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Die Erfindung betrifft eine Anordnung eines Abgasturboladers mit einer vom Kompressor zur Turbine des Abgasturboladers führenden Kühlmittelleitung, sowie ein Fahrzeug mit der Anordnung und ein Verfahren zum Kühlen eines Abgasturboladers mittels der Anordnung.
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Abgasturbolader sind vorgesehen, die Effizienz von Verbrennungsmotoren zu steigern. Dabei wird ein Teil der Energie des Abgases einer Brennkraftmaschine zum Antreiben eines Turbinenrades genutzt, das über eine Welle einen Verdichter für die Ansaugluft der Brennkraftmaschine antreibt. Typischerweise besteht ein Abgasturbolader aus drei Hauptbestandteilen mit jeweils separaten Gehäusen, nämlich der Turbine, dem Kompressor (Verdichter), und einem Wellenlagergehäuse, in dem sich eine die Turbine und den Kompressor drehfest verbindende Welle befindet. Dazu kommen Steuerelemente wie z.B. Ladedruckregelklappen (waste gates). Auch können variable Geometrien der Schaufeln von Turbine und Kompressor vorgesehen sein.
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Zum Gewährleisten der Funktion eines Abgasturboladers ist eine effiziente Kühlung notwendig. Es besteht die Aufgabe, ein Kühlsystem für einen Abgasturbolader bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß Anspruch 9 und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen. Die besagten Ausführungsformen und Gegenstände der Ansprüche sind dabei in vorteilhafter Weise miteinander kombinierbar.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung eines Abgasturboladers umfassend eine im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine angeordnete Turbine, einen im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordneten Kompressor und eine die Turbine und den Kompressor drehfest verbindende Welle mit einem Wellenlager, in der Turbine, Lager der Welle und Kompressor jeweils ein Gehäuse aufweisen. Die Anordnung umfasst mindestens eine erste Kühlmittelleitung zum Kühlen des Abgasturboladers, durch die das Kompressorgehäuse, das Wellenlagergehäuse und das Turbinengehäuse in Fließrichtung des Kühlmittels hintereinander angeströmt werden können und die im Bereich des Kompressorgehäuses eine erste fluide Verbindung zu einem Kühlmittelkreislauf und im Bereich des Turbinengehäuses eine zweite fluide Verbindung zu dem Kühlmittelkreislauf aufweist.
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In den Gehäusen kann die Kühlmittelleitung komplexe Formen aufweisen, um ein Kühlen des Kompressors, des Wellenlagers und der Turbine bereitzustellen. Zwischen den Gehäusen verläuft die Kühlmittelleitung mindestens in Form einer Leitung oder eines Kanals zum Leiten des Kühlmittels. Als Kühlmittel wird beispielsweise Wasser, Öl oder ein Wasser-Öl-Gemisch verwendet.
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Vorzugsweise ist die erste fluide Verbindung der Anordnung ein Kühlmitteleinlass und die zweite fluide Verbindung ein Kühlmittelauslass.
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Vorzugsweise verläuft die Kühlmittelleitung im Kompressorgehäuse um sämtliche Bereiche des Kompressors. Die Anordnung ermöglicht ein Kühlen des gesamten Kompressorgehäuses, um vorteilhaft möglichst kühle komprimierte Luft zur Brennkraftmaschine zu liefern.
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Besonders bevorzugt verläuft bei der Anordnung im Turbinengehäuse die Kühlmittelleitung im Bereich des Einlasskanals und des Spiralgehäuses der Turbine stromaufwärts des Turbinenrades. Dadurch wird vorteilhaft ein Kühlen des Einlassbereiches der Turbine bis zum Turbinenrad bewirkt, die durch die Nähe zur Brennkraftmaschine höheren Abgastemperaturen ausgesetzt sind als die weiter stromabwärts liegenden Teile der Turbine. Dadurch wird das Material der Turbine, besonders des Turbinenrades, vor Beschädigung durch hohe Temperaturen geschützt. Dabei kann die Brennkraftmaschine bei relativ hohen Abgastemperaturen vorzugsweise durchgängig mit einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben werden (λ = 1), ohne die Abgastemperaturen von vornherein zu limitieren. Dies ist besonders vorteilhaft für zukünftige strenge Abgasregelungen, für deren Einhalten ein λ = 1 für das Motorkennfeld vorausgesetzt wird. Weiterhin verringert das nur im stromaufwärtigen Bereich der Turbine angeordneten Bereich den Wärmeeintrag in die Kühlflüssigkeit, die an einem entsprechenden Wärmetauscher abgeführt werden muss. Weiterhin kann durch ein ausreichendes, aber teilweises Kühlen der Turbine auch stromabwärts der Turbine ausreichend heißes Abgas bereitgestellt werden. Die erfindungsgemäße teilweise Kühlung der Turbine ist für jede Turbinenart geeignet, d.h. mit oder ohne variable Turbinengeometrie sowie mit oder ohne Ladedruckregelklappen.
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Weiterhin weist das Material der Turbine vorzugsweise mindestens in einem Teil der Turbine eine nickelhaltige Stahllegierung auf. Dadurch wird vorteilhaft ein hitzebeständiges Material bereitgestellt. Die Turbine kann auf diese Weise teilweise gekühlt werden, ohne dass die Turbine zerstört wird. Das Turbinengehäuse umfasst dabei ebenfalls vorzugsweise eine nickelhaltige Stahllegierung. Das Material des Kompressorgehäuses umfasst besonders Aluminium, und das Material des Wellenlagergehäuses besonders Gusseisen.
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Vorzugsweise ist bei der Anordnung im Bereich des Wellenlagergehäuses im eine von der ersten Kühlmittelleitung separate Ölleitung angeordnet. Die Ölleitung ist zum Bereitstellen von Öl für das Wellenlager vorgesehen. Das Öl dient in erster Linie zum Schmieren des Wellenlagers, hat aber auch eine Kühlfunktion. Mittels der ersten Kühlmittelleitung kann durch ein Kühlen des Wellenlagergehäuses einem Kochen des Öls im Wellenlagergehäuse entgegengewirkt werden.
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Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform der Anordnung, bei der sich die Kühlmittelleitung stromabwärts des Kompressorgehäuses in eine erste, durch das Wellenlagergehäuse führende erste Kühlmittelteilleitung und in eine zweite, direkt zum Turbinengehäuse führende zweite Kühlmittelteilleitung verzweigt, und die besagten Kühlmittelteilleitungen stromabwärts des Wellenlagergehäuses wieder zusammenlaufen. In mindestens einer der Kühlmittelteilleitungen ist dabei ein Ventil zum Steuern der Kühlflüssigkeit angeordnet. Mittels dieser Ausführungsform kann bedarfsweise vorteilhaft die Menge an Kühlflüssigkeit gesteuert werden, die das Wellenlagergehäuse oder das Turbinengehäuse erreicht. Beispielsweise kann vorteilhaft ein größerer Teil an Kühlflüssigkeit direkt zum Turbinengehäuse geleitet werden, ohne Wärme vom Wellenlagergehäuse aufzunehmen, um dadurch dem Turbinengehäuse eine besonders effiziente Kühlung bereitzustellen.
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Vorzugsweise ist in der Anordnung die erste Kühlmittelleitung fluide mit einem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden. Dabei kann die erste Kühlmittelleitung sowohl mit einem Hoch- als auch einem Niedrigtemperatur-Kühlmittelkreislauf verbunden sein. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Verbindung mit dem Niedrigtemperatur-Kühlmittelkreislauf, um z.B. ein besonders effizientes Kühlen von komprimierter Luft im Kompressor zu ermöglichen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann vorteilhaft mit einer Ausführungsform der Brennkraftmaschine kombiniert werden, bei der jeder Zylinder der Brennkraftmaschine einen Zylinderkopf aufweist, und im Falle von mindestens zwei Auslassöffnungen in dem Zylinder die entsprechenden Abgasleitungen unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Anordnung. Die Vorteile des Kraftfahrzeugs entsprechen den Vorteilen der erfindungsgemäßen Anordnung.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren, das mittels der erfindungsgemäßen Anordnung bzw. mittels des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs durchgeführt wird.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
- 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
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In 1 ist eine Anordnung 1 gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Die Anordnung umfasst einen Abgasturbolader 2, der die Hauptbestandteile Turbine 3, Kompressor 4 und Wellenlager 5 umfasst. Die besagten Hauptbestandteile sind jeweils von einem Gehäuse umgeben. Die jeweiligen Bezugszeichen schließen die Bezeichnung der Gehäuse mit ein. Das Gehäuse des Kompressors 4 weist besonders Aluminium auf, das Gehäuse des Wellenlagers 5 Gusseisen und das Gehäuse der Turbine 3 eine nickelhaltige Stahllegierung.
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Die Turbine 3 kann gemäß 1 in die Abschnitte Einlasskanal 31, Spiralgehäuse 32 und Auslasskanal 33 gegliedert werden. In dem Spiralgehäuse 32 ist ein nicht gezeigtes Turbinenrad angeordnet. Das Turbinenrad ist über eine im Wellenlager 5 verlaufende nicht gezeigte Welle drehfest mit einem im Kompressor 4 angeordneten nicht gezeigten Kompressorrad verbunden.
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Der Einlasskanal 31 ist fluid über einen Abgaskrümmer 6 mit einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine verbunden. Das Turbinenrad wird durch den von der Brennkraftmaschine durch Verbrennen von Kraftstoff erzeugten Abgasstrom angetrieben. Die Drehung des Turbinenrades wird durch die Welle auf das Kompressorrad übertragen. Das Abgas strömt über den Auslasskanal 33 weiter in einen Abgastrakt 7. Im Abgastrakt 7 ist eine katalytisch wirksame Einrichtung 8 zur Abgasreinigung angeordnet, dessen Funktion von der Abgastemperatur abhängig ist. Als katalytisch wirksame Einrichtungen können z.B. ein Drei-Wege-Katalysator, ein Oxidationskatalysator, ein Stickoxidspeicherkatalysator, ein Partikelfilter mit katalytisch wirksamer Beschichtung und/oder ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion angeordnet werden. Zum Regulieren des Ladedrucks ist eine Ladedruckregelklappe 9 (waste gate) zwischen Einlasskanal 31 und Auslasskanal 33 angeordnet.
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Der Kompressor 4 ist in einem Ansaugtrakt 10 angeordnet. Dabei wird Luft in den Kompressor 4 gesaugt und komprimiert in einen Ansaugkrümmer 11 geleitet, über den der Kompressor 4 fluid mit der Brennkraftmaschine verbunden ist.
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Zum Kühlen der Hauptbestandteile des Abgasturboladers 2 ist eine erste Kühlmittelleitung 12 vorgesehen. Die Kühlmittelleitung 12 weist einen Einlass 13 auf, der im Bereich des Kompressors 4 angeordnet ist. Die Kühlmittelleitung 12 weist einen Auslass 14 auf, der im Bereich der Turbine 3 angeordnet ist. Über Einlass 13 und Auslass 14 ist die Kühlmittelleitung 12 mit einem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden. Die Kühlmittelleitung 12 versorgt dabei die Gehäuse von Kompressor 4, Wellenlager 5 und Turbine 3 mit Kühlmittel. Kompressor 4, Wellenlager 5 und Turbine 3 sind dabei in Bezug auf die Strömung des Kühlmittels nacheinander angeordnet. Zwischen den Gehäusen verläuft die Kühlmittelleitung 12 z.B. in Form von Schläuchen oder in den Hauptbestandteilen des Abgasturboladers 2 bereitgestellte interne Kanäle.
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Als Kühlflüssigkeit ist besonders Wasser vorgesehen. Alternativ kann auch ein Wasser-Öl-Gemisch oder Öl verwendet werden.
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Die Gehäuse des Kompressors 4 und des Wellenlagers 5 werden möglichst vollständig von Kühlflüssigkeit durchflossen. Das Gehäuse der Turbine 5 wird teilweise im Bereich des Spiralgehäuses 32 und im Bereich des Einlasskanals 33 von Kühlmittel durchflossen, so dass ein Kühlmittelfluss hier im Wesentlichen für den Bereich stromaufwärts des Turbinenrades bereitgestellt wird.
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Im Bereich des Wellenlagers 5 ist eine zweite Kühlmittelleitung 15 angeordnet. Die zweite Kühlmittelleitung ist zum Bereitstellen von Öl für eine Ölkühlung des Wellenlagers 5 vorgesehen.
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Im Unterschied zu 1 weist die in 2 dargestellte Ausführungsform der Anordnung 1 keine Ladedruckregelklappe 9 auf. Damit wird veranschaulicht, dass mit der Anordnung 1 eine Kühlung der Turbine unabhängig von der Turbinengeometrie bereitgestellt werden kann, d.h. mit anderen Worten für verschiedene Turbinengeometrien.
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In einer weiteren Ausführungsform der Anordnung 1 gemäß der Darstellung von 3 verzweigt sich die Kühlmittelleitung 12 stromabwärts des Gehäuses des Kompressors 4 an einem Verzweigungspunkt 16 in eine erste, durch das Gehäuse des Wellenlagers 5 führende erste Kühlmittelteilleitung 121 und in eine zweite, direkt zum Gehäuse der Turbine 3 führende zweite Kühlmittelteilleitung 122. Stromabwärts des Gehäuses des Wellenlagers laufen die Kühlmittelteilleitungen 121, 122 an einem Mündungspunkt 17 wieder zusammen.
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In der Kühlmittelteilleitung 121 ist ein Ventil 18 zum Steuern des Kühlflüssigkeitsstroms angeordnet. Das Ventil 18 ist dabei ein Steuerventil mit regelbarem Öffnungsgrad. Das Ventil 18 kann beispielsweise vollständig geöffnet werden; in diesem Fall strömt die gleiche Menge Kühlflüssigkeit durch die Kühlmittelteilleitung 121 und die Kühlmittelteilleitung 122. Wird das Ventil 18 graduell geschlossen, verringert sich der Anteil des Kühlmittelstroms, der durch die Kühlmittelteilleitung 121 fließt und erhöht sich der Anteil des Kühlmittelstroms, der durch die Kühlmittelteilleitung 122 fließt. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Ventil in der Kühlmittelteilleitung 122 angeordnet sein, das analog zu dem Ventil 18 ausgebildet ist, durch verschiedene Öffnungsgrade den Strom der Kühlflüssigkeit zu steuern.
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Zum Steuern des Ventils 18 ist eine Steuerungseinrichtung 19 vorgesehen. Die Steuerungseinrichtung 19 ist mit Temperatursensoren 20 verbunden, die im Bereich der Turbine 3 und des Wellenlagers 5 angeordnet sind. In einem Verfahren zum Steuern des Kühlmittelstroms wird einer starken Erwärmung der Turbine entsprechend der von den Temperatursensoren 20 erfassten Signale von der Steuerungseinrichtung 19 berechnet, wieviel Kühlflüssigkeit unter Umgehung des Wellenlagers 5 direkt zur Turbine 3 strömen soll. Die Steuerungseinrichtung 19 sendet einen entsprechenden Steuerungsbefehl an das Ventil 18, an dem mittels entsprechender Aktuatoren ein dem Befehl entsprechender Öffnungsgrad eingestellt wird. Beispielsweise können 15% des Kühlmittelstroms durch die Kühlmittelteilleitung 121 über das Gehäuse des Wellenlagers fließen und 85% durch die Kühlmittelteilleitung 122 direkt zum Gehäuse der Turbine, wenn eine starke Kühlung der Turbine erforderlich ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anordnung
- 2
- Abgasturbolader
- 3
- Turbine
- 31
- Einlasskanal
- 32
- Spiralgehäuse
- 33
- Auslasskanal
- 4
- Kompressor
- 5
- Wellenlager
- 6
- Abgaskrümmer
- 7
- Abgastrakt
- 8
- katalytisch wirksame Einrichtung
- 9
- Ladedruckregelklappe
- 10
- Ansaugtrakt
- 11
- Ansaugkrümmer
- 12
- Kühlflüssigkeitsleitung
- 121
- Kühlflüssigkeitsteilleitung
- 122
- Kühlflüssigkeitsteilleitung
- 13
- Einlass der Kühlmittelleitung
- 14
- Auslass der Kühlmittelleitung
- 15
- zweite Kühlmittelleitung
- 16
- Verzweigungspunkt
- 17
- Mündungspunkt
- 18
- Ventil
- 19
- Steuerungseinrichtung
- 20
- Temperatursensor
