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Die Erfindung betrifft eine Turbine für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Das Wärmemanagement bei modernen Kraftwagen gewinnt immer mehr an Bedeutung, da es bei immer effizienteren Verbrennungskraftmaschinen zu steigenden Verbrennungstemperaturen kommt. Hierbei ist insbesondere die Kühlung von abgasführenden Komponenten wichtig, um temperaturbedingte Schädigungen zu vermeiden. Gleichzeitig spielt jedoch auch das sogenannte Packaging insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum eines Kraftwagens eine wichtige Rolle, um die für den effizienten Antrieb des Kraftwagens erforderlichen Komponenten im Motorraum unterbringen zu können.
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Die
DE 10 2009 028 632 A1 offenbart eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und mindestens einer flüssigkeitsgekühlten Turbine eines Abgasturboladers. Es ist eine Pumpe vorgesehen, mittels welcher die Turbine mit einem flüssigen Kühlmittel versorgbar ist. Das Turbinengehäuse dient zum Aufnehmen eines Turbinenrads, wobei eine Kühleinrichtung mit wenigstens einem, von einem Kühlmedium durchströmbaren Leitungselement zum zumindest bereichsweisen Kühlen des Turbinengehäuses vorgesehen ist. Solche Turbinen weisen zur Realisierung einer effektiven Kühlung einen sehr hohen Bauraumbedarf auf.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbine für einen Abgasturbolader der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein nur sehr geringer Bauraumbedarf sowie eine sehr gute Kühlung der Turbine realisierbar sind.
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Diese Aufgabe wird durch eine Turbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Turbine für einen Abgasturbolader, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, bei welcher sich eine sehr gute Kühlung sowie ein nur sehr geringer Bauraumbedarf der Turbine realisieren lassen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich das Leitungselement zumindest in einem Teilbereich des Turbinengehäuses im Wesentlichen mäanderförmig erstreckt. Hierdurch ist in dem Teilbereich eine sehr große Kühlleistung darstellbar, so dass besonders viel Wärme von dem Turbinengehäuse infolge eines Wärmeübergangs von dem Turbinengehäuse an das Leitungselement und weiter an das das Leitungselement durchströmende und vorzugsweise flüssige Kühlmedium darstellbar ist. Gleichzeitig kann infolge der mäanderförmigen Ausgestaltung des Leitungselements der Bauraumbedarf der Kühleinrichtung und somit der Turbine insgesamt gering gehalten werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Turbinengehäuse partiell und zumindest mittelbar mit dem sich mäanderförmig erstreckenden Leitungselement versehen. Hierdurch ist eine gezielte und effektive Kühlung des Turbinengehäuses in wenigstens einem Teilbereich realisierbar, wobei in anderweitigen Teilbereichen, welche keine aktive Kühlung erfordern, keine Kühleinrichtung vorgesehen ist. Mit dieser Bauweise kann das Turbinengehäuse gezielt gekühlt werden. Ferner ist ein in sich geschlossenes Kühlsystem darstellbar, welches nur sehr gering Kühlmediumsmengen umfasst. Hierdurch kann beispielsweise auch eine Fördereinrichtung, beispielsweise eine Pumpe, zum Fördern des Kühlmediums hinsichtlich seiner Leistungsaufnahme und seiner äußeren Abmessungen besonders gering ausgestaltet werden, was zu einem geringen Bauraumbedarf führt. Bei dem Kühlmedium kann es sich um Wasser oder Öl handeln, wodurch eine sehr hohe Kühlleistung geschaffen werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht eines Turbinengehäuses einer Turbine für einen Abgasturbolader, wobei ein Leitungselement einer Kühleinrichtung vorgesehen ist, welches sich zumindest in einem Teilbereich des Turbinengehäuses im Wesentlichen mäanderförmig erstreckt;
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2 ausschnittsweise eine schematische Draufsicht des Leitungselements gemäß 1; und
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3 ausschnittsweise eine schematische Draufsicht des Leitungselements gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein Turbinengehäuse 10 für eine Turbine eines Abgasturboladers. Die Turbine ist beispielsweise als Radialturbine ausgebildet, wobei durch das Turbinengehäuse 10 ein Aufnahmeraum für ein Turbinenrad der Turbine begrenzt ist. Das Turbinenrad ist in dem Aufnahmeraum um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse 10 drehbar aufgenommen. Das Turbinengehäuse 10 weist auch wenigstens einen in 1 nicht dargestellten Zuführkanal auf, welcher von Abgas einer dem Abgasturbolader zugeordneten Verbrennungskraftmaschine durchströmbar ist. Mittels des Zuführkanals wird das Abgas dem Aufnahmeraum und somit dem Turbinenrad zugeführt. Das Abgas kann in der Folge das Turbinenrad anströmen und dadurch antreiben. Der Zuführkanal erstreckt sich beispielsweise in Umfangsrichtung des Turbinenrads über dessen Umfang zumindest im Wesentlichen spiralförmig und ist entsprechend als Spiralkanal ausgebildet.
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Bei dem Zuführkanal und dem Aufnahmeraum handelt es sich um sogenannte abgasführende Räume des Turbinengehäuses 10, welche von Abgas durchströmbar sind. Infolge dieser Durchströmung wird das Turbinengehäuse 10 stark erwärmt.
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Aus 1 ist eine Wandung 12 des Turbinengehäuses 10 erkennbar, durch welche zumindest einer der von Abgas durchströmbaren Räume des Turbinengehäuses 10 zumindest teilweise begrenzt ist. Infolge eines Wärmeübergangs von dem heißen Abgas an die Wandung 12 wird die Wandung 12 sehr stark erwärmt. Das Turbinengehäuse 10 weist auch andere Wandungen bzw. andere Teilbereiche auf, welche nicht oder gegenüber der Wandung 12 weit weniger stark erwärmt werden und demzufolge keine Kühlung erfordern. In diesen anderen Teilbereichen ist eine Kühleinrichtung nicht vorgesehen.
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Um nun die Gefahr von thermisch bedingten Beschädigungen wie beispielsweise Risse durch zyklische thermische Belastungen (thermo-mechanische Ermüdung) des Turbinengehäuses 10 insbesondere im Teilbereich der Wandung 12 besonders gering zu halten, umfasst die Turbine eine im Ganzen mit 14 bezeichnete Kühleinrichtung mit wenigstens einem, von einem flüssigen Kühlmedium durchströmbaren Leitungselement 16 zum Kühlen des Turbinengehäuses 10 in dem entsprechenden Teilbereich. Das Turbinengehäuse 10 ist dabei mittelbar und lediglich partiell mit dem Leitungselement 16 versehen, so dass das Turbinengehäuse 10 lediglich lokal, nämlich im Teilbereich der Wandung 12 und nicht etwa vollständig mittels des das Leitungselement 16 durchströmenden Kühlmediums gekühlt wird. Dies hält das Gewicht und den Bauraumbedarf der Turbine besonders gering.
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2 zeigt eine ausschnittsweise Draufsicht des Leitungselements 16. Wie aus 2 erkennbar ist, erstreckt sich das Leitungselement 16 in dem Teilbereich des Turbinengehäuses 10, d. h. im Bereich der Wandung 12 im Wesentlichen mäanderförmig und weist eine Mehrzahl von mäanderförmig verlaufende Schleifen 18 auf. Da 1 das Turbinengehäuse 10 in einer Schnittansicht zeigt, sind in 1 die Schleifen 18 zu erkennen, wobei die Schleifen 18 fluidisch miteinander verbunden und entsprechend von dem Kühlmedium durchströmbar sind. Durch die mäanderförmige Ausgestaltung des Leitungselements 16 ist eine besonders hohe Kühlleistung darstellbar, so dass das Turbinengehäuse 10 gezielt gekühlt wird. Die Kühleinrichtung 14 kann auch eine Mehrzahl an Leitungselementen 16 umfassen.
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Das Leitungselement 16 ist vorliegend separat vom Turbinengehäuse 10 ausgebildet und unter Vermittlung einer Wärmeübertragungsschicht 20 am Turbinengehäuse 10 abgestützt bzw. befestigt.
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Wie aus 1 erkennbar ist, ist das Leitungselement 16 auf einer dem Raum, der durch die Wandung 12 zumindest bereichsweise begrenzt ist, abgewandten Seite 22 der Wandung 12 außerhalb der Wandung 12 angeordnet. Dies bedeutet, dass das Leitungselement 16 nicht in die Wandung 12 integriert, sondern von der Wandung 12 separat hergestellt und mit dieser verbunden ist. Dadurch ist eine einfache Montage sowie eine einfache Anbindung des Leitungselements 16 an einen Kühlkreislauf realisierbar. Der Kühlkreislauf kann aufgrund des einfachen Aufbaus zeitlich vor der Montage auf Dichtheit geprüft werden. Dies ist im Gegensatz zu einer Schalenbauweise, bei welcher ein Leitungselement zum Kühlen des entsprechenden Turbinengehäuses in montiertem Zustand auf Dichtheit geprüft werden muss, wesentlich einfacher durchführbar. Darüber hinaus können bei etwaig auftretenden Undichtigkeiten Nacharbeitskosten und Verausschussungskosten bei der Turbine gemäß 1 gering gehalten oder vermieden werden. Ferner kann bei einer etwaigen Beschädigung, insbesondere bei einem Durchriss des Turbinengehäuses 10, die Funktionalität des Abgasturboladers erhalten bleiben, da das das Leitungselement 16 durchströmende Kühlmedium nicht in das Turbinengehäuse 10 und somit beispielsweise in eine Volute, ein sogenanntes Wastegate und/oder dergleichen strömen kann.
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Die Wärmeübertragungsschicht 20 weist eine sehr gute Wärmeleitung auf, so dass ein besonders vorteilhafter Wärmeübergang vom Turbinengehäuse 10 über die Wärmeübertragungsschicht 20 und das Leitungselement 16 auf das Kühlmedium erfolgen kann. Dabei ist die Wärmeübertragungsschicht 20 beispielsweise als wärmeleitende Metallformplatte oder Isolationsmatte ausgebildet. Die Wärmeübertragungsschicht 20 kann separat vom Turbinengehäuse 10 ausgebildet und mit diesem verbunden sein. Hierbei ist die Wärmeübertragungsschicht 20 beispielsweise als Schale, insbesondere als Halbschale, ausgebildet und mit dem Turbinengehäuse 10 verbunden. Alternativ dazu kann die Wärmeübertragungsschicht als Beschichtung ausgebildet sein, mit der das Turbinengehäuse 10 versehen ist.
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Alternativ dazu kann das Leitungselement 16 auch direkt auf eine Außenseite 24 der Wandung 12 aufgebracht sein und demzufolge die Außenseite 24 direkt kontaktieren.
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Auf einer dem von der Wandung 12 zumindest teilweise begrenzten Raum abgewandten Seite 26 ist das Leitungselement 16 von einer Wärmeisolationsschicht 28 überdeckt. Die Wärmeisolationsschicht 28 kann aus einer wärmeisolierenden Masse bestehen und entsprechend auf die Wärmeübertragungsschicht 20 aufgebracht sein. Alternativ dazu ist die Wärmeisolationsschicht 28 als eigenes Bauteil ausgebildet und mit der Wärmeübertragungsschicht 20 verbunden.
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Mittels der Wärmeisolationsschicht 28 kann das Turbinengehäuse 10 abgeschirmt werden, so dass eine Wärmeabstrahlung vom Turbinengehäuse 10 gering gehalten werden kann. In der Folge kann auch ein übermäßiger Wärmeeintrag in an das Turbinengehäuse 10 angrenzende Bauteile der Verbrennungskraftmaschine vermieden werden. Gleichzeitig ist mittels der Kühleinrichtung 14 eine sehr gute Kühlung des Turbinengehäuses 10 darstellbar.
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Durch die Abschirmung kann insbesondere ein Wärmeeintrag in tragende Komponenten von Abgasbauteilen gering gehalten werden. Hierdurch kann ein frühzeitiger Ausfall der Abgasbauteile vermieden werden. Auch ein frühzeitiger Ausfall der Turbine selbst kann durch die Kühlung vermieden werden. Die effektive und effiziente Kühlung der Turbine ermöglicht es auch, einfache und kostengünstige Werkstoffe für das Turbinengehäuse 10 zu verwenden.
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Durch das gezielte Kühlen des Turbinengehäuses 10 in temperaturkritischen Teilbereichen, während temperaturunkritische Teilbereiche nicht gekühlt werden, kann auch der Kühlmediumsbedarf gering gehalten werden. Ferner können Aufbauwandstärken der Turbine infolge der sehr guten Wärmeübertragung einerseits sowie der sehr guten Wärmeisolation andererseits gering gehalten werden, so dass ein geringer Bauraumbedarf der Turbine darstellbar ist.
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Wie aus 1 ferner zu erkennen ist, ist auf einer dem von dem Abgas durchströmbaren Raum abgewandten Seite 30 der Wärmeisolationsschicht 28 eine Außenschale 32 vorliegend aus Blech vorgesehen. Durch diese Außenschale 32 sind die Wärmeübertragungsschicht 20, die Wärmeisolationsschicht 28 und das Leitungselement 16 geschützt. Das Turbinengehäuse 10 ist somit doppelwandig mit der Wandung 12 und der Außenschale 32 ausgebildet, welche das Leitungselement 16, die Wärmeübertragungsschicht 20 und die Wärmeisolationsschicht 28 einschließen. Dabei ist die Außenschale 32 separat von der Wandung 12 bzw. vom eigentlichen Turbinengehäuse 10 ausgebildet und mit dieser bzw. diesem verbunden.
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Das Turbinengehäuse 10 mit der Wandung 12 ist beispielsweise als Gussbauteil ausgebildet, so dass komplexe Geometrien sowie gering Wandstärken des Turbinengehäuses 10 auf kostengünstige Weise hergestellt werden können.
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3 zeigt das Leitungselement 16 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Wie aus 3 erkennbar ist, weist das Leitungselement 16 in einem ersten Teilbereich 34 erste mäanderförmig verlaufende Schleifen 18 und in einem zweiten Teilbereich 36 zweite mäanderförmig verlaufende Schleifen 18' auf. Dabei sind die mäanderförmig verlaufenden Schleifen 18, 18' fluidisch miteinander verbunden und demzufolge von dem Kühlmedium durchströmbar. Die ersten mäanderförmig verlaufenden Schleifen 18 sind näher aneinander angeordnet als die zweiten mäanderförmig verlaufenden Schleifen 18'. Mit anderen Worten sind die zweiten mäanderförmig verlaufenden Schleifen 18' paarweise weiter voneinander beabstandet als die ersten mäanderförmig verlaufenden Schleifen 18. Dies bedeutet, dass im ersten Teilbereich 34 eine höhere Dichte an mäanderförmig verlaufenden Schleifen 18 vorgesehen ist als im zweiten Teilbereich 36. Hierdurch ist eine gezielte, partielle und somit äußerst bedarfsgerechte Kühlung des Turbinengehäuses 10 geschaffen, wobei im ersten Teilbereich 34 eine stärkere Kühlung als im zweiten Teilbereich 36 erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Turbinengehäuse
- 12
- Wandung
- 14
- Kühleinrichtung
- 16
- Leitungselement
- 18, 18'
- mäanderförmig verlaufende Schleifen
- 20
- Wärmeübertragungsschicht
- 22
- Seite
- 24
- Außenseite
- 26
- Seite
- 28
- Wärmeisolationsschicht
- 30
- Seite
- 32
- Außenschale
- 34
- erster Teilbereich
- 36
- zweiter Teilbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009028632 A1 [0003]
