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Die Erfindung betrifft einen Turbolader mit einem Radial-Axial-Laufrad, insbesondere einem Radial-Axial-Turbinenlaufrad.
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Turbolader weisen im Allgemeinen eine Turbine auf, die in einem Abgasstrom angeordnet ist und über eine Welle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt verbunden ist. Auf der Welle sind dabei normalerweise ein Turbinenrad und ein Verdichterrad angeordnet. Das Turbinenrad der Turbine wird durch den Abgasstrom eines angeschlossenen Motors angetrieben und treibt hierbei wiederum das Verdichterrad des Verdichters an. Hierdurch erhöht der Verdichter den Druck im Ansaugtrakt des Motors, so dass während des Ansaugtaktes eine größere Menge Luft in den Zylinder gelangt. Dies hat zur Folge, dass mehr Sauerstoff zur Verfügung steht und eine entsprechend größere Kraftstoffmenge verbrannt werden kann.
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Bei Turbinen für einen Turbolader unterscheidet man im Allgemeinen zwischen Axialturbinen und Radialturbinen. Bei Axialturbinen wird hierbei das Turbinenrad ausschließlich axial durchströmt. Bei Radialturbinen erfolgt wiederum die Anströmung zentripetal, d. h. in radialer Richtung von außen nach innen und das Ausströmen in axialer Richtung.
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Darüber hinaus kann auch eine Radial-Axial Turbine vorgesehen werden mit einem Radial-Axial Turbinenrad. Hierbei strömt das Abgas schräg hinein und axial wieder heraus.
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Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Turbolader mit einem Radial-Axial Laufrad, insbesondere Radial-Axial-Turbinenlaufrad, bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß wird erfindungsgemäß ein Turbolader bereitgestellt, welcher ein Radial-Axial-Laufrad aufweist, welches in einem Laufradgehäuse des Turboladers angeordnet ist und wobei das Laufradgehäuse ein Leitelement zum Leiten der Strömung in dem Laufradgehäuse aufweist, welches einen Teil einer geneigten oder schräg ausgebildeten Spirale des Laufradgehäuses bildet.
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Der Turbolader hat dabei den Vorteil, dass die Spirale selbst nicht geneigt ausgebildet werden muss, sondern das separate Leitelement als Teil der Spirale als Strömungsführungselement eine geneigte Zuströmung des Abgases in der Spirale ermöglicht. Das Leitelement ermöglicht des Weiteren eine kompaktere Bauweise in axialer Richtung, da der axiale Bauraum um einmal die Wandstärke des Laufradgehäuses kleiner ausgeführt werden kann, wie im Nachfolgenden noch näher erläutert wird.
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Des Weiteren wird die Aufgabe durch einen Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst.
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Dabei wird ein Turbolader bereitgestellt, welcher ein Radial-Axial-Laufrad aufweist, welches in einem Laufradgehäuse des Turboladers angeordnet ist und wobei in dem Laufradgehäuse ein Zungenelement ausgebildet ist, das den gleichen oder einen nahezu gleichen Winkel zu der Radeintrittskante des Radial-Axial-Laufrads aufweist.
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Der Turbolader hat dabei den Vorteil, dass durch die parallele oder nahezu parallele Anordnung von Zungenwinkel und Radeintrittskante des Radial-Axial-Laufrads der Wirkungsgrad erhöht werden kann
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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 erfindungsgemäßen
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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 Perspektivansicht eines Turbinengehäuses und seines Turbinenrads gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine Teilschnittansicht durch einen Turbolader, welcher eine Radial-Axial-Turbine aufweist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
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3 eine Schnittansicht durch einen Turbolader, welcher eine Radial-Axial-Turbine aufweist, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
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Um das Massenträgheitsmoment eines Turboladerläufers zu verringern kann ein im Durchmesser kleineres Turbinenrad verwendet werden. Bei der Verwendung eines kleineren Turbinenrads nimmt jedoch der Massendurchsatz ebenfalls ab. Somit weist der Durchmesser des Turbinenrads normalerweise ein Mindestmaß auf, um noch genügend Antriebsleistung für den Verdichter zu erzeugen. Dies bedeutet, dass das Massenträgheitsmoment ebenfalls kleiner werden kann, wodurch sich wiederum das Hochlaufverhalten des Turboladers verbessert.
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Es ist bekannt, das Radialrad der Turbine durch ein Radial-Axial Turbinenrad (Mix-Flow) zu ersetzen. Durch dieses Radial-Axial Turbinenrad strömt das Abgas nicht mehr radial hinein und axial hinaus bzw. wird um 90° umgelenkt, sondern das Abgas strömt schräg hinein und axial wieder heraus. Der Neigungswinkel von der senkrechten/radialen Zuströmrichtung ist dabei deutlich größer als 0° bzw. >>0°. Das Radial-Axial Turbinenrad kann bei kleineren Raddurchmessern mehr Massenstrom durchsetzen als das Radialrad. Somit kann in der Radial-Axial Turbine tendenziell ein kleineres Rad mit einem geringeren Massenträgheitsmoment als in der Radialturbine verwendet werden. Das Massenträgheitsmoment des Radial-Axial-Turbinenrads ist durch die schräge Eintrittskante und den kleineren Radrücken zusätzlich kleiner.
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Das Problem beim Abgasturbolader, insbesondere bei kleinen Baugrößen, ist, dass man einen flachen Einströmwinkel in das Rad, durch Neigen der Spirale in Richtung des Lagergehäuses, konstruktiv nur dann realisieren kann, wenn man entweder auf den Wasserkern verzichtet oder das Laufzeug, d. h. die Stützwelle und den Überhang der Turbine, verlängert. Die Neigung der Spirale wird jedoch durch die Abgastemperatur begrenzt. Die Verlängerung des Laufzeugs wird wiederum durch die Rotordynamik bzw. das Package stark begrenzt.
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Wie in 1 gezeigt ist, kann eine Kombination aus einem Turbinengehäuse 10 mit einer fast radialen Zuströmung, wobei ein nur ganz kleiner Neigungswinkel gegeben ist, und einem Radial-Axial Turbinenrad 12 eingesetzt werden. Die Zunge oder das Zungenelement 14 der Spirale 16 sitzt bei dieser Radial-Axial Turbine sehr weit von der Eintrittskante 18 des Turbinenrads 12 entfernt. Der Abstand des Zungenelements 14 hat jedoch maßgeblichen Einfluss auf den thermodynamischen Wirkungsgrad.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform, ist das Zungenelement 14 beidseitig am Turbinengehäuse 10 angebunden. Das Zungenelement 14 weist dabei keinerlei Neigung auf und es weist außerdem keinerlei Parallelität zu der Eintrittskante 18 des Turbinenrads 12 auf. Die Strömungsführung des Abgasstroms erfolgt durch einen Steg des Turbinengehäuses 10 der Turbine in 1.
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In 2 ist nun eine Teilschnittansicht durch eine Radial-Axial-Turbine eines Turboladers 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
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Die Axial-Radial-Turbine weist dabei ein Turbinengehäuse 10 auf, in welchem ein Axial-Radial-Turbinenrad 12 angeordnet ist. Das Turbinenrad 12 ist dabei auf einer Welle vorgesehen, welche in einem Lagergehäuse 20 des Turboladers 1 gelagert ist. Das Turbinengehäuse 10 weist eine Spirale 16 oder einen Spiralabschnitt mit einem Zungenelement 14 auf, über den ein Abgasstrom einer angeschlossenen Brennkraftmaschine schräg hinein strömt und anschließend axial wieder heraus.
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Das Zungenelement (nicht dargestellt) der Turbinenspirale 16 ist dabei gemäß der Erfindung nicht beidseitig sondern nur einseitig an das Turbinengehäuse 10 angebunden oder an diesem befestigt, beispielsweise einstückig oder als separates Teil. Des Weiteren wird gemäß der Erfindung die Strömungsführung des Abgasstroms in der Spirale 16 nicht nur durch die Stege 22 im Turbinengehäuse 10, sondern lagergehäuseseitig durch wenigstens ein Leitelement 24, hier beispielsweise ein Hitzeschild, realisiert. Das Leitelement, z. B. hier Hitzeschild, ist so ausgebildet, dass es einen Bereich oder hier eine Rückwand 26 des Spiralgehäuses 16 bzw. der Spirale des Turbinengehäuses 10 bildet. Das Leitelement 24 weist dabei wenigstens einen Abschnitt 28 mit einer vorbestimmten Schräge oder mit einer vorbestimmten Neigung auf, um den Abgasstrom schräg bzw. mit einem vorbestimmten Neigungswinkel α in Richtung Turbinenrad 12 zu leiten. Der Neigungswinkel α erstreckt sich dabei ausgehend von einer radialen bzw. senkrechten Zuströmrichtung einer Radial-Turbine zu der Lagergehäuseseite, wie in 2 eingezeichnet ist, um den Abgasstrom mit einer vorbestimmten Neigung in das Turbinengehäuse 10 einströmen zu lassen, wobei der Abgasstrom anschließend über das Radial-Axial-Turbinenrad 12 axial aus dem Turbinengehäuse 10 wieder ausströmt. Mit anderen Worten die Zuströmrichtung der Radial-Axial-Turbine ist im Vergleich zu der radialen bzw. senkrechten Zuströmrichtung einer Radial-Turbine um den Neigungswinkel α geneigt, vorzugsweise in Richtung der Lagergehäuseseite des Turboladers 1 geneigt, wie in 2 dargestellt ist.
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Des Weiteren wird das Zungenelement, wie im nachfolgenden anhand von 3 näher beschrieben wird, vorzugsweise sehr nah oder möglichst nah an die Eintrittskante 18 des Turbinenrades 12 gezogen. Mit anderen Worten, es wird ein möglichst kleiner Abstand zwischen dem Zungenelement und der Eintrittskante des Turbinenrads 12 vorgesehen, wie in nachfolgender 3 dargestellt ist. Zusätzlich wird das Zungenelement vorzugsweise schräg gestellt, wobei das Zungenelement dabei bevorzugt den gleichen Winkel wie die Radeintrittskante 18 des Turbinenrads 12 aufweist, wie in nachfolgender 3 angedeutet ist, oder nahezu bzw. im Wesentlichen den gleichen Winkel wie die Radeintrittskante 18 des Turbinenrads 12 aufweist.
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Die Spirale 16 oder der Spiralabschnitt des Turbinengehäuses 10 ist, wie zuvor beschrieben, vorzugsweise in Richtung des Lagergehäuses 20 geneigt. Hierzu ist das Leitelement 24, z. B. das Hitzeschild, mit einer entsprechenden vorbestimmten Schräge bzw. unter dem Neigungswinkel α geneigt ausgebildet, um eine Neigung der Spirale 16 hier in Richtung des Lagergehäuses 20 bereitzustellen. Wie in 2 gezeigt ist, kann das Leitelement 24 so ausgebildet sein, dass es die Rückwand 26 der Spirale 16 des Turbinengehäuses 10 bildet, wobei die Rückwand 26 zumindest in einem Abschnitt 28 mit der Schräge oder Neigung mit dem Neigungswinkel α ausgebildet ist. Des Weiteren ist die Rückwand 26 derart ausgebildet, dass die Spirale 16 und die Rückwand 26, welche durch das Leitelement 24 gebildet wird, vorzugsweise möglichst übergangslos ineinander übergehen, um eine möglichst optimale Strömungsführung zu erzielen und Strömungsverlusten z. B. in Folge von scharfen Übergängen entgegen zu wirken. Mit anderen Worten, die Rückwand 26 der Spirale 16, welche durch das Leitelement 24 gebildet wird, passt sich der Kontur der Spirale 16 an und weist des Weiteren wenigstens einen geneigten oder schrägen Abschnitt 28 auf, wobei dieser Abschnitt 28 vorzugsweise in Richtung des Lagergehäuses 20 mit dem Neigungswinkel α geneigt ausgebildet ist. Der Abschnitt 28 kann dabei, wie in 2 gezeigt ist, in Form einer Geraden ausgebildet sein, die um den Winkel α von einer Senkrechten zu dem Lagergehäuse 20 geneigt ist oder auch gewölbt oder gerundet ausgebildet sein, wie in nachfolgender 3 angedeutet ist.
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In 3 ist eine Schnittansicht durch die Turbine eines Turboladers 1 gemäß der Erfindung gezeigt. Dabei ist die Strömungsrichtung, d. h. die Zuströmrichtung und die Abströmrichtung in 3 jeweils mit einem Pfeil schematisch und stark vereinfacht eingezeichnet.
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Die Turbine weist ebenfalls ein Turbinengehäuse 10 mit einer Spirale 16 oder einem Spiralabschnitt auf, sowie ein Radial-Axial-Turbinenrad 12. Das Radial-Axial-Turbinenrad 12 ist dabei auf einer Welle 30 angeordnet, die in einem Lagergehäuses 20 gelagert ist. Des Weiteren ist ein Leitelement 24 vorgesehen, beispielsweise ein Hitzeschild, welches so ausgebildet ist, dass es eine Rückwand 26 oder einen Teil der Rückwand der Spirale 16 bildet, wobei der Teil der Rückwand oder die Rückwand vorzugsweise unter einem vorbestimmten Neigungswinkel α in Richtung des Lagergehäuses 20 geneigt ist. Der Abschnitt des Leitelements 24, welcher als Rückwand 26 oder Teil der Rückwand der Spirale 16 bzw. des Turbinengehäuses 10 gebildet ist, bildet dabei mit der Spirale 16 bzw. dem Turbinengehäuse 10 vorzugsweise einen im Wesentlichen nahtlosen Übergang. Wie zuvor bereits mit Bezug auf 2 beschrieben wurde, ist das Leitelement 24 so ausgebildet, dass es möglichst ohne Übergang oder stufenlos in die Turbinengehäusewand 10 übergeht, so dass die Strömungsführung nicht oder so wenig wie möglich beeinträchtigt wird.
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Des Weiteren ist das Leitelement 24 so ausgebildet, dass der Rückwandabschnitt 26 vorzugsweise in das Turbinenrad 12 übergeht, wie in 2 und 3 mit einer gestrichelten Linie angedeutet ist, wobei bevorzugt keine Stufe bzw. Absatz oder im Wesentlichen keine Stufe bzw. Absatz zwischen dem Rückwandabschnitt 26 und dem Turbinenrad 12 vorgesehen ist. Grundsätzlich kann aber eine solche Stufe oder Absatz sowohl beim Übergang des Rückwandabschnitts 26 des Leitelements 24 in das Turbinengehäuse 10 und/oder beim Übergang des Rückwandabschnitt 26 in das Turbinenrad 12 vorhanden sein. Es ist aber zu bevorzugen eine solche Stufe bzw. Absatz möglichst klein zu halten.
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Der Rückwandabschnitt 26 des Leitelements 24 kann einmal als eine gerade Fläche ausgebildet sein, welche um den Neigungswinkel α vorzugsweise in Richtung des Lagergehäuses 20 geneigt ausgebildet ist, wie in 2 gezeigt ist. Der Rückwandabschnitt 26 des Leitelements 24 kann aber ebenso beispielsweise bogenförmige oder gerundet ausgebildet sein bzw. wenigstens einen bogenförmigen oder gerundeten Abschnitt 28 aufweisen, wie in 3 gezeigt ist. Der bogenförmige oder gerundete Abschnitt 28 kann dabei in einem Neigungswinkel α geneigt ausgebildet sein, wie in 3 angedeutet ist, vorzugsweise in Richtung des Lagergehäuses 20.
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Ebenso kann der Rückwandabschnitt 26 des Leitelements 24 wenigstens eine bogenförmigen oder gerundeten Abschnitt 28 und einen geraden Abschnitt 28 aufweisen, wobei der Rückwandabschnitt 26 zumindest in einem dieser Abschnitte geneigt ausgebildet ist, vorzugsweise um den Neigungswinkel α zu Lagergehäuseseite geneigt ausgebildet sein.
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Das Leitelement 24, welches die Rückwand 26 oder eine Teil der Rückwand der Spirale 16 bildet, und zuvor anhand der Ausführungsformen in den 2 und 3 beschrieben wurde, kann beispielsweise als Blechteil ausgebildet sein und wahlweise zusätzliche weitere Funktionen übernehmen, wie beispielsweise die eines Hitzschildes. Dabei kann das Blechteil so geformt oder gebogen sein, dass es wie in 2 und 3 gezeigt ist, zwischen das Lagergehäuse 20 und das Turbinengehäuse 10 an einem oder beiden Enden befestigt, z. B. eingeklemmt werden kann. Dabei kann das Leitelement 24 auch mit wenigstens einem Ende 32, wie in 2 und 3 gezeigt ist, an einem Absatz 34, beispielsweise einem umlaufenden, rotationssymmetrischen Absatz, des Turboladergehäuses 10 aufgeschoben oder aufgesteckt werden. Ebenso kann das Leitelement 24 an dem Turboladergehäuse 10 alternativ oder zusätzlich beispielsweise mittels Verschrauben und/oder Verstiften befestigt werden. Ebenso kann das Leitelement 24 statt aus Blech aus jedem anderen für das Turbinengehäuse 10 geeigneten Material oder Materialkombination hergestellt sein.
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Wie zuvor bereits mit Bezug auf 2 beschrieben, weist das Turbinengehäuse ein Zungenelement 14 auf, das vorzugsweise sehr nah oder möglichst nah an die Eintrittskante 18 des Turbinenrades 12 gezogen ist. Das heißt, es wird ein möglichst kleiner Abstand a zwischen dem Zungenelement 14 und der Eintrittskante 18 des Turbinenrads 12 vorgesehen. Außerdem wird das Zungenelement 14 bevorzugt schräg gestellt, wobei das Zungenelement 14 dabei vorzugsweise den gleichen Winkel wie die Radeintrittskante 18 des Turbinenrads 12 aufweist, d. h. parallel zu diesem ist, wie in nachfolgender 3 angedeutet ist, oder nahezu bzw. im Wesentlichen den gleichen Winkel wie die Radeintrittskante 18 des Turbinenrads 12 aufweist.
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Durch die Verwendung des Leitelements 24, beispielsweise in Form eines Hitzeschildes, als strömungsführendes Teil kann der axiale Bauraum um einmal (bzw. 1 ×) die Wandstärke des Turbinegehäuses 10, beispielsweise ca. 4 mm, kleiner ausgeführt werden. Der Turbolader 1 kann axial sehr kompakt bauen und hat somit deutliche Package- bzw. Bauraumvorteile. Durch den geringen oder möglichst kleinen Abstand von dem Zungenelement 14 zu der Eintrittskante 18 des Turbinenrads 10 und der vorzugsweise parallelen oder im Wesentlichen parallelen Anordnung von Zungenwinkel und Radeintrittskante ist der Wirkungsgrad höher. Die Neigung der Spirale 16 des Turbinengehäuses 10 ermöglicht außerdem eine kontinuierliche Einströmung in das Turbinenrad 12.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
