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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdichterrückwand eines Verdichtergehäuses eines Abgasturboladers, umfassend eine Kühlanordnung, die während des Betriebs des Abgasturboladers von einem Kühlfluid durchströmbar ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung einen Abgasturbolader, umfassend eine Abgasturbine mit einem Turbinenrad, einen Verdichter mit einem Verdichtergehäuse und einem darin untergebrachten Verdichterrad, eine Welle, mittels derer das Turbinenrad und das Verdichterrad drehfest miteinander verbunden sind, wobei das Verdichtergehäuse mittels einer Verdichterrückwand verschlossen ist, die eine zentrale Öffnung aufweist, durch die sich die Welle hindurch erstreckt.
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Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen spielt die Abgasturboaufladung eine sehr wichtige Rolle. Gründe hierfür sind insbesondere die gesteigerten Anforderungen im Hinblick auf eine Verbesserung der Effizienz, eine Verringerung von Emissionen und eine Erhöhung der Leistung von Brennkraftmaschinen. Um den Kraftstoffverbrauch und damit einhergehend die CO2-Emissionen von Brennkraftmaschinen zu verringern, gehen die Entwicklungstendenzen immer mehr in Richtung einer Verkleinerung des Hubraums der Brennkraftmaschinen, welche häufig auch als „Downsizing“ bezeichnet wird. Daraus resultiert eine stärkere Verbreitung von Abgasturboladern, um entsprechend hohe spezifische Leistungen erreichen zu können.
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Ein Abgasturbolader weist in an sich bekannter Weise eine Turbine mit einem Turbinenrad auf, die in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Ferner umfasst der Abgasturbolader einen Verdichter mit einem Verdichterrad, welches in einem Luftansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Das Turbinenrad und das Verdichterrad sind über eine Welle drehfest miteinander verbunden. Der Verdichter weist ein Verdichtergehäuse auf, innerhalb dessen das Verdichterrad untergebracht ist. Rückseitig ist dieses Verdichtergehäuse mittels einer Verdichterrückwand verschlossen, die eine Öffnung aufweist, durch die sich die Welle des Abgasturboladers hindurch erstreckt.
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Während des Betriebs der Brennkraftmaschine werden heiße Abgase der Brennkraftmaschine dem Turbinenrad des Abgasturboladers zugeführt. Ein Teil der in den Abgasen enthaltenen thermischen Energie wird dabei in mechanische Energie umgewandelt, so dass das Turbinenrad in Rotation versetzt wird. Da das Turbinenrad über die Welle drehfest mit dem Verdichterrad verbunden ist, wird das Verdichterrad ebenfalls in Rotation versetzt, so dass Ansaugluft mittels des Verdichterrads verdichtet wird. Auf diese Weise wird dem Verbrennungsprozess innerhalb der Brennkraftmaschine verdichtete Luft zugeführt. Die Ansaugluft wird dabei zentral zugeführt und über das Verdichterrad radial nach außen abgeführt und in einer Spirale des Verdichtergehäuses gesammelt.
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Prinzipbedingt ist es bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, die einen Abgasturbolader aufweisen, nachteilig, dass sich die Ansaugluft durch den Verdichtungsprozess ihrerseits erwärmt. Außerdem erfolgt zusätzlich eine Aufheizung des Verdichters aufgrund der räumlichen Nähe zur Abgasturbine, wodurch die Ansaugluft noch stärker erwärmt wird. Insgesamt führt diese Erwärmung der Ansaugluft zu einer erhöhten Klopfempfindlichkeit der Brennkraftmaschine und damit auch zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch. Üblicherweise wird die Ansaugluft daher mittels eines Ladeluftkühlers gekühlt, um diese negativen thermischen Einflüsse zu verringern.
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Aus der
JP 2009041443 A ist ein Abgasturbolader bekannt, der verdichterseitig eine Kühlanordnung aufweist, die durch eine Strömungspassage zwischen der Verdichterrückwand des Verdichtergehäuses und einem zentralen Gehäuse, welches die Welle umschließt, gebildet ist.
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Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, eine Verdichterrückwand eines Verdichtergehäuses eines Abgasturboladers und einen Abgasturbolader der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die auf einfache Weise eine weiter verbesserte Kühlung der Ansaugluft des Verdichters ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verdichterrückwand der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Abgasturboladers wird diese Aufgabe durch einen gattungsgemäßen Abgasturbolader mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 10 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Eine erfindungsgemäße Verdichterrückwand eines Verdichtergehäuses eines Abgasturboladers zeichnet sich dadurch aus, dass die Kühlanordnung
- - einen ersten Ringkanal und zumindest einen zweiten Ringkanal, die innerhalb der Verdichterrückwand ausgebildet sind, wobei der erste Ringkanal radial weiter außen liegend als der zweite Ringkanal angeordnet ist,
- - eine Mehrzahl von Verbindungskanälen, die sich innerhalb der Verdichterrückwand zwischen den Ringkanälen erstrecken und eine Strömungsverbindung zwischen den beiden Ringkanälen bereitstellen, sowie
- - einen Kühlfluidzulauf, der so angeordnet ist, dass er in einen der beiden Ringkanäle mündet und einen Kühlfluidablauf, der so angeordnet ist, dass er in den anderen der beiden Ringkanäle mündet,
umfasst. Die erfindungsgemäße Verdichterrückwand, mittels derer das Verdichtergehäuse eines Abgasturboladers verschlossen ist, ermöglicht eine wirksame Kühlung der Ansaugluft des Verdichters. Die beiden Ringkanäle sowie die Verbindungskanäle in der Verdichterrückwand weisen vorzugsweise einen vergleichsweise geringen Strömungsquerschnitt auf, so dass das Kühlfluid mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten durch diese hindurchströmen kann, um dadurch einen guten Wärmeeintrag in das Kühlfluid zu realisieren. Ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen Lösung besteht darin, dass die mittels der Kühlanordnung aktiv gekühlte Verdichterrückwand neben der direkten Kühlung der daran vorbeiströmenden Ansaugluft den Verdichter zusätzlich gegenüber der heißen Abgasturbine des Abgasturboladers abschirmt. Dadurch wird in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass die Temperatur des Verdichters weiter reduziert werden kann. Da die erfindungsgemäße Verdichterrückwand mit dem Kühlfluidzulauf und dem Kühlfluidablauf alle Anschlüsse für den Zu- und Ablauf des Kühlfluids aufweist, können bestehende Abgasturbolader sehr einfach durch den Austausch der konventionellen Verdichterrückwand durch die hier beschriebene Verdichterrückwand umgerüstet werden. Dieses ermöglicht in vorteilhafter Weise eine kostengünstige Produktion von Abgasturboladern mit und ohne aktive Kühlung der Verdichterrückwand in bereits vorhandenen Turbolader-Fertigungslinien.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Kühlfluidzulauf so angeordnet ist, dass er in den ersten Ringkanal mündet, und dass der Kühlfluidablauf so angeordnet ist, dass er in den zweiten Ringkanal mündet. Somit erfolgt in dieser Ausführungsform die Durchströmung des Kühlfluids von außen nach innen, damit die niedrigste Kühlfluidtemperatur im Bereich der höchsten Gastemperaturen liegt. Dadurch kann die Kühlwirkung der aktiv gekühlten Verdichterrückwand auf die Ansaugluft des Verdichters des Abgasturboladers noch weiter optimiert werden.
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In einer alternativen Ausführungsform besteht auch die Möglichkeit, dass der Kühlfluidzulauf so angeordnet ist, dass er in den zweiten Ringkanal mündet, und dass der Kühlfluidablauf so angeordnet ist, dass er in den ersten Ringkanal mündet. In dieser Ausführungsform erfolgt die Durchströmung des Kühlfluids somit von innen nach außen.
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Um die Herstellung der Verdichterrückwand zu vereinfachen, besteht in einer vorteilhaften Ausführungsform die Möglichkeit, dass der Kühlfluidzulauf und der Kühlfluidablauf integral mit der Verdichterrückwand ausgebildet sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass sich die Verbindungskanäle in radialer Richtung zwischen den Ringkanälen erstrecken.
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Vorzugsweise können der Kühlfluidzulauf und der Kühlfluidablauf in Umfangsrichtung der Verdichterrückwand um 180° versetzt zueinander angeordnet sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Verbindungskanäle in Umfangsrichtung der Verdichterrückwand regelmäßig verteilt angeordnet sind, so dass jeder der Verbindungskanäle mit seinen beiden benachbarten Verbindungskanälen jeweils den gleichen Winkel einschließt. Zwischen den Ringkanälen sind in dieser Ausführungsform somit sternförmig die vorzugsweise vergleichsweise kurz ausgeführten Verbindungskanäle angeordnet. Dadurch kann eine besonders homogene Kühlung der Verdichterrückwand bewirkt werden.
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In einer alternativen Ausführungsform besteht auch die Möglichkeit, dass die Verbindungskanäle in Umfangsrichtung der Verdichterrückwand unregelmäßig verteilt angeordnet sind, so dass einer oder mehrere der Verbindungskanäle mit zwei dazu benachbarten Verbindungskanälen jeweils ungleiche Winkel einschließen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Strömungsquerschnitte des Kühlfluidzulaufs und des Kühlfluidablaufs größer als die Strömungsquerschnitte der beiden Ringkanäle sind. Dadurch wird es ermöglicht, den Druckverlust gering zu halten und eine gleichmäßige Durchströmung der Kanäle der Kühlanordnung zu gewährleisten. Durch die gleichmäßige Verteilung und Durchströmung der Ringkanäle sowie der Verbindungskanäle der Kühlanordnung ist sichergestellt, dass die Verdichterrückwand eine möglichst homogene und niedrige Temperatur aufweist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Strömungsquerschnitte der beiden Ringkanäle größer als die Verbindungskanäle.
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Ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader zeichnet sich dadurch aus, dass die Verdichterrückwand nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgeführt ist. Dadurch wird während des Betriebs des Abgasturboladers eine wirksame Kühlung der Ansaugluft des Verdichters ermöglicht.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei zeigen:
- 1 eine Verdichterrückwand eines Verdichtergehäuses eines Abgasturboladers, die gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist,
- 2 einen Schnitt durch die Verdichterrückwand entlang der Linie A-A in 1,
- 3 einen Schnitt durch die Verdichterrückwand entlang der Linie B-B in 1.
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Unter Bezugnahme auf 1 bis 3 weist eine Verdichterrückwand 1 für ein Verdichtergehäuse eines Verdichters eines Abgasturboladers eine Kühlanordnung 2 auf, die integral mit der Verdichterrückwand 1 ausgebildet ist und während des Betriebs des Abgasturboladers von einem Kühlfluid, insbesondere Kühlwasser, durchströmbar ist. Dadurch wird erreicht, dass die Verdichterrückwand 1 während des Betriebs des Abgasturboladers wirksam gekühlt werden kann. Die Verdichterrückwand 1 weist eine zentrale Öffnung 8 auf, durch die sich eine Welle hindurch erstreckt, mittels derer ein Verdichterrad und ein Turbinenrad des Abgasturboladers drehfest miteinander verbunden sind.
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Die Kühlanordnung 2 umfasst einen Kühlfluidzulauf 3, durch den das Kühlfluid in die Kühlanordnung 2 einströmen kann, sowie einen Kühlfluidablauf 4, durch den das Kühlfluid aus der Kühlanordnung 2 ausströmen kann. Wie in 1 zu erkennen, sind der Kühlfluidzulauf 3 und der Kühlfluidablauf 4 in diesem Ausführungsbeispiel in Umfangsrichtung der Verdichterrückwand 1 um 180° versetzt zueinander angeordnet. Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass der Kühlfluidzulauf 3 und der Kühlfluidablauf 4 nicht zwingend um 180° versetzt zueinander angeordnet sein müssen, so dass mit anderen Worten also auch andere Versatzwinkel möglich sind.
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Die Kühlanordnung 2 umfasst ferner einen ersten Ringkanal 5 und einen zweiten Ringkanal 6, die koaxial zueinander angeordnet sind und integral mit der Verdichterrückwand 1 ausgebildet sind. Der erste Ringkanal 5 ist dabei in radialer Richtung weiter außen als der zweite Ringkanal 6 angeordnet. Der erste Ringkanal 5 und der zweite Ringkanal 6 stehen über eine Mehrzahl von Verbindungskanälen 7a-7o, die ebenfalls integral mit der Verdichterrückwand 1 ausgebildet sind, miteinander in Strömungsverbindung. Die Verbindungskanäle 7a-7o erstrecken sich in radialer Richtung zwischen den beiden Ringkanälen 5, 6 und sind in Umfangsrichtung der Verdichterrückwand 1 regelmäßig verteilt angeordnet. Das bedeutet, dass jeder der Verbindungskanäle 7a-7o mit seinen beiden benachbarten Verbindungskanälen 7a-7o jeweils den gleichen Winkel einschließt. Dadurch wird eine homogene Kühlung der Verdichterrückwand 1 erreicht. Zwischen den Ringkanälen 5, 6 sind somit sternförmig die vorzugsweise relativ kurz ausgeführten Verbindungskanäle 7a-7o angeordnet. Alternativ ist aber auch eine unregelmäßige Verteilung der Verbindungskanäle 7a-7o in Umfangsrichtung der Verdichterrückwand 1 möglich, so dass einer oder mehrere der Verbindungskanäle 7a-7o mit zwei dazu benachbarten Verbindungskanälen 7a-7o jeweils ungleiche Winkel einschließen.
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Wie in 1 und 2 zu erkennen, ist der Kühlfluidzulauf 3 derart angeordnet, dass er in den ersten (äußeren) Ringkanal 5 mündet und das Kühlfluid somit in den ersten (äußeren) Ringkanal 5 einströmen kann. Aus funktionaler Sicht bildet der erste Ringkanal 5 in diesem Ausführungsbeispiel somit einen Kühlfluidversorgungskanal. Demgegenüber bildet der zweite (innere) Ringkanal 6, der über die Verbindungskanäle 7a-7o mit dem ersten (äußeren) Ringkanal 5 in Fluidverbindung steht, einen Sammelkanal für das Kühlfluid, aus dem das Kühlfluid schließlich durch den Kühlfluidablauf 4 ausströmen kann. Der Zufluss des Kühlfluids erfolgt somit radial am äußeren Durchmesser durch den ersten Ringkanal 5 in der Verdichterrückwand 1, wohingegen der Abfluss radial am inneren Durchmesser durch den zweiten Ringkanal 6 in der Verdichterrückwand 1 erfolgt. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt die Durchströmung mit dem Kühlfluid somit von außen nach innen, damit die niedrigste Kühlfluidtemperatur im Bereich der höchsten Gastemperaturen liegt. Dadurch kann die Kühlwirkung der aktiv gekühlten Verdichterrückwand 1 auf die Ansaugluft des Verdichters des Abgasturboladers noch weiter optimiert werden. Während des Betriebs des Abgasturboladers kann das durch die beiden Ringkanäle 5, 6 und die Verbindungskanäle 7a-7o hindurchströmende Kühlfluid eine wirksame Kühlung der Verdichterrückwand 1 bewirken.
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Die beiden Ringkanäle 5, 6 sowie die Verbindungskanäle 7a-7o in der Verdichterrückwand 1 weisen einen vergleichsweise geringen Strömungsquerschnitt auf, so dass das Kühlfluid mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten durch diese hindurchströmen kann, um dadurch einen besonders guten Wärmeeintrag in das Kühlfluid zu realisieren. Die hier vorgestellte Kühlanordnung 2 ermöglicht dadurch eine sehr einfache und effektive Kühlung der Ansaugluft des Verdichters des Abgasturboladers. Ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen Lösung besteht darin, dass die mittels der Kühlanordnung 2 aktiv gekühlte Verdichterrückwand 1 neben der direkten Kühlung der daran vorbeiströmenden Ansaugluft den Verdichter zusätzlich gegenüber der heißen Abgasturbine des Abgasturboladers abschirmt. Dadurch wird in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass die Temperatur des Verdichters weiter reduziert werden kann.
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Idealerweise sind die Strömungsquerschnitte des Kühlfluidzulaufs 3 und des Kühlfluidablaufs 4 größer als die Strömungsquerschnitte der beiden Ringkanäle 5, 6. Dadurch wird es ermöglicht, den Druckverlust gering zu halten und eine gleichmäßige Durchströmung der Kanäle der Kühlanordnung 2 zu gewährleisten. Durch die gleichmäßige Verteilung und Durchströmung der Ringkanäle 5, 6 sowie der Verbindungskanäle 7a-7o der Kühlanordnung 2 ist sichergestellt, dass die Verdichterrückwand 1 eine möglichst homogene und niedrige Temperatur aufweist.
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In einer vorteilhaften Ausbildung sind die Strömungsquerschnitte der beiden Ringkanäle 5, 6 größer als die Verbindungskanäle 7a-7o.
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Da die Verdichterrückwand 1 mit dem Kühlfluidzulauf 3 und dem Kühlfluidablauf 4 alle Anschlüsse für den Zu- und Ablauf des Kühlfluids aufweist, können bestehende Abgasturbolader sehr einfach durch den Austausch der konventionellen Verdichterrückwand durch die hier beschriebene Verdichterrückwand 1 umgerüstet werden. Dieses ermöglicht eine kostengünstige Produktion von Abgasturboladern mit und ohne aktive Kühlung der Verdichterrückwand 1 in bereits vorhandenen Turbolader-Fertigungslinien.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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