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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einer Turbinenstufe mit variabler Turbinengeometrie (VTG), die einen Leitschaufelapparat aufweist.
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Ein solcher Leitschaufelapparat dient zur Ladedruckregelung. Hierbei wird der gesamte Abgasmassenstrom über die Turbine geleitet. Dabei wird durch Variation des effektiven Turbineneintrittsquerschnittes das Aufstauverhalten entsprechend dem gewünschten Ladedruckniveau eingestellt. Hier haben sich verstellbare Leitschaufeln wegen ihres großen Regelbereiches bei gleichzeitig guten Wirkungsgraden durchgesetzt. Die verstellbaren Leitschaufeln sind konzentrisch um das Turbinenlaufrad bzw. die Turbinendrehachse im Einlass-Ringkanal des Turbinengehäuses angeordnet. Dabei sind die Leitschaufeln in der Regel zwischen einem ebenfalls konzentrisch um die Turbinendrehachse umlaufenden Schaufellagerring und einem dazu parallel in axialem Abstand angeordneten Deckring, die den Einlass-Ringkanal zwischen sich bilden, angeordnet, wobei sie jeweils schwenkbar um ihre Schaufel-Querachse im Schaufellagerring aufgenommen sind. Durch eine Schwenkbewegung lässt sich eine einfache Verstellung des Schaufelwinkels und somit des Turbineneintrittsquerschnitts und des Anströmwinkels des Turbinenlaufrades vornehmen. Dabei werden die Leitschaufeln entweder über Verdrehnocken oder über einzelne an den Leitschaufeln befestigte Verstellhebel in die gewünschte Position gebracht. Alle Schaufeln greifen mit ihren Verdrehnocken bzw. ihren Verstellhebeln in einen ebenfalls konzentrisch um die Turbinendrehachse umlaufenden und um diese verdrehbaren Verstellring ein, der zum Beispiel über eine entsprechende Hebelmechanik verdreht werden kann und so den Schaufelwinkel für alle Leischaufeln synchron einstellt. Die Betätigung der Hebelmechanik erfolgt beispielsweise durch pneumatische oder elektromechanische Aktoren.
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Die oben beschriebene Anordnung der Leitschaufeln wird zusammen mit den genannten zugeordneten mechanischen Komponenten als Leitschaufelapparat bezeichnet, der die sogenannten Variable Turbinengeometrie bildet. Ein solcher Leitschaufelapparat kann, unter Zusammenfassung der genannten mechanischen Komponenten, als vormontierbare Baugruppe gestaltet sein, die dann als Leitschaufelkartusche oder VTG-Kartusche bezeichnet wird.
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Im montierten Zustand des Abgasturboladers ist der Leitschaufelapparat zumindest zum Teil in einer dafür vorgesehenen Ausnehmung des Lagergehäuses des Abgasturboladers aufgenommen, wobei zwischen der Rückseite des Schaufellagerrings und der Ausnehmung des Lagergehäuses ein Hohlraum gebildet ist, in dem die Verdrehnocken bzw. Verstellhebel der Leitschaufeln sowie der Verstellring angeordnet sind.
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Zur Erfüllung der zukünftigen Emissionsziele der Abgasgesetzgebung müssen die Verbrennungsmotoren ohne Volllastanfettung mit stöchiometrischer Verbrennung und damit bei höheren Verbrennungstemperaturen unter Volllastbedingungen betrieben werden. Dies stellt hohe thermomechanische Ansprüche an die Turbinenstufe des Abgasturboladers im Abgassystem des Motors. Die Bauteile der Turbinenstufe, welche das Turbinengehäuse, den Leitschaufelapparat und das Turbinenrad selbst beinhaltet, sind dadurch hohen Abgastemperaturen ausgesetzt. Diese führen zu Wärmedehnungen und ggf. plastischen Verformungen der Bauteile. Insbesondere im Leitschaufelapparat kann dies zu einer Klemmung zwischen Leitschaufeln und Lagerring sowie zu erhöhten Spaltmaßen im Einlass-Ringkanal führen, wodurch der Turbinenwirkungsgrad, die Regelbarkeit und ggf. die Funktion an sich negativ beeinflusst werden. Weiterhin tritt erhöhter Verschleiß an diesen Bauteilen auf und die maximal zulässigen Materialtemperaturen können ggf. lokal überschritten werden.
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In der Vergangenheit wurden die Motoren in den temperaturkritischen Betriebspunkten stets mit Kraftstoffüberschuss betrieben, d.h. es wurde ein im Vergleich zum Frischluftanteil höherer Kraftstoffanteil in den Brennraum eingegeben, um die Abgastemperaturen zu regulieren. Zur Erreichung der Emissionsziele wird es zunehmend notwendig, diese Motorbetriebsbedingungen zu vermeiden. Um dies zu gewährleisten, werden in der derzeitigen Entwicklung der Turbinenstufen und des gesamten Abgassystems zunehmend hochtemperaturfeste Werkstoffe eingesetzt, welche den Preis der ursprünglich eingesetzten Werkstoffe weit übersteigen.
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Alternativ oder ergänzend dazu kann ein Kühlmantel um das Turbinengehäuse vorgesehen sein, um den Abgasmassenstrom vor dem Eintritt in den Leitschaufelapparat auf die zulässigen Materialtemperaturen herunterzukühlen. Dies hat den Nachteil, dass das nutzbare Enthalpiegefälle über die Turbine sinkt und somit der optimale Wirkungsgrad nicht erreicht werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader zur Verfügung zu stellen, der bei hohen Abgastemperaturen und unter Erhaltung der uneingeschränkten Funktionstüchtigkeit des Leitschaufelapparats die Verwendung preisgünstiger Materialien für die Komponenten des Leitschaufelapparats und somit eine preisgünstige Ausführung des Abgasturboladers ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Abgasturbolader der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass er eine Einrichtung zur lokalen Kühlung mindestens eines Teiles des Leitschaufelapparates aufweist.
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Durch eine aktive Kühlung des Leitschaufelapparates der Turbinenstufe werden die Materialtemperaturen dieser Bauteile herabgesetzt. Somit können zum einen Materialien mit geringeren Schmelztemperaturen eingesetzt werden, welche deutlich preiswerter sind. Des Weiteren wird eine starke temperaturbedingte Materialausdehnung verhindert und damit das Risiko von Klemmung und damit der Bauteilverschleiß minimiert. Somit wird die Funktionsfähigkeit auf Dauer gewährleistet und die Regelbarkeit der Turbinenstufe ohne Einbußen im Wirkungsgrad wird sichergestellt. Durch die lokale Kühlung der temperaturbelasteten Bauteile bleibt das nutzbare Enthalpiegefälle über die Turbine im Gegensatz zu einem vollgekühlten Turbinengehäuse weitestgehend erhalten.
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Erfindungsgemäß kann die Einrichtung zur lokalen Kühlung auf verschiedene Weise ausgebildet sein.
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Eine Ausführung der Einrichtung zur lokalen Kühlung ist vorzugsweise zur Kühlung des gesamten, als Leitschaufelkartusche ausgebildeten Leitschaufelapparates ausgebildet.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein Kühlmedium in den Hohlraum zwischen dem Schaufellagerring des Leitschaufelapparates und dem Lagergehäuse des Abgasturboladers eingeführt. Bei dieser Ausführungsform wird vorzugsweise ein gasförmiges Kühlmedium direkt in den beschriebenen Hohlraum eingeblasen, das aufgrund seines Temperaturunterschiedes zum Abgas für eine Bauteilkühlung sorgt. Dabei werden alle in dem Hohlraum angeordneten, und die an diesen angrenzenden, Bauteile des Leitschaufelapparates gekühlt. Durch zusätzliche Wärmeleiteffekte zwischen den Bauteilen des Leitschaufelapparates wird so der gesamte Leitschaufelapparat gekühlt.
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Bei einer anderen Ausführungsform beaufschlagt die Einrichtung zur lokalen Kühlung mindestens ein Bauteil des Leitschaufelapparates direkt mit einem Kühlmedium. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Prallkühlung mittels Druckluft handeln.
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In weiterer Ausführung wird durch die Einrichtung zur lokalen Kühlung ein Schaufellagerring des Leitschaufelapparates mit einem Kühlmedium direkt beaufschlagt. Dadurch wird vorteilhaft und gezielt das in der Regel massereichste zentrale Bauteil des Leitschaufelapparates, das zudem zumindest auf einer Seite dem heißen Abgasmassenstrom direkt ausgesetzt ist, besonders effektiv gekühlt.
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Ergänzend kann das Kühlmedium durch spezielle Elemente, beispielsweise Röhrchen oder Kanäle, zum Beispiel auf oder in dem Bauteil, insbesondere dem Schaufellagerring, verteilt werden und ggf. durch kleinste Bohrungen aus diesem austreten, um auch benachbarte Komponenten zu kühlen. Hierbei umfasst diese Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur lokalen Kühlung eine Einrichtung zur Verteilung des Kühlmediums auf oder in einem entsprechenden Bauteil des Leitschaufelapparates.
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Erfindungsgemäß werden daher zwei Lösungen bevorzugt: Zum einen wird ein Medium, insbesondere ein gasförmiges Medium, in den Hohlraum zwischen Schaufellagerring und Lagergehäuse eingeblasen, wodurch eine entsprechende Kühlung der relevanten Elemente, insbesondere des Schaufellagerringes, der Verdrehnocken bzw. Verstellhebel der Leitschaufeln sowie des Verstellrings, erreicht wird. Zum anderen können die relevanten Bauteile direkt mit einem Kühlmedium beaufschlagt werden, beispielsweise mit entsprechenden Einrichtungen, die für eine Prallkühlung oder eine Verteilung des Kühlmediums auf oder in dem Bauteil sorgen.
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Das verwendete Kühlmedium kann unterschiedlicher Natur sein. Vorzugsweise findet Druckluft Verwendung, die insbesondere von einer Druckluftquelle, zum Beispiel einem externen Kompressor, oder von der Verdichterstufe des Abgasturboladers selbst, abgeleitet werden kann.
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Eine Ausführung des Abgasturboladers zeichnet sich also dadurch aus, dass die Einrichtung zur lokalen Kühlung über einen Fluidkanal mit einer Druckluftquelle in fluidischer Verbindung steht und das Kühlmedium Druckluft ist.
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In weiterer Ausgestaltung der vorgenannten Ausführung ist der Abgasturbolader dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur lokalen Kühlung über einen Fluidkanal mit der Verdichterstufe des Abgasturboladers als Druckluftquelle in fluidischer Verbindung steht und die Druckluft aus der Verdichterstufe abgeleitet ist.
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Es kann aber auch ein Teil des Abgasmassenstromes abgezweigt werden, der beispielsweise über einen Bypass-Kanal zwischen dem Eintritt in das Turbinengehäuse und dem Leitschaufelapparat eingeführt werden kann.
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Eine entsprechende Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur lokalen Kühlung über einen Bypass-Kanal mit dem Abgaseinlass des Turbinengehäuses in fluidischer Verbindung steht, wobei der Bypass-Kanal einen Kühlmantel aufweist und das Kühlmedium ein im Abgaseinlass abgezweigter Abgasmassenstrom ist.
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Die Ausführungsform, bei der die Kühlung mittels des abgezweigten Abgasmassenstromes erfolgt, weist, wie erwähnt, einen Bypass-Kanal zwischen Abgaseinlass des Turbinengehäuses und Leitschaufelapparat bzw. dem Hohlraum zwischen Lagergehäuse und Schaufellagerring auf. Hierbei muss der abgezweigte Abgasmassenstrom mittels eines Kühlmantels um den Bypass-Kanal zwischengekühlt werden, um die notwendige Temperaturdifferenz zur Hauptströmung zu gewährleisten. Der Kühlmantel kann dabei seriell zum Kühlkreislauf des Lagergehäuses geschaltet werden. Da der Bypass-Massenstrom gering ist, ist nur eine geringe zusätzliche Kühlleistung erforderlich.
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Bei noch einer anderen Ausführungsform findet eine direkte Bauteilkühlung mittels Flüssigkeitskühlung statt. Hierbei wird das Kühlmedium beispielsweise in entsprechenden Kanälen, welche auf der Oberfläche oder innerhalb der Bauteile des Leitschaufelapparates verlaufen, geführt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Vertikalschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Abgasturboladers; und
- 2 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Abgasturboladers.
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Der in 1 im Vertikalschnitt gezeigte Abgasturbolader besitzt eine Verdichterstufe mit einem Verdichtergehäuse 1 und einem Verdichterrad 7 sowie eine Turbinenstufe mit einem Turbinengehäuse 2 und einem Turbinenrad 6. Der Turbinenstufe ist ein Leitschaufelapparat 3 zugeordnet, der in bekannter Weise ausgebildet sein kann. Die Funktionsweise eines derartigen Leitschaufelapparates wurde bereits eingangs beschrieben. Der Schaufellagerring bildet mit einer Ausnehmung im Lagergehäuse einen Hohlraum 4 in dem der Leitschaufelverstellmechanismus angeordnet ist, mittels dem der Anstellwinkel der Leitschaufeln einstellbar ist.
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Der beschriebene Abgasturbolader besitzt ferner eine Einrichtung zur lokalen Kühlung mindestens eines Teiles des Leitschaufelapparates 3. Hierbei handelt es sich um eine Einrichtung, die zur lokalen Kühlung ein Kühlmedium in den Hohlraum 4 zwischen Schaufellagerring des Leitschaufelapparates 3 und Lagergehäuse des Abgasturboladers einführt. Sie umfasst einen Fluidkanal 5, mittels dessen verdichtete Luft, also Druckluft, von der Verdichterstufe abgezapft und in den Hohlraum 4 zur Kühlung des Leitschaufelverstellmechanismus und des Schaufellagerrings eingeführt wird. Somit wird bereits verdichtete Luft stromab des Verdichterrades abgezapft und durch den Fluidkanal 5 dem Hohlraum 4 zugeführt. Diese Druckluft weist mit <200 °C eine deutlich geringere Temperatur auf als das Abgas (∼1.000-1.050 °C) und kann somit für eine effektive Kühlung verwendet werden.
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Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform eines Abgasturboladers findet die Kühlung des Leitschaufelapparates auf andere Weise statt. Hierbei ist ein Bypass -Kanal 8 zwischen dem Abgaseinlass für die Einleitung des Abgasmassenstromes in das Turbinengehäuse und dem Hohlraum 4, in dem der Leitschaufelverstellmechanismus angeordnet ist, vorgesehen. Der Bypass-Kanal 8 verbindet also den Spiraleintrittsbereich des Turbinengehäuses mit dem Hohlraum 4 zwischen Schaufellagerring und Lagergehäuse. Über diesen Bypass-Kanal 8 wird ein Bypassmassenstrom vom Abgasmassenstrom abgezweigt. Dieser muss mittels eines Kühlmantels 9, der um den Bypass-Kanal 8 herum angeordnet ist, zwischengekühlt werden, um die notwendige Temperaturdifferenz zu dem Hauptströmung des Abgasmassenstromes zu gewährleisten. Der Kühlmantel 9 kann seriell zum Kühlkreislauf des Lagergehäuses geschaltet werden und erfordert aufgrund des geringen Bypassmassenstroms nur eine geringe zusätzliche Kühlleistung.
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Erfindungsgemäß findet somit eine lokale Kühlung der temperaturbelasteten Bauteile des Leitschaufelapparates statt. Hierdurch bleibt das nutzbare Enthalpiegefälle über die Turbine im Gegensatz zu einem vollgekühlten Turbinengehäuse weitestgehend erhalten.
