem Abgaskrümmer, dem Turboladergehäuse bzw.
dem Lagergehäuse vorgesehen werden. In den Ausführungsformen
kann beispielsweise auch eine separate Ölzuführung
vorgesehen werden. Entsprechendes gilt auch für die Kühlmittelabführung.
Diese kann grundsätzlich ebenfalls als separate Leitung
vorgesehen werden, die nicht in den Abgaskrümmer bzw. das
Turbinengehäuse und das Lagergehäuse integriert
ist im Gegensatz zu der Kühlmittelzuführung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10344868 [0005]
- - DE 20311703 [0006]