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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turboladereinrichtung, insbesondere für einen Abgasturbolader eines Verbrennungsmotors, umfassend ein Lagergehäuse, eine im Lagergehäuse drehbar gelagerte Welle mit einem auf der Welle angeordneten Turbinenrad, ein das Turbinenrad umgebendes Turbinengehäuse mit einem Strömungskanal zur Zufuhr eines Gasstroms zu dem Turbinenrad, und einen einen über den Strömungskanal zum Turbinenrad strömenden Gasstrom beeinflussenden Leitapparat mit einer Vielzahl verstellbarer Leitschaufeln zur Realisierung einer variablen Turbinengeometrie, sowie weiter umfassend eine Kühlvorrichtung zur Zufuhr von Kühlmittel zu dem Turbinengehäuse zum aktiven Kühlen innerhalb des Turbinengehäuses angeordneter Bauteile.
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Bei derartigen Turboladereinrichtungen sind die mit dem heißen Abgasstrom in Kontakt kommenden Bauteile der Turbinenstufe hohen Temperaturen ausgesetzt. Zur Erfüllung zukünftiger Emissionsziele der Abgasgesetzgebung müssen Verbrennungsmotoren ohne Volllastanfettung mit stöchiometrischer Verbrennung und damit bei höheren Verbrennungstemperaturen unter Volllastbedingungen betrieben werden. So können insbesondere Abgastemperaturen von über 1.000°C auftreten. Dies stellt hohe thermomechanische Ansprüche an die Turboladereinrichtungen, insbesondere an Turboladereinrichtungen mit variabler Turbinengeometrie.
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Derartige Turbolader, auch VTG-Lader genannt, weisen einen auch als VTG-Kartusche bezeichneten Leitapparat mit einer Vielzahl das Turbinenrad umfangsseitig umgebender Leitschaufeln auf. Die Leitschaufeln können über einen Schaufellagerring am Lagergehäuse gelagert sein und sich von diesem zu einer gegenüberliegenden Deckelscheibe am Turbinengehäuse erstrecken. Durch ein Verschwenken der zwischen Deckelscheibe und Schaufellagerring verschwenkbar gelagerten Leitschaufeln wird die Verstellbarkeit der Turbinengeometrie ermöglicht. Dies führt zu einer Beeinflussung des über den Strömungskanal zum Turbinenrad gelangenden Abgasstroms. Die Bauteile der Turbinenstufen, wie das Turbinengehäuse, der Leitapparat und das Turbinenrad selbst können durch die hohen Abgastemperaturen im Betrieb beeinträchtigt werden. So kann insbesondere im Leitapparat aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Bauteile eine Verklemmung zwischen Leitschaufeln und den die Leitschaufeln aufnehmenden Lagerringen auftreten. Dies kann den Turbinenwirkungsgrad und die Regelbarkeit negativ beeinflussen. Im Übrigen kann ein erhöhter Verschleiß an den Bauteilen der Turbinenstufe auftreten und es kann zum Überschreiten der maximal zulässigen Materialtemperaturen der jeweiligen Bauteile kommen. Insbesondere der am Turbineneingang angeordnete Leitapparat, also die Leitschaufeln sowie gegebenenfalls Deckelscheibe und Schaufellagering, sind besonders hohen Abgastemperaturen ausgesetzt, da sich diese Bauteile direkt im Abgasstrom befinden.
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Zur Regulierung der Abgastemperatur kann beispielsweise der Verbrennungsmotor in temperaturkritischen Betriebspunkten mit Kraftstoffüberschuss betrieben werden, es kann also ein im Vergleich zum Frischluftanteil höherer Kraftstoffanteil in den Brennraum eingeführt werden. Dies erhöht jedoch den Kraftstoffverbrauch und folglich auch die Emissionen. Auch ist es denkbar, für die Bauteile der Turbinenstufen hochtemperaturfeste Werkstoffe einzusetzen, die Abgastemperaturen von über 1.000°C standhalten können. Dies ist allerdings mit erheblichen Kosten verbunden.
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Schließlich könnte eine aktive Kühlung des Turbinengehäuses erfolgen. So könnte beispielsweise Wasser als Kühlmittel dem Turbinengehäuse von außen zugeführt werden, sodass die Außenkontur des Turbinengehäuses vollumfänglich von einem Wasserkern umschlossen wird. Hierdurch können Material und Oberflächentemperaturen reduziert werden. In nachteiliger Weise wird bei einer derartigen Kühlung über eine so große benetzte Fläche ein großer Wärmestrom in das Kühlsystem abtransportiert. Dies erfordert die Auslegung des Kühlsystems auf eine relativ große Kühlleistung, was insbesondere im Automobilsektor von Nachteil ist. So kann aufgrund des großen Wärmeeintrags eine Neuauslegung des gesamten Fahrzeugkühlsystems oder zumindest von Teilen des Kühlsystems notwendig werden, was mit erheblichen Kosten und einem erhöhten Platzbedarf verbunden ist.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Turboladereinrichtung bereitzustellen, die bei kostengünstiger Auslegung mit hohen Abgastemperaturen zuverlässig umgehen kann.
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Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Turboladereinrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Bei der erfindungsgemäßen Turboladereinrichtung gemäß der eingangs genannten Art weist die Kühlvorrichtung einen im Bereich des Leitapparats angeordneten Kühlmittelkanal auf zur gezielten Kühlung des Leitapparats. Über den Kühlmittelkanal kann ein Kühlmittel, wie insbesondere Kühlwasser, zumindest in die Nähe des Leitapparats verbracht werden und diesen somit kühlen. Der Kühlmittelkanal ist insbesondere im Turbinengehäuse ausgebildet, bevorzugt benachbart zu dem Leitapparat. So kann das Kühlmittel dem Turbinengehäuse zugeführt, durch den Kühlmittelkanal entlang des Leitapparats gefördert und anschließend wieder von dem Turbinengehäuse fortgeführt werden. Das Kühlmittel kann somit das Turbinengehäuse im Bereich des Leitapparats und damit den Leitapparat kühlen.
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Es wird somit erfindungsgemäß eine gezielte Kühlung des Leitapparats, also der VTG-Kartusche erreicht. Es werden so die besonders temperaturkritischen Bauteile der Turbinenstufe gekühlt, nämlich der Leitapparat mit seinen Leitschaufeln sowie insbesondere auch Deckelscheibe bzw. Schaufellagerring. Durch diese gezielte Kühlung können die Materialtemperaturen und damit die Spannungen innerhalb des Leitapparats signifikant reduziert werden. Dies ermöglicht es zum einen für die Komponenten zumindest des Leitapparats relativ kostengünstige Materialien zu verwenden, insbesondere auf Temperaturen von weniger als 1.000°C ausgelegte Materialien. Weiterhin kann das Risiko einer Verklemmung zwischen den Leitschaufeln und dem die Leitschaufeln aufnehmenden Lagerring bzw. der Deckelscheibe verringert werden. Auch ist ein geringerer Bauteilverschleiß die Folge. Im Übrigen erlaubt diese Direktkühlung des Leitapparats eine lokale Beschränkung der Kühlung, also insbesondere des Wasserkerns, sodass eine geringere Kühlleistung der Kühlvorrichtung ausreichend ist. Es muss also keine Neuauslegung des Kühlsystems erfolgen. Es kann dementsprechend vorgesehen sein, dass die Kühlvorrichtung lediglich den im Bereich des Leitapparats angeordneten Kühlmittelkanal aufweist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Kühlvorrichtung nicht die gesamte Außenkontur des Turbinengehäuses kühlt, sondern bevorzugt lediglich über den Kühlmittelkanal den Leitapparat. Da somit der Wasserkern die Außenkontur des Turbinengehäuses nicht vollumfänglich umschließt, wird die benetzte Fläche und damit der Wärmeeintrag in das Kühlsystem verringert.
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Nach einer Ausgestaltung ist der Kühlmittelkanal ringförmig ausgebildet und konzentrisch zu dem Leitapparat angeordnet. Der Leitapparat weist bedingt durch die ringförmige Anordnung seiner Leitschaufeln ebenfalls eine Ringform auf. Insbesondere wird diese Ringform auch beschrieben durch einen eventuell vorzusehenden Schaufellagering bzw. die Deckelscheibe, zwischen denen die Leitschaufeln sich erstrecken können. Durch eine entsprechende ringförmige Ausbildung des Kühlmittelkanals und einen konzentrischen Verlauf zu der Ringform des Leitapparats kann über den gesamten Umfang des Leitapparats Wärme von dem Leitapparat aufgenommen und durch das durch den Kühlmittelkanal fließende Kühlmittel abgeführt werden. Dies führt zu einer besonders effektiven Kühlung. Der ringförmige Kühlmittelkanal ist dabei nach einer Ausgestaltung derart angeordnet, dass er einen Austrittskanal der Turbine umgibt. Der Austrittskanal kann an den Strömungskanal anschließend stromabwärts des Turbinenrads befindlich sein. Der ringförmige Kühlmittelkanal kann somit insbesondere auch das Turbinenrad umfangsseitig umgeben. Es kann somit eine Kühlung weiterer Bereiche erfolgen.
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Nach einer Ausgestaltung weist der Leitapparat einen die Leitschaufeln tragenden Schaufellagerring und eine gegenüberliegende Deckelscheibe auf, wobei sich die Leitschaufeln von dem Schaufellagerring zu der Deckelscheibe erstrecken. Die Leitschaufeln sind somit an dem Schauffellagerring gelagert. Die gesamte VTG-Kartusche kann über die Deckelscheibe am Turbinengehäuse gelagert sein. Wie bereits erläutert, können sich die Leitschaufeln zwischen Schaufellagerring und Deckelscheibe erstrecken. Es können Abstandshalter vorgesehen sein, die sich ebenfalls zwischen Schaufellagerung und Deckelscheibe erstrecken, um Schaufellagering und Deckelscheibe in einem vorbestimmten Abstand zu halten. Dies kann sicherstellen, dass die Leitschaufeln relativ zu dem Schaufellagerring bzw. der Deckelscheibe verschwenkt werden können, sodass die Turbinengeometrie verstellt werden kann. So können die Abstandshalter einen Abstand zwischen den Leitschaufeln und der Deckelscheibe sicherstellen. Der Kühlmittelkanal ist dabei derart im Bereich des Leitapparats angeordnet, dass eine Kühlung des Leitapparats erfolgt. So kann der Kühlmittelkanal beispielsweise im Bereich des Schaufellagerrings am oder im Lagergehäuse angeordnet sein, sodass ein Wärmeeintrag insbesondere vom Schaufellagerring in das durch den Kühlmittelkanal fließende Kühlmittel erfolgt. Bevorzugt ist jedoch der Kühlmittelkanal, wie bereits angesprochen, im Turbinengehäuse ausgebildet und kann insbesondere zur gezielten Kühlung der Deckelscheibe im Bereich der Deckelscheibe angeordnet sein. So kann also primär ein Wärmeübertrag von der Deckelscheibe zu dem Kühlmittelkanal und damit zu dem durch den Kühlmittelkanal strömenden Kühlmittel erfolgen.
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So ist nach einer Ausgestaltung der Kühlmittelkanal im Turbinengehäuse ausgebildet und konzentrisch sowie benachbart zu der Deckelscheibe zur gezielten Kühlung der Deckelscheibe angeordnet. Insbesondere ist die Deckelscheibe ringförmig ausgebildet. Wie erläutert, ist auch der Leitapparat ringförmig ausgebildet. Die benachbarte Anordnung meint dabei die Anordnung im Bereich der Deckelscheibe derart, dass dort eine gezielte Kühlung erreicht wird. Der Leitapparat, insbesondere die Deckelscheibe, sowie der Kühlmittelkanal können als gemeinsames Zentrum die Wellenachse der das Turbinenrad tragenden Welle aufweisen. Der ringförmige Kühlmittelkanal kann somit in anderen Worten parallel zu der ebenfalls ringförmigen Deckelscheibe verlaufen. Dabei kann sich der Kühlmittelkanal über einen Teil oder über die gesamte radiale Breite der Deckelscheibe erstrecken.
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So erstreckt sich nach einer Ausgestaltung der Kühlmittelkanal über eine Anlagefläche von zumindest 25 % einer radialen Breite der Deckelscheibe, bevorzugt über eine Anlagefläche von zumindest 50 % der radialen Breite, weiter bevorzugt über eine Anlagefläche von zumindest 75 % der radialen Breite der Deckelscheibe sowie besonders bevorzugt über die gesamte radiale Breite der Deckelscheibe. Die radiale Breite meint eine Erstreckung in radialer Richtung. Je größer die Anlagefläche, desto größer der Wärmeübertrag von der Deckelscheibe auf den Kühlmittelkanal und damit auf das durch den Kühlmittelkanal strömende Kühlmittel.
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Nach einer Ausgestaltung ist die Kühlvorrichtung dazu ausgebildet, einen durch den Kühlmittelkanal strömenden Kühlmittelvolumenstrom und/oder eine Temperatur des durch den Kühlmittelkanal strömenden Kühlmittels anzupassen. Durch Anpassung des Volumenstroms bzw. der Temperatur des Kühlmittels kann ebenfalls, zumindest in geringfügigem Maße, die durch das Kühlmittel abgeführte Wärmemenge eingestellt werden. Dies kann dazu beitragen, den Wärmeeintrag in das Kühlsystem derart zu gestalten, dass keine Neuauslegung desselben nötig ist.
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Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Turboladereinrichtung in einer Schnittansicht,
- 2A-D unterschiedliche Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Kühlmittelkanals.
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Soweit nichts anderes angegeben ist, bezeichnen im Folgenden gleiche Bezugszeichen gleiche Gegenstände.
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In 1 ist in einer Schnittansicht eine Turboladereinrichtung dargestellt für einen Abgasturbolader eines Verbrennungsmotors, wobei die Turboladereinrichtung ein Lagergehäuse 1 und ein an das Lagergehäuse 1 anschließendes Turbinengehäuse 2 aufweist. In dem Lagergehäuse 1 ist eine Welle 10 mit einem an einem Wellenende angeordneten Turbinenrad 9 um eine Wellenachse drehbar gelagert. Das Turbinenrad 9 ist von dem Turbinengehäuse 2 umgeben. In dem Turbinengehäuse 2 ist ein Strömungskanal 14 ausgebildet zur Zufuhr des Abgasstroms zu dem Turbinenrad 9. Vom Motor zum Turbolader strömendes Abgas tritt an einem nicht dargestellten Kanaleintritt in den Strömungskanal 14 ein, fließt durch den Strömungskanal 14 hin zum Turbinenrad 9 und umströmt dabei zumindest anteilig das Turbinenrad 9 umfangsseitig. Der Gasstrom trifft dabei beim Eintritt in die Turbinenstufe zunächst auf einen Leitapparat 12, umfassend einen Schaufellagerring 5, eine Deckelscheibe 6 sowie sich zwischen Schaufellagerring 5 und Deckelscheibe 6 erstreckende Leitschaufeln 4. Der Schaufellagerring 5 kann am Lagergehäuse 1 und die Deckelscheibe 6 am Turbinengehäuse 2 gelagert sein. Alternativ kann auch die gesamte VTG-Kartusche am Turbinengehäuse 2 gelagert sein. Schaufellagering 5, Deckelscheibe 6 sowie die Leitschaufeln 4, also der Leitapparat 12, bilden eine sogenannte VTG-Kartusche. Die Leitschaufeln 4 sind an dem Schaufellagerring 5 derart verstellbar gelagert, dass sie eine Turbinengeometrie verändern können. Der durch den Strömungskanal 14 zum Turbinenrad 9 fließende Abgasstrom trifft zunächst auf den Leitapparat, wobei durch die Leitschaufeln 4 eine Ablenkung desselben erfolgen kann. Der Abgasstrom treibt das Turbinenrad 9 an und verlässt die Turbinenstufe stromab des Turbinenrads 9 durch einen Austrittskanal 18.
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Aufgrund der hohen Temperaturen des Abgasstroms sind die Bauteile der Turbinenstufe, insbesondere der Leitapparat 12 mit seinen Leitschaufeln 4, dem Schaufellagerring 5 sowie der Deckelscheibe 6, hohen thermomechanischen Belastungen ausgesetzt. So kann es aufgrund thermischer Ausdehnung der Bauteile zu einer Beeinträchtigung des ordnungsgemäßen Betriebs der Turboladereinrichtung kommen. Auch kann es zu einem erhöhten Materialverschleiß kommen. Erfindungsgemäß ist daher eine aktive Kühlvorrichtung vorgesehen, die einen im Bereich des Leitapparats 12 angeordneten Kühlmittelkanal 16 aufweist zur gezielten Kühlung des Leitapparats 12. In 1 ist dieser Kühlmittelkanal nicht dargestellt, er ist jedoch in den 2 ersichtlich.
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Der Kühlmittelkanal 16 ist im Turbinengehäuse 2 ausgebildet und verläuft ringförmig entlang eines Umfangs des Turbinenrads 9 bzw. des Austrittskanals 18. Wie ersichtlich, ist der Kühlmittelkanal 16 konzentrisch zu dem Leitapparat 12, nämlich insbesondere zu der Deckelscheibe 6 angeordnet. Das gemeinsame Zentrum der Deckelscheibe 6 und des Kühlmittelkanals 16 liegt auf der Wellenachse A. Der Kühlmittelkanal 16 ist in unmittelbarer Nähe zu der Deckelscheibe 6, also benachbart zu dieser, angeordnet, sodass die Deckelscheibe 6 gezielt gekühlt werden kann. Hierfür wird über die Kühlvorrichtung ein Kühlmittel durch den Kühlmittelkanal 16 gefördert, welches folglich die den Kühlmittelkanal 16 begrenzende Wandung des Turbinengehäuses 2 kühlt und damit wiederum die Deckelscheibe 6 und folglich den Leitapparat 12.
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Durch eine solche gezielte Kühlung des Leitapparats 12 kann der Wärmeeintrag in das Kühlsystem geringgehalten werden. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Kühlvorrichtung lediglich den Leitapparat 12 kühlt. Beispielweise kann auf eine zusätzliche Kühlung der Außenkontur des Turbinengehäuses, insbesondere im Bereich eines Eintrittskanals des Strömungskanals 14 verzichtet werden. Es kann so eine gezielte Kühlung der temperaturkritischen Bereiche erreicht werden, ohne dass eine Neuauslegung der Kühlvorrichtung des Fahrzeugs notwendig wäre. Durch die Kühlung des Leitapparats wird ein unerwünschtes Verklemmen der Leitschaufeln sowie eine Belastung der Komponenten verhindert, was die ordnungsgemäße Funktionsweise der Turboladeeinrichtung gewährleistet und zudem die Lebensdauer der Bauteile des Leitapparats erhöht. Insbesondere wird eine Temperaturbelastung vermieden, die zur Erreichung der Schmelztemperaturen der Materialien führen kann.
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Die unterschiedlichen Ausgestaltungen der 2A bis 2D unterscheiden sich in der Anlagefläche des Kühlmittelkanals 16 an der Deckelscheibe 6. So erstreckt sich der Kühlmittelkanal 16 gemäß 2A über eine Anlagefläche von ca. 25 % einer radialen Breite der Deckelscheibe 6. Die radiale Breite meint hierbei die Erstreckung senkrecht zur Achse A, also entlang des Radius der Deckelscheibe 6 bzw. des Kühlmittelkanals 16. Bei der Ausgestaltung in 2B erstreckt sich der Kühlmittelkanal über eine Anlagefläche von ca. 50 % der radialen Breite der Deckelscheibe 6, bei der Ausgestaltung in 2C über ca. 75 % der radialen Breite der Deckelscheibe und bei der Ausgestaltung aus 2D über die gesamte radiale Breite der Deckelscheibe 6.
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Je größer die Anlagefläche, desto größer der Wärmeeintrag von der Deckelscheibe 6 und damit dem Leitapparat 12 in das durch den Kühlmittelkanal 16 geförderte Kühlmittel. Es kann somit der durch den Kühlmittelkanal 16 geförderte Wasserkern unter Berücksichtigung des maximal möglichen Wärmeeintrags in das Kühlsystem des Fahrzeugs an die zur Verfügung stehende Fläche der Deckelscheibe angepasst werden. Bei der Variante mit vollständig im Lagergehäuse 2 aufgenommener Deckelscheibe 6, wie in 2D dargestellt, kann über eine besonders große Fläche gekühlt werden. Insbesondere kann über eine größere Fläche gekühlt werden als bei den Ausgestaltungen 2A-C mit teilweise freistehender Deckelscheibe 6. Abhängig von der jeweiligen Auslegung der Turboladereinrichtung und den Kundenanforderungen kann anwendungsspezifisch eine dieser Varianten gewählt werden.
