DE102011003905B4

DE102011003905B4 - Abgasturbolader mit gekühltem Turbinengehäuse und gekühltem Lagergehäuse und gemeinsamer Kühlmittelzufuhr

Info

Publication number: DE102011003905B4
Application number: DE102011003905A
Authority: DE
Inventors: Mathias Bogner; Marc Hiller; Ralph-Maurice Kömpel
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2011-02-10
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2012-12-27
Anticipated expiration: 2031-02-11
Also published as: DE102011003905A1; CN103354862A; CN103354862B; US20130323022A1; US9546569B2; WO2012107483A1

Abstract

Abgasturbolader, der ein Turbinengehäuse (1) und ein mit dem Turbinengehäuse verbundenes Lagergehäuse (4) aufweist, wobei – das Turbinengehäuse einen Kühlmitteleingang (5), einen im Inneren des Turbinengehäuses vorgesehenen Kühlmantel (9) und einen Kühlmittelausgang (14) aufweist, – das Lagergehäuse einen Kühlmitteleingang (17), einen im Inneren des Lagergehäuses vorgesehenen Kühlmantel (7) und einen Kühlmittelausgang (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteleingang (17) des Lagergehäuses mit einem Kühlmittelabzweigausgang (19) des Turbinengehäuses mittels eines Schlauches (15) verbunden ist und der Kühlmittelausgang (18) des Lagergehäuses mit einem Kühlmittelrückführungseingang (20) des Turbinengehäuses mittels eines Schlauches (16) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, der ein gekühltes Turbinengehäuse aufweist.
Abgasturbolader dienen dazu, den Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors zu verbessern und damit dessen Leistung zu steigern. Der Abgasturbolader weist hierzu eine Turbine mit einem Turbinenrad und einen Verdichter mit einem Verdichterrad auf, wobei die beiden Laufräder auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Das Turbinenrad wird hierbei über einen Abgasmassenstrom einer angeschlossenen Brennkraftmaschine angetrieben und treibt wiederum das Verdichterrad an. Der Verdichter verdichtet angesaugte Frischluft und führt diese der Brennkraftmaschine zu. Die gemeinsame Welle ist in einem Lagergehäuse des Turboladers gelagert. Des Weiteren ist das Turbinenrad der Turbine in einem Turbinengehäuse angeordnet und das Verdichterrad des Verdichters in einem Verdichtergehäuse.
Ein solcher Abgasturbolader hat im Betrieb an der Brennkraftmaschine bzw. einem angeschlossenen Motor verschiedenste Anforderungen zu erfüllen. Eine dieser Anforderungen besteht darin, die hohen Temperaturen aufzunehmen, die beispielsweise aufgrund des heißen Abgasmassenstroms in dem Turboladergehäuse entstehen können.
Die übliche Konstruktion eines Abgasturboladers sieht dabei einzelne Gehäuse vor, die jeweils aus einem an die dort herrschende Temperatur angepassten Werkstoff bestehen. Dabei ist das Verdichtergehäuse üblicherweise aus Aluminium, während das Lagergehäuse aus Grauguss ist. Das Turbinengehäuse besteht im Allgemeinen aufgrund der hohen Temperaturen, die in diesem Bereich herrschen, aus hochtemperaturbeständigen Nickellegierungen. Aufgrund der angepassten, unterschiedlichen Werkstoffe für die einzelnen Gehäuse sind diese Gehäuse als separate Teile ausgebildet, die miteinander verbunden sind und dabei außerdem gegeneinander abgedichtet sein müssen.
Sowohl das Lagergehäuse als auch das Turbinengehäuse kann wassergekühlt ausgeführt sein, wobei die Kühlkreisläufe von Lagergehäuse und Turbinengehäuse unabhängig voneinander realisiert sind. Folglich ist es notwendig, das Lagergehäuse und das Turbinengehäuse über separate Leitungen mit Kühlwasser zu versorgen. Dabei ist jeweils ein Wasserzulauf und jeweils ein Wasserablauf notwendig.
Aus der nachveröffentlichten DE 10 2009 028 632 A1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher das Turbinengehäuse und das Lagergehäuse zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung jeweils mit mindestens einem Kühlmittelmantel ausgestattet sind, wobei diese Kühlmittelmäntel via Versorgungsleitung mit einer Pumpe verbunden sind. Die Versorgungsleitung gabelt sich stromaufwärts der Turbine in zwei Teilversorgungsleitungen, wobei eine erste Teilversorgungsleitung mit dem Kühlmittelmantel des Turbinengehäuses und eine zweite Teilversorgungsleitung mit dem Kühlmittelmantel des Lagergehäuses verbunden ist. Gemäß dieser Ausführungsform werden das Turbinengehäuse und das Lagergehäuse parallel mit Kühlmittel versorgt. Die Teilversorgungsleitungen werden stromabwärts der Turbine wieder zusammengeführt.
Aus der DE 102 35 189 A1 ist ein Turbinengehäuse für einen Turbolader für Marineanwendungen bekannt. Das Turbinengehäuse ist mit einem Abgaskrümmer einstückig ausgebildet. Eine Kühleinrichtung umgibt die Turbine und den Abgaskrümmer. Bei der Kühleinrichtung handelt es sich um einen durch Doppelwandung gebildeten, mit Kühlmittel beaufschlagbaren Hohlraum. Bei dem Kühlmittel handelt es sich vorzugsweise um Seewasser. Zur Kühlung eines zur Aufnahme eines Turbinenlagers dienenden Lagergehäuse ist ein von der Kühleinrichtung des Turbinengehäuses separater Kühlkreislauf vorgesehen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Abgasturbolader mit verbesserter Kühlung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Abgasturbolader ein Turbinengehäuse und ein mit dem Turbinengehäuse verbundenes Lagergehäuse auf, wobei das Turbinengehäuse einen Kühlmitteleingang, einen im Inneren des Turbinengehäuses vorgesehenen Kühlmantel und einen Kühlmittelausgang aufweist, das Lagergehäuse einen Kühlmitteleingang, einen im Inneren des Lagergehäuses vorgesehenen Kühlmantel und einen Kühlmittelausgang aufweist, der Kühlmitteleingang des Lagergehäuses mit einem Kühlmittelabzweigausgang des Turbinengehäuses mittels eines Schlauches verbunden ist und der Kühlmittelausgang des Lagergehäuses mit einem Kühlmittelrückführungseingang des Turbinengehäuses mittels eines Schlauches verbunden ist.
Die Vorteile eines derartigen Abgasturboladers bestehen darin, dass er weniger Bauteile und weniger Bauraum benötigt als bekannte Abgasturbolader und deshalb kompakter aufgebaut werden kann als bekannte Abgasturbolader. Insbesondere bedarf es nur einer Kühlmittelversorgungsleitung zwischen der Kühlmittelquelle, bei der es sich vorzugsweise um den Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors handelt, und dem Abgasturbolader und auch nur einer Kühlmittelrückführungsleitung zum Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt
1 eine Skizze zur grundsätzlichen Erläuterung des Kühlsystems eines Abgasturboladers gemäß der Erfindung,
2 detailliertere Darstellungen zur Veranschaulichung des Kühlmitteleingangsbereiches des Turbinengehäuses und
3 detailliertere Darstellungen zur Veranschaulichung des Kühlmittelausgangsbereiches des Turbinengehäuses.
Die 1 zeigt eine Skizze zur grundsätzlichen Erläuterung des Kühlsystems eines Abgasturboladers gemäß der Erfindung.
Ein Abgasturbolader gemäß der Erfindung weist ein Turbinengehäuse 1 und ein mit dem Turbinengehäuse verbundenes Lagergehäuse 4 auf. Das Turbinengehäuse 1 hat einen Kühlmitteleingang 5, durch welchen dem Turbinengehäuse im Betrieb des Abgasturboladers Kühlwasser zugeführt wird. Dieses Kühlwasser wird beispielsweise vom Kühlsystem der Brennkraftmaschine bereitgestellt.
Des Weiteren weist das Turbinengehäuse 1 einen Kühlmittelausgang 14 auf, durch welchen im Betrieb des Abgasturboladers Kühlwasser ausgegeben wird. Dieses vom Turbinengehäuse ausgegebene Kühlwasser wird beispielsweise an das Kühlsystem der Brennkraftmaschine zurückgeführt.
Ferner ist im Inneren des Turbinengehäuses 1 ein Kühlmantel 9 vorgesehen, innerhalb dessen im Betrieb des Abgasturboladers Kühlmittel transportiert wird, um Bestandteile des Turbinengehäuses, insbesondere den Wastegateklappensitz und die Turbinenspirale, ausreichend zu kühlen.
Der Kühlmitteleingang 5 ist mit dem Kühlmantel 9 über einen Kühlmitteleingangskanal 5b verbunden. Der Kühlmittelausgang 14 ist mit dem Kühlmantel 9 über einen Kühlmittelausgangskanal 16b verbunden.
Von dem zwischen dem Kühlmitteleingang 5 und dem Kühlmantel 9 vorgesehenen Kühlmitteleingangskanal 5b zweigt ein turbinengehäuseseitiger Kühlmittelabzweigkanal 5a ab. Dieser Kühlmittelabzweigkanal reicht bis zu einem Kühlmittelabzweigausgang 19 des Turbinengehäuses. Zwischen dem Kühlmittelabzweigausgang 19 des Turbinengehäuses und einem Kühlmitteleingang 17 des Lagergehäuses 4 ist ein Verbindungsschlauch 15 vorgesehen.
In den Kühlmittelausgangskanal 16b mündet ein turbinengehäuseseitiger Kühlmittelrückführungskanal 16a, dessen anderer Endabschnitt mit einem Kühlmittelrückführungseingang 20 des Turbinengehäuses verbunden ist. Der Kühlmittelrückführungseingang 20 des Turbinengehäuses ist über einen Verbindungsschlauch 16 mit einem Kühlmittelausgang 18 des Lagergehäuses verbunden.
Der Kühlmitteleingang 17 des Lagergehäuses 4 ist innerhalb des Lagergehäuses über einen lagergehäuseseitigen Kühlmitteleingangskanal 17a mit dem Kühlmantel 7 des Lagergehäuses verbunden. Durch diesen Kühlmantel 7 wird im Betrieb des Abgasturboladers Kühlmittel transportiert, um Bestandteile des Lagergehäuses, insbesondere Lagerelemente und Dichtelemente, ausreichend zu kühlen.
Der Kühlmantel 7 des Lagergehäuses 4 ist über einen lagergehäuseseitigen Kühlmittelausgangskanal 18a mit dem Kühlmittelausgang 18 des Lagergehäuses verbunden.
Im Betrieb des Abgasturboladers wird folglich über den Kühlmitteleingang 5 des Turbinengehäuses 1 Kühlmittel empfangen. Dieses Kühlmittel wird innerhalb des Turbinengehäuses aufgeteilt in einen ersten Kühlmittelstrom, der zur Kühlung von Bauteilen des Turbinengehäuses verwendet wird, und einen zweiten Kühlmittelstrom. Dieser zweite Kühlmittelstrom wird über den turbinengehäuseseitigen Kühlmittelabzweigkanal 5a und das Verbindungskabel 15 dem Kühlmitteleingang 17 des Lagergehäuses 4 zugeführt, tritt dort in den lagergehäuseseitigen Kühlmitteleingangskanal 17a ein, wird durch diesen zum Kühlmantel 7 des Lagergehäuses geführt und dort zur Kühlung von Bauteilen des Lagergehäuses verwendet. Der den Kühlmantel 7 des Lagergehäuses verlassende zweite Kühlmittelstrom wird über den lagergehäuseseitigen Kühlmittelausgangskanal 18a an den Kühlmittelausgang 18 des Lagergehäuses weitergeleitet und wird von dort aus über ein Verbindungskabel 16 zum Kühlmittelrückführungseingang 20 des Turbinengehäuses zurückgeführt. Dort tritt das zurückgeführte Kühlmittel in den turbinengehäuseseitigen Kühlmittelrückführungskanal 16a ein. Schließlich werden innerhalb des Turbinengehäuses im Bereich des Kühlmittelausgangskanals 16b der den Kühlmantel 9 des Turbinengehäuses verlassende erste Kühlmittelstrom und der durch den Kühlmittelrückführungskanal 16a vom Lagergehäuse rückgeführte zweite Kühlmittelstrom wieder zusammengeführt. Der zusammengeführte Kühlmittelstrom wird durch den Kühlmittelausgang 14 des Turbinengehäuses ausgegeben und an das Kühlsystem der Brennkraftmaschine zurückgeführt.
Die Kühlmittelzu- und -abfuhr des Lagergehäuses erfolgt bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel nach alledem nicht über Leitungen des Lagergehäuses, die direkt mit dem Kühlsystem des Verbrennungsmotors verbunden sind, sondern über das Turbinengehäuse. Das Turbinengehäuse ist zu diesem Zweck mit dem Lagergehäuse über Verbindungsschläuche verbunden. Innerhalb des Turbinengehäuses wird Kühlmittel für das Lagergehäuse abgezweigt. Innerhalb des Turbinengehäuses wird das vom Lagergehäuse rückgeführte Kühlmittel wieder mit dem vom Kühlmantel des Turbinengehäuses ausgegebenen Kühlmittel zusammengeführt.
Vorzugsweise erfolgt die genannte Abzweigung des Kühlmittels direkt vor dem Kühlmantel 9 des Turbinengehäuses und das genannte Zusammenführen des Kühlmittels unmittelbar hinter dem Kühlmantel.
Ein Vorteil der vorstehend beschriebenen Ausbildung des Kühlsystems eines Abgasturboladers besteht darin, dass die Querschnitte der Zu- und Rückläufe des Kühlmittels als definierte Drosselquerschnitte ausgelegt werden können, wie nachfolgend noch anhand der 2 und 3 erläutert wird. Diese Auslegung erfolgt in vorteilhafter Weise derart, dass ein Auftreten von Staueffekten des Kühlmittels im Turbinengehäuse vermieden wird und dass die Druckverhältnisse des Kühlmittels derart eingestellt werden, dass ein definierter Kühlmittelvolumenstrom abgezweigt wird.
Im Falle einer Positionierung des Kühlmittelabzweigs innerhalb des Bereiches des Kühlmantels 9 des Turbinengehäuses, insbesondere im Bereich des Kühlmantels des Turbinenrades, würde durch die sich ändernden Strömungsverhältnisse eine undefinierte Kühlmittelabzweigströmung zum Lagergehäuse entstehen.
Die 2 zeigt detailliertere Darstellungen zur Veranschaulichung des Kühlmitteleingangsbereiches des Turbinengehäuses.
In diesem Zusammenhang ist in der 2a zunächst eine Seitenansicht eines Abgasturboladers gezeigt. Dieser weist ein Turbinengehäuse 1 und ein Lagergehäuse 4 auf. Der Kühlmitteleingangsbereich des Turbinengehäuses befindet sich im unteren Teil des Turbinengehäuses und ist dort als Einzelheit Z bezeichnet. Zu dieser Einzelheit Z gehören unter anderem ein Teilbereich des Turbinengehäuses 1, der Kühlmitteleingang 5 des Turbinengehäuses, der Kühlmitteleingangskanal 5b des Turbinengehäuses, der Kühlmittelabzweigkanal 5a des Turbinengehäuses, ein Drosselquerschnitt 5c1, der im Kühlmitteleingangskanal 5a im Bereich zwischen der Abzweigung des Kühlmittelabzweigkanals und dem Kühlmantel des Turbinengehäuses angeordnet ist, und der Kühlmittelabzweigausgang 19 des Turbinengehäuses.
Der Kühlmittelausgangsbereich des Turbinengehäuses befindet sich im oberen Teil des Turbinengehäuses und enthält unter anderem einen Teilbereich des Turbinengehäuses 1, den Kühlmittelausgangskanal 16b des Turbinengehäuses und den Kühlmittelausgang 14 des Turbinengehäuses.
Des Weiteren ist aus der 2a ersichtlich, dass der Kühlmittelabzweigausgang 19 des Turbinengehäuses über einen Verbindungsschlauch 15 mit dem Kühlmitteleingang 17 des Lagergehäuses 4 verbunden ist. Über diesen Verbindungsschlauch 15 wird im Betrieb des Abgasturboladers im Turbinengehäuse abgezweigtes Kühlmittel dem Lagergehäuse zugeführt.
Ferner geht aus der 2a hervor, dass der Kühlmittelausgang 18 des Lagergehäuses 4 über einen Verbindungsschlauch 16 mit einem Kühlmittelrückführungseingang 20 des Turbinengehäuses verbunden ist. Über diesen Verbindungsschlauch 16 wird im Betrieb des Abgasturboladers Kühlmittel, das im Lagergehäuse verwendet wurde, zum Turbinengehäuse zurückgeführt.
In der 2b ist die in der 2a gezeigte Einzelheit Z vergrößert dargestellt. Aus dieser 2b sind insbesondere die Drosselquerschnitte 5c1 und 5c2 veranschaulicht. Der Drosselquerschnitt 5c2 befindet sich im Kühlmittelabzweigkanal 5a. Der Drosselquerschnitt 5c1 ist im Kühlmitteleingangskanal 5b im Bereich zwischen der Abzweigung des Kühlmittelabzweigkanals 5a und dem Kühlmantel 9 des Turbinengehäuses vorgesehen. Diese Drosselquerschnitte sind derart eingestellt, dass die Druckverhältnisse des zuströmenden Kühlmittels das Hervorrufens eines Staueffektes verhindern und dass ein definierter Kühlmittelvolumenstrom abgezweigt wird.
Die 3 zeigt detailliertere Darstellungen zur Veranschaulichung des Kühlmittelausgangsbereiches des Turbinengehäuses.
In diesem Zusammenhang ist in der 3a zunächst eine Seitenansicht eines Abgasturboladers gezeigt. Dieser weist ein Turbinengehäuse 1 und ein Lagergehäuse 4 auf. Der Kühlmitteleingangsbereich des Turbinengehäuses befindet sich im unteren Teil des Turbinengehäuses. Zu diesem Kühlmitteleingangsbereich gehören unter anderem ein Teilbereich des Turbinengehäuses 1, der Kühlmitteleingang 5 des Turbinengehäuses, der Kühlmitteleingangskanal 5b des Turbinengehäuses, der Kühlmittelabzweigkanal 5a des Turbinengehäuses, ein Drosselquerschnitt 5c1, der im Kühlmitteleingangskanal 5a im Bereich zwischen der Abzweigung des Kühlmittelabzweigkanals und dem Kühlmantel des Turbinengehäuses angeordnet ist, und der Kühlmittelabzweigausgang 19 des Turbinengehäuses.
Der Kühlmittelausgangsbereich des Turbinengehäuses befindet sich im oberen Teil des Turbinengehäuses und ist dort als Einzelheit Z bezeichnet. Zu dieser Einzelheit Z gehören unter anderem ein Teilbereich des Turbinengehäuses 1, der Kühlmittelausgangskanal 16b des Turbinengehäuses, der Kühlmittelrückführungseingang 20 des Turbinengehäuses, der Kühlmittelrückführungskanal 16a des Turbinengehäuses und der Kühlmittelausgang 14 des Turbinengehäuses.
Des Weiteren ist aus der 3a ersichtlich, dass der Kühlmittelabzweigausgang 19 des Turbinengehäuses über einen Verbindungsschlauch 15 mit dem Kühlmitteleingang 17 des Lagergehäuses 4 verbunden ist. Über diesen Verbindungsschlauch 15 wird im Betrieb des Abgasturboladers im Turbinengehäuse abgezweigtes Kühlmittel dem Lagergehäuse zugeführt.
Ferner geht aus der 3a hervor, dass der Kühlmittelausgang 18 des Lagergehäuses 4 über einen Verbindungsschlauch 16 mit einem Kühlmittelrückführungseingang 20 des Turbinengehäuses verbunden ist. Über diesen Verbindungsschlauch 16 wird im Betrieb des Abgasturboladers Kühlmittel, das im Lagergehäuse verwendet wurde, zum Turbinengehäuse zurückgeführt.
In der 3b ist die in der 3a gezeigte Einzelheit Z vergrößert dargestellt. Aus dieser 3b sind insbesondere die Drosselquerschnitte 16c1 und 16c2 veranschaulicht. Der Drosselquerschnitt 16c1 befindet sich im Kühlmittelrückführungskanal 16a des Turbinengehäuses. Der Drosselquerschnitt 16c2 ist im Kühlmittelausgangskanal 16b im Bereich zwischen dem Kühlmantel 9 und der Einmündung des Kühlmittelrückführungskanals 16a vorgesehen. Diese Drosselquerschnitte sind derart eingestellt, dass die Druckverhältnisse des rückströmenden Kühlmittels das Hervorrufens eines Staueffektes verhindern.

Claims

Abgasturbolader, der ein Turbinengehäuse (1) und ein mit dem Turbinengehäuse verbundenes Lagergehäuse (4) aufweist, wobei – das Turbinengehäuse einen Kühlmitteleingang (5), einen im Inneren des Turbinengehäuses vorgesehenen Kühlmantel (9) und einen Kühlmittelausgang (14) aufweist, – das Lagergehäuse einen Kühlmitteleingang (17), einen im Inneren des Lagergehäuses vorgesehenen Kühlmantel (7) und einen Kühlmittelausgang (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteleingang (17) des Lagergehäuses mit einem Kühlmittelabzweigausgang (19) des Turbinengehäuses mittels eines Schlauches (15) verbunden ist und der Kühlmittelausgang (18) des Lagergehäuses mit einem Kühlmittelrückführungseingang (20) des Turbinengehäuses mittels eines Schlauches (16) verbunden ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – innerhalb des Turbinengehäuses (1) zwischen dem Kühlmitteleingang (5) und dem Kühlmantel (9) ein Kühlmitteleingangskanal (5b) vorgesehen ist und – vom Kühlmitteleingangskanal (5b) ein Kühlmittelabzweigkanal (5a) abzweigt, der mit dem Kühlmittelabzweigausgang (19) des Turbinengehäuses verbunden ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlmittelabzweigkanal (5a) ein Drosselquerschnitt (5c2) vorgesehen ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlmitteleingangskanal (5b) im Bereich zwischen der Abzweigung des Kühlmittelabzweigkanals und dem Kühlmantel (9) des Turbinengehäuses ein weiterer Drosselquerschnitt (5c1) vorgesehen ist.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – innerhalb des Turbinengehäuses (1) zwischen dem Kühlmantel (9) und dem Kühlmittelausgang (14) ein Kühlmittelausgangskanal (16b) vorgesehen ist und – ein Kühlmittelrückführungskanal (16a) vorgesehen ist, der in den Kühlmittelausgangskanal (16b) mündet und dessen anderer Endbereich mit dem Kühlmittelrückführungseingang (20) verbunden ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlmittelrückführungskanal (16a) ein Drosselquerschnitt (16c1) vorgesehen ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlmittelausgangskanal (16b) des Turbinengehäuses zwischen dem Kühlmantel (9) und der Einmündung des Kühlmittelrückführungskanals (16a) ein weiterer Drosselquerschnitt (16c2) vorgesehen ist.